最高质量的光纤熔接和最精确的熔接损耗在线测试
Dirk N?her
Corning Cable Systems
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康宁光缆系统（上海）有限公司 康宁光缆系统（上海）有限公司 摘要
本文的主要内容是基于康宁光缆系统Bert Zamzow、Gervin Ruegenberg、Marty Anderson和Helmar Krupp的论文“高质量光纤熔接和显著改善熔接损耗测试精度”。 光纤熔接机是用于对光纤进行低损耗、低反射连接，以及确保光纤接头在未来使用中长期稳定的设备。光纤熔接机的使用者对熔接机的要求是：
? 快速、廉价的光纤端面准备；
? 无需调节任何参数的全自动熔接操作； ? 精确的光纤接头损耗现场测试。
本文展示的是怎样通过先进的测量技术达到以上的要求以及具体在光纤熔接机上的应用。本文描述了熔接损耗的降低以及其测量精度的提高。同时也讨论了通过技术改进，避免现场熔接时对熔接损耗采用估计的方式。光纤熔接机设备优化以后，使用者能得到的好处是：
? 精确的光纤切割角度测量以及通过自
动调节光纤推进，进而补偿不好的光纤端面；结果是有60％的光纤熔接损耗通过最小化高损耗（>0.1dB）的部分得到改进的熔接；
? 自动探测光纤类型； ? 提高熔接损耗测量精度（在线测量损耗
－真实损耗）从0.030dB降低到0.018dB。 介绍
通过熔接的方式连接光纤，需要有几个步
袁枫 (feng.yuan@corning.com) 译 田丰 (feng.tian@corning.com) 校
骤。以下将简要介绍一下各个步骤： 1． 用剥离工具去除光纤涂覆层； 2． 用专用光纤切割刀制备光纤端面； 3． 将光纤放入光纤熔接机，由熔接机完成
光纤对准；
4． 通过电极放电产生电弧熔接光纤； 5． 分析接头损耗；
6． 保护和存储光纤接头。
首先，需要准备光纤。采用专业剥离工具去除光纤涂层，同时用酒精清洁光纤。然后是制备光纤端面，用精准的光纤切割刀制备垂直、镜面的光纤端面。
图1典型的商用光纤熔接机
光纤放入光纤熔接机以后，以下的步骤基本上都是自动进行。通过光纤纤芯对准确定光纤的位置，然后电极放电熔接光纤。最后是评估光纤熔接损耗。
看起来熔接光纤是一件比较容易的事情，但
实际上要想获得很小熔接损耗的光纤接头，还是有很多因素需要考虑。以下将有进一步的讨论。随着时间的推移、使用次数的增多，准备光纤的工具会逐渐有一些磨损，这将引起准备光纤的质量下降，导致坏的光纤端面和很差的熔接效果。为了避免不必要的停工时间，操作人员需要特地花时间来维护光纤切割刀等工具。同样，在熔接前操作人员需要了解熔接光纤的类型，以便选择具体的熔接程序。然而，光缆内光纤类型信息可能并不充分。为了避免尝试甄别正确的光纤参数，操作人员需要能在施工现场探测需熔接的光纤类型。 最后，操作人员离开施工现场的时候必须确保光纤熔接损耗在可接受的范围以内。许多熔接机都提供估计的光纤熔接损耗；然而，这种估计值通常只有在接头损耗实际很好的情况下才比较准确。操作人员需要可信赖的、能实际分辨是好熔接还是坏熔接的熔接损耗评估。
下面本文将谈到光纤对准的基本方式。相关的技术和应用将被介绍，这将对以上提到问题有很好的解决方案。在“技术和应用”部分中，首先将介绍本地光注入和功率法测试熔接损耗的基本原理。然后，将解释相关的测量方法。在下面一节将展示这些技术的应用。最后，将介绍到对于具体施工中，使用人员通过技术改进得到哪些好处。所有的技术改进都要得益于光纤熔接机配备的双摄像头的视频系统、非常精确的三维光纤对准系统和LID（本地光注入和探测）系统。
光纤对准的基本方式
目前市面上所有不同的熔接控制系统均基于三种最重要的技术：LID系统（本地光注入和探测）、CDS(纤芯探测系统)和PAS（侧像投影对准系统）。
LID系统 LID－SystemTM(即本地光注入和探测系统)通过光注入进行检测，这样以来就能提供如下的特性：
? 高精度的光纤纤芯对准 ? 自动熔接时间控制AFCTM
? 真实熔接损耗的测试（功率法测试） ? 近场扫描自动进行光纤类型识别 将1300nm波长的光通过左端的弯曲耦合发射器注入到光纤，在熔接点右端的弯曲耦合接收器接收。LID－SystemTM适用于所有外径为250?m的商用光纤，如果采用尾纤耦合器该系统也可进行紧套尾纤的熔接。
光纤 2
x
z
光纤1
y
z 接收
注入
熔接电弧发生器
微处理器
图2 LID系统原理
熔接过程中AFCTM系统不断的评估注入光的功率，当两端纤芯耦合对准最好、即检测端功率最大时，AFCTM自动中止熔接程序。将所有可能的影响因素如：光纤特性、电极情况和不断变化的环境（如湿度、海拔和温度等）情况都纳入考虑，这样在每个单独的熔接才能获得最低的熔接损耗。
传输功率
最大LID 水平
最大.
开始 结束 熔接时间
图3 自动熔接时间控制 AFC
为保证真正精确的芯对芯光纤对准,光纤需要在X轴、Y轴方向上移动调整位置，以获得最大传输功率。只有通过这种方式就才能确保得到最精确的芯对芯光纤对准。 该方法过程简便，也非常有效。不需要复杂、精密的光学系统和任何形式的环境传感器。
纤芯探测系统CDS
类似于LID－SystemTM, CDSTM系统也是通过高精度的三维光纤纤芯对准来保证最低的熔接损耗。
图4 CDS系统光纤图像
不像LID－SystemTM通过光注入进行检测，CDSTM系统是通过在熔接过程中分析熔接区光纤纤芯的位置和形态的原理来进行熔接的。
通过一个简短的电弧照亮光纤。由于掺杂的不同，光纤纤芯的亮度比光纤包层高得多。从X轴和Y轴两个方向的摄像机，获得精确的熔接区图像。熔接机的微处理器分析图像，得到光纤几何尺寸的数据。这样就能定义两端待熔接光纤三维形态的情况，光纤的纤芯对准就是基于这些信息。
如果光纤本身纤芯同心度较差导致一定的对准偏差，相应的引导程序能抵消自动定心效应的影响。
熔接损耗评估时，光纤纤芯对准后的光纤偏差因素也在整个损耗评估计算中进行了考虑，优化了显示损耗值和真实损耗值之间的差别。
L－PASTM侧像投影对准系统
侧像投影对准系统评估光纤端面的图像，该图像是由同时设置在X、Y轴两个光路上的两套摄像机提供。将图像数字化供分析，得到光纤位置、端面情况和污染物情况的信息。
L－PASTM侧像投影对准系统采用光纤端面的轮廓对比度进行光纤对准的控制。该轮廓包含了所有的光纤影像信息，包括光纤中央的影像、可能的损伤、光纤的偏移以及微小的污染物。
光纤偏移
图5在单个方向的两根光纤端面的对比图
采用交互关联的方法就可能将光纤位置通过影像轮廓的方式计算得更精确。举例来说，图像显示的是两条柱状的视频，然后需要将两端的影像轮廓叠加。采用交互关联的方法定义两端光纤的偏移量。熔接机将按该偏移量数据进行熔接前的光纤对准和熔接后的损耗估计。
光纤偏移
光纤位置
图6 光纤影像轮廓
康宁全系列的熔接机都采用L－PASTM影像评估系统进行熔接前的预对准，并且该系统可自动补偿较差的光纤切面角度达2.50,这样以来就大大降低了光纤准备的返工率、提高了工作效率。
熔接损耗评估
对于光纤熔接损耗的评估，通常有两种方法。
第一种是利用图像进行纤芯偏差的分析，特定的参数如纤芯的偏差、纤芯的翘曲度等就能被定义。光纤熔接损耗就是利用以上参数通过一个经验公式进行计算后得出的。该技术无法覆盖所有熔接损耗的机理，毕竟它只用了少量的一些参数来进行熔接损耗推算。这种方法的短处是通常会导致对熔接损耗过于优化的估计，特别是在采用了错误的参数或实际损耗比较高的时候。因为该损耗值是基于参数估计的值，所以该方法叫熔接损耗估计法。
采用本地光注入和探测技术（LID）才能实现直接和真实的熔接损耗测量。光从接头前端被注入进入光纤，然后从接头后端被探测到如图7所示。通常弯曲耦合器是用于提供简便的光纤放入和取出，采用特别的设计优化对光纤的应力和保护光纤不受损伤。
Pi,extFibersPo,ext?iPiPo?oLsSpliceLaunching CouplerReceiving Coupler图7 LID系统测量熔接损耗
外部功率Pi,ext通过弯曲耦合器注入光纤成为光纤内部功率Pi。通过光纤接头有一个损耗Ls,同时功率P0留在光纤内部。然后功率P0被弯曲耦合器耦合出光纤成为外部功率Po,ext。外部功率和内部功率按如下公式进行相关：
Pi??iPi,extPo,ext??oP
o通过功率耦合系数αi 和αo，
Ls?10logPiP o熔接损耗通过内部功率计算。然而不可能来准确定义内部功率，虽然已知外部功率。这是因为不同涂层和颜色的功率耦合系数有很大的变化。
要准确定义熔接损耗，就需要将功率耦合系数这一变化较大的参数从计算中去掉。这要求知道熔接点的损耗Lref。在两段未熔接光纤中间的空气间隙的损耗作为参考值（图8）。
Pi,extAir GapPr,ext?iPiPr?oLr 图8 测量时引入空气间隙损耗作为参考值
在空气间隙很小而且光纤对准处于最大功率值的时候，有一个固定的值0.30dB作为空气间隙的损耗值。
空气间隙参考值在光纤熔接以前被测量，在这种情况下两端光纤已经是精确的对准了。外部输入功率Pi,ext在参考值测量和熔接损耗评估时是一样的。功率耦合系数αi 和αo也是不变的，因为在整个熔接过程期间光纤在弯曲耦合器中的位置是没有任何变化的。这意味着光纤内部功率Pi也是如图7不变的。
只有外部接收功率如下
Pr,ext??oPr
因为Lr通常是不同于Ls。如果参考值
Lr?10log?o?iPi,extP
r,ext是知道的，熔接损耗就可以进行如下的计算
LPr,exts?Lr?10logP
o,ext这意味着，如果已知参考值，熔接损耗可以通过探测到的外部功率Pr,ext和Po,ext进行定义。
虽然看起来参考值是比较容易得到的，但实际上要实现高精度的熔接损耗测试还有几个问题需要解决。空气间隙的损耗主要取决于以下几个参数：
? 两端光纤的轴向角度 ? 光纤端面的切割角度 ? 光纤模场直径
通过测量技术来定义这些参数的方法将在下面介绍。同时，也将在下面介绍参考值是怎样与这些参数相适应的。
测量技术
轴角度探测
正如上面介绍到的一样，一种精确的测量轴向角度的方法对于定义参考值是非常重要的。
轴向角度探测和后面将要介绍的切割角度
探测是通过视频图像分析得出的。绝大多数普通熔接机已经具有的光路系统就是设计用于光纤位置探测。一个普遍的得到光纤图像的方法如图9所示。 image of fibermicroscope objectivecamerafiber corefiber claddinglight source图9 将光纤图像投影到摄像机
光纤图像投影到摄像机芯片上，微处理器从摄像机芯片上读出数据，进行图像分析。有两套同样的系统从两个直角交叉方向上获取图像信息，这样得到三维的光纤数据信息。
下面仅描述了X轴和Z轴的情况，Y轴的程序是一样的。最后角度和偏移量是通过Pythagora’s定律进行计算。
一个简单的获得光纤角度的方法如图10所示。光纤在X方向通过两个纵向位置测量。两列之间的距离定义为ΔZ。X轴向的偏移定义为ΔX。
xy?zz?xdetection column 1detection column 2
图10 简单的获得光纤角度的方法
最高质量的光纤熔接和最精确的熔接损耗在线测试
