光纤端面角对熔接损耗影响的研究_张济民
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图 2 损耗测试系统示意图
端面角与熔接损耗之间的关系非常复杂，目前没有准确的公式可 供参考。 本文通过实验数据分析找出二者之间的关系，前提是必须统 一实验条件，排除接续设备、测试仪器、环境、光纤本身因素的影响。 本 实 验 中 使 用 的 设 备 是 中 国 电 科 第 41 所 AV6472 光 纤 熔 接 机 和
响到光纤纤芯，并导致其弯曲，最终引起熔接损耗增大。 那么减少该影
响的办法就是增加光纤的推进，来补偿中间玻璃体缺失。 采用的改进
措 施 具 体 如 下 ：首 先 测 量 切 割 角 度 αC1（用 于 推 导 参 考 值 ），然 后 通 过 CPU 控制轴向电机，增加光纤的推进量，到达最优化的熔接损耗。 假定
端面角。
轴心错位： 单模光纤纤芯很细，2 根对接光纤轴 心 错 位 会 影 响 熔
接损耗。
端面分离：待熔接的两条光纤端面间距过大，张力测试时可发现。
图 1 非本征因素示意图
1.4 降低熔接损耗途径 降低光纤接头处的熔接损耗，可以增加光纤中继放大传输距离或
增加光缆富余度 。 因此 ，降低光纤的熔接损耗具有重要意义 。 从本征因 素方面考虑，在光纤网络建设中，优先考虑使用同一品牌和型号的光 纤。 从非本征因素方面考虑，轴心错位、端面分离、光纤倾斜和光纤物 理变形可通过规范操作避免，端面角是客观存在的，优质切割刀的平 均端面角≤0.8°，因此，端面角是决定熔 接 损 耗 的 重 要 因 素 ，下 文 将 从 理论和实验两个方面介绍熔接损耗和端面角之间的关系。
2.2 曲线拟合原理
为了从这些数据中找到其内在的规律性，即求得自变量和因变量
之间吻合程度比较好的函数关系式，通常采用曲线拟合的方法，其原
理有最小二乘法、契比雪夫法等，且以最小二乘法最为常见，原理如
下：
设 有 实 验 数 据 （xi,yi）,i=1,2,…,n，寻 找 函 数 f(a,x)使 得 函 数 在 点 xi
x=[0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1];
y=[0.005 0.008 0.015 0.020 0.013 0.021 0.029 0.056 0.062 0.136];
[p2,s2] =polyfit(x,y,2)
[p3 ,s3]=polyfit(x,y,3)
处的函数值与观测数据偏差的平方和达到最小。 即使得
n
minΣ(f(a,xi)-yi)2
（3）
i=1
式中，a 是待定的参数。
2.3 Matlab 实现
matlab 是 一 款 功 能 强 大 的 科 学 计 算 软 件 ， 本 文 直 接 使 用 内 部
ployfit 函数实现曲线拟合，分别采用 2 阶和 3 阶拟合，程序如下：
【关键词】端面角；熔接损耗；光纤熔接机；曲线拟合 Research of Influence of Kerf Angle of the Fiber on Splice Loss ZHANG Ji-min YANG Xiao-guang ZHANG Wei
(The 41st Research Institute of CETC, National Key Lab of Electronic Measurement Technology, Qingdao Shandong 266000, China) 【Abstract】The important evaluation index of the optical fiber fusion quality is splice loss. The intrinsic and extrinsic causes of splice loss for optical fiber are analyzed. The analysis shows that the important factor of splice loss is kerf angle. The relationship between kerf angle and splice loss is presented by using the curve fitting method. Finally, the methods for reducing splice loss are presented and validated. 【Key words】Kerf angle;Splice loss;Fiber fusion splicer;Curve fitting
接损耗的因素分为两类：本征因素和非本征因素，分别进行分析。
1.2 本征因素
影响光纤熔接的本征因素是指光纤自身的因素，包括模场直径偏
差、模场同心度误差、纤芯截面不圆等，其中，光纤模场直径偏差影响
最大，估算公式如下：
Lα=20lg[(ω1/2ω2)+(ω2/2ω1)]
（2）
式中：Lα 是估计损耗值，ω1 和 ω2 是左、 右两条待熔接的光纤的模
此外，标准的多模光纤、非零色散位移光纤、色散位移光纤的模场
直径都允许一定的变化范围，当进行不同厂家光纤熔接时，由于模场
失配造成的损耗影响还是很大的。
1.3 非本征因素
影响光纤熔接损耗的非本征因素主要是熔接技术，包括以下几个
方面：
端面角：使用切割刀制备光纤端面时，光纤端面存在的倾角。 熔接
机屏幕上，光纤端面图像的边界线与屏幕中垂直直线的夹角即为光纤
0 概述
近年来，光纤通信发展迅速，由于其具有容量大、成本低和保密性 好等诸多优点，已广泛应用在军事、互联网、金融、交通、环保、监控、医 疗、文化及航天等各个领域。 所有光纤通信工程的建设和维护，都是通 过光纤熔接机等设备将一根根的光纤连接在一起，形成了巨大的光纤 通信网络。 熔接损耗是评价光纤熔接质量好坏的一个重要参数，它直 接决定着光纤通信网络的质量。 实际操作中，影响熔接损耗的因素较 多，本文主要论述光纤端面角和熔接损耗之间的关系，并对因光纤端 面角度因素导致熔接损耗增大的问题提出了解决办法。 因此对减小熔 接损耗、提高光纤熔接质量有着重要意义。
光纤倾斜：一般由于接续设备对准机构出现故障或操作不当造成 的，待接续的两条光纤轴心不在同一条水平线上。
接续点附近的光纤物理变形： 光缆在架设过程中的拉伸变形，接 续盒中夹固光缆的压力太大等，都会对熔接损耗产生影响。
1 光纤熔接损耗
1.1 熔接损耗定义
光纤接续是光纤网络建设和维护中工程量大、技术要求最复杂的
作者简介：张济民，男，安徽蚌埠人，高级工程师，主要从事测试仪器的研究与开发。
12 科技视界 Science & Technology Vision
本刊视点
Science & Technology Vision
科技视界
科技·探索·争鸣
AV33012 光纤切割刀，测试仪 器 采 用 的 是 安 捷 伦 公 司 的 8163B 光 源 、 功率计系统，分辨率高达 0.001dB，光纤采用符合 ITU-T G.652 标准的 单模光纤，温度 20～25℃，湿度 45～55%RH，标准大气压。
重要工序，其质量好坏直接影响光纤线路的传输质量和可靠性。 衡量
接续质量的最重要指标是接续损耗，它是指光纤接续点产生的功率损
失，公式如下：
L=10log Po
（1）
Pi
式 中 ：L 为 接 续 损 耗 ，Pi 是 输 入 功 率 ，Po 是 经 过 接 续 点 的 输 出 功
率。 对于使用熔接机进行光纤热熔接续来说，L 即为熔接损耗。 决定熔
0.8°
0.9°
1.0°
熔接损耗 0.021dB 0.029dB 0.056dB 0.062dB 0.136dB
纤端面不平整或一些微小的缺陷进行补偿。 如果两端光纤有比较大的 切割角度，而需要连接，看起来在端面间就有一个角度。 如图 4 所示。 由于存在切割角度 αCl，当两端光纤推进到一起时就会发现，连接处产 生数量为 Vm 的中间玻璃体缺失。
5 结语
本文介绍了光纤端面角度等因素对熔接损耗的影响， 并使用 matlab 软件进行曲线拟合获得端面角与熔接损耗之间的对应关系 。 然 后根据端面角信息改变光纤熔接机熔接时的推进量，明显的减少了高
熔接损耗光纤接头的产生。 Ｓ
图 3 matlab 拟合曲线
【参考文献】 ［1］Characteristics of a single-mode optical fibre and cable，ITU-T Recommendation G.652.(06/2005)[Z]. ［2］杨红颜.浅谈如何降低光纤的熔接损耗[J].光纤光缆的传输技 术,2009(4)：4446. ［3］汪禹. MATLAB 在曲线拟合中的应用[J].科技创新,2012(7)：8-9.
y2 和 y3 是多项式值，运行程序后得到的曲线如图 3 所示。 s2=0.0388，
s3=0.0224，因此 3 阶多项式曲线吻合程 度 更 好 ，最 终 的 拟 合 曲 线 如 公
式 4 所示：
y=0.57x3-0.7x2+0.28x-0.02
（4）
图 4 切割角度导致中间玻璃体缺失
在熔接过程中该缺失部分会引起玻璃体流动。 这样的流动又会影
光纤直径为 d，额外轴向推进为 Δzaf,对 于 中 间 玻 璃 体 缺 失 部 分 的 计 算 如下：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱVm=
1 2
π(d
2
2 ) dtanαcl
（5）
由此可以得出，要补偿该缺失额外推进量大约为：
Δzaf=d 2 tanαcl
（6）
4 改进后验证
采取改进推进量的方法后， 平均端面角≤1.0°时光纤的熔接损耗 控制在 0.04dB 以下，具体测试数据见下表 2 所示。 在高标准光缆线路 施工中，光纤熔接质量的内控指标要高于设计指标。 光纤接头损耗在 0.02dB 及以下为优，光纤接头损耗在 0.05dB 及以下为良，光纤接头损 耗在 0.05dB 到 0.08dB 之间为合格。 通 过 改 进 熔 接 方 法 ，对 于 光 纤 端 面角度在 1.0°以下的光纤熔接，熔接损耗可完全满足干线等高等级光 缆线路施工要求。
y2=polyval(p2,x);
y3=polyval(p3,x);
figure(1)
plot(x,y,'ko',x,y2,'k',x,y3,'-.k');
legend(' 原始数据 ','2 阶曲线 ','3 阶曲线 ')
p2 和 p3 分别是 2 阶和 3 阶多项式的 系 数 ，s2 和 s3 是 均 方 误 差 ，
场直径。 以光纤网络建设中应用最多的单模光纤为例进行分析，单模
光 纤 国 际 标 准 ITU -T G.652 中 规 定 的 模 场 直 径 的 范 围 是 8.6μm ～
9.5μm， 假 设 待 接 续 的 两 条 单 模 光 纤 的 模 场 直 径 分 别 为 8.6μm 和
9.5μm，带入公式 2 得到的熔接损耗约为 0.043dB。
2 熔接损耗与端面角的关系 2.1 测试系统和数据
在熔接损耗测试中，通常采用剪断法。 光纤熔接损耗的测试原理 与光纤衰减特性的检测原理类似，在不改变注入光的条件下通过功率 计测量出经过某一定长度（大于 2km）光纤后的功率值 P1（λ），然 后 在 整段光纤的约中间部分截断， 再用熔接机将截断的光纤接续起来，待 功率稳定后，读取功率计值 P2（λ），通过公式（1）可计算出该熔接点的 损耗值。 具体测试方法见下图所示测试系统。
科技·探索·争鸣
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本刊视点
光纤端面角对熔接损耗影响的研究
张济民 杨小光 张 伟 （中国电子科技集团公司第四十一研究所 电子测试技术国家重点实验室，山东 青岛 266000）
【摘 要】熔接损耗是评估光纤熔接质量的重要指标，本文对造成熔接损耗的本征因素和非本征因素进行了分析，提出端面角是决定熔接 损耗的重要因素这一结论。 通过曲线拟合得到端面角与熔接损耗的对应关系，最后提出降低熔接损耗的方法，并进行了验证。
由于光纤端面角难以预先确定，进行多次测试并记录左、右光纤 平均端面角和熔接损耗的对应关系，详细数据见表 1。
表 1 端面角和熔接损耗对应关系
光纤端面角
0.1°
0.2°
0.3°
0.4°
0.5°
熔接损耗 0.005dB 0.008dB 0.015dB 0.020dB 0.013dB
光纤端面角
0.6°
0.7°
表 2 改进后端面角和熔接损耗数据
光纤端面角
0.1°
0.2°
0.3°
0.4°
0.5°
熔接损耗 0.007dB 0.011dB 0.013dB 0.015dB 0.016dB
光纤端面角
0.6°
0.7°
0.8°
0.9°
1.0°
熔接损耗 0.020dB 0.019dB 0.023dB 0.026dB 0.035dB
端面角与熔接损耗之间的关系非常复杂，目前没有准确的公式可 供参考。 本文通过实验数据分析找出二者之间的关系，前提是必须统 一实验条件，排除接续设备、测试仪器、环境、光纤本身因素的影响。 本 实 验 中 使 用 的 设 备 是 中 国 电 科 第 41 所 AV6472 光 纤 熔 接 机 和
响到光纤纤芯，并导致其弯曲，最终引起熔接损耗增大。 那么减少该影
响的办法就是增加光纤的推进，来补偿中间玻璃体缺失。 采用的改进
措 施 具 体 如 下 ：首 先 测 量 切 割 角 度 αC1（用 于 推 导 参 考 值 ），然 后 通 过 CPU 控制轴向电机，增加光纤的推进量，到达最优化的熔接损耗。 假定
端面角。
轴心错位： 单模光纤纤芯很细，2 根对接光纤轴 心 错 位 会 影 响 熔
接损耗。
端面分离：待熔接的两条光纤端面间距过大，张力测试时可发现。
图 1 非本征因素示意图
1.4 降低熔接损耗途径 降低光纤接头处的熔接损耗，可以增加光纤中继放大传输距离或
增加光缆富余度 。 因此 ，降低光纤的熔接损耗具有重要意义 。 从本征因 素方面考虑，在光纤网络建设中，优先考虑使用同一品牌和型号的光 纤。 从非本征因素方面考虑，轴心错位、端面分离、光纤倾斜和光纤物 理变形可通过规范操作避免，端面角是客观存在的，优质切割刀的平 均端面角≤0.8°，因此，端面角是决定熔 接 损 耗 的 重 要 因 素 ，下 文 将 从 理论和实验两个方面介绍熔接损耗和端面角之间的关系。
2.2 曲线拟合原理
为了从这些数据中找到其内在的规律性，即求得自变量和因变量
之间吻合程度比较好的函数关系式，通常采用曲线拟合的方法，其原
理有最小二乘法、契比雪夫法等，且以最小二乘法最为常见，原理如
下：
设 有 实 验 数 据 （xi,yi）,i=1,2,…,n，寻 找 函 数 f(a,x)使 得 函 数 在 点 xi
x=[0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1];
y=[0.005 0.008 0.015 0.020 0.013 0.021 0.029 0.056 0.062 0.136];
[p2,s2] =polyfit(x,y,2)
[p3 ,s3]=polyfit(x,y,3)
处的函数值与观测数据偏差的平方和达到最小。 即使得
n
minΣ(f(a,xi)-yi)2
（3）
i=1
式中，a 是待定的参数。
2.3 Matlab 实现
matlab 是 一 款 功 能 强 大 的 科 学 计 算 软 件 ， 本 文 直 接 使 用 内 部
ployfit 函数实现曲线拟合，分别采用 2 阶和 3 阶拟合，程序如下：
【关键词】端面角；熔接损耗；光纤熔接机；曲线拟合 Research of Influence of Kerf Angle of the Fiber on Splice Loss ZHANG Ji-min YANG Xiao-guang ZHANG Wei
(The 41st Research Institute of CETC, National Key Lab of Electronic Measurement Technology, Qingdao Shandong 266000, China) 【Abstract】The important evaluation index of the optical fiber fusion quality is splice loss. The intrinsic and extrinsic causes of splice loss for optical fiber are analyzed. The analysis shows that the important factor of splice loss is kerf angle. The relationship between kerf angle and splice loss is presented by using the curve fitting method. Finally, the methods for reducing splice loss are presented and validated. 【Key words】Kerf angle;Splice loss;Fiber fusion splicer;Curve fitting
接损耗的因素分为两类：本征因素和非本征因素，分别进行分析。
1.2 本征因素
影响光纤熔接的本征因素是指光纤自身的因素，包括模场直径偏
差、模场同心度误差、纤芯截面不圆等，其中，光纤模场直径偏差影响
最大，估算公式如下：
Lα=20lg[(ω1/2ω2)+(ω2/2ω1)]
（2）
式中：Lα 是估计损耗值，ω1 和 ω2 是左、 右两条待熔接的光纤的模
此外，标准的多模光纤、非零色散位移光纤、色散位移光纤的模场
直径都允许一定的变化范围，当进行不同厂家光纤熔接时，由于模场
失配造成的损耗影响还是很大的。
1.3 非本征因素
影响光纤熔接损耗的非本征因素主要是熔接技术，包括以下几个
方面：
端面角：使用切割刀制备光纤端面时，光纤端面存在的倾角。 熔接
机屏幕上，光纤端面图像的边界线与屏幕中垂直直线的夹角即为光纤
0 概述
近年来，光纤通信发展迅速，由于其具有容量大、成本低和保密性 好等诸多优点，已广泛应用在军事、互联网、金融、交通、环保、监控、医 疗、文化及航天等各个领域。 所有光纤通信工程的建设和维护，都是通 过光纤熔接机等设备将一根根的光纤连接在一起，形成了巨大的光纤 通信网络。 熔接损耗是评价光纤熔接质量好坏的一个重要参数，它直 接决定着光纤通信网络的质量。 实际操作中，影响熔接损耗的因素较 多，本文主要论述光纤端面角和熔接损耗之间的关系，并对因光纤端 面角度因素导致熔接损耗增大的问题提出了解决办法。 因此对减小熔 接损耗、提高光纤熔接质量有着重要意义。
光纤倾斜：一般由于接续设备对准机构出现故障或操作不当造成 的，待接续的两条光纤轴心不在同一条水平线上。
接续点附近的光纤物理变形： 光缆在架设过程中的拉伸变形，接 续盒中夹固光缆的压力太大等，都会对熔接损耗产生影响。
1 光纤熔接损耗
1.1 熔接损耗定义
光纤接续是光纤网络建设和维护中工程量大、技术要求最复杂的
作者简介：张济民，男，安徽蚌埠人，高级工程师，主要从事测试仪器的研究与开发。
12 科技视界 Science & Technology Vision
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Science & Technology Vision
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AV33012 光纤切割刀，测试仪 器 采 用 的 是 安 捷 伦 公 司 的 8163B 光 源 、 功率计系统，分辨率高达 0.001dB，光纤采用符合 ITU-T G.652 标准的 单模光纤，温度 20～25℃，湿度 45～55%RH，标准大气压。
重要工序，其质量好坏直接影响光纤线路的传输质量和可靠性。 衡量
接续质量的最重要指标是接续损耗，它是指光纤接续点产生的功率损
失，公式如下：
L=10log Po
（1）
Pi
式 中 ：L 为 接 续 损 耗 ，Pi 是 输 入 功 率 ，Po 是 经 过 接 续 点 的 输 出 功
率。 对于使用熔接机进行光纤热熔接续来说，L 即为熔接损耗。 决定熔
0.8°
0.9°
1.0°
熔接损耗 0.021dB 0.029dB 0.056dB 0.062dB 0.136dB
纤端面不平整或一些微小的缺陷进行补偿。 如果两端光纤有比较大的 切割角度，而需要连接，看起来在端面间就有一个角度。 如图 4 所示。 由于存在切割角度 αCl，当两端光纤推进到一起时就会发现，连接处产 生数量为 Vm 的中间玻璃体缺失。
5 结语
本文介绍了光纤端面角度等因素对熔接损耗的影响， 并使用 matlab 软件进行曲线拟合获得端面角与熔接损耗之间的对应关系 。 然 后根据端面角信息改变光纤熔接机熔接时的推进量，明显的减少了高
熔接损耗光纤接头的产生。 Ｓ
图 3 matlab 拟合曲线
【参考文献】 ［1］Characteristics of a single-mode optical fibre and cable，ITU-T Recommendation G.652.(06/2005)[Z]. ［2］杨红颜.浅谈如何降低光纤的熔接损耗[J].光纤光缆的传输技 术,2009(4)：4446. ［3］汪禹. MATLAB 在曲线拟合中的应用[J].科技创新,2012(7)：8-9.
y2 和 y3 是多项式值，运行程序后得到的曲线如图 3 所示。 s2=0.0388，
s3=0.0224，因此 3 阶多项式曲线吻合程 度 更 好 ，最 终 的 拟 合 曲 线 如 公
式 4 所示：
y=0.57x3-0.7x2+0.28x-0.02
（4）
图 4 切割角度导致中间玻璃体缺失
在熔接过程中该缺失部分会引起玻璃体流动。 这样的流动又会影
光纤直径为 d，额外轴向推进为 Δzaf,对 于 中 间 玻 璃 体 缺 失 部 分 的 计 算 如下：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱVm=
1 2
π(d
2
2 ) dtanαcl
（5）
由此可以得出，要补偿该缺失额外推进量大约为：
Δzaf=d 2 tanαcl
（6）
4 改进后验证
采取改进推进量的方法后， 平均端面角≤1.0°时光纤的熔接损耗 控制在 0.04dB 以下，具体测试数据见下表 2 所示。 在高标准光缆线路 施工中，光纤熔接质量的内控指标要高于设计指标。 光纤接头损耗在 0.02dB 及以下为优，光纤接头损耗在 0.05dB 及以下为良，光纤接头损 耗在 0.05dB 到 0.08dB 之间为合格。 通 过 改 进 熔 接 方 法 ，对 于 光 纤 端 面角度在 1.0°以下的光纤熔接，熔接损耗可完全满足干线等高等级光 缆线路施工要求。
y2=polyval(p2,x);
y3=polyval(p3,x);
figure(1)
plot(x,y,'ko',x,y2,'k',x,y3,'-.k');
legend(' 原始数据 ','2 阶曲线 ','3 阶曲线 ')
p2 和 p3 分别是 2 阶和 3 阶多项式的 系 数 ，s2 和 s3 是 均 方 误 差 ，
场直径。 以光纤网络建设中应用最多的单模光纤为例进行分析，单模
光 纤 国 际 标 准 ITU -T G.652 中 规 定 的 模 场 直 径 的 范 围 是 8.6μm ～
9.5μm， 假 设 待 接 续 的 两 条 单 模 光 纤 的 模 场 直 径 分 别 为 8.6μm 和
9.5μm，带入公式 2 得到的熔接损耗约为 0.043dB。
2 熔接损耗与端面角的关系 2.1 测试系统和数据
在熔接损耗测试中，通常采用剪断法。 光纤熔接损耗的测试原理 与光纤衰减特性的检测原理类似，在不改变注入光的条件下通过功率 计测量出经过某一定长度（大于 2km）光纤后的功率值 P1（λ），然 后 在 整段光纤的约中间部分截断， 再用熔接机将截断的光纤接续起来，待 功率稳定后，读取功率计值 P2（λ），通过公式（1）可计算出该熔接点的 损耗值。 具体测试方法见下图所示测试系统。
科技·探索·争鸣
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光纤端面角对熔接损耗影响的研究
张济民 杨小光 张 伟 （中国电子科技集团公司第四十一研究所 电子测试技术国家重点实验室，山东 青岛 266000）
【摘 要】熔接损耗是评估光纤熔接质量的重要指标，本文对造成熔接损耗的本征因素和非本征因素进行了分析，提出端面角是决定熔接 损耗的重要因素这一结论。 通过曲线拟合得到端面角与熔接损耗的对应关系，最后提出降低熔接损耗的方法，并进行了验证。
由于光纤端面角难以预先确定，进行多次测试并记录左、右光纤 平均端面角和熔接损耗的对应关系，详细数据见表 1。
表 1 端面角和熔接损耗对应关系
光纤端面角
0.1°
0.2°
0.3°
0.4°
0.5°
熔接损耗 0.005dB 0.008dB 0.015dB 0.020dB 0.013dB
光纤端面角
0.6°
0.7°
表 2 改进后端面角和熔接损耗数据
光纤端面角
0.1°
0.2°
0.3°
0.4°
0.5°
熔接损耗 0.007dB 0.011dB 0.013dB 0.015dB 0.016dB
光纤端面角
0.6°
0.7°
0.8°
0.9°
1.0°
熔接损耗 0.020dB 0.019dB 0.023dB 0.026dB 0.035dB