实训1-光纤熔接

图 1-7 光纤熔接机
2、熔接原则 光纤熔接应遵循的原则是：芯数相等时，要同束管内的对应色光纤对接；芯 数不同时，按顺序先接芯数大的，再接芯数小的。 3、熔接过程 （1）制备光纤端面：利用前面介绍的“切割法”对光纤端面进行处理，处 理好了的无涂覆层裸光纤长度一般为 15～20mm,应强调的是，光纤端面处理对于 连续质量至关重要。 （2）套上保护用套管（不锈钢管或热缩管）并置于自动推进 V 型槽中，调 节光纤使端面紧密接触，保持一定压力（使压力显示灯熄灭） ，然后将放电电极 移到光纤接头处，调节其高度使略低于光纤对，即可进行放电熔接（可用自动或 手动） 。如果仅仅是熔接联系实验，可以不用套套管。 （3）熔焊完毕，检测确定熔接损耗符合要求，即可取下光纤，将保护套管
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为获得最低的连接损耗，有必要对待连接的光纤进行参数配对筛选，并在连 接过程中进行精心调节，使几何位移误差减小到最小。 光纤（光缆）的固定连接又分为两种：Ｖ型槽（或三棒）连接与电弧熔焊连 接，前者多用于线路现场抢修或实验室临时性固定连接；后者则为正式的固定连 接所采用。图 1-4 示出的Ｖ型槽连接的基本结构，它是在平直的衬基上刻出高精 度的Ｖ型槽作为光纤对接的基准，槽的几何尺寸与待连接光纤的包层尺寸相匹 配， 将已剥去涂覆层并处理好端面的光纤对置放于Ｖ型槽内并使光纤对的端面相 互贴近，然后利用紧固件或环氧胶使光纤对的位置固定，即完成了光纤的连接。 图 1-5 示出三棒法连接的结构，它利用三根精密加工的高精度圆柱棒夹持光纤， 三根棒与光纤的三条接触线提供了光纤对接的基准。
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果端面质量不高，则输出光斑就会散射或倾斜。另一种更为精密的方法是利用高 倍率显微镜来进行检验。首先正面观察光纤端面，其端面应均匀、无裂痕，圆周 轮廓清晰；然后侧面观察光纤并转动光纤，其端部边缘应齐整，无凹陷或尖劈， 且边缘与纤轴垂直。图 1-1 示出几种光纤端面缺陷检测图形。 （a）为斜面； （b） 为端部出现伤痕；(c)为毛刺端面； （d）为凹凸不平端面。
图 1-1
米勒钳
2、光纤头制作 （1） 平面光纤头的制备
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对于平面光纤头的基本要求是，光纤端面应是一个平整的镜面，且须与光纤 纤轴垂直。因此，将光纤简单地“一刀两断”是不行的，必须根据光纤的材料与 品种选择合适的断面处理技术。对于石英系光纤，制备平面光纤的常用方法有： 加热法、切割法和碾磨法。 “加热法”是一种最原始也最简单的方法，同时在一般情形下也是行之有效 的，且尤为适合于 100 m 以上直径的粗光纤。这种方法依据的原理是光纤受局 部加热产生的应力突变会使其沿直径方向解理，从而形成所需镜面。制作时，首 先将已剥除套塑层和与涂覆层的裸光纤头在电弧(或其它热源， 如酒精灯)下均匀 加热，然后迅即用镊子（或相当的工具）夹住光纤端部弯曲折断即可。利用这种 方法制备光纤头的成功率一般较低，需要有相当的经验才能获得满意的效果。 “切割法”又称“刻痕拉断法” ，因为它是利用钻石或金刚石特制的光纤切 割刀先在光纤侧表面垂直于纤轴轻轻刻一小口， 然后施加弯曲应力拉动光纤使其 折断。利用这种方法制备平面光纤头的成功率一般很高，稍加训练即可获得满意 的效果，因此已成为目前最常用的光纤头处理技术。而且技术人员已利用“切割 法”的原理制成了“光纤切剥钳” ，集剥除与切割于一体，使用十分方便。 “研磨法”是一种更为精密的光纤端面制备技术，它不仅可以使光纤端面更 为接近于理想镜面，而且还可以克服“切割法”和“加热法”不易保证光纤端面 与纤轴垂直的遗憾，使光纤端面倾斜降至十几秒以下。 “研磨法”涉及到极为复 杂的光学加工技术。 3.光纤头质量的检测 光纤微透镜质量的好坏可依据其与 LD 耦合时损耗的大小来判定。方法是： 取一横模特性好的 LD 芯片作为光源，首先测试其输出光功率，记为 P1；然后保 持该功率恒定不变（通常应对 LD 施行温度与功率自动控制） ；用微调架光纤微透 镜使其与 LD 芯片对准，在光纤的输出端进行扰模与滤模以剔除包层模与高阶模 功率，然后测试光纤输出光功率，并精心调节使其达到最大，记为 P2，则光纤的 耦合损耗 为： (dB) （1-1） 检验平面光纤端面的最直观的方法是向光纤 越小则光纤微透镜质量越好。 注入 He—Ne 光，观察由光纤输出的光斑质量，即可判定光纤端面的质量。一个 好的光纤端面，其输出光斑应是对称的圆，边缘清晰且与光纤轴线方向垂直：如
图 1-12 光纤置于熔接机 V 型槽中示意图
（6）在图 1-7 中，按下“自动”键，则熔接机自动完成熔接，且在屏上显 示熔接损耗大小，但是如果光纤端面切割不好，则会显示“光纤端面不良” ，这
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图 1-10 光纤切割刀 1
（4）放下光纤切割刀的盖子，把刀片推过去，然后按下盖子上的圆柱型按 钮，这样完成了裸纤切割，打开熔接机电源，见下图；
图 1-11 光纤切割刀 2
（5）打开磁性固定片和盖子，把切割好的光纤放置在光纤熔接机的 V 型槽 中，放下光纤熔接机上方盖子，在熔接机液晶显示屏上观察切割效果，如果出现 如图 1-2 中几种情形则重切；如果端面良好，则重复以上 4 个步骤再切一根置于 光纤熔接机 V 型槽中，盖上盖子；
三、实验原理与步骤 1、光纤端面处理，按下列步骤处理 LD 尾纤及待熔接光纤端面 （1）用刀片（或者米勒钳）剥除光纤套塑层和预涂覆层，使光纤包层裸露 出 20～30cm 长；
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（2）用脱脂棉蘸乙醇乙醚混合液将光纤头清洗干净； （3）用金刚刀在距光纤端约 5cm 处垂直于纤壁轻刻一小口； （4）对光纤端施加拉力使其折断形成平整端面； （5）在显微镜下观看光纤端面，应为圆周整齐的完整镜面（可以有较小的 切口） ；若不理想，则应重复步骤（1）～（4）各项，直至满意为止。 2，光功率测试及光纤调试 （1） 开启 LD 电源，调节电流旋至规定的电流值； （2） 测试 LD 尾纤输入功率，记为 Pin； （3） 将 LD 尾纤置于熔接机平移 V 型槽中， 将待测光纤置于微调 V 型槽中， 应保持两光纤平直； （4） 开启熔接机电源，向下调节观察显微镜直至看到两对平行光纤像， 然后调节微调旋钮， 是两对光纤像分别成一直线则说明两光纤上下左右均基本对 准，这时测试待测光纤输出端功率，应有显示； （5） 仔细调节微旋旋钮，使待测光纤输出功率为最大，记为 Pc, 它应接 近 Pin 值; 3、光纤熔接 （1）调节平移旋钮使两光纤端面紧密接触，并使压力显示灯刚好熄灭； （2）将熔接机放电电极移至两光纤接触点，即可利用“自动”或“手动” 方式电弧放电熔接，同时监测光纤输出功率值，使其最大，记为 Pout,它应大于 Pc 值，否则说明焊点损耗较大，应重复进行上述 13 项各步骤，直至焊点满足要 求为止。 4、焊点损耗计算，焊点损耗 可由下式给出： （dB） 5、将 LD 电源缓慢调至零，关熔接机电源，实验结束。 四、光纤熔接简易步骤 （1） 用刀片 （或者米勒钳） 剥除光纤涂覆层， 使光纤包层裸露出 2～3cm 长； （2）用脱脂棉蘸乙醇将光纤端面清洗干净； （3）把清洗后的光纤放在光纤切割刀的 V 型槽中，裸纤搁置在切割刀刀片 两侧的黑色托片上， 把切割刀表面长方形磁性固定片放下， 固定光纤不让其移动， 且把刀片拨过来，见下图；
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移至接头处，涂胶或加热（对于热缩管）使其固定，以保护光纤接头及去掉涂覆 层的部分不受局部应力，并使其与外部空气隔离。
图 1-8 示出光纤熔接过程的几个主要步骤。在实际施工现场，接收光纤的一 端是很长的，且处于另一个地点，因此在光纤调节对准时，一般是用光缆中的信 号导线讲解收到的光功率数据从接收地送到熔接地。而且，为了提高熔接速度， 正越来越多地采用自动对光熔接和光纤阵列熔接。 4、实验装置 实验装置包括：光纤熔接机及电源；尾纤输出半导体激光器（LD）及电源； 光探测器及功率计；刀片及金刚刀；显微镜。实验系统如图 1—9 所示。
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熔三个阶段所需的不同放电电流实行程序控制；2）可移动电极，用以改变加热 部位；3）自动推进 V 型槽，使光纤在熔接过程中自动贴紧；4）光纤微调架，用 以精密调节光纤使其对准；5）带照明显微镜用以观察光纤的对准情形，通常还 配一 V 型反射镜，使其不但可以观察左右方向是否对准，而且可以观察上下方向 是否对准，这时向下调节显微镜头可看到两对光纤像，当两对光纤分别对准时即 说明光纤的上、下、左、右均已对准，图 1-6 示出由显微镜观察到的光纤像。
图 1-2
几种端面缺陷检测图形
（二）光纤（光缆）的连接
光纤线路的传输距离一般都较长， 多模光纤系统的中继距离可达数公里至几 十公里，单模光纤系统的中继距离则达数十公里，而每根光纤（光缆）的长度一 般只有一公里左右，最长不超过三公里，因此必须将光纤（光缆）连接起来。 光纤（光缆）的连接并不像电线（电缆）的连接那么简单，后者只需使两根 导线紧密接触即可，其传输特性并不受接头的影响；光纤（光缆）则不同，其接 续的质量直接影响光传输性能， 既增加光纤的损耗， 因此其连接技术远比电线 （电 缆）复杂得多。 光纤（光缆）的连接方式有固定连接与活动连接两种。活动连接所用的“光 纤连接器”是一种光无源器件一般多用于端机上的线路测试和调试。光纤线路上 的连接多为固定连接。按照 CCITT 规定的标准，多模光纤固定连接的平均接头 损耗应小于 0.1～0.2ｄＢ／个， 单模光纤平均接头损耗应小于 0.05～0.1ｄＢ／ 个。在光纤固定连接中照成光纤连接损耗的主要因素有：(1)两光纤纤轴错位； (2)两光纤芯径不同；(3)两光纤数值孔径不同； （4）两光纤因折射率不同而造成 的场分布差异； （5）两光纤角向位移； （6）两光纤包层与纤芯不同心造成的纤芯 轴错位。
利用 V 型槽或三棒机构连接光纤，接头的损耗一般比较高，且性能不稳定。对于 工程应用而言，几乎所有的正式永久性连接都必须采用熔焊法连接。光纤熔焊连 接是在光纤熔机上进行的。 （三）光纤熔接 1、熔接机组成部分 目前常用的光纤熔接机一般包括五个部分：1）程控电源，提供电弧放电所 必需的高频高压和照明用的电源，同时也可对光纤熔接过程中的预熔、融熔、续
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实训一
一、实验目的
石英光纤端面处理、耦合与熔接技术
1. 掌握光纤头平端面处理技术； 2. 掌握光纤与光纤之间的耦合调试技术，体会光纤横向和纵向偏差对光纤 耦合损耗的影响； 3. 掌握光纤熔接的基本技术。 二、实验原理与装置 （一）光纤端面处理 在光纤的各种应用中，光纤端面处理是一种最基本的技术。光纤端面处理的 形式可分为两种：平面光纤头与微透镜光纤头，前者多用于各种光无源器件以及 光纤的连接与连续；后者则多用于光纤和各种光源及光探测之间的耦合。光纤端 面处理的基本步骤为：1）涂覆层剥除；2）光纤端面制备；3）光纤端面检验。 1、涂覆层剥除 在制备光纤头之前，首先要剥除一段光纤的涂覆层（约 20～30mm 长） ，使光 纤的包层（即裸纤）裸露出来。 剥除涂覆层的第一种方法是用刀片（如剃须刀片）切削；使光纤头与刀口之 间成一小角度， 用左手拇指将光纤头压在刀口上， 右手拉动光纤即可剥除套塑层。 另外一种方法是将光纤头在塑料溶剂（如 methylene chloride）中浸泡几分钟， 然后用脱脂棉蘸乙醇／乙醚混合液将光纤头清洗干净才能进行下一步的光纤处 理。第三种方法是使用米勒钳直接去除光纤涂覆层，使光纤的包层（即裸纤）裸 露出来。