《光纖光纜制備》課件第4章

學(xué)習(xí)情境四：石英光纖質(zhì)檢4.1學(xué)習(xí)目標(biāo)4.2學(xué)習(xí)內(nèi)容

★掌握幾何特性參數(shù)、光學(xué)特性參數(shù)、機械特性參數(shù)、環(huán)境特性參數(shù)等測試指標(biāo)；

★掌握光時域反射計(OTDR)等檢測設(shè)備的使用；

★掌握質(zhì)檢工序及相關(guān)測試方法；

★掌握安全操作規(guī)程。4.1學(xué)習(xí)目標(biāo)

4.2.1石英光纖的性能要求

石英光纖的特性參數(shù)指標(biāo)一般包括幾何特性參數(shù)、傳輸與光學(xué)特性參數(shù)、機械特性參數(shù)和環(huán)境特性參數(shù)。通常情況下，石英光纖的特性指標(biāo)如表4-1所示。對于不同的光纖，其特性參數(shù)不完全一樣，如單模光纖一般采用模場直徑而不用其纖芯直徑的數(shù)值來描述。不同類型的光纖對衰減等參數(shù)要求的波段范圍也不一致。4.2學(xué)習(xí)內(nèi)容

表4-1石英光纖的性能指標(biāo)4.2.2傳輸與光學(xué)特性參數(shù)的測試

傳輸與光學(xué)特性對于光纖來說是最為重要的特性，如衰減決定著信號傳輸距離的長短，而帶寬則直接限制了傳輸容量的大小。目前對石英光纖的傳輸和光學(xué)特性參數(shù)的測試已經(jīng)比較完善，其測試方法和測試設(shè)備都比較成熟，同時為了規(guī)范不同廠家的測試方法和過程，仲裁不同廠家的測試結(jié)果，統(tǒng)一和規(guī)范行業(yè)光纖特性，國際上和國內(nèi)都制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來統(tǒng)一光纖各種特性的測試，如國際電信聯(lián)盟(ITU)、國際電工委員會(IEC)、國家通信標(biāo)準(zhǔn)化委員會(CCSA)都制定了許多關(guān)于光纖測試方面的國際和國家標(biāo)準(zhǔn)，詳細地規(guī)定和規(guī)范了光纖參數(shù)的測試方法。

在衰減測試上，測試方法主要有四種：截斷法(也稱基準(zhǔn)測試方法)、插入損耗法、背向散射法以及譜衰減模型法。ITU-T關(guān)于衰減的規(guī)定為：一段光纖上相距L的兩個界面1和2之間在波長處的衰減A，在不改變注入條件時，其滿足如下公式：

(4-1)

式中：P1(λ)為通過橫截面1的光功率；P2(λ)為通過橫截面2的光功率。光纖的衰減是光通過光纖時光功率變小程度的一種度量，取決于光纖的性質(zhì)和長度，同時受測試方法的影響。測試光纖衰減的四種方法中，基準(zhǔn)測試方法是在其他測試方法測試結(jié)果存在爭議的情況下的一種仲裁方法。

1.截斷法(基準(zhǔn)測試方法)

截斷法是衰減測試的基準(zhǔn)方法，其基于衰減的定義，測量精度高，同時能測量出光纖的損耗光譜特性，適用于單模光纖和多模光纖的出廠測試。圖4-1所示為截斷法測試裝置示意圖。

采用截斷法測試光纖的衰減，雖然具有較高的準(zhǔn)確性，但由于每次測試都截取2m的光纖，因此該法不利于進行現(xiàn)場測試。同時，由于是前后兩次功率進行相比，因此要保證注入條件的一致性和穩(wěn)定性，特別是為了保證能真實地反映實際衰減特性，在測試中對光的注入條件要求極為嚴(yán)格，以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)注入。圖4-1截斷法測試裝置示意圖

2.插入損耗法(替代測試方法)

圖4-2所示為插入損耗法測試裝置示意圖。

從圖4-2中可以看出，光纖衰減是在已知裝置參考功率P1的前提下，將被測光纖插入到測試裝置中，記錄輸出P2光功率，然后進行計算而得的。

在實際測量中，P1一般采用與被測光纖類型相同的長度為2m的參考光纖進行測試和校準(zhǔn)，其裝置如圖4-3所示。圖4-2插入損耗法測試裝置示意圖圖4-3P1光功率的測試裝置示意圖插入損耗法的精度比截斷法差，但其步驟簡單，可以儀表化，具有不破壞光纖和不破壞光纖連接器的優(yōu)點，可用于現(xiàn)場測試以及光纜鏈路測試；但其缺點是由于插入時都采用接頭插入，因此不但要求高精密的耦合接頭和耦合技術(shù)，而且測量出的功率包含接頭損耗，接頭損耗的不穩(wěn)定性會使其測量精度受到限制。

3.背向散射法(替代測試方法)

光纖中傳輸光存在散射現(xiàn)象，其中部分散射光原路返回至光纖始端(即發(fā)光端面)，這種散射稱為背(后)向散射。背向散射法是一種單端測量方法，它通過用光功率計測量背向散射光的光功率大小來測量光纖的衰減。因為該方法受制于光纖中光的傳輸速度和后向散射光的光功率，精度不是十分準(zhǔn)確，因此需要取兩端測量值的平均值。

背向散射法采用的裝置就是光時域反射計(OTDR)，因此背向散射法也常被稱為OTDR測試衰減法。其試驗裝置如圖4-4所示。圖4-4光時域反射裝置示意圖背向散射法對光纖本身無破壞性，測試重復(fù)性好，如果光纖質(zhì)量情況較好，則其測量精度僅次于截斷法。另外，由于其設(shè)備已經(jīng)儀器化，因此可以方便地測量和比較不同光纖的損耗特性，同時兼有測量光纖長度、測試故障點和接點損耗等功能。圖4-5所示為OTDR測試曲線示意圖。圖4-5OTDR測試曲線示意圖

4.譜衰減模型法(替代測試方法)

譜衰減模型法主要用于單模光纖的測試，通過特征矩陣和矢量計算得出光纖的衰減。特征矩陣一般由光纖供應(yīng)商提供，通過特征矩陣和矢量計算即可得到模型化衰減譜。

目前國際上光纖制造商常用的光纖特性測試設(shè)備主要是美國PK公司生產(chǎn)的系列產(chǎn)品。下面就以圖4-6所示的美國PK公司的PK2500產(chǎn)品為例介紹光纖衰減特性的測試步驟。

(1)打開測試設(shè)備，根據(jù)提示在預(yù)設(shè)菜單中選擇相應(yīng)的光纖類型(單?；蚨嗄５?，進而選擇需要測試的參數(shù)(衰減、截止波長或者模場直徑)。

(2)選擇好測試單模光纖，用特制的光纖切割刀切割好待測光纖兩端的端面，分別置于測試系統(tǒng)的光輸入兩端端口，分別按操作鍵盤上的光纖對中鍵(一般為F1～F12中的三個，分別為x軸、y軸和z軸)及端頭切換鍵(一般為F1～12中的任一個)，并旋轉(zhuǎn)操作面口來配對合適的光接收口，找到最清晰的光纖端面圖像，查看光纖端面是否合格，同時將合格端面放置在坐標(biāo)軸的標(biāo)準(zhǔn)位置處。

圖4-6PK2500測試系統(tǒng)裝置圖

(3)屏幕上顯示光纖的兩個端頭，通過步驟(2)確認(rèn)光纖兩端面圖像清晰，給電腦顯示器上光注入端的光纖圖像加一小圈(便于確定纖芯位置，一般單模光纖為

30mm)，使纖芯充分與屏幕上的兩個十字標(biāo)記重合。之后，根據(jù)提示選擇下一步(一般為Continue鍵)后，逐步輸入光纖號和光纖長度，系統(tǒng)將對長光纖進行掃描。

(4)完成長光纖掃描。因為此系統(tǒng)測量衰減采用的是截斷法，所以之后根據(jù)提示在光纖的光注入端2m處截斷光纖，制備好端面并調(diào)整好位置和清晰度后，進入下一步，即對短光纖進行掃描，掃描完成后屏幕上將出現(xiàn)測試結(jié)果。測試結(jié)果可以是衰減譜圖或者衰減譜表。

(5)測試完成后，記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)提示返回主菜單。

由此可以看出，在使用PK2500進行單模光纖衰減測試時，最主要的就是端面的制作和調(diào)整，對于衰減具體數(shù)值的計算和處理，測試儀表中已經(jīng)嵌入了軟件程序，無需人工計算。4.2.3幾何特性參數(shù)的測試

光纖的幾何特性參數(shù)是光纖自身具有的穩(wěn)定特性，因此準(zhǔn)確地測量光纖的幾何特性參數(shù)具有重要的意義。幾何特性參數(shù)中，涂覆層直徑在光纖后續(xù)熔接、連接以及成纜等工序中都是必須要知道的參數(shù)。光纖涂覆層直徑的測量一般采用兩種方法：側(cè)視法和機械法。側(cè)視法是目前光纖廠家通常采用的方法，也是測試涂覆層直徑的基準(zhǔn)方法，還是仲裁涂覆層直徑測試結(jié)果爭議的仲裁方法。

1.側(cè)視法(基準(zhǔn)測試法)

圖4-7所示為側(cè)視法測試涂覆層直徑裝置示意圖。從圖4-7中可以看出，光纖涂覆層直徑的測試原理就是顯微放大原理或激光測試原理，其裝置由合適的激光光源(一般波長為663nm)、掃描組件以及檢測裝置組成。其具體的光路圖如圖4-8所示。

圖4-7側(cè)視法測試涂覆層直徑裝置示意圖

圖4-8側(cè)視法測試涂覆層直徑光路圖在測量中，可以選擇采用適當(dāng)?shù)墓饫w夾具固定光纖，然后進行旋轉(zhuǎn)，測量出不同角度涂覆層直徑的大小，計算出最大和最小的涂覆層直徑A、B，從而計算出樣品的涂覆層直徑、涂覆層不圓度等參數(shù)。其中，涂覆層直徑

=

(A

+

B)/2；涂覆層不圓度

=

(A-B)

×

100/涂覆層直徑。

2.機械法(替代測試法)

機械法測試涂覆層直徑裝置圖(頂視圖)如圖4-9所示。機械法的主要測試原理為：首先在放入光纖樣品的情況下，使兩塊清潔好的平砧表面僅靠彈簧張力接觸在一起，記錄電子測微計讀數(shù)L1；然后調(diào)節(jié)測微計，使兩塊平砧表面之間的間距大于光纖樣品直徑，將清潔好的光纖樣品放入支架上，輕調(diào)螺旋桿，使平砧僅靠彈簧張力夾住光纖，這時記錄電子測微計讀數(shù)L2；依次轉(zhuǎn)動光纖，測量出多個L1和L2，光纖樣品的涂覆層直徑為(L2-L1)多次測量結(jié)果的平均值再加上系統(tǒng)修正值。

圖4-9機械法測試光纖涂覆層直徑裝置圖下面以PK公司的PK2400為例，介紹測試光纖涂覆層直徑的具體步驟。

測量涂覆層直徑與測量其他幾何尺寸不同，對光纖端面的質(zhì)量要求不太嚴(yán)格，而且測量比較容易。PK2400將相關(guān)測試原理和計算過程都已經(jīng)設(shè)置為固定程序并嵌入測試系統(tǒng)內(nèi)部，所以對于涂覆層直徑的測試人員的要求比較簡單。圖4-10所示為PK2400測試幾何尺寸系統(tǒng)裝置。

圖4-10PK2400測試幾何尺寸系統(tǒng)裝置

(1)打開電腦進入測試儀器的主菜單。一般主菜單中可能會根據(jù)需求設(shè)置單模光纖測試、多模光纖測試、涂覆層測試等，按照提示進入涂覆層測試項目。

(2)進入涂覆層尺寸測試下拉菜單，選擇和測試樣品相匹配的項目，如單涂層、雙涂層等。

(3)截取被測樣品光纖一段，一般約20cm左右，采用光纖切割刀切斷光纖，將其放入涂覆層測試單元，按照測試屏幕提示選擇開始測試按鈕進行測試，最后記錄或者打印測試完成后的數(shù)據(jù)。4.2.4機械特性參數(shù)的測試

光纖的機械特性參數(shù)大小決定了光纖的穩(wěn)定性和可靠性，即在受拉、受壓等情況下，光纖所表現(xiàn)出的特性。光纖的機械特性參數(shù)還包括在對光纖進行后續(xù)處理的過程中涂層剝離力量的大小要求。

1.抗拉強度要求及測試

石英光纖的機械特性和環(huán)境特性一樣，因為對被測光纖存在破壞性，所以一般不作為光纖的出廠檢測項目，而作為型式試驗項目(即批量抽檢項目)。例如，由于光纖的抗張強度同被測樣品的長度、測試環(huán)境以及加載速率等特性密切相關(guān)，因此一般通過拉力機來測試其統(tǒng)計值，而光纖的抗張強度指標(biāo)往往是在客戶提出明確要求的情況下，按照客戶的給定環(huán)境進行測試的。在石英光纖的實際生產(chǎn)工序中，篩選過程就是在對光纖的抗拉特性、抗張?zhí)匦砸约肮饫w中是否存在裂紋等進行檢測的過程。篩選過程是光纖出廠必須經(jīng)過的檢測工序，也稱為篩選試驗，即通過對光纖施加規(guī)定的張力來檢測光纖的機械特性。其基本試驗方法是縱向張力法。目前光纖制造企業(yè)采用的篩選試驗機設(shè)備其原理就是縱向張力法。設(shè)備類型有制動輪型和固定重量型兩大類。圖4-11所示為制動輪型篩選試驗機。

圖4-11制動輪型篩選試驗機在制動輪型篩選試驗機中，放光纖和收光纖都用恒定的低張力，通過輪子間的速度差來控制制動輪和牽動輪之間的光纖篩選負(fù)荷，同時用高精度的張力計來測量光纖上的負(fù)荷，并控制輪子間的速度差來達到需要的篩選試驗負(fù)荷。張力篩選試驗通常選擇的最小負(fù)荷張力為8.8N。只有能承受這個負(fù)荷的光纖才能成為合格品被送入下一道工序，否則將被拉斷報廢。

2.涂層剝離力和動態(tài)疲勞參數(shù)的測試

涂層剝離力和動態(tài)疲勞參數(shù)等的測試過程中，所采用的設(shè)備都是拉力機(見圖4-12)。

在采用裝有剝離刀具的拉力機(見圖4-13)進行涂層剝離力試驗時，由于試樣的選擇對總體光纖的剝離力值有較大的影響，因此為了盡可能地保證測試值的可代表性，一般取至少10段試樣進行測試，取平均值。對于常規(guī)通信用250μm的光纖，一般可以取剝離長度為30mm或者50mm，剝離速度可以取500mm/min。對于較粗的光纖，剝離速度可以更低，剝離長度也可以更短。通常情況下，需要計算出涂層的平均剝離力和峰值最大剝離力。對于G

.652光纖，要求涂層平均剝離力為1.0～5.0N，峰值最大剝離力為1.3～8.9N。

圖4-12拉力機

圖4-13測試涂層剝離力的拉力機和剝離刀具結(jié)構(gòu)圖4.2.5環(huán)境特性參數(shù)的測試

1.環(huán)境特性參數(shù)要求

石英光纖的環(huán)境特性主要是指測試光纖在一些惡劣環(huán)境條件下，光纖各項性能參數(shù)(如衰減值)隨著環(huán)境的變化而發(fā)生的增減變化。測試光纖的環(huán)境特性主要是通過將溫度、濕度等環(huán)境條件設(shè)置為極端的環(huán)境變化，使被測光纖置于這樣的測試環(huán)境中約30天后，檢測或測試被測光纖的衰減變化情況。

通常情況下，石英光纖的環(huán)境性能參數(shù)主要包括四個指標(biāo)：溫度特性、熱老化性能、浸水性能和濕熱性能。測試環(huán)境特性的儀器主要是環(huán)境試驗箱和配套的測試儀表。將試驗箱和測試衰減的OTDR配合使用，可以監(jiān)測光纖在高低溫實驗中溫度升高和溫度降低后衰減的變化。將浸水試驗箱和拉力機配套使用，可以測試光纖浸水后涂層剝離力的變化特性。

如果是低水峰光纖，則可以進行氫老化試驗；如果用在輻射條件下，則可以進行抗輻射環(huán)境試驗，但諸如氫老化和抗輻射環(huán)境特性，目前還沒有在出廠時廠家提供的必要指標(biāo)中指出。表4-2所示為對G

.652光纖的一般環(huán)境特性要求。

表4-2對于G

.652光纖的一般環(huán)境特性要求2.光時域反射儀測試光纖衰減、缺陷與長度的原理與方法

光時域反射儀(OTDR，OpticalTimeDomainReflectometer)是智能化光纖通信測量儀器，能準(zhǔn)確顯示光纖光纜的損耗分布曲線，測量光纖光纜的衰減系數(shù)、兩點間損耗和接頭損耗，測量光纖光纜的長度、兩點間距離，確定光纖光纜的接頭、故障點及斷點的位置，可用于光纖光纜的故障檢測和光纖光纜工程的施工、驗收，也可用于檢查光纖光纜的長度和衰減系數(shù)，指導(dǎo)光纖光纜的生產(chǎn)。圖4-14所示為PK8000OTDR測試系統(tǒng)裝置。

圖4-14PK8000OTDR測試系統(tǒng)裝置

OTDR根據(jù)光的后向散射與菲涅爾反射原理制作而成，它利用光在光纖中傳播時產(chǎn)生的后向散射光來獲取衰減的信息。通過OTDR測試的曲線形狀，可以直接得出光纖衰減、接頭損耗，定位光纖故障點并了解光纖沿長度的損耗分布情況等。圖4-15給出了OTDR測試曲線。圖中，a表示由于耦合設(shè)備和光纖前端引起的菲涅爾反射脈沖；b表示光脈沖沿具有均勻特性的光纖段傳播時的背向散射曲線；c表示接頭或耦合不完善引起的損耗或光纖存在某些缺陷、熔接縫、光纖彎曲引起的高損耗區(qū)，叫做非反射事件，只有插入損耗，沒有反射；d表示光纖斷裂處，造成折射率在玻璃和空氣之間變化，形成反射事件；e表示在光纖尾端之后檢測不到光信號，曲線表現(xiàn)為接收器的噪聲。

圖4-15OTDR測試曲線

OTDR在光纖光纜鏈路測試特別是故障點排查方面有著獨特優(yōu)勢，但采用OTDR(即后相散射法)測試光纖的衰減也存在一些不足之處：測試精度對光纖的均勻性非常敏感，所以需要正反方向測試取平均值；因為所收集的散射信號都非常微弱，所以需要應(yīng)用激光器等高功率光源；不能測試光纖衰減譜特性。4.2.6光纖數(shù)值孔徑的測試

數(shù)值孔徑是光纖的重要參數(shù)，它不僅代表了光纖聚光能力的大小，更重要的是反應(yīng)了與器件耦合的難易，是選擇和匹配連接器件的依據(jù)。測試數(shù)值孔徑一般有三種方法：折射近場法、遠場光強法和遠場光斑法。

1.折射近場法

折射近場法通過測量光纖的折射率分布來確定數(shù)值孔徑，所測得的數(shù)值孔徑稱為最大理論數(shù)值孔徑NAth，其計算公式為

(4-2)

式中，n1為纖芯最大折射率；n2為內(nèi)包層均勻折射率。

2.遠場光強法

作為測試多模光纖數(shù)值孔徑的基準(zhǔn)試驗方法，遠場光強法是通過測量光纖的遠場強度來確定光纖數(shù)值孔徑的。其定義為光纖遠場光強輻射圖上光強下降到最大值的5%處半張角的正弦值。采用此法所測得的數(shù)值孔徑稱為遠場數(shù)值孔徑NAff。圖4-16所示為遠場光強法測試光纖數(shù)值孔徑的裝置簡圖。

圖4-16遠場光強法測試光纖數(shù)值孔徑的裝置簡圖采用折射近場法測試的最大理論數(shù)值孔徑和采用遠場光強法測試的遠場數(shù)值孔徑一般情況下是不相同的，這是因為測試遠場數(shù)值孔徑NAff和最大理論數(shù)值孔徑NAth所用的光源波長不同，測量遠場數(shù)值孔徑大多用850nm波長進行，而測量最大理論數(shù)值孔徑主要是用540nm和633nm波長。二者的關(guān)系通?？杀硎緸?/p>

NAff

=

kNAth