光纤的熔接实验北京交通大学Word文件下载.docx
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8.
另一段光纤跳线重复进行
2.至
6.的操作,放入光纤熔接机另
一侧的光纤夹持器;
9.
两段切割好的光纤放入熔接机后,观察熔接机屏幕,当显示
2
光纤切割口整齐才可以开始焊接,否则重新做
的操作;
;
10.
屏幕显示光纤已经切割合格并放置正确后,推上熔接机保护
盖,按下自动焊接旋钮,熔接开始自动进行,屏幕上会显示
光纤自动对齐和熔接过程;
11.
熔接结束后,熔接机根据屏幕拍摄的熔接点热图像,利用光
纤耦合模理论编制的程序,自动分析熔接点的损耗大小;
12.
拍摄你所熔接的光纤的接点损耗情况;
13.
打开熔接机保护盖,打开两侧的夹持器,小心推(拉)热缩
管到裸光纤位置并将其放置于热炉中;
14.
按下热炉加热开关,热炉到达预定时间会自动停止加热;
15.
取出带有热缩管保护的光纤,观察熔接和保护情况是否合格;
根据你所拍摄的热图和你熔接的损耗值,分析损耗产生的大致原
因,写入实验报告。
四、
基本原理
利用光纤熔接机将光纤接续,光纤熔接机上光纤的对准可以是自
动的也可以是人工的,并通过远端功率监控或本地电视摄像监控对准
效果和熔接效果。
光纤损耗(或衰减)是表征光纤传输性能的一个非常重要的参数。
对光纤衰减的测量是光纤测量领域的一个重要内容。
由于熔接光纤操作的不完善,将产生光纤的耦合损耗。
光纤的耦合损耗是光纤连接的主要损耗。
光纤作为光波导遇到不
3
连续点就产生损耗和反射,无论是固定接头还是活动接头作为光纤通
路,都是一种特定的不连续点。
入射端光纤和接收端光纤的相对位置,
光纤端面情况和光纤本身特性参数的匹配情况,都会产生连接损耗。
如果发射光纤和接收光纤特性参数完全匹配,并且端面完全理想,几何
位置配合很好,则其连接损耗就会很小,反之则损耗增大。
当两根光纤的轴线保持平行,但分开了距离
d
时的几何偏移称为
轴线横向偏移或侧向偏移。
当两根光纤的轴线在一条线上时,但它们
的两个端面之间存在距离
s
时的几何偏移称为纵向偏移。
当两根光纤
的轴线成某个角度时,以致两个端面不再平行时的偏移称为角度偏移
以及端面不平整等如图
1.1
所示。
无论是横向偏移还是纵向偏移或角度
偏移,都会引入连接损耗,其损耗大小与光纤参数及光纤端面处理情
况有关。
在上述三种偏移中横向偏移引入的损耗最大。
d
s
q
图
光纤非理想对接
若入射光纤的功率为
Pt
,接收光纤的功率为
Pr
,则耦合有效传输系
数T为
T
=
Pr
Pt
(1.1)
4
有时也用耦合损耗L表示耦合时的功率损失
L
=
-10
log
==
logç
ç
r
÷
ø
æ
P
è
ö
(1.2)
r
(-
1/
2)ò
dq
ò
Re(E1
´
H2*
)rdr
对于理想光纤耦合,
=
,T=1,L=0。
对于两段完全相同的
光纤,要得到这样理想的结果必须使两光纤的端面平整,完全接触,
无横向偏移无角度偏移,这些条件是无法完全满足的,因此光纤的连
接损耗无法避免。
如果两根光纤的参数不同还要引入额外的功率损失。
对以上引起耦合损耗的机制进行严格的解析分析是很困难的,下面在
假定为理想单模光纤的条件下,讨论某个原因引起的耦合损耗。
所得
结果与实际情况虽有差别,但可近似估计每种损耗所引起的误差。
光
纤中场的激发效率可表示为
2p ¥
0 0
( )
Re
Ey1H
x*2
rdr
(1.3)
式中
H2
为接收光纤中基模场的磁场强度的共轭。
而
E1代表发射光纤在
*
接收光纤端面上的基模电场强度。
Hx2
、
E
y1代表相应的场分量。
各场量
取归一化值。
由激发效率可得传输系数
=|r|2
(1.4)
将两光纤的基模场采用高斯近似可使光纤中场的激发效率大为简
化。
高斯场的表达式为
×
expç
- 2
y
-
Z
0
H
x
n2
S0
pn2
s0
(1.5)
5
下面给出三种情况下的所得的功率传输系数。
(1)光纤端面纵向分离损耗
由于端面分离,光束离开发射光纤端面后即散开,部分光线不能
照到接收光纤芯子的端面上,于是引起耦合损失。
当间隙加大时,耦
合损失也随之增加。
一般两光纤中的基模场有不同的模场半径,设各
为
S1
S2
。
光纤端面的纵向分离距离为D。
定义归一化分离距离为
D
k0n3
S1S2
n3
为空隙的介质折射率指数。
则传输系数为
4[4Z
2
+
(S1
)
]
[4Z
(S )
S
]
(S
S
)
1
2
(1.6)
当两光纤的端面完全接触时,D=0,Z=0,则
ê
(
é
2S1S2 ù
ë
û
2 2
ú
(1.7)
如果两根光纤的模场半径相同,
S2,T
T0
1。
这是理想情况。
除了上述由光束发散所引起的损耗外,还有在光纤芯子与空气交界面
上的反射损耗。
空气的折射率指数为
n
n
,设光纤芯子折射率为
1.5,则在两者的界面上功率反射系数为
R
[(n1
-
n0
(n1
)]
0.04
相
应的耦合损耗为
L=0.177dB。
发射光纤端面与接收光纤端面的反射损耗
相同,所以总反射损耗为
0.35dB。
在两端面之间加折射率匹配液可以
减小这种损耗。
(2)光纤横向偏移损耗
如两根光纤横向位移为
d,则功率传输系数为
exp[-2
/
(S
)]
2 2 2
0 1 2
(1.8)
6
为无横向偏移时的功率传输系数,如式(1.7)。
定义当传输功率
[( )
时横向偏移为
de
= S1
S2 2
减小到无横向偏移的
e
1
,Te
e
,
在
的情况下,de
可见该距离恰为模场半径,利用
这一原理可进行光纤模场半径的测量。
(3)方向倾斜损耗
如两根光纤以轴向偏移角q
倾斜,则功率传输系数为
exp{-
2(pn2S1S2q
[(S
1
+
)l2
]}
(1.9)
为q
0的功率传输系数。
当功率减小为Te
时,相应的倾斜
角为
S22 2
qe
pn2S1S2
l
(1.10)
五、
实验结果
在对光纤进行熔接之前,我们先对光纤做了处理,包括去除松套
管和尼龙加强材料、去除紧套管,以及剥去光纤涂敷层,露出光纤包
层,然后进行切割和最后的熔接。
实验结果如下图所示:
7
从图中可以看出,光纤已完成了熔接。
熔接的损耗约为
0.07dB。
六、
实验结果分析
影响光纤熔接损耗的因素较多,大体可分为光纤本征因素和非本征
因素两类。
光纤本征因素是指光纤自身因素,主要有四点:
(1)光纤模场直径不一致;
(2)两根光纤芯径失配;
(3)纤芯截面不圆;
(4)纤芯与包层同心度不佳。
非本征因素即接续技术。
包括以下几点:
(1)轴心错位:
单模光纤纤芯很细,两根对接光纤轴心错位会影
响接续损耗。
8
(2)轴心倾斜:
当光纤断面倾斜
1°
时,约产生
0.6dB
的接续损
耗,如果要求接续损耗≤0.1dB,则单模光纤的倾角应为≤0.3°
(3)端面分离:
活动连接器的连接不好,很容易产生端面分离,
造成连接损耗较大。
(4)端面质量:
光纤端面的平整度差时也会产生损耗,甚至气泡。
(5)接续点附近光纤物理变形:
光缆在架设过程中的拉伸变形,
接续盒中夹固光缆压力太大等,都会对接续损耗有影响。
减小损耗的办法:
(1)选用品质较高的合格光纤。
(2)实验过程不随意弯曲光纤,保持实验环境整洁,尤其是切割
刀和熔接机电弧放电机构部分;
光纤严格用酒精清洁。
(3)实验者熟悉操作流程,放置光纤的过程不能再次污染光纤和
仪器。
(4)光纤的断面切割要整齐,要求放置光纤时需要严格置于
V
形
槽内