光纤接续技术详解

1.光纤接续的要求

一般金属电缆接续采用简单的扭绞、压接、焊接的方法，只要保证机械强度和电气连通即可；而光纤之间的接续效果对保证高质量的传输和维护运行来说是很重要的。通常对光纤接续有以下要求：

1）光纤接续损耗低；

2）光纤接续后机械强度高；

3）接续方法简单，时间短，易于操作；

4）能适应于各种环境条件；

5）具有长期可靠的稳定性，且性能不随时间发生变化；

6）用尽可能少的仪器设备就能完成接续；

7）接续成本低。

2.影响光纤接续损耗的因素

（1）固有损耗 造成光纤接续的固有损耗（又称本征损耗）通常是由光纤本身参数（如材料折射率等）失配而产生的。主要有以下几种：

1）端面反射：光传输通过不同折射率的介质时，在两种介质边界发生反射，如图15-5-1所示。若两光纤端面之间存在空气等其他介质时，由于耦合效率的影响，光传输时在端面处产生反射损耗。两光纤间的耦合效率η的计算式为

图15-5-1 端面反射示意图

式中 k=n₁/n₀；

n₁——传输介质的折射率；

n₀——两端面间介质的折射率。

产生的反射损耗计算式为

式中 α——反射损耗（dB）。

2）光纤芯径偏差：当光在两根不同芯径的光纤中传输经过连接点时，由于能量不能完全由一根光纤耦合到另一根光纤中，在连接处产生接续损耗。对于多模光纤，其耦合效率为

式中 a₁、a₂——光纤芯半径（μm）。

由式（15-5-3）可看出当光由大芯径光纤传输入小芯径光纤时，接续损耗与芯径比的二次方有关，而当光由小芯径光纤传输入大芯径光纤时则接续损耗很小。接续损耗与芯径比的关系如图15-5-2所示。

图15-5-2 接续损耗与芯径比的关系

对于单模光纤，耦合效率为

式中 ；

v——归一化频率，；

λ——传输光的波长（μm）；

Δ——相对折射率差，；

a——模场直径的一半（μm）。

所产生的接续损耗与模场直径关系如图15-5-3所示。

图15-5-3 单模光纤接续损耗与模 场直径的关系

3）数值孔径NA、相对折射率差Δ的偏差：当光在两根NA和Δ不相同的光纤间传输时，耦合效率为

式中 NA——光纤的数值孔径，；

Δ——光纤的相对折射率差；

其他符号与前公式一致。

从式15-5-5中看出，当光由NA大、Δ大的光纤向NA小、Δ小的光纤传输时，会产生较大的接续损耗，反之则接续损耗很小。

接续损耗与NA的关系如图15-5-4所示；接续损耗与多模光纤相对折射率差Δ的关系如图15-5-5所示；接续损耗与单模光纤相对折射率差Δ的关系如图15-5-6所示。

图15-5-4 接续损耗与NA的关系

图15-5-5 接续损耗与多模光纤Δ的关系

图15-5-6 接续损耗与单模光纤Δ的关系

4）折射率分布偏差：光在折射率分布不同的光纤间传输时，由于折射率分布不同而使能量分布不同，在连接处能量不能完全耦合，产生接续损耗。此时耦合效率为

式中 α——光纤折射率分布指数；

其他符号与前公式一致。

从式中可看出，光由α大的光纤向α小的光纤传输时，连接处会产生较大的接续损耗，反之接续损耗很小。

接续损耗与折射率分布关系如图15-5-7所示。

（2）非固有损耗 它是由光纤的连接方法或操作不当而引起的。主要有以下几个方面：

1）轴芯偏移影响：当两光纤轴芯未对准有偏移时，能量不能完全进入下一根光纤，在连接处产生接续损耗，如图15-5-8所示。此时耦合效率为

a）多模光纤：

式中 a——光纤芯半径（μm）；

x——轴芯偏移量（μm）；

其他符号与前公式一致。

图15-5-7 接续损耗与折射率分布的关系

图15-5-8 光纤轴芯偏移示意图

b）单模光纤：式中；

其他符号与前公式一致。

当一根光纤偏芯，虽然包层外径对准，由于偏芯，同样造成芯径的轴芯偏移，此时计算方法与轴芯偏移计算方法相同，只是将x用偏芯量代替。

从式（15-5-7）和式（15-5-8）中可看出，由轴芯偏移造成的接续损耗与光纤的传输方向无关。接续损耗与偏移量的关系如图15-5-9所示。

图15-5-9 接续损耗与偏移量的关系

2）端面夹角影响：当两光纤端面间有夹角，光传输过连接点时，部分能量散射出去产生接续损耗，如图15-5-10所示。其耦合效率为

a）多模光纤：

式中 θ——两光纤端面间的夹角（°）；

其他符号与前面公式一致。

b）单模光纤：

式中 ；

n₂——光纤包层折射率；

其他符号与前面公式一致。

接续损耗与端面夹角的关系如图15-5-11所示。

图15-5-10 光纤端面夹角

图15-5-11 接续损耗与夹角的关系

3）端面不平影响：当两光纤端面不平，如倾斜、曲面时，光传输过连接点造成能量散射，产生接续损耗。下面按两种情况分别介绍。

a）倾斜：当两光纤端面倾斜时，分别有夹角θ₁、θ₂，如图15-5-12所示。其耦合效率为

式中 θ₁、θ₂——分别为两光纤端面的倾角（°）；

其他符号与前面公式相同。

图15-5-12 光纤端面倾斜

图15-5-13 接续损耗与端面倾角的关系

接续损耗与端面倾角的关系如图15-5-13所示。

b）曲面：当两光纤端面为曲面时（见图15-5-14），其耦合效率为

式中 d₁、d₂——分别为两光纤曲面顶部至底部距离（μm）；

其他符号与前面公式相同。

接续损耗与曲面关系如图15-5-15所示。

图15-5-14 光纤端面曲面示意图

4）间隙：当两光纤端面之间有间隙时，如图15-5-16所示，光传输过连接点时，产生能量泄漏及多次反射造成接续损耗。其耦合效率为

a）多模光纤：

图15-5-15 接续损耗与曲面关系

图15-5-16 光纤端面示意图

b）单模光纤：

式中 S——端面之间间隙（μm）；

其他符号与前面公式一致。

接续损耗与端面间隙的关系如图15-5-17所示。

图15-5-17 接续损耗与端面间隙的关系

（3）环境因素 环境条件的好坏（如灰尘、潮气等）都会对光纤接续损耗产生一定的影响。

无论采用何种接续技术或接续方法，都应在清洁、稳定的环境下进行光纤接续，以保证接续质量。

3.光纤端面制作

为保证接续的质量，光纤在连接前需进行端面制作，一般有切割、研磨等方法。从使用的效果来看，在光纤接续中采用切割方法来制作端面有操作简单、制作的端面平整、成功率高的特点，是目前广泛使用的方法。

（1）涂覆层剥除 光纤外有一层起保护作用的UV固化树脂涂覆层，在光纤端面制作前需剥去。剥去涂覆层的方法要求操作方便、光纤表面不能受损，一般有机械剥除、化学药品腐蚀、加热剥除等方法。目前广泛使用的是用剥线钳进行机械剥除，如图15-5-18所示。

图15-5-18 用剥线钳剥除光纤涂覆层

（2）切割 光纤切割时，不应在光纤表面留下产生连接损耗的不完整性端面（如端面倾斜、粗糙等），也即光纤断面应该是镜面区而不是劈裂区，如图15-5-19所示。采用切割方法是利用玻璃的特性来切断光纤并得到镜面区。首先在光纤表面划出伤痕，然后使光纤沿适当直径弯曲，同时沿弯曲方向施加张力，就可切断光纤并获得平滑的切口，如图15-5-20所示。

图15-5-19 光纤断面图

1—镜面区 2—劈裂区

图15-5-20 光纤断面切割(www.xing528.com)

1—切割刀 2—光纤 3—圆柱体

用剥线钳剥去涂覆层的光纤还需用酒精棉拭去表面的杂质。

4.光纤固定接续技术

（1）接续分类 通常可以分为两类：非熔接法和熔接法，各种方法见表15-5-1。

表15-5-1 各种固定接续技术

（续）

非熔接法主要是通过光纤外径的对准、固定来实现，因此光纤的尺寸精度、均匀性、偏芯等情况对光纤接续损耗影响很大。当然，制作一个良好的光纤端面也是非常重要的。

在非熔接法中，使用最广泛的是V形槽法。这种方法只需使用简单的夹具就可实现低损耗接续。单根光纤接续时，连接部分尺寸为4mm×6mm×30mm，接续损耗一般可控制在0.1dB左右。

套管法常用于一些简单的非真正永久性接续，如测试、试验、临时系统等。由于接续后接头的强度较低，故不适用于光缆线路中光纤间的连接。接续部分尺寸约为ϕ8mm×30mm，接续损耗一般为0.2dB左右。

熔接法是由加热光纤端面而熔化、连接的方法，它是目前最可靠的一种光纤接续方法。由于可在熔接前进行光纤芯轴对准的调节，使接续损耗降至最低。光纤熔接后成为一体，接续损耗的稳定性也很好，不受外界环境条件的影响。接续损耗一般可在0.1dB以下。本节只重点介绍常用连接方法。

（2）单芯光纤熔接

1）光纤熔接过程：

a）光纤端面制作：将待接光纤用切割工具制成符合光纤熔接要求的端面，以保证熔接的效果。

b）预熔：在光纤端面上瞬间放电，清除端面上的灰尘及减少端面的不平整性。

c）对芯：在微调架上将待接光纤的芯轴对准至最佳状态。

d）熔接：在光纤端面间加高压电弧产生高温，使光纤端面熔融，同时将两端面靠拢，使端面熔合在一起。

e）检测：对熔接好的光纤连接处进行性能检测。一是检测光纤连接处的接续损耗，二是检测连接处的强度是否达到所要求的强度。

2）熔接条件对光纤接续损耗的影响：光纤熔接时，影响光纤接续损耗的熔接条件有下列几个因素：

a）放电间距：它会影响放电电弧宽度，关系到被加热的光纤长度。缩小电极间距，实现窄范围放电，使电弧加热集中在光纤端面上，产生最小的光纤纤芯变形，对降低接续损耗有利。对偏芯量小的光纤，窄范围放电对光纤的接续损耗影响不大；对偏芯量大的光纤，若不使用窄范围放电对接续损耗影响很大，因此必须缩短电极间距来实现窄范围放电。

b）放电时间：即使是窄范围放电，若放电加热时间过长，对偏芯量大的光纤仍会造成纤芯变形严重而使接续损耗增加。对偏芯量小的光纤则影响不大。因此，放电时间短对接续损耗降低有利。

c）光纤熔接时：随着连接处加热、熔化，光纤端面有一定的进量使光纤熔接在一起。在端面进量开始时，光纤端部发生变形，若放电时间过短则不能使变形消除，造成光纤连接点强度下降，有足够的放电时间才能使端部变形消除，达到较高的强度。因此在放电时间选择上必须兼顾两个方面，过长对接续损耗不利，过短则连接强度过低，通常选择在1.5～3s内。

d）预熔时间：预熔是在光纤熔接前进行。预熔时间过长，端面变形大，造成接续损耗增加，而预熔时间过短，无法消除端面不平整性的影响。通常预熔时间为0.2～0.3s。

e）端面进量：光纤在端面熔融后两边同时进给，从放电前端面相碰开始，光纤进给的距离为端面进量。进量过少，纤芯不能达到原纤芯尺寸，接续损耗增加，进量过多，纤芯变形，接续损耗也增加。通常选择端面进量为20μm左右。

3）光纤熔接机：光纤熔接机是进行光纤熔接的专用仪器，主要由三个部分组成：第一部分为光纤对准系统，两根光纤分别固定于两个独立的调节系统，通过精密调节，使两根光纤的芯轴对准至最佳程度；第二部分为高压放电系统，在两根光纤端面之间施放高压电弧，使光纤熔融、推进、熔接；第三部分为光纤放大、监视系统，通过该系统可将光纤放大，监视整个光纤调整、熔接过程。

经过多年的发展，光纤熔接机从早期的人工操作方式发展到现在的由微处理机自动进行的智能化控制。通常可将熔接机的发展分为三代：

a）第一代远端监测方法：光纤由始端注入光，安装在连接点的熔接机根据远端光功率计接收到的光信号进行调节、熔接，如图15-5-21所示。在整个过程中都是人工操作，因此难以达到很高精度，获得低接续损耗，也不能直接计算接续损耗，操作时间长。

图15-5-21 远端监测方法

b）第二代局部检测方式：两端待接光纤在熔接机上进行小半径弯曲，直接将光信号注入和检测，根据检测所得的信号对光纤进行对芯调节、熔接，如图15-5-22所示。可采用自动调节和熔接，并可估算光纤接续损耗。由于光注入是在整个光纤端面上进行的，因此调节也是以整个包层为基准，对于结构参数偏差较大的光纤，其接续损耗不会降得很低。

图15-5-22 局部检测方法

c）第三代直视纤芯法：光纤熔接机在待接光纤端部（约数十微米长）加以侧向照明，根据光纤折射率分布而在摄像机上形成光纤芯的图像，根据该图像进行光纤对芯调节、熔接。由图15-5-23和图15-5-24可实现全部自动操作，并可根据熔接后光纤纤芯的像来准确地计算光纤接续损耗。

对于有偏芯的光纤，即使在芯轴对准后进行熔接，由于光纤表面张力的作用，使接续在熔接后仍会造成光纤芯轴偏移（见图15-5-25），不能使接续损耗降到最低。采用偏芯校正技术，对于有偏芯的光纤在熔接前先计算出熔接时由表面张力会引起的移动量，在芯轴调节时先将移动量考虑在调整之中，从而使光纤熔接后芯轴在表面张力作用下恢复到最佳状态，来得到最低接续损耗，如图15-5-26所示。

图15-5-23 直视纤芯照明

图15-5-24 直视纤芯法

图15-5-25 由表面张力引起芯轴偏移

1—光纤 2—芯

图15-5-26 偏芯校正法

1—光纤 2—芯

（3）多芯光纤一次接续 对于用户网或大型传输系统中所用的大芯数光缆，通常芯数达到数百至上千芯。若采用单芯接续方法来连接操作极不方便，操作时间长，接续部分体积也大，所以必须采用多根光纤一次接续技术。主要要求如下：

1）操作简单，操作时间短；

2）有较低的接续损耗和较高的可靠性；

3）使用较少的仪器设备和材料；

4）连接部分体积小，易于收容保护。

由于多根光纤一次接续时各光纤间的差异，使光纤的接续损耗要达到单芯光纤接续时的接续损耗尚有一定困难。目前大芯数光缆多为带状光缆，它的一次接续技术可以充分利用带状光纤的特点，使用专用的仪器和工具，使多芯光纤一次接续，同样能达到较高的水平。

多芯光纤一次接续方法主要有以下两种：

1）多芯光纤一次V形槽接续：它是单芯V形槽接续的发展。但在光纤末端处理上采用了一次连接所需独特的技术和专用工具（见图15-5-27）。多芯光纤一次V形槽接续的特点是，只需用简单的夹具即可实现低损耗接续，但该方法要求操作熟练，且接续损耗不易降至最低，接续后的稳定性也较差。

图15-5-27 多芯光纤一次V形槽接续

2）多芯光纤一次熔接 在该技术中有如下两方面是与单芯光纤熔接不同的新技术：

a）调整光纤端面间隔相等：使用专用的多芯光纤一次切割工具来切割光纤端面时仍会使各光纤端面略有差异（不超过20μm），因此在熔接前必须使各端面间隔调整到相同，才能保证在熔接时各光纤加热及推进量相同。调整光纤端面间隔过程，如图15-5-28所示。

图15-5-28 多芯光纤一次熔接间隔调整

1—光纤带 2—光纤芯 3—挡板 4—软夹具

b）保证各光纤放电加热温度均匀：因加热温度对光纤熔接的效果影响很大，故各光纤在熔接时必须处在同一温度下加热熔接。电极间放电温度分布如图15-5-29所示，光纤需要放置在偏离两电极中心线上方可得到均匀加热。

多芯光纤一次熔接装置如图15-5-30所示。这种接续方法的特点是连接容易，可靠性高，可得到低的接续损耗，是大芯数光缆普遍采用的方法。

图15-5-29 多芯光纤一次熔接放电温度分布

1—电极 2—单根光纤位置 3—光纤带位置

（4）光纤熔接后补强 光纤熔接时由于剥去了涂覆层及熔接时的热应变等原因，光纤在接续部分的机械强度下降到原光纤的1/10左右，因此需要在光纤熔接后进行补强，使接头处强度达到与原光纤芯线相当。对于光纤熔接处的补强主要有以下要求：

①提高接续部分的抗拉、抗压强度；

②不因增强而改变接续部分的传输特性；

③增强后强度及传输特性不随时间而发生变化；

④操作简单，时间短，不需要太多的工具及材料。

目前常用的补强方法有以下几种：

1）套管法：在光纤熔接处套一玻璃管或不锈钢管，管内两端用环氧树脂固化，如图15-5-31所示。它需要较长的固化时间，且管内有空气，可能对连接处有影响。

图15-5-30 多芯光纤一次熔接装置

1—光纤 2—放电电极 3—V形槽台 4—压板

图15-5-31 套管法补强

1—光纤芯 2—熔接部分 3—玻璃管或不锈钢管

2）三明治法：在光纤熔接处上下用两块表面粘有柔软粘性橡胶的金属板夹紧，将光纤熔接处保护，如图15-5-32所示。该方法操作简单，但连接后强度不大，橡胶长期老化对光纤连接处影响较大。

3）热收缩管法：在光纤熔接处套一由EVA塑料热熔管、PE热收缩管、不锈钢棒组成的套管，加热后EVA管熔化，分布在光纤接续处周围，热收缩管收缩时将管内空气排出，不锈钢棒保证连接部分的机械强度，如图15-5-33所示。该方法操作简单、可靠性高，是目前常用的方法。

图15-5-32 三明治法补强

1—金属压板 2—粘性橡胶

图15-5-33 热收缩管法补强

1—光纤 2—钢棒 3—EVA管 4—PE热收缩管

5.光纤活动接续

（1）光纤活动接续的要求 光纤在光缆线路终端与端机相连、测试等一些场合下需要一些可经常连通、中断、互换的非永久性连接即活动接续。通常对光纤活动接续有以下要求：

1）有较低的接续损耗，具有较强的互换性和重复性，在互换和重复使用中有较好的稳定性；

2）操作简单，重复连接、中断方便；

3）连接后性能稳定，不易受外界环境影响。

（2）光纤活动接续器

1）光纤活动接续器关键技术：通常由一对插头及其相应的配合系统组成。在插头内部对光纤进行高精度定芯，插头端面经研磨等处理后进行配合。接续技术中最重要的是定心技术和端面处理技术。

a）光纤活动接续器的定芯方法：可分为调芯型和非调芯型两种。典型例子见表15-5-2。调芯型通常将纤芯调整后粘接定位，非调芯型直接以光纤外表面为基准来定心粘接。

表15-5-2 接续器的定芯方法

（续）

b）光纤活动接续器端面处理：一般有机械研磨、人工研磨和应力断裂三种。机械研磨是把光纤端面精密加工成光学镜面，效果好，是目前普遍使用的方法。光纤研磨机如图15-5-34所示。

图15-5-34 光纤研磨机

2）光纤活动接续器种类：一套完整的光纤活动接续器由两只活接头及一只适配器组成。常用的光纤活动接续器有以下几种：

a）FC/PC型光纤活动接续器：

多模光纤插入损耗：＜0.6dB

单模光纤插入损耗：＜0.3dB

单模光纤回波损耗：＞35dB

结构如图15-5-35所示。

图15-5-35 FC/PC型光纤活动接续器

b）BICONIC型光纤活动接续器：

多模光纤插入损耗：＜0.6dB

单模光纤插入损耗：＜0.3dB

单模光纤回波损耗：＞30dB

结构如图15-5-36所示。

c）FC-APC型光纤活动接续器

单模光纤插入损耗：＜0.5dB

结构如图15-5-37所示。

图15-5-36 BICONIC型光纤活动接续器

图15-5-37 FC-APC型光纤活动接续器

d）SC/PC型光纤活动接续器：

多模光纤插入损耗：＜0.6dB

单模光纤插入损耗：＜0.3dB

单模光纤回波损耗：＞38dB

结构如图15-5-38所示。

图15-5-38 SC/PC型光纤活动接续器

e）ST型光纤活动接续器：

多模光纤插入损耗：＜1.1dB

结构如图15-5-39所示。

图15-5-39 ST型光纤活动接续器