光纤的熔接实验北京交通大学.docx

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光波技术基础实验

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光波技术基础实验

实验一 光纤熔接实验

一、  实验目的

熟悉光纤，了解切割仪器和熔接仪器的使用，进行光纤熔接并测

量熔接点的损耗（dB）。

二、  实验仪器

一段光纤，酒精，绵纸，切割仪器，自动熔接机，剥线钳。

三、  实验步骤

1.   取两段需要固定连接的光纤跳线，在其中的一段跳线的一端

套上热缩管；

2.   用剪刀等工具去除松套管和尼龙加强材料，露出光纤紧套管；

3.   用光纤紧套管剥除工具去除紧套管，露出光纤涂敷层；

4.   用光纤剥线钳剥去大约 10 厘米的光纤涂敷层，露出光纤包层；

5.   用绵纸蘸酒精把剥好的光纤擦干净；

6.   左手拿光纤把脱去涂敷层的一端放入切割仪器靠近自己一边

的凹槽里，切割点到有涂敷层的地方大约留半厘米，感觉放

平后按下切割机的盖子开始切割，听到轻微的“咔踏”一声

后，切割完毕；

7.   切割好的光纤放入光纤熔接机一侧的光纤夹持器；

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

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光波技术基础实验

光纤切割口整齐才可以开始焊接，否则重新做 2.至 8.  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

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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 1.1 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）



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光波技术基础实验

有时也用耦合损耗Ｌ表示耦合时的功率损失

L = -10 log T == -10 logçç r

÷

ø

æ P

è Pt



ö

÷



（1.2）

r  = （- 1/ 2）ò dq ò Re（E1 ´ H2* ）rdr

对于理想光纤耦合， Pr ＝ Pt ，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

（ ）

= （- 1/ 2）ò dq ò Re  Ey1H x*2  rdr

2p ¥

0 0



（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

T =|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

× çç

÷

ø

expçç - 2

÷

ø

E y  = -



Z 0 H  x

n2



=



2

S0



æ  Z 0

è pn2



ö

÷



1/ 2



æ    r  2

è     s0



ö

÷



（1.5）

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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

Z = 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  S2 ） ]

[4Z  + （S ） S ]  + [4Z （S

+ S

S1 ）

T =



1          2         2



2           2          2         2  2               2

2



2



2



]



（1.6）

当两光纤的端面完全接触时，Ｄ＝0，Ｚ＝0，则

T  =  ê

（

）

é 2S1S2 ù

ë  S1  + S2   û

2 2 ú

2



（1.7）

如果两根光纤的模场半径相同， S1 = 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



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=  n  0   =  1 ，设光纤芯子折射率为

n  = 1.5，则在两者的界面上功率反射系数为 R = [（n1 - n0 ） （n1 + n0 ）]   = 0.04 ,相

2

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

T = T  exp[-2 d  / （S  + S  ）]

2 2 2

0 1 2



（1.8）

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T0 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

[（ ）  ]

2

2

时横向偏移为 de  = S1  + S2 2

减小到无横向偏移的



1 e

1 2



，Te = T0  e ，

在 S1 = S2 = S 的情况下，de = S 。

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

T  = T0 exp{- 2（pn2S1S2q ）

] [（S

2



2

1

+ S2 ）l2 ]}



（1.9）

T0 为q = 0的功率传输系数。

当功率减小为Te = T0  e 时，相应的倾斜

角为

[（S

）  ]

+ S22 2

qe =



2

1



pn2S1S2



1 2



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：

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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

1.  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。

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（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。

2.  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，加紧再垂直切割等。

七、  实验体会

在这次光纤的熔接实验中，我们完成了对两根光纤的熔接。

虽然

在实验前看老师示范操作的时候觉得挺简单的，但是在自己操作之后

还是遇到了很多问题，比如去除紧套管时长度太长导致去除的时候比

较费力，用酒精擦拭的时候一不小心就会把光纤弄断，以及切割时有

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光波技术基础实验

时会导致切割口不整齐等等。

在整个实验的过程中我们的光纤也由于

各种原因断了好多次，在一次又一次更加细心的重复之后，我们终于

成功地完成了熔接。

这次实验让我通过自己亲手操作了解了光纤熔接的过程，通过熔

接之前对光纤的处理也对实际应用中光纤的结构有了更清楚的认识。

在实验过程中多次出现问题也让我体会到在学习生活中细心的重要性，

最终完成了光纤的熔接，感觉还是比较有成就感的。

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