光纤端面的处理是一项基本技术，其形式有两种: 平面光纤头和微透镜光纤头。前者多用于各种光无源器件与光纤之间的接续，后者主要用于光纤与光源、光探测器之间的耦合。光纤端面处理质量的好坏直接影响到接续后的光纤损耗和光纤与光源或光探测器的耦合效率。

【实验目的】

(1)掌握光纤端面的处理技术;

(2)掌握光纤熔接的基本技术。

【实验原理】

光线端面处理的基本步骤为: ①光纤涂覆层的剥除; ②光纤头的制备; ③光纤头的检验。

1. 涂覆层的剥除

一般光纤的结构由纤芯、包层、涂覆层和套塑层组成。真正的光传输介质是纤芯层和包层，涂覆层和套塑层只是起保护作用。因此在制备光纤头之前，需要剥除光纤的套塑层和涂覆层，使光纤的包层裸露出来。

剥除方法一种是用刀片切削。使光纤头与刀口之间成一个小的角度。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。但是这种方法要求有一定的技巧，不能用力过猛，否则会将包层和纤芯损伤。

另一种比较简便的方法是将光纤头在塑料溶剂中浸泡几分钟，然后用脱脂棉擦除套塑层。预涂覆层也可以用类似方法剥除，但必须用脱脂棉蘸乙醇-乙醚的混合溶液将光纤头清洗干净。

现在最方便的方法是用专用的剥除工具——光纤剥皮钳。如图5.1所示，顶部1.0mm的开孔可用于剥离任何光纤的外护层，钳刃上的V形口用于剥离125μm光纤的250μm涂覆层。

2. 光纤头的制备

对于平面光纤头的基本要求是，光纤端面应该是一个平整的镜面而且必须与光纤的纤轴垂直。对于石英材质的光纤，制备平面光纤头常用的方法有: 加热法、切割法和研磨法。

图5.1 光纤剥皮钳

“加热法”是一种原始但是简单的方法，适合于直径100μm以上的粗光纤。将已剥除涂覆层的光纤头在热源上均匀加热，然后迅即用镊子夹持弯曲折断即可。此种方法是利用光纤受局部加热产生的应力突变会使其沿径向解理，但是成功率比较低，需要一定经验才可制备较好的光纤头。

“切割法”是一种现在普遍使用而且方便的方法。使用光纤切割刀。我们所使用的光纤切割刀为KL-20C型，它仅适合切割纤芯为125μm的光纤。在一个定位板上有两个光纤导槽，下面一个导槽放涂覆层直径为900μm的光纤，切割长度为10～20mm，上面一个导槽放涂覆层直径为250μm的光纤，切割长度为16～20mm。

操作方法为:

①用杠杆打开大压板，打开定位板上的小压板，将切割刀推向后侧;

②将已剥去涂覆层的光纤平行地放入定位板的光纤导槽内，检查光纤是否被精确笔直地放在橡胶垫上，然后合上大压板和小压板;

③从后面缓慢推进切割刀至前侧，用杠杆打开大压板，打开定位板上的小压板，仔细取下光纤。

由于“加热法”和“切割法”处理的光纤端面不能保证与其纤轴垂直，“研磨法”则是一种更为紧密的光纤端面制备技术，可以达到很高的精度，使光纤端面更接近于理想镜面，一般光纤端面与光纤纤轴的倾斜角度在几十秒以下。但是此种方法难度较高，涉及极为复杂的光学加工技术，此处不赘述。

3. 光纤头的检验

光纤微透镜质量的好坏可依据其与LD耦合时的损耗来判定。

检验平面光纤端面的最好办法就是向光纤注入He-Ne激光，观察由光纤输出的光斑质量。一个好的光纤端面其输出光斑应该是圆对称的，边缘清晰且与光纤轴线方向垂直。如果光纤端面质量不高，则光斑就会发生散射或倾斜。如果条件允许，还可以采用更精密的检测方法。如用高倍率显微镜进行检验。首先正面观察光纤端面，应该是均匀、无裂痕、圆周轮廓清晰。然后侧面观察光纤，其端部边缘应齐整、无凹陷或尖劈，且边缘与光纤轴线垂直。

4. 光纤的连接

光纤的连接方式有固定连接和活动连接两种方式。这里只讨论固定连接。光纤的固定连接是用全自动的专用设备——熔接机(fusion splitter)将两段光缆中需要连接的光纤分别连接起来，熔接时采用短暂电弧烧熔两根光纤端面使之连成一体，这种连接方法接头体积小、机械强度高、光纤接续后性能稳定，因而应用广泛。光纤接续后光线传输到接头处会产生一定的损耗量，称之为熔接损耗或接续损耗。由于光纤接续质量影响光纤线路传输损耗的额限、光纤线路无中继放大传输距离等参数，因此要求光纤接头处的熔接损耗尽可能小，以确保光纤中信号的传输质量。

光纤的固定连接按照标准，多模光纤的接续损耗应小于0.1～0.2dB，单模光纤的接续损耗应小于0.05～0.1dB。多数熔接机可以做到使熔接损耗小于0.1dB，甚至可以达到小于0.05dB的水平。

降低接续损耗的方法有:

(1)工程设计、施工和维护工作中应选用特性一致的优质光纤

一条线路上尽量采用同一批次的优质名牌裸纤，以求光纤的特性尽量匹配，使模场直径对光纤熔接损耗的影响降到最低程度。

(2)挑选经验丰富训练有素的接续人员进行接续和测试

接续人员的水平直接影响接续损耗的大小，接续人员应严格按照光纤熔接工艺流程进行接续，严格控制接头损耗。有条件时，熔接过程中时刻使用光域反射仪(OTDR)进行监测(接续损耗≤0.08dB/个)，不符合要求的应重新熔接。使用光时域反射仪(OTDR)时，应从两个方向测量接头的损耗，并求出这两个结果的平均值，消除单向OTDR测量的人为因素误差。

(3)保证接续环境符合要求

严禁在多尘及潮湿的环境中露天操作，光缆接续部位及工具、材料应保持清洁，不得让光纤接头受潮，准备切割的光纤必须清洁，不得有污物。切割后光纤不得在空气中暴露时间过长，尤其是在多尘潮湿的环境中。接续环境温度过低时，应采取必要的升温措施。

(4)制备完善的光纤端面

光纤端面的制备是光纤接续最为关键的工序。光纤端面的完善与否是决定光纤接续损耗的重要原因之一。优质的端面应平整，无毛刺、无缺损，且与轴线垂直，光纤端面的轴线倾角应小于0.3度，呈现一个光滑平整的镜面，且保持清洁，避免灰尘污染。应选用优质的切割刀，并正确使用切割刀切割光纤。裸纤的清洁、切割和熔接应紧密衔接，不可间隔过长。移动光纤时要轻拿轻放，防止与其他物件擦碰而损伤光纤端面。

(5)正确使用熔接机

正确使用熔接机是降低光纤接续损耗的重要保证和关键环节。

①应严格按照熔接机的操作说明和操作流程，正确操作熔接机。(www.daowen.com)

②合理放置光纤，将光纤放置到熔接机的V形槽中时，动作要轻巧。这是因为对纤芯直径为10nm的单模光纤而言，若要熔接损耗小于0.1dB，则光纤轴线的径向偏移要小于0.8nm。

③根据光纤类型正确合理地设置熔接参数(预放电电流、时间及主放电电流、主放电时间等)。

④在使用中和使用后应及时去除熔接机中的灰尘(特别是夹具、各镜面和V形槽内的粉尘和光纤碎末)。

⑤熔接机电极的使用寿命一般约2000次，使用时间较长后电极会被氧化，导致放电电流偏大而使熔接损耗值增加。此时可拆下电极，用蘸酒精的医用脱脂棉轻轻擦拭后再装到熔接机上，并放电清洗一次。若多次清洗后放电电流仍偏大，则须重新更换电极。

【实验仪器】

光纤跳线(两端均为FC型接口)、稳定光源、光功率计、光纤切割刀、光纤熔接机、光纤剥皮钳

【实验内容及步骤】

1. 制作光纤端面

①从光跳线的中间剪断光纤，在其中一段套上热缩管;

②用光纤剥皮钳剥除每段光纤被覆层，使光纤包层裸露40～100mm;

③用脱脂棉蘸乙醇清洗裸光纤部分;

④用光纤切割刀将裸光纤切去一段，保留裸光纤12～16mm;

⑤在显微镜下检验光纤端面，情况可能如图5.2所示，①为好端面，可以熔接;②～⑦为不合格端面，应重新制作。

图5.2 光纤端面图

2. 光纤熔接

用光纤熔接机熔接。关于光纤熔接机的详细使用方法请参见附录。

①给光纤熔接机供电: 若为交流电源，开关拨至=，若直流电源，开关拨至此-。

②开启熔接机后，会有“张力测试开启?”显示，按“ENT”键开启，每次接续完成后屏幕都会有显示。按“ENT”键进行张力测试，按“RESET”键不进行。

③选择熔接机工作方式: 按“MENU”键，出现一级菜单，用“▲”或“▼”键将箭头指向工作方式，用“▶”或“◀”键选择工作方式，显示1为自动，2为手动，我们选择自动。

④选择光纤类型: 在一级菜单下，用“▲”或“▼”键将箭头指向熔接光纤，用“▶”或“◀”键选择，1为单模，2为多模。

⑤选择端面设置值: 端面设置值表示在自动工作状态下，熔接机对光纤端面切割角度的允许值，设置范围为1～15，步距为0.5度，即0.5～7.5度，通常设置为4(2度)。熔接过程中若某一边光纤切割角度达不到设定要求，熔接机将不工作，并有相应显示，要求重新制作光纤端面。设置方法同上。

⑥选择熔接程序: 在一级菜单下，用“▲”或“▼”键将箭头指向熔接程序，用“▶”或“◀”键选择。对单模和多模每种光纤，可供选择的程序各有10个，编号是1～10，其中1～5号为工厂设定，不可更改，6～10号程序用户可以设置。选择几号程序由教师指定。

⑦光纤的安装: 按“RESET”键显示“请安放光纤”，将切好端面的光纤放入V形载纤槽，注意光纤端面不要触到载纤槽。放下大压板，盖上防风罩，光纤安装完成。此时显示器显示如图5.3所示图像，要求两光纤径向距离小于光纤半径R，否则超出熔接机调整范围而不能正常工作，应找出原因重新安装。

图5.3 显示器显示图像

⑧自动熔接: 光纤安装后，按“AUTO”键熔接机进入自动工作过程: 检查端面、设定间隙、纤芯准直、放电熔接和接点损耗估算，并将估算值显示出来。

3. 光纤熔接质量测试

光纤熔接质量最终体现在连接损耗上，光纤熔接完成后，即使熔接机有测试连接损耗的功能，但因其是采用光纤芯轴直视法进行局部监视测得的，仅在非常理想的状态下才反映实际的熔接损耗，故一般仅供参考用。测量光纤接头熔接损耗最理想的方法是用光时域反射仪。我们采用如下简洁的方法，其测试的原理框图如图5.4所示。

图5.4 带FC型接口光跳线连接损耗测试方框图

用光功率计直接测试LD激光二极管输出的光功率如图5.5所示，记为P1; 再将LD激光二极管的输出端通过熔接好的光纤接到光功率计上，测得此时的光功率值记为P2，最后根据公式计算焊点损耗: α=-10log(P2/P1)。

图5.5 裸光纤连接损耗测试方框图

【思考题】

(1)光纤的纵向与横向偏差对光纤耦合效率的影响哪种大? 结合实验谈谈感性认识，并作理论解释。

(2)就本实验而言，以上测得的焊点损耗是否就是焊点的实际耗损?

【注意事项】

(1)切割刀不能弄湿也不能遭受猛烈撞击。

(2)载纤槽要时常清洁，确保槽内无灰尘及油污。

(3)熔接机工作时请不要用手触摸电极或加热器，以免产生人身伤害。

(4)应避免灰尘或杂质进入到熔接机中，如果熔接机中的灰尘和杂质积累得太多，容易造成熔接机短路及冷却效率的降低，这样的话，由于熔接机的故障或性能下降易导致火灾或电击。