多芯光纤熔接与测试研究_张功会.pdf

：专题：新型光纤张功会，陈伟，孙伟，等 多芯光纤熔接与测试研究 光通信研究，（）：，（）：多芯光纤熔接与测试研究张功会，陈伟，孙伟，李萍，陶泉，王亚玲，郝昌平（江苏亨通光纤科技有限公司 新型特种光纤及光纤预制棒重点实验室，江苏 苏州 ；上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室，上海 ；江苏亨通光导新材料有限公司 芯棒研发部，江苏 苏州 ）摘要：多芯光纤（）是空分复用（）技术的重要传输介质，能够数倍地拓展现有单根光纤的通信容量，然而 结构复杂度高、测试难度大，尚无测试标准。文章根据 的结构特点，结合在 开发中的技术经验，规范了 的熔接方法以及主要参数的测试方法，为未来 的大规模商用化奠定了基础。关键词：多芯光纤；多芯光纤熔接；多芯光纤测试；空分复用；香农极限中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：（）（），：；引言 年全国数字经济的规模达到 万亿元，占我国国内生产总值的比重高达，总量稳居世界第。数字经济正在蓬勃发展，引领新一轮的科技革命和产业变革，其涌现出的海量数据以及业务上云等新趋势，对光纤通信网络的传输容量提出了更高要求。目前，传统单模光纤的单纤传输容量已经逼近 的香农极限，面临“容量危机”。在基于波分、模分、空分、频分、复振幅和偏振等多维度提升光纤传输容量的技术途径中，基于多芯光纤（，）的空分复用（，）技术被认为是最具应用潜力的方案之一。在一个包层内具有多个独立纤芯的，被认为是传统单模光纤的最具替代潜力的通信载体之一。在几乎不增加物理空间的情况下，能够数倍甚至数十倍地增加单根光纤的传输信道，为当下激增的数据传输需求提供了可行的解决方案。然而，的结构相对复杂，大规模商用化仍然面临着诸多关键技术需要突破，其中就包括为应用铺垫的熔接和测试技术。虽说每个纤芯仍然采用单模模式传输，但现有单模光纤测试仪器无法同时识别和计算多个纤芯的参数。本文对 的熔接和测试技术进行了大量的研究和试验，形成了相对合理和快速的熔接及测试方法和平台，为未来 熔接与测试标准的制定和大规模商业应用提供了重要参考。收稿日期：；修回日期：；纸质出版日期：基金项目：国家重点研发计划资助项目（）；江苏省重点研发计划重点资助项目（）；苏州市科技计划资助项目（）作者简介：张功会（），男，安徽萧县人。高级工程师，硕士，主要研究方向为新型特种光纤和器件。通信作者：陈伟，教授。：.年第期总第 期光 通 信 研 究 （）的熔接结构标记为使 每个纤芯的传输信号是独立且可区分的，需要控制好 的芯间距，同时设置标记芯（）以确定每个纤芯的唯一编号。可以是常规单模芯，直径较小且与正常纤芯留有一定距离以 免 影 响 到 传 输 信 号，如 图所 示。此 外，不应设置在任何两个纤芯的正中间，以免导致无法区分左右侧的纤芯。图典型 的结构标记方法 以 为起点，距离 最近的纤芯作为芯，按照芯的时针方向顺序给纤芯编号依次为、，其中芯光纤包含中间芯，编号为，以此类推，让每个纤芯都有唯一且明确的“身份”，在熔接、测试和工程应用中能够更好地对准每个纤芯，找到每个纤芯的传输信号。类似地，和 芯等 也采用同样的方法对纤芯进行标记。热熔接熔接 的熔接机要选用能够识别 的高精度熔接机，并且具有编制好的熔接模式（程序）。该熔接模式需要按照包层直径精确对齐光纤，同时将识别的多个纤芯按照算法尽量对齐。此外，还应具备手动进行端面对齐的功能。在熔接时，首先进行轴向对齐，在仪器识别为 后，会自动调整让左侧（侧）和右侧（侧）的纤芯能够在轴向方向上初步对准，然后再进入手动调整界面进行手动微调。在轴向对齐后，再进入手动端面对齐功能，旋转两侧光纤的角度，使纤芯角度对齐刻度线，同时让 位于同一角度，此步骤非常重要，从而让左右两侧的光纤纤芯按照编号完全对齐，如图（）所示。熔接结果可能因为轴向偏移、纤芯弯曲、模场失配或熔接损耗等原因出现熔接错误，必须重做端面再次熔接，良好的熔接结果如图（）所示，熔接点在高倍显微镜下的图像如图（）所示。图 的熔接图像 的测试几何参数包层参数按照单模光纤几何参数的测试原理，的包层直径 和 包 层不 圆 度 仍然可 以 采 用 近 场 光 分 布法 灰度法及相应的单模仪器进行测试。芯层参数芯层直径与光传输有效面积和芯间串扰值有相关性，所以应当采用单个纤芯的芯层直径来表示，其测试方法可采用图像分析的方法，如图所示。需要说明的是，采用单模仪器无法直接测试出 中单个纤芯的芯层直径。光通信研究 年第期总第 期为了更好地表示 的纤芯分布并考虑到有的 没有中间芯的情况，应当把多个纤芯共同拟合成一个类似于单模光纤的芯层用以测试芯层包层同心度误差（，），如图所示。可以采用近场光分布法 灰度法简洁而高效地在单模仪器上测试 ，且测得的数据具有较好的可信度。图 芯层参数测量方法 芯间距参数以常见的芯光纤为例，每个纤芯都是相邻的，因此可以按照纤芯编号表示各芯之间的间距，如 、等，如图所示。可以开发 的测试软件进行端面图像识别与测量，也可以采用高倍显微镜进行端面聚焦和测量，但测试需要满足较高的精度。图 芯间距的测量 而对于常见的芯光纤，其芯间距主要包括邻芯和对芯间距。邻芯间距是指相邻两个纤芯圆心之间的距离，对芯间距则是指相对（对角线）两个纤芯圆心之间的距离。按照纤芯的编号，可以将邻芯间距表示为 、和 ，将对芯间距表示为 和 。为了进一步区分待测光纤里端和外端的芯间距，示例性地可以将里端和外端的芯间距分别表示为 和 （和的含义是 和 ），以此类推。芯间距的大小与熔接质量和芯间串扰值均直接相关，是光纤几何参数中非常重要的参数，所以对于一盘 而言，应当测试其里、外两端的芯间距数据，并且数据都须在要求的范围内。涂层参数可以按 照 单 模 光 纤 涂 层 参 数 的 测 试 原 理 对 的涂覆层直径、涂覆层不圆度和涂覆层包层同心度误差进行测试，采用侧视光分布法 椭圆拟合分析法及使用相应单模仪器能够得到可靠的测试结果。光学和传输参数模场直径对于包含中间芯的，如芯光纤，采用孔径光阑对被测光纤输出端在不同孔径下的透光功率进行探测，从而计算模场直径（，）。该方法利用单模光纤的远场可变孔径法和单模仪器直接测试中间芯的 ，如图所示。图直接测试芯光纤中间芯的 对于除中间芯以外的其他纤芯或是没有中间芯的 ，可以基于上述远场可变孔径法的原理，采用如下方法测试：被测光纤采用扇入扇出（，）器件来连接每个纤芯，以 器件为光输入端对某个纤芯注入光功率；在光输出端调整孔径光阑和光收集系统的位置使其对准同一纤芯（注：其他纤芯的输出光功率极低，很容易锁定通光的纤芯），从而测试出该纤芯的 。该方法的简化方法是采用光斑分析仪直接分析纤芯光输出端的功率 分 布，等 效 计 算 该 纤 芯 的 。要 确 定 器件是否熔接成功，每个纤芯均需使用光时域 反 射 仪（，）测试其是否通光。张功会 等：多芯光纤熔接与测试研究截止波长将 的两端连接 器件，分别对各纤芯输入光功率，在未加小环的情况下测试各波长出射光的透射功率谱，然后与同波长点的多模参考功率谱进行对比，得到截止（）波长。该方法利用多模参考法和相应的单模仪器进行测试，经验证可行，但是在选择光纤制作 器件时，应尽量减少 器件光纤对测试结果的影响。衰减与色散将 的两端连接 器件后，每个纤芯均可按照单模光纤的测试方法和仪器进行测试。可以采用单模光纤测试原理和单模仪器进行测试。经验证，的衰减系数、谱衰减、点不连续性、端差以及色散系数、色散斜率和偏振模色散（，）的测试结果准确可靠。宏弯损耗可以采用传输功率监测法进行测试。将 的两端熔接 器件后，分别对每个纤芯测试大弯曲半径和小弯曲半径下的功率谱，对比计算后得到宏弯附加损耗。由于纤芯较多，在小弯曲半径下纤芯之间可能会互相影响并且叠加微弯应力，因此不建议测试圈数过多。适宜参考 类单模 光 纤 的 弯 曲 半 径 和 圈 数，以 处 的宏弯附加损耗为检验依据或标准，并制作专用器具以便捷地形成所需的圈数。对自主开发的芯光纤采用上述方法测试了宏弯附加损耗，结果如表所示，每个纤芯的宏弯附加损耗均在 以下，表现良好。表典型芯光纤的串扰矩阵 芯号宏弯 芯号宏弯 芯间串扰将 的两端熔接 器件后，分别对每个纤芯输入波段的光功率，测试光输出端每个纤芯的输出光功率，得到被测光纤的串扰（，）矩阵（换算成每 的串扰值）。在得到 矩阵后，取 最大 值作为最终测试结果。需要注意的是，光纤的弯曲状态是对 有影响的，在搭建测试平台时应注意被测光纤的状态，以免影响最终测试结果。结束语本文研究并介绍了 的熔接方法，给出了 主要参数的测试方法和平台，分享了部分参数的测试数据。结果表明，本研究成果能够便捷而可靠地熔接和测试，对未来 测试标准建立和工程化应用具有重要的参考意义。参考文献：中国互联网协会中国互联网发展报告（）北京：中国互联网协会，（）：，：，：，光纤试验方法规范 第 部分：尺寸参数的测量方法和试验程序 光纤几何参数 ，：，光纤试验方法规范 第 部分：尺寸参数的测量方法和试验程序 涂覆层几何参数 ，：，光纤试验方法规范 第 部分：传输特性和光学特性的测量方法和试验程序 模场直径 ，：，光纤试验方法规范 第 部分：传输特性和光学特性的测量方法和试验程序 截止波长 ，：，：，：光通信研究 年第期总第 期