通用型保偏光纤熔接机的性能测试方法

　摘要：保偏光纤熔接机的性能对光纤传感器的研制和生产具有重要意义，其应力区对轴误差、熔接损耗和熔接可靠性是评估保偏光纤熔接机性能状态的三个关键因素。本文介绍了保偏光纤熔接点损耗、对轴误差和可靠性的测试方法，并实测验证康阔光智能的通用型保偏光纤熔接机性能。测试结果表明，采用该通用型保偏光纤熔接机续接包层直径为125um的熊猫光纤时，熔接点的平均熔接损耗为0.04dB，平均消光比为34.03dB，平均可承受张力13.08N。此外，该通用型保偏光纤熔接机可熔接任意复杂结构的特种光纤，可较好满足光纤传感器件的研发和生产需求。

关键词：通用型保偏光纤熔接机、性能测试、应力区对轴偏差、可靠性 光纤熔接机是光纤熔接的基础设备，其性能决定了光纤连接的光学特性及可靠性。随着以全光纤电流传感器、光纤陀螺、光纤加速计为代表的光纤传感器在电力、交通等领域的快速应用发展，其用户群体也从光纤通信领域扩展到光纤传感、电力、交通等多领域。传统的单/多模熔接机不能满足保偏光纤、光子晶体光纤、多芯光纤等新型特种光纤的熔接需要，因此保偏光纤熔接机应运而生。

保偏光纤对轴技术是保偏光纤熔接的核心技术，目前保偏光纤对轴技术主要分为三类：横向观测法、纵向观测法和端面图像法。其中，大多数保偏光纤熔接机采用横向观测法，如POL、PAS等，这类方法的不足之处在于检测精度不高，且需要预先建立标准库（对于标准库之外的特种光纤就无能为力了）；而纵向观测法中，消光比法无法区分快慢轴，白光法装置复杂，光弹法会破坏光纤，因此未被应用于熔接机中；相比而言，端面图像法具有形象直观、检测精度高、无需建立标准库等优点。康阔光智能推出的通用型保偏光纤熔接机便是采用了端面成像技术，光纤端面放大400倍，可清晰定位光纤偏振轴方位，而且通过旋转夹具可以快速顺畅地对偏振轴进行360°调整。

图1 通用型保偏光纤熔接机

图2 典型可熔接特种光纤端面

1 保偏光纤熔接机性能测试原理

1.1 熔接点损耗测试原理

熔接损耗表征熔接点的通光特性，通常采用剪断法和后向散射法（OTDR法）。本文采用剪断法测试熔接点的损耗，熔接损耗的计算方法为：

（1）式中：L(dB)为损耗；Pin(W)为熔接前入光功率，W；Pout(W)为熔接后光功率，W。

1.2 应力区对轴误差测试原理

假设两根同种保偏光纤1和2相熔接，图3为两根保偏光纤的熔接端面示意图，如果两根对接保偏光纤应力区对轴误差过大，会造成原本沿着保偏光纤1慢轴传输的光波在经过熔接点后，在保偏光纤2快轴方向也有传输分量，即使得传输光在经过熔接点后，沿慢轴传输的光功率（激发模功率）与沿快轴传输的光功率（耦合模功率）之比减小，消光比降低。消光比表示为：

（2）式中：Ix表示激发模功率，Iy表示耦合模功率。

图3光纤应力区对准误差示意图

消光比可直观反映光纤保持偏振态优劣程度，消光比绝对值越大表明光纤偏振保持能力越强。在检测出熔接前消光比x0和熔接后消光比x1的情况下，即可根据公式推算出熔接点的应力区对轴误差角θ：

1.3 可靠性测试原理

目前工程上采用测试熔接点强度的方法，评估光纤熔接点的寿命和可靠性。熔接点强度与使用寿命的关系如下：

（5）式中：ts为使用寿命，B代表裂纹生长特性的参数，s为使用应力，Su为光纤的惰性强度，n为抗疲劳因子（通常大于3）。在相同的使用环境下，光纤熔接点强度越高，使用寿命越长，可靠性越高。

综上所述，进行保偏光纤熔接机性能测试中，通过测试熔接点前后的光功率计算熔接损耗大小，通过测试熔接点前后信号的消光比评估应力区对轴差大小，通过测试熔接点强度评判熔接可靠性，从而评估待测试保偏光纤熔接机的状态。

2通用型保偏光纤熔接机测试流程

2.1 熔接损耗测试流程

保偏光纤熔接损耗测试步骤如下：

1）测试系统的连接

熔接损耗测试系统连接示意图如图4所示:

图4 熔接损耗测试系统连接示意图

2）测试系统的调整接通保偏光源和光功率计电源，保证保偏光源的输出光功率在光功率计的测量范围内，且光功率计的校准波长与保偏光源的输出波长相对应。系统预热后，读出稳定光功率值P0(dBm)作为基准参考功率值，然后将光功率计切换到相对功率值显示模式（单位为dB）并做归零操作。

3）保偏光纤熔接

在距离光功率计至少2m处将光纤剪断，用通用型保偏光纤熔接机将断点熔接起来，恢复光纤自由状态，从光功率计上读出熔接后稳定的光功率相对值X1(dB)，即为第一个熔接点的熔接损耗。

然后，顺次进行该熔接点的消光比测试和张力测试（测试方法详见下文）。

最后，在熔接点处再次剪断光纤，重新制备两侧光纤端面，制备端面时确保将原接续点剔除。制备好端面后再次将两侧光纤熔接，恢复光纤至自由状态，从光功率计上读出熔接后稳定的光功率相对值X2（dB）。按照上述方法连续熔接10次。

2.2 消光比测试流程

消光比测试系统如下图5所示

1）在保偏光纤熔接前，把光源上的光纤插入适配器，接入消光比测试仪, 读取屏幕上的消光比值Y0，并记录。

2）保偏光纤熔接后，再次接入消光比测试仪，读取屏幕上的消光比值Y1，并记录，重复10次。

图5 消光比测试系统连接示意图

2.3 熔接点张力测试流程

熔接点张力测试参考GB/T 15792.31-2008规定的方法进行，采用电动拉力试验机，如下图6所示，测试方法如下：

1）将待测光纤用夹具固定于拉力试验机上，熔接点位于两夹具之间；

2）设置拉伸速度为30~100mm/min；

3）启动自动按键，点击“UP”按钮开始测试，测力表将实时显示光纤受力大小并自动记录光纤断裂一刻的拉力大小Z0；

4）将电动拉力试验机复原，重复上述拉力测试10次。

图6 电动拉力试验机

3 保偏光纤熔接机检定结果分析

采用上述方法对康阔光智能的通用型保偏光纤熔接机进行测试，试样光纤为包层直径125um的熊猫光纤，实测数据如下表所示

从上述结果可以看出：该通用型保偏光纤熔接机的典型损耗为0.04dB，典型消光比为34.03dB，典型熔接点张力为13.08N，性能良好。

4 结论

本文总结康阔光智能的测试经验，提出通用型保偏光纤熔接机性能测试方法。该方法操作简单，可满足实际应用中保偏光纤熔接机性能测试需求。经实测检验康阔光智能的通用型保偏光纤熔接机性能良好，满足大多数光纤传感器件的研发和生产中保偏光纤熔接需求。