《光纤光缆制备》课件第4章

学习情境四：石英光纤质检4.1学习目标4.2学习内容

★掌握几何特性参数、光学特性参数、机械特性参数、环境特性参数等测试指标；

★掌握光时域反射计(OTDR)等检测设备的使用；

★掌握质检工序及相关测试方法；

★掌握安全操作规程。4.1学习目标

4.2.1石英光纤的性能要求

石英光纤的特性参数指标一般包括几何特性参数、传输与光学特性参数、机械特性参数和环境特性参数。通常情况下，石英光纤的特性指标如表4-1所示。对于不同的光纤，其特性参数不完全一样，如单模光纤一般采用模场直径而不用其纤芯直径的数值来描述。不同类型的光纤对衰减等参数要求的波段范围也不一致。4.2学习内容

表4-1石英光纤的性能指标4.2.2传输与光学特性参数的测试

传输与光学特性对于光纤来说是最为重要的特性，如衰减决定着信号传输距离的长短，而带宽则直接限制了传输容量的大小。目前对石英光纤的传输和光学特性参数的测试已经比较完善，其测试方法和测试设备都比较成熟，同时为了规范不同厂家的测试方法和过程，仲裁不同厂家的测试结果，统一和规范行业光纤特性，国际上和国内都制定了相关标准来统一光纤各种特性的测试，如国际电信联盟(ITU)、国际电工委员会(IEC)、国家通信标准化委员会(CCSA)都制定了许多关于光纤测试方面的国际和国家标准，详细地规定和规范了光纤参数的测试方法。

在衰减测试上，测试方法主要有四种：截断法(也称基准测试方法)、插入损耗法、背向散射法以及谱衰减模型法。ITU-T关于衰减的规定为：一段光纤上相距L的两个界面1和2之间在波长处的衰减A，在不改变注入条件时，其满足如下公式：

(4-1)

式中：P1(λ)为通过横截面1的光功率；P2(λ)为通过横截面2的光功率。光纤的衰减是光通过光纤时光功率变小程度的一种度量，取决于光纤的性质和长度，同时受测试方法的影响。测试光纤衰减的四种方法中，基准测试方法是在其他测试方法测试结果存在争议的情况下的一种仲裁方法。

1.截断法(基准测试方法)

截断法是衰减测试的基准方法，其基于衰减的定义，测量精度高，同时能测量出光纤的损耗光谱特性，适用于单模光纤和多模光纤的出厂测试。图4-1所示为截断法测试装置示意图。

采用截断法测试光纤的衰减，虽然具有较高的准确性，但由于每次测试都截取2m的光纤，因此该法不利于进行现场测试。同时，由于是前后两次功率进行相比，因此要保证注入条件的一致性和稳定性，特别是为了保证能真实地反映实际衰减特性，在测试中对光的注入条件要求极为严格，以实现稳态注入。图4-1截断法测试装置示意图

2.插入损耗法(替代测试方法)

图4-2所示为插入损耗法测试装置示意图。

从图4-2中可以看出，光纤衰减是在已知装置参考功率P1的前提下，将被测光纤插入到测试装置中，记录输出P2光功率，然后进行计算而得的。

在实际测量中，P1一般采用与被测光纤类型相同的长度为2m的参考光纤进行测试和校准，其装置如图4-3所示。图4-2插入损耗法测试装置示意图图4-3P1光功率的测试装置示意图插入损耗法的精度比截断法差，但其步骤简单，可以仪表化，具有不破坏光纤和不破坏光纤连接器的优点，可用于现场测试以及光缆链路测试；但其缺点是由于插入时都采用接头插入，因此不但要求高精密的耦合接头和耦合技术，而且测量出的功率包含接头损耗，接头损耗的不稳定性会使其测量精度受到限制。

3.背向散射法(替代测试方法)

光纤中传输光存在散射现象，其中部分散射光原路返回至光纤始端(即发光端面)，这种散射称为背(后)向散射。背向散射法是一种单端测量方法，它通过用光功率计测量背向散射光的光功率大小来测量光纤的衰减。因为该方法受制于光纤中光的传输速度和后向散射光的光功率，精度不是十分准确，因此需要取两端测量值的平均值。

背向散射法采用的装置就是光时域反射计(OTDR)，因此背向散射法也常被称为OTDR测试衰减法。其试验装置如图4-4所示。图4-4光时域反射装置示意图背向散射法对光纤本身无破坏性，测试重复性好，如果光纤质量情况较好，则其测量精度仅次于截断法。另外，由于其设备已经仪器化，因此可以方便地测量和比较不同光纤的损耗特性，同时兼有测量光纤长度、测试故障点和接点损耗等功能。图4-5所示为OTDR测试曲线示意图。图4-5OTDR测试曲线示意图

4.谱衰减模型法(替代测试方法)

谱衰减模型法主要用于单模光纤的测试，通过特征矩阵和矢量计算得出光纤的衰减。特征矩阵一般由光纤供应商提供，通过特征矩阵和矢量计算即可得到模型化衰减谱。

目前国际上光纤制造商常用的光纤特性测试设备主要是美国PK公司生产的系列产品。下面就以图4-6所示的美国PK公司的PK2500产品为例介绍光纤衰减特性的测试步骤。

(1)打开测试设备，根据提示在预设菜单中选择相应的光纤类型(单模或多模等)，进而选择需要测试的参数(衰减、截止波长或者模场直径)。

(2)选择好测试单模光纤，用特制的光纤切割刀切割好待测光纤两端的端面，分别置于测试系统的光输入两端端口，分别按操作键盘上的光纤对中键(一般为F1～F12中的三个，分别为x轴、y轴和z轴)及端头切换键(一般为F1～12中的任一个)，并旋转操作面口来配对合适的光接收口，找到最清晰的光纤端面图像，查看光纤端面是否合格，同时将合格端面放置在坐标轴的标准位置处。

图4-6PK2500测试系统装置图

(3)屏幕上显示光纤的两个端头，通过步骤(2)确认光纤两端面图像清晰，给电脑显示器上光注入端的光纤图像加一小圈(便于确定纤芯位置，一般单模光纤为

30mm)，使纤芯充分与屏幕上的两个十字标记重合。之后，根据提示选择下一步(一般为Continue键)后，逐步输入光纤号和光纤长度，系统将对长光纤进行扫描。

(4)完成长光纤扫描。因为此系统测量衰减采用的是截断法，所以之后根据提示在光纤的光注入端2m处截断光纤，制备好端面并调整好位置和清晰度后，进入下一步，即对短光纤进行扫描，扫描完成后屏幕上将出现测试结果。测试结果可以是衰减谱图或者衰减谱表。

(5)测试完成后，记录数据，根据提示返回主菜单。

由此可以看出，在使用PK2500进行单模光纤衰减测试时，最主要的就是端面的制作和调整，对于衰减具体数值的计算和处理，测试仪表中已经嵌入了软件程序，无需人工计算。4.2.3几何特性参数的测试

光纤的几何特性参数是光纤自身具有的稳定特性，因此准确地测量光纤的几何特性参数具有重要的意义。几何特性参数中，涂覆层直径在光纤后续熔接、连接以及成缆等工序中都是必须要知道的参数。光纤涂覆层直径的测量一般采用两种方法：侧视法和机械法。侧视法是目前光纤厂家通常采用的方法，也是测试涂覆层直径的基准方法，还是仲裁涂覆层直径测试结果争议的仲裁方法。

1.侧视法(基准测试法)

图4-7所示为侧视法测试涂覆层直径装置示意图。从图4-7中可以看出，光纤涂覆层直径的测试原理就是显微放大原理或激光测试原理，其装置由合适的激光光源(一般波长为663nm)、扫描组件以及检测装置组成。其具体的光路图如图4-8所示。

图4-7侧视法测试涂覆层直径装置示意图

图4-8侧视法测试涂覆层直径光路图在测量中，可以选择采用适当的光纤夹具固定光纤，然后进行旋转，测量出不同角度涂覆层直径的大小，计算出最大和最小的涂覆层直径A、B，从而计算出样品的涂覆层直径、涂覆层不圆度等参数。其中，涂覆层直径

=

(A

+

B)/2；涂覆层不圆度

=

(A-B)

×

100/涂覆层直径。

2.机械法(替代测试法)

机械法测试涂覆层直径装置图(顶视图)如图4-9所示。机械法的主要测试原理为：首先在放入光纤样品的情况下，使两块清洁好的平砧表面仅靠弹簧张力接触在一起，记录电子测微计读数L1；然后调节测微计，使两块平砧表面之间的间距大于光纤样品直径，将清洁好的光纤样品放入支架上，轻调螺旋杆，使平砧仅靠弹簧张力夹住光纤，这时记录电子测微计读数L2；依次转动光纤，测量出多个L1和L2，光纤样品的涂覆层直径为(L2-L1)多次测量结果的平均值再加上系统修正值。

图4-9机械法测试光纤涂覆层直径装置图下面以PK公司的PK2400为例，介绍测试光纤涂覆层直径的具体步骤。

测量涂覆层直径与测量其他几何尺寸不同，对光纤端面的质量要求不太严格，而且测量比较容易。PK2400将相关测试原理和计算过程都已经设置为固定程序并嵌入测试系统内部，所以对于涂覆层直径的测试人员的要求比较简单。图4-10所示为PK2400测试几何尺寸系统装置。

图4-10PK2400测试几何尺寸系统装置

(1)打开电脑进入测试仪器的主菜单。一般主菜单中可能会根据需求设置单模光纤测试、多模光纤测试、涂覆层测试等，按照提示进入涂覆层测试项目。

(2)进入涂覆层尺寸测试下拉菜单，选择和测试样品相匹配的项目，如单涂层、双涂层等。

(3)截取被测样品光纤一段，一般约20cm左右，采用光纤切割刀切断光纤，将其放入涂覆层测试单元，按照测试屏幕提示选择开始测试按钮进行测试，最后记录或者打印测试完成后的数据。4.2.4机械特性参数的测试

光纤的机械特性参数大小决定了光纤的稳定性和可靠性，即在受拉、受压等情况下，光纤所表现出的特性。光纤的机械特性参数还包括在对光纤进行后续处理的过程中涂层剥离力量的大小要求。

1.抗拉强度要求及测试

石英光纤的机械特性和环境特性一样，因为对被测光纤存在破坏性，所以一般不作为光纤的出厂检测项目，而作为型式试验项目(即批量抽检项目)。例如，由于光纤的抗张强度同被测样品的长度、测试环境以及加载速率等特性密切相关，因此一般通过拉力机来测试其统计值，而光纤的抗张强度指标往往是在客户提出明确要求的情况下，按照客户的给定环境进行测试的。在石英光纤的实际生产工序中，筛选过程就是在对光纤的抗拉特性、抗张特性以及光纤中是否存在裂纹等进行检测的过程。筛选过程是光纤出厂必须经过的检测工序，也称为筛选试验，即通过对光纤施加规定的张力来检测光纤的机械特性。其基本试验方法是纵向张力法。目前光纤制造企业采用的筛选试验机设备其原理就是纵向张力法。设备类型有制动轮型和固定重量型两大类。图4-11所示为制动轮型筛选试验机。

图4-11制动轮型筛选试验机在制动轮型筛选试验机中，放光纤和收光纤都用恒定的低张力，通过轮子间的速度差来控制制动轮和牵动轮之间的光纤筛选负荷，同时用高精度的张力计来测量光纤上的负荷，并控制轮子间的速度差来达到需要的筛选试验负荷。张力筛选试验通常选择的最小负荷张力为8.8N。只有能承受这个负荷的光纤才能成为合格品被送入下一道工序，否则将被拉断报废。

2.涂层剥离力和动态疲劳参数的测试

涂层剥离力和动态疲劳参数等的测试过程中，所采用的设备都是拉力机(见图4-12)。

在采用装有剥离刀具的拉力机(见图4-13)进行涂层剥离力试验时，由于试样的选择对总体光纤的剥离力值有较大的影响，因此为了尽可能地保证测试值的可代表性，一般取至少10段试样进行测试，取平均值。对于常规通信用250μm的光纤，一般可以取剥离长度为30mm或者50mm，剥离速度可以取500mm/min。对于较粗的光纤，剥离速度可以更低，剥离长度也可以更短。通常情况下，需要计算出涂层的平均剥离力和峰值最大剥离力。对于G

.652光纤，要求涂层平均剥离力为1.0～5.0N，峰值最大剥离力为1.3～8.9N。

图4-12拉力机

图4-13测试涂层剥离力的拉力机和剥离刀具结构图4.2.5环境特性参数的测试

1.环境特性参数要求

石英光纤的环境特性主要是指测试光纤在一些恶劣环境条件下，光纤各项性能参数(如衰减值)随着环境的变化而发生的增减变化。测试光纤的环境特性主要是通过将温度、湿度等环境条件设置为极端的环境变化，使被测光纤置于这样的测试环境中约30天后，检测或测试被测光纤的衰减变化情况。

通常情况下，石英光纤的环境性能参数主要包括四个指标：温度特性、热老化性能、浸水性能和湿热性能。测试环境特性的仪器主要是环境试验箱和配套的测试仪表。将试验箱和测试衰减的OTDR配合使用，可以监测光纤在高低温实验中温度升高和温度降低后衰减的变化。将浸水试验箱和拉力机配套使用，可以测试光纤浸水后涂层剥离力的变化特性。

如果是低水峰光纤，则可以进行氢老化试验；如果用在辐射条件下，则可以进行抗辐射环境试验，但诸如氢老化和抗辐射环境特性，目前还没有在出厂时厂家提供的必要指标中指出。表4-2所示为对G

.652光纤的一般环境特性要求。

表4-2对于G

.652光纤的一般环境特性要求2.光时域反射仪测试光纤衰减、缺陷与长度的原理与方法

光时域反射仪(OTDR，OpticalTimeDomainReflectometer)是智能化光纤通信测量仪器，能准确显示光纤光缆的损耗分布曲线，测量光纤光缆的衰减系数、两点间损耗和接头损耗，测量光纤光缆的长度、两点间距离，确定光纤光缆的接头、故障点及断点的位置，可用于光纤光缆的故障检测和光纤光缆工程的施工、验收，也可用于检查光纤光缆的长度和衰减系数，指导光纤光缆的生产。图4-14所示为PK8000OTDR测试系统装置。

图4-14PK8000OTDR测试系统装置

OTDR根据光的后向散射与菲涅尔反射原理制作而成，它利用光在光纤中传播时产生的后向散射光来获取衰减的信息。通过OTDR测试的曲线形状，可以直接得出光纤衰减、接头损耗，定位光纤故障点并了解光纤沿长度的损耗分布情况等。图4-15给出了OTDR测试曲线。图中，a表示由于耦合设备和光纤前端引起的菲涅尔反射脉冲；b表示光脉冲沿具有均匀特性的光纤段传播时的背向散射曲线；c表示接头或耦合不完善引起的损耗或光纤存在某些缺陷、熔接缝、光纤弯曲引起的高损耗区，叫做非反射事件，只有插入损耗，没有反射；d表示光纤断裂处，造成折射率在玻璃和空气之间变化，形成反射事件；e表示在光纤尾端之后检测不到光信号，曲线表现为接收器的噪声。

图4-15OTDR测试曲线

OTDR在光纤光缆链路测试特别是故障点排查方面有着独特优势，但采用OTDR(即后相散射法)测试光纤的衰减也存在一些不足之处：测试精度对光纤的均匀性非常敏感，所以需要正反方向测试取平均值；因为所收集的散射信号都非常微弱，所以需要应用激光器等高功率光源；不能测试光纤衰减谱特性。4.2.6光纤数值孔径的测试

数值孔径是光纤的重要参数，它不仅代表了光纤聚光能力的大小，更重要的是反应了与器件耦合的难易，是选择和匹配连接器件的依据。测试数值孔径一般有三种方法：折射近场法、远场光强法和远场光斑法。

1.折射近场法

折射近场法通过测量光纤的折射率分布来确定数值孔径，所测得的数值孔径称为最大理论数值孔径NAth，其计算公式为

(4-2)

式中，n1为纤芯最大折射率；n2为内包层均匀折射率。

2.远场光强法

作为测试多模光纤数值孔径的基准试验方法，远场光强法是通过测量光纤的远场强度来确定光纤数值孔径的。其定义为光纤远场光强辐射图上光强下降到最大值的5%处半张角的正弦值。采用此法所测得的数值孔径称为远场数值孔径NAff。图4-16所示为远场光强法测试光纤数值孔径的装置简图。

图4-16远场光强法测试光纤数值孔径的装置简图采用折射近场法测试的最大理论数值孔径和采用远场光强法测试的远场数值孔径一般情况下是不相同的，这是因为测试远场数值孔径NAff和最大理论数值孔径NAth所用的光源波长不同，测量远场数值孔径大多用850nm波长进行，而测量最大理论数值孔径主要是用540nm和633nm波长。二者的关系通常可表示为

NAff

=

kNAth