學習情境四：石英光纖質檢4.1學習目標4.2學習內容

★掌握幾何特性參數、光學特性參數、機械特性參數、環境特性參數等測試指標；

★掌握光時域反射計(OTDR)等檢測設備的使用；

★掌握質檢工序及相關測試方法；

★掌握安全操作規程。4.1學習目標

4.2.1石英光纖的性能要求

石英光纖的特性參數指標一般包括幾何特性參數、傳輸與光學特性參數、機械特性參數和環境特性參數。通常情況下，石英光纖的特性指標如表4-1所示。對于不同的光纖，其特性參數不完全一樣，如單模光纖一般采用模場直徑而不用其纖芯直徑的數值來描述。不同類型的光纖對衰減等參數要求的波段范圍也不一致。4.2學習內容

表4-1石英光纖的性能指標4.2.2傳輸與光學特性參數的測試

傳輸與光學特性對于光纖來說是最為重要的特性，如衰減決定著信號傳輸距離的長短，而帶寬則直接限制了傳輸容量的大小。目前對石英光纖的傳輸和光學特性參數的測試已經比較完善，其測試方法和測試設備都比較成熟，同時為了規范不同廠家的測試方法和過程，仲裁不同廠家的測試結果，統一和規范行業光纖特性，國際上和國內都制定了相關標準來統一光纖各種特性的測試，如國際電信聯盟(ITU)、國際電工委員會(IEC)、國家通信標準化委員會(CCSA)都制定了許多關于光纖測試方面的國際和國家標準，詳細地規定和規范了光纖參數的測試方法。

在衰減測試上，測試方法主要有四種：截斷法(也稱基準測試方法)、插入損耗法、背向散射法以及譜衰減模型法。ITU-T關于衰減的規定為：一段光纖上相距L的兩個界面1和2之間在波長處的衰減A，在不改變注入條件時，其滿足如下公式：

(4-1)

式中：P1(λ)為通過橫截面1的光功率；P2(λ)為通過橫截面2的光功率。光纖的衰減是光通過光纖時光功率變小程度的一種度量，取決于光纖的性質和長度，同時受測試方法的影響。測試光纖衰減的四種方法中，基準測試方法是在其他測試方法測試結果存在爭議的情況下的一種仲裁方法。

1.截斷法(基準測試方法)

截斷法是衰減測試的基準方法，其基于衰減的定義，測量精度高，同時能測量出光纖的損耗光譜特性，適用于單模光纖和多模光纖的出廠測試。圖4-1所示為截斷法測試裝置示意圖。

采用截斷法測試光纖的衰減，雖然具有較高的準確性，但由于每次測試都截取2m的光纖，因此該法不利于進行現場測試。同時，由于是前后兩次功率進行相比，因此要保證注入條件的一致性和穩定性，特別是為了保證能真實地反映實際衰減特性，在測試中對光的注入條件要求極為嚴格，以實現穩態注入。圖4-1截斷法測試裝置示意圖

2.插入損耗法(替代測試方法)

圖4-2所示為插入損耗法測試裝置示意圖。

從圖4-2中可以看出，光纖衰減是在已知裝置參考功率P1的前提下，將被測光纖插入到測試裝置中，記錄輸出P2光功率，然后進行計算而得的。

在實際測量中，P1一般采用與被測光纖類型相同的長度為2m的參考光纖進行測試和校準，其裝置如圖4-3所示。圖4-2插入損耗法測試裝置示意圖圖4-3P1光功率的測試裝置示意圖插入損耗法的精度比截斷法差，但其步驟簡單，可以儀表化，具有不破壞光纖和不破壞光纖連接器的優點，可用于現場測試以及光纜鏈路測試；但其缺點是由于插入時都采用接頭插入，因此不但要求高精密的耦合接頭和耦合技術，而且測量出的功率包含接頭損耗，接頭損耗的不穩定性會使其測量精度受到限制。

3.背向散射法(替代測試方法)

光纖中傳輸光存在散射現象，其中部分散射光原路返回至光纖始端(即發光端面)，這種散射稱為背(后)向散射。背向散射法是一種單端測量方法，它通過用光功率計測量背向散射光的光功率大小來測量光纖的衰減。因為該方法受制于光纖中光的傳輸速度和后向散射光的光功率，精度不是十分準確，因此需要取兩端測量值的平均值。

背向散射法采用的裝置就是光時域反射計(OTDR)，因此背向散射法也常被稱為OTDR測試衰減法。其試驗裝置如圖4-4所示。圖4-4光時域反射裝置示意圖背向散射法對光纖本身無破壞性，測試重復性好，如果光纖質量情況較好，則其測量精度僅次于截斷法。另外，由于其設備已經儀器化，因此可以方便地測量和比較不同光纖的損耗特性，同時兼有測量光纖長度、測試故障點和接點損耗等功能。圖4-5所示為OTDR測試曲線示意圖。圖4-5OTDR測試曲線示意圖

4.譜衰減模型法(替代測試方法)

譜衰減模型法主要用于單模光纖的測試，通過特征矩陣和矢量計算得出光纖的衰減。特征矩陣一般由光纖供應商提供，通過特征矩陣和矢量計算即可得到模型化衰減譜。

目前國際上光纖制造商常用的光纖特性測試設備主要是美國PK公司生產的系列產品。下面就以圖4-6所示的美國PK公司的PK2500產品為例介紹光纖衰減特性的測試步驟。

(1)打開測試設備，根據提示在預設菜單中選擇相應的光纖類型(單模或多模等)，進而選擇需要測試的參數(衰減、截止波長或者模場直徑)。

(2)選擇好測試單模光纖，用特制的光纖切割刀切割好待測光纖兩端的端面，分別置于測試系統的光輸入兩端端口，分別按操作鍵盤上的光纖對中鍵(一般為F1～F12中的三個，分別為x軸、y軸和z軸)及端頭切換鍵(一般為F1～12中的任一個)，并旋轉操作面口來配對合適的光接收口，找到最清晰的光纖端面圖像，查看光纖端面是否合格，同時將合格端面放置在坐標軸的標準位置處。

圖4-6PK2500測試系統裝置圖

(3)屏幕上顯示光纖的兩個端頭，通過步驟(2)確認光纖兩端面圖像清晰，給電腦顯示器上光注入端的光纖圖像加一小圈(便于確定纖芯位置，一般單模光纖為

30mm)，使纖芯充分與屏幕上的兩個十字標記重合。之后，根據提示選擇下一步(一般為Continue鍵)后，逐步輸入光纖號和光纖長度，系統將對長光纖進行掃描。

(4)完成長光纖掃描。因為此系統測量衰減采用的是截斷法，所以之后根據提示在光纖的光注入端2m處截斷光纖，制備好端面并調整好位置和清晰度后，進入下一步，即對短光纖進行掃描，掃描完成后屏幕上將出現測試結果。測試結果可以是衰減譜圖或者衰減譜表。

(5)測試完成后，記錄數據，根據提示返回主菜單。

由此可以看出，在使用PK2500進行單模光纖衰減測試時，最主要的就是端面的制作和調整，對于衰減具體數值的計算和處理，測試儀表中已經嵌入了軟件程序，無需人工計算。4.2.3幾何特性參數的測試

光纖的幾何特性參數是光纖自身具有的穩定特性，因此準確地測量光纖的幾何特性參數具有重要的意義。幾何特性參數中，涂覆層直徑在光纖后續熔接、連接以及成纜等工序中都是必須要知道的參數。光纖涂覆層直徑的測量一般采用兩種方法：側視法和機械法。側視法是目前光纖廠家通常采用的方法，也是測試涂覆層直徑的基準方法，還是仲裁涂覆層直徑測試結果爭議的仲裁方法。

1.側視法(基準測試法)

圖4-7所示為側視法測試涂覆層直徑裝置示意圖。從圖4-7中可以看出，光纖涂覆層直徑的測試原理就是顯微放大原理或激光測試原理，其裝置由合適的激光光源(一般波長為663nm)、掃描組件以及檢測裝置組成。其具體的光路圖如圖4-8所示。

圖4-7側視法測試涂覆層直徑裝置示意圖

圖4-8側視法測試涂覆層直徑光路圖在測量中，可以選擇采用適當的光纖夾具固定光纖，然后進行旋轉，測量出不同角度涂覆層直徑的大小，計算出最大和最小的涂覆層直徑A、B，從而計算出樣品的涂覆層直徑、涂覆層不圓度等參數。其中，涂覆層直徑

=

(A

+

B)/2；涂覆層不圓度

=

(A-B)

×

100/涂覆層直徑。

2.機械法(替代測試法)

機械法測試涂覆層直徑裝置圖(頂視圖)如圖4-9所示。機械法的主要測試原理為：首先在放入光纖樣品的情況下，使兩塊清潔好的平砧表面僅靠彈簧張力接觸在一起，記錄電子測微計讀數L1；然后調節測微計，使兩塊平砧表面之間的間距大于光纖樣品直徑，將清潔好的光纖樣品放入支架上，輕調螺旋桿，使平砧僅靠彈簧張力夾住光纖，這時記錄電子測微計讀數L2；依次轉動光纖，測量出多個L1和L2，光纖樣品的涂覆層直徑為(L2-L1)多次測量結果的平均值再加上系統修正值。

圖4-9機械法測試光纖涂覆層直徑裝置圖下面以PK公司的PK2400為例，介紹測試光纖涂覆層直徑的具體步驟。

測量涂覆層直徑與測量其他幾何尺寸不同，對光纖端面的質量要求不太嚴格，而且測量比較容易。PK2400將相關測試原理和計算過程都已經設置為固定程序并嵌入測試系統內部，所以對于涂覆層直徑的測試人員的要求比較簡單。圖4-10所示為PK2400測試幾何尺寸系統裝置。

圖4-10PK2400測試幾何尺寸系統裝置

(1)打開電腦進入測試儀器的主菜單。一般主菜單中可能會根據需求設置單模光纖測試、多模光纖測試、涂覆層測試等，按照提示進入涂覆層測試項目。

(2)進入涂覆層尺寸測試下拉菜單，選擇和測試樣品相匹配的項目，如單涂層、雙涂層等。

(3)截取被測樣品光纖一段，一般約20cm左右，采用光纖切割刀切斷光纖，將其放入涂覆層測試單元，按照測試屏幕提示選擇開始測試按鈕進行測試，最后記錄或者打印測試完成后的數據。4.2.4機械特性參數的測試

光纖的機械特性參數大小決定了光纖的穩定性和可靠性，即在受拉、受壓等情況下，光纖所表現出的特性。光纖的機械特性參數還包括在對光纖進行后續處理的過程中涂層剝離力量的大小要求。

1.抗拉強度要求及測試

石英光纖的機械特性和環境特性一樣，因為對被測光纖存在破壞性，所以一般不作為光纖的出廠檢測項目，而作為型式試驗項目(即批量抽檢項目)。例如，由于光纖的抗張強度同被測樣品的長度、測試環境以及加載速率等特性密切相關，因此一般通過拉力機來測試其統計值，而光纖的抗張強度指標往往是在客戶提出明確要求的情況下，按照客戶的給定環境進行測試的。在石英光纖的實際生產工序中，篩選過程就是在對光纖的抗拉特性、抗張特性以及光纖中是否存在裂紋等進行檢測的過程。篩選過程是光纖出廠必須經過的檢測工序，也稱為篩選試驗，即通過對光纖施加規定的張力來檢測光纖的機械特性。其基本試驗方法是縱向張力法。目前光纖制造企業采用的篩選試驗機設備其原理就是縱向張力法。設備類型有制動輪型和固定重量型兩大類。圖4-11所示為制動輪型篩選試驗機。

圖4-11制動輪型篩選試驗機在制動輪型篩選試驗機中，放光纖和收光纖都用恒定的低張力，通過輪子間的速度差來控制制動輪和牽動輪之間的光纖篩選負荷，同時用高精度的張力計來測量光纖上的負荷，并控制輪子間的速度差來達到需要的篩選試驗負荷。張力篩選試驗通常選擇的最小負荷張力為8.8N。只有能承受這個負荷的光纖才能成為合格品被送入下一道工序，否則將被拉斷報廢。

2.涂層剝離力和動態疲勞參數的測試

涂層剝離力和動態疲勞參數等的測試過程中，所采用的設備都是拉力機(見圖4-12)。

在采用裝有剝離刀具的拉力機(見圖4-13)進行涂層剝離力試驗時，由于試樣的選擇對總體光纖的剝離力值有較大的影響，因此為了盡可能地保證測試值的可代表性，一般取至少10段試樣進行測試，取平均值。對于常規通信用250μm的光纖，一般可以取剝離長度為30mm或者50mm，剝離速度可以取500mm/min。對于較粗的光纖，剝離速度可以更低，剝離長度也可以更短。通常情況下，需要計算出涂層的平均剝離力和峰值最大剝離力。對于G

.652光纖，要求涂層平均剝離力為1.0～5.0N，峰值最大剝離力為1.3～8.9N。

圖4-12拉力機

圖4-13測試涂層剝離力的拉力機和剝離刀具結構圖4.2.5環境特性參數的測試

1.環境特性參數要求

石英光纖的環境特性主要是指測試光纖在一些惡劣環境條件下，光纖各項性能參數(如衰減值)隨著環境的變化而發生的增減變化。測試光纖的環境特性主要是通過將溫度、濕度等環境條件設置為極端的環境變化，使被測光纖置于這樣的測試環境中約30天后，檢測或測試被測光纖的衰減變化情況。

通常情況下，石英光纖的環境性能參數主要包括四個指標：溫度特性、熱老化性能、浸水性能和濕熱性能。測試環境特性的儀器主要是環境試驗箱和配套的測試儀表。將試驗箱和測試衰減的OTDR配合使用，可以監測光纖在高低溫實驗中溫度升高和溫度降低后衰減的變化。將浸水試驗箱和拉力機配套使用，可以測試光纖浸水后涂層剝離力的變化特性。

如果是低水峰光纖，則可以進行氫老化試驗；如果用在輻射條件下，則可以進行抗輻射環境試驗，但諸如氫老化和抗輻射環境特性，目前還沒有在出廠時廠家提供的必要指標中指出。表4-2所示為對G

.652光纖的一般環境特性要求。

表4-2對于G

.652光纖的一般環境特性要求2.光時域反射儀測試光纖衰減、缺陷與長度的原理與方法

光時域反射儀(OTDR，OpticalTimeDomainReflectometer)是智能化光纖通信測量儀器，能準確顯示光纖光纜的損耗分布曲線，測量光纖光纜的衰減系數、兩點間損耗和接頭損耗，測量光纖光纜的長度、兩點間距離，確定光纖光纜的接頭、故障點及斷點的位置，可用于光纖光纜的故障檢測和光纖光纜工程的施工、驗收，也可用于檢查光纖光纜的長度和衰減系數，指導光纖光纜的生產。圖4-14所示為PK8000OTDR測試系統裝置。

圖4-14PK8000OTDR測試系統裝置

OTDR根據光的后向散射與菲涅爾反射原理制作而成，它利用光在光纖中傳播時產生的后向散射光來獲取衰減的信息。通過OTDR測試的曲線形狀，可以直接得出光纖衰減、接頭損耗，定位光纖故障點并了解光纖沿長度的損耗分布情況等。圖4-15給出了OTDR測試曲線。圖中，a表示由于耦合設備和光纖前端引起的菲涅爾反射脈沖；b表示光脈沖沿具有均勻特性的光纖段傳播時的背向散射曲線；c表示接頭或耦合不完善引起的損耗或光纖存在某些缺陷、熔接縫、光纖彎曲引起的高損耗區，叫做非反射事件，只有插入損耗，沒有反射；d表示光纖斷裂處，造成折射率在玻璃和空氣之間變化，形成反射事件；e表示在光纖尾端之后檢測不到光信號，曲線表現為接收器的噪聲。

圖4-15OTDR測試曲線

OTDR在光纖光纜鏈路測試特別是故障點排查方面有著獨特優勢，但采用OTDR(即后相散射法)測試光纖的衰減也存在一些不足之處：測試精度對光纖的均勻性非常敏感，所以需要正反方向測試取平均值；因為所收集的散射信號都非常微弱，所以需要應用激光器等高功率光源；不能測試光纖衰減譜特性。4.2.6光纖數值孔徑的測試

數值孔徑是光纖的重要參數，它不僅代表了光纖聚光能力的大小，更重要的是反應了與器件耦合的難易，是選擇和匹配連接器件的依據。測試數值孔徑一般有三種方法：折射近場法、遠場光強法和遠場光斑法。

1.折射近場法

折射近場法通過測量光纖的折射率分布來確定數值孔徑，所測得的數值孔徑稱為最大理論數值孔徑NAth，其計算公式為

(4-2)

式中，n1為纖芯最大折射率；n2為內包層均勻折射率。

2.遠場光強法

作為測試多模光纖數值孔徑的基準試驗方法，遠場光強法是通過測量光纖的遠場強度來確定光纖數值孔徑的。其定義為光纖遠場光強輻射圖上光強下降到最大值的5%處半張角的正弦值。采用此法所測得的數值孔徑稱為遠場數值孔徑NAff。圖4-16所示為遠場光強法測試光纖數值孔徑的裝置簡圖。

圖4-16遠場光強法測試光纖數值孔徑的裝置簡圖采用折射近場法測試的最大理論數值孔徑和采用遠場光強法測試的遠場數值孔徑一般情況下是不相同的，這是因為測試遠場數值孔徑NAff和最大理論數值孔徑NAth所用的光源波長不同，測量遠場數值孔徑大多用850nm波長進行，而測量最大理論數值孔徑主要是用540nm和633nm波長。二者的關系通常可表示為

NAff

=

kNAth