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『光學(xué)微知識』光纖微裂紋對回波損耗的影響

來源:武漢東隆科技有限公司   2024年08月01日 10:51  

     自從光纖被用于通信以來,與光纖相關(guān)的產(chǎn)品與技術(shù)得到了顯著發(fā)展。無論是傳統(tǒng)的無源光器件還是近年來AI浪潮下火爆市場的高速光模塊,都大量用到了光纖技術(shù)和產(chǎn)品。盡管光纖及相關(guān)產(chǎn)品的制作工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟,但光纖以玻璃成分為主,摻雜離子的不均勻、高低溫環(huán)境、長期彎曲形變、剝纖、點膠固化等各種工藝流程均可能使光纖產(chǎn)生細(xì)小裂紋。這些微裂紋將嚴(yán)重影響光纖的使用壽命,進(jìn)而影響光纖的信號傳輸性能。

微裂紋是指光纖相互分離或擠壓時產(chǎn)生的微小回波損耗異常的裂紋。它在產(chǎn)品剛制作完成時可能不會影響光纖的信號傳輸,但經(jīng)過較長時間或惡劣環(huán)境的作用后,裂紋會迅速擴(kuò)散及增大,導(dǎo)致產(chǎn)品性能異常。

下面以日本研究人員Masayuki Tanaka?在2019年發(fā)表在optics and laser technology上的一篇文章為例,從理論、實驗等方面定量分析光纖中回波損耗大小與裂紋間隙寬度、角度之間的關(guān)系。

為了確認(rèn)微裂紋在長時間下的失效模式,實驗以某有微裂紋的APC光纖連接頭為樣品,放在溫箱中做-40-85℃的溫循實驗,并實時監(jiān)測其插入損耗。

『光學(xué)微知識』光纖微裂紋對回波損耗的影響

溫循開始時,樣品插入損耗0.35db,回波損耗-60.4db。經(jīng)過27個溫循后,插損顯著變大,大約15-20db,直到溫循停止時,損耗也未恢復(fù)正常,說明連接器已全部失效。

為了進(jìn)一步了解微裂紋與回波損耗之間的定量關(guān)系,文章模擬了其中兩個關(guān)鍵因素:裂紋寬度和斷裂端面角度進(jìn)行試驗。得到測量結(jié)果如下表所示:

『光學(xué)微知識』光纖微裂紋對回波損耗的影響

裂紋縫隙寬度和斷面角度示意圖

『光學(xué)微知識』光纖微裂紋對回波損耗的影響

圖中(端面拋光粒徑0.02μm),黑線表示大間隙寬度下的回?fù)p理論值RL(1),三角形為實際測試值。藍(lán)線表示小間隙寬度下的理論回?fù)p值RL(1)+RL(2),同樣藍(lán)色三角形為實際測試值。其中RL(1)用等式(1)表示:

『光學(xué)微知識』光纖微裂紋對回波損耗的影響

RL(2)用等式(2)表示:

『光學(xué)微知識』光纖微裂紋對回波損耗的影響

這里,RL0:垂直入射的回波損耗,λ0:入射光波長,n:光纖折射率,ω0:模場直徑。當(dāng)裂紋間隙較大時,光到達(dá)第二斷面后不足以再反射回原光纖中,此時回波損耗主要以帶一定角度的菲涅爾反射為主,即只有RL(1)。當(dāng)微裂紋之間的間隙較短時,需要考慮斷開間隙g的多次來回反射(多光束干涉)干擾的影響,此時回波損耗為RL (1) + RL (2)。從圖可以看出:

1.       較小的裂紋間隙寬度明顯比大的裂紋間隙寬度回?fù)p要低,大約低40個dB左右。

2.       平面明顯比斜面的回?fù)p高,隨著斜面傾角變大,回?fù)p逐漸降低,到斜8°角以后,回?fù)p值基本不再發(fā)生變化。無論是大間隙還是小間隙均有相同的變化趨勢。

3.       當(dāng)裂紋間隙角度小于8°時,回?fù)p實測值與理論值曲線有很好的擬合,超過8°以后,回?fù)p趨于穩(wěn)定值,大約在-90-100dB內(nèi)變化。(推測,這可能與光纖的數(shù)值孔徑有關(guān),也是光纖APC連接頭為何設(shè)計成斜8°的原因。)

為了驗證裂紋斷面的粗糙程度對回?fù)p值的影響,文章還做了一組另外不同拋光片(拋光粒徑1μm)的端面實驗結(jié)果,如下圖:

『光學(xué)微知識』光纖微裂紋對回波損耗的影響

當(dāng)光連接器端面最終拋光片的拋光粒徑為1μm時,

1.       斜8°以前,大間隙結(jié)果與拋光粒徑0.02μm結(jié)果幾乎一致,而小間隙結(jié)果則比0.02時高出20db。

2.       斜8度以后,其穩(wěn)定在-70-80dB左右,比之前穩(wěn)定的高20dB左右。

分析:前后兩組實驗結(jié)果的20dB回?fù)p差異由端面的粗糙度引起。端面的回波損耗是反射光和散射光的總和。當(dāng)θb<8°時,在rl b="">8°時,反射光變小,散射光的影響變強(qiáng),因此,端面粗糙程度不同的情況下,回?fù)p值明顯不同。(查閱相關(guān)資料,研磨粒度越小,拋光度越高)

總結(jié):具有隱藏微裂紋的光纖在微裂紋初期使用順利,但回波損耗和插入損耗會隨著時間的增加而增加,并顯著降低產(chǎn)品性能。由于傳統(tǒng)的回波損耗和插入損耗檢測方式無法達(dá)到高靈敏度、確認(rèn)位置信息,因此這些方案無法找到這種隱藏的微裂紋。通過模擬光纖實驗表明,當(dāng)光纖微裂紋發(fā)生后,所經(jīng)過的時間較短時(縫隙較?。夭〒p耗遵循理論公式RL (1) + RL (2)。當(dāng)經(jīng)過的時間較長時(縫隙較大),遵循理論公式RL (1)。同時,進(jìn)一步說明了當(dāng)端面角θb超過8°時,不同拋光度的端面回?fù)p值不同的原因是光纖端面的散射。

此外,實驗結(jié)果顯示,當(dāng)微裂紋檢測儀的信號靈敏度為-100dB時,可以檢測到幾乎所有的光纖微裂紋。對于目前高密度、多通道的光纖鏈路互聯(lián)需求,通過檢測隱藏的光纖鏈路微裂紋來提高產(chǎn)品質(zhì)量非常關(guān)鍵,這對于降低后期產(chǎn)品維修成本,提高產(chǎn)品使用壽命和穩(wěn)定性具有重要意義。

東隆集團(tuán)自的OLI是一款低成本高精度光學(xué)鏈路診斷系統(tǒng)。其原理基于光學(xué)相干檢測技術(shù),利用白光的低相干性可實現(xiàn)光纖鏈路或光學(xué)器件的微損傷檢測。通過讀取最終干涉曲線的峰值大小,精確測量整個掃描范圍內(nèi)的回波損耗,進(jìn)而判斷此測量范圍內(nèi)鏈路的性能。該系統(tǒng)輕松查找并精準(zhǔn)定位器件內(nèi)部斷點、微損傷點以及鏈路連接點。其事件點定位精度高達(dá)1μm,最小可探測到-100dB光學(xué)弱信號,廣泛用于光纖或光器件損傷檢測以及產(chǎn)品批量出貨合格判定。

『光學(xué)微知識』光纖微裂紋對回波損耗的影響

文章來源:Micro crack analysis of optical fiber by specialized TD-OCT;Masayuki Tanaka, Tatsuo Shiina;Optics & Laser Technology;Volume 116, August 2019, Pages 22-25





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