自从光纤被用于通信以来,与光纤相关的产品与技术得到了显著发展。无论是传统的无源光器件还是近年来AI浪潮下火爆市场的高速光模块,都大量用到了光纤技术和产品。尽管光纤及相关产品的制作工艺已经相当成熟,但光纤以玻璃成分为主,掺杂离子的不均匀、高低温环境、长期弯曲形变、剥纤、点胶固化等各种工艺流程均可能使光纤产生细小裂纹。这些微裂纹将严重影响光纤的使用寿命,进而影响光纤的信号传输性能。
微裂纹是指光纤相互分离或挤压时产生的微小回波损耗异常的裂纹。它在产品刚制作完成时可能不会影响光纤的信号传输,但经过较长时间或恶劣环境的作用后,裂纹会迅速扩散及增大,导致产品性能异常。
下面以日本研究人员Masayuki Tanaka⁎在2019年发表在optics and laser technology上的一篇文章为例,从理论、实验等方面定量分析光纤中回波损耗大小与裂纹间隙宽度、角度之间的关系。
为了确认微裂纹在长时间下的失效模式,实验以某有微裂纹的APC光纤连接头为样品,放在温箱中做-40-85℃的温循实验,并实时监测其插入损耗。
温循开始时,样品插入损耗0.35db,回波损耗-60.4db。经过27个温循后,插损显著变大,大约15-20db,直到温循停止时,损耗也未恢复正常,说明连接器已完全失效。
为了进一步了解微裂纹与回波损耗之间的定量关系,文章模拟了其中两个关键因素:裂纹宽度和断裂端面角度进行试验。得到测量结果如下表所示:
裂纹缝隙宽度和断面角度示意图
图中(端面抛光粒径0.02μm),黑线表示大间隙宽度下的回损理论值RL(1),三角形为实际测试值。蓝线表示小间隙宽度下的理论回损值RL(1)+RL(2),同样蓝色三角形为实际测试值。其中RL(1)用等式(1)表示:
RL(2)用等式(2)表示:
这里,RL0:垂直入射的回波损耗,λ0:入射光波长,n:光纤折射率,ω0:模场直径。当裂纹间隙较大时,光到达第二断面后不足以再反射回原光纤中,此时回波损耗主要以带一定角度的菲涅尔反射为主,即只有RL(1)。当微裂纹之间的间隙较短时,需要考虑断开间隙g的多次来回反射(多光束干涉)干扰的影响,此时回波损耗为RL (1) + RL (2)。从图可以看出:
1. 较小的裂纹间隙宽度明显比大的裂纹间隙宽度回损要低,大约低40个dB左右。
2. 平面明显比斜面的回损高,随着斜面倾角变大,回损逐渐降低,到斜8°角以后,回损值基本不再发生变化。无论是大间隙还是小间隙均有相同的变化趋势。
3. 当裂纹间隙角度小于8°时,回损实测值与理论值曲线有很好的拟合,超过8°以后,回损趋于稳定值,大约在-90-100dB内变化。(推测,这可能与光纤的数值孔径有关,也是光纤APC连接头为何设计成斜8°的原因。)
为了验证裂纹断面的粗糙程度对回损值的影响,文章还做了一组另外不同抛光片(抛光粒径1μm)的端面实验结果,如下图:
当光连接器端面最终抛光片的抛光粒径为1μm时,
1. 斜8°以前,大间隙结果与抛光粒径0.02μm结果几乎一致,而小间隙结果则比0.02时高出20db。
2. 斜8度以后,其稳定在-70-80dB左右,比之前稳定的高20dB左右。
分析:前后两组实验结果的20dB回损差异由端面的粗糙度引起。端面的回波损耗是反射光和散射光的总和。当θb8°时,反射光变小,散射光的影响变强,因此,端面粗糙程度不同的情况下,回损值明显不同。(查阅相关资料,研磨粒度越小,抛光度越高)
总结:具有隐藏微裂纹的光纤在微裂纹初期使用顺利,但回波损耗和插入损耗会随着时间的增加而增加,并显著降低产品性能。由于传统的回波损耗和插入损耗检测方式无法达到高灵敏度、确认位置信息,因此这些方案无法找到这种隐藏的微裂纹。通过模拟光纤实验表明,当光纤微裂纹发生后,所经过的时间较短时(缝隙较小),回波损耗遵循理论公式RL (1) + RL (2)。当经过的时间较长时(缝隙较大),遵循理论公式RL (1)。同时,进一步说明了当端面角θb超过8°时,不同抛光度的端面回损值不同的原因是光纤端面的散射。
此外,实验结果显示,当微裂纹检测仪的信号灵敏度为-100dB时,可以检测到几乎所有的光纤微裂纹。对于目前高密度、多通道的光纤链路互联需求,通过检测隐藏的光纤链路微裂纹来提高产品质量非常关键,这对于降低后期产品维修成本,提高产品使用寿命和稳定性具有重要意义。
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文章来源: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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