『光学微知识』光纤微裂纹对回波损耗的影响

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θb<8°时，在RL (1)中没有发现端面粗糙度的差异。这表明反射光的影响远大于散射光影响。当θb>8°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。
东隆集团自研的OLI是一款低成本高精度光学链路诊断系统。其原理基于光学相干检测技术，利用白光的低相干性可实现光纤链路或光学器件的微损伤检测。通过读取最终干涉曲线的峰值大小，精确测量整个扫描范围内的回波损耗，进而判断此测量范围内链路的性能。该系统轻松查找并精准定位器件内部断点、微损伤点以及链路连接点。其事件点定位精度高达1μm，最低可探测到-100dB光学弱信号，广泛用于光纤或光器件损伤检测以及产品批量出货合格判定。
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