（1.蚌埠依爱消防电子有限责任公司 安徽蚌埠 233010；2.中国电子科技集团公司第四十一研究所 安徽蚌埠 233010)
摘要：光纤接续点损耗是光纤通信系统性能指标中的一项重要参数，本文分析了几种常见的光纤接续点损耗测试技术的优缺点。针对目前光纤接续点损耗测试方法的居多不足，本文提出了一种基于泄漏光检测的光纤接续点损耗测试技术，利用检测接续点处泄漏光的光能量大小来间接测试接续点损耗值，并通过试验验证，将测试数据与理论值进行比较，得出结论，本文提出的检测方法具有可行性。
关键词：光纤接续点损耗；光纤通信；泄漏光；光能量
0前言
光纤接续是光缆施工中工程大和技术要求复杂的一道工序，其质量好坏直接影响线路的传输质量和寿命。降低光纤接头处的熔接损耗，在一定程度上增加光纤中继放大传输距离或增加光缆富余度，光纤接头损耗对光纤线路的传输性能有着较大的影响，测试光纤接续点损耗对降低光纤接头损耗有着重要意义。
1光纤接续点损耗产生的机理
假设在发射光纤中传输的模式场为
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，在接收光纤中传输的模式场为
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，则发射光纤中模式μ的光功率与接收光纤中模式ν的光功率之间的耦合系数为[1]：
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(1)
其中，
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为真空中的磁导率，
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为真空中的介电常数，
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为发射光纤中传输的模式场场强，
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为接收光纤中传输的模式场场强，A为两单模光纤的重叠面积。
对于单模光纤，纤芯中只传输LP01模，因此接续损耗可以写成：
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(2)
因为实际的阶跃折射率单模光纤基模场是基于贝赛尔（Bessel）函数分布的，这样对于各种原因引起的损耗就难以用上述公式进行求解。因此，在实际应用中有必要对基模场分布作适当近似。本理论采用高斯分布来近似单模光纤中的基模场分布，采用这样的近似时，高斯光束的束腰在光纤端面上，距离光纤端面Z处的光场分布由下列函数描述：
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(3)
式中，
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为光纤端面间隙的波数。
一般情况，当
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时，高斯光束可以看成缓慢扩展的准平行光束，当
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时，高斯光束束宽随z迅速增大，单模光纤的瑞利长度
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—般约为60μm。利用高斯近似代入公式（1）中，求积分可以得到一般情况下的单模光纤连接损耗的表达式：
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(4)
公式（4）描述的是全部损耗因子引起的单模光纤之间的接续总损耗，在实际分析接续损耗时，可将其分解为接续损耗与单个损耗因子之间的关系公式[2]。
通过前面的理论分析和查阅相关资料发现，影响光纤接续损耗的因素可分为光纤本征因素和非本征因素两大类。
2光纤接续点损耗测试技术分析与比较
目前光纤接续点损耗的测量方法有剪断法、插入损耗法、背向散射法、本地光注入法以及“四功率法”等等。
剪断法测量比较准确，在实际工程中这种方法是不实用的。插入损耗法要求一段短光纤其特性与待测光纤相似，并且要求两者信号注入条件相同，测量方法麻烦而准确度又不如剪断法。目前既能够实用又能比较准确的测试技术有：背向散射法、本地光注入法以及“四功率法”。下面分别对这三种测试技术进行分析其原理及方法[3][4]。
背向散射法是利用背向散射技术，分别从光纤的两端将激光接入，对光纤接续点进行两次损耗测试，取这两次的平均值就能够较为真实的反映出光纤接续点的损耗情况，但该方法最大的弱点就是存在测试盲区的问题，如果接续点正好落在盲区范围内，该方法就无能为力。
本地光注入和探测系统法采用本地光注入和探测系统法（LID-System）来实现直接和真实的接续点损耗测量。该测试方法用到的关键设备是弯曲耦合器，用于提供简便的光注入和提取。弯曲耦合器的设计对工艺要求很高，设计的不好，一种情况是耦合效率很低，影响测试精度和测量误差，一种情况是光纤很容易受到应力的作用而被损伤。
“四功率法”能够较为真实的测量出光纤接续点损耗值，但该方法需要对光纤进行破坏性处理，在实际光纤工程施工中比较困难，该方法在光纤熔接机生产厂家中经常采用，以此来验证光纤熔接机的熔接光纤的性能状态。
针对目前光纤接续点损耗测试方法的居多不足，本项目开辟新的途径，通过检测接续点处泄漏光的强弱来探索出一种接续点损耗值与泄漏光功率的关系。
3基于泄漏光检测的光纤接续点损耗测试技术
(1)光纤接续点处泄漏光功率与损耗值理论分析
光功率的表示方法主要有两种：一种是线性表示方法，以瓦(W)表示；另一种称为对数表示方式，若取一个参考功率线性值
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，被测光功率线性值为
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,根据公式（5）可以得出被测光功率的分贝（dB）：
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(5)
其中，
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—被测光功率的分贝(dB)数，它表示光功率的相对大小。
一旦参考光功率给定，对数表示方式仍然可以表示绝对光功率大小，通常取Pr=1mW，1mW可表示为0dBm，0.1mW可表示为-10dBm，而10mW则为10dBm。则，光功率的对数表示方式与线性表示方式之间的关系如下[5]：
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(6)
其中，
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为对数表示方式，单位为dBm
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—为线性表示方式，单位为mW。
如图1所示，假设经过接续点前输入光功率为
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（dBm），线性表示为
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（mW）；经过接续点后，输出的光功率为
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（dBm），线性表示为
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（mW）；接续点损耗值为
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（dB），则根据公式（11）即可得出接续点处损耗值为：
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（7）
根据公式（6）和（7）即可得出：
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（8）
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图1光纤接续点损耗测试
对于
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（mW）的光经过接续点（只考虑正常熔接情况）后，大部分的光还是沿着相同的路线输出了，只有一小部分损耗掉了，损耗的情况主要包括接续点镜面反射沿着原路反回部分
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（mW）、接续点吸收部分
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（mW）以及接续点处泄漏部分
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，对应的对数形式分别表示为
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、
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以及
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，单位为dBm。则：
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（9）
根据公式（6）即可得出接续点处泄漏光功率对数表示为：
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（10）
即：
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（11）
从数学建模角度考虑，激光在接续点处的损耗光功率完全从接续点处向外泄漏，本文在对接续点处泄漏的光功率与损耗值关系进行理论分析时，暂不考虑上述两项的影响。
因此，根据公式（6）和（11）可以推导出接续点处泄漏的光功率与输入光功率以及损耗之间的关系为：
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（12）
从公式（12）中可以看出，如果能够检测出接续点处泄漏的功率值，即可得出损耗值。
假设光源输出功率为-3dBm，根据公式（11）计算出不同接续点损耗值所对应的泄漏光的理论值如表1和图3所示。
表1 熔接点损耗值所对应的泄漏光的理论值
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从上表1和图2可以看出，损耗值在-0.01到-0.05dB之间，泄漏的光功率理论上有1dB/0.01dB的区分度，在理论上是完全可以区分出来的，随着损耗值增大，区分度越来越小。但在光纤熔接过程中，对熔接点处的损耗值一般要求小于0.05dB。因此，对利用此方法的研究有实际意义的。
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图2熔接点损耗值所对应的泄漏光的理论值
（2）基于泄漏光检测的光纤接续点损耗测试技术实现
本文提出利用接续点处泄漏的光能量大小来评判该接续点处损耗的情况。通过实验数据寻找一种泄漏光的测量值与损耗值之间的关系公式。
假设在相同测试条件下，功率计接收到的功率是理论值的k倍，且设：
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（13）
则，接续点泄漏的光功率检测值为：
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（14）
根据公式（13）可以很容易看出，如果检测的光功率完全是接续点泄漏的光，则，
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=0，可以根据公式能够计算出接续点的损耗值。实际上，用普通的功率检测方法检测到的功率是非常小的，对于-3dBm的光功率注入的光在0.02dB的损耗情况下，理论泄漏的光是-26.38dBm，但利用普通的方法检测出的功率只有-75dBm，也就是说
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接近到了-50，已经到了功率计测量的低端，严重的影响了测量性能。本方案提出的椭球镜全反射技术从理论上能够很好的解决泄漏光功率测量问题。
光纤接续点损耗测试主要包括接续点泄漏光聚集模块、微弱光功率同相检测模块以及带同相输出功能的光源模块以及控制模块等部分组成。测试原理框图如图3所示：
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图3光纤接续点损耗测试原理框图
将光纤熔接点置于椭球腔体的第一焦点处，从入户端的光纤接头处注入的光经熔接点处泄漏后，在椭球腔体内反射到第二焦点处的光电探测器上变为电流，再经I/V变换电路和程控放大电路得到电压信号。经信号处理后转换成对应的光功率，控制单元通过与光源输出功率进行比较就可以得出熔接点处的损耗值。马达控制器利用控制单元发送的控制命令对椭球腔体和光电探测器进行调节，以便于光纤接续点和探测器能很好的处在椭球腔体的焦点位置。
本文采用椭球全反射技术对接续点泄漏光进行汇聚。设计方法如图4所示：
光源从椭球镜的第一焦点F1处向腔体内发射，经腔体表面全反射后汇聚到第二焦点F2处，利用光电探测器就能检测到从第一焦点处发散出来的光功率大小。
4实验结果
从公式（18）可以看出，要想得到接续点的损耗值，除了知道接续点处泄漏的光功率、输入光功率外，还要知道调节系数
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，表2和图5是本文现有的样品的实验数据，通过统计方式得出该系数为-50.5，由于受加工工艺以及装配工艺等因素的限制，该系数对于不同的椭球全反射腔体需要进行微调，这也是本文目前存在的局限性之一。
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图4椭球全反射原理
表2 输入功率为-0.71dBm及不同损耗值情况下泄漏光理论值与实测数据
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图中，圆点的曲线是理论值的曲线，方形的曲线是实测值的曲线，三角形的的曲线是理论值加入调节系数后的曲线，从图中可以看出，理论值加入调节系数后的曲线与实测值的曲线基本能够重合，说明该方法是可行的。
5结论
本文首先提出利用接续点处泄漏的光能量大小来评判该接续点处损耗的情况，通过理论分析和试验验证，验证出本文提出的测量技术是可行的。本文研究成果应用前景非常广阔，随着我国逐步加快推荐三网融合建设的步伐，光纤到户正在如火如荼的施工建设，本项目的研究对解决最后100米的光纤接续点熔接损耗的测试具有重要的意义，对推动我国信息化水平产生积极的作用。
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图5输入功率为-0.71dBm泄漏光功率理论值、实测值与损耗值关系图
参考文献
[1]张敬武.光纤接续损耗分析及其处理方法[J].电力系统通信，2008，29(184):70-72.
[2]李伟，梁桂香.单模光纤的熔接损耗与测量[J].光通信技术，2001，(1):50~53.
[3]张巍,张磊,陈实等.高非线性光子晶体光纤与单模光纤低损耗熔接实验[J].中国激光,2006,33(10):389~1392
[4]Y. L. Hoo, Wei Jin,Jian Ju et al.. Loss analysis of single mode fiber/photonic crystal fiber splice[J].Microwave and Opt.Technol.Lett., 2004,40(5):378~380
[5]高学燕，周殿华等.积分球的光功率波形变换理论[J].光学学报，2002,22(4):465~469.
作者简介
童树卫，男，1985年7月出生，硕士研究生。蚌埠依爱消防电子有限责任公司，E-mail：358426020@qq.com。