报告：光纤链路中高功率耐受性的评估

作者和研究背景

本文的研究由Koji Seo, Naoya Nishimura, Masato Shiino, Ren’ichi Yuguchi和Hirokazu Sasaki等研究者共同完成，隶属于Fitel-Photonics Lab（Transmission Line Dept.）和Yokohama Lab（Analysis Technology Center）。该文章于2003年发表于《Furukawa Review》，该期刊的第24期。

研究聚焦于光纤通信领域，特别是随着波分复用技术（Wavelength Division Multiplexing, WDM）的引入，光纤通信网络容量快速增长后，由于光功率的升高而产生的一些关键性技术问题——包括光纤端面损伤（connector endface damage）、光纤熔融现象（fiber fuse），以及光纤涂层损伤（fiber coating damage）的研究和实验评估。

背景与研究目标

随着WDM技术的引入，光通信系统的带宽容量显著提高，同时光纤链路中的光功率水平显著上升。例如，在分布式拉曼放大（Distributed Raman Amplification）中，为了获得宽带的平坦增益，泵浦光功率需要达到1瓦甚至更高。然而，由高功率驱动的光通信系统可能引发一些关键问题，如光纤或光学部件的损坏，以及对人体安全的潜在危害。因此，本文探讨了三个因高光功率引发的主要问题：

1. 光纤连接器端面的损伤（Connector Endface Damage）：这主要由端面污染物吸收光功率引起。某些材料，例如磷青铜（phosphor bronze），会因其吸光性能而导致端面损坏。

2. 光纤熔融现象（Fiber Fuse）：光纤核心因高功率融化后产生向光源方向传播的连锁反应，如果不受控制，可能损坏整个光纤链路。

3. 光纤涂层的损伤（Fiber Coating Damage）：由于光纤高功率传输时光泄漏导致涂层吸热，从而可能引起涂层变形、融化甚至着火。

研究目标是通过实验方法量化各类影响的程度并探讨解决方案，以确保高功率光通信系统的可靠性和安全性。

研究工作流程

（一）光纤连接器端面损伤的实验和分析

研究中采用了不同条件下的FC连接器样本，分析其端面的损伤程度。实验包括以下几方面：

• 样本准备和光功率输入：测试样本为单模光纤的FC连接器（Single Mode Fiber, SMF），采用波长为1480纳米、功率为2瓦的激光源模拟高功率工作环境。
• 刮痕对端面影响的测试：实验中包括三种样本：1）核心区无刮痕；2）因抛光不到位在核心区产生的刮痕；3）通过5微米砂纸制造的明显刮痕。结果表明大刮痕样本温度提升超过50°C，可能是因连接损耗导致的。
• 污染物影响的测试：研究了七种潜在污染物对端面的影响，包括乙醇、手油、光学匹配油、碳化环氧树脂、镍覆层、黑色油基墨水以及磷青铜。实验结果显示，透明污染物（如乙醇）不会造成端面损伤，但吸光性强的污染物（如磷青铜、黑色油墨）会产生损伤，有时甚至引发光纤熔融。

实验结果表明，端面损伤主要源于强吸光污染物，即使污染物影响不足以显著提高连接损耗，仍可能引起损坏，因此清洁连接器端面至关重要。

（二）光纤熔融现象的实验及阈值功率测试

• 光纤熔融现象的描述：光纤熔融指高光功率导致光纤核心局部融化，并以可见光形式向光源传播。实验中，通过局部加热诱导光纤熔融，以测量熔融传播停止的功率阈值。
• 实验方法：分别采用波长为1064纳米和1467纳米的激光光源，输入功率为5瓦，通过弧放电局部加热光纤，诱导熔融现象发生，逐步降低光功率以测试熔融停止的阈值。
• 测试结果和分析：实验发现，阈值功率与光纤模式场直径（Mode Field Diameter, MFD）成比例，而非与有效面积（Aeff）成比例。例如，在1467纳米波长下，SMF的传播阈值功率约为1.5瓦。

为了避免光纤熔融，可以使用自动功率减少系统（Automatic Power Reduction, APR）监测功率骤降并迅速关闭光源，或采用具有扩展模式场直径区域的光纤连接器以阻止熔融传播。

（三）光纤涂层损伤的实验和影响评估

• 方法：研究光纤在不同弯曲直径下涂层受热损伤情况。将涂覆不同树脂（透明、白色UV涂层及白色尼龙）的G.652光纤弯曲至30毫米至小于5毫米直径，输入1480纳米、最大功率3瓦的光源，观察涂层损伤类型：变形、变色、融化或燃烧。
• 实验结果：弯曲直径小于5毫米时，尼龙涂层在1瓦下融化，3瓦下引燃；直径为10毫米时，涂层通常只有变形和变色。此外，透明UV涂层比有色涂层表现出更高的热耐受性。
• 理论分析：根据热生成公式，假设光泄漏全部被涂层吸收。以直径5毫米的透明UV涂层为例，理论计算的温度约为105°C，与实验测得的95°C基本一致。

上述数据表明，在高功率条件下，为保证传输系统的可靠性，应避免光纤过于紧密弯曲。

主要实验结果与结论

本文从实验上验证了高功率光通信系统中三大关键问题的成因及其解决方法：

1. 端面损伤的成因主要是吸光性污染物的存在，在高功率环境下应避免使用光学匹配油及磷青铜材料。
2. 熔融现象的传播阈值功率主要取决于光纤参数，扩展模式场直径是提高阈值功率的有效方法，采用自动功率减少技术可有效停止传播。
3. 涂层损伤与输入功率及弯曲直径密切相关，应避免弯曲直径小于10毫米的状态，并优先使用透明UV涂层以提高耐受性。

研究的重要意义

本文通过系统的实验方法量化了高光功率引发的潜在危害，提出了针对性的应对技术，具有重要的科学价值和应用意义。同时，文章的数据为制定国际标准提供了可靠的实验基础，为提升光纤通信系统的功率耐受性和安全性铺平了道路。

研究亮点

• 明确了高功率条件下光纤系统三大问题的物理机制。
• 提出了有效的技术解决方案，如扩展模式场直径区域和自动功率减少系统。
• 为光纤制造与光通信技术的发展提供了高功率耐受性技术支持。

后续展望

研究指出，需要进一步积累数据和探讨更高功率条件下的长期稳定性，以支持光纤通信系统向更高功率、更高容量的发展需求。研究团队还计划继续评估高功率耐受性关键问题，开发更加安全和耐用的光纤通信产品。