跳線的質量、可靠性和性能——行業規范的影響和跳線性能的物理參數

　　內容提要
　　通過選擇最佳的元件、采用最好的設備與程序進行終接與拋光來保證光纖轉接線的質量、可靠性和
性能。這些元件和程序必須保證轉接線滿足或超過所有相關行業規范的要求。本文描述了適用行業規范
中的標準相關性，以及物理參數的重要性和物理參數與轉接線性能的關系。
　　介紹
　　光纖轉接線是任何光纖網絡中最簡單的元件之一，由一條光纖及光纖兩端的接頭組成。盡管轉接線
極其簡單，但是對網絡的整體性能卻有非常大的影響。任何網絡中的大多數問題發生在物理層，并且主
要與轉接線質量、可靠性和性能有關。因此，使用更可靠的轉接線將減少代價昂貴的網絡停機時間。
　　網絡設計人員更喜歡使用久經證明具有長期可靠性能的元件。但是，因為光纖網絡是一種相對較新
的技術，很多元件還沒有特別長期的數據可供分析。因此，設計人員必須依靠元件制造商或供應商的測
試，這些測試可以模擬歷史情況并保證網絡在整個使用期限內的質量和可靠性。本文描述了質量、可靠
性和性能的重要性以及它們與行業標準與制造方法的關系。還使用“完美轉接線”和拋光觀察作為理解
轉接線原理的工具，研究了轉接線的性能。
　　質量
　　有行業規范來管理轉接線的質量。最常見的兩個規范是 EIA/TIA-568-B.31) 和 Telcordia GR-326-
CORE2)。568-B.3 針對商業性企業建筑而設計，包括辦公室和校園環境，在這些環境中，即可以部署單
模式網絡，也可以部署多模式網絡。GR-326-CORE 是 Telcordia 一般要求 (General Requirements) 的
一部分，與《通信法 (1996)》(Telecommunications Act of 1996) 一致。它針對服務供應商市場，在
電信和有線電視等長途高速應用中占據了主導地位。在此市場中要求采用單模式，因此該規范沒有針對
多模式轉接線的規定。
　　每一種規范詳細說明了一系列的環境和機械測試。在 GR-326-CORE 和 568-B.3 中有重疊的測試類
型。幾乎 568-B.3 中的所有測試在 GR-326-CORE 中均有對應的測試，這些測試構成 GR-326 的主要部
分，稱為“服務壽命”測試。“服務壽命”測試的功能是模擬接頭在其整個使用壽命期間可能經受的應
力。GR-326-CORE 還包括一組在 568-B.3 中沒有對應項的附加測試。這些測試稱為“可靠性測試”，其
目的是確定出在服務環境中接頭設計和材料方面的可能短缺。隨后進行服務壽命測試，這要求按特定的
順序對整個樣本群進行每一頂測試。另一方面，可提供新的樣本群以便進行可靠性測試，正如在 568-B.
3 中進行的每一頂測試一樣。
　　這些規范中的測試在生產中并不是每一項均進行的。這些測試通常幾年定期測試一次以確保元件和
制造程序可以生產出適當質量級別的轉接線。
　　環境測試
　　兩種測試都包含成套環境測試，每套測試均指出接頭在很長時期內必須經歷的特定溫度和條件。因
為這些是服務壽命測試，GR-326-CORE 要求按一定的順序進行測試。
　　進行這些測試并不是確保轉接線能夠承受長時間的 85°C 高溫，或高達 125°C 的溫度波動，其目
的在于模擬轉接線在各種環境中的老化現象。通過將接頭曝露于過高溫度下，測試會使已終接的接頭的
所有不同材料產生膨脹與收縮。環氧樹脂、金屬、陶瓷、玻璃，在某些情況下還有聚合物將會在套圈后
面的整體接合處產生橫斷。在高溫下，這些材料將以它們的固有膨脹率進行膨脹，從而導致元件出現各
種應變。如果測試是一個溫度波動超過膨脹范圍的熱周期，則測試將更加極端。熱周期包括每 2 至 4
個小時改變接頭的環境溫度 125°C。在涉及的每種材料中將產生大的應力和應變。此測試也將曝露終接
中的任何缺陷。如果設計與程序不是最優化的，這可導致光纖在套圈中的移動或“活塞式運動”，在極
端情況下還有可能導致光纖破裂。
　　濕度測試將濕氣引入系統，并在提高的濕度下進行，以模擬長期曝露的效果。曝露于濕氣或水對玻
璃光纖的非常大的危害，較長時間的曝露可導致光纖變脆，更容易產生應變，這種情形稱為光纖“衰
退”3)。
　　機械測試
　　這兩種主要的規范要求進行幾種機械測試。這些測試包括：彎曲測試、扭曲測試、耐力測試、光纜
保持測試、沖擊測試、振動測試、耐用性和負荷傳送測試。兩種規范的詳細要求稍有不同，但是一般程
序和概念是相同的。
　　大多數機械測試確認跳轉線在進行安裝與維護之后還完好無損。光纜保持 (568-B.3 的一部分) 等
測試用于確保已終接的轉跳線可以承受安裝期間的拉力。耐力測試，在 GR-326-CORE 中有對應的測試，
類似于光纜保持測試，同樣保證接頭鎖緊機構的咬緊力。如果轉接線在安裝之后突然被拉動，此測試保
證轉接線既不會破裂，也不會從適配器中脫出。對于此標準，568-B.3 有一個單獨的測試，稱為“連接
機構的咬緊力”。
　　試圖重現安裝問題的另一項測試為沖擊測試。沖擊測試用于驗證接頭在跌落時不會損壞。
　　彎曲、扭曲、振動和負荷傳送測試都用于模擬接頭使用期限內已終接的光纜和嚙合接頭上的應力。
然后觀察極端物理條件下的接頭外觀以確保終接的質量。在 GR-326-CORE 中，大多數接頭在結束一連串
工作的環境部分后具有“預應力”。在機械測試期間，由于這些應力，元件或終接程序中的缺陷通常會
曝露出來。
　　耐用性測試用于模擬接頭的反復使用。此測試涉及將接頭連續插入適配器或插孔。測試可揭示接頭
中任何可能的任何設計和材料缺陷，例如鎖緊機構的任何部分可能因頻繁使用而造成大的應變或應力。
　　可靠性測試
　　這些測試的標準對 Telcordia GR-326-CORE 是獨一無二的。測試包括曝露于各種環境之中，包含附
加環境測試和曝露測試。
　　附加環境測試包括擴展的熱壽命測試、濕度測試和熱周期測試。這些測試，每項進行 2000 小時 (8
3 天)，進一步研究接頭在各種服務環境中的壽命。測試不按順序進行，因此沒有累積效應。在服務壽命
環境測試中，樣本包括尾光纖組件和跳線組件，如規范的定義所述。這些擴展的測試限于跳線組件。使
用跳線組件的基本原理是測試溫度導致光纜損失 (TICL)。TICL 產生的原因是光纜長時間曝露于升高的
溫度之后又曝露于較低的溫度，從而產生收縮。外套和緩沖中使用的很多突出元件在曝露于升高的溫度
之后會收縮，從而導致玻璃纖維產生微小彎曲，進而產生過度的損失。只使用一個 1550nm 信號源監視
這些測試，因為使用較長的波長可以更輕易地觀察到微小彎曲。
　　曝露測試包括灰塵、鹽霧、空氣污染、地下水浸入以及浸水/腐蝕。
　　灰塵能夠嚴重地影響光學性能。污染端面的微粒可阻擋光信號及產生損失。灰塵是否找到進入套圈
端面的途徑是一種可能性。隨著時間的推移，灰塵始終會進入光學元件的連接處。灰塵并不是難以清
除，清潔過程需要斷開接頭，這不僅需要停止傳輸，還需要曝露端面，從而增加了受到污染的風險。此
測試涉及密集曝露于特定大小的微粒中，以確定是否存在任何微粒進入套圏端面的風險。
　　鹽霧 (稱為鹽水噴霧) 用于保證靠近海邊的非密封機箱中轉接線的性能。此測試涉及將接頭長時間
曝露于高濃度的 NaCl 中。在此測試后進行光測試，之后進行外觀檢查以確認材料沒有腐蝕跡象。
　　空氣污染測試用于保證接頭在有高濃度污染的室外應用中的性能和材料穩定性。測試反復將連接的
和未連接的接頭曝露于各種氣體之中，并且不僅僅只用肉眼檢查接頭，還進行鹽霧測試中的相同外觀檢
查。在一個小密封艙中裝入一種揮發性氣體 20 天以模擬長期曝露于這些氣體中。
　　還在浸水/腐蝕測試中驗證材料。測試沒有光學要求，但是涉及長期浸入未受污染的水中。此測試與
灰塵、鹽霧和空氣污染一樣，涉及連接的和未連接的接頭。通過測量測試前后的曲率半徑并比較測量
值，檢查連接的接頭是否有套圈變形。如果套圈在此測試期間幾何形狀不穩定，即有可能表示套圈使用
的氧化鋯材料出現破裂。檢查未連接的接頭是否有光纖解散，涉及檢查纖芯伸入光纖包層的距離是否不
夠遠。
　　最后一項曝露測試是地下水浸入測試。此測試驗證產品承受地下應用的能力。水浸/腐蝕測試嚴格檢
驗涉及的材料，并使用去離子水或蒸餾水。如果包層失效，部署在地下環境中的接頭更容易曝露于受到
污染的介質之中。在此測試期間，接頭曝露于污水處理、農業灌溉和其它應用中的各種化學品之中，還
有生物介質。這些化學品包括氨、清潔劑、氯和燃料。存在這些化學品可對接頭和適配器的材料造成損
害，從而降低光學性能。生物污染包括曝露于各種有機體之中，包括鏈球菌和大腸桿菌。存在這些細菌
可更精確的重現置于室外環境的情況。隨著時間的推移，這些細菌將在接頭上滋生繁衍，從而導致潛在
的健康危險。
　　可靠性
　　轉接線的可靠性不僅僅依靠使用高質量的元件和制造工藝與設備來保證，還需要遵循成功的質量保
證計劃4)。盡管轉接線通常全部進行過插入損失和返回損失測試，但是如果適用，還需要監控很多其他
因素以確保轉接線的質量。
　　最重要的因素之一是環氧樹脂。環氧樹脂的保存壽命和工作壽命（或稱為“使用壽命”）有限。此
資料可以方便地從制造商處獲得。在制造期間，絕對需要檢查這兩項標準。過期的環氧樹脂應被棄用。
過期后會發生影響環氧樹脂固化后性能的化學改變。過期日視存儲條件而定，需要進行觀察。
　　光纖終接器中使用的大多數環氧樹脂是分成兩部分的環氧樹脂，混合在一起即開始進行初步的交
聯，在溫度升高時固化。開始后，環氧樹脂的粘性開始改變，使應用隨著時間的推移變得更難。環氧樹
脂變得太濃，不能正確填充套圈，變得太粘，不能使光纖穿透，從而導致光纖破裂。
　　將兩部分的環氧樹脂混合在一起會在接頭中引入空氣，或稱為“氣泡”。捕獲的空氣使固化的環氧
樹脂不均勻，從而導致機械故障的高度風險。必須最大程度地減少捕獲的空氣量（或氣泡）。
　　轉接線組件中使用的很多工具也具有定期維護和有限的工具壽命。這包括所有的脫模、分裂和卷曲
工具。大多數脫模工具，無論是手動的還是自動的，均可能被光纜元件損壞，特別是Aramid增強纖維成
員。剝皮鉗將因長期使用而變鈍，從而增大了不能干凈剪切緩沖材料的可能性。這可導致在拔下緩沖材
料時對光纖造成過大的壓力。當分裂工具磨損且沒有制作清晰的劃痕時，在制造期間幾乎不可能檢測
到。但是，在分裂期間結果可能是不一致的光纖破裂，進而導致套圈端面光纖破裂。在此情況下，不得
不丟棄接頭。即使是卷曲工具也需要定期維護以確保有正確的力和尺寸。卷曲硬模也有累積環氧樹脂的
趨勢，影響卷曲尺寸，可能損壞接頭。
　　引入的材料和制造工藝的完整性，一旦具體化，需要遵守所有的適用指引和程序。這些材料的重要
性不僅僅在于對產品可靠性有重要的影響，對產品性能也極其重要。
性能
　　不僅僅了解涉及的參數的重要性，還了解最終產品的局限性，才可最好地了解轉接線的性能。為了
對轉接線的規范、技術和程序做出結論，對“完美轉接線”制定模型非常有用，如以下定義所示。
　　“完美轉接線”
　　“完美轉接線”定義為接近零插入損失的轉接線，插入損失是指連接配對的接頭時造成的相對功率
損失。“完美轉接線”的性能必須能夠與 0.02dB 級別的光纖接合損失進行比較。“完美轉接線”的插
入損失小于 0.05dB，返回損失大于 58dB。
　　要制作“完美轉接線”，必須要有最好的光纖、套圈和測試設備。“完美轉接線”的模型將采用單
模式元件建立，因為涉及較為嚴格的材料要求和規范。
　　有很多參數可以影響轉接線性能。要制作“完美轉接線”，必須控制套圈的端面幾何形狀，并采用
適當的拋光工藝。端面還必須保持清潔。這使生產線的清潔和清潔技術非常重要。
　　通過在兩條配對轉接線的套圈內正確對纖芯可減小損失。影響纖芯對準的主要因素是套圈內徑、套
圈同軸度和套圈外徑 (OD)。確定所有相差參數并加以控制是制作“完美轉接線”的關鍵所在。
　　最終的纖芯與套圈外徑同軸度，或接頭同軸度是所有未對準的矢量和。這是定義“完美轉接線”最
重要的參數之一。“完美轉接線”必須具有亞微米級接頭同軸度。
　　圖 1 顯示了插入損失與接頭同軸度的關系。
　　圖 1 中的曲線是只考慮了接頭同軸度時計算出來的插入損失。使用元件參數估計插入損失的模擬與
測量獲得的數據匹配得非常好。
　　基準光纜，特別是光纜的遠端 (Ref 端)，對受測轉接線 (PUT) 上接頭的插入損失和返回損失的測
量始終至關緊要。制作“完美轉接線”的技術可用于制作基準光纜。用于測試光學性能的基準光纜必須
優于受測轉接線上的接頭。基準光纜和“完美轉接線”的長度應足夠長，以避免纖芯中光強分布對插入
損失的任何影響。建議長度至少為三米。
　　“完美轉接線”測試要求使用性能上至少能與“完美轉接線”比較的一條基準光纜。為了保證精確
測量，在測試“完美轉接線”時需要控制其它因素。使用可重復的可靠測試儀器非常重要。普通的測試
儀器振動 0.05dB 對測試“完美轉接線而言”太大了。使用高質量的適配器將接頭連接到基準光纜也非
常重要。測試中使用的適配器對保證一致的插入損失極其重要。適配器可導致插入損失 0.02dB 數量級
的振動，這對“完美轉接線”而言太高了。已連接配對的插入損失振動根據拆分套管相對于適配器鍵的
拆分方向進行觀察。必須使用具有最高可靠性的適配器，且必須觀察是否有適當的清潔度。
　　拋光
　　拋光是制作“完美轉接線”的極其重要的一個環節。它決定了接頭端面條件和幾何形狀。可以手動
一次拋光一個接頭，也可以用拋光機一次拋光一個或多個接頭。
拋光接頭包括用顯微鏡可見的砂粒打磨端面，以除去表面過多的環氧樹脂，并消除光纖端面的擦痕，并
修整套圈和玻璃。手工和機器拋光通常都使用去離子水或蒸餾水，起到切削液的作用。
　　手動拋光速度慢，結果因操作人員的不同而不同，而機器拋光則有利于一致性和速度。有各種各樣
的光纖拋光機可供使用。不能期望每個制造商制造的拋光機都有相同質量的拋光效果。
　　當前的大多數承包陶瓷套圈都是預先制成半球形的；即端面具有最適宜的曲率半徑 (ROC) 和可能的
最小頂點偏移 (AO)，如圖 2 所示。頂點偏移是指曲率半徑頂點的偏移情況。在這種情況下，必須用硬
度足夠的砂粒進行拋光，確保從套圈除去環氧樹脂和光纖端面上的擦痕，但是硬度又不能太硬，以避免
顯著改變套圈的幾何形狀。如果套圈未預先制成半球形，必須通過進一步拋光形成適當的幾何形狀。
　　拋光是一個多步驟的流程。此流程通過拋光薄膜、時間和壓力來確定。流程通常由以下幾個步驟組
成：首先套圏前表面除去環氧樹脂，然后形成或保留半球形頂部，最后是拋光光纖表面。視拋光機和接
頭而定，必須對拋光壓力、時間和速度進行最優化。必須正確選擇每一步中使用的拋光膜和像膠墊硬度
計。
拋光后，用至少能放大 400 倍的顯微鏡檢查擦痕和損壞。“完美轉接線”在光纖端面不能有可見的擦
痕。擦痕數量（即光纖端面具體區域中擦痕的數量）受拋光參數和清潔度的影響。纖芯中的擦痕不僅影
響光學性能，還會損壞與其接觸的任何其它光纖端面。出于這些原因，必須最大程度地減少擦痕的數量
與大小。為了確保獲得最佳性能，不僅要嚴格遵守拋光程序，還要嚴格遵守清潔程序。如果接頭是單模
式的，用干涉計檢查端面的幾何形狀，即 ROC、AO 和球形高度 (SpH)，如圖 2 所示。表示 1 列出拋光
后端面幾何形狀的 Telcordia 值2)。在頂點偏移和插入損失振動之間，在插入損失和球形高度之間存在
某種有關系，盡管并不明顯。
　　表1：拋光后端面幾何形狀的 Telcordia 標準
參   數 技 術 規 格
曲率半徑(ROC) 7 - 25mm
頂點偏移(AO) 0 - 50μm
球形光纖高度(SpH)
突起 ≤ 50nm
切口 ≤ 用 ROC (R 以 mm 為單位) 計算出來的值，計算公式：-
0.02R3
+1.3R2
-31R+325
　　要正確測試光學性能，應光源和測量計與可獲得的最佳基準光纜和高質量適配器配合使用。光纖表
面經過清潔，不含擦痕并且確認其端面幾何形狀符合技術規格之后，插入損失和返回損失應在預期的技
術規格以內。
對整體性能的影響
　　可用于測試“完美轉接線”的基準光纜的連接端必須經過測量以便保證接頭同軸度小于受測轉接線
并擁有完美的端面。必須用一條基準光纜或主光纜進行測量，確保插入損失小于 0.03dB，返回損失大于
58dB。如果表面形狀良好，無擦痕、坑洞或灰塵，則返回損失應大于 58dB。注意到在適配器之間出現變
化，即使那些具有最佳套管的適配器也是如此。為了確保測量可重復，建立選擇可靠的適配器。
　　為了確認插入損失測量的最終能力，用一條光纖進行了接合測試。在分裂后，用光纖熔接機拼接光
纖。“完美轉接線”實現的插入損失與通過拼接測量的插入損失進行比較。圖 3 將“完美轉接線”的插
入損失作為最終接頭同軸度的一個函數與拼接損失進行了比較。考慮到使用最佳適配器、套管方向和接
頭加載順序的測試可重復性和變動，可計算為 +0.02dB，在“完美轉接線”和熔接之間沒有明顯的插入
損失。
結論
通過確定和優化對轉接線性能有影響的所有參數，有可能制作插入損失等于熔接損失 (插入損失幾
乎為零) 的“完美轉接線”。在對“完美轉接線”的性能研究中，發現插入損失受到適配器和拆分套管
性能的限制。使用“完美轉接線”，可以研究適配器接頭同同度和拆分套管性能，提供優化適配器的方
法，從而產生“完美適配器”。
　　本研究還證明通過使產品符合適當的行業標準，遵守完美定義的工藝和維護，通過使用最高質量的
元件，可以大量生產光纖轉接線，并且保證客戶在質量、可靠性和性能方面的滿意度。
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T 接頭還可用于預先拋光的卷曲終接。