自從光纖被用于通信以來，與光纖相關(guān)的產(chǎn)品與技術(shù)得到了顯著發(fā)展。無論是傳統(tǒng)的無源光器件還是近年來AI浪潮下火爆市場的高速光模塊，都大量用到了光纖技術(shù)和產(chǎn)品。盡管光纖及相關(guān)產(chǎn)品的制作工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，但光纖以玻璃成分為主，摻雜離子的不均勻、高低溫環(huán)境、長期彎曲形變、剝纖、點(diǎn)膠固化等各種工藝流程均可能使光纖產(chǎn)生細(xì)小裂紋。這些微裂紋將嚴(yán)重影響光纖的使用壽命，進(jìn)而影響光纖的信號傳輸性能。

微裂紋是指光纖相互分離或擠壓時產(chǎn)生的微小回波損耗異常的裂紋。它在產(chǎn)品剛制作完成時可能不會影響光纖的信號傳輸，但經(jīng)過較長時間或惡劣環(huán)境的作用后，裂紋會迅速擴(kuò)散及增大，導(dǎo)致產(chǎn)品性能異常。

下面以日本研究人員Masayuki Tanaka?在2019年發(fā)表在optics and laser technology上的一篇文章為例，從理論、實(shí)驗(yàn)等方面定量分析光纖中回波損耗大小與裂紋間隙寬度、角度之間的關(guān)系。

為了確認(rèn)微裂紋在長時間下的失效模式，實(shí)驗(yàn)以某有微裂紋的APC光纖連接頭為樣品，放在溫箱中做-40-85℃的溫循實(shí)驗(yàn)，并實(shí)時監(jiān)測其插入損耗。

溫循開始時，樣品插入損耗0.35db，回波損耗-60.4db。經(jīng)過27個溫循后，插損顯著變大，大約15-20db，直到溫循停止時，損耗也未恢復(fù)正常，說明連接器已全部失效。

為了進(jìn)一步了解微裂紋與回波損耗之間的定量關(guān)系，文章模擬了其中兩個關(guān)鍵因素：裂紋寬度和斷裂端面角度進(jìn)行試驗(yàn)。得到測量結(jié)果如下表所示：

裂紋縫隙寬度和斷面角度示意圖

圖中（端面拋光粒徑0.02μm），黑線表示大間隙寬度下的回?fù)p理論值RL（1），三角形為實(shí)際測試值。藍(lán)線表示小間隙寬度下的理論回?fù)p值RL（1）+RL（2），同樣藍(lán)色三角形為實(shí)際測試值。其中RL（1）用等式（1）表示：

RL（2）用等式（2）表示：

這里，RL0：垂直入射的回波損耗，λ0：入射光波長，n：光纖折射率，ω0：模場直徑。當(dāng)裂紋間隙較大時，光到達(dá)第二斷面后不足以再反射回原光纖中，此時回波損耗主要以帶一定角度的菲涅爾反射為主，即只有RL（1）。當(dāng)微裂紋之間的間隙較短時，需要考慮斷開間隙g的多次來回反射（多光束干涉）干擾的影響，此時回波損耗為RL (1) + RL (2)。從圖可以看出：

1.       較小的裂紋間隙寬度明顯比大的裂紋間隙寬度回?fù)p要低，大約低40個dB左右。

2.       平面明顯比斜面的回?fù)p高，隨著斜面傾角變大，回?fù)p逐漸降低，到斜8°角以后，回?fù)p值基本不再發(fā)生變化。無論是大間隙還是小間隙均有相同的變化趨勢。

3.       當(dāng)裂紋間隙角度小于8°時，回?fù)p實(shí)測值與理論值曲線有很好的擬合，超過8°以后，回?fù)p趨于穩(wěn)定值，大約在-90-100dB內(nèi)變化。（推測，這可能與光纖的數(shù)值孔徑有關(guān)，也是光纖APC連接頭為何設(shè)計(jì)成斜8°的原因。）

為了驗(yàn)證裂紋斷面的粗糙程度對回?fù)p值的影響，文章還做了一組另外不同拋光片（拋光粒徑1μm）的端面實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如下圖：

當(dāng)光連接器端面最終拋光片的拋光粒徑為1μm時，

1.       斜8°以前，大間隙結(jié)果與拋光粒徑0.02μm結(jié)果幾乎一致，而小間隙結(jié)果則比0.02時高出20db。

2.       斜8度以后，其穩(wěn)定在-70-80dB左右，比之前穩(wěn)定的高20dB左右。

分析：前后兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的20dB回?fù)p差異由端面的粗糙度引起。端面的回波損耗是反射光和散射光的總和。當(dāng)θb<8°時，在rl b="">8°時，反射光變小，散射光的影響變強(qiáng)，因此，端面粗糙程度不同的情況下，回?fù)p值明顯不同。（查閱相關(guān)資料，研磨粒度越小，拋光度越高）

總結(jié)：具有隱藏微裂紋的光纖在微裂紋初期使用順利，但回波損耗和插入損耗會隨著時間的增加而增加，并顯著降低產(chǎn)品性能。由于傳統(tǒng)的回波損耗和插入損耗檢測方式無法達(dá)到高靈敏度、確認(rèn)位置信息，因此這些方案無法找到這種隱藏的微裂紋。通過模擬光纖實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)光纖微裂紋發(fā)生后，所經(jīng)過的時間較短時（縫隙較?。?，回波損耗遵循理論公式RL (1) + RL (2)。當(dāng)經(jīng)過的時間較長時（縫隙較大），遵循理論公式RL (1)。同時，進(jìn)一步說明了當(dāng)端面角θb超過8°時，不同拋光度的端面回?fù)p值不同的原因是光纖端面的散射。

此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)微裂紋檢測儀的信號靈敏度為-100dB時，可以檢測到幾乎所有的光纖微裂紋。對于目前高密度、多通道的光纖鏈路互聯(lián)需求，通過檢測隱藏的光纖鏈路微裂紋來提高產(chǎn)品質(zhì)量非常關(guān)鍵，這對于降低后期產(chǎn)品維修成本，提高產(chǎn)品使用壽命和穩(wěn)定性具有重要意義。

東隆集團(tuán)自研的OLI是一款低成本高精度光學(xué)鏈路診斷系統(tǒng)。其原理基于光學(xué)相干檢測技術(shù)，利用白光的低相干性可實(shí)現(xiàn)光纖鏈路或光學(xué)器件的微損傷檢測。通過讀取最終干涉曲線的峰值大小，精確測量整個掃描范圍內(nèi)的回波損耗，進(jìn)而判斷此測量范圍內(nèi)鏈路的性能。該系統(tǒng)輕松查找并精準(zhǔn)定位器件內(nèi)部斷點(diǎn)、微損傷點(diǎn)以及鏈路連接點(diǎn)。其事件點(diǎn)定位精度高達(dá)1μm，最小可探測到-100dB光學(xué)弱信號，廣泛用于光纖或光器件損傷檢測以及產(chǎn)品批量出貨合格判定。

文章來源：Micro crack analysis of optical fiber by specialized TD-OCT；Masayuki Tanaka, Tatsuo Shiina；Optics & Laser Technology；Volume 116, August 2019, Pages 22-25