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光纤端面几何参数干涉测量法物理方法简化

发布时间：2014-10-04 08:39

【摘要】 本文研究的目的在于通过对光导纤维连接器端面干涉测量方法的简化来简化生产过程和提高检测效率。在研究简化方法前,首先具体研究了光纤干涉仪的构造,分析了其检测原理,并且对现行的检测方法做了具体的阐述。对于现行的光纤检测,主要检测的是光纤连接器端面的曲率半径,顶点偏移量,光纤高度,对于APC型号的连接器还需要测量定位键角度。对于现行的几何参数相位移动分析方法做阐述后,根据其物理原理提出了可以提高检测速率的测量方法,并对数据进行对比。通过对CC-6000, NC-3000两种干涉仪器的干涉原理与数据处理原理进行分析。在其操作方法不变的基础上,用牛顿环原理简化了光纤连接器端面曲率半径测量过程,确定简化方法后分别对RDM公司定制的10根E2000型号的APC连接器和H+S公司定制的10根LC型号的PC连接器的端面进行机器测量以及简化方法测量。在两次测量过程中发现简化后分析数据的结果与仪器计算的标准结果误差不超过百分之二。符合IEC国际标准,可以将简化方法应用与实际的干涉仪设计。应用劈尖干涉的原理理论上实现了对光纤高度测量方法的简化,在不需要相位移动的前提下就可计算出光纤高度。但是由于仪器本身分辨率较低的原因,在具体测量方面还是难以实现的,且多次计算结果误差较大。但是对于现行计算方法得出的光纤高度也存在这些问题。所以在光纤高度测量方面还需要继续研究。

【关键词】 光纤连接器； 光纤干涉仪； 光纤端面曲率半径； 光纤高度； 

第一章绪论

1.1光导纤维在通信中的广阔前景
众所周知：1875年被称为通信元年，这一年在贝尔的实验室诞生了人类的第一台电话，它宣誓着通信时代的来临[1]。通信行业在近百年的迅猛发展中让我们认识到距离不再是问题，信息交换更为方便快捷。大数据时代的来临更是将丰富多彩的资源通过网络源源不断的传输给我们。丰富了人们在听觉，视觉方面的享受。
二十世纪以来，通信行业的领航者们更是不断的拓展新领域，从而满足日益增加的市场需求。落后的语音网络已经无法满足我们的日常需求。制造者们也不断将视野逐步转向为后台业务，导致高速率占据了我们的视野，这必然决定了网络的发展和变革。"速率，流量”必然成为了新一代网络的宠儿。4G时代的来临更是为我们提供下行100Mbps、上行50Mbps的巅峰网速。国内中国移动，中国联通，中国电信三大通信巨头在今年分别推出的4G网络让人们感受到了大数据时代光速的必要性[2]。
伴随着网络应用的扩大以及网络数据流量的快速增加，公共网络和局域网络对网络带宽的要求更是越来越高。带宽也就应运产生。具有时代代表性的带宽网络有电话线传输的ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)和有线传输电视线路的CArV(Coimnunity AntennaTelevision)，以及应用无线发射和无线接收的无线网络，使用光导纤维的光网[3，4]。
在这几种通信信号的传播介质中，光导纤维具有其他介质无法比拟的优点。而且光导纤维在传输信号的过程中不受高压线以及家用电器所产生的电磁波的影像，具有较强的保密性。而且光导纤维的制作才来是地球上最为丰富的桂元素，用之不竭。所以光导纤维刚加入通信行业就称为一枝独秀。如今光导纤维对信息的容量不断变大，光导纤维的传输能力也伴随着信息容量的增加而得到提高。现如今在发达国家与较发达国家，光网在信息传输中占据大部分地位。光纤具有的特点是普通电缆无以比拟的。光纤频带非常宽：多模光纤的频带大约为几百兆赫，做工良好好的单模光纤则可达lOGHz以上。这使得非常细小的光缆就可以为千家万户提供源源不断的数据支持。光纤损耗较低：光导纤维每公里损耗在0. 35dB以下[5，6]。重量轻：内芯有4?48根光纤的光缆直径小于3mm。抗干扰能力强：因为光纤只传光，不导电，不受电磁场的作用。所以不易被窃听，利于保密。保真度高：光纤系统的C/CTB在70dB以上[8],交调指标cM也在60dB以上，远高于一般电缆干线系统的非线性失真指标。工作性能可靠：光纤设备的平均无故障工作时间可以达到50万~75万小时，即使是寿命最短的光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时以上。不得不注意的是它的成本不断下降，根据光学定律（Optical Law） [7]。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加1倍，而价格降低1倍。所以说未来注定是光网的时代，光纤通信在各大通信公司中所占的比例必然会持续提升。
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1.2改进干涉仪的必要性
在光纤通信中最重要的就是光纤连接器，大量连接器的使用于连接远程电话通讯装置间和中继器，以及同一通信系统内部的信号连接处等。光纤网络对连接器有非常高的精度要求，其连接器尺寸小，对信号影响大。光纤直径只有数微米到数十微米，内部由高纯度的石英制成的高透光率的玻璃丝，外部覆盖聚酯塑料来提高其初性。要想提高光纤连接器部分光信号的传输效率，就必需制造高精度的光纤连接器，对于光纤连接器来将，它对信号的传输效率是有非常大的影响的，光纤连接器在对接的过程中会引起插入损耗和回波损耗。对于插入损耗越低越好，IEC标准要求在0.05dB以下。对于回波损耗则是越高越好，IEC规定精细研磨的PC连接器回波损耗在25dB以上，SPC连接器要求在40~18以上[3，9，10]。最常见且性能最好的APC (Angled PC)连接器更是要求回波损耗在60dB以上。此外，连接器对其机械特性也有很高的技术要求[11]，厂方生产的光纤连接器通常是需要大量的连接断开，所以要求连接器具有非常高的稳定性。在上千次的拔插实验中损耗不能变化太大。所以，光纤连接器的结构必须非常精密而且可以保持很高的再现性精度。在光纤连接器的检测过程中，是生产耗费大量时间的过程，现在大部分厂家采用全部检测的方法，有的厂家对每一个连接器的数据都有标注，所以耗费大量时间。如果能够提高检测速率可以大大提高生产效率。
最常见的连接器类型有一下三类：平型（PC）接头，球型（UPC）接头，斜型（APC）接头。光纤连接器分类的主要依据是端面连接器研磨后的形状，根据研磨后连接器顶端端面曲率半径以及端面倾斜程度可以分为PC,APC和UPC.

从性能方面来说：APC＞UPC＞PC
不同类型接头对接后会引起光信号严重衰减，造成光路不通。如果连接器不规格可以看成是不同型号的连接器连接在一起，所以连接器的检测需要快速而且精准。
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第二章连接器测量原理

2.1光纤连接器端面干涉原理
2.1.1实验仪器

1.光纤端面干涉检测仪，Norlan  Connect-Chek公司，型号CC-6000
额定电压：12V
物镜放大倍数：10
倍测量时间：Is
光源：LED (660nm)
横向分辨率：一微米
2.Norland NCC软件
2.1.2光纤干涉仪工作原理
光纤干涉仪都是基于迈克尔逊干涉仪设计的，主要原理与迈克尔逊干涉仪基本相同。
迈克尔逊干涉仪是许多近代干涉仪的原型[14，15],它将同一光源发射的光分为两束后这两束光的干涉现象，由于是同一光源所以必然为相干光源。用它可以观察光的干涉现象，如等倾干涉条纹、等厚干涉条纹等。通过干涉条纹的计算可以测定许多所需的物理量，例如单色光的波长，以及某种介质的折射率等。

如图2.2所示，由光源发出单色或者准单色光，首先入射到分光镜上，分光镜背面为特制的反射镜，该反射镜可以使一半光反射，一半透射。激光器发出单色光通过分光镜后变为两束光纤，他们的强度大体相同。他们具有相同的频率，相同的振动方向，以及固定的相位差，所以可以发生干涉现象。為经过连续两次反射和一次透射直接照在我们的观测区域，為则先在分光镜上发生透射后经过补偿片照射在反射镜从2上，之后沿原光路返回到分光镜后表面，进过反射射入我们的观测区域，在该区域内发生反射。如果将发生干涉的两束光看成是直接照射在观测区域的，那么想当于4是从反射镜Ml处发出的。而从2发出的光可以看成是从它的镜像点发出的，由于分光镜后表面作用反射镜从2会在Ml的上方形成一个虚象M，可以把光看出从Ml与发出的两束相干光源。可以将该干涉看成是M,与之间空气薄膜引起的等厚干涉，用Ml与背后的调节螺母调节空气薄膜厚度。

等厚干涉的光路图如图2.3所示，两反射光A1、A2的光程差为：

式（2.1)中n1与n2分别为两种介质的折射率。经过简化的到：

式（2.2)中/是入射光的倾角。于是我们可以得到干涉条件为：

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2.2光纤连接器端面几何参数
1.球面半径R(Radius  of Curvature):光纤连接器的端面一般被研磨成不太规则球面,曲率半径则定义为位于纤维直径以内的边缘曲率所确定的光纤曲率半径[16]。

2.光纤高度H(Fiber Height):由于光纤和氧化镐陶瓷插芯的材料有所不同,硬度也大不相同，所以在研磨过程中的消耗量也不同，从而光纤和氧化镐陶瓷插芯间会有一定的高度差，这个高度差就定义为光纤高度。根据IEC国际标准，如果光纤高度比氧化镐陶瓷插芯端面低，也就是连接器端面为凹时的光纤高度符号为正。如果光纤高度比氧化镇陶瓷插芯端面高，也就是连接器端面为凸时的光纤高度符号为负。
纤维高度显示了连接器里的纤维凹陷或突出的量。NCC软件决定了球形纤维高度，它被定义为基于连接器中心的纤维中心高度和位于中心的理论高度之间的差异。这是在TIA和IEC测试程序里所推荐的方法。

TIA使用比例推荐的削弱量作为曲率半径的函数。下面的公式显示了这种关系

其中U是光纤高度，R是曲率半径
当U的最终数值为负时表示光纤突出，即光纤比氧化镐陶瓷端面高。

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第三章干涉测量法的物理简化原理..........................................18
3. 1曲率半径干涉测量法简化的理论根据..........................................18
3. 2光纤高度干涉测量法物理方法简化..........................................20

第四章简化方法数据分析

4.1测量前仪器调整
前边描述了对光纤连接器端面几何参数的测量分析，以及物理简化方法。目的是可以不通过相位移动而快速的达到检测的目的，先基于CC6000的机制进行计算，然后与机器相位移动所测量的结果进行比较，看所得的结果是否在误差范围。
在测量前首先对机器进行调试，先将一起放在平整的桌面上，用合适的夹具是一起的主光轴在水平方向上，且光可以水平的通过挡板，这一点事非常重要的。如果在调平时从在误差，那么以后进行的测量是不准确的。应为当光纤转动时，端面与主光轴的夹角一直在变化的情况下，测量的顶点偏移和APC角度会随着插入的角度变化而变化。调平的方法是将调整好的仪器插入光纤连接器每转动45°测量一次，记录顶点偏心值，若多次测量所得的顶点偏移值差距不大，那么调整是合格的。
在调试机器合格后，测量前还需要对机器进行校验。在校验过程中发现大部分机器都是一样的。由于内部器件的微小移动导致的光路的变化使得我们所看到的干涉图像其实已经发生了错位，不是理想的平行光得到的干涉条纹。但是条纹的形状不会改变，只是其位置发生变化，可以按照一定的方法将其平行移动，从而得到实际的干涉条纹。
所有的仪器在校验的时候需要输入校验棒的信息，机器依靠校验棒的信息与计算机校验过程中测量出来的信息对光纤连接器的端面最高点位置重新模拟，从而得出新的光纤端面顶点位置。在该计算过程中，主要修正的是水平方向角与竖直方向夹角，相当于对定位键角度与APC角度有一个修正。
前期计算发现一次校验后，每次测量不同的接头，两个方向上角度的修正值为一个固定值。即当机器校验完成的时候，以后每次测量值都是在实际测量的基础上加入水平方向与竖直方向上的偏移量，对测量数据进行修正。仪器测量光纤数目较多或者换一次光纤接头类型的时候都是需要校验的，所以在测量以前是需要进行校验的。

4.2曲率半径的计算
首先计算前要了解仪器的主要参数。对于测量来讲，需要了解的是干涉仪器选用光源的波长，因为测量中曲面条纹间的高度差取决于干涉光的波长。CC-6000选用的光源是波长为660nm的LED。还需要了解仪器的总放大倍数，通过放大倍数将屏幕上的条纹数据转化为实际的光纤连接器端面数据。所使用的仪器的总放大倍数为410倍。
首先用仪器正常测量的到如下所示的结果：

如上所示，仪器测量的端面曲率半径为10.91mm，测试的是APC型号的连接器，曲率半径的合格范围是5-15mm。
用牛顿环简化后可以得到的公式为：

式4.1中K是仪器的放大倍数，Rk是第k级暗条纹的半径，Rk+m是第k+m级暗条纹的半径。对图像处理后得出一个较容易测量的干涉图像：

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4.4结论与展望

本文通过对对光纤连接器端面干涉仪器的原理进行分析，确定其中的技术核心后对干涉仪器进行简化，以此来提高干涉效率，从而提高生产效率。可以在以后的干涉仪设计中加以应用的。在具体研究过程中的出以下结论。
通过对不同的干涉数据处理方法的研究发现，干涉数据的处理可以依靠牛顿环原理进行简化。不需要进行相位移动就可以准确的测量出光纤连接器的端面曲率半径。
通过对光纤高度测试方法的研究得出，可以用劈尖干涉的原理来解决光纤高度不易测量的问题。
对不同型号的连接器进行仪器测量和简化后方法的测量，发现简化后测量的精度不会降低，符合IEC的测量标准。
由于时间和精力的关系，本算法可以在两个地方加以改进：
第一、通过对光纤高度测试方法的研究得出，可以用劈尖干涉的原理来解决光纤高度不易测量的问题。但是准确率较低，但这是大多数仪器存在的普遍问题，测量精度的提高还需要进一步研究。
第二、本设计是在CC-6000的测量基础上建立的，测量过程基于机器自身，没有实现自己测量自己计算的过程，只是对测量结果进行的分析，可以在此基础上研究更加准确的测量过程，来实现干涉仪的自主研发。
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参考文献 :


本文编号：9452

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