CN102414548A

CN102414548A - 光纤出射角度测定方法及装置

Info

Publication number: CN102414548A
Application number: CN2009801588427A
Authority: CN
Inventors: 铃木太郎
Original assignee: Toyo Glass Co Ltd
Current assignee: Toyo Seikan Group Holdings Ltd
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2029-04-22
Also published as: CN102414548B; JPWO2010122641A1; US20120044483A1; EP2423660A1; WO2010122641A1; KR101262728B1; KR20120022770A; US8531656B2; JP5127832B2; EP2423660B1; EP2423660A4

Abstract

本发明的光纤出射角度测定方法及装置能够提高光纤的出射角度的重复测定精度，并且使得测定作业十分容易，能够在短时间内精度优良地测定多条光纤的出射角度。通过如下技术方案来解决上述课题，即，通过将光纤的测定端穿过固定器的贯穿孔，在将贯穿孔作为导引而旋转光纤的同时，用受光单元接收来自测定端的出射光，测定出射光的轨迹圆的至少3个点的坐标，从而算出该轨迹圆的大小，根据该大小测定光纤的出射角度。固定器的贯穿孔具有前端侧的小径部和后端侧的大径部，使小径部的内径比裸光纤的直径大0.1～1.0μm，使大径部的内径大于被覆光纤的直径。

Description

光纤出射角度测定方法及装置

技术领域

本发明涉及测定从光通信等中所使用的光纤的端面射出的光的出射角度的方法及装置。

背景技术

如图1所示，已知有具有相对于光轴S并非是直角的倾斜端面1a的光纤1。来自倾斜端面1a的出射光B相对于光轴S以出射角度θ射出。

如图2所示，例如在用光开关等使光纤1之间结合的情况下，由于倾斜端面光纤不会有在端面反射的光返回的情况，因此具有很难在光信号中引入噪音的优点。该情况下，以使光的结合损耗达到最小的方式进行调芯作业，该调芯作业是利用光纤沿光轴方向x的移动和绕着光轴的r方向的旋转来进行的。为了易于进行该调芯作业，要求减小光纤的出射角度的波动(±0.15°以下)。

所以，就有必要检查制造出的光纤的出射角度是否处于给定的范围内。

光纤的出射角度的检查方法及装置例如公开于下述专利文献1中。

其通过向开设于固定器中、内径(Dw)比光纤的外径(Df)大10μm以上、且在轴向上是(Dw-Df)/tan(0.1°)以上的长度的孔中穿过光纤的测定端，将该孔作为导引孔使光纤旋转，测定来自测定端面的激光的出射光在屏幕上描绘出的圆或椭圆的至少一部分的大小，而测定来自测定端面的激光的出射光的出射角度(θ4)。

根据记载([0034段])，如果孔的内径与光纤的内径相比不是最少大于10μm，则光纤无法被准确地插入固定器的孔中，而会折断。

另外还有记载([0043段])，基于该方法及装置的出射角度(θ4)的重复测定精度为0.1°以内。

为了使制造出的光纤的出射角度的波动为±0.15°以下，必须使利用专利文献1的方法检查时的合格水平(阈值)为给定的角度±0.05°。这是因为，该方法的重复精度为0.1°以下。由于给定的角度±0.05°的合格水平非常严格，因此合格率极低，实际上在不合格的产品当中包含相当数目的合格品。

所以，重复测定精度为0.1°以内的出射角度测定方法、装置并不实用。

为了对其加以改善，采用了如图16所示的固定器7。

该固定器7在形成于板状主体70的顶面的V字形的槽70a中配置光纤1的去除了前端的被覆的裸露部1c，从上方压上按压板71，以一定的力F按压而将光纤固定。

在该固定状态下用显微镜等受光单元接收出射光而测定受光位置的坐标。然后取下按压板71而将光纤旋转给定角度，再次用按压板固定光纤，测定出射光的受光位置。将其重复进行数次(6次左右)，求出出射光的轨迹圆的几处坐标，据此算出轨迹圆的直径，从而求出出射角度。

但是，浮游在空气中的微细的尘埃附着于槽70a或按压板71处，或因光纤的剖面并非精确的正圆而多少有些变形等各种要因，使得出射光的轨迹不会描绘出精确的圆，对同一光纤重复测定多次时的测定值的波动(重复测定精度)并非是令人满意的值。另外，还有因测定者的个人差异而容易在测定值中出现波动的问题。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2005-233875号公报

如上所述，专利文献1的出射角度测定方法、装置在精度上现在并不实用。

另外，使用了图16的固定器的测定装置的重复测定中的标准偏差为1.1°×10^-2左右，在精度上也不够充分，此外，由于在反复进行光纤在固定器上的固定、解除的同时，旋转光纤而进行测定，因此测定作业极为麻烦。

发明内容

本发明的课题在于，进一步提高重复精度，并且使测定作业容易，能够在短时间内精度优良地测定多条光纤的出射角度。

本发明提供一种光纤出射角度测定方法，通过将光纤的测定端穿过固定器的贯穿孔，在将该贯穿孔作为导引而旋转光纤的同时，用受光单元接收来自测定端的出射光，测定出射光的轨迹圆的至少3个点的坐标，而算出该轨迹圆的大小，根据该轨迹圆的大小来测定来自光纤的测定端的光的出射角度，其中，

所述固定器的贯穿孔具有前端侧的小径部和后端侧的大径部，所述小径部的内径被制成比裸光纤的直径大0.1～1.0μm，所述大径部的内径被制成大于被覆光纤的直径，所述大径部与小径部之间为锥形，

将被覆光纤的去除了前端部的被覆的光线从所述大径部的后端插入，将去除了前端部的被覆的裸露部穿过所述小径部内而进行测定。(技术方案1)

本发明中，由于成为光纤的旋转的导引的贯穿孔的小径部的内径只比裸(无被覆)光纤的直径大0.1～1.0μm，因此旋转光纤时的轴振摆非常小，能够高精度地测定出射角。

另外，当将测定端的去除了前端的被覆的光纤从贯穿孔的大径部插入时，由于前端的裸露部被从大径部与小径部之间的锥形部分导向小径部，因此能够不将前端的裸露部折断而顺畅地通过小径部。

此外，由于光纤的前端以外的被覆部被插穿在贯穿孔的大径部中而受到支承，在贯穿孔的后端侧不是露出裸露部，而是被覆部，因此在旋转时也不用担心光纤折断。

本发明中，所谓裸光纤是没有受到被覆的光纤，所谓裸光纤的直径是没有受到被覆的光纤的规格上的直径。通常来说，由于制造出的光纤的直径具有0.2μm以内左右的误差，因此小径部的内径的更优选的范围是比裸光纤的直径大0.4～0.6μm的范围。

大径部的内径只要是比被覆光纤的外径大，能够插穿光纤的受到被覆的部分(被覆光纤)即可，然而优选比被覆光纤的外径(规格上的直径)大0.05～3mm的范围。

来自光纤的测定端(端面)的出射光能够用CCD照相机等的受光单元直接接收，利用附属的图像处理单元很容易并且准确地测定受光位置的坐标。

出射光的坐标能够通过在旋转光纤的同时测定最少3处，而求出轨迹圆的直径，然而为了提高测定精度，设为4处以上，更优选设为6处以上。

如果将轨迹圆的直径设为D，将从受光单元的受光面到光纤的端面中心的距离设为Z，则出射角度θ能够利用

θ＝tan^-1(D/2Z)

求出。

另外，本发明提供一种如技术方案1所述的光纤出射角度测定方法，所述固定器具有能够选择性地切换将光纤固定的状态和解除固定的状态的固定单元。(技术方案2)

通过将固定器设为使其自由地固定/解除光纤，就能够在将光纤固定于固定器中的状态下，很容易地进行旋转单元、光源的安置等作业。在测定时要旋转光纤只要解除固定即可。

另外，在出射角度的测定中，通过进行将下面将要测定的光纤插入固定器并固定好的作业，就能够有效地进行作业。

另外，本发明提供一种如技术方案1或2所述的光纤出射角度测定方法，在从所述受光单元到光纤的测定端面中心的距离为Z₁的位置算出所述轨迹圆的直径D₁，在所述距离为Z₂的位置算出所述轨迹圆的直径D₂，利用

θ＝tan^-1[{D₂-D₁}/2{Z₂-Z₁}]

求出光纤的出射角度θ。(技术方案3)

如前所述，如果将轨迹圆的直径设为D，将从受光单元的受光面到光纤的端面中心的距离设为Z，则出射角度θ能够利用

θ＝tan^-1(D/2Z)

求出，然而一般来说，很难准确地求出从受光单元的受光面到光纤的端面中心的距离Z，此外，在每次将光纤安置于固定器中时距离Z是变动的，因此需要每次测定距离Z，因而非常麻烦。

但是，在Z₁和Z₂这2处位置测定轨迹圆的直径的情况下，能够极为准确并且容易地测定{Z₂-Z₁}。例如，通过将固定器放置在能够沿光纤的光轴方向移动的载台上，查明在Z₁和Z₂这2处位置测定时的载台的移动长度，就可以不用测定从受光单元的受光面到光纤的端面中心的距离而能准确地测定{Z₂-Z₁}。

而且，不言而喻，在Z₁和Z₂这2处位置进行测定的情况下，无论从哪一方开始先进行测定都可以。

另外，本发明提供一种光纤出射角度测定装置，包括：具有供光纤的测定端穿过的贯穿孔的固定器、使穿过该固定器的光纤旋转的旋转单元、从光纤的入射端射入激光的激光源、接收来自光纤的测定端的出射光的受光单元、输出所接收到的光的坐标的图像处理单元、和根据从该图像处理单元中输出的坐标算出出射光的轨迹圆的大小的处理单元，

所述固定器的贯穿孔具有前端侧的小径部和后端侧的大径部，所述小径部的直径被制成比裸光纤的直径大0.1～1.0μm，所述大径部的直径被制成比被覆光纤的直径大，所述大径部与小径部之间为锥形，

将被覆光纤的去除了前端部的被覆的光线从所述大径部的后端插入，将去除了前端部的被覆的裸露部穿过所述小径部内，

通过在以所述贯穿孔作为导引旋转光纤的同时，用受光单元接收来自测定端的出射光，测定出射光的轨迹圆的至少3个点的坐标，从而算出该轨迹圆的大小，根据该轨迹圆的大小测定光纤的出射角度。(技术方案4)

该装置是用于实施所述技术方案1的本发明的方法的装置。

旋转单元能够采用将光纤保持在旋转轴心而利用伺服电机等旋转的众所周知的旋转式固定器等。

受光单元可以采用市售的CCD照相机等。

图像处理单元可以采用附设于市售的CCD照相机上的控制器等。

处理单元可以采用市售的个人电脑等。

利用处理单元来进行旋转单元的控制，也就很容易将出射角度的测定自动化。

另外，本发明提供一种如技术方案4所述的光纤出射角度测定装置，所述固定器具有能够选择性地切换将光纤固定的状态和解除固定的状态的固定单元。(技术方案5)

该装置是用于实施所述技术方案2的本发明的方法的装置。

另外，本发明提供一种如技术方案4或5所述的光纤出射角度测定装置，所述处理单元在从所述受光单元到光纤的测定端面中心的距离为Z₁的位置算出所述轨迹圆的直径D₁，在所述距离为Z₂的位置算出所述轨迹圆的直径D₂，利用

θ＝tan^-1[{D₂-D₁}/2{Z₂-Z₁}]

求出光纤的出射角度θ。

该装置是用于实施所述技术方案3的本发明的方法的装置。

本发明方法及装置由于成为光纤的旋转的导引的贯穿孔的小径部的内径与裸(无被覆)光纤的直径相比最多大1.0μm，因此旋转光纤时的轴振摆非常小，能够以高精度并且高再现性测定出射角，在向固定器中安置时或旋转时也不用担心光纤折断。

此外，对于上述的微小的间隙，由于在间隙内由光纤旋转造成的“偏移方”在距离Z₁和Z₂的位置是相同的，因此它对轨迹圆造成的误差基本上被抵消。

与图16的以往的测定方法相比，不需要在每次旋转光纤时在固定器中固定/解除光纤，因此测定作业简单，也基本上没有由测定者的个人差异造成的测定值的波动，测定的自动化也十分容易，所以对所制造出的光纤的全部的出射角度的测定有很大贡献。

附图说明

图1是倾斜端面光纤的出射角度的说明图；

图2是倾斜端面光纤的光纤开关的说明图；

图3是分解状态的固定器的俯视图；

图4是固定器的局部剖开俯视图；

图5是打开了盖子的状态的固定器的后视图；

图6是将前端筒状部安装于固定器中的状态的剖面图；

图7是向前端筒状部中插穿了光纤的状态的局部剖面图；

图8是将固定器固定于台座上的状态的局部剖开侧视图；

图9是插穿有光纤的固定器的俯视图；

图10是实施例的出射角度测定装置的概略俯视图；

图11是实施例的出射角度测定装置的概略俯视图；

图12是实施例的出射角度测定方法的说明图；

图13是出射光的轨迹圆的直径D(半径C)的算出方法的说明图；

图14是受光单元的受光面的角度偏移与误差的关系的说明图；

图15是基于实施例的测定方法的测定结果的例子的说明图；

图16是以往的测定装置的固定器的说明图；

图17是基于以往的测定方法的测定结果的例子的说明图。

符号说明

1：光纤；1a：倾斜端面；1b：被覆部；1c：裸露部；2：固定器；20：主体；20a：前端部；20b：轴承部；20c：槽；20d：槽扩大部；20e：横孔部；21：盖子；22：磁铁；23：小螺钉；24：前端筒状部；24a：小径部；24b：大径部；24c：锥形部；24d：扩大部；24e：阶梯部；24f：插入部；24g：阶梯部；25：螺旋弹簧；26：外周环；26a：内螺纹；26b：缩径部；3：台座；30：基板部；31：纵板部；32：孔；33：安装配件；4：旋转式固定器；40：卡盘；5：载台；6：CCD照相机；60：受光面；7：固定器；70：主体；70a：槽；71：按压板。

具体实施方式

(实施例)

图3～15涉及实施例的测定方法及装置。

固定器2具有主体20、盖子21、前端筒状部24、螺旋弹簧25以及外周环26。(图3)

主体20是塑料制的板状体，前端部20a为厚壁。在前端部20a中，形成有用于供后述的前端筒状部24的插入部24f插入的横孔部20e，横孔部的后端的上半部分在前端部20a的背面开口。(图5)在主体20的前端部20a以外的顶面，形成有用于将光纤1的被覆部1b定位的槽20c。槽20c达到将光纤被覆部1b收纳而露出被覆部1b的上部的程度的深度。槽20c的基端部是槽以锥形扩大的槽扩大部20d。

在主体20中，通过轴安装于轴承部20b中而自由旋转地安装有塑料制的盖子21。在盖子21中嵌入了磁铁22，一旦关闭盖子，磁铁22就会吸附在嵌入主体20的顶面的小螺钉23处，推压定位在槽20c内的光纤的被覆部的上部，将光纤固定。一旦开启盖子，就会解除光纤的固定。

前端筒状部24是将3个筒状金属部件组合而构成的，在轴向中心形成有贯穿孔。贯穿孔的前端侧为小径部24a，后端侧为大径部24b。小径部24a的内径是比裸光纤的外径125μm大0.5μm的125.5μm，长度约为3.0mm。大径部24b的内径是比光纤的被覆部1b的外径0.9mm大0.1mm的1.0mm，长度约为7.5mm。

小径部24a与大径部24b之间是越靠近前端侧内径越小的锥形部24c，从而使得光纤的裸露部顺畅地从大径部进入小径部。在大径部24b的后端是越靠近后端侧内径越大的锥形的扩大部24d。

前端筒状部24的后端以阶梯部24g为界形成直径变小的插入部24f，插入部24f被插入、固定在主体20的横孔部20e内。(图6)此时，贯穿孔后端的扩大部24d在槽20c内及其上侧开口。

在将前端筒状部24的插入部24f插入主体20的横孔部20e之前，在前端筒状部24的外周安装好螺旋弹簧25及外周环26。(图4)

外周环26是金属制的筒状体，在其前端侧内周，形成有用于固定于台座3处的内螺纹26a，后端部为缩径部26b。

螺旋弹簧25被装入前端筒状部24的阶梯部24e与外周环26的缩径部26b之间，相对于外周环26将前端筒状部24向前方推靠，用于将固定器牢固地固定在台座处。(图8)

台座3是金属制的，利用基板部30和纵板部31以L字形形成侧面形状。在纵板部31中设有孔32，在其周围，固定有在筒状的外螺纹的周围形成凸缘的安装配件。在安装配件33的外螺纹处螺合外周环26的内螺纹26a而将固定器2固定于台座3处。此时，前端筒状部24的最前端部分被插入孔32中。(图8)

旋转式固定器4将光纤穿过其旋转部的旋转中心，以卡盘40固定。旋转部利用伺服电机旋转，光纤随之以其光轴为中心旋转。

载台5是所谓的2方向移动载台，在其上载放固定有台座3及旋转式固定器4，能够沿光轴方向(Z轴方向)及与光轴成直角的方向(X轴方向)移动。(图10)

本实施例中的受光单元是CCD照相机6，载放固定于能够旋转的载台(未图示)上。在CCD照相机6处附设有作为图像处理单元的控制器(未图示)。

本实施例中，作为未图示的部分有激光源和处理单元。

激光源是发射波长1550nm的激光的激光振荡器，从测定对象的光纤的入射端射入激光。

处理单元是个人电脑，与作为图像处理单元的控制器连接，显示、记录由受光单元接收到的图像，以各种方式显示、记录来自其他的图像处理单元的图像信息，并根据接收到出射光的位置的坐标算出轨迹圆的直径。此外，安装有控制旋转式固定器的旋转，自动地算出、记录出射光的直径的软件。

下面，对光纤的出射光的出射角度的测定步骤进行说明。

首先，将光纤的测定端的被覆去除3～4mm左右，在前端形成裸露部1c。然后，将光纤的测定端从固定器2的槽20c向前端筒部的大径部24b内插入，继而将裸露部1c向小径部24a内插入，关闭盖子21而将光纤1固定于固定器2处。(图9)

此时，光纤的前端最好从前端筒状部24的最前端略微(优选为0～0.5mm左右)突出。(图7)

然后，将固定器2固定于台座3上，将光纤1安放于旋转式固定器4的旋转部，在光纤的入射端安装激光振荡器。

而且，事先以使CCD照相机6的受光面与光纤的光轴方向(Z方向)一致的方式进行CCD照相机的R方向的角度调整，以使出射光的轨迹圆完全收纳在CCD照相机6的受光面中的方式进行载台5的X轴方向的位置调整。(图10)

光纤的光轴方向(Z方向)与CCD照相机6的受光面的方向的角度偏移量

和由此引起的出射角度的误差(出射角度相对误差Δ％)的关系如图14所示，如果

为2°以下，则误差Δ是在实用上可以忽略的程度。

然后，打开固定器2的盖子21而解除光纤1的固定，按下处理单元的开始按钮而开始自动计测。(图11)

光纤1利用旋转式固定器4旋转约360°，在此期间，作为图像处理单元的控制器将接收到的出射光的位置数据向处理单元发送，处理单元根据出射光的轨迹圆上的任意的6个点坐标，算出轨迹圆的直径。从按下开始按钮到算出轨迹圆的直径的时间为4～5秒左右。

图13是根据测定出的出射光的轨迹圆上的坐标(6个点)算出直径的方法的一例(最小二乘法)的说明图。

虽然以CCD照相机接收到的出射光为斑点状，然而其坐标是斑点的中心。

在Z轴状的任意的两个点进行如上所述的轨迹圆的直径的算出。

图12是在Z轴上的Z₁的位置和Z₂的位置这两个点进行时的说明图。

例如，能够假设Z₁≈5mm，Z₂≈13mm。

如果到光纤的测定端面中心的距离为Z₁的位置的轨迹圆的直径是D₁，所述距离为Z₂的位置的轨迹圆的直径是D₂，则光纤的出射角度θ就是：

θ＝tan^-1[{D₂-D₁}/2{Z₂-Z₁}]。

处理单元根据上述的式子算出光纤的出射角度θ，显示于显示器的画面中，并且存储在存储器中。

由于{Z₂-Z₁}的值是载台5的Z轴方向的移动量，因此能够很容易地并且准确地求出，所以出射角度测定值的误差就会极小。

图15是将利用实施例的测定装置对1条光纤反复测定11次的结果叠加显示的图。处于中心的点是轨迹圆的中心，内侧的6个点是Z₁处的测定结果，外侧的6个点是Z₂处的测定结果。

如同图所示，11次的测定结果基本上完全重叠。本实施例的出射角度的重复测定精度为±0.013°以下，标准偏差为3.28×10^-3。

图17是将使用以往的图16的固定器同样地对1条光纤反复测定11次的结果叠加显示的图。处于中心的点是轨迹圆的中心，内侧的6个点是Z₁处的测定结果，外侧的6个点是Z₂处的测定结果。

内侧的轨迹圆的中心与外侧的轨迹圆的中心明显偏离，与图15相比各点的重叠程度也很差。

该以往例的情况下，重复测定精度为±0.036°以下，标准偏差为1.07×10^-2，是本实施例的大约3倍。

如上所述，本实施例与专利文献1的以往例相比，出射角度的重复测定精度约为十分之一，与图16的以往例相比，标准偏差约为三分之一，从而证明能够以与以往例相比相当优异的精度来测定光纤的出射角度。

(工业上的可利用性)

本发明的出射角度测定方法/装置不仅可以用于单一模式光纤，而且还可以用于作为折射率分布型透镜·光纤的GRIN透镜(GRadedINdex透镜)·光纤的出射角度测定中。

另外，本发明的出射角度测定方法/装置并不限于倾斜端面的光纤，还可以用于垂直端面的光纤或对端面进行了球面加工的光纤等的出射角度测定。

Claims

1.一种光纤出射角度测定方法，其通过将光纤的测定端穿过固定器的贯穿孔，在将该贯穿孔作为导引而旋转光纤的同时，用受光单元接收来自测定端的出射光，测定出射光的轨迹圆的至少3个点的坐标，从而算出该轨迹圆的大小，根据该轨迹圆的大小来测定来自光纤的测定端的光的出射角度，其中，

将被覆光纤的去除了前端部的被覆的光纤从所述大径部的后端插入，将去除了前端部的被覆的裸露部穿过所述小径部内而进行测定。

2.如权利要求1所述的光纤出射角度测定方法，其中，所述固定器具有能够选择性地切换将光纤固定的状态和解除固定的状态的固定单元。

3.如权利要求1或2所述的光纤出射角度测定方法，其中，在从所述受光单元到光纤的测定端面中心的距离为Z₁的位置算出所述轨迹圆的直径D₁，在所述距离为Z₂的位置算出所述轨迹圆的直径D₂，利用

θ＝tan^-1[{D₂-D₁}/2{Z₂-Z₁}]

求出光纤的出射角度θ。

4.一种光纤出射角度测定装置，包括：具有供光纤的测定端穿过的贯穿孔的固定器、使穿过该固定器的光纤旋转的旋转单元、从光纤的入射端射入激光的激光源、接收来自光纤的测定端的出射光的受光单元、输出所接收到的光的坐标的图像处理单元、和根据从该图像处理单元中输出的坐标算出出射光的轨迹圆的大小的处理单元，

将被覆光纤的去除了前端部的被覆的光纤从所述大径部的后端插入，将去除了前端部的被覆的裸露部穿过所述小径部内，

通过在以所述贯穿孔作为导引旋转光纤的同时，用受光单元接收来自测定端的出射光，测定出射光的轨迹圆的至少3个点的坐标，从而算出该轨迹圆的大小，根据该轨迹圆的大小测定光纤的出射角度。

5.如权利要求4所述的光纤出射角度测定装置，其中，所述固定器具有能够选择性地切换将光纤固定的状态和解除固定的状态的固定单元。

6.如权利要求4或5所述的光纤出射角度测定装置，其中，所述处理单元在从所述受光单元到光纤的测定端面中心的距离为Z₁的位置算出所述轨迹圆的直径D₁，在所述距离为Z₂的位置算出所述轨迹圆的直径D₂，利用

θ＝tan^-1[{D₂-D₁}/2{Z₂-Z₁}]

求出光纤的出射角度θ。