CN107407617A - 用于诸如多模式光纤几何测量的光纤测量的装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于测试光纤的方法，包括利用光学测试仪器测量光纤在围绕其光轴的多个旋转角度处的诸如包覆层非圆度的特性。通过测量，产生表示相应的旋转角度处的特性的测得值的数据点。形成具有作为可变参数的特性的光纤的模型，并从模型产生特性的预期测量值、旋转角度和可变参数之间的函数关系。通过改变参数，根据一个或多个预定的标准，诸如最小二乘法拟合，作出函数关系对数据点的拟合。特性的值可基于拟合查找。仪器参数，诸如光纤偏差和切割角度也可通过该方法确定。

Description

用于诸如多模式光纤几何测量的光纤测量的装置、系统和 方法

对相关专利的交叉引用

本申请要求2014年11月7日提交的序列号为62/077036的美国专利申请的权利，该申请的公开通过参考其全部包含在本文中。

背景技术

电信链路包含越来越多的可拆卸多模式光纤互连。每个连接的最大可允许衰减不得不减小，这是进行准确的光纤几何测量的动机。利用可商购的仪器上的采用传输近场(TNF)方法的一系列测量，已意识到当再切割光纤样本时，记录的多模式光纤几何尺寸发生变化。

本公开的各个方面涉及在通用共焦显微镜上确定光纤切割角度的装置、系统和方法。其他方面涉及以一致方式估计真实包覆层非圆度和表观光纤偏离的装置、系统和方法以及模型。

存在多种测量光纤几何尺寸的方法，包括光纤芯部直径和非圆度，光纤包覆层直径和非圆度以及芯部-包覆层同心度。已知的方法采用传输近场方法(TNF)。在至少2米的光纤样品在两端被切割后，一端用LED照亮，另一端用CCD相机检测器测量。此方法的一个问题是再切割后测量的再现性差。

发明内容

在本公开中，使用允许光纤在可商购的TNF装置的相机检测器前围绕其光轴旋转的新工具，以研究光纤几何参数的特性。随着光纤围绕其光轴旋转360度，仪器报告的光纤包覆层非圆度显示伴随较高的旋转谐波的周期模式。考虑光纤的非圆度(和取向)、切割角度(和取向)和光纤相对于检测器的角度偏离(和取向)，形成光纤的几何模型和其周边到检测器平面上的投影。模型的输出是投影到检测器平面上的周边非圆度。在固定的(已知的)取向上对光纤非圆度的至少六个测量的最小二乘拟合模型(将前述六个参数作为输入)允许用户输出真实光纤非圆度。该方法允许改善其他光纤几何参数的测量的准确度和可靠性。用光纤旋转方法基于模型对光纤校准和光纤切割缺陷的估计，允许对光纤包覆层直径和非圆度的更准确的测量。这还可以扩展到芯部直径和非圆度。这一改进对此类设备的制造商有利。此外，它可用于测量光纤相对于仪器的偏离，并相应地调整仪器。这一改进也对光纤制造商以及光纤组件制造商和用户有利。

附图说明

图1示出可用链路功率预算和数据速率之间的关系；可用链路功率预算随着数据速率的增大而减小。

图2显示记录的几个样品的芯部直径的变化。

图3显示从侧部所见的对被切割光纤端面的共焦测量的示例。

图4显示几个样本的切割角度测量。

图5显示根据取向变化的包覆层非圆度的测量；该测量显示取决于取向的可重复性。

图6示出被切割光纤的透视(侧视)图(a)，来自TNF检测器的被切割光纤视图(b)和根据本公开的一个方面的用于被切割光纤的在模型(线)和测得的数据(叉)之间的最小二乘拟合(c)。

图7是显示光纤弯曲对TNF方法测得的芯部直径的影响的曲线图。

图8示出被切割光纤的透视(侧视)图(a)，来自TNF检测器的被切割光纤的视图(b)和如模型所预测的随光纤取向变化的代表零实际包覆层非圆度、零切割角度和零光纤角度偏离的组合的包覆层非圆度的值(c)。

图9示出被切割光纤的透视(侧视)图(a)，来自TNF检测器的被切割光纤的视图(b)和如模型所预测的随光纤取向变化的代表零实际包覆层非圆度、非零切割角度和零光纤角度偏离的组合的包覆层非圆度的值(c)。

图10示出被切割光纤的透视(侧视)图(a)，来自TNF检测器的被切割光纤的视图(b)和如模型所预测的随光纤取向变化的代表零实际包覆层非圆度、非零切割角度和非零光纤角度偏离的组合的包覆层非圆度的值(c)。

图11示出被切割光纤的透视(侧视)图(a)，来自TNF检测器的被切割光纤的视图和如模型所预测的随光纤取向变化的代表非零实际包覆层非圆度、零切割角度和非零光纤角度偏离的组合的包覆层非圆度的值。

图12示出被切割光纤的透视(侧视)图(a)，来自TNF检测器的被切割光纤的视图(b)和如模型所预测的随光纤取向变化的代表非零实际包覆层非圆度、非零切割角度和非零光纤角度偏离的组合的包覆层非圆度的值。

图13示出用于在TNF测量中保持光纤的夹具的示例和光纤旋动工具。

图14显示图13中显示的夹具的另一视图。

图15显示图13中显示的光纤旋转工具的另一视图。

图16示意性地示出TNF成像设置。

图17示意性地示出通过围绕其光轴旋转光纤而将光纤定向在不同的旋转角度处。

具体实施方式

1.引言

出于多种原因，布置在数据中心的光纤网络一般采用多模式光纤。这些光纤的带宽-带长乘积在过去几年已显著提高并已跟上在可工作距离上的高速数据传递的需求。制造用于这些多模式光纤的有效部件，诸如传输器和接收器的技术，一般比其单模式光纤对应组件廉价。此外，连接中的光纤对准相比单模式光纤连接一般在衰减、灰尘或故障方面要求更低。

为了满足对带宽增长的需求，可平行布署大量的多模式光纤链路。为了以结构化方式管理此类网络的主干，干线光缆包括大量光纤并以连接器(例如以多光纤推进(MPO)连接器)终止。借助盒体，干线光缆中的独立光纤可改线到其他连接器类型，这有利于连接到各个收发器。具备这些部件，整个网络拓扑可以柔性构造方式配置，尽管在每个链路中存在多个互连。

随着数据速率增大，可用链路功率预算快速减小，如图1所示。满足功率预算而不牺牲传输距离或在每个链路中提供多个互连的能力是一个挑战。因此，应减小每个连接器的最大容许衰减。为减小对衰减的光纤内在贡献因素，在芯部直径和数值孔径方面，纤维几何参数的公差可以收紧。

测量芯部直径的方法包括传输近场(TNF)方法，折射近场(RNF)方法和横向干涉(TI)方法。后两种方法旨在直接测量折射率分布的形状，而第一种方法测量当采用满注入法(OFL)激发时光纤端部处的近场。

TNF方法是用于纤维几何测量的一种优选方法，因为相比RNF测量，它的劳动强度和时间耗费一般更低。可通过单一TNF测量获得光纤几何参数，包括光纤外径(包覆层)和非圆度，光纤芯部直径和非圆度以及芯部包覆层同心度。在剥离一般2米的样品的两个端部的涂层后，裸露光纤在两个端部处裂开并被插入测量装置。850nm发光二极管(LED)将光耦合到光纤芯部中，光纤的另一端部被投射到CCD相机上。在理想情况下，被照射的光纤端面的单一图像足以确定光纤的几何参数。TNF成像设置示意性地在图16中示出。

不过，基于再切割光纤，TNF几何测量的结果可变。芯部直径测量的这一变化实际可达十分之几微米。对于每一个新的测量，在围绕伸出的光纤的涂层被剥去后，光纤被重新定位在固定器中，并且再切割裸露光纤。替换光纤几何装置的标准工具的机械工具允许使用者围绕其光轴旋转光纤。测量方法决定相对于光纤的光轴的端面角度，以及光纤相对于工具的角偏差。

记录的包覆层非圆度取决于光纤相对于仪器的光轴的取向。借助模型，多个因素在观察到的包覆层非圆度变化中起作用。即使对于圆形光纤，有限切割角度的组合，和工具相对于光轴的角偏差或仪器的两个笛卡尔相机轴的不当校准或两者，将造成表观取决于取向的包覆层非圆度。在其顶部，光纤实际上可以是非圆的，引起更高的旋转角谐波出现。

通过对多个切割的测量，获得对于真实包覆层非圆度和仪器上的表观工具偏差(或仪器校准误差)的一致结果。对于所有此类测量，光纤中的注入方法保持不变。除在相机侧旋转光纤的效应外，还可存在在记录的芯部直径上改变光纤弯曲半径的效应。

2.光纤几何测量

光纤样品在TNF测量装置中对准。保持LED侧的工具和切割在全部后续测量中不被接触的同时，在接收侧可在从0度以45度的间隔到360度的九个取向作出测量。所得的记录的芯部直径显示在图2中，对应接收侧的12个切割。

对每个切割和每个取向，测量光纤几何参数。TNF芯部直径被定义为在以2.5％的强度用椭圆拟合被测量的轮廓后获得的直径。随后将非圆度定义为，

其中nc表示非圆度，D_最大和D_最小表示拟合椭圆的长轴和短轴，D_平均表示TNF芯部直径。在测量样品后，光纤在工具后被直接切断，使得它可被移动到通用共焦显微镜，同时保持参照取向。图3显示扫描的一个示例。它清楚地显示了前缘处的尖状缺陷，在该处启动切割。平面通过每个测得的端面表面拟合。虽然形状可能看起来不能很好地以平面代表，应当注意图像没有按比例显示。标示的高度差别(相对显微镜的光轴测得)在此示例中小于2.5μm，而直径是125μm。借助至少两个以已知的旋转(围绕光纤轴)的扫描，可辨别相对于横截面的取向和切割角度，以及相对于显微镜光轴的光纤轴线角度(和取向)。收集四个取向的扫描，它们给出了得到切割角度(和取向)和光纤工具偏离(和取向)的六个排列。这些结果的平均值被用于估计切割角度(和取向)。切割角度的标准偏差小于0.05度，但通常更小。光纤轴相对于显微镜的偏差约为0.1度。

在这一示例中，切割角度常常等于1度。所得的用于十二个样品的切割角度在图4中显示。

样品四的切割角度较小，且该样品将证明对分析十分有用。此外，比较图2和图4，似乎不存在切割角度和记录的芯部直径的变化之间的直接联系。例如，样品四未显示出记录的芯部直径比图2中的样品七更小的变化。

在类似切割角度测量的方式中，工具内部的光纤被转动，但现在处在可商购的TNF测量装置上。其动机是如果使用标准固定器，光纤会偏离仪器而难以确定。

记录的包裹层非圆度随固定器中的光纤取向呈周期性。尽管非圆度较小，测量是完全可重复的，如下文图5所示，为此使光纤旋转三次。

除135度处的明显异常值外，测量方法是可重复的。

3.基于模型的数据解释

为了对光纤包覆层的周长进行一般描述，使用对具有非圆度和取向的椭圆的参数化描述。通过采用合适的横截面，计算切割角度和切割取向。相对相机角度偏离的光纤可通过将横截面投影到检测器平面上建模。检测器的笛卡尔轴的两个放大系数的错误配置还可导致表观非圆度，这可通过沿检测器轴的适当缩放计算。不过，在此示例中，不打算辨别工具偏离和检测器校准误差，该示例使用单元缩放因数并假设系统是校准的。

在光纤是完全圆形的情况下，当存在非零切割角度和工具偏离时，光纤的旋转仅导致记录的包裹层非圆度的改变。这会导致360度的一个周期，如图10(c)中的虚线所示。在光纤也具有有限包裹层非圆度的情况下，第二旋转角度谐波如实线所示变得明显，如图6(c)中的示例所示。(图6还示出被切割光纤的透(侧)视图，来自TNF检测器的被切割光纤的(b)视图。)

在这种情况下，发现真实包裹层的非圆度为0.16％。峰-到-谷幅度是由于约两度的工具偏离和有限切割角度造成的。假设方程(1)中的0.16％非圆度对应于125+0.10μm的取决于取向的直径，真实包裹层非圆度通过此方法持续可测量。即使此包裹层非圆度很小，从连接器制造的观点看它是可造成将光纤插入连接器套筒的困难的最大尺寸。

为了将两米的光纤样品与仪器上的插座对准，可能不得不弯曲光纤。弯曲半径可影响记录的多模式光纤的芯部直径。在一项实验中，与仪器上的标记一致的280mm的弯曲直径，在图7中用虚线表示。随后以2的系数减小弯曲直径，同时保持长度相同。当弯曲直径减小时，TNF芯部直径快速减小。在第一阶段，直径减小0.3μm。在第二阶段，减小已超过1微米，尽管弯曲的直径仍大于仪器上的内部标记。没有提到光纤几何标准中的弯曲直径，但可能应当考虑，以便进行可靠的测量。

当多模式光纤弯曲时，高阶模式趋于渗透到包覆层中，影响测得的近场图形。

在图8-图12中给出模拟表观(测量)纤维特性的其他示例。图8-12中的每一个示出被切割光纤的透(侧)视图和来自TNF检测器的被切割光纤的(b)视图。在图8(c)中，随光纤取向而变化的表观包覆层非圆度的值(如模型所预测的)显示为代表零实际包覆层非圆度、零切割角度和零光纤角度偏离的组合。如所预期的，无论光纤取向如何，该值都为零。

图9(c)示出如模型所预测的随光纤取向而变化的代表零实际包覆层非圆度、非零切割角度和零光纤角度偏离的组合的表观包覆层非圆度。同样，无论光纤取向如何，该值都为零。

图10(c)示出如模型所预测的随光纤取向而变化的代表除去仪器缺陷的零实际包覆层非圆度、非零切割角度(在此情形下为20°)和非零光纤角度偏离(在此情形下为20°)的组合的包覆层非圆度的值。表观包覆层非圆度显示光纤每转的变化的单一周期。

图11(c)示出如模型所预测的作为光纤取向的函数的代表非零实际包覆层非圆度(在此情形中为10％)、零切割角度和非零光纤角度偏离(在此情形中为20°)的组合的表观包覆层非圆度的值。表观包覆层非圆度具有更高的谐波变化，例如，具有在光纤每转表观包覆层非圆度中的多重循环变化的分量。

图(12)示出如模型所预测的随光纤取向变化的代表非零实际包覆层非圆度(在此情形中为10％)、非零切割角度(在此情形中为20％)和非零光纤角度偏离(在此情形中为20°)的组合的表观包覆层非圆度。类似图11中表明的情形，表观包覆层非圆度具有更高的谐波变化。

注意到上文描述的方法不仅得出实际光纤特性(例如，包覆层非圆度)，而且得出仪器缺陷(例如，切割角度和光纤角度偏离)。在图6中显示的示例中，除获得0.16％的真实包覆层非圆度外，该方法进一步得出切割角度(0.28°)和光纤角度偏离(4°)。此外注意到通过此方法获得的光纤特性(例如，包覆层非圆度)一般不同于所有测量的单纯平均值。例如，包覆层非圆度的平均值约为0.26，但真实包覆层非圆度约为0.16。

4.结论

通过可商购的TNF测量装置上的一系列实验，表明记录的芯部直径的变化的多种原因。当光纤样本经受再切割时最为明显。此外，观察到当旋转光纤时所记录的包覆层非圆度出现的周期行为。利用模型，用户可测量真实包覆层非圆度，以及仪器上一致方式的光纤偏离。此外，发现光纤弯曲对记录的YNF芯部直径有影响。

图13-图15显示允许光纤测量过程中的光纤旋转的工具的示例。标准夹具A伴随已知的TNF装置。它具有V形沟槽块B以对准光纤，且两个弹簧用于将V形沟槽块推到机械止动件以保持光纤锁定在V形沟槽中。利用旋钮C，用户可将V形沟槽推离机械止动件，并从夹具插入(或移除)光纤。这一标准工具可在装置的LED侧使用，在该处光耦合到光纤中。

图13和图14显示可在装置的相机侧使用的示例旋转工具D。这些附图显示包含套筒的铝制块E。在块的前端可见圆形陶瓷套筒的端面。块还包含抓牢光纤并允许用户旋转光纤的机械部件。由于光纤装配在狭窄的套筒孔内，光纤的伸出部分可仅围绕其自身的轴旋转。光纤由此在套筒孔内旋转。后视图显示促进旋转的部件F。该视图显示可允许保持光纤取向的轨迹的标记。铝制块自身由此保持在测量过程中在装置中不受接触。类似于标准工具，它具有到仪器的磁性固定。尽管旋转光纤的部件上的标记提供取向的轨迹，跟随来自检测器相机图像的包覆层轮廓上的一些小但可注意到的缺陷或污染是可能的。其他装置可用于保证光纤仅旋转，包括V形槽装置。

示例工具D中的套筒类似于(或相同于)在诸如SC连接器的光纤连接器中使用的套筒。

由此，根据本公开已取得有效而准确地测量和量化光纤中的瑕疵以及仪器缺陷的方法。由于可作出本发明的许多实施例而不背离本发明的精神和范围，本发明归于后附的权利要求。

Claims (13)

1.一种用于测试光纤的方法，包括：

利用光纤测试仪器测量光纤在围绕其光轴的旋转的多个旋转角度处的特性，以通过所述测量产生表示在所述多个旋转角度处测得的所述特性的值的多个数据点；

形成使所述特性作为可变参数的光纤模型，并通过所述模型产生在特性的预期测得值、所述旋转角度与所述可变参数之间的函数关系；

根据一个或多个预定的标准使所述参数变化以将所述函数关系与所述数据点拟合；

基于拟合确定所述特性的值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述可变参数变化以将所述函数关系与所述数据点拟合包括最小化所述函数关系与所述数据点之间的差的数学范数。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，最小化数学范数包括进行所述函数关系与所述数据点的最小二乘拟合。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，形成所述光纤的模型进一步包括作为另外可变参数的关于所述测试仪器的量，其中通过所述模型产生函数关系包括通过所述模型产生所述特性的预期测得值、所述旋转角度、所述可变参数与所述另外可变参数之间的函数关系，并且其中，使所述参数变化以将所述函数关系与所述数据点拟合包括使所述可变参数和另外可变参数变化。

5.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，测量光纤的特性包括测量光纤芯部直径或非圆度、光纤包覆层直径或非圆度、或者芯部-包覆层同心度。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，关于所述测试仪器的量包括取决于所述光纤和所述仪器之间的角度对准的量。

7.根据权利要求4所述的方法，进一步包括切割所述光纤以产生切割端部表面，其中关于测试仪器的量包括取决于所述切割端部表面和所述光纤的光轴之间的角度的量。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，测量光纤的特性包括测量光纤芯部直径或非圆度、光纤包覆层直径或非圆度、或者芯部-包覆层同心度。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，测量光纤的特性包括测量光纤芯部直径或非圆度、光纤包覆层直径或非圆度或芯部-包覆层同心度。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，关于所述测试仪器的量进一步包括取决于所述光纤和所述仪器之间的角度对准的量。

11.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，测量光纤的特性包括切割所述光纤以产生切割端部表面，从所述光纤内照射所述端部表面并形成所述端部表面的图像。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述端部表面的图像包括利用传输近场显微镜。

13.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，确定光纤特性的值包括如果所述特性的测得值随角度旋转的变化包含以比所述旋转角度短的周期变化的分量，则确定所述值是非零的。