CN108613794A - 光缆跳线头内部光纤断点的光谱测量装置和方法 - Google Patents

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张铭
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Abstract

一种光缆跳线头内部光纤断点的光谱测量装置和方法，包括光源模块、干涉仪模块、测量模块及数据处理模块，所述光源模块包括高斯型宽谱光源和扩束准直透镜，所述高斯型宽谱光源输出的激光经过所述扩束准直透镜后变为平行光输出；所述扩束准直透镜输出的光经过分束器分成两路光进入到测量模块；一路光通过会聚透镜将光耦合进待测光纤跳线头中，另一路光入射到扫描反射镜上；分束器分出的两路光分别经待测光纤跳线头的断点和扫描反射镜反射回到干涉仪的输出端形成干涉条纹，通过会聚透镜耦合进光谱仪中，光谱仪接收到的光谱干涉数据传输到计算机进行数据处理。本发明在测量时不需要对扫描镜进行扫描便可对断点进行检测，提高测量的稳定性和实效性。

Description

光缆跳线头内部光纤断点的光谱测量装置和方法
技术领域
本发明涉及光通讯技术领域，具体涉及一种光缆跳线头内部光纤断点的光谱测量装置和测量方法。
背景技术
光缆连接头是实现光纤连接从而达到光传输目的的关键器件。在光缆连接头制造过程中，需要将光纤涂覆层剥除，插入到陶瓷插芯中并用光学胶水固化以达到很好的断面研磨效果。然后在光纤涂覆层剥除的过程中，会不可避免地对光纤纤芯造成损耗。在采用光学胶对插入到陶瓷插芯中的光纤纤芯进行固定时，又会对光纤产生应力而产生二次损坏。这种光缆连接头在工程应用中就极容易出现陶瓷插芯内光纤的断裂而无法实现光传输的目的。要实现如此精密的断点测量，要求测试系统有很高的测量灵敏度和分辨率。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提出的一种光缆跳线头内部光纤断点的光谱测量方法和装置，应用于光缆和光纤跳线头陶瓷插芯内部光纤断点的检测，本发明在测量时不需要对扫描镜进行扫描便可对断点进行检测，提高了测量的稳定性和实效性。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种光缆跳线头内部光纤断点的光谱测量装置，包括依次连接的光源模块、干涉仪模块、测量模块及数据处理模块，其中，
所述光源模块包括高斯型宽谱光源和扩束准直透镜，所述高斯型宽谱光源输出的激光经过所述扩束准直透镜后变为平行光输出；
所述干涉仪模块包括分束器和反射镜，所述扩束准直透镜输出的光经过分束器分成两路光进入到测量模块；
所述测量模块包括会聚透镜、待测光纤跳线头、可调光衰减器及扫描反射镜，所述分束器分出的两路光，一路光通过会聚透镜将光耦合进待测光纤跳线头中，另一路光入射到扫描反射镜上；
所述数据处理模块包括会聚透镜、光谱仪及计算机，所述分束器分出的两路光分别经待测光纤跳线头的断点和扫描反射镜反射回到干涉仪的输出端形成干涉条纹，该干涉条纹通过会聚透镜耦合进光谱仪中，光谱仪接收到的光谱干涉数据传输到计算机。
进一步的，所述分束器分出的两路光，一路光通过会聚透镜将光耦合进待测光纤跳线头中，另一路光经过可调光衰减器后入射到扫描反射镜上。
进一步的，还包括电动平移台，所述扫描反射镜设置在电动平移台上。
进一步的，所述干涉仪采用迈克尔逊干涉仪。
一种光缆跳线头内部光纤断点的光谱测量方法，采用上述测量装置对待测光纤跳线头进行测量,包括以下步骤，
S1:打开高斯型宽谱光源，移动电动平移台，使得光谱仪能接收到干涉条纹；
S2:调节光衰减器，观察所述光谱仪接收到的光谱条纹，使其干涉对比度在0.95-1的范围；
S3：通过光谱仪采集光谱干涉条纹；
S4：通过计算机对所述干涉条纹进行傅里叶变换得到所述干涉条纹的交流项和直流项；
S5：根据所述交流项的数量判断所述待测光纤跳线头内部是否存在断点，及根据所述交流项之间的时间间隔计算内部断点离跳线连接头入射端面的距离。
进一步的，所述通过计算机对所述干涉条纹进行傅里叶变换得到所述干涉条纹的交流项和直流项；具体包括：
S41、光经过扩束准直透镜后进入迈克尔逊干涉仪中，所述迈克尔逊干涉仪的两路光可表示为：
E1＝AEo(ω) (1)
E2＝BEo(ω) (2)
式(1)和式(2)中A和B分别为两路光的衰减系数；
S42、所述迈克尔逊干涉仪固定臂上的光经过待测光纤跳线头后经跳线头陶瓷插芯入射端面和断点处的反射后变成两路光，可分别表示为：
E11＝AαEo(ω) (3)
式(3)和式(4)中α和β为两个反射点的反射率，为跳线头入射端面反射光和断点处的反射光之间的相位差；
S43、所述E1、E2两路光与所述E11、E12两路光分别对应发生干涉而出现两个干涉条纹，在频域上上述两个干涉条纹会出现叠加，通过光谱仪直接得到该叠加的干涉条纹，光谱仪接收到的干涉条纹在频域上可分别表示为：
<I(ω)>＝A2α2<|Eo(ω)|2>+A2β2<|Eo(ω)|2>+B2<|Eo(ω)|2> +2AαB<|Eo(ω)|2>cos[φ1(ω)]+2AβB<|Eo(ω)|2>cos[φ2(ω)] (5)
φ1(ω)和φ2(ω)为固定臂中陶瓷插芯入射端面和断点出两路反射光和扫描镜的反射光之间的光程差；
S43、通过调节衰减器的衰减量调整所述干涉条纹在光谱仪中的干涉光谱图的对比度，从而调整所述干涉光谱图的峰值；
S44、对调整后的光谱干涉条纹进行傅里叶变换，得到直流项和交流项。
(三)有益效果
由上述技术方案可知，本发明利用白光干涉来实现光缆跳线接头处陶瓷插芯内光纤断点的检测，本发明采用迈克尔逊白光干涉仪，待测光纤连接头放置在干涉仪的固定臂，干涉仪的扫描臂是一可调光延迟线，陶瓷端面和插芯内光纤断点处两个表面的反射光会分别与扫描臂上的反射镜的反射光发生干涉，干涉条纹用光谱仪进行接收，对接收到的频域光谱干涉条纹进行傅里叶变换，根据傅里叶变换的交流项的个数便可检测出陶瓷插芯内是否有光纤断点，根据傅里叶变换的交流项之间的间距便可检测出陶瓷插芯内断点离光纤连接头端面的位置。本发明在测量时不需要对扫描镜进行扫描变可对断点进行检测，提高了测量的稳定性和实效性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的光谱仪接收到的频域干涉条纹；
图3是本发明测量方法的干涉条纹傅里叶变换结果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
由如图1所示，本实施例所述的光缆跳线头内部光纤断点的光谱测量装置，包括依次连接的光源模块、干涉仪模块、测量模块及数据处理模块，其中，
所述光源模块包括高斯型宽谱光源101和扩束准直透镜102，所述高斯型宽谱光源101输出的激光经过所述扩束准直透镜102后变为平行光输出；
所述干涉仪模块包括分束器103和反射镜107，所述扩束准直透镜 102输出的光经过分束器103分成两路光进入到测量模块，所述反射镜 107设置在电动平移台108上；，电动平移台108通过数据采集卡进行控制，每次可控制从零点开始运动进行光程扫描，平移台扫描精度设置在100nm左右，不需要进行其它设置；
所述测量模块包括会聚透镜104、待测光纤跳线头105、可调光衰减器106及扫描反射镜107，所述分束器103分出的两路光，一路光通过会聚透镜104将光耦合进待测光纤跳线头105中，另一路光经过可调光衰减器106入射到扫描反射镜107上；
所述数据处理模块包括会聚透镜109、光谱仪201及计算机202，所述分束器103分出的两路光分别经待测光纤跳线头105的断点和扫描反射镜107反射回到干涉仪的输出端形成干涉条纹，该干涉条纹通过会聚透镜109耦合进光谱仪201中，光谱仪201接收到的光谱干涉数据传输到计算机202。
本实施例的工作原理：
高斯型宽谱光源101输出的激光经过扩束准直透镜102后变为平行光输出，该输出光进入一个迈克尔逊干涉仪中。该干涉仪由分束器 103，反射镜107和待测光纤跳线头105组成。进入干涉仪中的光经分束器103后变成两路光，一路光通过会聚透镜104将光耦合进待测光纤跳线头105中，另一路光经过一可调光衰减器106后入射到一扫描反射镜107上。两路光经断点和反射镜反射后在干涉仪的输出端形成干涉条纹，该干涉条纹通过会聚透镜109耦合进光谱仪201中，光谱仪接收到的光谱干涉数据传输到计算机。计算机通过傅里叶变换等信号处理方法得到跳线头中是否存在断点及其位置。
光经过扩束准直后进入迈克尔逊干涉仪中，干涉仪的两路光可表示为：
E1＝AEo(ω) (1)
E2＝BEo(ω) (2)
上式中A和B为两路光的衰减系数。干涉仪固定臂上的光经过待测光纤跳线后经跳线头陶瓷插芯入射端面和断点处的反射后变成两路光，可分别表示为：
E11＝AαEo(ω) (3)
上式中α和β为两个反射点的反射率，为跳线头入射端面反射光和断点处的反射光之间的相位差。这两路光分别与扫描镜的反射光发生干涉而出现两个干涉条纹，具有一定光程差的振动方向相同的两路光即使超出了光源的相干长度，在频域上仍然有干涉条纹的存在。因此在频域上上述两个干涉条纹会出现叠加，通过光谱仪便可直接得到该叠加的干涉条纹，光谱仪接收到的干涉条纹在频域上可分别表示为：
<I(ω)>＝A2α2<|Eo(ω)|2>+A2β2〈|Eo(ω)|2〉+B2〈|Eo(ω)|2〉 +2AαB〈|Eo(ω)|2〉cos[φ1(ω)]+2AβB〈|Eo(ω)|2〉cos[φ2(ω)] (5)
φ1(ω)和φ2(ω)为固定臂中陶瓷插芯入射端面和断点出两路反射光和扫描镜的反射光之间的光程差。光谱干涉条纹如图2所示：
由于出现多个干涉条纹的叠加，所以干涉条纹很难在高斯包络中看到余弦周期性干涉条纹。调节衰减器106的衰减量可以调整干涉光谱图的对比度，从而可以调整上图中干涉光谱图的峰值。可调衰减器 106可通过调节干涉仪两臂光强度，使干涉条纹的对比度在0.95-1范围，若干涉仪两臂光强度相等，此时干涉条纹的对比度接近1为最佳状态。干涉条纹的对比度可根据图2光谱图中的最大光强和最小光强来计算。
然后对该光谱干涉条纹进行傅里叶变换，就可以得到一个直流项和两个交流项，如图2所示。P0为干涉条纹的直流项，P1为待测光纤跳线头陶瓷插芯入射端表面的位置，P2为断点处位置。图中交流项和直流项之间的时间差等于固定臂上两路光与扫描臂上反射光之间的光程差，根据交直流项之间的延时差t，光速c和光纤的折射率n并通过ct/n便可得到待测断点离光纤跳线头陶瓷插芯入射端面的距离。光谱干涉条纹傅里叶变换结果中交流项的个数就代表待测光纤跳线头在干涉仪固定臂中的反射光个数，如果交流项个数为1，则代表待测光纤跳线头内部没有断点，如果有两个交流项，则代表有断点。由于该方法能在超过光源相干长度的范围内都能得到干涉条纹，因此在测量前，只需要调节扫描臂的位置，使得能出现干涉条纹，在测量时，不需要调节扫描臂的位置就可进行测量。
图3干涉条纹傅里叶变换结果；该方法的厚度测量灵敏度有光源的中心波长λ0和光源谱宽Δλ决定，并具有如下关系：
若光源中心波长为1550nm，谱宽为50nm，则系统的厚度测量灵敏度为48微米。本实施例的工作流程如下所示：
(1)打开激光器，移动平移台，使得光谱仪能接收到干涉条纹，调节光衰减器106，观察光谱仪接收到的光谱条纹，使其干涉对比度最佳。
(2)通过光谱仪直接采集光谱干涉条纹，电脑对该干涉条纹进行傅里叶变换就可以得到干涉条纹的交流项和直流项，根据交流项的数量可以判断待测光纤跳线头内部是否存在断点，根据交流项之间的时间间隔就可以得到内部断点离跳线连接头入射端面的距离。
综上，本发明实施例提出了一种新的利用白光干涉来实现光缆跳线接头处陶瓷插芯内光纤断点的检测方法和装置，该方法在测量时不需要对扫描镜进行扫描变可对断点进行检测，提高了测量的稳定性和实效性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种光缆跳线头内部光纤断点的光谱测量装置，其特征在于：包括依次连接的光源模块、干涉仪模块、测量模块及数据处理模块，其中，
所述光源模块包括高斯型宽谱光源(101)和扩束准直透镜(102)，所述高斯型宽谱光源(101)输出的激光经过所述扩束准直透镜(102)后变为平行光输出；
所述干涉仪模块包括分束器(103)和反射镜(107)，所述扩束准直透镜(102)输出的光经过分束器(103)分成两路光进入到测量模块；
所述测量模块包括会聚透镜(104)、待测光纤跳线头(105)、可调光衰减器(106)及扫描反射镜(107)，所述分束器(103)分出的两路光，一路光通过会聚透镜(104)将光耦合进待测光纤跳线头(105)中，另一路光入射到扫描反射镜(107)上；
所述数据处理模块包括会聚透镜(109)、光谱仪(201)及计算机(202)，所述分束器(103)分出的两路光分别经待测光纤跳线头(105)的断点和扫描反射镜(107)反射回到干涉仪的输出端形成干涉条纹，所述干涉条纹通过会聚透镜(109)耦合进光谱仪(201)中，光谱仪(201)接收到的光谱干涉数据传输到计算机(202)。
2.根据权利要求1所述的光缆跳线头内部光纤断点的光谱测量装置，其特征在于：所述分束器(103)分出的两路光，一路光通过会聚透镜(104)将光耦合进待测光纤跳线头(105)中，另一路光经过可调光衰减器(106)后入射到扫描反射镜(107)上。
3.根据权利要求2所述的光缆跳线头内部光纤断点的光谱测量装置，其特征在于：还包括电动平移台(108)，所述扫描反射镜(107)设置在电动平移台(108)上。
4.根据权利要求3所述的光缆跳线头内部光纤断点的光谱测量装置，其特征在于：所述干涉仪采用迈克尔逊干涉仪。
5.一种光缆跳线头内部光纤断点的光谱测量方法，其特征在于：采用如权利要求4所述的测量装置对待测光纤跳线头(105)进行测量,包括以下步骤，
S1:打开高斯型宽谱光源(101)，移动电动平移台(108)，使得光谱仪(201)能接收到干涉条纹；
S2:调节光衰减器(106)，观察所述光谱仪(201)接收到的光谱条纹，使其干涉对比度在0.95-1的范围；
S3：通过光谱仪(201)采集光谱干涉条纹；
S4：通过计算机(202)对所述干涉条纹进行傅里叶变换得到所述干涉条纹的交流项和直流项；
S5：根据所述交流项的数量判断所述待测光纤跳线头(105)内部是否存在断点，及根据所述交流项之间的时间间隔计算内部断点离跳线连接头入射端面的距离。
6.根据权利要求5所述的一种光缆跳线头内部光纤断点的光谱测量方法，其特征在于：所述通过计算机(202)对所述干涉条纹进行傅里叶变换得到所述干涉条纹的交流项和直流项；具体包括：
S41、光经过扩束准直透镜(102)后进入迈克尔逊干涉仪中，所述迈克尔逊干涉仪的两路光可表示为：
E1＝AEo(ω) (1)
E2＝BEo(ω) (2)
式(1)和式(2)中A和B分别为两路光的衰减系数；
S42、所述迈克尔逊干涉仪固定臂上的光经过待测光纤跳线头(105)后经跳线头陶瓷插芯入射端面和断点处的反射后变成两路光，可分别表示为：
E11＝AαEo(ω) (3)
式(3)和式(4)中α和β为两个反射点的反射率，为跳线头入射端面反射光和断点处的反射光之间的相位差；
S43、所述E1、E2两路光与所述E11、E12两路光分别对应发生干涉而出现两个干涉条纹，在频域上上述两个干涉条纹会出现叠加，通过光谱仪(201)直接得到该叠加的干涉条纹，光谱仪(201)接收到的干涉条纹在频域上可分别表示为：
<I(ω)〉＝A2α2〈|Eo(ω)|2〉+A2β2〈|Eo(ω)|2>+B2<|Eo(ω)|2>+2AαB<|Eo(ω)|2>cos[φ1(ω)]+2AβB<|Eo(ω)|2>cos[φ2(ω)] (5)
φ1(ω)和φ2(ω)为固定臂中陶瓷插芯入射端面和断点出两路反射光和扫描镜的反射光之间的光程差；
S44、对所述光谱干涉条纹进行傅里叶变换，得到直流项和交流项。
7.根据权利要求6所述的一种光缆跳线头内部光纤断点的光谱测量方法，其特征在于：在步骤S44之前，还包括通过调节衰减器(106)的衰减量调整所述干涉条纹在光谱仪(201)中的干涉光谱图的对比度，进而调整所述干涉光谱图的峰值。
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