CN113933023B

CN113933023B - 一种mpo光纤的功率测量和通断检测设备及其方法

Info

Publication number: CN113933023B
Application number: CN202111203828.3A
Authority: CN
Inventors: 卢荣胜; 陈耕阳
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2041-10-15
Also published as: CN113933023A

Abstract

本发明公开了一种MPO光纤的功率测量和通断检测设备及其方法，该设备包括：待测光纤、外壳、内部光路、光功率探测器、红外相机和计算机；内部光路由4个透镜、1个分光镜以及1个反射镜构成；待测光纤出射光经过内部光路后分为两路，一路透射光入射到到光功率探测器用于待测光纤的光功率测量，另一路反射光入射到红外相机靶面用于待测光纤中各通道光信号的通断检测。本发明可以对不同波长的光信号进行检测，且能够解决现有的MPO光功率测量设备操作繁琐，光纤多次插拔导致寿命降低，耦合效率低，连接损耗过大，且无法准确的对所测光功率进行数据分析的问题。

Description

一种MPO光纤的功率测量和通断检测设备及其方法

技术领域

本发明涉及光学测量、光学成像领域，具体地说是一种MPO光纤的功率测量和通断检测设备及其方法。

背景技术

面对日益增加的高速、大容量的光通信系统需求，MPO光纤系统渐渐成为了行业的热门选择。它集成了12芯、24芯等多通道光信号为一个整体，拥有芯数多、体积小、传输速率高等优势。MPO光纤连接器端面如图1所示，一排12个纤芯，根据实际需求可以有1排、2排甚至更多，左右两侧有两个导引孔，用于插针固定。

目前通常的MPO光纤光功率测试通常为以下流程：首先把单通道光源出射光如FC接口)用1分N的跳线接到第一个MPO接口输入端，从而将单通道信号转变为多通道信号。然后再将第一个MPO接口输出端用待测MPO光纤连接到第二个MPO接口输入端，最后将第二个MPO输入端用N合一跳线连接到光功率计的输入端，实现多通道信号转化为单通道信号，最终使用光功率计测得光功率值。测量原理图如图2所示。此种方法虽然可以测出大致数值，但是存在一些问题，如过多的连接器件产生的损耗会影响最终数值，以及光器件的频繁插拔也会对精度产生影响。

采用上述方法做实验后，所测量的是12芯的MPO光纤，不同之处在于多加了一项用来检测光信号通断的功能。相较于上述方案，将12合1跳线更换为12个1分2分路器所采用的1分2分路器为1个PC接口分为1个PC接口和1个APC接口)。这样相当于分成24路光信号，即12路PC接口光信号和12路APC接口光信号。然后把12路PC接口用12合1跳线连接到光功率计上测量功率，12个APC接口的每一路光信号分别使用光电二极管检测通断性。在波长为850nm、光源功率为220μw的情况下，最终光功率计测量结果仅为38μw左右，还不到理论值110μw)的40％。因此说明此方案的能量损耗是非常大的。通断检测需要把12路APC接口分别接上光电二极管，然后再用万用表测量电压值，进而判断每路光纤有无光信号，操作较为繁琐。且在测量通断之前，需要确保除待测MPO光纤外，所有光器件功能都是正常的，否则如遇到断路情况，无法判断是MPO光纤通道断路还是其他光器件断路。

除了上述测量MPO光纤光功率的方法，目前国内有人提出了用孔径光阑加透镜耦合的方法测量光功率，虽然能实时探测到光功率，但是存在三个缺点。一是无法进行数值记录以及图表分析等功能；二是在测量芯数不同的MPO光纤时，需手动更换相对应的孔径光阑，测量工序略繁琐；三是由于内部光路是固定的，在遇到光源波长变化时，光路结构无法进行调整，无法达到理想效果。在检测MPO光信号通断方面，也有人提出用一种大功率可视激光检测MPO光器件通断的方法，原理是用大功率激光照射透镜形成光斑，然后把光斑聚焦到MPO输入端口，最后用肉眼观察MPO出射端情况，判断MPO光器件通断性。此方法虽然原理简单，但是存在诸多缺点，例如对光源要求高，需要良好的散热设备供激光器散热，肉眼观察存在不确定性等等。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种MPO光纤的功率测量和通断检测设备及其方法，以期能检测不同波长的光信号，且在检测MPO光信号通断过程中提高检测准确率，从而解决现有的MPO光功率测量设备操作繁琐，光纤多次插拔影响其寿命，耦合效率低，连接损耗过大，且无法准确的对所测光功率进行数据分析的问题。

本发明为解决技术问题所采用的的技术方案为：

本发明一种MPO光纤的功率测量和通断检测设备的特点包括：外壳、内部光路、光功率探测器、红外相机、待测光纤、计算机；

在所述外壳的一侧开设一个输入端口，并作为MPO适配器接口；与所述输入端口相对的一侧外壳上开设两个输出端口，并分别为光功率探测器接口和红外相机探测窗口；

在所述外壳内的底部设置由4个透镜、1个分光镜以及1个反射镜构成的内部光路结构；其中，4个透镜包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜；4个透镜的镜面上均镀有增透膜，所述反射镜的镜面上镀有增反膜；

所述MPO适配器接口与后方的待测光纤相连接；在所述MPO适配器接口的正前方依次设置有所述第一透镜、所述分光镜所述第二透镜、所述第三透镜，并与所述光功率探测器接口同轴；沿所述分光镜的中心轴线顺时针旋转90°方向上设置有所述反射镜；所述反射镜的正前方

处设置有所述第四透镜，其中，f为所述第四透镜焦距值；所述第四透镜与红外相机探测窗口同轴；且所述第四透镜的底座设有集成测距装置的电动位移台；

所述光功率探测器接口与所述光功率探测器相连，所述光功率探测器是由探头、放大器、模数转换器、输出单元依次相连而成；

所述红外相机探测窗口与所述红外相机相连；

所述计算机与光功率探测器的输出单元、所述红外相机的输出端口通过USB相连接。

本发明一种MPO光纤的功率测量和通断检测方法的特点是，采用所述的功率测量和通断检测设备，并按如下步骤进行：

S1.利用计算机设定待测光纤的光纤芯数、待测光纤的波长λ、测量周期；

S2.在当前测量周期下，所述待测光纤的出射光到达第一透镜后，经所述第一透镜出射的光进入分光镜，使得所述出射光分为两路光束，包括透射光束和反射光束；且所述透射光束和反射光束光功率的相等，均为待测光纤的出射光的总功率一半；

S3.所述透射光束依次经过所述第二透镜和第三透镜的准直和聚焦过程后，最终在光功率探测器接口上进行能量聚焦，供所述光功率探测器接收；

反射光束依次经过反射镜和第四透镜后，最终通过红外相机探测窗口在所述红外相机的靶面上成像，并将成像图发送给所述计算机；

S4.所述光功率探测器接收的透射光信号先到达光功率探测器的探头的表面，并将透射光信号转换为电信号I；所述电信号I经过所述放大器的放大处理和转换后，得到模拟电压信号U1；并由所述模数转换器转换为电压数字信号U后通过所述输出单元发送给计算机；

S5.所述计算机接收到电压数字信号U后，根据探头的电压响应度R，计算出所述透射光信号的功率

从而通过式(1)得到补偿后的待测光纤的功率Ρ：

式(1)中，l表示所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的厚度之和；α表示MPO适配器接口的插入损耗值；δ表示当前测量周期下光波长λ所对应的待测光纤的光纤衰减系数；γ表示待测光纤的长度；

S6.对所述第四透镜的位置进行调整：

S6.1.设置每次移动的距离为σ，每次移动的时间间隔为T；当前移动次数为μ，并初始化μ＝1；

S6.2.所述计算机利用所述电动位移台控制所述第四透镜的底座向前方第μ次进行水平移动，并记录第μ次移动后所述红外相机的靶面成像图，从而利用式(2)计算出第μ次移动下靶面成像图的质量系数m_μ：

式(2)中，

表示第μ次移动下靶面成像图中光斑的内部杂散点系数；/>

表示第μ次移动下靶面成像图中光斑的灰度值一致性系数，/>

表示第μ次移动下靶面成像图中光斑的圆度系数；a表示光斑内部杂散点系数的权重；b表示光斑灰度值一致性系数的权重；c表示光斑圆度系数的权重；当μ＝1时，令m₀＝0；

S6.3.若m_μ＜m_μ-1，则停止移动，并将第μ-1次的移动位置作为最佳位置，从而控制所述第四透镜达到所述最佳位置，然后利用测距仪测出当前第四透镜的底座与所述红外相机探测窗口之间的距离s，从而得到所述待测光纤中光波长λ与距离s的数据对(λ,s)，否则，将μ+1赋值给μ，并返回步骤S6.2；

S7.所述计算机根据所接收到的成像图来判断光纤通断情况：

若最佳位置上的靶面成像图显示的光斑个数与光纤芯数相同，则表示待测光纤的每一路通道为通路；否则，表示所述待测光纤的通道存在断路，并根据所述最佳位置上的靶面成像图中缺失的光斑位置判断出断路通道所在的位置。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明通过采用透镜耦合及分光的方法搭建光路结构，待测光纤出射光经过内部光路结构后分为两路光，一路透射光入射到到光功率探测器用于待测光纤的光功率测量，另一路反射光入射到红外相机靶面用于待测光纤中各通道光信号的通断检测，在功率计算过程中采用了补偿算法，使测得值相较于传统功率计算方法精度更高；相较于传统人工对光纤内部进行通断检测的方法，本发明通过红外相机靶面上的光斑数量来判断待测光纤内部各通道的通断情况，并利用计算机对第四透镜位移台进行自动控制，使红外相机的靶面成像图质量达到最佳，从而能更直观、更准确、更方便地根据光斑成像图判断待测光纤内部通道是否存在坏道现象。本发明能对12、24芯甚至更多芯数的MPO光纤进行功率测量和通断检测，且在测量不同芯数的MPO光纤期间无需调整内部光路结构，省时高效。

2、本发明采用的功率测量方法，相较于传统方法，避免了连接器和跳线插拔带来的损耗等相关问题，拥有损耗低、速度快、效率高等优点，且可以实现数值记录和图表分析等功能，并相比其他同类方法，无需大功率激光光源，无散热问题干扰，能快速确定断路通道所在位置。

附图说明

图1是现有技术中MPO连接器端面图；

图2是现有技术中传统MPO光纤功率测量原理图；

图3是本发明提出的设备结构原理图；

图4是本发明光功率探测器内部组成示意图；

图5是本发明测量和检测的方法流程图；

图6是MPO光纤内部各通道的位置分布图；

图7是相机靶面成像图中各光斑的位置分布图；

图中标号：20、内部光路，201、第一透镜，202、分光镜，203、第二透镜，204、第三透镜，205、反射镜，206、第四透镜；30、光功率探测器，301、探头，302、放大器，303、模数转换器，304、输出单元；40、红外相机；50、待测光纤；60、计算机；A1、MPO光纤适配器接口；B1、光功率探测器接口；C1红外相机探测窗口。

具体实施方式

本实施例中，如图3所示，一种MPO光纤的功率测量和通断检测设备，是采用透镜耦合及分光的方法搭建光路，可以同时实现功率测量和通断检测两个功能。并由外壳、内部光路20、光功率探测器30、红外相机40、待测光纤50、计算机60构成。

外壳侧壁左侧开设一个输入端口，即MPO适配器接口A1。与输入端口相对的侧壁右侧开设两个输出端口，分别为光功率探测器接口B1和红外相机探测窗口C1。

内部光路结构20，是由四个透镜，1个分光镜202以及1个反射镜205构成。四个透镜均镀上增透膜，反射镜205镀增反膜；

四个透镜包括：第一透镜201、第二透镜203、第三透镜204、第四透镜206；

MPO适配器接口A1与后方的待测光纤50相连接；

内部光路的结构为：在MPO适配器接口A1的正前方依次设置有第一透镜201、分光镜202第二透镜203、第三透镜204，并与光功率探测器接口B1同轴；沿分光镜202的中心轴线顺时针旋转90°方向上设置有反射镜205；反射镜205的正前方

处设置有第四透镜206，其中，f为第四透镜206焦距值；第四透镜206与红外相机探测窗口C1同轴；且第四透镜206的底座设有集成测距装置的电动位移台；

如图4所示，光功率探测器接口B1与光功率探测器30相连，光功率探测器30是由探头301、放大器302、模数转换器303、输出单元304依次相连而成；

红外相机探测窗口C1与红外相机40相连；

计算机60与光功率探测器30的输出单元304、红外相机40的输出端口通过USB相连接。

如图5所示，本实施例中，一种基于透镜分光耦合法对MPO光纤进行功率测量和通断检测的方法，采是用上述装置并按以下步骤进行：

S1.利用计算机60设定待测光纤50的光纤芯数、待测光纤50的波长λ、测量周期；

S2.在当前测量周期下，待测光纤50的出射光到达第一透镜201后，经第一透镜201出射的光进入分光镜202，使得出射光分为两路光束，包括透射光束和反射光束；且透射光束和反射光束光功率的相等，均为待测光纤50的出射光的总功率一半；

S3.透射光束依次经过第二透镜203和第三透镜204的准直和聚焦过程后，最终在光功率探测器接口B1上进行能量聚焦，供光功率探测器30接收；

反射光束依次经过反射镜205和第四透镜206后，最终通过红外相机探测窗口C1在红外相机40的靶面上成像，并将成像图发送给计算机60；

S4.光功率探测器30接收的透射光信号先到达光功率探测器30的探头301的表面，并将透射光信号转换为电信号I；电信号I经过放大器302的放大处理和转换后，得到模拟电压信号U1；并由模数转换器303转换为电压数字信号U后通过输出单元304发送给计算机60；

S5.计算机60接收到电压数字信号U后，根据探头301的电压响应度R，计算出透射光信号的功率

从而通过式(1)得到补偿后的待测光纤50的功率Ρ：

式(1)中，l表示第一透镜201、第二透镜203和第三透镜204的厚度之和；α表示MPO适配器接口A1的插入损耗值；δ表示当前测量周期下光波长λ所对应的待测光纤50的光纤衰减系数；γ表示待测光纤50的长度；

S6.对第四透镜206的位置进行调整：

S6.2.计算机60利用电动位移台控制第四透镜206的底座向前方第μ次进行水平移动，并记录第μ次移动后红外相机40的靶面成像图，从而利用式(2)计算出第μ次移动下靶面成像图的质量系数m_μ：

式(2)中，

表示第μ次移动下靶面成像图中光斑的内部杂散点系数；/>

表示第μ次移动下靶面成像图中光斑的灰度值一致性系数，/>

表示第μ次移动下靶面成像图中光斑的圆度系数；a表示光斑内部杂散点系数的权重，取值0.4；b表示光斑灰度值一致性系数的权重，取值0.3；c表示光斑圆度系数的权重，取值0.3。当μ＝1时，令m₀＝0；

S6.3.若m_μ＜m_μ-1，则停止移动，并将第μ-1次的移动位置作为最佳位置，从而控制第四透镜206达到最佳位置，然后利用测距仪测出当前第四透镜206的底座与红外相机探测窗口C1之间的距离s，从而得到待测光纤50中光波长λ与距离s的数据对(λ,s)，否则，将μ+1赋值给μ，并返回步骤S6.2；

S7.计算机60根据所接收到的成像图来判断光纤通断情况：

如图7所示，若最佳位置上的靶面成像图显示的光斑个数与光纤芯数相同，则表示待测光纤50的每一路通道为通路；否则，表示待测光纤50的通道存在断路，并根据图6和图7中(以24芯MPO光纤为例)待测光纤内部各通道与成像图各光斑的对应关系判断出断路通道所在的位置。

S8.在下一次测量过程中，若待测光纤50中光的波长值λ在(λ,s)记录中可以找到，系统会根据第四透镜206底座距离红外相机探测窗口C1的值s，控制第四透镜206快速到达最佳位置。否则，系统会返回S6步骤进行控制，并记录新值(λ,s)。

综上所述，本申请一种MPO光纤的功率测量和通断检测设备，通过获取待测MPO光纤接口的光信号，可以进行不同波长的光信号、不同芯数MPO光纤的功率测量和通断检测。解决了在光功率测试过程中效率低、操作繁琐的问题，通过采用补偿算法，使测得值相较于传统功率计算方法精度更高；在通断检测功能上，相较于传统人工对光纤内部进行通断检测的方法，本申请通过红外相机靶面上的光斑数量来判断待测光纤内部各通道的通断情况，根据算法利用计算机对第四透镜位移台进行自动控制，使红外相机的靶面成像图质量达到最佳，从而能更直观、更准确、更方便地根据光斑成像图判断待测光纤内部通道是否存在坏道现象。故本发明在光学测量、光学成像领域都有着一定的推广意义。

Claims

1.一种MPO光纤的功率测量和通断检测设备，其特征包括：外壳、内部光路(20)、光功率探测器(30)、红外相机(40)、待测光纤(50)、计算机(60)；

在所述外壳的一侧开设一个输入端口，并作为MPO适配器接口(A1)；与所述输入端口相对的一侧外壳上开设两个输出端口，并分别为光功率探测器接口(B1)和红外相机探测窗口(C1)；

在所述外壳内的底部设置由4个透镜、1个分光镜(202)以及1个反射镜(205)构成的内部光路结构(20)；其中，4个透镜包括：第一透镜(201)、第二透镜(203)、第三透镜(204)、第四透镜(206)；4个透镜的镜面上均镀有增透膜，所述反射镜(205)的镜面上镀有增反膜；

所述MPO适配器接口(A1)与后方的待测光纤(50)相连接；在所述MPO适配器接口(A1)的正前方依次设置有所述第一透镜(201)、所述分光镜(202)所述第二透镜(203)、所述第三透镜(204)，并与所述光功率探测器接口(B1)同轴；沿所述分光镜(202)的中心轴线顺时针旋转90°方向上设置有所述反射镜(205)；所述反射镜(205)的正前方

处设置有所述第四透镜(206)，其中，f为所述第四透镜(206)焦距值；所述第四透镜(206)与红外相机探测窗口(C1)同轴；且所述第四透镜(206)的底座设有集成测距装置的电动位移台；

所述光功率探测器接口(B1)与所述光功率探测器(30)相连，所述光功率探测器(30)是由探头(301)、放大器(302)、模数转换器(303)、输出单元(304)依次相连而成；

所述红外相机探测窗口(C1)与所述红外相机(40)相连；

所述计算机(60)与光功率探测器(30)的输出单元(304)、所述红外相机(40)的输出端口通过USB相连接。

2.一种MPO光纤的功率测量和通断检测方法，其特征是，采用如权利要求1所述的功率测量和通断检测设备，并按如下步骤进行：

S1.利用计算机(60)设定待测光纤(50)的光纤芯数、待测光纤(50)的波长λ、测量周期；

S2.在当前测量周期下，所述待测光纤(50)的出射光到达第一透镜(201)后，经所述第一透镜(201)出射的光进入分光镜(202)，使得所述出射光分为两路光束，包括透射光束和反射光束；且所述透射光束和反射光束光功率的相等，均为待测光纤(50)的出射光的总功率一半；

S3.所述透射光束依次经过所述第二透镜(203)和第三透镜(204)的准直和聚焦过程后，最终在光功率探测器接口(B1)上进行能量聚焦，供所述光功率探测器(30)接收；

反射光束依次经过反射镜(205)和第四透镜(206)后，最终通过红外相机探测窗口(C1)在所述红外相机(40)的靶面上成像，并将成像图发送给所述计算机(60)；

S4.所述光功率探测器(30)接收的透射光信号先到达光功率探测器(30)的探头(301)的表面，并将透射光信号转换为电信号I；所述电信号I经过所述放大器(302)的放大处理和转换后，得到模拟电压信号U1；并由所述模数转换器(303)转换为电压数字信号U后通过所述输出单元(304)发送给计算机(60)；

S5.所述计算机(60)接收到电压数字信号U后，根据探头(301)的电压响应度R，计算出所述透射光信号的功率

从而通过式(1)得到补偿后的待测光纤(50)的功率Ρ：

式(1)中，l表示所述第一透镜(201)、第二透镜(203)和第三透镜(204)的厚度之和；α表示MPO适配器接口(A1)的插入损耗值；δ表示当前测量周期下光波长λ所对应的待测光纤(50)的光纤衰减系数；γ表示待测光纤(50)的长度；

S6.对所述第四透镜(206)的位置进行调整：

S6.2.所述计算机(60)利用所述电动位移台控制所述第四透镜(206)的底座向前方第μ次进行水平移动，并记录第μ次移动后所述红外相机(40)的靶面成像图，从而利用式(2)计算出第μ次移动下靶面成像图的质量系数m_μ：

式(2)中，

表示第μ次移动下靶面成像图中光斑的内部杂散点系数；/>

表示第μ次移动下靶面成像图中光斑的灰度值一致性系数，/>

S6.3.若m_μ＜m_μ-1，则停止移动，并将第μ-1次的移动位置作为最佳位置，从而控制所述第四透镜(206)达到所述最佳位置，然后利用测距仪测出当前第四透镜(206)的底座与所述红外相机探测窗口(C1)之间的距离s，从而得到所述待测光纤(50)中光波长λ与距离s的数据对(λ,s)，否则，将μ+1赋值给μ，并返回步骤S6.2；

S7.所述计算机(60)根据所接收到的成像图来判断光纤通断情况：

若最佳位置上的靶面成像图显示的光斑个数与光纤芯数相同，则表示待测光纤(50)的每一路通道为通路；否则，表示所述待测光纤(50)的通道存在断路，并根据所述最佳位置上的靶面成像图中缺失的光斑位置判断出断路通道所在的位置。