CN115824071A - 一种测量光纤的纤芯有效直径的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤测试技术领域，公开了一种测量光纤的纤芯有效直径的装置及方法。本发明将被测光纤输出端的端面调节至与摆臂的轴心对齐，将被测光纤输入端的某一被测纤芯调节至与注光光路的轴心对齐，将光源发出的光耦合至被测纤芯并出射至摆臂；摆臂上安装有多个不同类型的探头，根据被测光纤的类型选择切换摆臂上的某一探头作为测量探头；测量探头、光电转换模块、信号处理模块、上位机依次连接形成测量单元；根据被测光纤的类型和测量模式，测量单元执行测量操作得到测量信息并计算得到纤芯有效直径。本发明利用一个装置能够实现模场直径和数值孔径的测试，且能够适用多尺寸多类型的光纤，功能强大、应用范围广。

Description

一种测量光纤的纤芯有效直径的装置及方法

技术领域

本发明属于光纤测试技术领域，更具体地，涉及一种测量光纤的纤芯有效直径的装置及方法。

背景技术

模场直径(Mode Field Diameter，MFD)是单模光纤的重要性能指标，用来表征在单模光纤的纤芯区域基模光的分布状态，基模在纤芯区域轴心线处光强最大，并随着偏离轴心线的距离增大而逐渐减弱。光纤的数值孔径(Numerical Aperture，NA)是多模光纤的重要参数，它表示光纤端面接收光的能力。准确的测出光纤的模场直径或数值孔径，能够有助于深入掌握光纤的特性，为光纤的生产提供准确的参数，提高光纤的生产质量。

现有的光纤测试系统具有以下不足：(1)现有的光纤测试系统通常仅能实现模场直径的测试或仅能实现数值孔径的测试，无法实现多功能测试。(2)现有的光纤测试系统通常仅能对常规尺寸的光纤(例如，常规单模纤芯的直径为9um)进行测试，无法对特殊尺寸的光纤进行测试。(3)多芯光纤也需要进行模场直径测试，但现有的光纤测试系统只能对单模单芯光纤进行测试，无法对单模多芯光纤的模场直径进行测试。

发明内容

为了至少部分解决上述现有技术存在的不足，本发明通过提供一种测量光纤的纤芯有效直径的装置及方法，通过对测量模式进行切换，能够实现模场直径和数值孔径的测试，通过探头的选择切换能够实现对多尺寸多类型的光纤进行测试，此外，利用上述装置，本发明还提出了一种测量单模多芯光纤模场直径的方法，能够填补本技术领域无法对单模多芯光纤的模场直径进行测量的技术空白。

本发明提供一种测量光纤的纤芯有效直径的方法，包括：将被测光纤的输入端、输出端分别放置于位移台上；对被测光纤的输出端的位置进行调节，使被测光纤的输出端的端面与摆臂的轴心对齐；对被测光纤的输入端的位置进行调节，使被测光纤的输入端的某一被测纤芯与注光光路的轴心对齐；将光源发出的光经所述注光光路耦合至所述被测纤芯，光经被测光纤的输出端输出后照射至所述摆臂；所述摆臂上安装有多个不同类型的探头，根据被测光纤的类型选择切换所述摆臂上的某一探头作为测量探头；所述测量探头、光电转换模块、信号处理模块、上位机依次连接，形成测量单元；根据被测光纤的类型和测量模式，所述测量单元执行测量操作得到测量信息，并基于所述测量信息计算得到纤芯有效直径；所述测量模式包括模场直径测量模式和数值孔径测量模式。

优选的，在被测光纤的输出端的侧边设置第一照明器件，所述第一照明器件发出的光垂直照射在被测光纤的输出端的侧面上；通过第一相机对被测光纤的输出端的侧面进行图像采集，并将采集得到的第一图像信息传输至所述上位机；所述上位机根据所述第一图像信息调节承载有被测光纤的输出端的第一三轴位移台，直至被测光纤的输出端的中心轴线与所述第一相机的水平中心线重合，且被测光纤的输出端的端面的投影与所述第一相机的垂直中心线重合，使被测光纤的输出端的端面与所述摆臂的轴心对齐。

优选的，在被测光纤的输入端对应的区域沿一轴线分别设置第二照明器件、准直器件和光源，所述光源、光开关、所述上位机依次连接；所述光源和所述准直器件构成所述注光光路；所述第二照明器件发出的光照射在被测光纤的输入端的端面上，通过第二相机对被测光纤的输入端的端面进行图像采集，并将采集得到的第二图像信息传输至所述上位机；所述上位机根据所述第二图像信息调节承载有被测光纤的输入端的第二三轴位移台，使被测光纤的输入端的某一被测纤芯与所述注光光路的轴心对齐；通过所述光开关控制所述光源开启，所述光源发出的光经所述准直器件后耦合至被测纤芯中。

优选的，所述第二相机和所述第一相机为同一相机，该相机安装在旋转电机上，所述旋转电机与所述上位机连接，所述上位机控制所述旋转电机旋转，调节该相机的拍摄角度。

优选的，不同类型的探头具有不同的第一长度和/或不同的感应区尺寸，所述第一长度为探头的感应区中心到所述摆臂的轴心的距离。

优选的，所述被测光纤的类型为多芯光纤时，对所述多芯光纤中的每根纤芯依次进行测量，得到所述多芯光纤的测量信息；其中，完成对所述多芯光纤中某一纤芯的测量后，保持所述多芯光纤的输出端的端面与所述摆臂的轴心对齐，对所述多芯光纤的输入端的位置进行调节，使另一纤芯与所述注光光路的轴心对齐，将光源发出的光耦合至该纤芯，所述测量单元执行针对该纤芯的测量操作；重复上述操作，直至所述多芯光纤中的所有纤芯完成测量。

优选的，所述测量模式为模场直径测量模式时，所述上位机控制所述摆臂绕所述摆臂的轴心转动，通过所述测量单元得到多角度下的功率值，并根据远场扫描法计算得到模场直径。

优选的，所述测量模式为数值孔径测量模式时，所述上位机控制所述摆臂绕所述摆臂的轴心转动，通过所述测量单元得到多角度下的功率值，并根据远场数值孔径计算方式计算得到数值孔径。

优选的，所述测量单元执行测量操作时，所述上位机首先基于显示的功率值调节所述测量探头的位置，使所述测量探头处于功率值最大点处，然后基于所述功率值最大点处控制所述摆臂绕所述摆臂的轴心转动，得到测量所需范围内多角度下的功率值。

另一方面，本发明提供一种测量光纤的纤芯有效直径的装置，包括：摆臂、光电转换模块、信号处理模块、上位机、第一照明器件、第二照明器件、准直器件、光源、光开关、第一相机、第二相机，以及分别用于承载被测光纤的输入端、输出端的位移台；所述测量光纤的纤芯有效直径的装置用于实现上述的测量光纤的纤芯有效直径的方法中的步骤。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

(1)本发明通过对测量模式进行切换，能够实现模场直径和数值孔径的测试，通过探头的选择切换能够实现对多尺寸多类型的光纤进行测试，即利用本发明提供的装置能够测试不同尺寸、类型光纤的模场直径和数值孔径，功能强大、应用范围广。

(2)利用本发明提供的装置能够对单模多芯光纤的模场直径进行测量，填补了本技术领域无法对多芯光纤的模场直径进行测量的技术空白。

(3)相对于现有的测试装置和方法，本发明提供的装置结构简单、自动化程度高，方法操作简单、方便，控制更加精密，具有很高的稳定性，能够准确地测量出光纤的模场直径或数值孔径。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种测量光纤的纤芯有效直径的装置的结构框图；

图2是T型摆臂的结构图；

图3是Z型摆臂的结构图；

图4是V型摆臂的结构图；

图5是利用本发明实施例提供的一种测量光纤的纤芯有效直径的装置测量多芯光纤模场直径的流程图；

图6是被测光纤的输出端的端面与摆臂的轴心对齐时的图像；

图7是单模多芯光纤的输入端被照亮的图像。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本发明提供一种测量光纤的纤芯有效直径的装置，参见图1，包括：上位机1、光开关2、光源3、准直器件(例如，具体可包括第一准直镜头4和第二准直镜头5)、第二照明器件6、第二三轴位移台7、第一相机、第二相机(优选的方案中，所述第一相机和所述第二相机为同一相机，记为相机8，所述相机8可安装在旋转电机上，所述旋转电机、所述相机8均与所述上位机1连接，所述上位机1控制所述旋转电机旋转，调节所述相机8的拍摄角度，所述上位机1控制所述相机8进行图像采集，所述相机8将采集得到的图像信息传输至所述上位机1)、第一三轴位移台10、第一照明器件11、摆臂12、光电转换模块13、信号处理模块14。

其中，所述第二三轴位移台7用于承载被测光纤9的输入端，所述第一三轴位移台10用于承载被测光纤9的输出端，两个位移台均与所述上位机1连接，所述上位机1控制两个位移台进行位置调整。

所述摆臂12设置在与被测光纤9的输出端对应的区域，所述摆臂12上安装有多个不同类型的探头，所述摆臂12与所述上位机1连接，所述上位机1根据被测光纤9的类型选择切换所述摆臂12上的某一探头作为测量探头；所述测量探头、所述光电转换模块13、所述信号处理模块14、所述上位机1依次连接，形成测量单元。此外，所述光电转换模块13也可直接与所述上位机1连接，由所述上位机进行信号处理。

所述第一照明器件11设置在被测光纤9的输出端的侧边区域中，所述第一照明器件11发出的光垂直照射在被测光纤9的输出端的侧面上；通过所述第一相机对被测光纤9的输出端的侧面进行图像采集，并将采集得到的第一图像信息传输至所述上位机1；所述上位机1根据所述第一图像信息调节所述第一三轴位移台10，直至被测光纤9的输出端的中心轴线与所述第一相机的水平中心线重合，且被测光纤9的输出端的端面的投影与所述第一相机的垂直中心线重合，使被测光纤9的输出端的端面与所述摆臂12的轴心对齐。所述第一照明器件11具体可采用LED灯。

所述第二照明器件6、所述准直器件和所述光源3在被测光纤9的输入端对应的区域沿一轴线依次布设，所述光源3、所述光开关2、所述上位机1依次连接；所述光源3和所述准直器件构成注光光路。所述准直器件位于所述光源3和所述第二照明器件6之间，且与所述上位机1连接，所述上位机1调节所述准直器件实现准直，所述第二照明器件6具体可采用环形灯。

所述第二照明器件6发出的光照射在被测光纤9的输入端的端面上，通过所述第二相机对被测光纤9的输入端的端面进行图像采集，并将采集得到的第二图像信息传输至所述上位机1；所述上位机1根据所述第二图像信息调节所述第二三轴位移台7，使被测光纤9的输入端的某一被测纤芯与所述注光光路的轴心对齐；通过所述光开关2控制所述光源3开启，所述光源3发出的光经所述准直器件后耦合至被测纤芯中。即被测光纤的输入端通过三轴位移台，在所述上位机1的控制下能自适应的将被测光波通过空间耦合的方式注入被测纤芯中。

例如，被测光纤9为单芯光纤时，所述上位机1根据所述第二图像信息调节所述第二三轴位移台7，使单芯光纤的输入端的纤芯与所述注光光路的轴心对齐即可。

例如，被测光纤9为多芯光纤时，所述上位机1需要根据所述第二图像信息调节所述第二三轴位移台7，使多芯光纤的输入端的多根纤芯依次与所述注光光路的轴心对齐。即每对齐一个被测纤芯后，进行一次测量；进行下一次测量时，先基于多芯光纤输入端的图像调节所述第二三轴位移台7进行移动，实现对下一个被测纤芯的对准，然后将光耦合进入该纤芯中，最后进行该次测量。重复上述操作，对多芯光纤中的每根纤芯进行逐一测量，保存测量结果，结束测量。

利用本发明提供的上述测量光纤的纤芯有效直径的装置，通过对测量模式进行切换，能够实现模场直径和数值孔径的测试，通过探头的选择切换能够实现对多尺寸多类型的光纤进行测试，通过测试流程的控制，还能够对单模多芯光纤的模场直径进行测量。下面对本发明提供的一种测量光纤的纤芯有效直径的方法进行说明。

测试的主要步骤包括：将被测光纤的输入端、输出端分别放置于位移台上；对被测光纤的输出端的位置进行调节，使被测光纤的输出端的端面与摆臂的轴心对齐；对被测光纤的输入端的位置进行调节，使被测光纤的输入端的某一被测纤芯与注光光路的轴心对齐；将光源发出的光经所述注光光路耦合至所述被测纤芯，光经被测光纤的输出端输出后照射至所述摆臂；根据被测光纤的类型选择切换所述摆臂上的某一探头作为测量探头，根据被测光纤的类型和测量模式，所述测量单元执行测量操作得到测量信息，并基于所述测量信息计算得到纤芯有效直径。

其中，所述摆臂根据测量需要，可采用如图2所示的T型摆臂、如图3所示的Z型摆臂，如图4所示的V型摆臂等等。所述摆臂上均安装有多个不同类型的探头，不同类型的探头具有不同的第一长度和/或不同的感应区尺寸，所述第一长度为探头的感应区中心到所述摆臂的轴心的距离。例如，图2所示的T型摆臂上安装有第一探头A和第二探头B，它们具有不同的第一长度L和感应区尺寸(即感应区直径D)。通过上述探头的选择切换能够实现对不同尺寸、不同类型的光纤进行测试，应用范围广，不仅可以实现对常规尺寸光纤的测试，还可以实现对非常规尺寸的光纤进行测试，不仅能够对单芯光纤进行测试，还能够对多芯光纤进行测试。

本发明中的被测光纤可以为单模单芯光纤、单模多芯光纤、多模光纤、特种光纤、常规尺寸光纤、非常规尺寸光纤等。测量模式包括模场直径测量模式和数值孔径测量模式。下面结合具体的光纤类型和测量模式对本发明进行举例说明。

例如，被测光纤为单模多芯光纤、测量模式为模场直径测量模式时，测试流程参见图5，需要对多芯光纤中的每根纤芯依次进行测量，得到多芯光纤的测量信息。具体的测试流程包括：

S1：将多芯光纤的输入端、输出端分别放置在第二三轴位移台、第一三轴位移台上；

S2：控制所述第一照明器件发出的光垂直照射在多芯光纤的输出端的侧面上，通过相机对多芯光纤的输出端的侧面进行图像采集并传输至所述上位机；所述上位机根据所述第一图像信息调节所述第一三轴位移台，直至多芯光纤的输出端的中心轴线与相机的水平中心线重合，且多芯光纤的输出端的端面的投影与一相机的垂直中心线重合，使多芯光纤的输出端的端面与所述摆臂的轴心对齐，同时也能够对应探头的感应区，如图6所示；

S3：控制所述第二照明器件发出的光照射在多芯光纤的输入端的端面上，通过相机对多芯光纤的输入端的端面进行图像采集并传输至所述上位机，多芯光纤的输入端被照亮的图像如图7所示；所述上位机根据所述第二图像信息调节所述第二三轴位移台，使多芯光纤的输入端的某一被测纤芯与所述注光光路的轴心对齐；通过所述光开关控制所述光源开启，所述光源发出的光经所述准直器件后耦合至该被测纤芯中；所述测量单元执行测量操作得到测量信息，并基于所述测量信息计算得到该被测纤芯模场直径；

S4：完成对多芯光纤中某一纤芯的测量后，返回至S3，对所述多芯光纤的输入端的位置进行调节，使另一纤芯与所述注光光路的轴心对齐，将光源发出的光耦合至该纤芯，所述测量单元执行针对该纤芯的测量操作，计算得到该纤芯模场直径；重复上述操作，直至多芯光纤中的所有纤芯完成测量后结束测试。

其中，本发明基于远场扫描法执行模场直径测量操作，即所述上位机控制所述摆臂绕所述摆臂的轴心转动，通过所述测量单元得到多角度下的功率值，并根据远场扫描法计算得到模场直径。

被测光纤为多模光纤、测量模式为数值孔径测量模式时，与上述进行模场直径的测试过程类似，只需要根据需要选择切换合适结构的摆臂，在所述上位机上选择执行数值孔径测试流程，所述上位机控制所述摆臂绕所述摆臂的轴心转动，通过所述测量单元得到多角度下的功率值，然后所述上位机根据远场数值孔径计算方式计算得到数值孔径。

所述测量单元执行测量操作(包括模场直径测量操作和数值孔径测量操作)时，所述上位机可首先基于显示的功率值调节所述测量探头的位置，使所述测量探头处于功率值最大点处，然后基于所述功率值最大点处控制所述摆臂绕所述摆臂的轴心转动，得到测量所需范围内多角度下的功率值。

具体的，模场直径定义为光强降低到轴心线处最大光强的1/e²的各点中两点最大距离，远场数值孔径定义为光纤远场辐射图上光强下降到最大值5％的半角的正弦值，基于上述定义得到测量所需范围内多角度下的功率值，进而计算得到测量光纤的纤芯有效直径(即模场直径、数值孔径)。

需要说明的是，对于单模多芯光纤模场直径的测量，不限于本发明图7所展示的8芯光纤，还适用于单模光纤纤芯的数量是1、2、3、···N(N为正整数)的光纤。此外，也不局限于环形排列的多芯光纤，还适用于其它排列的多芯光纤，例如蜂窝状等。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种测量光纤的纤芯有效直径的方法，其特征在于，包括：将被测光纤的输入端、输出端分别放置于位移台上；对被测光纤的输出端的位置进行调节，使被测光纤的输出端的端面与摆臂的轴心对齐；对被测光纤的输入端的位置进行调节，使被测光纤的输入端的某一被测纤芯与注光光路的轴心对齐；将光源发出的光经所述注光光路耦合至所述被测纤芯，光经被测光纤的输出端输出后照射至所述摆臂；所述摆臂上安装有多个不同类型的探头，根据被测光纤的类型选择切换所述摆臂上的某一探头作为测量探头；所述测量探头、光电转换模块、信号处理模块、上位机依次连接，形成测量单元；根据被测光纤的类型和测量模式，所述测量单元执行测量操作得到测量信息，并基于所述测量信息计算得到纤芯有效直径；所述测量模式包括模场直径测量模式和数值孔径测量模式。

2.根据权利要求1所述的测量光纤的纤芯有效直径的方法，其特征在于，在被测光纤的输出端的侧边设置第一照明器件，所述第一照明器件发出的光垂直照射在被测光纤的输出端的侧面上；通过第一相机对被测光纤的输出端的侧面进行图像采集，并将采集得到的第一图像信息传输至所述上位机；所述上位机根据所述第一图像信息调节承载有被测光纤的输出端的第一三轴位移台，直至被测光纤的输出端的中心轴线与所述第一相机的水平中心线重合，且被测光纤的输出端的端面的投影与所述第一相机的垂直中心线重合，使被测光纤的输出端的端面与所述摆臂的轴心对齐。

3.根据权利要求2所述的测量光纤的纤芯有效直径的方法，其特征在于，在被测光纤的输入端对应的区域沿一轴线分别设置第二照明器件、准直器件和光源，所述光源、光开关、所述上位机依次连接；所述光源和所述准直器件构成所述注光光路；所述第二照明器件发出的光照射在被测光纤的输入端的端面上，通过第二相机对被测光纤的输入端的端面进行图像采集，并将采集得到的第二图像信息传输至所述上位机；所述上位机根据所述第二图像信息调节承载有被测光纤的输入端的第二三轴位移台，使被测光纤的输入端的某一被测纤芯与所述注光光路的轴心对齐；通过所述光开关控制所述光源开启，所述光源发出的光经所述准直器件后耦合至被测纤芯中。

4.根据权利要求3所述的测量光纤的纤芯有效直径的方法，其特征在于，所述第二相机和所述第一相机为同一相机，该相机安装在旋转电机上，所述旋转电机与所述上位机连接，所述上位机控制所述旋转电机旋转，调节该相机的拍摄角度。

5.根据权利要求1所述的测量光纤的纤芯有效直径的方法，其特征在于，不同类型的探头具有不同的第一长度和/或不同的感应区尺寸，所述第一长度为探头的感应区中心到所述摆臂的轴心的距离。

6.根据权利要求1所述的测量光纤的纤芯有效直径的方法，其特征在于，所述被测光纤的类型为多芯光纤时，对所述多芯光纤中的每根纤芯依次进行测量，得到所述多芯光纤的测量信息；

其中，完成对所述多芯光纤中某一纤芯的测量后，保持所述多芯光纤的输出端的端面与所述摆臂的轴心对齐，对所述多芯光纤的输入端的位置进行调节，使另一纤芯与所述注光光路的轴心对齐，将光源发出的光耦合至该纤芯，所述测量单元执行针对该纤芯的测量操作；重复上述操作，直至所述多芯光纤中的所有纤芯完成测量。

7.根据权利要求1所述的测量光纤的纤芯有效直径的方法，其特征在于，所述测量模式为模场直径测量模式时，所述上位机控制所述摆臂绕所述摆臂的轴心转动，通过所述测量单元得到多角度下的功率值，并根据远场扫描法计算得到模场直径。

8.根据权利要求1所述的测量光纤的纤芯有效直径的方法，其特征在于，所述测量模式为数值孔径测量模式时，所述上位机控制所述摆臂绕所述摆臂的轴心转动，通过所述测量单元得到多角度下的功率值，并根据远场数值孔径计算方式计算得到数值孔径。

9.根据权利要求1所述的测量光纤的纤芯有效直径的方法，其特征在于，所述测量单元执行测量操作时，所述上位机首先基于显示的功率值调节所述测量探头的位置，使所述测量探头处于功率值最大点处，然后基于所述功率值最大点处控制所述摆臂绕所述摆臂的轴心转动，得到测量所需范围内多角度下的功率值。

10.一种测量光纤的纤芯有效直径的装置，其特征在于，包括：摆臂、光电转换模块、信号处理模块、上位机、第一照明器件、第二照明器件、准直器件、光源、光开关、第一相机、第二相机，以及分别用于承载被测光纤的输入端、输出端的位移台；

所述测量光纤的纤芯有效直径的装置用于实现如权利要求1-9中任一项所述的测量光纤的纤芯有效直径的方法中的步骤。

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