CN1439872A - 动态测量光纤弯曲损失的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种动态测量光纤弯曲损失的系统，用以在光纤移动的状态下测量光纤弯曲损失。该系统包括：光的信号发射器及接收器、自由空间的光功率耦合装置、光纤外部空间干扰、扰动装置、滤波器，是兼具防震考虑的线上支架机构设计；其中机构的设计与考虑为：自由空间的光功率耦合、光纤外部空间干扰、扰动装置、机械振动及其它设备干扰源。电子电路用以导通调变信号，滤除线上可能的电气干扰源；此外，还考虑了光纤移动速度、压变程度等参数。本发明能以既简单又方便地计算光纤弯曲损失与评估弯曲型光纤感测系统的效能，对于光纤品质检验的效率提升非常有益。
Description
技术领域
本发明为一种对光纤进行测量的系统，尤指一种动态测量光纤弯曲损失的系统。
背景技术
由于光纤/光缆于制造及施工时的不当，例如：光棒材质分配不均、抽丝过程张力控制不良、弯曲、机械应力、不当的着色及并线制做过程、紫外光(UV)值及凝结(JELLY)控制不当等因素，易造成光纤损失过大，导致光纤的特性无法掌握，无形中增加了光纤/光缆制造及施工的不便，进而增加成本。
虽然已有一些针对光纤弯曲损失的测量方法被公开，但是都限制在离线测量且计算过程复杂，而且仅用于光纤抽丝时使用。这些测量方法皆无法满足未来光纤到家(Fiber to the Home，FTTH)，短跳接线需求量急速扩增与维持光纤品质减少损失的迫切需求。何况若不能以自动化方式测量每一段光纤损失，而仅使用抽测方式离线测量，那都是耗费人工检验成本且无效率，不符合实际需求。
以下列举数个目前应用于光纤、4光缆特性监测的主要应用技术：
F.Wilczewski在1996年IEEE Photonics Technology Letters，第8卷，第90-91页所发表″Determination of the Field Radiusω∞from Bending Loss Measurement of Optical Fibers with ArbitraryIndex Profile″的论文中，提出了一种以测量任意折射率光纤的弯曲损失来决定场半径ω∞值，因为光纤的弯曲损失值是弯曲半径的函数，所以场半径ω∞值可借由此方法获得，同样也可以用此方法与远场方法与技术比较而获得任意折射率光纤的有效弯曲半径。此种方法理论上是可行，但是方法计算复杂且非一般操作者所能理解。
M.Miyamoto，T.Sakai，R.Yamauchi，K.Inada在1990年Journalof Lightwaye Technology，第8卷，第673-677页所发表″Bending LossEvaluation of Single-Mode Fibers with Arbitrary Core Index Profileby Far-Field Pattern″的论文中，提出了一种适用于任意纤核折射率范围，以远场模态测量为基础的方法，测量单模光纤的弯曲损失，精确度的优劣完全依远场模态的测量而定。虽然此方法适用于任意纤核折射率范围，但是精确度的优劣完全依远场模态的测量而定，所以普及较困难，不易在一般实践中应用，特别是在光纤/光缆的特性及弯曲损失测量上。
W.Freude，E.K.Sharma，A.Sharma在1989年Journal of LightwaveTechnology，第7卷，第225-228页所发表″Propagation Constant ofSingle-Mode Fibers Measured From the Mode-Field Radius and Fromthe Bending Loss″的论文中，提出了一种以模场半径及弯曲半径来测量推导出单模光纤的传播常数，即以远场半径的有效值测量与波长成函数关系的近场半径，然后以最小平方法去仿真出这些数据的趋势，而获得计算传播常数的经验公式；除此之外，与光纤弯曲损失有关的积分常数也可因此获得。弯曲损失测量方法众多，只有简单易于推广才能被广泛应用，此方法太过复杂计算不易，非专业人员实难获得其重点。
J.E.Goell，G.W.Bickel等，于1978年3月28所发表专利编号为US4081258的″Method For Using On Line Optic Fiber Loss Monitor″专利中，提出一种于抽丝时光纤衰减的测量方法。双顶轴的光纤卷取轴及给线轴与中心对位的沟槽，使光纤能于卷取收线中，进行光的传送与接收，但是光纤于行进卷绕过程中，振动与偏位问题不易克服，而且光纤于卷取轴及给线轴至中心对位的沟槽，是否能耐承受高速运转而不影响光纤品质难以预料，而且只能针对光纤的衰减进行测量，并未考虑光纤的弯曲损失，所以其应用性不高，限制条件多，不符合光纤通信主、被动组件自动化生产普及性的需求。
F.H.Levimson，于1990年2月20日所发表专利编号为US4902327的″Monitoring fiber bend loss characteristics during manufacture“专利中，提出一种于抽丝时连续监测光纤弯曲损失的测量方法。它是利用光纤于光纤抽丝过程，制造不同弯曲半径的导轮，产生足够小的弯曲半径，再于光纤弯曲处，利用光泄漏为可逆，所以分别在不同导轮上，注入光信号与侦测光源，配合透镜辅助以完成于抽丝时连续监测光纤损失的测量方法。此种方法虽然很好，但实用性不高且有其缺点，因为光的注入及侦测点有其大小的限制，而且对光准直技术困难度高，不易实现，而且此方法在光纤镀膜被覆后，因镀膜或被覆不良所产生的弯曲损失无法测量。因此，本专利将提出一种方法可作为线上镀膜或被覆光纤弯曲损失的测量方法及技术，与此专利所用的技术手段及运算方法有所不同。
D.E.Vokey等人，于1993年11月16日所发表专利编号US5262639的″Fiber Optic Cable Monitoring Method and Apparatus IncludingMoisture Detection and Bending Loss Detection″一文中，提出一种监测光纤光缆中光纤的损失、光缆的湿气及光缆扭结损伤等特性的技术，它利用两个不同波长的镭射光源和仿真监测光纤、光缆的损失，所以光缆的结构因此可以被测量。它采用编码技术作为熔接点的寻址，类似光时域反射仪(OTDR)功能，但光时域反射仪可测量的分辨率不高，在1m光纤长度之内的解析力低，且动态光纤时的反散射与静态有所不同。
近年来，光纤通信领域的研究重点及方向已从广域网络(Wide AreaNetworks)转向都市型局域网络(Metropolitan Area Networks)，虽然居住型撷取光纤网络(Residential Access Fiber Networks)已获得许多关切，但光纤到家(Fiber to the Home)的理想却迟迟未能实现。分波多任务(Wavelength Division Multiplexer，WDM)组件的设计转向中密度分波多任务(Coarse Wavelength Division Multiplexer，CWDM)需求的设计，预示着光纤到家的撷取光纤网络即将到来，届时十米内的短跳接线需求量将迅速增加，光纤也将被不熟悉光纤特性的终端用户安装于家庭内，因此为了能确保光纤特性的稳定及安全，光纤制造供货商有必要在产品出厂时能提供每一段光纤特性的数据作为客户的参考，因此在生产制造时，有效率的、自动化的将每一段光纤造成弯曲损失变因的影响程度及数据，实时测出来，就变成是一个非常重要的关键技术。
为了能提高光纤、光缆的制造品质及效率，更为了未来光纤即将到家，大量跳接线需求量将激增，光纤通信主、被动组件自动化的趋势，本发明提出了动态测量光纤弯曲损失的系统。
发明内容
本发明要解决的主要技术问题为在光纤移动的状态下，提供一种可线上动态测量光纤弯曲损失的系统，借由本系统的线上动态实时测量光纤特性，以提升光纤/光缆的制造效率、品质及全面自动化，降低成本及提升产业竞争力，进而使光纤通信系统的品质达到最佳化。
本发明要解决的另一技术问题为提供一种动态测量光纤弯曲损失的系统，用以动态测量一移动中的光纤与一静止光纤相比较所产生的一光纤弯曲损失，其包含：一光信号发射器，用以产生一第一光调变信号；一第一光耦合装置，电连接于该光信号发射器，用以将该第一光调变信号由该静止光纤耦合至该移动中的光纤；一扰动装置，电连接于该第一光耦合装置，用以使该移动中的光纤产生该光纤弯曲损失，进而使该第一光调变信号调变成一第二光调变信号；一第二光耦合装置，电连接于该扰动装置，用以将该第二光调变信号由该移动中的光纤耦合至该静止光纤；一光信号接收器，电连接于该第二光耦合装置，用以读取该第二光调变信号；以及一滤波器，电连接于该光信号接收器，用以将该第二光调变信号滤波，借由该滤波后的该第二光调变信号以获得该光纤弯曲损失的数据。
根据上述构想，该系统包含一光纤给线导轮及一光纤卷取导轮。
根据上述构想，系统中该第一光耦合装置及该第二光耦合装置为一自由空间光耦合装置。
根据上述构想，系统中该自由空间光耦合装置由一固定式光纤调适固定器、光纤陶磁管转换器及一可旋转式光纤调适固定器所构成。
根据上述构想，系统中该扰动装置为一光纤外部空间扰动装置。
根据上述构想，系统中该光纤外部空间扰动装置由多个陶磁材质的弯曲导轮所构成。
根据上述构想，系统中该滤波器为一带通滤波器。
由上可知，本发明能克服光耦合障碍，简化光耦合操作技术，加大容许光耦合偏移误差，并导入动态光耦合技术，以获取动态光纤的信号；所用的组件装置简单，价格低廉，操作容易，而且可于线上实时测量移动中光纤的信号，所以有降低人工成本，提高品质及生产效率的功效；并可展开至其它光主/被动组件的生产与测试系统的生产自动化、品质一致化的应用上；本发明还有助于光纤跳接线及降低光纤加工制造的人工成本，且对于跳接线品质的提升大有帮助。
为使本发明的目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图做详细说明。
附图说明
图1为本发明动态测量光纤弯曲损失的系统的结构示意图；
图2为本发明光纤外部空间扰动装置结构示意图；
图3a、图3b为本发明自由空间光耦合装置控制参数结构示意图；
图4为本发明动态测量光纤弯曲损失的系统的示意图；
图5为在自由空间光耦合光纤连接器中，因为纵向光耦合距离所产生损失的理论与实验值的比较图；
图6为在1.31μm波长与卷绕圈数为2时，光纤弯曲损失对压变距离的实验与理论关系图；
图7为光纤弯曲损失对弯曲导轮个数的间的实验与理论关系图；
图8为线上测量光纤弯曲损失的实验结果；
图9为线上测量光纤弯曲损失的信号噪声比(SNR)；
图10为带通式滤波器电路图；
图11为光纤外部空间扰动装置实体结构示意图。
具体实施方式
本发明动态测量光纤弯曲损失的系统，将可由以下的实施例说明而得到充分的了解，使得熟习本技术的人士可据以完成，然其并非用以限制本发明。
图1所示为本发明动态测量光纤弯曲损失的系统的结构示意图，主要构成的子系统分别包括一光信号发射器1、一自由空间光耦合装置2、一光纤给线导轮3、一光纤外部空间扰动装置4、一光纤卷取导轮5、一光信号接收器6及一带通式滤波器61。本发明主要是利用将承载于该光信号发射器1上的第一光调变信号，经由该自由空间光耦合装置2将第一光调变信号由静止光纤耦合至移动中的光纤17，然后通过光纤外部空间扰动装置4，使移动中的光纤17产生空间压变，因此产生光纤弯曲损失，使该第一光调变信号因光纤弯曲损失而调变成一第二光调变信号，再经由该自由空间光耦合装置2，将第二光调变信号由移动中的光纤耦合至静止的光纤17，再通过该光信号接收器6读取后，借由该带通式滤波器61对所读取的光调变信号进行滤波，就可获取调变后的信号，因此线上动态测量光纤弯曲损失数据便可取得。其中该光信号发射器1及光信号接收器6，采用信号调变的技术，将所外加调变信号载于光信号发射器1的光信号并送至本测量系统中，再于光信号接收器端将所调变的信号还原，最后读取光纤的弯曲损失信号。
此外，该光纤弯曲损失信号的读取，可配合光纤移动卷取长度信号，实时进入一微处理机中，通过程序的计算，不仅整轴光纤的衰减值可获得外，同时每一段光纤的弯曲损失特性亦可同时被获得。
至于通过程序的计算方式，是先经由光信号发射器端输入功率信号、光信号接收器端输出功率信号及可控制三维移动的光纤外部空间扰动装置移动平台，控制参数调整，即可获得光纤的弯曲损失，再通过移动光纤卷取长度信号的计算便可获得每一段光纤的弯曲损失特性，并借由程序的计算而获得制做过程中不当变因造成光纤损失值过大的警报，借以维护、确保光纤的品质。其中每一段光纤的弯曲损失特性，其长度可由线上移动中光纤的速度与微处理机的数据撷取数速度而定。
该程序的计算方式为：先经由不同制做过程的经验值，建立不同制做过程、不同厂牌光纤损失值过大的警告值(通过本系统实际线上测量，不同厂牌光纤及不同制做过程变量的调整后，所建立的数据库)，再借程序与系统的实时监控计算，则光纤制做过程的品质监控系统便可完成。上述的不同制做过程变量可为：紫外光(UV)、光纤的张力及应力、光纤/光棒材质的控制、光纤的弯曲半径、不同波长的影响等。
此外，上述光纤制做过程的品质监控系统，除了光纤品质的监控外，尚可经由线上实际测量所得，回馈至不同制做过程变因的子系统，再通过闭路控制系统完成制做过程变因调整，借以改善、确保光纤品质的一致性及稳定度。
图2为本发明光纤外部空间扰动装置示意图，可包含移动中的被弯曲光纤10、陶磁材质的弯曲导轮11及可控制三维空间的光纤外部空间扰动装置移动平台(如图11所示)。可通过不同尺寸大小的陶磁材质的弯曲导轮11设计，产生不同的控制变量，使移动中的被弯曲光纤10经过陶磁材质的弯曲导轮11后，可以很容易的经由不同变量的调整，使光纤受到预期的外部空间扰动，而产生光纤的弯曲损失，图中示出弯曲角度为90°时7，及弯曲角度为360°时13(即卷绕圈数为1时)的情形。至于该可控制三维移动的移动平台，可控制的参数分别包括弯曲半径8，即陶磁材质的弯曲导轮11的大小是可更换的。弯曲周期，即陶磁材质的弯曲导轮11扰动光纤的周期9是可调整的。移动中的被弯曲光纤10的压变深度12，及导轮个数皆为可调整的。
图3a及图3b为本发明自由空间光耦合装置控制参数示意图。本发明利用了固定式光纤调适固定器(其为固定端光纤外陶瓷管14)、可旋转式光纤调适固定器(其为旋转端光纤外陶瓷管18)、光纤陶磁管转换器16等，完成了于自由空间中将固定端光纤的信号耦合至旋转移动光纤端，我们所控制及关心的变量分别为光纤耦合侧向偏移距离15、光纤耦合纵向偏移距离19、光纤耦合偏移角度20。其中该固定式光纤调适固定器用以将光纤17固定于其内部，并与该光纤陶磁管转换器配合，作为该自由空间光耦合装置的固定端光纤17的光调变信号传送，且具有调整自由空间纵向偏移距离的功能。该可旋转式光纤调适固定器，用以将光纤17固定于其内部，并与该光纤陶磁管转换器配合，作为该自由空间光耦合装置的旋转端光纤的光调变信号传送，且具有调整自由空间纵向偏移距离的功能。该光纤陶磁管转换器16，用以容纳该固定式光纤调适固定器及该可旋转式光纤调适固定器，并使光纤的耦合在一数值孔径内完成，用以降低自由空间光耦合的侧向偏移距离。
图4为光纤弯曲损失线上动态测量系统示意图。除了图2及图3a、图3b的考虑外，线上设备的速度控制系统，将是影响动态测试效果的关键因素。分别包括：可活动式比例积分微分(PID)速度控制装置22、固定导轮23。光信号发射器1与自由空间光耦合装置2及光信号接收器6与带通式滤波器之间是固定式光纤21。
图5则表示在自由空间光纤耦合连接器中，因为纵向光耦合距离所产生损失的理论与实验值的比较图，利用自由空间光耦合装置2，调整光纤耦合纵向偏移距离19，并将光纤耦合侧向偏移距离15、光纤耦合偏移角度20的影响降至最低，而获得因为纵向光耦合距离所产生损失的理论与实验值的比较图；为了增加整个线上动态测量系统的信号噪声比(SNR)，可使用光调变的技术与加了折射率匹配膏于动态旋转的光纤上，使系统能更稳定的被读取信号。
最后我们再以图2所示的光纤外部空间扰动装置为基础，调整不同变量后绘出关系图。图6则是在1.31μm波长与卷绕圈数为2时，光纤弯曲损失对压变距离的实验与理论关系图。
首先以图3的自由空间光耦合装置所控制参数，探讨在自由空间光耦合光纤连接器中，因为纵向光耦合距离所产生损失的理论与实验值的比较图，如图7所示，可发现由于图3的自由空间光耦合装置的设计，确实可将影响耦合损失变因，趋于仅考虑纵向偏移错位的考虑。接着以图4光纤弯曲损失线上动态测量系统，以图2光纤外部空间压变装置改变系统的控制变因，而获得如图6在1.31μm波长与卷绕圈数为2时，光纤弯曲损失对压变距离的实验与理论关系图。图7为光纤弯曲损失与弯曲导轮个数之间的实验与理论关系图。图8为线上测量光纤弯曲损失的实验结果图。图9为线上测量光纤弯曲损失的信号噪声比。
图10为本发明带通式滤波器电路图，其主要是利用运算放大器及电阻、电容所构成，通过滤波后的信号就可获得该光纤弯曲损失的数据。
图11为光纤外部空间扰动装置实体图，通过此装置可以使线上移动的光纤产生空间的扰动，则光纤因而产生模态转换，造成光纤的弯曲损失，可调整的变量分别包括：弯曲半径、弯曲周期、弯曲圈数、弯曲角度。
综合上面所述，本发明能有效改善已知技术的缺失，并可达到如下所述的特点及功效：
1.本发明能克服光耦合障碍，简化光耦合操作技术，加大容许光耦合偏移误差，并导入动态光耦合技术，以获取动态光纤的信号。即通过信号调变技术，将调变信号载于镭射光源，一起随镭射光发送，并进入动态移动中的光纤，再于光收讯端将读取的调变信号，通过主动带通滤波器，提高系统的信号噪声比，而还原调变信号，取得光纤弯曲损失的信息。
2.本发明所用的组件装置，简单化，价格低廉，随手可得，操作组合，调变容易，而且可于线上实时测量移动中光纤的信号，所以对于光纤/光缆的线上生产品质监控，有降低人工成本，提高品质及生产效率的功效。
3.未来无论是光纤主/被动组件的生产与测试，渐渐朝向生产自动化、品质一致化目标迈进，而本发明即符合这些潮流需求，因此将可展开至其它光主/被动组件的生产与测试系统的生产自动化、品质一致化的应用上。
4.采用分波多任务(WDM)的光纤通信系统，已走入用户网络时代，家庭化的网络，届时十米以内的跳接线需求量将激增，通过本系统将有助于光纤跳接线及降低光纤加工制造的人工成本，且对于跳接线品质的提升一定大有帮助。
5.线上实时测量光纤弯曲损失，提供弯曲损失波长响应信息，则对于分波多任务(WDM)光纤通信系统的接入网用户，将是一重要信息。
是故具有产业价值性，进而达到发展本发明的目的。
熟悉本技术的人士对本发明所作的等同变换皆应在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1、一种动态测量光纤弯曲损失的系统，用以动态测量一移动中的光纤与一静止光纤相比较所产生的一光纤弯曲损失，其特征在于包含：
一光信号发射器，用以产生一第一光调变信号；
一第一光耦合装置，电连接于该光信号发射器，用以将该第一光调变信号由该静止光纤耦合至该移动中的光纤；
一扰动装置，电连接于该第一光耦合装置，用以使该移动中的光纤产生该光纤弯曲损失，进而使该第一光调变信号调变成一第二光调变信号；
一第二光耦合装置，电连接于该扰动装置，用以将该第二光调变信号由该移动中的光纤耦合至该静止光纤；
一光信号接收器，电连接于该第二光耦合装置，用以读取该第二光调变信号；以及
一滤波器，电连接于该光信号接收器，用以将该第二光调变信号滤波，借由该滤波后的该第二光调变信号以获得该光纤弯曲损失的数据。
2、如权利要求1所述动态测量光纤弯曲损失的系统，其特征在于该系统还包含一光纤给线导轮。
3、如权利要求1所述动态测量光纤弯曲损失的系统，其特征在于该系统还包含一光纤卷取导轮。
4、如权利要求1所述动态测量光纤弯曲损失的系统，其特征在于所述的第一光耦合装置及该第二光耦合装置各为一自由空间光耦合装置。
5、如权利要求4所述动态测量光纤弯曲损失的系统，其特征在于所述的自由空间光耦合装置包含一固定式光纤调适固定器、光纤陶磁管转换器及一可旋转式光纤调适固定器。
6、如权利要求5所述动态测量光纤弯曲损失的系统，其特征在于所述的固定式光纤调适固定器用以将光纤固定于其内部，并与该光纤陶磁管转换器配合，传送该自由空间光耦合装置的固定端光纤的光调变信号，且具有调整自由空间纵向偏移距离的功能。
7、如权利要求5所述动态测量光纤弯曲损失的系统，其特征在于所述的可旋转式光纤调适固定器用以将光纤同定于其内部，并与该光纤陶磁管转换器配合，传送该自由空间光耦合装置的旋转端光纤的光调变信号，且具有调整自由空间纵向偏移距离的功能。
8、如权利要求5所述动态测量光纤弯曲损失的系统，其特征在于所述的光纤陶磁管转换器用以容纳该同定式光纤调适固定器及该可旋转式光纤调适固定器，并使光纤的耦合在一数值孔径内完成，用以降低自由空间光耦合的侧向偏移距离。
9、如权利要求1所述动态测量光纤弯曲损失的系统，其特征在于所述的扰动装置为一光纤外部空间扰动装置。
10、如权利要求9所述动态测量光纤弯曲损失的系统，其特征在于所述的光纤外部空间扰动装置由多个陶磁材质的弯曲导轮所构成。
11、如权利要求1所述动态测量光纤弯曲损失的系统，其特征在于所述的滤波器为一带通滤波器。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2002
- 2002-02-21 CN CN 02105247 patent/CN1439872A/zh active Pending
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