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光纖端面幾何參數(shù)干涉測量法物理方法簡化

發(fā)布時間：2014-10-04 08:39

【摘要】 本文研究的目的在于通過對光導(dǎo)纖維連接器端面干涉測量方法的簡化來簡化生產(chǎn)過程和提高檢測效率。在研究簡化方法前,首先具體研究了光纖干涉儀的構(gòu)造,分析了其檢測原理,并且對現(xiàn)行的檢測方法做了具體的闡述。對于現(xiàn)行的光纖檢測,主要檢測的是光纖連接器端面的曲率半徑,頂點(diǎn)偏移量,光纖高度,對于APC型號的連接器還需要測量定位鍵角度。對于現(xiàn)行的幾何參數(shù)相位移動分析方法做闡述后,根據(jù)其物理原理提出了可以提高檢測速率的測量方法,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。通過對CC-6000, NC-3000兩種干涉儀器的干涉原理與數(shù)據(jù)處理原理進(jìn)行分析。在其操作方法不變的基礎(chǔ)上,用牛頓環(huán)原理簡化了光纖連接器端面曲率半徑測量過程,確定簡化方法后分別對RDM公司定制的10根E2000型號的APC連接器和H+S公司定制的10根LC型號的PC連接器的端面進(jìn)行機(jī)器測量以及簡化方法測量。在兩次測量過程中發(fā)現(xiàn)簡化后分析數(shù)據(jù)的結(jié)果與儀器計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果誤差不超過百分之二。符合IEC國際標(biāo)準(zhǔn),可以將簡化方法應(yīng)用與實(shí)際的干涉儀設(shè)計(jì)。應(yīng)用劈尖干涉的原理理論上實(shí)現(xiàn)了對光纖高度測量方法的簡化,在不需要相位移動的前提下就可計(jì)算出光纖高度。但是由于儀器本身分辨率較低的原因,在具體測量方面還是難以實(shí)現(xiàn)的,且多次計(jì)算結(jié)果誤差較大。但是對于現(xiàn)行計(jì)算方法得出的光纖高度也存在這些問題。所以在光纖高度測量方面還需要繼續(xù)研究。

【關(guān)鍵詞】 光纖連接器； 光纖干涉儀； 光纖端面曲率半徑； 光纖高度； 

第一章緒論

1.1光導(dǎo)纖維在通信中的廣闊前景
眾所周知：1875年被稱為通信元年，這一年在貝爾的實(shí)驗(yàn)室誕生了人類的第一臺電話，它宣誓著通信時代的來臨[1]。通信行業(yè)在近百年的迅猛發(fā)展中讓我們認(rèn)識到距離不再是問題，信息交換更為方便快捷。大數(shù)據(jù)時代的來臨更是將豐富多彩的資源通過網(wǎng)絡(luò)源源不斷的傳輸給我們。豐富了人們在聽覺，視覺方面的享受。
二十世紀(jì)以來，通信行業(yè)的領(lǐng)航者們更是不斷的拓展新領(lǐng)域，從而滿足日益增加的市場需求。落后的語音網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足我們的日常需求。制造者們也不斷將視野逐步轉(zhuǎn)向?yàn)楹笈_業(yè)務(wù)，導(dǎo)致高速率占據(jù)了我們的視野，這必然決定了網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和變革。"速率，流量”必然成為了新一代網(wǎng)絡(luò)的寵兒。4G時代的來臨更是為我們提供下行100Mbps、上行50Mbps的巔峰網(wǎng)速。國內(nèi)中國移動，中國聯(lián)通，中國電信三大通信巨頭在今年分別推出的4G網(wǎng)絡(luò)讓人們感受到了大數(shù)據(jù)時代光速的必要性[2]。
伴隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的擴(kuò)大以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的快速增加，公共網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求更是越來越高。帶寬也就應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生。具有時代代表性的帶寬網(wǎng)絡(luò)有電話線傳輸?shù)腁DSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)和有線傳輸電視線路的CArV(Coimnunity AntennaTelevision)，以及應(yīng)用無線發(fā)射和無線接收的無線網(wǎng)絡(luò)，使用光導(dǎo)纖維的光網(wǎng)[3，4]。
在這幾種通信信號的傳播介質(zhì)中，光導(dǎo)纖維具有其他介質(zhì)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。而且光導(dǎo)纖維在傳輸信號的過程中不受高壓線以及家用電器所產(chǎn)生的電磁波的影像，具有較強(qiáng)的保密性。而且光導(dǎo)纖維的制作才來是地球上最為豐富的桂元素，用之不竭。所以光導(dǎo)纖維剛加入通信行業(yè)就稱為一枝獨(dú)秀。如今光導(dǎo)纖維對信息的容量不斷變大，光導(dǎo)纖維的傳輸能力也伴隨著信息容量的增加而得到提高�，F(xiàn)如今在發(fā)達(dá)國家與較發(fā)達(dá)國家，光網(wǎng)在信息傳輸中占據(jù)大部分地位。光纖具有的特點(diǎn)是普通電纜無以比擬的。光纖頻帶非常寬：多模光纖的頻帶大約為幾百兆赫，做工良好好的單模光纖則可達(dá)lOGHz以上。這使得非常細(xì)小的光纜就可以為千家萬戶提供源源不斷的數(shù)據(jù)支持。光纖損耗較低：光導(dǎo)纖維每公里損耗在0. 35dB以下[5，6]。重量輕：內(nèi)芯有4?48根光纖的光纜直徑小于3mm�？垢蓴_能力強(qiáng)：因?yàn)楣饫w只傳光，不導(dǎo)電，不受電磁場的作用。所以不易被竊聽，利于保密。保真度高：光纖系統(tǒng)的C/CTB在70dB以上[8],交調(diào)指標(biāo)cM也在60dB以上，遠(yuǎn)高于一般電纜干線系統(tǒng)的非線性失真指標(biāo)。工作性能可靠：光纖設(shè)備的平均無故障工作時間可以達(dá)到50萬~75萬小時，即使是壽命最短的光發(fā)射機(jī)中的激光器，最低壽命也在10萬小時以上。不得不注意的是它的成本不斷下降，根據(jù)光學(xué)定律（Optical Law） [7]。該定律指出，光纖傳輸信息的帶寬，每6個月增加1倍，而價(jià)格降低1倍。所以說未來注定是光網(wǎng)的時代，光纖通信在各大通信公司中所占的比例必然會持續(xù)提升。
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1.2改進(jìn)干涉儀的必要性
在光纖通信中最重要的就是光纖連接器，大量連接器的使用于連接遠(yuǎn)程電話通訊裝置間和中繼器，以及同一通信系統(tǒng)內(nèi)部的信號連接處等。光纖網(wǎng)絡(luò)對連接器有非常高的精度要求，其連接器尺寸小，對信號影響大。光纖直徑只有數(shù)微米到數(shù)十微米，內(nèi)部由高純度的石英制成的高透光率的玻璃絲，外部覆蓋聚酯塑料來提高其初性。要想提高光纖連接器部分光信號的傳輸效率，就必需制造高精度的光纖連接器，對于光纖連接器來將，它對信號的傳輸效率是有非常大的影響的，光纖連接器在對接的過程中會引起插入損耗和回波損耗。對于插入損耗越低越好，IEC標(biāo)準(zhǔn)要求在0.05dB以下。對于回波損耗則是越高越好，IEC規(guī)定精細(xì)研磨的PC連接器回波損耗在25dB以上，SPC連接器要求在40~18以上[3，9，10]。最常見且性能最好的APC (Angled PC)連接器更是要求回波損耗在60dB以上。此外，連接器對其機(jī)械特性也有很高的技術(shù)要求[11]，廠方生產(chǎn)的光纖連接器通常是需要大量的連接斷開，所以要求連接器具有非常高的穩(wěn)定性。在上千次的拔插實(shí)驗(yàn)中損耗不能變化太大。所以，光纖連接器的結(jié)構(gòu)必須非常精密而且可以保持很高的再現(xiàn)性精度。在光纖連接器的檢測過程中，是生產(chǎn)耗費(fèi)大量時間的過程，現(xiàn)在大部分廠家采用全部檢測的方法，有的廠家對每一個連接器的數(shù)據(jù)都有標(biāo)注，所以耗費(fèi)大量時間。如果能夠提高檢測速率可以大大提高生產(chǎn)效率。
最常見的連接器類型有一下三類：平型（PC）接頭，球型（UPC）接頭，斜型（APC）接頭。光纖連接器分類的主要依據(jù)是端面連接器研磨后的形狀，根據(jù)研磨后連接器頂端端面曲率半徑以及端面傾斜程度可以分為PC,APC和UPC.

從性能方面來說：APC＞UPC＞PC
不同類型接頭對接后會引起光信號嚴(yán)重衰減，造成光路不通。如果連接器不規(guī)格可以看成是不同型號的連接器連接在一起，所以連接器的檢測需要快速而且精準(zhǔn)。
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第二章連接器測量原理

2.1光纖連接器端面干涉原理
2.1.1實(shí)驗(yàn)儀器

1.光纖端面干涉檢測儀，Norlan  Connect-Chek公司，型號CC-6000
額定電壓：12V
物鏡放大倍數(shù)：10
倍測量時間：Is
光源：LED (660nm)
橫向分辨率：一微米
2.Norland NCC軟件
2.1.2光纖干涉儀工作原理
光纖干涉儀都是基于邁克爾遜干涉儀設(shè)計(jì)的，主要原理與邁克爾遜干涉儀基本相同。
邁克爾遜干涉儀是許多近代干涉儀的原型[14，15],它將同一光源發(fā)射的光分為兩束后這兩束光的干涉現(xiàn)象，由于是同一光源所以必然為相干光源。用它可以觀察光的干涉現(xiàn)象，如等傾干涉條紋、等厚干涉條紋等。通過干涉條紋的計(jì)算可以測定許多所需的物理量，例如單色光的波長，以及某種介質(zhì)的折射率等。

如圖2.2所示，由光源發(fā)出單色或者準(zhǔn)單色光，首先入射到分光鏡上，分光鏡背面為特制的反射鏡，該反射鏡可以使一半光反射，一半透射。激光器發(fā)出單色光通過分光鏡后變?yōu)閮墒饫w，他們的強(qiáng)度大體相同。他們具有相同的頻率，相同的振動方向，以及固定的相位差，所以可以發(fā)生干涉現(xiàn)象。為經(jīng)過連續(xù)兩次反射和一次透射直接照在我們的觀測區(qū)域，為則先在分光鏡上發(fā)生透射后經(jīng)過補(bǔ)償片照射在反射鏡從2上，之后沿原光路返回到分光鏡后表面，進(jìn)過反射射入我們的觀測區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)發(fā)生反射。如果將發(fā)生干涉的兩束光看成是直接照射在觀測區(qū)域的，那么想當(dāng)于4是從反射鏡Ml處發(fā)出的。而從2發(fā)出的光可以看成是從它的鏡像點(diǎn)發(fā)出的，由于分光鏡后表面作用反射鏡從2會在Ml的上方形成一個虛象M，可以把光看出從Ml與發(fā)出的兩束相干光源�？梢詫⒃摳缮婵闯墒荕,與之間空氣薄膜引起的等厚干涉，用Ml與背后的調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)空氣薄膜厚度。

等厚干涉的光路圖如圖2.3所示，兩反射光A1、A2的光程差為：

式（2.1)中n1與n2分別為兩種介質(zhì)的折射率。經(jīng)過簡化的到：

式（2.2)中/是入射光的傾角。于是我們可以得到干涉條件為：

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2.2光纖連接器端面幾何參數(shù)
1.球面半徑R(Radius  of Curvature):光纖連接器的端面一般被研磨成不太規(guī)則球面,曲率半徑則定義為位于纖維直徑以內(nèi)的邊緣曲率所確定的光纖曲率半徑[16]。

2.光纖高度H(Fiber Height):由于光纖和氧化鎬陶瓷插芯的材料有所不同,硬度也大不相同，所以在研磨過程中的消耗量也不同，從而光纖和氧化鎬陶瓷插芯間會有一定的高度差，這個高度差就定義為光纖高度。根據(jù)IEC國際標(biāo)準(zhǔn)，如果光纖高度比氧化鎬陶瓷插芯端面低，也就是連接器端面為凹時的光纖高度符號為正。如果光纖高度比氧化鎮(zhèn)陶瓷插芯端面高，也就是連接器端面為凸時的光纖高度符號為負(fù)。
纖維高度顯示了連接器里的纖維凹陷或突出的量。NCC軟件決定了球形纖維高度，它被定義為基于連接器中心的纖維中心高度和位于中心的理論高度之間的差異。這是在TIA和IEC測試程序里所推薦的方法。

TIA使用比例推薦的削弱量作為曲率半徑的函數(shù)。下面的公式顯示了這種關(guān)系

其中U是光纖高度，R是曲率半徑
當(dāng)U的最終數(shù)值為負(fù)時表示光纖突出，即光纖比氧化鎬陶瓷端面高。

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第三章干涉測量法的物理簡化原理..........................................18
3. 1曲率半徑干涉測量法簡化的理論根據(jù)..........................................18
3. 2光纖高度干涉測量法物理方法簡化..........................................20

第四章簡化方法數(shù)據(jù)分析

4.1測量前儀器調(diào)整
前邊描述了對光纖連接器端面幾何參數(shù)的測量分析，以及物理簡化方法。目的是可以不通過相位移動而快速的達(dá)到檢測的目的，先基于CC6000的機(jī)制進(jìn)行計(jì)算，然后與機(jī)器相位移動所測量的結(jié)果進(jìn)行比較，看所得的結(jié)果是否在誤差范圍。
在測量前首先對機(jī)器進(jìn)行調(diào)試，先將一起放在平整的桌面上，用合適的夾具是一起的主光軸在水平方向上，且光可以水平的通過擋板，這一點(diǎn)事非常重要的。如果在調(diào)平時從在誤差，那么以后進(jìn)行的測量是不準(zhǔn)確的。應(yīng)為當(dāng)光纖轉(zhuǎn)動時，端面與主光軸的夾角一直在變化的情況下，測量的頂點(diǎn)偏移和APC角度會隨著插入的角度變化而變化。調(diào)平的方法是將調(diào)整好的儀器插入光纖連接器每轉(zhuǎn)動45°測量一次，記錄頂點(diǎn)偏心值，若多次測量所得的頂點(diǎn)偏移值差距不大，那么調(diào)整是合格的。
在調(diào)試機(jī)器合格后，測量前還需要對機(jī)器進(jìn)行校驗(yàn)。在校驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)大部分機(jī)器都是一樣的。由于內(nèi)部器件的微小移動導(dǎo)致的光路的變化使得我們所看到的干涉圖像其實(shí)已經(jīng)發(fā)生了錯位，不是理想的平行光得到的干涉條紋。但是條紋的形狀不會改變，只是其位置發(fā)生變化，可以按照一定的方法將其平行移動，從而得到實(shí)際的干涉條紋。
所有的儀器在校驗(yàn)的時候需要輸入校驗(yàn)棒的信息，機(jī)器依靠校驗(yàn)棒的信息與計(jì)算機(jī)校驗(yàn)過程中測量出來的信息對光纖連接器的端面最高點(diǎn)位置重新模擬，從而得出新的光纖端面頂點(diǎn)位置。在該計(jì)算過程中，主要修正的是水平方向角與豎直方向夾角，相當(dāng)于對定位鍵角度與APC角度有一個修正。
前期計(jì)算發(fā)現(xiàn)一次校驗(yàn)后，每次測量不同的接頭，兩個方向上角度的修正值為一個固定值。即當(dāng)機(jī)器校驗(yàn)完成的時候，以后每次測量值都是在實(shí)際測量的基礎(chǔ)上加入水平方向與豎直方向上的偏移量，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。儀器測量光纖數(shù)目較多或者換一次光纖接頭類型的時候都是需要校驗(yàn)的，所以在測量以前是需要進(jìn)行校驗(yàn)的。

4.2曲率半徑的計(jì)算
首先計(jì)算前要了解儀器的主要參數(shù)。對于測量來講，需要了解的是干涉儀器選用光源的波長，因?yàn)闇y量中曲面條紋間的高度差取決于干涉光的波長。CC-6000選用的光源是波長為660nm的LED。還需要了解儀器的總放大倍數(shù)，通過放大倍數(shù)將屏幕上的條紋數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的光纖連接器端面數(shù)據(jù)。所使用的儀器的總放大倍數(shù)為410倍。
首先用儀器正常測量的到如下所示的結(jié)果：

如上所示，儀器測量的端面曲率半徑為10.91mm，測試的是APC型號的連接器，曲率半徑的合格范圍是5-15mm。
用牛頓環(huán)簡化后可以得到的公式為：

式4.1中K是儀器的放大倍數(shù)，Rk是第k級暗條紋的半徑，Rk+m是第k+m級暗條紋的半徑。對圖像處理后得出一個較容易測量的干涉圖像：

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4.4結(jié)論與展望

本文通過對對光纖連接器端面干涉儀器的原理進(jìn)行分析，確定其中的技術(shù)核心后對干涉儀器進(jìn)行簡化，以此來提高干涉效率，從而提高生產(chǎn)效率。可以在以后的干涉儀設(shè)計(jì)中加以應(yīng)用的。在具體研究過程中的出以下結(jié)論。
通過對不同的干涉數(shù)據(jù)處理方法的研究發(fā)現(xiàn)，干涉數(shù)據(jù)的處理可以依靠牛頓環(huán)原理進(jìn)行簡化。不需要進(jìn)行相位移動就可以準(zhǔn)確的測量出光纖連接器的端面曲率半徑。
通過對光纖高度測試方法的研究得出，可以用劈尖干涉的原理來解決光纖高度不易測量的問題。
對不同型號的連接器進(jìn)行儀器測量和簡化后方法的測量，發(fā)現(xiàn)簡化后測量的精度不會降低，符合IEC的測量標(biāo)準(zhǔn)。
由于時間和精力的關(guān)系，本算法可以在兩個地方加以改進(jìn)：
第一、通過對光纖高度測試方法的研究得出，可以用劈尖干涉的原理來解決光纖高度不易測量的問題。但是準(zhǔn)確率較低，但這是大多數(shù)儀器存在的普遍問題，測量精度的提高還需要進(jìn)一步研究。
第二、本設(shè)計(jì)是在CC-6000的測量基礎(chǔ)上建立的，測量過程基于機(jī)器自身，沒有實(shí)現(xiàn)自己測量自己計(jì)算的過程，只是對測量結(jié)果進(jìn)行的分析，可以在此基礎(chǔ)上研究更加準(zhǔn)確的測量過程，來實(shí)現(xiàn)干涉儀的自主研發(fā)。
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參考文獻(xiàn) :


本文編號：9452

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