光纖連接器端面檢測技術的最新進展

    9/16/2004,

葛宗濤 （Ge Zongtao），小林 富美男（KOBAYASHI Fumio）

富士寫真光機株式會社

1.前言

    隨著網絡應用的擴大和網絡情報流量的急速增加，公共網及區域網對網絡帶寬的要求越來越高。帶寬網絡也就應運而生。具有代表性的帶寬網絡有使用電話線的ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line),使用有線電視線路的CATV(CAble TeleVvision), 使用無線發射與接收的無線網絡，還有使用光纖的光纖通信網絡。

    作為現代通訊訊號的傳播介質，光纖通信具有其獨特的優點。其傳送速度比一般ADSL方式及CATV方式至少快一個數量級。並且不受高壓線及電視,收音機的電磁波的影響，保密性強。此外，光纖所用的材料是地球上大量存在的矽,所以不會有資源枯竭的問題。自從光纖通信正式進入電信網絡以來，它已經成為現代化通信網的主要支柱之一。近年來，隨著光同步數字系列（SDH）、摻鉺光纖放大器（EDFA）、密集波分復用（DWDM）等技術的商業化，光纖通信系統的傳輸容量不斷擴大，光纖傳輸的帶寬潛力和技術優越性不斷得到挖掘和發揮。與此同時，由於網際網路的迅速普及，世界各國紛紛把光纖接入網的發展作為戰略性的國策加以重視。基于波長多重（DWDM）的光通訊大容量化,光纖家家通FTTH (Fiber To The Home)計劃也在急速的展開。

    光通信需要大量的光纖連接器，用於遠程電話通訊裝置間的連接，程控電話交換機,中繼器,以及同一電訊局內的通訊裝置間的連接等。由於對光纖通信網絡的經濟性和高性能的要求，高信頼性，小型化，低成本的光纖連接器就顯得非常重要。由於光纖是一種直徑僅有數微米能傳送光信號的纖芯和將光束縛在纖芯內的覆蓋層構成的高純度石英玻璃拉制而成的玻璃絲線，為了提高光纖連接及光信號傳輸的效率，必需控制光纖連接器的幾何參數以減少光纖連接的插入損耗和回損（或稱為反射減衰量）。例如，對於插入損耗，一般要求在0.05dB以下。對於回損，通常研磨的ＰＣ連接器一般要求為25dB以上，高精度研磨的ＳＰＣ連接器要求40dB以上，（也有要求45dB或50dB以上的）。傾斜研磨的APC（Angled PC）連接器更要求在60dB以上。此外，對於機械特性也有較高的要求。例如，經過1000次的插入/拔出試驗要求插入損耗的變化必需在0.05dB以下，回損必須保持在48dB以上。因此，光纖連接器的結構必須保持很高的再現性精度。

要控制光纖連接器的幾何參數，選擇適當的端面檢測儀器是關鍵。本文將介紹日本富士寫真光機株式會社開發的FS-05光纖連接器端面檢測儀的最新技術。這種端面檢測儀具有很高的測量精度和測量再現性。

2．常見的光纖連接器及檢測參數

    光纖連接器的種類很多。就連接方式來分, 有FC,SC,MU,LC等，就端面研磨形態來分,有PC(Physical Contact，端面為球面) 連接器及APC(Angled Physical Contact，端面為傾斜的球面) 連接器等。就連接器的插芯直徑來分，有2.5mm的（如FC型連接器及SC型連接器），也有1.25mm 的（如MU型連接器及LC型連接器）等。就連接器的材料來分有:氧化鎬陶瓷材料,SUS材料,玻璃材料,塑料材料，金屬材料等。但對於檢測儀器來說，一般僅分為PC及APC兩種。

    為了保證光纖連接器的品質和互換性以及光通信的質量, 國際標準機構對光纖連接器的各項技術指標制定了IEC國際標準 。要求各生產商對所生產的光纖連接器進行嚴格檢查。目前，少數廠家只進行抽樣檢查，要求高的產品一般要求全數檢查。

根據IEC國際標準,一般對PC型的光纖連接器主要進行以下幾個項目的檢查:

    *球面半徑R(Radius of Curvature): 一般光纖連接器的端面被研磨成球面, 球面半徑R的大小必須在IEC國際標準規定的範圍以內。

    *光纖高度H(Fiber Height): 由於光纖和插芯的材料不同,硬度也不同，所以研磨時的消耗量也不同，從而光纖和插芯間會有高度差，這個高度差就是光纖高度。光纖高度必須滿足IEC國際標準的要求。必須指出的是，根據IEC國際標準，光纖高度比插芯端面低，也就是連接器端面為凹時的光纖高度符號為正。這與有些廠家測量儀器的定義不同。

    *球面頂點偏心L(Apex offset): 光纖連接器一般以連接器的插芯的中心為基準。但是,在研磨光纖連接器時,得到的球面的頂點不一定在連接器插芯的中心。從而產生球面頂點偏心誤差。球面頂點偏心L也必須滿足IEC國際標準的要求。

對APC型的光纖連接器,除要進行以上PC型的光纖連接器的3個項目的檢查外,還要檢查

    *APC角度(APC Angle,一般以8度為標準): APC角度又稱為研磨麵傾斜角度，在IEC國際標準中定義為在光纖連接器的插芯的中心軸上，並且與先端球面相切的平面和與插芯的中心軸垂直的平面之間的夾角。

    *定位鍵角度（Key Error）: 定位鍵角度為連接器的定位鍵位置和研磨麵傾斜方向之間的角度，在IEC國際標準中定義為通過傾斜研磨光纖連接器的插芯的中心軸和定位鍵的中心軸的平面A，以及在插芯的中心軸上，並且與先端球面相切的平面垂直的平面B之間的夾角。APC光纖連接器的定位鍵角度的定義示於圖2中。   

圖1. PC和APC光纖連接器的主要檢查項目

     圖2. APC光纖連接器的定位鍵角度的定義

    此外還有端面表面粗糙度,劃痕,灰塵,油汙等檢測項目。不過,因為現代加工技術和過程能夠保證這些指標滿足IEC的要求。也可不進行這些項目的檢查。圖1. 是PC和APC光纖連接器的檢查項目的示意圖。表1列出了常見的光纖連接器的檢查項目及IEC標準。

3．光纖連接器的檢測技術

（1）幹涉儀及幹涉條紋的解析

    評價光纖連接器端面的球面半徑和光纖高度，首先必須測量連接器端面的形狀。幹涉儀具有測量精度高，速度快，成本低等優點，是測量表面形狀的一個有效手段。圖3.是光纖連接器端面檢測幹涉儀的系統概要。由光源射出的光線經半透鏡反射到米羅幹涉物鏡後，光線聚焦於被檢測光纖連接器的端面，經端面反射後與米羅幹涉物鏡的反射面反射的光線一同透過半透鏡，成像於CCD攝像頭。這時在CCD攝像頭上可以觀察到幹涉條紋。CCD攝像頭測得的圖像經圖像卡傳送到計算機進行解析處理。就可以得到我們所需要的測量結果。由計算機經過控制卡及控制迴路控制的PZT(壓電陶瓷元件)用於移動米羅幹涉物鏡以產生位相移動。

    解析幹涉條紋可以應用傅立葉變換法 ， ， ,也可以應用位相移動法 ， 。傅立葉變換法具有簡單，快速，低成本等優點，但精度較低，一般用於簡易型測量儀。對於光纖連接器端面形狀的測量，一般採用解析精度較高的位相移動法。下面以較為多用的5步法為例介紹位相移動法的原理。

    控制PZT移動米羅幹涉物鏡以產生5步位相移動，每移動一步後由CCD攝像頭讀取幹涉條紋，幹涉條紋的2D分布為

  (1) 

    式中 gj(x,y) 代表第j枚幹涉條紋圖像（如圖4所示），a(x,y)為幹涉條紋的直流分量，b(x,y)為幹涉條紋的調製振幅，φ (x,y)為需要求出的和被測表面形狀相關的位相，δ j 代表第j次位相移動量。

  (2)

    由試（1）可以求出被測位相為，

(3)

    由於反正切函數的主值區間為±π，因此，式（3）得到的是間斷的位相。必須經過位相連接才能得到連續的表面形狀（如圖5所示）。圖6為圖5所表示的表面形狀的放大等高線圖。必須指出的是位相連接是一個比較複雜的過程。選擇不同的位相連接算法，計算速度和安定性將會不同。         

            圖3. 光纖連接器端面檢測幹涉儀系統概要      

     

（2）載物臺的傾斜調整

    載物臺的傾斜調整是一項關鍵技術。如果載物臺的傾斜調整精度不高，將極大地影響球面頂點偏心，APC角度及定位鍵角度的測量精度。圖7為傾斜調整和球面頂點偏心測量精度的關係概要。如圖7（a）所示，當載物臺傾斜調整完整時，幹涉儀光學系統的光軸將與被測定光纖連接器的插芯的中心軸平行。此時，旋轉被測定光纖連接器時，光纖連接器端面的球面頂點（環形幹涉條紋的中心如A點或B點）將繞光纖的中心O點旋轉，構成一個以O點為中心的圓。測定的頂點偏芯值OA或OB將與実際的頂點偏芯相同。也就是說，無論旋轉光纖連接器到什麼角度，測定的頂點偏芯值的變化將不會太大。相反，如圖7（b）所示，當載物臺傾斜調整不完整時，幹涉儀光學系統的光軸將會與被測定光纖連接器的插芯的中心軸交叉成一個角度。此時，旋轉被測定光纖連接器時，光纖連接器端面的球面頂點（環形幹涉條紋的中心如A點，B點，C點或D點）會繞一個與光纖的中心O不相同的中心O*旋轉，構成一個以O*為中心的圓。顯然，在不同位置測量的頂點偏芯值OA，OB或OC將與実際的頂點偏芯OD不相同。也就是說，旋轉光纖連接器後，測定的頂點偏芯值將會有很大的變化。從這個現象也可以得到一個檢驗載物臺傾斜調整是否完整的方法。即，旋轉光纖連接器，依次測定頂點偏芯值，如果測定的頂點偏芯值變化不大，則載物臺傾斜調整是完整的。反之，則載物臺傾斜調整是不完整的。為了提高載物臺傾斜的調整精度，我們開發了一種高精度，操作簡單的載物臺傾斜調整技術（已申請多國專利） , ，可以達到大大高於一般調整方法的調整精度。 

   

（3）測量再現性

    測量再現性對光纖連接器端面檢測儀的測量精度有很大的影響。以頂點偏心為例，目前，絕大部分廠商生產的光纖連接器端面檢測儀的測量再現性精度大約在±5μm附近。這些數據可以從各廠家的網頁方便的查到。有的廠家以測量再現性的標準偏差σ來衡量。按照誤差理論的計算方法，此時的測量再現性最大誤差可達±3σ，大約也在±6μm附近。一般不可能要求測量儀器的測量精度高於測量再現性精度。由於有如此大的測量再現性誤差，所以，其他如APC角度，定位鍵角度的測量結果也會有很大的誤差。其信賴性也就可想而知了。

    光纖連接器端面檢測儀的測量再現性精度主要決定於光纖連接器端面檢測幹涉儀的測量再現性精度（由PZT的位相移動精度，CCD攝像頭的精度和圖像卡的A/D轉換器的精度，測量電路的噪聲，測量環境，如振動，溫度的變化決定），載物臺光纖連接器固定夾具的定位精度來決定。此外，一般由於光纖連接器插入固定夾具的旋轉方向角度的不確定性（除APC光纖連接器），載物臺的傾斜調整精度也會影響測量再現性精度。對於載物臺的傾斜調整精度的影響及檢驗方法，在第2節已經介紹。在此不再詳述。對於幹涉儀的測量再現性，可以固定光纖連接器於載物臺的固定夾具上，在不拔出光纖連接器的狀態下反覆進行測量。然後，對測量的數值進行處理，從而評價幹涉儀本身的測量再現性。一般來說，基於現代幹涉儀測量技術和幹涉條紋解析技術而開發的幹涉儀具有很高的測量再現性。不過，由於光學設計及光路布置不當，有些廠家的幹涉儀對振動很敏感，從而影響幹涉儀的測量再現性精度。對於光纖連接器固定夾具的定位精度，可以多次插入/拔出被測光纖連接器，對同一光纖連接器反覆進行測量。然後，對測量的數值進行處理，從而評價光纖連接器固定夾具的定位精度。必須指出的是，由於大多採用某種標準器，如標準光纖連接器來進行載物臺的傾斜調整，載物臺的傾斜調整精度也會受到固定夾具的定位精度的影響，因此，提高固定夾具的定位精度是提高整個光纖連接器端面檢測儀的測量精度的關鍵。為了提高固定夾具的定位精度，我們開發了一種高精度，操作簡單，可靠性高的光纖連接器固定夾具（已申請多國專利），應用這種夾具，我們得到了極高的測量再現性（最大再現性誤差不超過±2μm），大大其他產品的傳統定位方法的定位精度。

（4）定位鍵角度的測量

由於測量再現性精度對光纖連接器端面檢測儀的測量精度有很大的影響，提高測量再現性精度是保證定位鍵角度測量精度的前提。因此，在用高精度的定位方法對定位鍵角度的測量非常重要。另外，採用不同的定位鍵角度的定義和計算方法會得到不同的測量結果。對於光纖連接器定位鍵角度，有的廠家的測量儀器的定義和IEC國際標準不同。例如，有的測量儀器定義定位鍵角度為頂點偏心的x方向分量的角度表示，顯然，這個定義與IEC國際標準的定義不同。根據這個定義計算出的定位鍵角度和根據IEC國際標準計算出的定位鍵角度有數倍的誤差。 

4．測量實驗

    為了檢驗開發的光纖連接器端面檢測儀的性能，我們進行了下列測量實驗。

（1）SC/PC光纖連接器的測量

    *傾斜調整:首先換上合適的載物臺及夾具，然後用解析軟體提供的方法調整載物臺的傾斜。調整後,用插芯檢驗調整是否正確，方法是每轉45度測量一次,紀錄頂點偏心值，如各測量值的標準偏差小於儀器規定的指標,及調整完成，如表2所示， 標準偏差為0.56539μｍ,最大誤差為1.533μｍ，可以判斷調整合格。

    *再現性誤差: 調整後確認測量的再現性誤差。

再現誤差分兩種，一種為多次(一般為10次)插入/拔出被測連接器而得到的再現性誤差，另一種為在連接器固定的狀態下連續多次測量而得到的再現性誤差，這兩種再現性誤差都列於表3中.如表所示,本測量儀具有很高的測量再現性.(由於增加測量次數, 標準偏差的值會變小.因此,10次測量即可) 

表2. 檢驗載物臺的傾斜調整結果     

     

（2）FC/APC光纖連接器的測量

    *傾斜調整:首先換上合適的載物臺(APC光纖連接器專用)及夾具，然後用解析軟體提供的方法調整載物臺的傾斜.

    *再現性誤差: 調整後，確認測量的再現性誤差，多次插入/拔出被測連接器而得到的球面半徑, 光纖高度, 頂點偏心，APC角度和定位鍵角度的再現性誤差列於表4中。如表所示，本測量儀具有很高的測量再現性。非插入/拔出測量的再現性誤差為本儀器的固有特性, 不會隨不同測量對象而變化，可以認為非插入/拔出測量的再現性誤差與表3所示相差不大。

    *必須指出的是，由於APC光纖連接器的插芯與周邊部件之間僅有彈簧固定，不是固定連接，在用載物臺的夾具固定APC光纖連接器時，插芯和周邊部件之間會產生遊隙，這時，即使光纖連接器固定夾具的定位精度再高，實際測量時的再現性誤差也可能很大。如果僅僅是為了檢驗測量儀器的再現性，可以將APC光纖連接器的插芯與周邊部件用粘結劑固定，然後再進行測量，檢驗測量儀器的再現性。  

 

（3）開發的測量儀的綜合指標及特點

經實驗驗證，我們開發的FS-05測量儀具有以下特點：

    *採用三次元非接觸位相變調幹涉測量方法，測量精度高，速度快。

    *具有極高的測量再現性，特別是頂點偏心測量的最大再現性誤差為其他產品的1/2～1/3。

    *具有高性能，低價格的特點，操作簡單，經濟實用。

    *採用LED光源,儀器的能耗低,體積小，使用壽命長，維護方便。

    *測量可靠，安定，抗環境能力強，特別適用於在加工現場進行測量。

    *檢測結果用一個畫面集中表示,一目了然。可選擇標準報告書/用戶設定報告書格式。

    *可適用於多種光纖連接器及插芯，適用於IEC國際標準,也可選擇用戶設定標準。

   表5 FS-05測量儀的綜合指標       

    表5 列出了FS-05測量儀的綜合指標。必須指出的是我們開發的FS-05測量儀基本型的光纖高度的測量範圍只有-0.15～+0.15μm，其他公司的儀器採用選擇件可以測量更大範圍。但是、一般安定的生產線上生產的連接器的光纖高度不會超過-0.1～+0.1(μm)。所以，過大的測量範圍並不實用，只會增加儀器成本。如需要更大的光纖高度測量範圍，可以選擇FS-05測量儀的高性能型。FS-05測量儀的高性能型可以測量數微米的光纖高度。

 圖8檢測結果的表示畫面

（4）軟體功能和表示畫面

我們開發的FS-05檢測儀器的解析軟體具有多種功能，如自動測量，自動解析功能，測量結果報告功能，文件操作功能等等。圖8 為檢測結果的表示畫面。畫面由幹涉條紋圖像，3D表面形狀圖像，等高線圖像和相應的斷面曲線構成，一目了然。各圖像還可以擴大表示。可以滿足連接器在試製階段的詳細解析要求，也可以滿足現場大批量生產時的檢測要求。

5．結束語

    雖然由於IT泡沫的破滅，光通信產業有一些衰退，使得通信基礎網絡的建設速度有所放慢。但是，從長遠來看，由於光通信具有無可比擬的優勢，光通信業將會有一個上升期，市場前景看好。可以肯定地說，光通信業界對光纖連接器的需求會逐步增加。從而對光纖連接器端面檢測技術提出了更高的要求。本文介紹的光纖連接器端面檢測技術的最新進展及我們開發的一種高精度光纖連接器端面檢測儀，比傳統的檢測儀具有更高的測量精度，特別是應用最新技術大幅度提高了測量的再現性，給光纖連接器的品質保證提供了有力的保障。