光纤连接器端面检测技术的最新进展

    9/16/2004,
葛宗涛 （Ge Zongtao），小林 富美男（KOBAYASHI Fumio）
富士写真光机株式会社
1.前言
    随着网络应用的扩大和网络情报流量的急速增加，公共网及局域网对网络带宽的要求越来越高。带宽网络也就应运而生。具有代表性的带宽网络有使用电话线的ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line),使用有线电视线路的CATV(CAble TeleVvision), 使用无线发射与接收的无线网络，还有使用光纤的光纤通信网络。
    作为现代通讯讯号的传播介质，光纤通信具有其独特的优点。其传送速度比一般ADSL方式及CATV方式至少快一个数量级。并且不受高压线及电视,收音机的电磁波的影响，保密性强。此外，光纤所用的材料是地球上大量存在的硅,所以不会有资源枯竭的问题。自从光纤通信正式进入电信网络以来，它已经成为现代化通信网的主要支柱之一。近年来，随着光同步数字系列（SDH）、掺铒光纤放大器（EDFA）、密集波分复用（DWDM）等技术的商业化，光纤通信系统的传输容量不断扩大，光纤传输的带宽潜力和技术优越性不断得到挖掘和发挥。与此同时，由于互联网的迅速普及，世界各国纷纷把光纤接入网的发展作为战略性的国策加以重视。基于波长多重（DWDM）的光通讯大容量化,光纤家家通FTTH (Fiber To The Home)计划也在急速的展开。
    光通信需要大量的光纤连接器，用于远程电话通讯装置间的连接，程控电话交换机,中继器,以及同一电讯局内的通讯装置间的连接等。由于对光纤通信网络的经济性和高性能的要求，高信頼性，小型化，低成本的光纤连接器就显得非常重要。由于光纤是一种直径仅有数微米能传送光信号的纤芯和将光束缚在纤芯内的覆盖层构成的高纯度石英玻璃拉制而成的玻璃丝线，为了提高光纤连接及光信号传输的效率，必需控制光纤连接器的几何参数以减少光纤连接的插入损耗和回损（或称为反射減衰量）。例如，对于插入损耗，一般要求在0.05dB以下。对于回损，通常研磨的ＰＣ连接器一般要求为25dB以上，高精度研磨的ＳＰＣ连接器要求40dB以上，（也有要求45dB或50dB以上的）。倾斜研磨的APC（Angled PC）连接器更要求在60dB以上。此外，对于機械特性也有较高的要求。例如，经过1000次的插入/拔出试验要求插入损耗的变化必需在0.05dB以下，回损必须保持在48dB以上。因此，光纤连接器的结构必须保持很高的再现性精度。
要控制光纤连接器的几何参数，选择适当的端面检测仪器是关键。本文将介绍日本富士写真光机株式会社开发的FS-05光纤连接器端面检测仪的最新技术。这种端面检测仪具有很高的测量精度和测量再现性。
2．常见的光纤连接器及检测参数
    光纤连接器的种类很多。就连接方式来分, 有FC,SC,MU,LC等，就端面研磨形态来分,有PC(Physical Contact，端面为球面) 连接器及APC(Angled Physical Contact，端面为倾斜的球面) 连接器等。就连接器的插芯直径来分，有2.5mm的（如FC型连接器及SC型连接器），也有1.25mm 的（如MU型连接器及LC型连接器）等。就连接器的材料来分有:氧化镐陶瓷材料,SUS材料,玻璃材料,塑料材料，金属材料等。但对于检测仪器来说，一般仅分为PC及APC两种。
    为了保证光纤连接器的品质和互换性以及光通信的质量, 国际标准机构对光纤连接器的各项技术指标制定了IEC国际标准 。要求各生产商对所生产的光纤连接器进行严格检查。目前，少数厂家只进行抽样检查，要求高的产品一般要求全数检查。
根据IEC国际标准,一般对PC型的光纤连接器主要进行以下几个项目的检查:
    *球面半径R(Radius of Curvature): 一般光纤连接器的端面被研磨成球面, 球面半径R的大小必须在IEC国际标准规定的范围以内。
    *光纤高度H(Fiber Height): 由于光纤和插芯的材料不同,硬度也不同，所以研磨时的消耗量也不同，从而光纤和插芯间会有高度差，这个高度差就是光纤高度。光纤高度必须满足IEC国际标准的要求。必须指出的是，根据IEC国际标准，光纤高度比插芯端面低，也就是连接器端面为凹时的光纤高度符号为正。这与有些厂家测量仪器的定义不同。
    *球面顶点偏心L(Apex offset): 光纤连接器一般以连接器的插芯的中心为基准。但是,在研磨光纤连接器时,得到的球面的顶点不一定在连接器插芯的中心。从而产生球面顶点偏心误差。球面顶点偏心L也必须满足IEC国际标准的要求。
对APC型的光纤连接器,除要进行以上PC型的光纤连接器的3个项目的检查外,还要检查
    *APC角度(APC Angle,一般以8度为标准): APC角度又称为研磨面傾斜角度，在IEC国际标准中定义为在光纤连接器的插芯的中心轴上，并且与先端球面相切的平面和与插芯的中心轴垂直的平面之间的夹角。
    *定位键角度（Key Error）: 定位键角度为连接器的定位键位置和研磨面傾斜方向之间的角度，在IEC国际标准中定义为通过傾斜研磨光纤连接器的插芯的中心轴和定位键的中心轴的平面A，以及在插芯的中心轴上，并且与先端球面相切的平面垂直的平面B之间的夹角。APC光纤连接器的定位键角度的定义示于图2中。 
  

图1. PC和APC光纤连接器的主要检查项目

     图2. APC光纤连接器的定位键角度的定义
    此外还有端面表面粗糙度,划痕,灰尘,油污等检测项目。不过,因为现代加工技术和过程能够保证这些指标满足IEC的要求。也可不进行这些项目的检查。图1. 是PC和APC光纤连接器的检查项目的示意图。表1列出了常见的光纤连接器的检查项目及IEC标准。
3．光纤连接器的检测技术
（1）干涉仪及干涉条纹的解析
    评价光纤连接器端面的球面半径和光纤高度，首先必须测量连接器端面的形状。干涉仪具有测量精度高，速度快，成本低等优点，是测量表面形状的一个有效手段。图3.是光纤连接器端面检测干涉仪的系统概要。由光源射出的光线经半透镜反射到米罗干涉物镜后，光线聚焦于被检测光纤连接器的端面，经端面反射后与米罗干涉物镜的反射面反射的光线一同透过半透镜，成像于CCD摄像头。这时在CCD摄像头上可以观察到干涉条纹。CCD摄像头测得的图像经图像卡传送到计算机进行解析处理。就可以得到我们所需要的测量结果。由计算机经过控制卡及控制回路控制的PZT(压电陶瓷元件)用于移动米罗干涉物镜以产生位相移动。
    解析干涉条纹可以应用傅立叶变换法 ， ， ,也可以应用位相移动法 ， 。傅立叶变换法具有简单，快速，低成本等优点，但精度较低，一般用于简易型测量仪。对于光纤连接器端面形状的测量，一般采用解析精度较高的位相移动法。下面以较为多用的5步法为例介绍位相移动法的原理。
    控制PZT移动米罗干涉物镜以产生5步位相移动，每移动一步后由CCD摄像头读取干涉条纹，干涉条纹的2D分布为
  (1) 
    式中 gj(x,y) 代表第j枚干涉条纹图像（如图4所示），a(x,y)为干涉条纹的直流分量，b(x,y)为干涉条纹的调制振幅，φ (x,y)为需要求出的和被测表面形状相关的位相，δ j 代表第j次位相移动量。
  (2)
    由试（1）可以求出被测位相为，
(3)
    由于反正切函数的主值区间为±π，因此，式（3）得到的是间断的位相。必须经过位相连接才能得到连续的表面形状（如图5所示）。图6为图5所表示的表面形状的放大等高线图。必须指出的是位相连接是一个比较复杂的过程。选择不同的位相连接算法，计算速度和安定性将会不同。
         

            图3. 光纤连接器端面检测干涉仪系统概要
           
（2）载物台的倾斜调整
    载物台的倾斜调整是一项关键技术。如果载物台的倾斜调整精度不高，将极大地影响球面顶点偏心，APC角度及定位键角度的测量精度。图7为倾斜调整和球面顶点偏心测量精度的关系概要。如图7（a）所示，当载物台倾斜调整完整时，干涉仪光学系统的光轴将与被测定光纤连接器的插芯的中心轴平行。此时，旋转被测定光纤连接器时，光纤连接器端面的球面顶点（环形干涉条纹的中心如A点或B点）将绕光纤的中心O点旋转，构成一个以O点为中心的圆。測定的頂点偏芯值OA或OB将与実際的頂点偏芯相同。也就是说，无论旋转光纤连接器到什么角度，測定的頂点偏芯值的变化将不会太大。相反，如图7（b）所示，当载物台倾斜调整不完整时，干涉仪光学系统的光轴将会与被测定光纤连接器的插芯的中心轴交叉成一个角度。此时，旋转被测定光纤连接器时，光纤连接器端面的球面顶点（环形干涉条纹的中心如A点，B点，C点或D点）会绕一个与光纤的中心O不相同的中心O*旋转，构成一个以O*为中心的圆。显然，在不同位置測量的頂点偏芯值OA，OB或OC将与実際的頂点偏芯OD不相同。也就是说，旋转光纤连接器后，測定的頂点偏芯值将会有很大的变化。从这个现象也可以得到一个检验载物台倾斜调整是否完整的方法。即，旋转光纤连接器，依次測定頂点偏芯值，如果測定的頂点偏芯值变化不大，则载物台倾斜调整是完整的。反之，则载物台倾斜调整是不完整的。为了提高载物台倾斜的调整精度，我们开发了一种高精度，操作简单的载物台倾斜调整技术（已申请多国专利） , ，可以达到大大高于一般调整方法的调整精度。
    
（3）测量再现性
    测量再现性对光纤连接器端面检测仪的测量精度有很大的影响。以顶点偏心为例，目前，绝大部分厂商生产的光纤连接器端面检测仪的测量再现性精度大约在±5μm附近。这些数据可以从各厂家的网页方便的查到。有的厂家以测量再现性的标准偏差σ来衡量。按照误差理论的计算方法，此时的测量再现性最大误差可达±3σ，大约也在±6μm附近。一般不可能要求测量仪器的测量精度高于测量再现性精度。由于有如此大的测量再现性误差，所以，其他如APC角度，定位键角度的测量结果也会有很大的误差。其信赖性也就可想而知了。
    光纤连接器端面检测仪的测量再现性精度主要决定于光纤连接器端面检测干涉仪的测量再现性精度（由PZT的位相移动精度，CCD摄像头的精度和图像卡的A/D转换器的精度，测量电路的噪声，测量环境，如振动，温度的变化决定），载物台光纤连接器固定夹具的定位精度来决定。此外，一般由于光纤连接器插入固定夹具的旋转方向角度的不确定性（除APC光纤连接器），载物台的倾斜调整精度也会影响测量再现性精度。对于载物台的倾斜调整精度的影响及检验方法，在第2节已经介绍。在此不再详述。对于干涉仪的测量再现性，可以固定光纤连接器于载物台的固定夹具上，在不拔出光纤连接器的状态下反复进行测量。然后，对测量的数值进行处理，从而评价干涉仪本身的测量再现性。一般来说，基于现代干涉仪测量技术和干涉条纹解析技术而开发的干涉仪具有很高的测量再现性。不过，由于光学设计及光路布置不当，有些厂家的干涉仪对振动很敏感，从而影响干涉仪的测量再现性精度。对于光纤连接器固定夹具的定位精度，可以多次插入/拔出被测光纤连接器，对同一光纤连接器反复进行测量。然后，对测量的数值进行处理，从而评价光纤连接器固定夹具的定位精度。必须指出的是，由于大多采用某种标准器，如标准光纤连接器来进行载物台的倾斜调整，载物台的倾斜调整精度也会受到固定夹具的定位精度的影响，因此，提高固定夹具的定位精度是提高整个光纤连接器端面检测仪的测量精度的关键。为了提高固定夹具的定位精度，我们开发了一种高精度，操作简单，可靠性高的光纤连接器固定夹具（已申请多国专利），应用这种夹具，我们得到了极高的测量再现性（最大再现性误差不超过±2μm），大大其他产品的传统定位方法的定位精度。
（4）定位键角度的测量
由于测量再现性精度对光纤连接器端面检测仪的测量精度有很大的影响，提高测量再现性精度是保证定位键角度测量精度的前提。因此，在用高精度的定位方法对定位键角度的测量非常重要。另外，采用不同的定位键角度的定义和计算方法会得到不同的测量结果。对于光纤连接器定位键角度，有的厂家的测量仪器的定义和IEC国际标准不同。例如，有的测量仪器定义定位键角度为顶点偏心的x方向分量的角度表示，显然，这个定义与IEC国际标准的定义不同。根据这个定义计算出的定位键角度和根据IEC国际标准计算出的定位键角度有数倍的误差。 
4．测量实验
    为了检验开发的光纤连接器端面检测仪的性能，我们进行了下列测量实验。
（1）SC/PC光纤连接器的测量
    *倾斜调整:首先换上合适的载物台及夹具，然后用解析软件提供的方法调整载物台的倾斜。调整后,用插芯检验调整是否正确，方法是每转45度测量一次,纪录顶点偏心值，如各测量值的标准偏差小于仪器规定的指标,及调整完成，如表2所示， 标准偏差为0.56539μｍ,最大误差为1.533μｍ，可以判断调整合格。
    *再现性误差: 调整后确认测量的再现性误差。
再现误差分两种，一种为多次(一般为10次)插入/拔出被测连接器而得到的再现性误差，另一种为在连接器固定的状态下连续多次测量而得到的再现性误差，这两种再现性误差都列于表3中.如表所示,本测量仪具有很高的测量再现性.(由于增加测量次数, 标准偏差的值会变小.因此,10次测量即可) 
表2. 检验载物台的倾斜调整结果
      
 
   
（2）FC/APC光纤连接器的测量
    *倾斜调整:首先换上合适的载物台(APC光纤连接器专用)及夹具，然后用解析软件提供的方法调整载物台的倾斜.
    *再现性误差: 调整后，确认测量的再现性误差，多次插入/拔出被测连接器而得到的球面半径, 光纤高度, 顶点偏心，APC角度和定位键角度的再现性误差列于表4中。如表所示，本测量仪具有很高的测量再现性。非插入/拔出测量的再现性误差为本仪器的固有特性, 不会随不同测量对象而变化，可以认为非插入/拔出测量的再现性误差与表3所示相差不大。
    *必须指出的是，由于APC光纤连接器的插芯与周边部件之间仅有弹簧固定，不是固定连接，在用载物台的夹具固定APC光纤连接器时，插芯和周边部件之间会产生游隙，这时，即使光纤连接器固定夹具的定位精度再高，实际测量时的再现性误差也可能很大。如果仅仅是为了检验测量仪器的再现性，可以将APC光纤连接器的插芯与周边部件用粘结剂固定，然后再进行测量，检验测量仪器的再现性。
   
（3）开发的测量仪的综合指标及特点
经实验验证，我们开发的FS-05测量仪具有以下特点：
    *采用三次元非接触位相变调干涉测量方法，测量精度高，速度快。
    *具有极高的测量再现性，特别是顶点偏心测量的最大再現性误差为其他产品的1/2～1/3。
    *具有高性能，低价格的特点，操作简单，经济实用。
    *采用LED光源,仪器的能耗低,体积小，使用寿命长，维护方便。
    *测量可靠，安定，抗环境能力强，特别适用于在加工现场进行测量。
    *检测结果用一个画面集中表示,一目了然。可选择标准报告书/用户设定报告书格式。
    *可适用于多种光纤连接器及插芯，适用于IEC国际标准,也可选择用户设定标准。
   表5 FS-05测量仪的综合指标
       
    表5 列出了FS-05测量仪的综合指标。必须指出的是我们开发的FS-05测量仪基本型的光纤高度的测量范围只有-0.15～+0.15μm，其他公司的仪器采用选择件可以测量更大范围。但是、一般安定的生产线上生产的连接器的光纤高度不会超过-0.1～+0.1(μm)。所以，过大的测量范围并不实用，只会增加仪器成本。如需要更大的光纤高度测量范围，可以选择FS-05测量仪的高性能型。FS-05测量仪的高性能型可以测量数微米的光纤高度。
 图8检测结果的表示画面

（4）软件功能和表示画面
我们开发的FS-05检测仪器的解析软件具有多种功能，如自动测量，自动解析功能，测量结果报告功能，文件操作功能等等。图8 为检测结果的表示画面。画面由干涉条纹图像，3D表面形状图像，等高线图像和相应的断面曲线构成，一目了然。各图像还可以扩大表示。可以满足连接器在试制阶段的详细解析要求，也可以满足现场大批量生产时的检测要求。
5．结束语
    虽然由于IT泡沫的破灭，光通信产业有一些衰退，使得通信基础网络的建设速度有所放慢。但是，从长远来看，由于光通信具有无可比拟的优势，光通信业将会有一个上升期，市场前景看好。可以肯定地说，光通信业界对光纤连接器的需求会逐步增加。从而对光纤连接器端面检测技术提出了更高的要求。本文介绍的光纤连接器端面检测技术的最新进展及我们开发的一种高精度光纤连接器端面检测仪，比传统的检测仪具有更高的测量精度，特别是应用最新技术大幅度提高了测量的再现性，给光纤连接器的品质保证提供了有力的保障。