CN101120231B - 光纤母材的纤芯部非圆率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤母材(1)的纤芯部非圆率测量方法，其包括：从垂直于纤芯部中心轴的方向，一边向浸泡在匹配油(3)中的光纤母材(1)照射光线，一边使光纤母材(1)向平行于中心轴的方向移动，对光线中透过纤芯部的透过光线的宽度变化连同光纤母材(1)的移动量的关系进行记录，获得光纤母材(1)有关长度方向的纤芯部的相对外径值分布的相对外径值分布测量步骤；每当绕着中心轴，使光纤母材(1)旋转至规定的旋转角度时，执行相对外径值分布测量步骤，并记录多个相应于旋转角度的相对外径值分布的相对外径值分布积累步骤；根据在相对外径值分布积累步骤中积累的多个相对外径值分布，计算出多个对于光纤母材(1)长度方向的纤芯部的多个非圆率的非圆率计算步骤。

Description

光纤母材的纤芯部非圆率测量方法

技术领域

本发明涉及作为光纤原材料使用的光纤母材的纤芯部非圆率的测量方法。

在允许结合参考文献的指定国，要求将以下专利申请说明书所记载的内容结合到本申请中并作为本申请的一部分。

特愿2005-045329号  申请日2005年2月22日

背景技术

近年来，作为限制光通信的长距离化以及高速化的主要因素，偏振模色散(Polarization Mode Dispersion、以下简称为「PMD」)的影响逐渐受到瞩目。PMD是指在光纤中，当两个具有相互垂直的偏振面的模，以微小的速度差进行传播时，使在光纤中传播的入射脉冲宽度逐渐展宽的现象。

当PMD的影响增大时，在光通信中不同的信号光脉冲出现部分重叠，这样接收部无法判别脉冲。因此，在缩小脉冲宽度进行更高速通信时，出现无法以目标的脉冲宽度进行通信，或在进行长距离通信时信号脉冲重合而导致通信异常的可能性增大。

通常的单模光纤由屈折率比周围高的纤芯部以及包裹纤芯部的纤壳部构成，光主要在纤芯部中传播。当纤芯部为真圆时，所述具有垂直的偏振面的两个模退化而无法判别，但如纤芯部不是真圆，或光纤及光缆的制造中纤芯部发生变形而导致纤芯部的对称性被破坏时，在光纤中传播的两个模之间出现速度差，从而引起PMD。

作为管理PMD的方法，有测量光纤母材的纤芯部的非圆率，并管理该非圆率的方法。作为测量非圆率的方法，在专利文献1中公开了一种方法，即在匹配油液中浸泡光纤母材，一边旋转该光纤母材，一边从侧面照射平行光，接受并摄像透过光线，并从其亮度分布测量纤芯部的外径，从圆周方向的纤芯外径值计算出纤芯部的非圆率。

[专利文献1】  特开2003-042894号公报

当用光纤母材的纤芯部的非圆率管理PMD时，有必要对作为光纤时的PMD进行预测。为此，需要很仔细地测量纤芯的非圆率。关于光纤母材的测量间隔，对1km的光纤而言，在外径80mm的光纤母材中的测量间隔为2.4mm左右的长度，而纤芯外径为18mm的纤芯母材时的测量间隔为0.2mm左右的长度。

在专利文献1中公开了对旋转的光纤母材的纤芯部外径进行测量的方法，而当测量完1周之后，需要移动到下一测量位置及停止的时间，即便是自动化的场合，如其每个移动时间需要1秒，当以1mm间隔测量长度1000mm的纤母材时，仅移动就花费16分钟以上，而以0.2mm间隔对长度500mm的纤芯母材进行测量时，其移动时间长达40分钟以上。对纤芯部的外径进行测量所需时间除了上述移动时间之外，还需要加上旋转所需时间以及计算所需时间，这样所需时间变得非常长。

作为其对策，提高光纤母材的旋转及移动速度，但盛满匹配油的测量部容器虽然用具有弹力的密封材密封，但时有从光纤母材的***部泄露匹配油的情况发生。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，其目的在于提供一种可高速测量光纤母材的纤芯部非圆率的光纤母材的纤芯部非圆率测量方法。

本发明的纤芯部非圆率测量方法是光纤母材的纤芯部的非圆率测量方法，其包括：从垂直于纤芯部中心轴的方向，一边向浸泡在匹配油中的光纤母材照射光线，一边使光纤母材向平行于中心轴的方向移动，对光线中透过纤芯部的透过光线的宽度变化连同与光纤母材的移动量的关系进行记录，获得光纤母材有关长度方向的纤芯部的相对外径值分布的相对外径值分布测量步骤，其中测量时的所述光纤母材的移动是在上部开口的容器内沿着垂直方向进行；每当绕着中心轴使光纤母材旋转至规定的旋转角度时，执行相对外径值分布测量步骤，并记录多个相应于旋转角度的相对外径值分布的相对外径值分布积累步骤；根据在相对外径值分布积累步骤中积累的多个相对外径值分布，计算出与光纤母材长度方向有关的纤芯部的多个非圆率的非圆率计算步骤。根据该方法，由于是在各个角度上升或下降的同时进行连续测量，而不是在长度方向上的各测量位置停止及旋转后测量，因此在测量时，没有必要在各角度上向长度方向对准其测量位置后进行测量。从而，可排除定位精度的限制带来的移动速度的限制，使光纤母材的高速移动和测量成为可能。在上述非圆率测量方法中，规定的旋转角度为，例如将光纤母材相对于中心轴的一次旋转分割为7～20个的角度。当分割数少于7时，计算出的非圆率的精度显著降低。而分割数增加至超过20，所得出的非圆率的精度几乎没有变化。因此，为了既获得高精度的非圆率，又快速得出非圆率，最好将分割数设为7～20的范围之内。在上述非圆率测量方法中，所述光纤母材通过可上下移动及旋转的一个吊具保持垂直。

另外，在上述非圆率测量方法中，关于相对外径值分布通过多项式逼近计算出近似值，最好将对于大幅超出预先设定的近似值容许范围的测量值，作为异常值进行排除后计算纤芯部的非圆率。这样就避免了计算出的非圆率受到偶发的异常测量值的影响。

另外，上述近似值最好通过具有6～10次的次数的多项式逼近进行计算。这样，可迅速获得高精度的近似值。

另外，在上述非圆率测量方法中，相对外径值分布可通过在平行于中心轴的方向上以任意间隔测量的多个相对外径值之间，根据邻接各个相对外径值的相对外径值进行插值而生成。这样，可进一步提高实际的测量精度。

上述发明内容未列举本发明的全部必要特征，而这些特征的结合也可成为发明。

根据本发明的光纤母材的纤芯部非圆率测量方法，可对长距离通信以及高速通信中尤为重要的PMD管理所需的光纤母材的纤芯部非圆率进行高速测量。

附图说明

图1为用于测量光纤母材的非圆率的非圆率测量器的结构示意图。

图2为表示本发明中纤芯径测量步骤的流程图。

图3为表示测量数据的插值整形处理步骤的流程图。

图4为在某个角度上测量的长度方向的纤芯部相对外径值(实测值曲线)及其多项式逼近值(多项逼近曲线)的曲线图。

图5为对图4中的测量数据进行插值整形后的结果的曲线图。

图6为在跨越圆周方向360°的纤芯部的外径测量例(数据1)的曲线图。

图7为在跨越圆周方向360°的纤芯部的外径测量例(数据2)的曲线图。

图8为表示当使用实测值时的圆周分割数以及圆周分割数为20时的纤芯椭圆率比之间的关系的曲线图。

图9为表示当使用实测值的近似值时的圆周分割数以及圆周分割数为20时的纤芯椭圆率比之间的关系的曲线图。

具体实施方式

以下，通过实施例对本发明进行说明，但本发明的权利范围并不限定于以下实施例，而且实施例中说明的特征的组合并不一定都是本发明的必要特征。

图1为用于测量光纤母材1的非圆率的非圆率测量器的结构示意图。光纤母材1通过可上下移动并旋转自如的吊具2保持垂直，并浸泡在盛满匹配油3的容器4内。容器4的上部设有可观察从侧面入射的平行光的透过光线的测量窗5。后述的相对外径值是对光纤母材1的浸泡在匹配油3中的部分进行测量的。

首先，由光源6对光纤母材1的浸泡在匹配油3中的部分照射激光，并通过接收部7接收透过光纤母材1的光线。通过从接收部7接收的图像的亮度分布，获得纤芯部的相对于整个光纤母材1外径的相对外径值。而且，在上升或下降光纤母材1的同时，对光纤母材1的长度方向进行数次的相对外径值测量，并将测量值和测量位置一起进行记录。这样，就获得了关于光纤母材1长度方向的纤芯部的相对外径值分布。

其次，将光纤母材1绕着其长度方向的中心轴旋转规定的角度后，重复进行测量纤芯部的相对外径值分布的相对外径值分布测量步骤。这样，对一个光纤母材1，在不同的角度测量并获得多个相对外径值分布，并将这些进行积累。

另外，从所积累的多个相对外径值分布中，提取位于光纤母材1长度方向的特定位置中的各角度上的纤芯部的相对外径值，并根据其相对外径值计算出该位置上的纤芯部的非圆率。通过在光纤母材1的长度方向的多个位置进行这种非圆率计算，得出光纤母材1的跨越全长的非圆率。

如上所述，在本发明的方法中，不需要将光纤母材1在其长度方向的各个位置进行旋转，而是每次将光纤母材1旋转规定角度后，重复进行对光纤母材1的有效长度，沿着长度方向连续测量相对外径值而得出相对外径值分布的相对外径值分布测量步骤。这样，就不需要像现有技术中为了测量而不停地进行光纤残母材1的旋转和停止，从而使测量变得高速。另外，测量时的光纤母材1的移动是在上部开口的容器内沿着垂直方向进行，故无需设置光纤母材1和盛满匹配油的容器之间的密封部，不必担心匹配油漏泄。这样还可提高光纤母材1的移动速度。

在一次相对外径值分布测量步骤中，对光纤母材1的长度方向，优选以尽量小的间隔测量纤芯部的相对外径值。另外，通过对测量的相对外径值分布实施后述的处理，可不对长度方向的测量位置进行定位，而是一边上升或下降，一边对可采集的纤芯部相对外径值进行测量。测量出的相对外径值与长度方向的测量位置一起记录在存储器或者其它记录媒体中，并作为相对外径值分布进行保存。

图2为相对外径值分布测量步骤以及相对外径值分布积累步骤的流程图。如图所示，首先将光纤母材1安装在测量装置上，上升或下降的同时，沿着光纤母材1的长度方向，对跨越规定长度的纤芯径进行连续连续测量。将该最初测量的角度位置设为基准角度(0°)，按照所测量的圆周方向的分割数(以下、简称为圆周分割数)所对应的角度旋转后进行相对外径值分布的测量，并重复进行相同步骤。通过将此作业重复进行圆周分割数同样的次数，可得出对应于圆周分割数的相对外径值分布。

其中，有效的非圆率测量优选将测量相对外径值分布次数，即圆周分割数设定为7～20。这样，将360°除以该圆周分割数所得出的数值作为角距，测量各分割角度上的沿着光纤母材1的长度方向的纤芯部相对外径值。假如，需要高速求出大概的非圆率时将圆周分割数例如设为5，而需要得出正确度高的测量值时，则将圆周分割数设为例如20。而如果将圆周分割数设为16时，可进行FFT(高速傅立叶变换)，从而可容易进行对纤芯部的形状的详细检测。另外，通常的测量时，考虑到正确性和测量速度的因素，优选将分割数设为10左右。适合将圆周分割数设为7～20的根据，在后述的具体实施例中进行说明。

本发明中，为了获得纤芯非圆率计算所需的同一圆周上不同方向上的纤芯径数据，不需要在长度方向的各测量位置停止及旋转后再进行测量，而是在各角度上升或下降的同时进行连续的测量。因此，包含在各相对外径值分布的测量值并不一定是在光纤母材1长度方向的同样的位置进行测量。实际上，相对外径值是隔着一定间隔进行取样的离散值。但是，通过对所测量的相对外径值分布进行插值整形处理，可获得对光纤母材的长度方向具有规定间隔并有效的相对外径值。这样，移动速度不必受到定位精度要求带来的限制，测量时可高速移动光纤母材1。

下面，对该定位精度进行说明。各角度上的相对外径值分布测量步骤中，每次对长度方向的测量位置进行定位时，需要一边监视测量位置信息，一边对在规定的位置取得外径测量值进行控制。为此，测量预定位置和实测位置之差足够小于测量间隔，光纤母材的移动速度不得不降到低速。

例如，进行0.2mm间隔的测量时，假设位置误差的容许量为测量间隔的1/10，且测量值的取得速度为20微秒/点时，0.02mm/20微秒＝1mm/秒，为了保证定位精度，移动速度需要设在1mm/秒以下，这样，以移动速度1mm/秒对长度500mm的光纤母材1用圆周分割数10进行测量时，1个分割角度的测量需要8分钟以上，全周需要80分钟以上的时间。而且，还需要母材移动至下一角度的测量开始位置的移动时间，在上述例子中根据圆周分割数要加上9次的移动时间，完成整个测量需要很长的时间。

而上述本发明的方法中，即使是0.2mm间隔的测量，不用考虑光纤母材1的长度方向的位置，通过以测量间隔的1/2左右连续取得数据，并以后述的方法插值并整形数据，从而(0.2mm×1/2)/20微秒＝5mm/sec，即进行上述位置定位时，可取得5倍的高速化。另外，例如将角度分割数设定为7，对纤芯部以0.25mm间隔测量800mm的光纤母材1时，需要不足17分钟的时间，而当以1mm间隔对长度800mm的光纤母材1进行测量时需要12.5分钟左右的时间，就可完成跨越全长的非圆率的计算。

而以专利文献1所述的方法进行相同的非圆率测量时，获得整个光纤母材1的非圆率估计需要10个小时以上的时间。在实际生产中，不可能花这么长时间测量非圆率，故只能采用降低测量精度等其他方法。

图3为非圆率计算前的相对外径值的插值以及整形步骤的流程图。该插值是对包含各相对外径值分布中的测量值进行关于长度方向位置的插值。即，对基于离散的测量值形成的相对外径值分布，插值成连续的值，从而在任意截面的非圆率计算，可获得同一位置上的相对外径值。这样，通过sin2θ拟合或傅立叶解析而求出纤芯部的非圆率。

但是，当光纤母材1的移动速度提高时，在测量位置上的值的平均化变得困难，这样，匹配油中的杂质或光纤母材1表面的刮痕导致的异常纤芯外径值(Noise：杂讯)的去除变得困难。纤芯部的非圆率以圆周方向上的纤芯径的变化显示，故存在杂讯引起的异常值时该部分的非圆率变大，无法正确反映本来的非圆率，有可能把良好的光纤母材1判断为不良。

另一方面，沿着光纤母材1的长度方向上的纤芯径比较流畅地连续变化，因此可通过邻接数据之间的比较而判断出异常值。优选为判断包含邻接数据的3点的平均值是否在规定的容许偏差之内，对超过容许偏差的值作为异常值而排除。优选的方法为对包含在各个角度的相对外径值分布中的长度方向的外径值，以位置为x，纤芯径为y进行多项式逼近，判断其近似值是否在规定的容许偏差之内。根据该方法，可对应大跨度的纤芯径变化。多项式逼近最好为6次～10次，当小于6次时无法追踪本来的纤芯径变动，正常值容易被判断为异常值。此外，而大于10次时，容易拾取连续的异常值，异常值有可能被判断为正常值，故不宜采用。

另外，对测量出的纤芯径测量值，有必要进行长度方向的纤芯径数据的整形处理。该插值沿着长度方向以所需间隔对纤芯径的数据进行插值，使用所要获得非圆率的长度方向位置的前后数据进行插值。关于插值方法，将特定位置设为X，特定位置的外径设为Dx，该位置之前数据的位置和外径分别为x₁、D₁、该位置之后数据的位置和外径分别为x₂、D₂时，通过下式进行计算。

【数1】

$D_x=\frac{D_2-D_1}{x_2-x_1}x(X-x_1)$

下面，说明对纤芯部相对外径值进行插值整形的例子。图4为整形处理前的某个角度上沿长度方向的纤芯部相对外径值(图中的实测值曲线)以及其多项式逼近值(图中的多项逼近曲线)使用曲线显示的图形，在长度方向200～300mm的位置有其变化明显脱离周围变动的点。图5为对实测值用8次多项式进行近似，容许偏差设为±0.25mm时的其插值整形结果，将存在于200～300mm位置上的明显变化的点作为异常点进行排除，并以1mm间隔进行了插值整形。

另外，如上所述，圆周分割数优选为7～20。这是，将圆周分割数多次改变，并在各个圆周分割数通过傅立叶解析得出纤芯部的椭圆率，观察数值稳定的情况而确定其合适的范围。其方法如下。

长度方向的某一位置上的跨越360°圆周方向的纤芯部外径测量例(数据1、2)分别如图6、图7所示。因这些数据中含有杂讯，进行8次的多项式逼近，对其值作为近似值数据也表示在各自图中。

对这些数据1、2，在3～40中改变圆周分割数，求出其与圆周分割数20之间的纤芯椭圆率比。结果，直接使用测量值时的圆周分割数和圆周分割数20之间的纤芯椭圆率比如图8所示，而使用测量值的近似值时的圆周分割数和圆周分割数20之间的纤芯椭圆率比如图9所示。

当圆周分割数为20以上时，数据1、2的纤芯椭圆率均没有明显的变化。这些结果中可看出，要进行正确测量，分割成20最佳，即使超过20纤芯部椭圆率也不会发生变化。如果可接受杂讯影响导致的小于10％的误差率，将圆周分割数设为7～20也可以。另外，减少圆周分割数时，最好将圆周分割数设为奇数。即，在综合考虑测量速度和正確度的基础上，可在7～20之间适当选择圆周分割数。

根据本发明，因可高速测量光纤母材的纤芯径非圆率，从而可快速预测光纤中的PMD。

Claims (4)

1.一种光纤母材的纤芯部非圆率测量方法，其特征在于包括：

相对外径值分布测量步骤，为从垂直于所述纤芯部中心轴的方向向浸泡在匹配油中的所述光纤母材照射光线，同时使所述光纤母材向平行于所述中心轴的方向移动，对所述光线中透过所述纤芯部的透过光线的宽度变化连同与所述光纤母材的移动量的关系进行记录，获得有关所述光纤母材的长度方向的所述纤芯部的相对外径值分布，其中测量时的所述光纤母材的移动是在上部开口的容器内沿着垂直方向进行；

相对外径值分布积累步骤，其每当绕着所述中心轴，使所述光纤母材旋转至规定的旋转角度时，执行所述相对外径值分布测量步骤，并记录相应于所述旋转角度的多个所述相对外径值分布；以及

非圆率计算步骤，其根据在所述相对外径值分布积累步骤中积累的多个所述相对外径值分布，计算出有关所述光纤母材长度方向的所述纤芯部的多个非圆率，

其中所述的规定旋转角度为将所述光纤母材相对于所述中心轴的一次旋转分割为7～20个的角度，

其中所述光纤母材通过可上下移动及旋转的一个吊具保持垂直。

2.如权利要求1所述的光纤母材的纤芯部非圆率测量方法，其特征在于其中对于所述相对外径值分布通过多项式逼近计算出近似值，将相对于所述近似值大幅脱离预先设定的容许范围的测量值作为异常值排除后，计算所述纤芯部的非圆率。

3.如权利要求2所述的光纤母材的纤芯部非圆率测量方法，其特征在于其中所述近似值通过具有6～10次的次数的多项式逼近进行计算。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的光纤母材的纤芯部非圆率测量方法，其特征在于其中所述相对外径值分布通过在平行于所述中心轴的方向上以任意间隔测量后的多个相对外径值的各个之间，根据邻接于各个所述相对外径值的所述相对外径值进行插值而生成。

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