Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
ru en
Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования. Резидент Технопарка ИТМО
Обзор волоконного интерферометра VFI-1200 от Arden Photonics

Обзор волоконного интерферометра VFI-1200 от Arden Photonics

06.08.2021
187
Поделитеcь новостью:

Arden VFI – это интерферометрическая система контроля скола оптического волокна, соединяющая два типа микроскопов в одном корпусе, предназначенные для оценки качества торца оптического волокна разных диаметров и оптических коннекторов (рис. 1). Устройство необходимо для выявления дефектов скола:

  • трещины
  • удары лезвия
  • следы от полировки и царапины
  • структура сложных волокон (например, фотонно-кристаллические оптические волокна)

Общий вид оптической системы.jpg

Рисунок 1 – Общий вид оптической системы

VFI-1200 имеет поле обзора (FOV) 1200 мкм, что позволяет проверять волокна диаметром от 125 мкм до 1200 мкм. Интерферометр имеет пять уровней цифрового увеличения, поэтому любое волокно с диаметром от 125 мкм до 1200 мкм видно при любом увеличении (также есть версии до 200 мкм или 2000 мкм). 


Комплектность оборудования

В комплект оборудования входит:

  • оптический модуль VFI-1200
  • кабель питания, двухкомпонентный
  • кабель USB
  • программное обеспечение и инструкция на английском языке
  • набор волокон для калибровки
  • держатель для волокна 400 мкм

В лаборатории ЛЛС также имеются (рис. 2):

  • подставка под держатель холдеров Fujikura с болтом для закрепления
  • держатель для коннекторов
  • держатель для волокна 125 мкм
  • оснастка для изменения угла сканирования

Комплектующие для проведения исследования волокна.jpg

Рисунок 2 – Комплектующие для проведения исследования волокна

Для проведения калибровки оборудования в набор также входят калибровочные образцы оптического волокна (рис. 3). На рисунке 4 можно увидеть торцы калибровочных образцов, как выглядит торец (рис. 4а) и интерференционная картина образца (рис. 4б). 

Калибровочные образцы оптического волокна.png

Рисунок 3 – Калибровочные образцы оптического волокна

Результаты сканирования калибровочных образцов a.png

а

Результаты сканирования калибровочных образцов b.png

б

 

Рисунок 4 – Результаты сканирования калибровочных образцов: (а) вид торца; (б) интерференционная картина

Оптический модуль

Оптический модуль содержит оптическую систему, которая формирует изображение для получения инспекционных и интерференционных картин тестируемого волокна или коннектора (рис. 5). Здесь встроен прецизионный регулятор микрометра, который позволяет точно сфокусироваться. Регулировка исследуемого образца происходит легко за счет смещения поля обзора с помощью программного обеспечения VFI.

Вид передней и задней панели VFI-1200.jpg

Рисунок 5 – Вид передней и задней панели VFI-1200

Внутри оптического модуля конец волокна освещается светодиодом высокой яркости, а затем изображение передается с помощью специальной оптики на цифровую камеру высокого разрешения. Данные изображения передаются на компьютер через USB кабель.


Принцип работы Arden VFI

Интерферометр VFI специально разработан для изучения оптических волокон, разных диаметров. Оптический модуль работает по принципу интерферометра Майкельсона и схематично показан на рисунке 6.

Оптическая схема VFI.png

Рисунок 6 – Оптическая схема VFI

Свет от источника, разделяется с помощью светоделителя. Одна половина луча направляется на торец волокна, другой направлен на эталонную оптическую плоскость, расположенную на том же расстоянии от светоделителя, что и тестируемое волокно. Свет, отраженный от этих двух поверхностей, затем перераспределяется светоделителем и отображается на датчике, в данном случае, камере с матрицей CCD.

В интерферометре свет ясно показывает свою волнообразную природу. Разница в длине пути светового луча между объектом и эталонной плоскостью приводит к разнице фаз в двух формах волны. Когда две волны повторно объединяются в светоделителе, они интерферируют либо конструктивно, либо деструктивно в зависимости от относительных фаз, как показано на рисунке 7. Это приводит к характерному рисунку полос из черных и белых полос, который используется для оценки конечного угла.

Конструктивная и деструктивная интерференция.png

Рисунок 7 – Конструктивная и деструктивная интерференция

Интерференционные полосы можно рассматривать как контурную карту поверхности торца волокна. Аналогично контурной карте близко расположенные полосы представляют крутой градиент, а широко разнесенные полосы представляют собой плавный градиент.

Угол скола определяется по формуле:

угол скола.png,

где D – диаметр волокна, стандартно он составляет 125 мкм, λ – длина волны источника излучения, в данном случае 0,587 мкм, а N – число интерференционных полос на торце волокна. 

Таким образом, угол скола определяется как:

угол скола_.png

Например, светодиодный источник, используемый в VFI, имеет длину волны 525 нм, поэтому для волокна диаметром 125 мкм, у которого 5 интерференционных полос соответствуют:

пример.png

Обратите внимание, что в этом определении полоса определяется как одна черная или белая линия на интерферограмме.

Одна полоса соответствует примерно 0,12Fа разрешение системы лучше, чем 1 полоса, поэтому точность измерений с использованием этого метода может быть принята равной ~ 0,1. Предполагается, что скол преимущественно ровный.

Эскиз интерферограммы для планарного скола.png

Рисунок 8 – Эскиз интерферограммы для планарного скола около 0,5°

Перпендикулярный скол с сильным скатыванием.png
Рисунок 9 – Примеры интерферограмм

Определить угол скола по одной интерферограмме невозможно, но направление наклона можно определить следующим образом.

Используя ручку фокусировки на VFI, медленно переместите волокно к устройству. Наблюдайте за краями рядом с дефектом, который вы изучаете. Если кажется, что интерференционные полосы исходят от дефекта, значит, дефект выступает вперед; если полосы исчезают на дефекте, значит, это невыступающий дефект. Другими словами, полосы начинают появляться в самой высокой точке скола, когда вы перемещаете его к оптике.

Интерферометр VFI способен измерять оптические волокна до 1200 мкм, это достаточно большой диапазон диаметров оптического волокна и для производителей оптического волокна будет универсальным устройством. Для примера рассмотрим оптические волокна диаметром 220 мкм и 410 мкм (рис. 10). 
 

Торцы оптических волокон разного диаметра.png

Рисунок 10 – Торцы оптических волокон разного диаметра

Однако помимо стандартных конструкций интерферометр позволяет исследовать и волокна, сохраняющие состояние поляризации, например, типа «Panda» (рис. 11). За счет разницы показателей преломления стекла, стержней и сердцевины на интерференционной картине можно видеть небольшие отклонения, что и показывает нам эту разницу в показателе преломления.  

Интерференционная картина волокна типа «Panda».png

Рисунок 11 – Интерференционная картина волокна типа «Panda»

Интерферометр позволяет исследовать образцы оптического волокна разной геометрии, не только круговую (рис. 12). Это делает устройство более универсальным инструментом для производителей оптического волокна. Важно отметить, что параметр «Edge Pct» указывает на точность скола по периметру окружности и для волокна с особой геометрией этот параметр рассчитывается, описывая фигуру, следовательно, не всегда нужно обращать на него внимание.

торцы восьмигранного оптического волокна.png

Рисунок 12 – Торцы восьмигранного оптического волокна: (а) 125 мкм; (б) 410 мкм

Интерферометр позволяет контролировать не только торцы оптического волокна, но и уже готовых компонентов, на концах которых используются коннекторы. Проверка коннекторов обеспечит сохранность компонента, его дальнейшую работоспособность и самое не маловажное эффективность работы данного компонента. Принципы сканирования коннекторов подобны исследованию оптического волокна, однако за счет разности торцевой полировки коннекторов (рис. 13) существуют отличия. 

   

Виды полировки коннекторов.png

Рисунок 13 – Виды полировки коннекторов

Кратко пробежимся по типам торцевой полировки коннекторов:

PC (Physically Contact) - концы оптического волокна, как правило, полируются с небольшой кривизной, так, чтобы обеспечить отсутствие воздушного зазора между торцами коннекторов, а также, чтобы при контакте разъемов волокна соприкасались только в центре – сердцевина. Обратные потери составляют -30 дБ.

UPC (Ultra Physically Contact) предполагает закругленную форму самой ферулы. Полировка осуществляется на специальной машине. Значение обратных потерь для UPC полировки не должно превышать -50 дБ.

APC (Angled Physically Contact) - торец полируется под углом 8 º. Такой метод полировки позволяет уменьшить обратные потери до -60 дБ и предполагает исключение обратного сигнала за пределы оптического волокна. Такая полировка используется в высокоскоростных сетях и сетях кабельного телевидения. 

На рисунке 14 показано отличие в передачи излучения по коннекторам, отметим, что полировка PC и UPC схожа и принцип распространения света один и тот же. Также необходимо обозначить, что коннекторы с полировкой APC с другими типами коннекторов несовместимы.

Принцип передачи излучения по коннекторам.png

Рисунок 14 – Принцип передачи излучения по коннекторам

Для исследования коннекторов необходимо использовать специальный держатель, как указано на рисунке 15. Для исследования APC коннекторов потребуется и оснастка для изменения угла сканирования торца. 

держатель.png

Рисунок 15 – Фотография держателя и оснастки для исследования коннекторов

При измерении интерферограмм коннекторов очень важно, чтобы торцы керамической ферулы были чистые, без загрязнений (рис. 16), так как излишки грязи могут привести к неверным результатам или интерференционную картину получить будет невозможно.  

поверхность чистого коннектора.png

Рисунок 16 – (а) поверхность чистого коннектора (с проявлением интерференционной картины); (б) поверхность грязного коннектора

Для коннекторов оптическая система VFI предлагает автоматическую оценку радиуса кривизны (radius of curvature) поверхности волокна или радиус кривизны торца коннектора. В данном случае радиус кривизны определяется как расстояние смещения между осью сердцевины волокна и вершиной радиуса кривизны. Этот показатель имеет важное значение при производстве коннекторов с полировкой APC для обеспечения связи волокна с ферулой. Для этого выполняется вращение ферулы относительно коннектора, что позволяет достичь оптимального контакта. Как правило, допустимый диапазон радиуса кривизны составляет от 7 до 25 мм. 

интерферограмма коннектора.png

Рисунок 17 – интерферограмма коннектора

Высота волокна (Fiber Height) — это расстояние между поверхностью керамической ферулы и поверхностью оптического волокна (рис. 18). Положительная высота волокна – это когда волокно выступает над ферулой, а отрицательная – волокно внутри ферулы. Типичный диапазон высоты волокна относительно торца ферулы составляет от -125 до +50 нм.

поверхность чистого коннектора (с проявлением интерференционной картины).png

Рисунок 18 – (а) поверхность чистого коннектора (с проявлением интерференционной картины); (б) поверхность грязного коннектора

Смещение вершины (Apex Offset) определяется как разность между вершиной ферулы и центром волокна (рис. 19). Смещение вершины количественно определяется как линейное расстояние (в мкм). Смещение вершины может быть результатом неправильной полировки или, в случае коннекторов с угловой полировкой APC, угловых ошибок. Допустимое максимальное смещение вершины – 50 мкм.

Смещение вершины торца коннектора.gif

Рисунок 19 – Смещение вершины торца коннектора

На рисунке 20 показан пример измерения коннектора с полировкой APC. Как видно из рисунка 20а коннектор просвечивается не полностью, так как имеет полировку под углом. Для получения необходимой картины необходимо пользоваться оснасткой для изменения угла сканирования. 

торец коннектора APC.png

Рисунок 20 – (а) торец коннектора APC без оснастки; (б) торец коннектора APC с оснасткой

Для коннекторов со шлифовкой PC и UPC все намного проще, на рисунке 20а представлен торец, однако тут видно, что коннектор слегка загрязнен по краю ферулы. На рисунке 21б уже почищенный коннектор, на котором проявляется интерференционная картина.  

Торец коннектора UPC.png

Рисунок 21 – Торец коннектора UPC

Интерферометрия – это мощный инструмент для разработки процессов и контроля качества при производстве оптических волокон. Благодаря интерферометру можно определить факторы, которые могут повлиять на потери на сварке, обратное отражение, надежность компонентов, характеристики распространения света и рассеяния. Используя стандартные держатели, этот процесс можно легко интегрировать в производственный процесс, включающий скалывание, полировку, сварку и склеивание. Удобное программное обеспечение позволяет проводить тестирование и хранить данные, что означает, что все измерения могут быть выполнены за секунды.

АО «ЛЛС» является официальным дистрибьютором компании Arden Photonics на территории Российской Федерации и стран Таможенного Союза, и предлагает наиболее выгодные условия поставки продукции, полную техническую поддержку, а также поставку образцов.

Понравилось?
Обязательно поделитесь статьей в социальных сетях!