用渐变孔径光学积分法测量单模光纤模场直径的方法技术

一种测量单模光纤模场直径的方法，即渐变孔径光学积分法，简称为渐变孔径法或光学积分法，属于光纤通信领域中光纤参数测量方法。本方法依据皮特曼第二定义，将单模光纤模场直径表达式中的积分运算，变换为含有光纤数值孔径均方值的四则计算，采用渐变孔径光学积分器(3)，利用平移、转动、分光三种方法之一即可精确测出单模光纤数值孔径的均方值，继而求得被测光纤的模场直径。对于单模光纤模场直径的测量，具有精确、快递、简便的特点，可广泛应用于计量标准、自动化测试设备及工程仪表等各个方面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术属于光纤通信中的测试方法和测量
，还与高端仪器设备和计量标准有关，特别涉及光纤特征参数的测量方法，是一种测量单模光纤模场直径(ModeFieldDiameter，MFD)的新方法。
技术介绍
模场直径(MFD)是单模光纤重要的特征参数之一，它直接影响着光纤的接头损耗，抗弯曲性能等重要特性，是光纤光缆生产，应用中的必测参数。现在世界上单模光纤产量已达数亿芯公里，其测量工作量之巨大可想而知。不断探寻更加迅速、精确地测量这些数据的方法，一直是业内科学工作者共同努力的目标。对于模场直径的测量，现在国际标准和国内标准公认的有三种方法：即作为基准测试方法(ReferenceTestMethod，RTM)的远场扫描法，作为替代测试法(Alternativetestmethod，ATM)的可变孔径法和近场扫描法。这些标准测试法的依据都是皮特曼(Petermann)第二定义；该定义的主要表达式是二个积分之比，这些标准方法不是将这些积分作为一个整体来进行处理，而是将其分割成若干部分进行采样，然后再按相应公式组合起来，将皮特曼(Petermann)第二定义中的积分表达式近似为若干有限项级数的求和，这样处理显然会产生误差；要减小这个误差，就不得不分割和测量更多的项数，这就必然导致测量时间的增加(测量一个波长处的模场直径往往要花费几十秒、甚至几分钟的时间)，从而降低了测量速度。现有的标准测试法，至今都无法解决这个基本矛盾，只有另外探索新的途径，寻求新的测量方法。还有值得一提的是掩膜法(MaskMethod)，尽管采用改进后的掩膜法(参见文献1)制成的仪器设备，也能快速、准确地测量模场直径，而且测量精度优于0.05μm(参见文献2)，与用可变孔径法制成的仪器设备的精度相当；但由于这种方法的前提条件中，用到了几何光学的近轴近似处理，因此而失去了理论上的严谨性。文献1：周文俊，Mask测量系统的理论与实验研究《电子学报》，第17卷，第6期，(1989年11月)，61页。文献2：单模光纤多参数测试仪，登记号902548，《科学技术研究成果公报》，(1992年)，中华人民共和国国家科学技朮委员会。
技术实现思路
本专利技术的目的，是为了克服现在单模光纤模场直径的标准测试法中，共同存在的测量精度和测量速度不可兼得的矛盾。本专利技术提出了一种新的单模光纤模场直径的测量方法，称之为渐变孔径光学积分法。本专利技术可简称为光学积分法，是因为要区别于此前各种标准方法将皮特曼定义中的积分利用多次采样、先分割后合成的繁杂处理，而是将该积分看作一个整体，利用巧妙设计的积分器，通过光学方法完成这个积分；本专利技术还可简称为渐变孔径法，这是相对于可变孔径法而言，这种积分器就相当于其孔径张角从0到25°之间连续变化的、无数个通光孔径。这是现在普遍采用的可变孔径法不可能做到的：一个是可变孔径法的通光孔数目受到限制(一般少于20个)；另一个则是由于孔径张角在0到5°之间的通光孔难于加工，因此在这个光功率密度可能最大的区域，其所取测量点更受限制，这也会带来误差。本专利技术首先将皮特曼第二定义中的积分转化为该光纤出射数值孔径NA的均方值；此均方值不但具有明显的物理意义，而且还可以由被测光纤出射光通过和不通过渐变孔径光学积分器，在这二种情况下分别测得的光功率比值求得。这样测得的模场直径由于未作任何近似，不但精度高，而且测量速度超过可变孔径法测量速度十倍以上。根据皮特曼定义，模场直径MFD可表示如下：式中F2(q)是远场功率分布；q＝sinθ/λ,其中θ是出射光的张角，λ是入射光的波长。将q＝sinθ/λ代入(1)式可以得到显然，(2)式括号中的积分表达式就是光纤数值孔径NA＝sinθ的均方值将(3)代入(2)式得到只要我们求出了光纤的数值孔径的均方值由(4)式就可算得该光纤的模场直径。这样就完成了将模场直径复杂的积分表达式向简单四则运算公式的变换。不难看出，(3)式括号中的分母正是出射光的总光功率，设为P(o)；从(3)式括号中的分子也可看到，对于每一个出射角θ处的光功率都会受到光纤数值孔径平方sin2θ的调制，因此我们可以设计一种器件使其在相应位置通光量的大小与之一致，使通过该器件的全部光功率与(3)式中括号中的分子相等，並设为P(i)。由此得到：将(5)式代入(4)式中可得：对于该器件，其对称的通光区各处都要与相应的数值孔径相一致，其大小从0到sin2θmax之间连续变化，我们将该器件称为渐变孔径光学积光器，按下面极座标方程设计即可ρ＝D×[2φ/(π-2φ)]1/2(7)(7)式中D是光纤出射端面到光学积分器中心的垂直距离，ρ、φ则是极座标的矢径和幅角。为满足国际标准对于远场扫描角不得小于25度的规定，还必须满足下面条件R＝ρmax≥D×tan(12.5°)(8)上式中的R是积分器通光区矢径的最大值ρmax，其中tan(12.5°)代表正切值12.5°。只要按照(7)公式和(8)公式设计和使用的光学积分器都是有效的。依照上面方法处理，由(6)式就能快速、精确地测得单模光纤的模场直径；而且该积分器的外形可以做成圆形、方形、长方形。渐变孔径光学积分器的使用中，要使渐变孔径光学积分器与光学成象系统的光轴同轴、且垂直放置；然后利用渐变孔径光学积分器通光区在水平方向和垂直方向的相反对称的特点，通过水平调节使接收到的光功率最小，通过垂直调节使接收到的光功率最大。通过这样几次反复调节来达到被测光纤出端也与系统同轴的要求。此外，在近轴近似条件下，通过对(7)式、(6)式的简单运算就可以得到掩膜法中的费马(Fermat)螺线及相应的模场直径计算公式(参见文献1)。有益效果：与现在的传统测量方法相比较，本专利技术能够精确、快速、简便地测量单模光纤的模场直径，得到具有明确物理意义的光纤数值孔径均方根，也不难测得模场直径随波长变化的模斑谱曲线。可广泛应用于计量、生产、工程乃至科研教学各个方面。由于测量精确，就可制造更加标准的计量仪器；由于测量速度快，可制成用于工业生产的高效自动測试仪器设备，节约大量的社会劳动时间，提高劳动生产率；由于操作简便，则可设计成便于工程应用的测量仪表；我们知道光纤的色散与模斑谱有关，而光纤的数值孔径则与光纤的折射率分布相联，本专利技术可利用自身的这些优势介入到科研教学中，通过相互结合，彼此促进，可望催生功能更多的高效光纤综合测试仪，並进而推动光纤传输理论和测试方法的进展。此外，与现有的测量单模光纤模场直径的仪器设备相比，应用本专利技术制造的测试仪表将有更高的性价比，从而节省並创造更多的社会财富。附图说明图1滑动渐变孔径光学积分器工作原理图；图2转动渐变孔径光学积分器工作原理图；图3分光渐变孔径光学积分器工作原理图；图4光纤出射光与积分器放置距离及对中调节示意图；图5为方形渐变孔径光学积分器示意图；图6为圆形渐变孔径光学积分器示意图。具体实施方式结合附图，对本专利技术如何实现精确、快速测量单模光纤模场直径，进一步具体说明如下：如图1-3所示，本专利技术与现有标准测试方法共有的构件是光源，成像系统及探测接收系统，其功能都是收集、测量光源通过光纤出射的光功率。与现在国内外普遍采用的传统法不同的是：可变孔径法需要保证出射光与每个通光孔共轴对中，然后分别测量通过近20个半径不同的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用渐变孔径光学积分法测量单模光纤模场直径的新方法，其特征在于将单模光纤模场直径表达式的积分运算变化为一个四则计算，所推导出的模场直径表达式中只包含通光波长和被测光纤数值孔径均方根这二个可变参数；MFD=(2λ/π)(NA‾2)-1/2---(4)]]>式中λ为工作波长，是光纤的数值孔径NA＝sinθ的均方值：NA‾2=∫0∞sin2θF2(q)qdq/∫0∞F2(q)qdq---(3)]]>(3)式中，F2(q)是出射光的远场分布，q＝sinθ/λ，θ则是出射光的张角，光纤数值孔径的均方值可由光纤出射光经过和不经过渐变孔径光学积分器这二种情况下，分别收集到的光功率之比来确定：NA‾2=P(i)/P(o)---(5)]]>式中P(i)是出射光经过渐变孔径光学积分器后，通过光学系统所收集到的光功率；P(o)则是出射光不经过渐变孔径光学积分器通过光学系统所收集到的光功率，因此得到MFD=(2λ/π)[P(o)/P(i)]1/2---(6)]]>...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用渐变孔径光学积分法测量单模光纤模场直径的新方法，其特征在于将单模光纤模场直径表达式的积分运算变化为一个四则计算，所推导出的模场直径表达式中只包含通光波长和被测光纤数值孔径均方根这二个可变参数；MFD=(2λ/π)(NA‾2)-1/2---(4)]]>式中λ为工作波长，是光纤的数值孔径NA＝sinθ的均方值：NA‾2=∫0∞sin2θF2(q)qdq/∫0∞F2(q)qdq---(3)]]>(3)式中，F2(q)是出射光的远场分布，q＝sinθ/λ，θ则是出射光的张角，光纤数值孔径的均方值可由光纤出射光经过和不经过渐变孔径光学积分器这二种情况下，分别收集到的光功率之比来确定：NA‾2=P(i)/P(o)---(5)]]>式中P(i)是出射光经过渐变孔径光学积分器后，通过光学系统所收集到的光功率；P(o)则是出射光不经过渐变孔径光学积分器通过光学系统所收集到的光功率，因此得到MFD=(2λ/π)[P(o)/P(i)]1/2---(6)]]>2.根据权利要求1所述的用渐变孔径光学积分法测量单模光纤模场直径的新方法，其特佂是采用方形渐变孔径光学积分器，通过水平滑动使光纤的出射光经过和不经过渐变孔径光学积分器，並测量在这二种情况下所收集到的光功率之比，利用(5)式即可确定该光纤数值孔径的均方值。3.根据权利要求1所述的用渐变孔径光学积分法测量单模光纤模场直...

【专利技术属性】
技术研发人员：周瑾，周文俊，
申请(专利权)人：周瑾，周文俊，
类型：发明
国别省市：广东;44