光纤折射率分布的测量.pdf

光纤 折射 率分布的测量一、引言 ??一包层的折射率,?? ? 一?点处的 功率??? ??一光纤中心的功率光纤中折射率随半径变化这种折射率剖面分布是一个很重要的参数多模光纤若具有近似抛物线的剖面分布,可以获得高的带宽、低的脉冲色散和大的数值孔径对于单 模光纤,则可 以设计一定的折射剖面分布,从而用 波导色散来消去材料色散,结果有很高的带宽折射率剖面分布的准确测量,对比较光纤的带宽测量和脉冲色散理论是很有 用的,而且可以把这些数据用于光纤的制造,而得到所要求的高性能光纤测量光纤的折射率剖面分布有多种方法,但都有相关的困难干涉法虽能获得高的精度,但需要制备极薄、平面度和平行度要求很高的样品,而且要作繁重的千涉图形 数据分析近场法要求高稳定度和正确 度的朗伯光源,只能测得相对分布,无法标定绝对值前向和 后 向散射法,若没有微处理器,数据处理很困难聚焦法和新干涉法则要有精密的光导摄象管和微处理器,才能实现测量的 自动化光源‘撇丫津疑骂马开巨?住尸 记录仪功率门图?近场法原理图?为近场法的原理用一个非相干的朗伯光源祸合到光纤里去,在输出端用一个小面积的光电探测器沿一定的半径扫描测定功率分布测量的重复性为??? ?一?〔‘〕??、千涉法在光纤的横断薄片试样上取得千涉条纹,然后测量条纹的位移,按下式计算????一。

等???二、光纤折射率剖面分布测量的国外现 状到 目前为止,测量光纤折射率剖面分布的方法主要有五种,分别简介如下??、近场法近场法是测量由非相千光源激励的光纤输 出端的近场功率分布这种功率分布和折射率有下列关系?式中?△?一千涉条纹的位移?入一形成干涉图所用光源鱿波长这种方法能提供????一‘的精度〔“〕但要求制作极薄的样品?几十微米?,并且要进行繁重的干涉图形数据分析图??? ?为测量装置原 理,图??酌为千涉法的干涉图,公式中的符号如图中所示反射法测定光纤抛光端面直径上不 同点的反射率,然后依据公式? ??儿 一?、 爪??—? ?凡????????????“???一??????????“???一 ?“???? 丫?一?二????式中??一光纤的半径?? ?? ?一?点处的折射率,呼?来求得光纤的剖面折射率分布该方法能提供? ?一’弓?△? ? 的的测量精度〔“,?〕,但对光纤端面的表面质量?干净、平坦?要求很高作为一种实际可行的方法,后面将作详细的介绍前、后向散射法其结果在记录仪上显示出来聚焦法通过测量透过光纤后的光功率分布来 求 出折射率分布,其原理如图?所示以非相干的平行光垂直于光纤的轴照射光纤,由于光纤的聚焦作用,将使光 向轴线方向偏移。

确定某一观察面??,观察沿??方向的功率分 布,然后按公式号的幅度来得到光功率分布,加上视频处理器和微 处理器等可以实现测量过 程的自动化,?图??盯启干你如】暑结署一、儿产、刁?? 若八?、?止三 』 三 、 洲卜、 ,?三习占?‘”一 ”一盘??一 ??????? ,一一一一二万一??? ,,?、 ??一?二? ?少‘,??、装置的 原理该方法是把激光束聚焦成一个很小的光点??一?微米?,射到光纤的抛光横截面上,测量端面反射率,再根据?? ??? ?艺反射公式,即当光垂直入射于电 介质表面时,反射率和折射率之间存在下列关 系?? ? ? 长长? ? ? 斗斗斗卜?? ? ?少少少? ? ?入射面???一???、??—? ????????式中?为反射率,???‘??二? ?二为环境的 折射率,?‘为介质的折射率?由?? ?式可知,只要测得沿半径变化的反射率?,即可求得?沿半径的变化作为反射法测量装置的一个例子,其原理如图?所示图?聚焦法原理可求 出光纤的折射率分布式中??灼是与公对应的??面上的?,柞为包围光纤的环境的折射率,其它符号粗图中所示与‘及光功率密度之间有下列关系,调制器???入片 〔洲卜胎李今卜?激光器偏振器???一?,、?? ?可?。

犷“吸西‘?空间滤如果已知????产?的分布,对不 同的?完成上式的积分,就可 以得到与之相应的云值这种方法是一种非破坏性测量方法,其测量精度可 与千涉法相比拟〔?〕如果采用电视摄象管,把光信号转变成电信号,通过测量电信图?反射法测量装置微处理 器入射光视视频处理 器器? ? ????? ? ?四四四四四四四四四监监监视器器器图?聚焦法侧试系统用稳定的氟离子激光器作光源对于所有 的测量采用 的波长是?? ???毫微米图中虚线表示光束直径,箭头 表示光 的行进方向激光束通过一个偏振器和一个???波片,以避免光束反馈入激光腔波片调整到物镜后 的光 为圆偏振光然后,光束通过空间滤波器?很微小的孔?,并扩大了光束直径接着,光束通过与光线成?? ?的???玻璃平板分 光器,反射光射到太阳电池上,信号显示于数 字电压表上,用以监控激光功率透射光用显微 物镜??????? ??,? ?二??? ??聚 焦于光纤抛光端面上光纤端面调整到 垂直于人射光束方向反射光由同一物镜搜集并聚焦于无穷远,光纤的端表面位于物镜的焦 平面内分光器 再把电光纤端面反射回来的接收光束分为 两束一束射到远处的屏上?距分光器? ?米?,使屏上的光斑减到最小,以保 证 焦点位于 光 纤端面上。

测量时通过观测屏上的光斑尺寸来监控调整的稳定性第二束反射光射射到? ??光电二极管上,从而得到测量信号为了改善信噪 比,采取了调制??? ??赫?和锁相放大经放大的信号输人?一?记录仪的?轴及数字电 压表光纤 端面在位移工作台上,保证端面在物镜的焦平面内 匀速移动,光点在端面上沿直 径 扫描,位移量由位移传感器把信号输入?一?记录仪 的?轴,在记录仪上 描绘 的 曲线 即为光纤折射率剖面分布光纤的远端浸在匹配液中以消除回反射光对测 量的影响装置 的误差和分辨率??由反射率测量所引起的误差?将?? ?式微分 得电倍增管无疑是可能的,选用国内优质的班?管也是可能的 ? 光源的 不稳定可 能 引起的误差,采用双光路加调制锁相放大可以把该项误差控制在反射率测量不稳定度在士???? 以 内 ??光纤端面质量引起的反射率测量不稳定度?加上电气系统的噪声?为士???? ??光纤端面对光轴的不垂直而引起的误差为了消除该项误差,在光路中加入???波片,把线偏振光变为 圆偏振光若对准时的不垂直度小于士? ?,引起的 测量不稳 定度为士??? ??? 由于光纤端面在扫描过程中与物 镜之间的距离变化而引起的误差,当光纤端面对焦面的偏离不大于士?微米,对测量的影响 可以忽略。

??位移工作台的定位精度引起的误差?一般的梯度型光纤断面内的折射率分布符合下面的关系式〔?〕?? ? ??? ???一?????对于熔融石英?????“,即石英光 纤中心折射率?二?????,一般的光纤中心折射率与包层的折射率差约为??,代人上式得?、尸??、“?二、粤 叮???一”????‘一戈言?·?△?’?”?式中,????一光纤断面内半径?处的折射率??? ??一光纤断面上中心的折射率??一光纤的纤芯半径 ??哀一丁再石歹二丁些、???丝 ?? ?‘??“???一 ?“???? 艺压‘—石二 二 屯?一产‘ ??‘又??????二滋???????誉岛答,若功率测量的不稳定度粤二土????,可能引起的折射率测量不稳定度△幻???将?? ?式微分得?????????????、 ???、百少?? —二? ?一? ? ??一般,,?、 ?【—? 、?,?土????一 ?〔‘一?音?么·??〕‘再分析一下实际有无可 能在功率测量上稳定度达到士????实验表明,?可达?? ? ??瓦,??一??‘? 妥一?二士?????,??二??一????? ?一???、? ?一二“, ?一’?一’一‘’。

占甘一‘甘若要求功率测量的稳定度达到士??,则要求功率测量系统的分辨率达???『’瓦,采用光(10)若移动台导轨保证在扫描范 围内有0.1微米的直线性,一般a=2 5微米,在r= a处dn( r )最大 (下转第4 6 页)奢冷=i八00,f=50赫的大=200艺一1 7.3‘o由于入的相移小,放大器的“矢量误差”并 非图2的矢量AB,而在A点附近成微小倾角,通常设计的电压互感器,它对新比率误差和相角的影响为二阶的电路中的放大器用作压控电压源,由此增强了负荷电流回过来看其输出端,回路增益几乎等 于1因此,放大器的输出阻抗约等于 R/A,其中R为功率级的输出阻 抗,由一对 AB类冷pn和p九p晶体管形成因此,输出阻抗与从放大器看见的负载阻抗相比是很低的本方案有如下优点1.虽然放大器负担负载电流,却只需供其误差电压所以其额定功率为(负载V A)x(没有放大器 的v Tx的功率单位矢量误差的大小) 2.所用放大器在有接地的输入到输出口的情况下工作虽然单个次级电压可各为11 0伏)但输人引线对地的最大电压正好是f:和V::之间的微小差值 B o ya ]艺a n建议用第三个内插互感器,其实可以不必。

为了检查本方案的可行性,对两个小的、2 20 /11 0伏、额定功率为 4 0伏安的普通电源变压器作了试验通过与标谁电压互感器的比较,互感器在开路的误差经过匝数修正后,可调到士 0. 0 4%和0.5’在 4 0伏安负载下,相对于开路时v T,有补偿 电路 和 无补偿电路的情况,对VTx的误差进行测量结果列于 表 1 (略),它表明用同样大小的放大器增益误差可减小约1 00倍,只是在额定电压的12 0%处不符合,原因可解释如下在V::为负载上额定电压的1 20%时,谐波占优势放大器提供相应的非正弦电压讥以消去讯二的谐波,使几与它们无关讯,和凡之间的相对误差V用试验型变换器的交流电位计按座标形式测量滑线调节器只平衡V的50赫分量在谐波出现时,理论推导(矢量图等)不是严格成立的,因此,预测的基波分量误差的减小不会产生与其它情况下同级的精度参考文献略)翁瑞琪译自“IEEETr ans.onInstru二 Meas.”197,, iM一28,撇i, 86昭8,张功铭校 .今.令.令.令.今.令.令.令.令.今.令.令.令.命.令.令令.庵卜.令.令.令令.今.命.令.令.令叫卜.令.命州令.命.令.令.令.令.嘴,.令.令.令.今.令(上接第5 1页)训0.0052+氏。

面绝不6丙丽曰 .上一卜一」匕D一2dn(r)二1 sx=48大4又0.0 2又1(i一i又0.0 4)谧10一 4=5 5x10一3警、若·‘0一’“‘·“‘一’d P 不一 =一 1十4匕XIU一,=0 0024 犷参 考文献功率测量总不稳定度d P_侧d面百再正丽万戒承丽厄丁疏丽厄=士7 4x 10一 3dnn71x 10一 3二1.4x1 0一 3若不考虑光纤端面质量的影响〔1〕T hsrd European eonferenee o n optiealeom munieatio nSe,sio nl,8 2~86〔幻opt iealandQuantu功E leetronies.x975.7, 3, 109〔3〕Ap plied optie:,1 976,25,冲魂,20邃s,〔4〕Applied optie,, 1979, 15,仲1,1叹〔5〕昭和5 1年电子通信学会全大讲演论文某,分册4〔6〕产介p飞是edoptiees, 1979,一8,冲7,221〔7〕T heBell S了stemTe e五nieaIJ O“rnal,1979,5 8一冲4,884金承谦、罗磷编写。