測量光纖折射率分布圖的方法
2023-09-22 10:43:05 1
專利名稱:測量光纖折射率分布圖的方法
本發明一般涉及一種測試光纖的方法，並具體涉及一種測定被用作光通信波導的光纖的折射率分布圖的方法。
光纖一般是由包裹在不多幾層包層中的圓柱形玻璃纖芯所構成的，於是光脈衝就可傳送通過該光纖的纖芯。各種光線或光脈衝模式，它們一般是來自雷射二極體或發光二極體的，當它們沿著纖芯的包層的邊界來回地反射時，就在光纖纖芯內遵循不同的通路。由於當脈衝沿纖芯而傳播期間，脈衝長度具有拉長的傾向，從而限制帶寬，所以為了有利於通信用途，已經製成各種光纖，其纖芯從纖芯的軸到外周是具有某一徑向變化的折射率分布圖的。在光纖纖芯內的折射率分布應設計得可使所有的光脈衝以同樣的軸向傳播速度來沿著光纖傳播而和經過的路程的長度的變化無關。在實踐中，各種光纖製造程序可引入某些偏離光纖纖芯的折射率最佳分布的因素。因此必須始終如一地監測其偏離某一最佳折射率分布圖的情況，以保證使其變化值保持在某一預定容許極限以內。
為了解析各種光纖的折射率分布圖，已經開發出若干方法並已被公知。W.J.斯圖爾特在IEEE微波理論和技術彙刊，卷MTT-30，第10期(1982年10月)上以標題為《光纖和預先形成折射率分布圖的方法》(「Optical Fiber and Preform Profiling Technology」)一文公開了一種對於各種光纖和預先形成折射率分布圖的方法的有益回顧。現在在使用中最廣泛認可的方法也許就是前面指出的文獻中所描述的近場折射法。對於這種特定方法來說，一種具有數值孔徑大體上大於光纖的數值孔徑的透鏡對某一光纖的平端面上的光束進行聚焦，並使該焦點橫掃經過該光纖直徑。部分光線就被沿著光纖而傳導;而其餘的光線被通過光纖端部而折射，並在該光纖外面輻射成為一中空錐體形中。將一屏蔽板或圓盤放入該輻射成的錐體形中，以防止附加在純粹反射模上的漏模射到被設置於圓盤外的光電檢波器。由K.I.懷特在1979年3月出版的《光電子和量子電子學》(Optical and Quantum Electronics)版本中標題為《近場折射法對於測量光纖的折射率分布圖的實際運用》「Practical Application of the Refracted Near-Field Technique for the Measurement of Optical Fiber Refractive Index Profiles」一文中宣布了這方法的詳細回顧。
然而，近場折射法均要蒙受需要高度精緻的光學設備的實際問題，並從而使獲取折射率分布圖的工作成為一種複雜而耗資的任務。為了獲取準確的光纖折射率分布圖，本發明的改進方法是針對避免需用精緻的光學設備或複雜的程序的。
根據本發明，為了測定光纖的折射率分布圖而提供一種並不需要精緻的光學設備或複雜的測量方法的方法。該方法包括把來自強光源的光線，以這樣一種方式射向光纖的無被覆端部，最合適的是射向裸光纖和被覆的界面，從而沿著裸光纖的長度而只激發出包層模，同時該包層模的激發是均勻的。使從該裸光纖的測試端出射的光線射經一個具有一選擇的限定數值孔徑的透鏡系統，再射入一個光導攝象管攝象機和已被電氣接通的計算機。然後從測得的從該光纖測試端出射的光線強度分布圖計算出折射率分布圖。
所以，本發明的一個重要目的是要提供一種利用相當簡單而不複雜的光學設備就可求得某一光纖的折射率分布圖的方法。
更確切地說，本發明的一個目的是要提供一種並不需用精緻的光學設備或複雜的測試步驟就可測量單模或多模光纖的折射率的方法。
本發明還有一個目的是要提供一種通過只激發光纖內的包層模，並用一種限定數值孔徑的透鏡系統解析射自測試光纖的光線，強度分布圖就可測定某一光纖的折射率分布圖的方法。
現將參考附圖對本發明進行詳細說明，在這些附圖中圖1是利用本發明的方法測量某一光纖的折射率分布圖的原理圖;
圖2是根據本發明說明包層模通過光纖的傳播情況的光纖垂直剖面圖;
圖3是說明為校準所用的包層模傳播情況的光纖垂直剖面示意圖;
圖4是一種典型的校準曲線的圖解說明圖;以及圖5是利用本發明的方法所求得的典型強度分布曲線及其相應的折射率分布圖的圖解說明圖。
現在來更詳細地參考這些附圖，圖1從原理上示出用於測量某一光纖10(包括裸光纖12和被覆14)的折射率分布圖的各種設備。參考圖2和3，裸光纖12可進一步看作為包括一個由外部包層13圍住的纖芯區11。術語「光纖」通常是指單模和多模光纖二者的。鎢絲燈泡16及聚焦透鏡18用來使光線射向無被覆的光纖12和被覆14的界面的。應當知道，無被覆的光纖12是被空氣或任何折射率小於包層13的折射率的合適材料所包圍住的。現在如果對鎢絲燈泡16和光纖10的相對位置進行配置，則一小部分光能將被接入包層13中去，同時對該短段無被覆光纖12來說，在那裡只將是激發包層模。將光纖10安放在可微調的光纖臺20上，並在它倆之間設有反射材料22，以提高由鎢絲燈泡16激發的包層模的均勻度。
被接入裸光纖12的光線就從該光纖端射出，經過透鏡24和孔徑26而射入光導攝象管攝象機28。孔徑26是可變的而且是最適宜地直接放在透鏡24之後，以便限定該光測量系統的數值孔徑。光導攝象管攝象機28被在電氣上連通到攝象機控制器30和計算機32，並另外裝有視頻監測器34。計算的32是用可將從無被覆的光纖12發射出的光強分布直接變換成該光纖的折射率分布圖的軟體最適應地編程過的。
實際上，本發明的包層模近場法是通過將光纖10一端的一短段的被覆14去掉，並按照傳統方法製備該光纖的測試端面來實現的。該無被覆的光纖12就被一種折射率小於包層13的折射率的材料(例如空氣)所包圍住。來自鎢絲燈泡16的光線將在光纖12中只激發各種沿著無被覆的光纖長度而傳播的包層模，詳見圖2。在利用斯耐爾(Snell)定律時，在光纖10輸出端的光線徑跡可由下式描述No Cosθ1＝N(r)Cosθ2(1)N(r)Sinθ2＝Sinθ3(2)式中N(r)是沿著光纖10的出射平面上的局部折射率，No是包層13的折射率。入射角θ1可通過合併上述方程式(1)和(2)而唯一地相關於相應的出射角θ3如下N(r)2-No2＝-No2Sin2θ1+Sin2θ3(3)顯然，從方程(3)，在任何沿著光纖10的端面上的徑向位置處的N(r)的值可確定θ1和θ3間的關係。因此，如果No和Sinθ3固定不變，則某一N(r)的變化量將引出一個相當的Sinθ1的變化量。
從光纖10的端面發射出的光強分布可由光導攝象管攝象機28測得，該攝象機的數值孔徑由設置於透鏡24後面的被選定的最佳孔徑26所限定(固定於Sinθ3max的值)以使在任何沿著該測得的圖形而變化的點處的總功率直接與θ1max相關(該總功率就是由於以小於或等於θ1max的入射角而傳播的包層模總數所造成的功率)。由於θ1和光強間的關係可在利用一種將要在下面描述的方法進行折射率分布圖的測定之前確定，於是只需通過利用方程(3)，各N(r)值就可直接從由計算機32測定的光強分布中確定。應當還可看到，為了使上述關係有效，要求由鎢絲燈泡16激發均勻的包層模。這可通過使鎢絲燈泡16和聚焦透鏡18定位而方便的促使光線一般導向垂直於光纖10的縱軸。此外，可微調的光纖臺20可幫助光纖10正確對準鎢絲燈泡16，而反射材料22可起反射光線的作用以提高均勻的發射條件。
因此，在存在均勻的包層模的激發情況下，光纖10的折射率分布圖就可通過解析所發射的光強分布而測定。然而，對於每根用本發明的包層近場法所解析的光纖來說，光強和θ1(計算折射率所用的變量)間的關係必須在開始測量之前用校準方法確定。由於這種關係對不同光纖可能會稍有差別，所以應在測量各自的光纖折射率分布圖之前進行該校準步驟。現在參考圖3和圖4，申請人將對該用以確定光強和θ間的關係的校準步驟的基本原理進行描述。如果將斯耐爾定律僅應用到包層區13(見圖3)，則在該區射出的光線可由下式描述θ1＝Sin-1(l/No Sinθ3) (4)該式就是用於包層區方程(3)的化簡式，式中θ1是該包層模的傳播入射角，θ3是光線射出包層區的出射角，而No是該色層13的折射率，並是一常數。如果將一可變孔徑26或若干不同孔徑26安放在光纖10和光導攝象管攝象機28之間，則就使該光線檢測系統的數值孔徑或接收光線的能力可得以調整。由於該數值孔徑等於Sinθ3，所以θ1和光強間的關係就可通過對在用若干(最合適4種)不同大小孔徑26的場合下測量沿著包層13的各光強而由方程容易地求得θ1和光強間的關係。將此數據擬合到最小二乘方法就可繪出例如圖4所示的代表性校準曲線。然後使用一個選定的孔徑(以便達到最好的空間解析度，並在檢測器的信噪比範圍以內)來求得光纖10的光強分布圖。通過利用以前述方法求得的校準曲線來確定相應於各該光強值的各θ1值，就可由計算機32從方程(3)求出各必要的θ1值，以利於算出光纖10的折射率。
由於已經對支持本發明的方法的理論進行了闡述，該用於校準和測量的最佳方法就可很簡單地進行陳述了。首先按照標準步驟製備好光纖10的端面以便測試。將光纖10插入臺20，並調節到最好的對準狀態為止。為了保證激發均勻的包層模，其光強分布圖可在監測器34上觀察到，該均勻的包層模可由沿著包層區而激發的平坦的光強分布圖所顯示出來。將第一校準孔徑26放入規定位置，然後用光導攝象管攝象機28測出沿著包層區傳播的光強度級，由計算機32根據所用的孔徑尺寸確定θ3，並用上述方程式(4)由計算機32算出θ1。把第一校準孔徑26移下，並插入第二校準孔徑並重複進行所述步驟。使用第三和第四校準孔徑26，並再重複進行所述步驟。緊接著，再用最小二乘方法將這些測得的光強和算得的θ1值擬合到下式中去，以繪出校準曲線I(θ1)＝Aθ21+Bθ1+C (5)現在就完成了校準工作，於是現在就可容易地通過插入前面選定的最佳測試孔徑26和掃描出從光纖10發射出的總光強分布圖來確定光纖10的折射率分布圖。通過利用所述擬合的校準曲線，就可由計算機32用上述方程(3)將測得的光強變換成同時發生的折射率分布圖(見圖5)。
概括地講，本發明提供了一種不需精緻的光線發射設備，並對取得分布圖的測量工作給予很大方便(圖為可直接從測得的光強分布圖求得各測量結果值)的測量光纖折射率分布圖的新方法。
雖然在此已經以被設想為最實用而最佳的實施例對本發明進行了展示和描述;但應當承認，由此可以在本發明的範圍內進行各種改變，所以本發明不應局限於這裡所公開的細節，但其權利要求
書的全部範圍是應當遵循、以便包含任何所有的等效方法的。
權利要求
1.一種測量光纖的折射率分布圖的方法，該光纖包括裹在所被包圍住的包層內的基本上圓筒形的纖芯，並在其外周上具有一保護被覆層，該方法的特徵在於包括以下步驟製備所述光纖的一段無被覆端部以便測試；用一種具有折射率小於包層析射率的材料至少包圍住光纖的無被覆端部；使來自光源的光線射向所述無被覆的光纖，以使沿著無被覆的光纖長度只激發包層模；對從光纖測試端出射的有限一部分光線進行聚焦而射入被在電氣上接通到計算機的光線檢測器裝置；以及根據從光纖測試端出射的光強分布計算出所述光纖的折射率分布圖。
2.一種按照權利要求
1的方法的特徵在於其中所述光纖是一種單模光纖。
3.一種按照權利要求
1的方法的特徵在於其中所述光纖是一種多模光纖。
4.一種按照權利要求
1的方法的特徵在於其中所述光纖是由空氣包圍住的。
5.一種按照權利要求
1的方法的特徵在於其中所述光纖基本上是射向無被覆的光纖和被覆的界面、並是以垂直於所述光纖的縱軸的方向而射向界面的。
6.一種按照權利要求
1的方法的特徵在於其中所述包層模的激發是均勻的。
7.一種按照權利要求
6的方法的特徵在於其中所述聚焦步驟包括把所述出射光線通過具有某一限定的數值孔徑射入光導攝象管攝象機。
8.一種按照權利要求
7的方法的特徵在於其中所述折射率分布圖可根據測得的從所述光纖測試端出射的光強分布，按照下式關係計算出N(r)2-No2＝-No2sin2θ1+Sin2θ3式中N(r)是沿著所述光纖的出射平面上的局部折射率;No是所述包層的折射率;θ1是所述包層模傳播入射角;θ3是光射出包層的出射角，同時透鏡系統的數值孔徑是固定在Sinθ3max的值上的，No是固定不變的，於是就確定了θ1和光強間的關係。
9.一種按照權利要求
8的方法的特徵在於其中對被測光纖的θ和光強間的關係可按以下關係式計算θ1＝Sin-1(l/No Sinθ3)式中θ1是包層模的傳播入射角，θ3是光線射出包層的出射角，以及No是所述包層的折射率常數。
10.一種測量光纖的折射率分布圖的方法是將所述光纖的測試端附近的被覆剝去，同時用一種折射率小於包層折射率的材料把所述光纖測試端包圍住，該方法的特徵在於使來自一個強光源的光線基本上射向所述無被覆光纖和所述被覆的界面，以使沿著無被覆光纖長度只激發包層模，該包層模是由所述光線均勻地激發的;將從光纖測試端出射的有限一部分光線聚焦射入光導攝象管攝象機，該攝象機已在電氣上接通一計算機，所述選定部分是由具有某一限定數值孔徑的透鏡系統所確定的;以及根據所測得的從所述光纖測試端出射的光線的光強分布計算出所述光纖的折射率分布圖。
11.一種按照權利要求
10的方法的特徵在於其中所述光纖是一種單模光纖。
12.一種按照權利要求
10的方法的特徵在於其中所述光纖是一種多模光纖。
13.一種按照權利要求
10的方法的特徵在於其中所述光纖被空氣所包圍住。
14.一種按照權利要求
10的方法的特徵在於其中所述光線是基本上垂直地射向所述光纖的縱軸的。
15.一種按照權利要求
14的方法的特徵在於其中所述光源是一種鎢絲燈泡光源。
16.一種按照權利要求
10的方法的特徵在於其中所述折射率分布圖可從測得的從所述光纖測試端出射的光強分布，按照以下關係式算出N(r)2-No2＝-No2Sin2θ1+Sin2θ3式中N(r)是沿著所述光纖的出射平面的局部折射率;No是所述包層的折射率;θ1是所述包層模的傳播入射角;θ3是光線射出所述包層的出射角，同時所述透鏡系統的數值孔徑是固定在Sinθ3max的值上的，No是固定不變的，於是就確定了θ1和光強間的關係。
17.一種按照權利要求
16的方法的特徵在於其中被測光纖的θ1和光強間的關係可按以下關係式計算θ1＝Sin-1(l/No Sinθ3)式中θ1是包層模的傳播入射角，θ3是光線射出包層的出射角，以及No是所述包層的折射率常數。
專利摘要
公開一種用於測定光纖的折射率分布圖的方法，其中將來自一個強光源的光線聚焦於測試光纖的裸光纖端部。少量的光將被接入光纖，在那裡對所述短段無被覆光纖來說只激發包層模。所述折射率是直接通過解析利用具有某一限定數值孔徑的透鏡系統射自所述光纖的光強分布而測定的。
文檔編號G01M11/00GK87106264SQ87106264
公開日1988年8月10日 申請日期1987年9月8日
發明者埃裡克·L·巴克蘭, 西村正幸, 威廉·H·哈頓 申請人:住友電氣工業株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan