CN101476978A - 一种测量单模光纤几何参数的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量单模光纤几何参数的方法，利用普通激光器作为光源，通过带透镜的精密五维调整架和光纤夹把光耦合进光纤，利用CCD或其他成像系统进行数据采集，把得到的数据用电脑进行分析，用Mathematica数学软件对测量到的可见光下的光强分布图进行处理和计算，用非线性最小二乘拟合法计算出光纤的几何参数，包括纤芯折射率n₁，包层折射率n₂，纤芯半径a。利用普通半导体激光器作为光源，使用方便，所需要的设备少，成本低廉，并且对环境没有严格的要求。利用可见光波段进行测量，避免使用价格昂贵的红外探测器和红外激光光源，同时便于用肉眼调整，也便于光强信息的采集。利用CCD探测光纤输出端的光强分布，能进行全场测量，一次性取齐全部数据，避免使用机械移动的扫描设备。

Description

一种测量单模光纤几何参数的方法

技术领域

本发明涉及一种测量单模光纤几何参数的方法，属于信息技术领域。

背景技术

单模光纤几何参数包括纤芯折射率n₁，包层折射率n₂，纤芯半径a。它们是光纤最基本的参数，光纤的其他特性参数如光学特性参数、传输特性参数都取决于几何参数。因此测量单模光纤的几何参数具有重要意义。传统测量光纤折射率的方法是近场扫描法，需要用到高度精致的光学设备，仪器设备昂贵，测量过程复杂，测量时间长。传统测量纤芯半径的方法是后向散射法，只适合于光纤制造过程中的测量。

发明内容

本发明提供了一种测量单模光纤的几何参数(包括纤芯折射率n₁，包层折射率n₂，纤芯半径a)的方法。该方法包括半导体激光器光源，以这样一种方式射向光纤的无被覆输入端面，最合适是平行于所述光纤纵轴入射，使输出的光强分布图像尽可能满足实验测量要求，然后根据测得的光纤输出端的光强分布计算出单模光纤的几何参数。

本发明的目的是这样实现的：一种测量单模光纤几何参数的方法，含有以下步骤；

用普通半导体激光器做光源，光源波长在可见光波段；

用CCD探测光纤输出端的光强分布，进行全场测量；

用到一种高阶模滤除装置，使光纤中传输的高阶模被滤除，仅基模到达光纤输出端；

把得到的图像用计算机进行处理，通过对光强分布进行拟合，计算出单模光纤的几何参数，包括纤芯折射率n₁、包层折射率n₂和纤芯半径a；

用非线性最小二乘法进行拟合，待拟合参数为纤芯折射率n₁、包层折射率n₂和纤芯半径a；根据光波导理论，计算出光纤输出端基模光强分布的公式I(n₁，n₂，a)，从被测图像中提取光强分布数据点，用公式I(n1，n2，a)对数据点进行拟合，得到最佳的n₁，n₂，a值。

利用普通激光器作为光源，通过带透镜的精密五维调整架和光纤夹把光耦合进光纤，利用CCD或其他成像系统进行数据采集，把得到的数据用电脑进行分析，得到图像的强度分布。用美国Wolfram公司的Mathematica数学软件，对测量到的可见光下的光强分布图进行处理和计算，

计算方法如下：

根据光波导理论，工作波长为1310nm的普通单模光纤，在可见光注入时将工作在多模状态。光纤单模传输的条件是：

V<2.405；

其中V为归一化频率，由光纤结构参数决定：

$V=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sqrt{n_1^2-n_2^2}a;$

式中n₁为纤芯折射率，n₂为包层折射率，a为纤芯半径。设注入波长为635nm的可见光，由以上两式可计算出工作波长为1310nm的普通单模光纤在635nm波长下工作时V所满足的条件：

V<4.9615；

由于LP₃₁模的截止条件为V＝5.316，因此LP₃₁模及LP₃₁以后的模均截止，光纤中可能传输四个模：LP₀₁、LP₁₁、LP₀₂、LP₂₁，各模的截止频率分别为0、2.405、3.832、3.832。

设n₁、n₂、a为已知，那么各模的场分布均可计算出来，光纤内总的场分布为各模光场的相干叠加。

将基模的近场分布进行汉克尔变换，得到远场光强分布，其分布与光纤参数n₁、n₂、a、光源波长λ及光线偏离光纤轴线的夹角θ有关，记其表达式为P(n₁，n₂，a；λ；θ)。如果实验测量出光纤基模的远场分布图，那么用表达式P(n₁，n₂，a；λ；θ)对测量得到的数据点进行拟合，就可以求出最佳的n₁、n₂、a。

用非线性最小二乘拟合法计算出光纤的几何参数，包括纤芯折射率n₁，包层折射率n₂，纤芯半径a。

所述光源为普通半导体激光器光源，满足功率大于10mW，波长在可见光波段即可。

所述成像系统为CCD或其他可以用来采集光强信息的设备，光谱响应特性要与半导体激光器光源吻合。

本发明产生的有益效果是：

1、本发明利用普通半导体激光器作为光源，使用方便，所需要的设备少，成本低廉，并且对环境没有严格的要求。

2、本发明利用可见光波段进行测量，避免使用价格昂贵的红外探测器和红外激光光源，同时便于用肉眼调整，也便于光强信息的采集。

3、本发明利用CCD探测光纤输出端的光强分布，能进行全场测量，一次性取齐全部数据，避免使用机械移动的扫描设备。

附图说明

图1为本发明的原理图。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，本实施例中，本发明专利测量装置包括光源，光纤耦合单元、高阶模滤除单元、图像采集单元、图像处理单元。本实施例中，光源为普通半导体激光器。

本实施例中，光纤耦合单元包括带透镜的精密五维调整架和光纤夹，精密五维调整架型号为OM-TZ-112，光纤夹型号为F1-109，均由上海联谊光纤激光器械厂生产。

本实施例中，高阶模滤除单元为半径一定的圆柱体。半径范围为3mm-5mm，光纤在该圆柱体上绕一圈以上。

本实施例中，图像采集单元利用市售的普通CCD和图像采集卡，能把数据传输至计算机。

本实施例中，图像处理单元为普通计算机，装有相关软件。包括CCD图像采集的配套软件(该软件与图像采集卡配套，购买图像采集卡时同时获得该软件)、Mathematica数学软件。

本发明的工作原理和操作步骤是：

第一步，将光纤按图1连接。

第二步，打开光源，调整精密五维调整架，使耦合入光纤的光强最大。

第三步，调整光纤输出端与图像接收单元的位置，使光纤输出端垂直对准图像接收单元的光敏面中心，光纤输出端到光敏面的距离在5mm-20mm范围内。

第四步，调节背景光强。用亮度可调的红色发光二极管照射图像接收单元，调整亮度，使得图像接收单元接收到的图像有均匀的背景光，而且光强最大值小于图像接收单元的饱和阈值。

第五步，记录光纤输出端与图像采集系统的距离。采集图像，并把采集到的图像通过图像采集卡导入计算机，用配套的程序(CCD图像采集的配套软件和Mathematica数学软件)进行处理，便可到光纤的几何参数。该程序是在美国Wolfram公司的Mathematica数学软件平台基础上编写的，利用非线性最小二乘拟合算法根据光强分布图计算出光纤的几何参数，具体算法如上面计算方法部分所述。

虽然在此已经以被设想为最实用而且最佳的实施例对本发明进行了展示和描述；但应当承认，由此可以在本发明的范围内进行改变，所以本发明不应局限于这里所公开的细节，但其权利要求书的全部范围是应当遵循的、以便包含任何的等效方法的。

Claims (7)

1、一种光测量单模光纤几何参数的方法，特征在于包括以下步骤：

用普通半导体激光器做光源，光源波长在可见光波段；

用CCD探测光纤输出端的光强分布，进行全场测量；

用到一种高阶模滤除装置，使光纤中传输的高阶模被滤除，仅基模到达光纤输出端；

把得到的图像用计算机进行处理，通过对光强分布进行拟合，计算出单模光纤的几何参数，包括纤芯折射率n₁、包层折射率n₂和纤芯半径a；

用非线性最小二乘法进行拟合，待拟合参数为纤芯折射率n₁、包层折射率n₂和纤芯半径a；根据光波导理论，计算出光纤输出端基模光强分布的公式I(n₁，n₂，a)，从被测图像中提取光强分布数据点，用公式I(n₁，n₂，a)对数据点进行拟合，得到最佳的n₁，n₂，a值。

2、根据权利要求1的方法，特征在于：所用的光源为普通的激光器，工作在可见光波段。

3、根据权利要求1所述的方法，特征在于：所用的光探测装置为CCD图像采集系统。

4、根据权利要求1所述的方法，特征在于：所用的光探测装置能够进行全场测量，一次性测量光纤输出端各点的光强值，从而能得到空间二维光强分布图。

5、根据权利要求1所述的方法，特征在于：所用高阶模滤除装置为半径一定的圆柱体，光纤在该圆柱体上绕一定圈数。

6、根据权利要求1所述的方法，特征在于：所用拟合方法为非线性最小二乘拟合方法。

7、根据权利要求1所述的方法，特征在于：CCD通过图像采集卡与计算机直接相连，能在计算机上实时显示测量到的光强分布图像，并能够快速、实时地对图像进行处理，算出光纤的几何参数。

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