测量光纤折射率分布图的方法

专利名称:测量光纤折射率分布图的方法
本发明一般涉及一种测试光纤的方法，并具体涉及一种测定被用作光通信波导的光纤的折射率分布图的方法。
光纤一般是由包裹在不多几层包层中的圆柱形玻璃纤芯所构成的，于是光脉冲就可传送通过该光纤的纤芯。各种光线或光脉冲模式，它们一般是来自激光二极管或发光二极管的，当它们沿着纤芯的包层的边界来回地反射时，就在光纤纤芯内遵循不同的通路。由于当脉冲沿纤芯而传播期间，脉冲长度具有拉长的倾向，从而限制带宽，所以为了有利于通信用途，已经制成各种光纤，其纤芯从纤芯的轴到外周是具有某一径向变化的折射率分布图的。在光纤纤芯内的折射率分布应设计得可使所有的光脉冲以同样的轴向传播速度来沿着光纤传播而和经过的路程的长度的变化无关。在实践中，各种光纤制造程序可引入某些偏离光纤纤芯的折射率最佳分布的因素。因此必须始终如一地监测其偏离某一最佳折射率分布图的情况，以保证使其变化值保持在某一预定容许极限以内。
为了解析各种光纤的折射率分布图，已经开发出若干方法并已被公知。W.J.斯图尔特在IEEE微波理论和技术汇刊，卷MTT-30，第10期(1982年10月)上以标题为《光纤和预先形成折射率分布图的方法》(“OpticalFiberandPreformProfilingTechnology”)一文公开了一种对于各种光纤和预先形成折射率分布图的方法的有益回顾。现在在使用中最广泛认可的方法也许就是前面指出的文献中所描述的近场折射法。对于这种特定方法来说，一种具有数值孔径大体上大于光纤的数值孔径的透镜对某一光纤的平端面上的光束进行聚焦，并使该焦点横扫经过该光纤直径。部分光线就被沿着光纤而传导;而其余的光线被通过光纤端部而折射，并在该光纤外面辐射成为一中空锥体形中。将一屏蔽板或圆盘放入该辐射成的锥体形中，以防止附加在纯粹反射模上的漏模射到被设置于圆盘外的光电检波器。由K.I.怀特在1979年3月出版的《光电子和量子电子学》(OpticalandQuantumElectronics)版本中标题为《近场折射法对于测量光纤的折射率分布图的实际运用》“PracticalApplicationoftheRefractedNear-FieldTechniquefortheMeasurementofOpticalFiberRefractiveIndexProfiles”一文中宣布了这方法的详细回顾。
然而，近场折射法均要蒙受需要高度精致的光学设备的实际问题，并从而使获取折射率分布图的工作成为一种复杂而耗资的任务。为了获取准确的光纤折射率分布图，本发明的改进方法是针对避免需用精致的光学设备或复杂的程序的。
根据本发明，为了测定光纤的折射率分布图而提供一种并不需要精致的光学设备或复杂的测量方法的方法。该方法包括把来自强光源的光线，以这样一种方式射向光纤的无被覆端部，最合适的是射向裸光纤和被覆的界面，从而沿着裸光纤的长度而只激发出包层模，同时该包层模的激发是均匀的。使从该裸光纤的测试端出射的光线射经一个具有一选择的限定数值孔径的透镜系统，再射入一个光导摄象管摄象机和已被电气接通的计算机。然后从测得的从该光纤测试端出射的光线强度分布图计算出折射率分布图。
所以，本发明的一个重要目的是要提供一种利用相当简单而不复杂的光学设备就可求得某一光纤的折射率分布图的方法。
更确切地说，本发明的一个目的是要提供一种并不需用精致的光学设备或复杂的测试步骤就可测量单模或多模光纤的折射率的方法。
本发明还有一个目的是要提供一种通过只激发光纤内的包层模，并用一种限定数值孔径的透镜系统解析射自测试光纤的光线，强度分布图就可测定某一光纤的折射率分布图的方法。
现将参考附图对本发明进行详细说明，在这些附图中图1是利用本发明的方法测量某一光纤的折射率分布图的原理图;
图2是根据本发明说明包层模通过光纤的传播情况的光纤垂直剖面图;
图3是说明为校准所用的包层模传播情况的光纤垂直剖面示意图;
图4是一种典型的校准曲线的图解说明图;以及图5是利用本发明的方法所求得的典型强度分布曲线及其相应的折射率分布图的图解说明图。
现在来更详细地参考这些附图，图1从原理上示出用于测量某一光纤10(包括裸光纤12和被覆14)的折射率分布图的各种设备。参考图2和3，裸光纤12可进一步看作为包括一个由外部包层13围住的纤芯区11。术语“光纤”通常是指单模和多模光纤二者的。钨丝灯泡16及聚焦透镜18用来使光线射向无被覆的光纤12和被覆14的界面的。应当知道，无被覆的光纤12是被空气或任何折射率小于包层13的折射率的合适材料所包围住的。现在如果对钨丝灯泡16和光纤10的相对位置进行配置，则一小部分光能将被接入包层13中去，同时对该短段无被覆光纤12来说，在那里只将是激发包层模。将光纤10安放在可微调的光纤台20上，并在它俩之间设有反射材料22，以提高由钨丝灯泡16激发的包层模的均匀度。
被接入裸光纤12的光线就从该光纤端射出，经过透镜24和孔径26而射入光导摄象管摄象机28。孔径26是可变的而且是最适宜地直接放在透镜24之后，以便限定该光测量系统的数值孔径。光导摄象管摄象机28被在电气上连通到摄象机控制器30和计算机32，并另外装有视频监测器34。计算的32是用可将从无被覆的光纤12发射出的光强分布直接变换成该光纤的折射率分布图的软件最适应地编程过的。
实际上，本发明的包层模近场法是通过将光纤10一端的一短段的被覆14去掉，并按照传统方法制备该光纤的测试端面来实现的。该无被覆的光纤12就被一种折射率小于包层13的折射率的材料(例如空气)所包围住。来自钨丝灯泡16的光线将在光纤12中只激发各种沿着无被覆的光纤长度而传播的包层模，详见图2。在利用斯耐尔(Snell)定律时，在光纤10输出端的光线径迹可由下式描述No Cosθ1＝N(r)Cosθ2(1)N(r)Sinθ2＝Sinθ3(2)式中N(r)是沿着光纤10的出射平面上的局部折射率，No是包层13的折射率。入射角θ1可通过合并上述方程式(1)和(2)而唯一地相关于相应的出射角θ3如下N(r)2-No2＝-No2Sin2θ1+Sin2θ3(3)显然，从方程(3)，在任何沿着光纤10的端面上的径向位置处的N(r)的值可确定θ1和θ3间的关系。因此，如果No和Sinθ3固定不变，则某一N(r)的变化量将引出一个相当的Sinθ1的变化量。
从光纤10的端面发射出的光强分布可由光导摄象管摄象机28测得，该摄象机的数值孔径由设置于透镜24后面的被选定的最佳孔径26所限定(固定于Sinθ3max的值)以使在任何沿着该测得的图形而变化的点处的总功率直接与θ1max相关(该总功率就是由于以小于或等于θ1max的入射角而传播的包层模总数所造成的功率)。由于θ1和光强间的关系可在利用一种将要在下面描述的方法进行折射率分布图的测定之前确定，于是只需通过利用方程(3)，各N(r)值就可直接从由计算机32测定的光强分布中确定。应当还可看到，为了使上述关系有效，要求由钨丝灯泡16激发均匀的包层模。这可通过使钨丝灯泡16和聚焦透镜18定位而方便的促使光线一般导向垂直于光纤10的纵轴。此外，可微调的光纤台20可帮助光纤10正确对准钨丝灯泡16，而反射材料22可起反射光线的作用以提高均匀的发射条件。
因此，在存在均匀的包层模的激发情况下，光纤10的折射率分布图就可通过解析所发射的光强分布而测定。然而，对于每根用本发明的包层近场法所解析的光纤来说，光强和θ1(计算折射率所用的变量)间的关系必须在开始测量之前用校准方法确定。由于这种关系对不同光纤可能会稍有差别，所以应在测量各自的光纤折射率分布图之前进行该校准步骤。现在参考图3和图4，申请人将对该用以确定光强和θ间的关系的校准步骤的基本原理进行描述。如果将斯耐尔定律仅应用到包层区13(见图3)，则在该区射出的光线可由下式描述θ1＝Sin-1(l/No Sinθ3) (4)该式就是用于包层区方程(3)的化简式，式中θ1是该包层模的传播入射角，θ3是光线射出包层区的出射角，而No是该色层13的折射率，并是一常数。如果将一可变孔径26或若干不同孔径26安放在光纤10和光导摄象管摄象机28之间，则就使该光线检测系统的数值孔径或接收光线的能力可得以调整。由于该数值孔径等于Sinθ3，所以θ1和光强间的关系就可通过对在用若干(最合适4种)不同大小孔径26的场合下测量沿着包层13的各光强而由方程容易地求得θ1和光强间的关系。将此数据拟合到最小二乘方法就可绘出例如图4所示的代表性校准曲线。然后使用一个选定的孔径(以便达到最好的空间分辨率，并在检测器的信噪比范围以内)来求得光纤10的光强分布图。通过利用以前述方法求得的校准曲线来确定相应于各该光强值的各θ1值，就可由计算机32从方程(3)求出各必要的θ1值，以利于算出光纤10的折射率。
由于已经对支持本发明的方法的理论进行了阐述，该用于校准和测量的最佳方法就可很简单地进行陈述了。首先按照标准步骤制备好光纤10的端面以便测试。将光纤10插入台20，并调节到最好的对准状态为止。为了保证激发均匀的包层模，其光强分布图可在监测器34上观察到，该均匀的包层模可由沿着包层区而激发的平坦的光强分布图所显示出来。将第一校准孔径26放入规定位置，然后用光导摄象管摄象机28测出沿着包层区传播的光强度级，由计算机32根据所用的孔径尺寸确定θ3，并用上述方程式(4)由计算机32算出θ1。把第一校准孔径26移下，并插入第二校准孔径并重复进行所述步骤。使用第三和第四校准孔径26，并再重复进行所述步骤。紧接着，再用最小二乘方法将这些测得的光强和算得的θ1值拟合到下式中去，以绘出校准曲线I(θ1)＝Aθ21+Bθ1+C (5)现在就完成了校准工作，于是现在就可容易地通过插入前面选定的最佳测试孔径26和扫描出从光纤10发射出的总光强分布图来确定光纤10的折射率分布图。通过利用所述拟合的校准曲线，就可由计算机32用上述方程(3)将测得的光强变换成同时发生的折射率分布图(见图5)。
概括地讲，本发明提供了一种不需精致的光线发射设备，并对取得分布图的测量工作给予很大方便(图为可直接从测得的光强分布图求得各测量结果值)的测量光纤折射率分布图的新方法。
虽然在此已经以被设想为最实用而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各种改变，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、以便包含任何所有的等效方法的。
权利要求
1.一种测量光纤的折射率分布图的方法，该光纤包括裹在所被包围住的包层内的基本上圆筒形的纤芯，并在其外周上具有一保护被覆层，该方法的特征在于包括以下步骤制备所述光纤的一段无被覆端部以便测试；用一种具有折射率小于包层析射率的材料至少包围住光纤的无被覆端部；使来自光源的光线射向所述无被覆的光纤，以使沿着无被覆的光纤长度只激发包层模；对从光纤测试端出射的有限一部分光线进行聚焦而射入被在电气上接通到计算机的光线检测器装置；以及根据从光纤测试端出射的光强分布计算出所述光纤的折射率分布图。
2.一种按照权利要求
1的方法的特征在于其中所述光纤是一种单模光纤。
3.一种按照权利要求
1的方法的特征在于其中所述光纤是一种多模光纤。
4.一种按照权利要求
1的方法的特征在于其中所述光纤是由空气包围住的。
5.一种按照权利要求
1的方法的特征在于其中所述光纤基本上是射向无被覆的光纤和被覆的界面、并是以垂直于所述光纤的纵轴的方向而射向界面的。
6.一种按照权利要求
1的方法的特征在于其中所述包层模的激发是均匀的。
7.一种按照权利要求
6的方法的特征在于其中所述聚焦步骤包括把所述出射光线通过具有某一限定的数值孔径射入光导摄象管摄象机。
8.一种按照权利要求
7的方法的特征在于其中所述折射率分布图可根据测得的从所述光纤测试端出射的光强分布，按照下式关系计算出N(r)2-No2＝-No2sin2θ1+Sin2θ3式中N(r)是沿着所述光纤的出射平面上的局部折射率;No是所述包层的折射率;θ1是所述包层模传播入射角;θ3是光射出包层的出射角，同时透镜系统的数值孔径是固定在Sinθ3max的值上的，No是固定不变的，于是就确定了θ1和光强间的关系。
9.一种按照权利要求
8的方法的特征在于其中对被测光纤的θ和光强间的关系可按以下关系式计算θ1＝Sin-1(l/No Sinθ3)式中θ1是包层模的传播入射角，θ3是光线射出包层的出射角，以及No是所述包层的折射率常数。
10.一种测量光纤的折射率分布图的方法是将所述光纤的测试端附近的被覆剥去，同时用一种折射率小于包层折射率的材料把所述光纤测试端包围住，该方法的特征在于使来自一个强光源的光线基本上射向所述无被覆光纤和所述被覆的界面，以使沿着无被覆光纤长度只激发包层模，该包层模是由所述光线均匀地激发的;将从光纤测试端出射的有限一部分光线聚焦射入光导摄象管摄象机，该摄象机已在电气上接通一计算机，所述选定部分是由具有某一限定数值孔径的透镜系统所确定的;以及根据所测得的从所述光纤测试端出射的光线的光强分布计算出所述光纤的折射率分布图。
11.一种按照权利要求
10的方法的特征在于其中所述光纤是一种单模光纤。
12.一种按照权利要求
10的方法的特征在于其中所述光纤是一种多模光纤。
13.一种按照权利要求
10的方法的特征在于其中所述光纤被空气所包围住。
14.一种按照权利要求
10的方法的特征在于其中所述光线是基本上垂直地射向所述光纤的纵轴的。
15.一种按照权利要求
14的方法的特征在于其中所述光源是一种钨丝灯泡光源。
16.一种按照权利要求
10的方法的特征在于其中所述折射率分布图可从测得的从所述光纤测试端出射的光强分布，按照以下关系式算出N(r)2-No2＝-No2Sin2θ1+Sin2θ3式中N(r)是沿着所述光纤的出射平面的局部折射率;No是所述包层的折射率;θ1是所述包层模的传播入射角;θ3是光线射出所述包层的出射角，同时所述透镜系统的数值孔径是固定在Sinθ3max的值上的，No是固定不变的，于是就确定了θ1和光强间的关系。
17.一种按照权利要求
16的方法的特征在于其中被测光纤的θ1和光强间的关系可按以下关系式计算θ1＝Sin-1(l/No Sinθ3)式中θ1是包层模的传播入射角，θ3是光线射出包层的出射角，以及No是所述包层的折射率常数。
专利摘要
公开一种用于测定光纤的折射率分布图的方法，其中将来自一个强光源的光线聚焦于测试光纤的裸光纤端部。少量的光将被接入光纤，在那里对所述短段无被覆光纤来说只激发包层模。所述折射率是直接通过解析利用具有某一限定数值孔径的透镜系统射自所述光纤的光强分布而测定的。
文档编号G01M11/00GK87106264SQ87106264
公开日1988年8月10日 申请日期1987年9月8日
发明者埃里克·L·巴克兰, 西村正幸, 威廉·H·哈顿 申请人:住友电气工业株式会社