CN1045179A - 用反射光测定纤维光导中光损耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明可用于测定各种类型纤维光导中小量的光损耗。

本发明的目的是在快速动作的测量系统中和在不带空气间隙而将光导连接在一起的情况下，通过创造进行测量的可能性而提高其多能性。其保证是：经过空心光导向被测光导引入探测光脉冲，空心光导的长度L_x不小于对给定类型光导所确立的模式分布长度的一半，测量从空心光导出射端面反射回来的脉冲能量或最大功率No，连接空心和被测光导，测量从被测光导出射端面反射的辐射脉冲能量或最大功率N，按数学关系式确定被测光导中的光损耗μ，

Description

本发明属于纤维光学领域，可用于测定各类纤维光导中的辐射衰减率。

已知一种用反射光测量纤维光导中辐射光累计损耗的方法（参见Hillerich Pulsereflection method for transmission-loss measurement of optical fibers.Electronics letters，1976，vol.12，N4，P 92-93），该方法的基础在于：向长度为lg的光导中引入辐射短脉冲，分别记录下所观察到的由该光导的入射端面反射回来的脉冲最大功率N，和从采用浸渍法固定在该光导出射端的高反射镜反射回来的脉冲最大功率N_3ep;然后从脉冲引入一方分离出长度为l_k的很小一段光导，记录下由入射端面和置于很小这一段光导出射端的反射镜反射回来的信号之最大功率，并按下式确定被测光导在两倍长度差2（l_g-l_k）上的辐射光损耗，这个光损耗用衰减率μ来表征，

exp［-2μ(lg-l_k)］= (N_∑-N_ex)/(N_3ep)

这种方法的缺点是必须破坏被测光导的完整性，因为必须分离出很小一段光导来。

还有另外一种用反射光测量纤维光导中光损耗的方法（参见苏联申请No    4204727，1988.5.30作出授予发明人证书的决定），该方法可归结为：经过空心的（Хопостой）光导向被测光导中引入探测用的辐射脉冲，空心光导的长度等于对给定类型的光导所确定的模式分布长度的一半;测量从空心光导的出射端反射的脉冲能量N₁;测量从彼此位于最小距离的空心光导出射端和被测光导入射端反射的脉冲能量N₂;测量从被测光导出射端反射的脉冲能量N₃，并根据以上三个测量数据确定被测光导单位长度上的光损耗μ。就其技术实质来说，这个方法与本发明的方法最为可接近，可将其作为本发明原型。

这种方法的缺点是必须测量从光导的对接端面，即从空心光导的出射端和被测光导的入射端多次反射的脉冲总能量。在光学反射仪采用的具有很高的时间分辨率的系统中，当测量系统分别要对从不同端面反射的每个辐射脉冲起反应时，这种求积作用就不能实现。因此，用这种方法测量光损耗是不可能实现的，或者伴有很大的测量误差。除此而外，当不带空气间隙而将上述光导连接在一起时，就不会存在具有能量为N₂的脉冲，因此也就不能根据这种方法来用反射光进行测量。

本发明的目的是在快速动作的测量系统中和在不带空气间隙而将上述光导连接在一起的情况下，通过创造测量的可能性而提高此方法的多能性。

所提出来的目的是这样达到的：在已知的用反射光测量纤维光导光损耗的方法中，包括经过空心光导向被测光导引入探测光脉冲，空心光导的长度不小于对该类型光导所确立的模式分布长度的一半，并且根据从光导端面反射回来的辐射确定被测光导单位长度上的光损耗μ。建议在向空心光导引入辐射脉冲之后，测量从空心光导的出射端面反射回来的脉冲能量或最大功率No，再将空心纤维光导和被测纤维光导以最小的空气间隙对接或不带空气间隙而将它们连接起来，然后相应地对从被测光导出射端反射的辐射脉冲能量或最大功率N（原文中误为N₀-校者注）进行测量，并按以下关系式确定被测光导中的光损耗μ：

μ＝（2lnτ+lnN₀-lnN）/2e （1）

（原文中并无括号，校者认为有误，故予加上，以供参考）。式中l-被测光导的长度;τ-两光导对接端面的透射系数，在不带空气间隙而将两光导连接在一起时τ_max＝1，当两光导以最小的空气间隙连接在一起时τ_min＝2n/（n²+1）^＊，n为光导的群折射率。（^＊原文中为τ_min＝2n（n²+1），显然是错误的一校者注，供参考）。

将本发明提出的解决方案与原型进行分析比较可知，本发明提出的方法与已知的方法的区别在于：将辐射脉冲引入空心光导之后，测量从空心光导出射端面反射回来的脉冲能量或最大功率N₀，然后再将空心光导和被测光导以最小的空气间隙对接或不带空气间隙连接在一起，而后相应地测量从被测光导出射端面反射的脉冲能量或最大功率N（原文中为No，已由校者更正为N，供参考），按以下关系式确定被测光导中的光损耗μ。因此，本发明所述的方法符合发明的“新颖性”标准。

本发明所述的方法，包括以下依次相互联系的步骤：

1、将探测用的光脉冲引入长度为l_x的空心光导中;

2、测量从空心光导出射端面反射的脉冲能量或最大功率N₀;

3、将空心的和被测的纤维光导以最小的空气间隙对接或不带空气间隙地连接在一起;

4、测量从被测光导出射端面反射的相应的辐射脉冲能量或最大功率;

5、按下面的关系式确定在以最小的空气间隙对接情况下被测光导中的光损耗μ：

μ= (2ln2n-2ln(n²+1)+lnNo-lnN)/(2l) （1）

其中n为光导的群折射率。

在不带空气间隙而将两光导连接在一起时，按以下关系式确定光损耗μ：

μ= (lnNo-lnN)/(2l) （2）

所推荐的用反射光测量纤维光导中光损耗的这种方法，其优点在于：所求的光损耗只是根据从光导端面反射信号的两个测量结果，而不是根据三个测量结果确定的，因而就使测量过程简化，并创造了利用对辐射脉冲的最大功率起反应而不是对其能量起反应的装置（例如光学反射仪）测量光损耗的可能性。但是，与反射仪不同的是，采用本方法可以在相当宽的动态范围内进行测量，靠的是反射信号的功率要比散射信号的功率大几个数量级。

图1表示实现本测量方法的装置。该装置包括辐射源1，入射辐射和反射辐射的分离器（分束器）2，接收器3，空心光导4和被测光导5。

本方法以下述方式实现：辐射源1发出的脉冲经过光学分束器2被引入空心光导4。使分束器与空心光导相配合（图中a所示），即将它们的芯子和包壳同轴对接，利用接收器3测量从空心光导出射端面反射的脉冲能量或最大功率。在这种情况下，接收器接收到的信号N₀等于：

N₀＝Kφτ_1，2τ_2，4exp（-μ_xl_x）ρexp（-μ_xl_x）τ_2，4τ_2，3

＝Kφτ_1，2τ_2，3τ_2，4 ²exp（2μ_xl_x）ρ （3）

式中，K-表征接收器灵敏度的比例系数;

φ-辐射源的辐射通量、功率或能量;

τ_1，2-辐射源的光通量通过分束器2的透射系数;

τ_2，4-分束器2和空心光导4对接端面的透射系数;

μ_x，l_x-分别为空心光导4的衰减率和长度;

ρ-光导端面的反射系数;

τ_2，3-辐射从分束器通过到接收器3的透射系数。

将被测光导5与空心导4以最小的空气间隙对接（图中6所示）或将被测光导的入射端面焊（粘）到空心光导的出射端面以后，并将接收器3的信号记录系统调整成使接收器只对从被测光导5出射端面反射的脉冲起反应，测量接收器接收的第二个信号N

N＝Kφτ_1，2τ_2，3τ² _2，4exp（-2μ_xl_x）τ²exp（-2μl）ρ （4）

式中μ_x，l_x-分别为被测光导的衰减率和长度;τ-空心的和被测的光导对接、耦合或粘合端面的透射系数。

在光导为高质量对接的情况下，例如使用“Fujikuza”公司的现代化设备“FSM-20”对接，甚至在单模光导对接处的损耗也不超过0.02分贝，即对接处的透射系数τ_max精度等于1±0.02。在以最小空气间隙连接光导时，按照菲湼尔公式，考虑到多次反射时的透射系数等于：τ_min=(1-ρ)²1/(1-ρ²) = (1-ρ)/(1+ρ) = (2n)/(n²+1) （5）

式中，ρ-光导一个端面的反射系数;

n-光导芯子的群折射率。

由于端面反射系数的不确定△ρ，光导对接端面的透射系数变动量△τ/τ等于

(△τ)/(τ) =- (△ρ)/(1-ρ) - (△ρ)/(ρ) =- (2△ρ)/(1-ρ²) ≤ (2△ρ)/(τ_min) （6）

对于高质量的光导来说，折射率断面能以△n＝±1×10^-3的精度保持，在这种情况下，由非常纯的石英玻璃制成的光导，其端面反射系数的不确定性等于△ρ＝0.0025×0.0347718＝1×10^-4，而△τ/τ＝±2×10^-4，即与计算值相比，透射系数的变动量在±0.001分贝，可以忽略不计。当△n达到±0.01时，△τ/τ的变动量不超过±0.01分贝。因此，当被测光导中测量的光损耗超过0.01分贝时，可以按照表达式（5）采用光导对接端面透射系数的计算值。

根据以上所述，表达式（4）和（3）的比值决定了被测光导中所求的辐射衰减率：

(N)/(N_o) =τ²exp-2μl, μ= (2lnτ+lnN_o-lnN)/(2l) （7）

根据空心光导和被测光导连接方式的不同，表达式换算成测量不带空气间隙的公式时

μ= (lnN_o-lnN)/(2l) （8）

以及换算成带空气间隙的公式时

μ= (2ln_2n+2lnN_o-lnN-ln(n²+1))/(2l) （9）

对有合金（Лещроьанная）石英芯子的多模光导来说，该公式等于

μl［q δ］^＊＝10lg (No)/(N) -0.32 （10）

对有合金包壳的单模光导来说，该公式等于

μl［q δ］^＊＝10lg (N_o)/(N) -0.3 （11）

（此外处的“qδ”既非英文又非俄文，疑为分贝二字之误，无法予以译出一校者注）。

在用原型方法测量的情况下，当依次从空心光导的出射端面、从空心和被测光导的端面以及从被测光导的出射端面测量反射的脉冲总能量时，不会产生由于空心和被测光导对接端面反射系数可能的变动引起的不确定性，因为这些反射系数的总值是在测量过程中直接确定的。但测量只能是在求积的因而不是在快速的动作系统中进行。在进行这样的测量时，不能使用广泛应用的光学反射仪这样的记录系统，而在这些反射仪中实际上测量的是在光导每个点上的脉冲最大功率。而且在不带空气间隙而将光导连接在一起时，也不能进行测量。

本发明所述的测量方法，其优点不仅在于扩大了测量的动态范围，以及在记录反射脉冲功率的同时可以确定光损耗，而且也在于当以最小的空气间隙连接两个光导（空心的和被测的）时可以进行测量，在熔合连接一对接或粘接光导的情况下也可以进行测量。此外，与采用反射散射进行测量的方法不同，本发明所述的方法为绝对测量。由于存在以上优点，本方法可用任何反射仪直接实施，只要这种反射仪是用于研究沿相反方向传播辐射的光导的。在这种情况下，为实施本方法所用装置的记录部分，与反射仪的记录系统相仿。

Claims (1)

1.一种在纤维光导中用反射光测定光损耗的方法，在于经过空心光导向被测光导中引入探测用的光脉冲，空心光导的长度l_x不小于对给定类型光导所确定的模式分布长度的一半；在于根据从各光导的端面反射回来的辐射确定被测光导单位长度上的光损耗μ，其特征在于：在快速动作的测量系统中和在不带空气间隙而将这些光导连接在一起的情况下，通过创造测量的可能性而提高其多能性；在将辐射脉冲引入空心光导以后，测量从空心光导的出射端面反射回来的脉冲能量或最大功率N₀；再将空心光导和被测光导以最小的空气间隙对接或不带空气间隙而将它们连接起来，相应地测量从被测光导出射端面反射的辐射脉冲能量或最大功率N，而被测光导中光损耗的确定，按下面的关系式进行

μ＝ (2enτ+lnNo-enN)/(2l)

式中l-被测光导的长度；τ-两光导对接端面的透射系数，当不带空气间隙连接此光导时，τ_max=1，当以最小的空气间隙连接此光导时，τ_min=2n/(n²+1)，n为该光导的的群折射率。

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