CN1046390A - 测定光导纤维端面及端面连接处的光学损耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于通过增大达到所研究的连接位置的距离来提高分辨能力，通过完成确定端面加工质量、端面的平行度以及同轴性来扩大应用范围，这就保证了探测光脉冲依序导入被连接的光导，测量由端部及端部连接处反射的总功率，并按照公式来确定在这些区域的光学损耗。

Description

本发明属于纤维光学领域，用于测定辐射在无空气间隙光导连接处的损耗程度;这些光导纤维构成城市干线通讯网络。

88年5月30日颁发作者证书的苏联4204727号申请公开了一种用反射光测量光导纤维中光学损耗的方法，它包括：将检测辐射脉冲经空载光导引入被测光导中，空载光导的长度等于稳定光模对该类型光导的分布长度之半;测量自该空载光导输出端反射的脉冲能量N₁;测量自空载光导输出端与被测光导输入端之间最小间距处反射的能量N₂;测量自被测光导输出端反射的脉冲能量N₃，以及计算被测光导单位长度的光学损耗η。

这个已知方法的缺点在于不能测定在被测光导输入端与输出端的光学损耗，即不能测定空载光导输出端和被测光导输入端与输出端的光学损耗，也不能测定这些对接光导之间的空气间隙中因其端面的不平行及不同心所引起的光学损耗。

ШикетанЦ在“光导中背散射测量理论”一文（《国外无线电电子学》1981    NO6.P87-94）中给出一种按反方向传播的散射辐射来测量光导连接处的光学损耗的方法，它包括：将辐射引入被连接的光导中;测量连接处前面及后面光导散射的辐射强度，并计算光导连接处的光学损耗。

这个方法从技术方案说最靠近本申请，因此作为本申请的原型。

这个方法的缺点在于散射辐射强度太小，限制了光导线路中到达被照射连接位置的最大可能距离。

然而，随着干线通讯光缆长度到现在已增加到30-40千米，乃至更长，而且测量仪器只能从一个方向接近光缆，则不仅存在这种必要，而且其重要性也日渐增加。

本发明的目的在于通过测定光缆端面加工质量，它们的平行度及同轴度来扩大应用范围，并通过最大限度地增大到达被研究的连接位置的距离来提高分辨率，从而扩展动态测量范围。

所提出的第一个目的是这样达到的，即在公知的方法中已包括的将测量辐射脉冲依序引入被连接的光导纤维中，继而根据反方向传播的辐射确定光导连接处的光学损耗基础上，再进行：测量由第一被测光导输出端所反射的脉冲的能量或总功率N₁，根据N₁值与最大值N_1max的不同，来确定第一光导输出端的损耗K₁＝10lg（N_1max/N₁）;测量由第一光导与第二光导连接处反射的脉冲能量或总功率N₂，该连接处具有被测气隙端面，根据N₂值与N_2max以及N₁值与N_1max的不同，确定第二光导输入端的损耗K₂＝10lg（N_2max/N₂）-K₁，并根据比值N₂/N₁与最大值

（N₂/N₁）_max＝（n+1）²/（n²+1）

的不同，确定由于对接的端面的不平行度引起的损耗

K_N＝10lg[（N₂/N₁）_max/（N₂/N₁）]

，测量通过被测连接处又被精心加工过的第二光导输出端反射回来的脉冲的能量或总功率N_3и，根据N_3и值与最大值的不同，确定由于连接处的不同轴性引起的损耗K_H＝lg（N_3иmex/N_3и）;测量第二被测光导输出端反射的脉冲能量或总功率N₃，根据N₃值与N_3и的不同，确定第二光导输出端的损耗K₃＝10lg（N_3и/N₃）;依关系式K_∑C＝K_и+K_H给出被测的光导连接处的总损耗K_∑C，而三个被测的光导端面的总损耗K_∑T由关系式

K_∑T＝K₁+K₂+K₃

来确定。

为实现本发明的第二目的，测量这样的脉冲的能量或功率N′₁，它们通过具有最小气隙且已对接的光导端面，从第二对接的光导输出端反射，又回到第一光导输入端;把被对接的第一光导和第二光导连接起来;测量通过连接处并从已形成一体的光导的输出端反射回来的脉冲能量或功率N′₂，并由关系式

K_[9δ]＝10lg2n-10lg（n²+1）+5lgN^′ ₂-5lgN^′ ₁（1）

确定连接处的光学损耗K，其中n是被连接光导内芯的组合折射率。

本申请的特征总和迄今尚未在什么地方使用过，它符合发明标准-世界新颖性。

与光导端面加工质量有关的损耗测定方法包括以下依序相互联系的步骤：

1、将辐射脉冲引入第一被测光导内;

2、测量由该光导的精心加工过的输出端反射并沿反方向传播的脉冲能量（总功率）N_1max;

3、将精心加工过的第二被测光导输入端与第一光导输出端对接起来，使它们平行且具有最小空气隙;

4、测量自理想地连接起来的端面反射回来的脉冲能量（总功率）N_2max;

5、将光脉冲引入与第一光导理想地同轴的第二被测光导中;

6、测量自精心加工过的第二光导输出端反射回来的脉冲能量（总功率）N_3max;

7、对第一被测光导输入端进行整理;

8、测量由切合实际地加工过的第二光导输出端反射的脉冲能量（总功率）N₁;

9、确定第一光导输出端的损耗K₁＝10lg（N_1max/N₁）;

10、将切合实际地加工过的第二光导输入端与第一光导输出端对接，使之具有切合实际的空气间隙;

11、测量由以被测空气间隙连接起来的第一和第二光导端面反射的脉冲能量（总功率）N₂;

12、确定第二光导输入端的光学损耗K₂＝10lg（N_2max/N₂）-K₁，以及由对接端面的不平行度引起的损耗

13、以切合实际的同心度把第一及第二被测光导连接起来;

14、测量两次通过所测连接处，又由精心加工过的第二光导输出端反射的脉冲能量（总功率）N_3и;

15、确定由被测连接处的不同心度引起的光学损耗

K_H＝lg（N_3иmex/N_3и）

16、对第二被测光导输出端进行整理;

17、测量由切合实际加工的第二光导输出端反射的脉冲能量（总功率）N₃;

18、确定第二被测光导输出端的光学损耗K₃＝10lg（N_3и/N₃）

19、依关系式K_∑C＝K₁₁+K_H给出在被测连接处的总光学损耗K_∑C，并依关系式K_∑T＝K₁+K₂给出三个被测端面的总光学损耗K_∑T。

为以尽可能大的距离达到所研究端面，测量光导端面连接处光学损耗的方法包括以下连续的各步：

1、将检测光脉冲引入被连接的光导中;

2、测量这样的脉冲能量或功率N′₁，它们通过以最小气隙对接并供以后耦合的对接光导的端面，从第二对接光导输出端反射又沿先前的光路返回第一光导输入端;

3、连接拟对接的第一光导和第二光导;

4、测量沿原光路通过连接处，并从已构成同一光导的输入端反射的脉冲能量或功率

5、依关系式

K_[9δ]＝10lg2n-10lg（n²+1）+5lgN₂′-5lgN₁′

确定连接处的光学损耗K。

本申请测量方法的优点在于，由于与通过这些端的辐射相比，所反射的辐射量与光导的端面（辐射自它们发出），特别是纯石英玻璃的端面的状况有极大的关系，也由于端面的反射与被光导散射的辐射比起来要高几个量级，因而以反射光所做的测量对端面状况、它们的平行度、端面气隙中的光学损耗的灵敏度以及对确定由于光模失调引起损耗的光导纤维的同心性的灵敏度要大大超过由通过光导或由光导散射的辐射的类似损耗的灵敏度。其优点还在于，测量并非由被连接的光导的各部分散射来实现，而是由相同的端面光的反射来进行的，后者的强度要高几个量级，因此使动态测量范围成功地扩大相应的倍数，从而使达到所研究的光导连接位置的距离也扩大数倍。

以下结合附图说明本发明。

图1表示一种实现与光导纤维端面的加工质量有关的测量损耗的方法的装置。

图2表示一种实现在已连接的光导端面连接处测量损耗的方法的装置。

该装置包括：辐射源1，入射辐射与反射辐射的分束器2，反射脉冲接收器3，第一对接光导4和第二对接光导5。

该方法是通过如下方式实现的。辐射源1的脉冲经分束器2进入第一对接光导4，从其输出端反射的辐射再经该分束器2射向反射光接收器3（参见图1）。由相应的取样时间选出的，取决于输出端反射脉冲的信号N₁等于：

N₁＝Constτ_1，2（1-ρ）exp（-η₄l₄）ρexp（-η₄l₄）（1-ρ）τ_2，3

＝Constτ_1，2τ_2，3（1-ρ）²exp（-2η₄l₄）ρ （2）

其中因子“Const”表示接收器3的光谱灵敏度及辐射源1的辐射通量：τ_1，2，τ_2，3是当光自辐射源1向接收器3传播时，分束器2的透射系数;（1-ρ）是光导4输入端的透射系数;ρ是输出端的反射系数;

分别是光导4的辐射衰减指数及其长度。

公式（2）中的两个因子（1-ρ）和ρ分别表征光导的输入端和输出端的端表面情况。

从公式（2）得出的信号相对变化△N₁/N₁（只作为上述两个因子变量的函数）等于

△N₁/N₁＝±（2△ρ/（1-ρ）+△ρ/ρ） （3）

因为对于用来控制光导装置的石英（光学）玻璃可以认为同时，所以，输入端的与输出端的各以±10%的变化可导出变化2△ρ（1-ρ）＝±2×0.0035/（1-0.035-0.0035）＝±0.007/0.9615＝±0.0073＝±0.7%

并导出变化    △ρ/ρ＝±0.0035/0.035＝±0.1＝±10%

换言之，由于输入表面与输出表面光学状态的同样变化，则自连接起来的光导的输出端反射的信号变化△N₁/N₁为13倍，也即大一个量级，△N₁/N₁对输出端状态比对输入端状态更敏感。用类似的方法可以证明，以沿反向光路传播的散射光方式研究被连接的表面时，表面状态的变化同样表现为2△ρ/（1-ρ），而不是△ρ/ρ。

因此，在光导4输出端表面的不同缺陷条件下测量能量（功率）N₁，并确定N₁对理想缺陷下得到的最大值N_1max的比值（理想缺陷可借助显微镜目视检出），就能够最准确地并对所存在的缺陷以最大的灵敏度来评价连接的第一光导输出端的加工质量。用分贝表示在这个端面的损耗K₁为：K₁＝10lg（N_1max/N₁）。

此后，对第二光导5的输入端进行处理，并将它与第一光导4的输入端相连（图1δ），连接处带有观察者能明显看出的相应的空气间隙。也用同一接收器3测量由光导4、5的实际连接端面反射回来的脉冲能量或总功率N₂，

N₂＝Constτ_1.2τ_2，3（1-ρ）²exp（-2η₄l₄）[ρ+（1-ρ）²ρ

+（1-ρ²）ρ³……]

＝Constτ_1，2τ_2，3（1-ρ）²exp（-2η₄l₄）ρ（1+（1-ρ）/（1+ρ））

＝Constτ_1，2τ_2.3（1-ρ）²exp（-2η₄l₄）2ρ/（1+ρ） （4）

从公式（4）可看出，由于因子±2△ρ/ρ，对接子的端表面的光学状态的改变将成倍地影响信号N₂的变化△N₂/N₂。因此，缺陷对质量的降低、端面的不平行性以及由它们带来的附加光学损耗表现在信号记录接收机3的变化△N₂/N₂。

结果，N₂与N_2max的比值就对应着理想的端状态，而且端面以最小的气隙平行地连接，这样的气隙不会破坏光导中辐射的分布形式;这个比值表征了所形成的连接气隙中的总辐射损耗。所以，知道了第一端面的损耗K₁，则在连接处的第二端面所引起的损耗K₂就可确定，即在光导5的输入端有

K₂＝10lg（N_2max/N₂）-10lg（N_1max/N₁）-10lg（N_2max/N₂）-k₁（5）

为了从空气间隙里的总损耗中分出由连接的光导端面的不平行性引起的损耗，考虑比值

(N₂)/(N₁) = 2/(1+P) ，（6）

在端面状态理想的情况下，而且端面为平行配置又无附加损耗，该比值的最大值等于

( (N2)/(N1) )max= $\frac{2}{\mathrm{1+(}\frac{\mathrm{n-1}}{\mathrm{n+1}}{)}^2}=\frac{{\mathrm{(n+1)}}^2}{n^2\mathrm{+1}}$ (7)

其中n为光导内芯的组合折射率。因此，（6）式与（7）式的差异确定了这样的连接处中的光学损耗，它们是因端面加工质量低（特别是第二光导的输入端面，因为第一光导输出端面的状态已固定）、表面的不平行度以及气隙中的总光学损耗所引起的。以分贝来表示对接端面不平行度所引的损耗，则等于：

K₁₁＝10lg[（N₂/N₁）_max/（N₂/N₁）]

在所有列举过的有用信号在构成光导连接处的各类损耗中，从未考虑由所连接的光导内芯的不同轴性引导的损耗，因为根据从被连接的第二光导的输入端的反射实际上无法精确地确定对接恰好是同心的，这是因为高质量短型光导的外壁的反射系数与内芯的反射系数区别非常小。所以，为了确定因内芯不同轴所引起的损耗，就必须将辐射引入已对接的光导，并且只在这之后测定不同轴性引起的损耗。

为确定由不同轴所引起的损耗，对心连接光导4和5，将辐射源1的一个（或多个）辐射脉冲引入光导5（参见图1c）改变接收器3的取样时间间隔，以致使得只记录光导5输出端所反射的脉冲，并且在该端面被精心加工的条件下（其完善状况可借助诸如显微镜检查）测量这些被反射的脉冲的能量或总功率N^′ _3и，

N_3и′＝Constτ_1，2τ_2，3（1-ρ）²exp（-2η₄l₄）[（1+ρ）²/（1-ρ）²]²exp（-2η₅l₅）ρ_и

＝Constτ_1，2τ_2，3（1-ρ）²（（1-ρ）/（1+ρ））²exp（-2η₄l₄-2η₅l₅）ρ_и， （8）

其中（1-ρ）²/（1+ρ）²为对接光导间的空气隙透射系数的平方，为被精心加工的输出端面的反射系数。

用类似的从（8）式确定误差△N₁/N₁的方法可得N₃值极大地取决于第二光导输出端的状态变化△ρ/ρ，而与其它端面及空气间隙的关系较弱。但是，因公式（8）的推出是假设了所有来自第一光导的辐射全部射入第二光导，反之亦然。这是由于它们的内芯几何上的一致所致。在上述光导内芯失调（不同轴）的情况下，公式（8）将成为：

N_3и＝Constτ_1，2τ_2，3（1-ρ）²（1-ρ）²/（1+ρ）²（1-K_H）

exp（-2η₄l₄-2η₅l₅）ρ （9）

其中K_H是光导内芯几何上失调导致不同轴所引起的光学损耗。显然，与公式（9）不同，光导内芯的失调不会引起公式（3）的本质上的改变，因为在内芯位移情况下，占据内芯位置的外壁的反射系数与内芯的反射系数的区别是很小的。

因此，根据公式（8）和（9），信号N₃对第二光导输出端的状况及光导内芯的不一致性极为敏感。

确定因不同轴引起的损耗之后，就断开连接，整理第二个被连接光导的输出端，并测量由已然切合实际地整理过的、具有系数的第二光导输出端所反射的脉冲能量（总功率）N₃。

N₃＝Constτ_1，2τ_2，3（1-ρ）²（1-ρ）²/（1+ρ）²（1-K_H）

exp（-2η₄l₄-2η₅l₅）ρ （10）

从公式（9）和（10）可得N_3и/N_и，ρ/ρ_и，并可以分贝为单位确定第二光导输出端的损耗K₃，

K₃＝10lg（N_3и/N_и） （11）

由于在实施上述步骤以后，被测光导的端面以及连接处的各类损耗已分别确定，就可以实施评估，评定各光导端面的总损耗K_∑T以及它们连接处的总损耗K_∑C。各端面的总损耗由关系式

K_∑T＝K₁+K₂+K₃（12）

来确定;连接处的总损耗则由关系式K_∑C＝K+K_H（13）来确定。

为确定光导纤维端部连接处光学损耗的大小，使辐射源1的辐射脉冲（一个或多个）经分束器2相继进入被连接的光导4和光导5。借助校准装置对接光导的内芯，以使它们彼此间以及与分束器间同轴，其间的气隙达到最小，不破坏用来探查的脉冲的固定形式的分布，用接收器3测量第二对接光导5的输出端所反射的脉冲功率或能量（见图2a）。在这种条件下接收器的信号N′₁等于：

N₁′＝Kφτ_1，2τ² _2，4exp（-2η₄l₄）τ 2_4.5exp（-2η₅l₅）ρτ_2，5

＝Kφτ_1，2τ_2，3τ 2_2.4τ 2_4.5ρexp（-2η_nl_n）exp（-2η₅l₅） （14）

其中K为比例系数;

φ为辐射源1辐射的通量或能量;

τ_1，2，τ_2，3分别为从辐射源到分束器的光通量透射系数和从分束器到接收器的光通量透射系数;

τ_2，4，τ_4，5分别为分束器2与第一连接光导4之间空气隙的透射系数和两个连接的光导4和5之间空气的透射系数;

η₄，η₅;l₄，l₅分别为光导4和5的衰减指数和长度。

在无空气间隙地将光导4和5连接起来以后，重新测量从目前已成一体的光导4-5（参见图2b）的输出端反射的脉冲的能量或最大功率。在这情况下，接收器3的信号N′₂等于：

N₂′＝Kφτ_1，2τ_2，3τ² _2，4exp（-2η₄l₄）K²exp（-2η₅l₅）ρ

＝Kφτ_1，2τ_2，3τ 2_2.4K²ρexρ（-2η₄l₄）exp（-2η₅l₅） （15）

而信号之比为：

N₂′/N₁′＝K₂/τ_4，5（16）

根据菲尔公式考虑到多次反射，已对接的光导间空气隙的透射系数τ_4，5等于

τ＝（1-ρ）²1/（1-ρ²）＝（1-ρ）/（1+ρ）＝2n/（n²+1） （17）

其中为端面反射系数;

n为折射率，

公式（16）可改写成：

${\mathrm{K=2n/(n}}^2\mathrm{+1)}\sqrt{N_2\mathrm{＇/N}{}_1＇}$ （18）

用分贝表示所求的光导对接处的光学损耗K可由关系式

K＝10lg2n-10lg（n²+1）+5lgN₂′-5lgN₁′ （19）

来确定。

因为各光导的折射率为已知，或者可以不低于的精度确定之，尤其是纯石英玻璃做的光导端面反射系数的不准量不超过△ρ≤±0.0025×0.00347718≤±1×10^-4，而值△τ/τ≤±2×10^-4也即与计算值相比，一个端面的透射系数的变化不超过±0.001分贝，同时空气间隙的△τ/τ≤±0.001分贝。因此，当把已知的折射率值代入时，由公式（7）得到的测量精度是相当高的，这个高精度是按设计原型借助反射计测量时所达到的，而且对于最精密的仪器来说，它是±0.01分贝。

这样一来，本申请用反射光测量光导纤维中损耗的方法，能够以极高的敏感性确定带有空气间隙而形成连接的光导纤维的端面加工质量，端面平行度，光导的同轴性以及光学损耗。

而且，由于实行那些测量，不仅确定了带空气间隙的光导连接处的损耗，而且确定了光导的后续对接时最小的可能损耗，因为端面的损耗在其它测量中（参见行进光与反射光中灵敏度的相互关系的分析）表征尚不明了的损耗，它们是起因于缺陷、吸收薄膜等。类似地，确定输出端损耗的可能性确定了这样的可能性，这是指第二光导与第三或第一光导彼此交换位置的任何后续连接中确定其中的损耗。

本发明测量方法的优点不仅在于。由于不靠散射而是靠相当强的辐射来实施测量，因而扩大了动态测量范围并提高其精度，而且还在于：与采用多点方式的光学反射计相比，明显地简化并加速了测量对接位置光学损耗的周期。那时，首先要确定第一连接处的散射指数，然后测量第二光导的散射指数，此后测量到达连接处的距离，只有完成这些步骤之后才得以足够准确地确定连接处或对接处的损耗。因此，按照本申请的方法测量时，测量反射信号的过程提供了在对接位置观察信号变化的可能性，而在所研究的对接位置直接地定量确定损耗的可能性正是所申请的实施测量的总体。

Claims (2)

1、一种测定光导纤维端面及端面连接处的光学损耗的方法，包括：

--将检测光脉冲相继引入被连接的光导纤维；

--之后确定在它们连接处的光学损耗；

其特征在于：

--通过完成对各端面加工质量，它们的平行度以及同轴性的可能的测定，以扩大应用范围；

--测量自第一被测光导输出端反射的脉冲能量或总功率N₁，根据N₁与N_1max值的不同来确定第一光导输出端的损耗K₁=10lg(N_1max/N₁)；

--测量自第一和第二光导之间被测气隙端面连接处反射的脉冲能量或总功N₂，根据N₂与N_2max值的不同以及N₁与M_1max值的不同来确定第二光导输入端的损耗K₂=10lg(N_2max/N₂)-K₁；

--根据比值N₂/N₁与最大值

(N₂/N₁)_max=(n+1)²/(n²+1)

的不同来确定由于对接端面的不平行性引起的损耗

K_″=10lg[(N₂/N₁)_max/(N₂/N₁)]

--测量通过被测连接处又被已精心加工过的第二光导输出端反射的脉冲的能量或总功率N_3N，根据N_3N与N_3Nmex值的不同来确定因连接处的不同轴性引起的损耗

--测量第二被测光导输出端反射的脉冲的能量或总功率N₃，根据N₃与N_3max值的不同来确定第二光导输出端的损耗

--按照关系式

确定被测的光导连接处的总损耗K_ΣC，又按关系式

K_ΣT=K₁+K₂+K₃

确定所有三个被测的光导端面处的总损耗。

2、一种如权利要求1所述的测定光导纤维端面及端而连接处的光学损耗的方法，其特征在于：通过增大到达所研究的端面连接处的距离，以提高分辨能力;测量通过以最小端面气隙而对接的光导，由第二被对接的光导输出端反射又返回第一光导输入端的脉冲的能量或功率N′₁;把被对接的第一光导和第二光导连接起来;测量通过连接位置并从已形成一体的光导的输出端反射的脉冲能量N′₂，并按关系式：

K_[2δ]＝10lg2n-10lg（n²+1）+5lgN₂′-5lgN₁′

确定连接位置的光学损耗K，式中n为被连接的光导内芯的组合折射率。

Images