專利名稱：用反射光測定纖維光導中光損耗的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于纖維光學領域，可用于測定各類纖維光導中的輻射衰減率。
已知一種用反射光測量纖維光導中輻射光累計損耗的方法(參見Hillerich Pulsereflection method for transmission-loss measurement of optical fibers.Electronics letters，1976，vol.12，N4，P 92-93)，該方法的基礎在于向長度為lg的光導中引入輻射短脈沖，分別記錄下所觀察到的由該光導的入射端面反射回來的脈沖最大功率N，和從采用浸漬法固定在該光導出射端的高反射鏡反射回來的脈沖最大功率N3ep;然后從脈沖引入一方分離出長度為lk的很小一段光導，記錄下由入射端面和置于很小這一段光導出射端的反射鏡反射回來的信號之最大功率，并按下式確定被測光導在兩倍長度差2(lg-lk)上的輻射光損耗，這個光損耗用衰減率μ來表征，exp［-2μ(lg-lk)］= (N∑-Nex)/(N3ep)這種方法的缺點是必須破壞被測光導的完整性，因為必須分離出很小一段光導來。
還有另外一種用反射光測量纖維光導中光損耗的方法(參見蘇聯(lián)申請No4204727，1988.5.30作出授予發(fā)明人證書的決定)，該方法可歸結為經過空心的(Хопостой)光導向被測光導中引入探測用的輻射脈沖，空心光導的長度等于對給定類型的光導所確定的模式分布長度的一半;測量從空心光導的出射端反射的脈沖能量N1;測量從彼此位于最小距離的空心光導出射端和被測光導入射端反射的脈沖能量N2;測量從被測光導出射端反射的脈沖能量N3，并根據以上三個測量數據確定被測光導單位長度上的光損耗μ。就其技術實質來說，這個方法與本發(fā)明的方法最為可接近，可將其作為本發(fā)明原型。
這種方法的缺點是必須測量從光導的對接端面，即從空心光導的出射端和被測光導的入射端多次反射的脈沖總能量。在光學反射儀采用的具有很高的時間分辨率的系統(tǒng)中，當測量系統(tǒng)分別要對從不同端面反射的每個輻射脈沖起反應時，這種求積作用就不能實現(xiàn)。因此，用這種方法測量光損耗是不可能實現(xiàn)的，或者伴有很大的測量誤差。除此而外，當不帶空氣間隙而將上述光導連接在一起時，就不會存在具有能量為N2的脈沖，因此也就不能根據這種方法來用反射光進行測量。
本發(fā)明的目的是在快速動作的測量系統(tǒng)中和在不帶空氣間隙而將上述光導連接在一起的情況下，通過創(chuàng)造測量的可能性而提高此方法的多能性。
所提出來的目的是這樣達到的在已知的用反射光測量纖維光導光損耗的方法中，包括經過空心光導向被測光導引入探測光脈沖，空心光導的長度不小于對該類型光導所確立的模式分布長度的一半，并且根據從光導端面反射回來的輻射確定被測光導單位長度上的光損耗μ。建議在向空心光導引入輻射脈沖之后，測量從空心光導的出射端面反射回來的脈沖能量或最大功率No，再將空心纖維光導和被測纖維光導以最小的空氣間隙對接或不帶空氣間隙而將它們連接起來，然后相應地對從被測光導出射端反射的輻射脈沖能量或最大功率N(原文中誤為N0-校者注)進行測量，并按以下關系式確定被測光導中的光損耗μμ＝(2lnτ+lnN0-lnN)/2e (1)(原文中并無括號，校者認為有誤，故予加上，以供參考)。式中l(wèi)-被測光導的長度;τ-兩光導對接端面的透射系數，在不帶空氣間隙而將兩光導連接在一起時τmax＝1，當兩光導以最小的空氣間隙連接在一起時τmin＝2n/(n2+1)＊，n為光導的群折射率。(＊原文中為τmin＝2n(n2+1)，顯然是錯誤的一校者注，供參考)。
將本發(fā)明提出的解決方案與原型進行分析比較可知，本發(fā)明提出的方法與已知的方法的區(qū)別在于將輻射脈沖引入空心光導之后，測量從空心光導出射端面反射回來的脈沖能量或最大功率N0，然后再將空心光導和被測光導以最小的空氣間隙對接或不帶空氣間隙連接在一起，而后相應地測量從被測光導出射端面反射的脈沖能量或最大功率N(原文中為No，已由校者更正為N，供參考)，按以下關系式確定被測光導中的光損耗μ。因此，本發(fā)明所述的方法符合發(fā)明的“新穎性”標準。
本發(fā)明所述的方法，包括以下依次相互聯(lián)系的步驟1、將探測用的光脈沖引入長度為lx的空心光導中;
2、測量從空心光導出射端面反射的脈沖能量或最大功率N0;
3、將空心的和被測的纖維光導以最小的空氣間隙對接或不帶空氣間隙地連接在一起;
4、測量從被測光導出射端面反射的相應的輻射脈沖能量或最大功率;
5、按下面的關系式確定在以最小的空氣間隙對接情況下被測光導中的光損耗μμ= (2ln2n-2ln(n2+1)+lnNo-lnN)/(2l) (1)其中n為光導的群折射率。
在不帶空氣間隙而將兩光導連接在一起時，按以下關系式確定光損耗μμ= (lnNo-lnN)/(2l) (2)所推薦的用反射光測量纖維光導中光損耗的這種方法，其優(yōu)點在于所求的光損耗只是根據從光導端面反射信號的兩個測量結果，而不是根據三個測量結果確定的，因而就使測量過程簡化，并創(chuàng)造了利用對輻射脈沖的最大功率起反應而不是對其能量起反應的裝置(例如光學反射儀)測量光損耗的可能性。但是，與反射儀不同的是，采用本方法可以在相當寬的動態(tài)范圍內進行測量，靠的是反射信號的功率要比散射信號的功率大幾個數量級。


圖1表示實現(xiàn)本測量方法的裝置。該裝置包括輻射源1，入射輻射和反射輻射的分離器(分束器)2，接收器3，空心光導4和被測光導5。
本方法以下述方式實現(xiàn)輻射源1發(fā)出的脈沖經過光學分束器2被引入空心光導4。使分束器與空心光導相配合(圖中a所示)，即將它們的芯子和包殼同軸對接，利用接收器3測量從空心光導出射端面反射的脈沖能量或最大功率。在這種情況下，接收器接收到的信號N0等于N0＝Kφτ1，2τ2，4exp(-μxlx)ρexp(-μxlx)τ2，4τ2，3＝Kφτ1，2τ2，3τ2，42exp(2μxlx)ρ (3)式中，K-表征接收器靈敏度的比例系數;
φ-輻射源的輻射通量、功率或能量;
τ1，2-輻射源的光通量通過分束器2的透射系數;
τ2，4-分束器2和空心光導4對接端面的透射系數;
μx，lx-分別為空心光導4的衰減率和長度;
ρ-光導端面的反射系數;
τ2，3-輻射從分束器通過到接收器3的透射系數。
將被測光導5與空心導4以最小的空氣間隙對接(圖中6所示)或將被測光導的入射端面焊(粘)到空心光導的出射端面以后，并將接收器3的信號記錄系統(tǒng)調整成使接收器只對從被測光導5出射端面反射的脈沖起反應，測量接收器接收的第二個信號NN＝Kφτ1，2τ2，3τ22，4exp(-2μxlx)τ2exp(-2μl)ρ (4)式中μx，lx-分別為被測光導的衰減率和長度;τ-空心的和被測的光導對接、耦合或粘合端面的透射系數。
在光導為高質量對接的情況下，例如使用“Fujikuza”公司的現(xiàn)代化設備“FSM-20”對接，甚至在單模光導對接處的損耗也不超過0.02分貝，即對接處的透射系數τmax精度等于1±0.02。在以最小空氣間隙連接光導時，按照菲湼爾公式，考慮到多次反射時的透射系數等于τmin=(1-ρ)21/(1-ρ2) = (1-ρ)/(1+ρ) = (2n)/(n2+1) (5)式中，ρ-光導一個端面的反射系數;
n-光導芯子的群折射率。
由于端面反射系數的不確定△ρ，光導對接端面的透射系數變動量△τ/τ等于(△τ)/(τ) =- (△ρ)/(1-ρ) - (△ρ)/(ρ) =- (2△ρ)/(1-ρ2) ≤ (2△ρ)/(τmin) (6)對于高質量的光導來說，折射率斷面能以△n＝±1×10-3的精度保持，在這種情況下，由非常純的石英玻璃制成的光導，其端面反射系數的不確定性等于△ρ＝0.0025×0.0347718＝1×10-4，而△τ/τ＝±2×10-4，即與計算值相比，透射系數的變動量在±0.001分貝，可以忽略不計。當△n達到±0.01時，△τ/τ的變動量不超過±0.01分貝。因此，當被測光導中測量的光損耗超過0.01分貝時，可以按照表達式(5)采用光導對接端面透射系數的計算值。
根據以上所述，表達式(4)和(3)的比值決定了被測光導中所求的輻射衰減率(N)/(No) =τ2exp-2μl, μ= (2lnτ+lnNo-lnN)/(2l) (7)根據空心光導和被測光導連接方式的不同，表達式換算成測量不帶空氣間隙的公式時
μ= (lnNo-lnN)/(2l) (8)以及換算成帶空氣間隙的公式時μ= (2ln2n+2lnNo-lnN-ln(n2+1))/(2l) (9)對有合金(Лещроьанная)石英芯子的多模光導來說，該公式等于μl［q δ］＊＝10lg (No)/(N) -0.32 (10)對有合金包殼的單模光導來說，該公式等于μl［q δ］＊＝10lg (No)/(N) -0.3 (11)(此外處的“qδ”既非英文又非俄文，疑為分貝二字之誤，無法予以譯出一校者注)。
在用原型方法測量的情況下，當依次從空心光導的出射端面、從空心和被測光導的端面以及從被測光導的出射端面測量反射的脈沖總能量時，不會產生由于空心和被測光導對接端面反射系數可能的變動引起的不確定性，因為這些反射系數的總值是在測量過程中直接確定的。但測量只能是在求積的因而不是在快速的動作系統(tǒng)中進行。在進行這樣的測量時，不能使用廣泛應用的光學反射儀這樣的記錄系統(tǒng)，而在這些反射儀中實際上測量的是在光導每個點上的脈沖最大功率。而且在不帶空氣間隙而將光導連接在一起時，也不能進行測量。
本發(fā)明所述的測量方法，其優(yōu)點不僅在于擴大了測量的動態(tài)范圍，以及在記錄反射脈沖功率的同時可以確定光損耗，而且也在于當以最小的空氣間隙連接兩個光導(空心的和被測的)時可以進行測量，在熔合連接一對接或粘接光導的情況下也可以進行測量。此外，與采用反射散射進行測量的方法不同，本發(fā)明所述的方法為絕對測量。由于存在以上優(yōu)點，本方法可用任何反射儀直接實施，只要這種反射儀是用于研究沿相反方向傳播輻射的光導的。在這種情況下，為實施本方法所用裝置的記錄部分，與反射儀的記錄系統(tǒng)相仿。
權利要求
1.一種在纖維光導中用反射光測定光損耗的方法，在于經過空心光導向被測光導中引入探測用的光脈沖，空心光導的長度lx不小于對給定類型光導所確定的模式分布長度的一半；在于根據從各光導的端面反射回來的輻射確定被測光導單位長度上的光損耗μ，其特征在于在快速動作的測量系統(tǒng)中和在不帶空氣間隙而將這些光導連接在一起的情況下，通過創(chuàng)造測量的可能性而提高其多能性；在將輻射脈沖引入空心光導以后，測量從空心光導的出射端面反射回來的脈沖能量或最大功率N0；再將空心光導和被測光導以最小的空氣間隙對接或不帶空氣間隙而將它們連接起來，相應地測量從被測光導出射端面反射的輻射脈沖能量或最大功率N，而被測光導中光損耗的確定，按下面的關系式進行μ＝ (2enτ+lnNo-enN)/(2l)式中l(wèi)-被測光導的長度；τ-兩光導對接端面的透射系數，當不帶空氣間隙連接此光導時，τmax=1，當以最小的空氣間隙連接此光導時，τmin=2n/(n2+1)，n為該光導的的群折射率。
全文摘要
本發(fā)明可用于測定各種類型纖維光導中小量的光損耗。本發(fā)明的目的是在快速動作的測量系統(tǒng)中和在不帶空氣間隙而將光導連接在一起的情況下，通過創(chuàng)造進行測量的可能性而提高其多能性。其保證是經過空心光導向被測光導引入探測光脈沖，空心光導的長度L
文檔編號G02B6/00GK1045179SQ9010098
公開日1990年9月5日 申請日期1990年1月31日 優(yōu)先權日1989年2月1日
發(fā)明者米哈依爾·阿歷克賽得洛維奇·布克赫西他巴 申請人:中央通訊科學研究所列寧格勒分所