本發(fā)明屬于光纖通信中的測試方法和測量技術(shù)領(lǐng)域，還與高端儀器設(shè)備和計量標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，特別涉及光纖特征參數(shù)的測量方法，是一種測量單模光纖模場直徑(Mode Field Diameter，MFD)的新方法。

背景技術(shù)：

模場直徑(MFD)是單模光纖重要的特征參數(shù)之一，它直接影響著光纖的接頭損耗，抗彎曲性能等重要特性，是光纖光纜生產(chǎn)，應(yīng)用中的必測參數(shù)?，F(xiàn)在世界上單模光纖產(chǎn)量已達數(shù)億芯公里，其測量工作量之巨大可想而知。不斷探尋更加迅速、精確地測量這些數(shù)據(jù)的方法，一直是業(yè)內(nèi)科學(xué)工作者共同努力的目標(biāo)。

對于模場直徑的測量，現(xiàn)在國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)公認(rèn)的有三種方法：即作為基準(zhǔn)測試方法(Reference Test Method，RTM)的遠(yuǎn)場掃描法，作為替代測試法(Alternative test method，ATM)的可變孔徑法和近場掃描法。這些標(biāo)準(zhǔn)測試法的依據(jù)都是皮特曼(Petermann)第二定義；該定義的主要表達式是二個積分之比，這些標(biāo)準(zhǔn)方法不是將這些積分作為一個整體來進行處理，而是將其分割成若干部分進行采樣，然后再按相應(yīng)公式組合起來，將皮特曼(Petermann)第二定義中的積分表達式近似為若干有限項級數(shù)的求和，這樣處理顯然會產(chǎn)生誤差；要減小這個誤差，就不得不分割和測量更多的項數(shù)，這就必然導(dǎo)致測量時間的增加(測量一個波長處的模場直徑往往要花費幾十秒、甚至幾分鐘的時間)，從而降低了測量速度?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)測試法，至今都無法解決這個基本矛盾，只有另外探索新的途徑，尋求新的測量方法。還有值得一提的是掩膜法(Mask Method)，盡管采用改進后的掩膜法(參見文獻1)制成的儀器設(shè)備，也能快速、準(zhǔn)確地測量模場直徑，而且測量精度優(yōu)于0.05μm(參見文獻2)，與用可變孔徑法制成的儀器設(shè)備的精度相當(dāng)；但由于這種方法的前提條件中，用到了幾何光學(xué)的近軸近似處理，因此而失去了理論上的嚴(yán)謹(jǐn)性。

文獻1：周文俊，Mask測量系統(tǒng)的理論與實驗研究《電子學(xué)報》，第17卷，第6期，(1989年11月)，61頁。

文獻2：單模光纖多參數(shù)測試儀，登記號902548，《科學(xué)技術(shù)研究成果公報》，(1992年)，中華人民共和國國家科學(xué)技朮委員會。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，是為了克服現(xiàn)在單模光纖模場直徑的標(biāo)準(zhǔn)測試法中，共同存在的測量精度和測量速度不可兼得的矛盾。本發(fā)明提出了一種新的單模光纖模場直徑的測量方法，稱之為漸變孔徑光學(xué)積分法。本發(fā)明可簡稱為光學(xué)積分法，是因為要區(qū)別于此前各種標(biāo)準(zhǔn)方法將皮特曼定義中的積分利用多次采樣、先分割后合成的繁雜處理，而是將該積分看作一個整體，利用巧妙設(shè)計的積分器，通過光學(xué)方法完成這個積分；本發(fā)明還可簡稱為漸變孔徑法，這是相對于可變孔徑法而言，這種積分器就相當(dāng)于其孔徑張角從0到25°之間連續(xù)變化的、無數(shù)個通光孔徑。這是現(xiàn)在普遍采用的可變孔徑法不可能做到的：一個是可變孔徑法的通光孔數(shù)目受到限制(一般少于20個)；另一個則是由于孔徑張角在0到5°之間的通光孔難于加工，因此在這個光功率密度可能最大的區(qū)域，其所取測量點更受限制，這也會帶來誤差。

本發(fā)明首先將皮特曼第二定義中的積分轉(zhuǎn)化為該光纖出射數(shù)值孔徑NA的均方值；此均方值不但具有明顯的物理意義，而且還可以由被測光纖出射光通過和不通過漸變孔徑光學(xué)積分器，在這二種情況下分別測得的光功率比值求得。這樣測得的模場直徑由于未作任何近似，不但精度高，而且測量速度超過可變孔徑法測量速度十倍以上。

根據(jù)皮特曼定義，模場直徑MFD可表示如下：

式中F2(q)是遠(yuǎn)場功率分布；q＝sinθ/λ,其中θ是出射光的張角，λ是入射光的波長。將q＝sinθ/λ代入(1)式可以得到

顯然，(2)式括號中的積分表達式就是光纖數(shù)值孔徑NA＝sinθ的均方值

將(3)代入(2)式得到

只要我們求出了光纖的數(shù)值孔徑的均方值由(4)式就可算得該光纖的模場直徑。這樣就完成了將模場直徑復(fù)雜的積分表達式向簡單四則運算公式的變換。

不難看出，(3)式括號中的分母正是出射光的總光功率，設(shè)為P(o)；從(3)式括號中的分子也可看到，對于每一個出射角θ處的光功率都會受到光纖數(shù)值孔徑平方sin²θ的調(diào)制，因此我們可以設(shè)計一種器件使其在相應(yīng)位置通光量的大小與之一致，使通過該器件的全部光功率與(3)式中括號中的分子相等，並設(shè)為P(i)。由此得到：

將(5)式代入(4)式中可得：

對于該器件，其對稱的通光區(qū)各處都要與相應(yīng)的數(shù)值孔徑相一致，其大小從0到sin²θ_max之間連續(xù)變化，我們將該器件稱為漸變孔徑光學(xué)積光器，按下面極座標(biāo)方程設(shè)計即可

ρ＝D×[2φ/(π-2φ)]^1/2 (7)

(7)式中D是光纖出射端面到光學(xué)積分器中心的垂直距離，ρ、φ則是極座標(biāo)的矢徑和幅角。為滿足國際標(biāo)準(zhǔn)對于遠(yuǎn)場掃描角不得小于25度的規(guī)定，還必須滿足下面條件

R＝ρ_max≥D×tan(12.5°) (8)

上式中的R是積分器通光區(qū)矢徑的最大值ρmax，其中tan(12.5°)代表正切值12.5°。只要按照(7)公式和(8)公式設(shè)計和使用的光學(xué)積分器都是有效的。依照上面方法處理，由(6)式就能快速、精確地測得單模光纖的模場直徑；而且該積分器的外形可以做成圓形、方形、長方形。漸變孔徑光學(xué)積分器的使用中，要使?jié)u變孔徑光學(xué)積分器與光學(xué)成象系統(tǒng)的光軸同軸、且垂直放置；然后利用漸變孔徑光學(xué)積分器通光區(qū)在水平方向和垂直方向的相反對稱的特點，通過水平調(diào)節(jié)使接收到的光功率最小，通過垂直調(diào)節(jié)使接收到的光功率最大。通過這樣幾次反復(fù)調(diào)節(jié)來達到被測光纖出端也與系統(tǒng)同軸的要求。

此外，在近軸近似條件下，通過對(7)式、(6)式的簡單運算就可以得到掩膜法中的費馬(Fermat)螺線及相應(yīng)的模場直徑計算公式(參見文獻1)。

有益效果：與現(xiàn)在的傳統(tǒng)測量方法相比較，本發(fā)明能夠精確、快速、簡便地測量單模光纖的模場直徑，得到具有明確物理意義的光纖數(shù)值孔徑均方根，也不難測得模場直徑隨波長變化的模斑譜曲線?？蓮V泛應(yīng)用于計量、生產(chǎn)、工程乃至科研教學(xué)各個方面。由于測量精確，就可制造更加標(biāo)準(zhǔn)的計量儀器；由于測量速度快，可制成用于工業(yè)生產(chǎn)的高效自動測試儀器設(shè)備，節(jié)約大量的社會勞動時間，提高勞動生產(chǎn)率；由于操作簡便，則可設(shè)計成便于工程應(yīng)用的測量儀表；我們知道光纖的色散與模斑譜有關(guān)，而光纖的數(shù)值孔徑則與光纖的折射率分布相聯(lián)，本發(fā)明可利用自身的這些優(yōu)勢介入到科研教學(xué)中，通過相互結(jié)合，彼此促進，可望催生功能更多的高效光纖綜合測試儀，並進而推動光纖傳輸理論和測試方法的進展。此外，與現(xiàn)有的測量單模光纖模場直徑的儀器設(shè)備相比，應(yīng)用本發(fā)明制造的測試儀表將有更高的性價比，從而節(jié)省並創(chuàng)造更多的社會財富。

附圖說明

圖1滑動漸變孔徑光學(xué)積分器工作原理圖；

圖2轉(zhuǎn)動漸變孔徑光學(xué)積分器工作原理圖；

圖3分光漸變孔徑光學(xué)積分器工作原理圖；

圖4光纖出射光與積分器放置距離及對中調(diào)節(jié)示意圖；

圖5為方形漸變孔徑光學(xué)積分器示意圖；

圖6為圓形漸變孔徑光學(xué)積分器示意圖。

具體實施方式

結(jié)合附圖，對本發(fā)明如何實現(xiàn)精確、快速測量單模光纖模場直徑，進一步具體說明如下：如圖1-3所示，本發(fā)明與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)測試方法共有的構(gòu)件是光源，成像系統(tǒng)及探測接收系統(tǒng)，其功能都是收集、測量光源通過光纖出射的光功率。與現(xiàn)在國內(nèi)外普遍采用的傳統(tǒng)法不同的是：可變孔徑法需要保證出射光與每個通光孔共軸對中，然后分別測量通過近20個半徑不同的通孔后收集到的光功率，再進行多項級數(shù)的求和計算；遠(yuǎn)場掃描則需要測量更多的點，經(jīng)過更加繁雜的計算，才能得到一個近似的積分結(jié)果；本發(fā)明只需測量光纖出射光通過與不通過漸變孔徑光學(xué)積分器這兩種狀態(tài)下收集到的光功率之比，按照(6)式經(jīng)過簡單的計算就可以得到符合皮特曼第二定義的模場直徑。本發(fā)明得到的效果是：既提高了模場直徑的測量精度，又極大地提高了測量速度。

為了實現(xiàn)對于單模光纖模直徑的測量，首先要測量單模光纖數(shù)值孔徑NA＝sinθ的均方值下面用幾個具體方案來簡單說明，所用的光學(xué)積光器(簡稱為積分器)的外部形狀有方形、圓形之別。

方案1：如圖1所示，將方形漸變孔徑光學(xué)積分器置于光纖的出射光路中，並使其能沿固定的平行軌道水平滑動，調(diào)節(jié)對中后就可測得P(i)；再讓積分器3滑出光路，即可測得P(o)，將測得的這二個光功率比值代入(6)式，很快就可以得出被測光纖的模場直徑。如同幻燈片一樣，方形積分器可滑進、滑出，顧名思意謂之滑動法，具體地，圖1中1為光源，2位光纖，3為光學(xué)積分器，4位光學(xué)成像系統(tǒng)，5為探測器。

方案2：如圖2所示，將開有二個孔的圓盤置于光路中，並使這二個孔的圓心位于一個同心圓上。在一個圓孔31中嵌入圓形漸變孔徑光學(xué)積分器33，另一個則為通孔。安裝圓盤時，要保證其上的二個圓孔可通過轉(zhuǎn)動與光學(xué)系統(tǒng)同軸。然后，調(diào)節(jié)被測光纖出端，使其也在此同一軸上；轉(zhuǎn)動圓盤3，先后讓圓形漸變孔徑光學(xué)積分器32和通孔31與系統(tǒng)同軸，分別測出P(i)和P(o)，同樣由(6)得出模場直徑。由于這個方案是通過將圓盤3轉(zhuǎn)動180度完成模場直徑的測量，因此稱為轉(zhuǎn)動法。進一步描述，讓光學(xué)積分器的輪廓與圓孔的輪廓一樣，讓被測光纖的光線從積分器中射出，測量一次并記錄P(i)；然后轉(zhuǎn)動圓盤，使圓孔轉(zhuǎn)動到上一次光學(xué)積分器所在的位置，讓被測光纖的光線從圓孔中射出，再進行一次測量并記錄P(o)。具體地，圖1中1為光源，2位光纖，3為光學(xué)積分器，即圓形的光學(xué)積分器，4位光學(xué)成像系統(tǒng)，5為探測器。

方案3：如圖3所示，在光纖出射端與漸變孔徑光學(xué)積分器之間，靠近光纖出射端處放置一片分束器6，且與系統(tǒng)中心軸成45度角。這樣，透過分束器的一束光通過漸變孔徑光學(xué)積分器后，將被光學(xué)系統(tǒng)會聚到探測器中，得到光功率P*(i)；另一束光則被分束器反射，並被聚于另一個探測器中，其功率為P*(o)。如果光纖出射光的總功率是P(o)，分束器6的透射和反射系數(shù)分別是k_t和k_r，則有

P^*(i)＝k_tP(i) (9)

P^*(o)＝k_rP(o) (10)

注意，這時光纖數(shù)值孔徑均方值應(yīng)為

同樣將之代入(6)式，即可求出模場直徑。由于這個方法是通過分光來完成單模光纖模場直徑的測量，故謂之分光法。分光法不需要改變漸變孔徑光學(xué)積分器的位置，就能即時測出光纖的模場直徑，因此測量速度最快，而且更便于由此制作相應(yīng)的工程儀表。

應(yīng)用漸變孔徑光學(xué)積分法測量單模光纖的模場直徑，都會涉及到光纖的定位和共軸對中調(diào)試問題。為了說明這些問題，圖4、圖5給出了簡明的圖示，這里需要強調(diào)二點：

(1)有關(guān)積分器放置的位置。根據(jù)(8)式，積分器的最大有效半徑R，與光纖端面到積分器中心的垂直距離D之間必須滿足如下關(guān)系：

R≥D×tan(12.5°) (8)

這是國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)要求，遠(yuǎn)場測試范圍不應(yīng)小于±12.5°。

(2)根據(jù)積分器設(shè)計的特點，其沿水平方向偏離中心越遠(yuǎn)通光面積越大，沿垂直方向則完全相反；因此在共軸對中調(diào)節(jié)時，只需在水平方向上使測得的光功率最小，而在垂直方向使測到的光功率最大即可。

關(guān)于漸變孔徑光學(xué)積分器，必須按照(7)式給出的極座標(biāo)方程設(shè)計

ρ＝D×[2φ/(π-2φ)]^1/2 (7)

根據(jù)(7)式設(shè)計的，二種不同外型的漸變孔徑光學(xué)積分器示意在圖5、6中。圖5中的是方型漸變孔徑光學(xué)積分器，圖6為圓形漸變孔徑光學(xué)積分器。