用于单模光纤模场直径测量的横向错移法的研究

　　0　引言

　　单模光纤模场直径是描述单模光纤特性的最有效和最重要的参数之一,由模场直径可以预测单模光纤的微弯损耗,计算出波导色散。在单模光纤的制造过程中,通过对模场直径的控制,可以限制其固有的连接损耗。

　　本文描述的横向错移测量装置实现了Petermann-Ⅱ定义下的单模光纤模场直径测量,并具有以下特点:

　　(1)测量精度高;

　　(2)测量时间短,稳定性好;

　　(3)可以测量单模光纤模场直径的椭圆度。

　　1　单模光纤模场直径的Petermann-Ⅱ定义及横向错移法测量原理

　　利用横向错移法测量功率传输函数是由J.Streckert提出的。该方法利用两根精密对准的光纤作横向错移,并测量光纤在不同错移量下的传输光功率。通过光功率传输函数与横向错移量的关系得到单模光纤模场直径。

　　功率传输函数与单模光纤场分布的自相关函数有下式成立:

式中,E(r,)是在圆柱极坐标系中所画的单模光纤场分布;E(r′,′)是同一场在一固定方向上错移量为d时的单模光纤场分布。

　　由图1可知,功率传递函数中的各个参数与偏移量d的关系为:

　　通常,一个如式(1)中所描述的T函数的宽度是由它的自相关函数的宽度决定的,当相关函数由最大值降到它的1/e时,其自变量所对应的间隔就称为相关半径。一般说来,超过相关半径就不算相关。式(1)的积分基本上是确切的场分布的自相关函数,所以沿d方向的MFD为:

式中,d1/e就是式(1)中最大值的1/e处的错移值。当d=0时出现最大值。

　　可以证明,对于严格的高斯分布的模场,由横向错移法定义的MFD与由场分布所定义的,在1/e点(对应光功率分布则为1/e2点)所确定的MFD是完全一致的[3]。

　　如图2所示,被测功率传输系数T(D)视为横向错移D的函数。

　　在Petermann-Ⅱ定义下,Anderson[4]首先给出了利用横向错移确定MFD的正确的数学表达式:

式(5)就是CCITT所推荐采纳的利用横向错移法计算MFD的公式,式中T()是两光纤具有错移量时的功率传输函数。

　　2　测量系统

　　图3为横向错移法测量系统图,其主要技术指标如下:X-Y两维微位移工作台(二维柔性铰链)位移量为150um;位移分辨率为0.01Lm;测量系统动态范围为35dB。

　　光源发出的光经过聚光镜进入单色仪,在计算机的控制下选择所需的、具有一定光谱带宽的单色光,一般为1300nm和1550nm,光谱半宽度(FWHM)为10nm。从单色仪出射的光经光纤耦合系统注入待测光纤样品,光纤样品1上加以适当的去除包层模措施,并打一个适当半径的圈,以利于滤除高次模。光纤样品1的出射端固定在两维微动工作台上的V型夹具中,而光纤样品2的一端固定在一个五维微调架的V型夹具中,另一端与探测器相连。在瞄准系统的监视下,调整五维微调架,使光纤样品2的注入端与样品1的出射端对齐。两者间隙小于5Lm。由计算机控制的电致伸缩器件驱动微位移工作台实现X-Y方向的两维微调,直至两根光纤的耦合光功率达到最大。然后在计算机的控制下沿X或Y方向上进行错移扫描。光纤间的错移量由电容测微仪测定。待测光纤2的出射端的信号由一只InGaAs PIN光电二极管接收,经由锁相放大器送入计算机。最后由计算机给出Petermann定义下的MFD。