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基本信息
- 項目名稱：
- 利用可見光測量近紅外單模光纖的模場
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 簡介：
- 模場直徑是光纖的一個重要參量，它對光纖的連接損耗、耦合損耗、非線性效應(yīng)等有重要影響。本作品提出了利用可見光測量單模光纖模場直徑的新方法，突破了現(xiàn)有測量方法只能用紅外光測量的局限，為光纖參數(shù)的測量提供了一種新的思路。本方法只需用普通的半導(dǎo)體激光器和CCD，具有成本低廉、測量速度快、調(diào)整容易等優(yōu)點。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品創(chuàng)作思路來源于在M—Z光纖干涉實驗中，我們觀察到了模場的模斑變化，于是深入研究，并提出了利用可見光測量單模光纖模場直徑的方案。模場直徑是光纖的一個重要參量，它對光纖的連接損耗、耦合損耗、非線性效應(yīng)等有重要影響，因此研究單模光纖模場直徑有重要意義。 利用可見光測量單模光纖模場直徑是單模光纖參數(shù)測量領(lǐng)域中的一種全新的思路。傳統(tǒng)方法都是利用紅外波段光源進行測量，并且需要機械掃描機構(gòu)，成本高，調(diào)整困難，測量周期長。 我們在研究過程中提出了利由歸一化頻率得到模場直徑的轉(zhuǎn)化公式；根據(jù)模場光強分布設(shè)計了二元非線性曲面擬合算法；自行設(shè)計了整個測量平臺（包括光學(xué)、機械、數(shù)據(jù)采集、計算機處理四個部分）；我們的測量方法速度快，成本低，精度在誤差允許的范圍內(nèi)，能夠滿足實驗室等其他場所的使用。 我們的作品有以下幾個主要用途： （1）教學(xué)上幫助學(xué)生理解不同模式模斑的概念；（2）可用于在實驗室對特殊光纖模斑的測量，以便估計光纖的性能、連接損耗等；（3）可用于連接器生產(chǎn)廠檢測連接器關(guān)鍵參數(shù)之一——傾斜角。（4）可以用在光纖生產(chǎn)公司，根據(jù)測量結(jié)果控制工藝參數(shù)，得到滿足各種需求的特種光纖。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 模場直徑是描述單模光纖中場分布情況的一個重要參數(shù)。常規(guī)方法需要用工作波長（近紅外波段）測量，測量成本高，調(diào)整不方便。因此我們提出了利用可見光測量的方法，該方法具有成本低，調(diào)整容易，測量速度快等優(yōu)點。 基本思路：1)分析普通單模光纖在可見光運用下的光場分布特性;2)提取基模;3)進行二元非線性曲面擬合計算光纖參數(shù);4)計算光纖在工作波長下的模場直徑。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 普通單模光纖的通光波長是不可見光。傳統(tǒng)測量方法在測量其參數(shù)時必須用紅外光源和紅外探測器，價格昂貴，調(diào)整困難，并且需要機械掃描過程，測量時間長。本作品提出波長轉(zhuǎn)換思想，突破現(xiàn)有測量方法只能用紅外光測量的局限，采用可見光測量，只需用普通的半導(dǎo)體激光器和CCD，成本低廉。我們設(shè)計了符合光纖出射光強分布函數(shù)的擬合算法；提出了利用歸一化頻率推導(dǎo)模場直徑的新公式，從而使結(jié)果更加準(zhǔn)確。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- （1）教學(xué)上幫助學(xué)生理解不同模式模斑的概念； （2）可以用來測量精密位移、傾角。 （3）可用于在實驗室對特殊光纖模斑的測量，以估計光纖的性能、連接損耗等； （4）可用于連接器生產(chǎn)廠檢測連接器關(guān)鍵參數(shù)之一——傾斜角。 （5）可以用在光纖生產(chǎn)公司，根據(jù)測量結(jié)果控制工藝參數(shù)，得到滿足各種需求的特種光纖。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 普通G.652單模光纖通常工作在近紅外波長范圍內(nèi), 在可見光范圍并非單模工作。本文提出一種利用可見光測量近紅外單模光纖模場直徑的新方法，分析了可見光在普通單模光纖中的模式與光場分布特性，設(shè)計了利用可見光直接拍攝模斑的數(shù)字圖像來測量模場直徑的系統(tǒng)，采用纏繞法提取基模，消除了高階模對測量結(jié)果的影響，利用二元非線性曲面擬合的方法測得了光纖在近紅外工作波長下的模場直徑。由于不需用紅外光源、紅外探測器以及精密的掃描裝置，該系統(tǒng)具有成本低廉、測量速度快、調(diào)整容易等優(yōu)點。 【關(guān)鍵詞】單模光纖 模場直徑 模斑 可見光 二元非線性曲面擬合
獲獎情況
- 論文已投稿至《光學(xué)學(xué)報》，處于外審階段 獲得北京市大學(xué)物理實驗競賽一等獎；首都挑戰(zhàn)杯一等獎。
鑒定結(jié)果
參考文獻
- 國際上常用的方法有遠(yuǎn)場掃描法、近場掃描法、可變孔徑法、刀口掃描法、橫向位移法等，這些方法在技術(shù)上都已經(jīng)成熟，基本能夠滿足精確測量MFD的需要。但是，由于普通單模光纖的工作波長為 1310nm或者 1550nm，處于不可見的近紅外光波段，以上這些方法都必須用近紅外光源和近紅外探測器，價格昂貴，調(diào)整困難。另外，這些方法都需要用到精密的機械掃描部件，增加了機械裝配難度，對于環(huán)境振動、溫度等都很敏感，尤其是遠(yuǎn)場掃描法更要求掃描檢測器精確對準(zhǔn)模場中心，調(diào)整難度更大。 技術(shù)文獻的檢索目錄: [1]吳重慶.光波導(dǎo)理論.北京：清華大學(xué)出版社，2000. [2]A. T. Klemas, D. S. Shenk, W. A. Reed, M. A. Saifi. Analysis of mode field radius calculated from single-mode fiber far-field radiation patterns[J]. J. Lightwave Technol, 1985, LT-3(5): 967~970 [3]G. Coppa, P. Di Vita, U. Rossi. Characterization of singlemode fibres by near-field measurement[J]. Electron. Lett., 1983, 19:293~294 [4]F. Alard, L. Jeunhomme, P. Sansonetti. Fundamental mode spot-size measurement in single-mode optical fibres[J]. Electron. Lett., 1981, 17(25):958~960 [5]ARTIGLIA M, COPPA G, VITA P D, et al.. Mode ?eld diameter measurements in single-mode optical ?bers [J]. Journal of Lightwave Technology, 1989, 7(8): 1139~1152.
同類課題研究水平概述
- 對單模光纖模場直徑的測量，國際上常用的方法有遠(yuǎn)場掃描法、近場掃描法、可變孔徑法、刀口掃描法、橫向位移法等，這些方法在技術(shù)上都已經(jīng)成熟，基本能夠滿足精確測量MFD的需要。但是，由于普通單模光纖的工作波長為 1310nm或者 1550nm，處于不可見的近紅外光波段，以上這些方法都必須用近紅外光源和近紅外探測器，價格昂貴，調(diào)整困難。另外，這些方法都需要用到精密的機械掃描部件，增加了機械裝配難度，對于環(huán)境振動、溫度等都很敏感，尤其是遠(yuǎn)場掃描法更要求掃描檢測器精確對準(zhǔn)模場中心，調(diào)整難度更大。 用已有的方法，測量模場直徑時不僅要求用紅外光，而且必須是長波長——1.3微米或1.55微米，即該光纖的工作波長。由于近場測量中先要將被測光斑進行放大，再沿直徑方向掃描，在長波長工作情況下，測量系統(tǒng)的對正實在困難，而采用視頻分析法則需要有能響應(yīng)長波長的攝像器件，目前這種攝像器件（如靶攝像管）雖已出現(xiàn)，但尚未普及，價格昂貴。 場分布法測量的原理比較簡單，但由于插入損耗大，需要較寬的測量動態(tài)范圍，因此測量系統(tǒng)造價比較高；橫向位移法具有儀器簡單、精度高等特點，但需要精心準(zhǔn)備光纖樣品，測量花費時間較長。遠(yuǎn)場測量方法有幾種，最常用的是角度掃描法，另外還有刀口掃描法和孔徑光闌法。角度掃描法就是將小光敏面的探測器在光纖軸所在的平面內(nèi)，沿著以光纖輸出端為圓心的圓周掃描，光敏面必須始終對著圓心。角掃描法缺點在于需要機械的伺服驅(qū)動機構(gòu)，靈敏度和抗干擾能力不強，而且存在不容易使探測器經(jīng)過光斑中心，而且掃描過程花費的時間長。 本方法通過深入的理論研究，得出紅外光下單模光纖在可見光波段的圖像特點，再利用黑白攝像頭采集的可見光下的圖像反向推導(dǎo)，便可得出紅外光下單模光纖的參數(shù)。 本作品一方面利用可見光進行測量，極大地降低了測量系統(tǒng)的成本；另一方面用全場測量的方法，極大地簡化了測量裝置，縮短了測量時間；另外本產(chǎn)品具有多重功能，能在一次測量的基礎(chǔ)上計算出單模光纖的模場直徑、數(shù)值孔徑和截止波長。
