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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 利用可見(jiàn)光測(cè)量近紅外單模光纖的模場(chǎng)
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 簡(jiǎn)介：
- 模場(chǎng)直徑是光纖的一個(gè)重要參量，它對(duì)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(jiàn)光測(cè)量單模光纖模場(chǎng)直徑的新方法，突破了現(xiàn)有測(cè)量方法只能用紅外光測(cè)量的局限，為光纖參數(shù)的測(cè)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(cè)量速度快、調(diào)整容易等優(yōu)點(diǎn)。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品創(chuàng)作思路來(lái)源于在M—Z光纖干涉實(shí)驗(yàn)中，我們觀察到了模場(chǎng)的模斑變化，于是深入研究，并提出了利用可見(jiàn)光測(cè)量單模光纖模場(chǎng)直徑的方案。模場(chǎng)直徑是光纖的一個(gè)重要參量，它對(duì)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(chǎng)直徑有重要意義。 利用可見(jiàn)光測(cè)量單模光纖模場(chǎng)直徑是單模光纖參數(shù)測(cè)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(jìn)行測(cè)量，并且需要機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)，成本高，調(diào)整困難，測(cè)量周期長(zhǎng)。 我們?cè)谘芯窟^(guò)程中提出了利由歸一化頻率得到模場(chǎng)直徑的轉(zhuǎn)化公式；根據(jù)模場(chǎng)光強(qiáng)分布設(shè)計(jì)了二元非線性曲面擬合算法；自行設(shè)計(jì)了整個(gè)測(cè)量平臺(tái)（包括光學(xué)、機(jī)械、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)處理四個(gè)部分）；我們的測(cè)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(shí)驗(yàn)室等其他場(chǎng)所的使用。 我們的作品有以下幾個(gè)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(shí)驗(yàn)室對(duì)特殊光纖模斑的測(cè)量，以便估計(jì)光纖的性能、連接損耗等；（3）可用于連接器生產(chǎn)廠檢測(cè)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(cè)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(xiě)目的和基本思路
- 模場(chǎng)直徑是描述單模光纖中場(chǎng)分布情況的一個(gè)重要參數(shù)。常規(guī)方法需要用工作波長(zhǎng)（近紅外波段）測(cè)量，測(cè)量成本高，調(diào)整不方便。因此我們提出了利用可見(jiàn)光測(cè)量的方法，該方法具有成本低，調(diào)整容易，測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)。 基本思路：1)分析普通單模光纖在可見(jiàn)光運(yùn)用下的光場(chǎng)分布特性;2)提取基模;3)進(jìn)行二元非線性曲面擬合計(jì)算光纖參數(shù);4)計(jì)算光纖在工作波長(zhǎng)下的模場(chǎng)直徑。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 普通單模光纖的通光波長(zhǎng)是不可見(jiàn)光。傳統(tǒng)測(cè)量方法在測(cè)量其參數(shù)時(shí)必須用紅外光源和紅外探測(cè)器，價(jià)格昂貴，調(diào)整困難，并且需要機(jī)械掃描過(guò)程，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)。本作品提出波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換思想，突破現(xiàn)有測(cè)量方法只能用紅外光測(cè)量的局限，采用可見(jiàn)光測(cè)量，只需用普通的半導(dǎo)體激光器和CCD，成本低廉。我們?cè)O(shè)計(jì)了符合光纖出射光強(qiáng)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(chǎng)直徑的新公式，從而使結(jié)果更加準(zhǔn)確。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)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(lái)測(cè)量精密位移、傾角。 （3）可用于在實(shí)驗(yàn)室對(duì)特殊光纖模斑的測(cè)量，以估計(jì)光纖的性能、連接損耗等； （4）可用于連接器生產(chǎn)廠檢測(cè)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(cè)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(zhǎng)范圍內(nèi), 在可見(jiàn)光范圍并非單模工作。本文提出一種利用可見(jiàn)光測(cè)量近紅外單模光纖模場(chǎng)直徑的新方法，分析了可見(jiàn)光在普通單模光纖中的模式與光場(chǎng)分布特性，設(shè)計(jì)了利用可見(jiàn)光直接拍攝模斑的數(shù)字圖像來(lái)測(cè)量模場(chǎng)直徑的系統(tǒng)，采用纏繞法提取基模，消除了高階模對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，利用二元非線性曲面擬合的方法測(cè)得了光纖在近紅外工作波長(zhǎng)下的模場(chǎng)直徑。由于不需用紅外光源、紅外探測(cè)器以及精密的掃描裝置，該系統(tǒng)具有成本低廉、測(cè)量速度快、調(diào)整容易等優(yōu)點(diǎn)。 【關(guān)鍵詞】單模光纖 模場(chǎng)直徑 模斑 可見(jiàn)光 二元非線性曲面擬合
獲獎(jiǎng)情況
- 論文已投稿至《光學(xué)學(xué)報(bào)》，處于外審階段 獲得北京市大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)；首都挑戰(zhàn)杯一等獎(jiǎng)。
鑒定結(jié)果
參考文獻(xiàn)
- 國(guó)際上常用的方法有遠(yuǎn)場(chǎng)掃描法、近場(chǎng)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(cè)量MFD的需要。但是，由于普通單模光纖的工作波長(zhǎng)為 1310nm或者 1550nm，處于不可見(jiàn)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(cè)器，價(jià)格昂貴，調(diào)整困難。另外，這些方法都需要用到精密的機(jī)械掃描部件，增加了機(jī)械裝配難度，對(duì)于環(huán)境振動(dòng)、溫度等都很敏感，尤其是遠(yuǎn)場(chǎng)掃描法更要求掃描檢測(cè)器精確對(duì)準(zhǔn)模場(chǎng)中心，調(diào)整難度更大。 技術(shù)文獻(xiàn)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(duì)單模光纖模場(chǎng)直徑的測(cè)量，國(guó)際上常用的方法有遠(yuǎn)場(chǎng)掃描法、近場(chǎng)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(cè)量MFD的需要。但是，由于普通單模光纖的工作波長(zhǎng)為 1310nm或者 1550nm，處于不可見(jiàn)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(cè)器，價(jià)格昂貴，調(diào)整困難。另外，這些方法都需要用到精密的機(jī)械掃描部件，增加了機(jī)械裝配難度，對(duì)于環(huán)境振動(dòng)、溫度等都很敏感，尤其是遠(yuǎn)場(chǎng)掃描法更要求掃描檢測(cè)器精確對(duì)準(zhǔn)模場(chǎng)中心，調(diào)整難度更大。 用已有的方法，測(cè)量模場(chǎng)直徑時(shí)不僅要求用紅外光，而且必須是長(zhǎng)波長(zhǎng)——1.3微米或1.55微米，即該光纖的工作波長(zhǎng)。由于近場(chǎng)測(cè)量中先要將被測(cè)光斑進(jìn)行放大，再沿直徑方向掃描，在長(zhǎng)波長(zhǎng)工作情況下，測(cè)量系統(tǒng)的對(duì)正實(shí)在困難，而采用視頻分析法則需要有能響應(yīng)長(zhǎng)波長(zhǎng)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(jià)格昂貴。 場(chǎng)分布法測(cè)量的原理比較簡(jiǎn)單，但由于插入損耗大，需要較寬的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，因此測(cè)量系統(tǒng)造價(jià)比較高；橫向位移法具有儀器簡(jiǎn)單、精度高等特點(diǎn)，但需要精心準(zhǔn)備光纖樣品，測(cè)量花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)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(cè)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(duì)著圓心。角掃描法缺點(diǎn)在于需要機(jī)械的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，靈敏度和抗干擾能力不強(qiáng)，而且存在不容易使探測(cè)器經(jīng)過(guò)光斑中心，而且掃描過(guò)程花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)。 本方法通過(guò)深入的理論研究，得出紅外光下單模光纖在可見(jiàn)光波段的圖像特點(diǎn)，再利用黑白攝像頭采集的可見(jiàn)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(jiàn)光進(jìn)行測(cè)量，極大地降低了測(cè)量系統(tǒng)的成本；另一方面用全場(chǎng)測(cè)量的方法，極大地簡(jiǎn)化了測(cè)量裝置，縮短了測(cè)量時(shí)間；另外本產(chǎn)品具有多重功能，能在一次測(cè)量的基礎(chǔ)上計(jì)算出單模光纖的模場(chǎng)直徑、數(shù)值孔徑和截止波長(zhǎng)。
