基本信息
- 项目名称：
- 利用可见光测量近红外单模光纤的模场
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 模场直径是光纤的一个重要参量，它对光纤的连接损耗、耦合损耗、非线性效应等有重要影响。本作品提出了利用可见光测量单模光纤模场直径的新方法，突破了现有测量方法只能用红外光测量的局限，为光纤参数的测量提供了一种新的思路。本方法只需用普通的半导体激光器和CCD，具有成本低廉、测量速度快、调整容易等优点。
- 详细介绍：
- 本作品创作思路来源于在M—Z光纤干涉实验中，我们观察到了模场的模斑变化，于是深入研究，并提出了利用可见光测量单模光纤模场直径的方案。模场直径是光纤的一个重要参量，它对光纤的连接损耗、耦合损耗、非线性效应等有重要影响，因此研究单模光纤模场直径有重要意义。 利用可见光测量单模光纤模场直径是单模光纤参数测量领域中的一种全新的思路。传统方法都是利用红外波段光源进行测量，并且需要机械扫描机构，成本高，调整困难，测量周期长。 我们在研究过程中提出了利由归一化频率得到模场直径的转化公式；根据模场光强分布设计了二元非线性曲面拟合算法；自行设计了整个测量平台（包括光学、机械、数据采集、计算机处理四个部分）；我们的测量方法速度快，成本低，精度在误差允许的范围内，能够满足实验室等其他场所的使用。 我们的作品有以下几个主要用途： （1）教学上帮助学生理解不同模式模斑的概念；（2）可用于在实验室对特殊光纤模斑的测量，以便估计光纤的性能、连接损耗等；（3）可用于连接器生产厂检测连接器关键参数之一——倾斜角。（4）可以用在光纤生产公司，根据测量结果控制工艺参数，得到满足各种需求的特种光纤。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 模场直径是描述单模光纤中场分布情况的一个重要参数。常规方法需要用工作波长（近红外波段）测量，测量成本高，调整不方便。因此我们提出了利用可见光测量的方法，该方法具有成本低，调整容易，测量速度快等优点。 基本思路：1)分析普通单模光纤在可见光运用下的光场分布特性;2)提取基模;3)进行二元非线性曲面拟合计算光纤参数;4)计算光纤在工作波长下的模场直径。
科学性、先进性及独特之处
- 普通单模光纤的通光波长是不可见光。传统测量方法在测量其参数时必须用红外光源和红外探测器，价格昂贵，调整困难，并且需要机械扫描过程，测量时间长。本作品提出波长转换思想，突破现有测量方法只能用红外光测量的局限，采用可见光测量，只需用普通的半导体激光器和CCD，成本低廉。我们设计了符合光纤出射光强分布函数的拟合算法；提出了利用归一化频率推导模场直径的新公式，从而使结果更加准确。
应用价值和现实意义
- （1）教学上帮助学生理解不同模式模斑的概念； （2）可以用来测量精密位移、倾角。 （3）可用于在实验室对特殊光纤模斑的测量，以估计光纤的性能、连接损耗等； （4）可用于连接器生产厂检测连接器关键参数之一——倾斜角。 （5）可以用在光纤生产公司，根据测量结果控制工艺参数，得到满足各种需求的特种光纤。
学术论文摘要
- 普通G.652单模光纤通常工作在近红外波长范围内, 在可见光范围并非单模工作。本文提出一种利用可见光测量近红外单模光纤模场直径的新方法，分析了可见光在普通单模光纤中的模式与光场分布特性，设计了利用可见光直接拍摄模斑的数字图像来测量模场直径的系统，采用缠绕法提取基模，消除了高阶模对测量结果的影响，利用二元非线性曲面拟合的方法测得了光纤在近红外工作波长下的模场直径。由于不需用红外光源、红外探测器以及精密的扫描装置，该系统具有成本低廉、测量速度快、调整容易等优点。 【关键词】单模光纤 模场直径 模斑 可见光 二元非线性曲面拟合
获奖情况
- 论文已投稿至《光学学报》，处于外审阶段 获得北京市大学物理实验竞赛一等奖；首都挑战杯一等奖。
鉴定结果
参考文献
- 国际上常用的方法有远场扫描法、近场扫描法、可变孔径法、刀口扫描法、横向位移法等，这些方法在技术上都已经成熟，基本能够满足精确测量MFD的需要。但是，由于普通单模光纤的工作波长为 1310nm或者 1550nm，处于不可见的近红外光波段，以上这些方法都必须用近红外光源和近红外探测器，价格昂贵，调整困难。另外，这些方法都需要用到精密的机械扫描部件，增加了机械装配难度，对于环境振动、温度等都很敏感，尤其是远场扫描法更要求扫描检测器精确对准模场中心，调整难度更大。 技术文献的检索目录: [1]吴重庆.光波导理论.北京：清华大学出版社，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 field diameter measurements in single-mode optical fibers [J]. Journal of Lightwave Technology, 1989, 7(8): 1139~1152.
同类课题研究水平概述
- 对单模光纤模场直径的测量，国际上常用的方法有远场扫描法、近场扫描法、可变孔径法、刀口扫描法、横向位移法等，这些方法在技术上都已经成熟，基本能够满足精确测量MFD的需要。但是，由于普通单模光纤的工作波长为 1310nm或者 1550nm，处于不可见的近红外光波段，以上这些方法都必须用近红外光源和近红外探测器，价格昂贵，调整困难。另外，这些方法都需要用到精密的机械扫描部件，增加了机械装配难度，对于环境振动、温度等都很敏感，尤其是远场扫描法更要求扫描检测器精确对准模场中心，调整难度更大。 用已有的方法，测量模场直径时不仅要求用红外光，而且必须是长波长——1.3微米或1.55微米，即该光纤的工作波长。由于近场测量中先要将被测光斑进行放大，再沿直径方向扫描，在长波长工作情况下，测量系统的对正实在困难，而采用视频分析法则需要有能响应长波长的摄像器件，目前这种摄像器件（如靶摄像管）虽已出现，但尚未普及，价格昂贵。 场分布法测量的原理比较简单，但由于插入损耗大，需要较宽的测量动态范围，因此测量系统造价比较高；横向位移法具有仪器简单、精度高等特点，但需要精心准备光纤样品，测量花费时间较长。远场测量方法有几种，最常用的是角度扫描法，另外还有刀口扫描法和孔径光阑法。角度扫描法就是将小光敏面的探测器在光纤轴所在的平面内，沿着以光纤输出端为圆心的圆周扫描，光敏面必须始终对着圆心。角扫描法缺点在于需要机械的伺服驱动机构，灵敏度和抗干扰能力不强，而且存在不容易使探测器经过光斑中心，而且扫描过程花费的时间长。 本方法通过深入的理论研究，得出红外光下单模光纤在可见光波段的图像特点，再利用黑白摄像头采集的可见光下的图像反向推导，便可得出红外光下单模光纤的参数。 本作品一方面利用可见光进行测量，极大地降低了测量系统的成本；另一方面用全场测量的方法，极大地简化了测量装置，缩短了测量时间；另外本产品具有多重功能，能在一次测量的基础上计算出单模光纤的模场直径、数值孔径和截止波长。
