Контроль профиля показателя преломления волоконных световодов.

Профиль показателя преломления является очень важным параметром; в многомодовых световодах он определяет межмодовую дисперсию, в одномодовых волокнах при правильном выборе профиля волноводная дисперсия может частично компенсировать хроматическую. Важность проблемы породила многообразие способов ее решения (см., например, работу [90]). Мы остановимся на наиболее распространенных.

Рис. 5.16 Установка для измерения профиля-показателя преломления волокна методом ближнего поля: 1 — ламбертовский источник света; 2 — исследуемый световод; 3 — микрообъектив, 4 — линейка или матрица ПЗС-фотоприемников, 5 — микроЭВМ; 6 — дисплей, 7 — графопостроитель

Метод ближнего поля основан на том факте, что при возбуждении световода ламбертовским источником мощность всех направляемых мод в любой точке сечения световода пропорциональна разности показателей преломления в этой точке и оболочке. Измеряя распределение интенсивности света в ближней зоне — на выходном торце световода, можно рассчитать профиль показателя преломления по формуле

где — значение показателя преломления в точке сердцевины с радиальной координатой — показатель преломления оболочки; — интенсивность света в точке с координатой на торце световода; — максимальное значение числовой апертуры.

Большую роль при измерениях методом ближнего поля играет выбор оптимального значения длины световода При малых профиль искажается модами утечки, при больших искажения вносят дифференциальное затухание мод и межмодовая связь через рассеяние. На практике выбирают порядка при этом влияние различия в затухании мод и межмодовой связи ничтожно мало, а слабовытекающие моды устраняются вводом в программу ЭВМ корректирующих коэффициентов , где Выражение для профиля показателя преломления с учетом слабовытекающих мод имеет вид

Методика расчета коэффициентов для практически важных случаев приведена в работе [92]. Схема одного из

вариантов установки для измерения профиля показателя преломления методом ближнего поля показана на рис. 5.16. В учебной лаборатории удобно использовать эту упрощенную схему с телевизионным монитором и осциллографом с выбором строки. Метод ближнего поля является наиболее простым в приборной реализации, он позволяет производить измерения быстро, с минимумом подготовительных операций, однако точность измерений сильно зависит от того, насколько близко расчетные значения коэффициентов соответствуют реальной ситуации.

От этого недостатка свободен метод рефракции, не требующий коррекции измеренных значений величин [357]. Это делает его наиболее пригодным для контроля готовой продукции при производстве световодов. Суть метода поясняет рис. 5.17.

Рис. 5.17 Определение профиля показателя преломления методом рефракции. 1 - кювета с иммерсионной жидкостью; 2 — лучи, соответствующие модам оболочки и пространственным модам, 3 — лучи мод утечки. 4 — экран, 5 — свстоводное волокно

На коротком участке у входного торца с волокна удаляется защитная полимерная оболочка, и этот участок помещается в кювету с иммерсионной жидкостью, показатель преломления которой равен показателю преломления оболочки. Лазерный луч фокусируется на торец световода таким образом, что размер пятна в фокусе существенно меньше диаметра сертдевины, а числовая апертура возбуждающего пучка существенно превышает числовую апертуру волокна. На выходе из кюветы наблюдается два полых конуса лучей. Конус с малыми углами при вершине соответствует лучам слабовытекающих мод, туннелирующим в оболочку и соответственно в иммерсионную жидкость. В центральной части конуса излучения нет, так как лучи, соответствующие направляемым модам, полностью удерживаются сердцевиной. Чтобы лучи мод утечки не попадали на фотодетектор, соосно с волокном устанавливается экран, перекрывающий конус этих лучей. Преломленные лучи, соответствующие модам оболочки и пространственным модам, образуют полый конус с большими углами при вершине, такими что эти лучи проходят мимо экрана и фокусируются линзой на фотодетектор. Световая мощность соответствующая преломленным лучам, зависит от показателя преломления сердцевины в точке ввода излучения

Здесь световая мощность на фотоприемнике в случае, когда лазерный пучок сдвинут из сердцевины на оболочку. Таким образом, измерения профиля показателя преломления сводятся к измерению мощности рефрагированного света при сканировании светового пятна по торцу волокна. Метод рефракции используется для исследования как многомодовых, так и одномодовых волокон и обеспечивает измерение разности с точностью ±0,00015 с разрешением по радиусу 0,35 мкм.

Наибольшую точность измерений при определении профиля показателя преломления обеспечивает метод интерференционной микроскопии [70]. Для измерений приготавливается тонкий (10— 50 мкм) поперечный срез волокна в виде плоскопараллельной пластины.

Рис. 5.18. Схематическое изображение интерференционных полос, наблюдаемых в интерференционном микроскопе: а — однородное волокно (без сердцевины); б — волокно с градиентным профилем показателя преломления сердцевины

В результате интерференции пучка света, прошедшего через образец, с опорным пучком в поле зрения микроскопа формируется интерференционная картина (рис. 5.18), обработка которой с помощью микроЭВМ позволяет определить профиль показателя преломления. Основным препятствием для широкого применения этого метода является трудоемкость приготовления образцов, поэтому в основном он используется для поверки, обеспечивая относительную точность измерений не хуже