4.4. ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА

Умение точно измерять такие характеристики оптического волокна, как диаметры оболочки и сердцевины, числовая апертура и профиль показателя преломления, потери и дисперсия одинаково важно как для изготовителей волокна, которые хотят его использовать для контроля и управления характеристиками волокна, так и для разработчиков оптических систем связи, которым следует выбрать волокно, наиболее полно отвечающее поставленным требованиям. Чтобы облечить эти изменения, было предложено много методов и разработан большое число достаточно сложной аппаратуры для их реализации. Часть этой аппаратуры создана для измерения характеристик волокна непосредственно в процессе его изготовления (в реальном времени), другая часто — для использования в процессе эксплуатации волокна в системе связи и, наконец, часть такой аппаратуры может быть использована только в лаборатории для исследовательских целей. Были предложены очень тонкие и сложные методы для определения профиля показателя преломления волокна и измерения его числовой апертуры в зависимости от длины волны. Хорошее описание многих из этих методов можно найти в более обстоятельных обзорах, таких как [4.1 ... 4.3], тогда как более подробный и специальный анали» вопроса приведен в [4.5] и [4.6]. Поэтому в данном параграфе не будем давать детального и исчерпывающего описания всех методов, а просто

рассмотрим некоторые их модификации, которые могут быть реализованы на простой лабораторной установке, предназначенной для измерения затухания и дисперсии в волокне, и прокомментируем некоторые трудности, которые могут возникнуть при объяснении полученных результатов. Может потребоваться измерение потерь и дисперсии в диапазоне длин волн. Возникающая при этом трудность состоит в том, что ни одна из этих характеристик не может оставаться одинаковой по длине волокна и, кроме того, обе они зависят от используемого источника излучения. Дело в том, что вероятность рассеяния за пределы волокна более наклонных лучей выше, чем распространяющихся вдоль оси волокна. Имеется в виду рассеяние на микроизгибах и волноводное рассеяние. Этот эффект, известный как модовая оптика, приводит к разному ослаблению лучей (мод), распространяющихся по различным траекториям, и к уменьшению временной дисперсии, когда теряются наиболее наклонные лучи. Однако при этом также вероятно, что микроизгибы приведут к рассеянию самих канализируемых лучей и, таким образом, преобразуют осевые лучн в наклонные и наоборот. После прохождения определенного расстояния между распространяющимися в волокне лучами установится равновесное распределение. Это приводит к уменьшению межмодовой дисперсии, а уширение импульса становится пропорциональным корню квадратному из пройденного расстояния. В то же время из-за большего ослабления, испытываемого лучами, рассеиваемыми по более наклонным траекториям, в целом потери в волокне увеличиваются. Когда качество волокон и изготавливаемых из них кабелей улучшилось, этот эффект, известный как эффект преобразования мод, стал менее существенным. Он будет рассмотрен в гл. 5.

Очевидно, что при проведении измерений потерь и дисперсии в волокне желательно возможно точно воспроизвести тип источника излучения и те механические условия, в которых оно будет находиться при эксплуатации. Использование диффузного, а не коллимированного источника излучения приводит к дополнительным потерям и увеличению дисперсии в волокне, разумеется, на его начальном отрезке.

Схематически изображенная на рис. 4.11 базовая лабораторная испытательная установка позволяет измерять потери, материальную и межмодовую дисперсии в широком диапазоне длин волн. Входящие в состав установки различные типы источников излучения и детекторов, а также четыре изображенных на схеме штриховой линией оптических элемента будут рассмотрены при описании различных методов измерений.

Потери в волокне наилучшнм образом измеряют путем его механического разрушения; при этом используют источник излучения, работающий в непрерывном режиме. Опорный фотодетектор обеспечивает постоянство оптической мощности на входе волокна. Разрушающий метод измерения потерь в волокне реализуется просто и состоит в измерении затухания волокна разной длины. Сначала измеряют затухание всего волокна, а затем после отрезания кусков определенной длины. При меньшем разрушении волокна оценка потерь может быть

осуществлена путем измерения мощности переданной волокном полной длине и сравнения ее с мощностью измеренной на выходе волокна, укороченного приблизительно на Такой способ измерения устраняет некоторые эффекты, обусловленные связью фотодетектора с волокном и вводом в него излучения. В этом случае величина потерь будет равна (если и измерены в километрах):

где напряжения на выходе усилителя, включенного после детектора. Здесь предполагается, что детектор работает в линейном режиме. Чтобы обеспечить измерение в широком динамическом диапазоне, при втором измерении лучше использовать калиброванный аттенюатор. В качестве источника излучения можно использовать светодиод или лазер, работающие на интересующей нас длине волны. С другой стороны, можно использовать и широкополосные источники излучения, такие как галогенная лампа накаливания или ксеноновая дуговая лампа в соединении с монохроматором или рядом интерференционных фильтров для обеспечения перекрытия требуемого диапазона длин волн. На длинах волн короче 1 мкм в качестве фотодетектора могут быть использованы кремниевый фотодиод или даже фотоумножитель. На более длинных волнах следует применять германиевые фотодиоды и охлаждаемые фотодиоды из антимонида индия или другие полупроводниковые фотодетекторы, описываемые в гл. 12.

Чтобы определить дисперсию волокна, необходимо обеспечить модуляцию выходной мощности источника излучения. При измерениях

Рис. 4.11. Схема лабораторной установки для измерения характеристик оптического волокна

дисперсии на рабочих длинах волн для этой цели можно использовать прямой метод модуляции светодиода или полупроводникового лазера. Обычно выбирают импульсную модуляцию и в этом случае общую дисперсию можно оценить по зависимости уширения оптического импульса от длины волокна. Это метод измерения дисперсии по «временной области». С другой стороны, для обеспечения прямого измерения ширины полосы пропускания волокна можно использовать мод) лятор в виде генератора качающейся частоты.

Метод «челночных импульсов» 1 представляет собой модифцированный импульсный метод, который использовался для изучения распространения света в весьма коротких волокнах (менее 1 км). В этом случае на каждом конце волокна помещают полупрозрачные зеркала, благодаря чему после многократных отражений световые импульсы можно наблюдать на любом из них.

Метод «задержанных импульсов» дает возможность наблюдать материальную дисперсию отдельно от других ее видов. В данном случае измеряется зависимость общего времени задержки от длины волны при заданной длине волокна. Поскольку задержка, обусловленная межмодовой дисперсией, не зависит от длины волны (что может быть проконтролировано путем наблюдения за формой импульса, которая не должна изменяться при переходе с одной длины волны на другую), изменение оказывается прямым следствием зависимости группового показателя преломления от длины волны:

Наклон кривой, отображающей зависимость от X, непосредственно характеризует величину материальной дисперсии

Самым распространенным источником излучения, используемым для проведения точных измерений, является импульсный лазер, достаточно мощный, чтобы создавать нелинейные эффекты в соответствующей среде. Используя нелинейные эффекты можно получить короткие импульсы, занимающие определенный диапазон длин волн. С помощью монохроматора из него можно выделить требуемую узкую полосу длин волн, а если потребуется, можно осуществить дополнительную модуляцию, используя для этого внешний модулятор света. Обычно использовали лазеры на красителях и неодимовые лазеры. Одной из возможных нелинейных сред может служить одномодовое волокно. Будучи возбужденным импульсами мощностью около на длине волны излучаемыми лазером с модулированной добротностью или лазером на иттриево-алюминиевом гранате с неодимом, работающим в

режиме синхронизации мод, оно работает как широкополосный источник, излучающий в диапазоне 1,1,... 1,6 мкм. Другой широкополосный источник можно получить с помощью оптического параметрического усилителя на ниобате лития. Для возбуждения усилителя использовались как лазеры на красителях, так и неодимовые лазеры, при этом генерировалось излучение, перекрывающее диапазон 0,56 ... 3,5 мкм.

Необходимо подчеркнуть, что описанные методы современны или хорошо разработаны, однако имеют место некоторые необъяснимые пока расхождения между результатами измерений, выполненных непосредственно на волокне, и на объемном образце из того же материала.