Способ определения модовых задержек в волоконно-оптических волноводах и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК G01M11/00 

Фш.1

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам определения модовых задержек в волоконно-оптических волноводах, и может Применяться при производстве и доя исследований волоконно-оптических волноводов , предназначенных для систем оптической связи и передачи информации.

Целью изобретения является повышение точности определения модовых задержек за счет увеличения отношения сигнал/шум.

На фиг. 1 показана блок-схема предложенного устройства; на фиг„ 2 - повета, осевой разрез.

Устройство содержит последовательно расположенные лазер 1, например гелий-неоновый, модулятор 2, пропус- знание которого изменяется под действием сигнала генератора 3 гармонических колебаний. Далее излучение попадает :з оптическую систему формирования пучка, состоящ ую из последовательно рас- положенных четвертьволновой пластинки 4, объектива 5, например 3-кратного, диафрагмы 6 (диаметром 50 мкм) |и объективов 7 и 8 (например, 5 и 20 Микрообъективов). Часть входного кон- да испытуемого волновода без ного покрытия закреплена в кютнггз 9 с иммерсионной жидкостью 10, коэффициент преломления которой равен или превышает коэффициент преломления на юси волновода. Выходной конец волновода связан с фотоприемником 11} элекрический сигнал которого, пройдя узкополосный фильтр 12, подается на первые входы умножителей 13 и 14. Вто рой вход умножителя 13 подключен к второму выходу генератора 39 первый выход генератора - к модулятору 2. Второй вход умножителя 14 подключен к выходу фазовращателя 15, вход кото- рого подключен к второму выходу генератора 3. Выходы умножителей 13, 14 подключены соответственно к входам интеграторов 16, 17, а их выходы соединены с раздельными входами знало- го-цифрового преобразователя 18, например Ф7077/1. Выход АЦП подключен к входу вычислительного устройства 19 например Электроника ДЗ-28. Первый выход этого устройства подключен к алфавитно-цифровому печатающему уст- ройству (АЦПУ) 20, второй выход - к исполнительному механизму трехко- ординатного устройства 21 линейного

перемещения, который жестко соединен с кюветой 9„ Диафрагма 6 расположена в задней фокальной плоскости объектива 5, которая одновременно является передней фокальной плоскостью объектива 7.

Основными элементами кюветы 9 (Ьиг. 2) являются входное окно 22 (покровное стекло), выходное окне 23, капилляр 24, расположенный в центре выходного окна, основание 25, которое жестко крепится к трехкоординат- ному устройству 21 линейного перемещения. Часть испытуемого волновода (10 мм) без защитного покрытия входит сквозь капилляр 24 до упора к стеклу 22 и полностью иммерсируется.

Способ осуществляют следующим образом.

Излучение лазера 1, модулирован™ ное по интенсивности v-зрмоническим сигналом частоты ,70 от генератора 3 в модуляторе 2 через четвертьволновую пластинку 4S преобразующую линейную поляризацию в круговую, направляют на объектив 5, в задней фокальной плос-ости которого отверстие диафрагмы с слулит вторичным истчником излучения и пространственным фильтром. Объективы 7,8 трансформируют излучение из отверстия диафрагмы 6 в пучок с числовой апертурой 0,5 и диаметром пятна 2 мкм в задней фокальной плоскости объектива 8, с которой совпадает входной торец испытуемого квазипараболического волновода. При сканировании по командам вычислительного устройства 19 пятна излучения по входному торцу волновода лучи, входящие в волновод под углами, большими угла захвата направляемыми модами (Фиг. 2), рефрагируют из волновода в иммерсионную жидкость 10. На фиг«.2 показано: sin 0 - локальная числовая апертура волновода в точке входного торца с координатой г; sin У - числовая апертура возбуждающего пучка. С выходного торца испытуемого волновода излучение поступает на фотоприемник 11, где преобразуется в электрический сигнал той же частоты Q0 . Далее сигнал после фильтрации в узкополосном фильтре 12 поступает на первые входы умножителей 13, 14. На второй вход умножителя 13 поступает гармонический сигнал с частотой $20 с второго выхода генератора 3, а на второй вход умножителя 14 поступает тот

же сигнал, но со сдвигом по фазе на -90 в фазовращателе 15. На выходе умножителя 13 сигнал описывается выражением

А, A(x)cos(Qot - P B0cos(Q0t) )+ cos( ф) , а на выходе умножителя 14

Вычисляют мощность сигнала на выходе испытуемого волновода для каждого значения k

г-j 12

1к(х) (х) + (х)

10

и фазу

Фк(х) - arctg bag) ..

(1)

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам определения модовых задержек в волоконно-оптических волноводах, и может применяться для исследований систем оптической связи. Изобретение позволяет повысить точность определения модовых задержек за счет увеличения отношения сигнал/шум. В испытуемый волновод вводят излучение с числовой апертурой, превышающей числовую апертуру испытуемого волновода, и определяют модовые задержки по приведенному соотношению. Модулированное излучение попадает в оптическую систему формирования пучка, состоящую из последовательно расположенных четвертьволновой пластинки 4, объектива 5, диафрагмы 6 и объективов 7 и 8. Часть волновода закреплена в кювете 9 с иммерсионной жидкостью 10. Выходной торец волновода связан с фотоприемником 11. Обработка выходного сигнала производится вычислительным устройством 19. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

,/ ч , тч- / олРч Аппроксимируют значения 1„ (х) и

В, A(x cos aet-Ф )-B0cos(C70t -90 ) - (х) сплайн функциями и получак т

. АЫ&Гв1пф -sin( -Ф)1, выражения Тд(х) и Ps(х). Вычисляют 2 L° -1 модбвые задержки по формуле

где ф $ (х) - фазовый сдвиг, обусловленный модовым характером распростране- ния излучения в испытуемом волноводе; А(х) - амплитуда колебания

электрического сигнала на выходе фильтра 12; В0 - амплитуда гармонического сигнала на втором выходе генератора 3 С выходов умножителей 13, 14 сигналы А, я В, поступают на входы интег- раторов 16, 17, в которых выделяются средние значения сигналов:

Аа(х) cos

Вг(х)

9(х); ).

С выходов интеграторов сигналы Аг и Вг поступают на разные входы аналого-цифрового преобразователя 18, в котором они преобразуются в цифровую форму, и далее поступают на вход вычислителя 19, где запоминаются и осуществляется алгоритм расчета модовых задержек.

Этот алгоритм заключается в следующем. Для фиксированных значений параметра х (г/а)2 в вычислителе 19 запоминаются значения сигналов

А50с) AOOBocos(x) и B2u(x) A l sinCyx),

где k - целое число, kMa)c n, an- количество дискретных значений координаты г радиуса испытуемого волновода.

0

5 0

5

0 5

0

5

Ј(х)

Q

ГФв(х)

I L

arctc Is(x)-dPsQO/dxfl arCtgUl5(x)/dx / 5 (2)

Для устранения при измерении погрешности, связанной с фазовой задержкой сигнала в электрических цепях, обламывают испытываемый волновод со стороны выходного торца без изменения условий возбуждения на входном торце так, чтобы оставшаяся длина волновода была не более 1 м, совмещают оси пучка и волновода и определяют фазовую задержку фэ электрического сигнала по формуле (1). По формуле (2) определяют модовые задержки, где вместо 5 00 используют значения Р5(х) .

На вход аналого-цифрового преобразователя выдаются из вычислителя для регистраци на твердом носителе значения х (г/а)2 и Ј(х), т.е. нормированный параметр направленных мод х соответствующее ему значение модовых задержек.

Формула изобретения

Способ определения модовых задержек в волоконно-оптических волноводах, заключающийся в том, что в испытуемый волновод вводят пучок амплитудно-моду- лированного гармоническим сигналом монохроматического излучения с размером пятна, меньшим диаметра сердцевины волновода, сканируют этот пучок поперек торца волновода, преобразуют излучение, прошедшее испытуемый волновод, в электрический сигнал, измеряют его амплитуду и разность фаз между ним и гармоническим сигналом и вычисляют модовые задержки, о т л и-. чающийся тем, что, с целью повышения точности определения модовых задержек за счет увеличения отношения сигнал/шум, в испытуемый волновод вводят пучок излучения с числовой апертурой, превышающей числовую апертуру испытуемого волновода, а модовые задержки вычисляют по формуле

, /Кх).(х)1 arctgdx

;(х)

JL

Q,

9(х)

де х (г/а)2 SoР(х)

Кх) нормированный параметр, соответству- $ ющий определенной группе мод; текущая координата вдоль радиуса волновода;20радиус сердцевины волновода; частота гармонического .сигнала; разность фаз электри- 25 Ческого сигнала на выходе испытуемого волновода и гармонического сигнала; амплитуда электрического сигнала о

30

с

$ 0 5

ка, кювету с иммерсионной жидкостью, в которой закреплен входной торец испытуемого волновода с удаленным защитным покрытием, фотоприемник, оптически связанный с выходным торцом испытуемого волновода, соединенный через полосовой фильтр с первыми входами двух умножителей, выход каждого из которых соединен с входом одного из двух интеграторов, выходы которых подключены к раздельным входам аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу вычислительного устройства, генератор гармонического сигнала, выход которого соединен с модулятором, с вторым входом первого умножителя и через фазовращатель с вторым входом второго умножителя, а выход вычислительного устройства соединен с исполнительным механизмом трехкоординатного устройства линейного перемещения, на котором установлена кювета, отличающееся тем, что, с целью повышения точности

определения медовых задержек за счет увеличения отношения сигнал/шум, оптическая система формирования пучка состоит из четвертьволновой пластинки, трех объективов и диафрагмы, расположенной в задней фокальной плоскости первого объектива, которая совпадает с передней фокальной плоскостью второго объектива, причем числовая апертура третьего объектива, установленного на выходе системы, превышает числовую апертуру испытуемого волновода.