Измерение числовой апертуры оптических волокон и кабелей

Числовая апертура оптического волокна определяется произведением показателя преломления среды на синус угла луча, для которого интенсивность уменьшается в десять раз по сравнению с интенсивностью луча, распространяющегося вдоль оси волоконного световода.

Числовая апертура может быть измерена путём исследования распределения интенсивности оптического излучения в дальней зоне. Метод измерения основан на определении зависимости интенсивности излучения в дальней зоне (в элементе телесного угла) от угла между оптическими осями волокна и точечного фотоприёмника в плоскости, проходящей через эти оси. Фотоприёмник вращается вокруг торца оптического волокна, апертурный угол определяется на уровне 0,1 от максимального значения сигнала на выходе фотоприёмника. Для повышения чувствительности фотоприёмника, оптическое излучение, как правило, модулируют гармоническим сигналом. Структурная схема измерителя со сканирующим вокруг выходного торца волокна точечным фотоприёмником, представлена на рис. 3.

Рисунок 6.1.2 Структурная схема измерителя с точечным фотоприёмником

Существенным недостатком рассмотренного метода является его ограниченность, связанная с возможностью проведением измерений лишь в одной плоскости конуса излучения волокна. Наличие сколов на торце оптического волокна может привести к ошибкам при проведении измерений. Для повышения достоверности измерения следует проводить в нескольких плоскостях, поворачивая выходной участок волокна (кабеля) вокруг оси.

Другим методом позволяющим измерить числовую апертуру оптических волокон и кабелей является метод заключающейся в том, что приемником излучения является телевизионная камера. Выделяя одну строку телевизионного сигнала можно на экране осциллографа или монитора зарегистрировать распределение интенсивности оптического излучения света вдоль выделенной строки (в одной плоскости конуса излучения). По виду полученной кривой можно рассчитать апертуру оптического волокна и оценить качество торца волокна. При реализации метода необходимо учитывать, что фоточувствительная поверхность передающей телевизионной трубки плоская. Реальное значение интенсивности излучения будет отличаться от измеренного и следует вводить поправку.

Апертурный угол оптического волокна (кабеля) определяется формулой:

здесь L - расстояние от фоточувствительной поверхности передающей телевизионной трубки до торца оптического волокна, Dо - диаметр засвеченной области передающей телевизионной трубки при котором измеренная интенсивность оптического излучения будет равна:

где Iо - измеренная интенсивность оптического излучения, Imax - максимальное значение интенсивности.

Недостатком рассматриваемого метода является отсутствие стандартных промышленных телевизионных камер работающих на длинах волн оптического излучения более 0,9 мкм, как у нас в стране, так и за рубежом. Нестандартные специальные камеры на диапазон 1,3 мкм - 1,55 мкм очень дороги. Другим недостатком метода является невысокая точность измерений, связанная с неравномерностью чувствительности поверхности передающей телевизионной трубки.

Для обеспечения максимального согласования при передачи оптической энергии между источником излучения и волокном, либо между двумя разнородными волокнами, целесообразно измерять эффективную числовую апертуру. Эффективная числовая апертура определяется аналогично числовой апертуре, но критерием её оценки является изменение мощности в конусе излучения, а не изменение интенсивности в одной плоскости конуса.

Рассмотрим один из методов измерения эффективной числовой апертуры. Метод заключается в измерении мощности оптического излучения волокна фотоприёмником с большой чувствительной областью, перед активной площадкой которого установлена диафрагма. Фотоприёмник перемещается вдоль оси волокна при этом измеряется расстояние (L) от торца волокна до поверхности чувствительной области фотодиода, рис. 6.1.3.

Рисунок 6.1.3 Один из методов измерения эффективной числовой апертуры

Фиксируется расстояние L, при котором мощность оптического излучения волокна, фиксируемая фотоприёмником, уменьшается до уровня 0,9 от максимального значения с учётом поправки на то, что не все лучи попадают на активную область фотоприёмника под прямыми углами. Эффективная числовая апертура находится из формулы:

(NA)эф = n sin a,

где n - показатель преломления среды (для воздуха n=1), a - критический угол, который определяется из выражения:

где d - диаметр диафрагмы перед чувствительной областью фотоприёмника, L -расстояние от торца волокна до поверхности чувствительной области фотодиода, при котором мощность оптического излучения волокна, фиксируемая фотоприёмником, уменьшается до уровня 0,9 от максимального значения с учётом поправок.

Для повышения чувствительности фотоприёмника, оптическое излучение модулируют гармоническим сигналом. При использовании модулированного по интенсивности света для усиления сигнала с выхода фотодиода может быть использован узкополосный селективный усилитель, настроенный на частоту модуляции.