模场直径测试方法及应用

单模光纤中的能量场分布并不完全集中在纤芯中，而有相当部分的能量在包层中传输，所以不用纤芯的几何尺寸作为单模光纤的特性参数，而是用模场直径作为描述单模光纤中光能集中程度的度量。模场直径是单模光纤所特有的一个重要参数，它的标称值和容差大小与光纤的连接损耗和抗弯性有着密切的关系，而且可以从模场直径随波长的变化谱估算单模光纤的色散值、单模光纤连接损耗、弯曲损耗和单模光纤有效面积等。因此，在单模光纤生产光缆、施工接续和实际使用中，人们非常重视模场直径这一参数。

模场直径（MFD）有几种定义方法，与之对应的也就有几种测量方法。比如，以直接远场强度分布定义MFD，以远场可变孔径法定义MFD，以光时域反射计的双向后向散射法定义MFD和以近场强度分布定义MFD等。直接远场强度扫描法测量MFD精度高，也是基准测试法，但是它的动态范围大，对系统要求高，实现的技术难度大，所以实际中很少采用。实践中，使用较多的则是替代测量法，远场可变孔径法是第一替代法，光时域反射计的双向后向散射法为第二替代法，但不适合于测量结构未知的光纤MFD。下面主要介绍远场可变孔径法的定义及测量原理。

模场直径2ω0实际上是数理统计上的远场二阶矩。由远场可变孔径法测得的互补孔径功率传输函数的等效式为：

式中：λ——测量波长（μm）；

θ——偏离光纤轴的远场测量角，其计算式为：

α（θ）——互补孔径功率传输函数，其计算式为：

式中：Pθ——透过远场测量角θ的孔径光阑的光功率；(www.xing528.com)

Pmax——透过最大孔径的光阑的光功率。

用远场可变孔径法测量MFD分两个步骤：首先测量出透过不同尺寸孔径的光阑的远场辐射光功率，然后用这些远场数据通过数学程序计算模场直径（MFD）。

试验装置如图9.2.25所示，主要由光源、扫描探测器和信号处理等部分组成。

图9.2.25　可变孔径法测量系统示意图

可变孔径法的测量原理是将光源发出的光耦合到被测单模光纤中，经滤模和剥除包层模后，将光纤的出射端面对准光学系统的光轴。光学系统由微调架、透镜系统和光探测器组成，在光纤端面与透镜之间，装有一个与光学系统光轴垂直的转盘。转盘上开有至少12个以上直径不同的圆孔。另外，最大孔径的尺寸应足够大，以防止光纤远场辐射图被截断。转盘离光纤输出端的距离至少为，这些孔径一般定位在离光纤输出端20～50mm处。应采用使孔径中心对准光纤输出辐射图中心的装置，以降低测量结果对光纤端面角度情况的敏感性。

测量单模光纤模场直径时，将被测光纤放入测量装置，依次转动转盘，测量通过每一个孔径θ的光功率P（θ），求出透射互补函数α（θ）。

计算出α（θ）后，即可由式（9.2.39）按计算机编制的积分程序，计算出被测光纤的模场直径。为避免光源与光探测器直接耦合，要选用光分路器将光源发出的光耦合至光纤和将散射的光耦合到光探测器，还应避免使用偏振相关的器件。

远场可变孔径法对模场直径的测量精度与试验装置的最大数值孔径有关。对于标称模场直径在8.7～10μm范围内的B1类光纤，当试验装置的最大数值孔径为0.25μm时，典型误差为1%或更小。如果要求更小的误差或当试样模场直径小于8.2μm时，则应采用最大数值孔径不小于0.35μm的试验装置。测量B2类、B3类和B4类光纤，对模场直径等于或大于6μm的光纤，试验装置的最大数值孔径应不小于0.40μm。