黃偉俊 涂建坤 楊暉 龔江疆 鄭剛

摘要： 光纖的模場直徑是評價光纖性能的一個重要參數(shù)。測量單模光纖模場直徑的常用方法是遠場可變孔徑法。通過測量給定單模光纖透過不同尺寸孔徑光闌的多組遠場輻射光功率數(shù)據(jù)并對實測數(shù)據(jù)進行處理，可得到被測光纖的模場直徑。在實際測量過程中，為了消除被測光纖模場中心與孔徑光闌中心偏離引起的測量誤差，應(yīng)用多次函數(shù)擬合法對遠場可變孔徑法測得的數(shù)據(jù)進行處理，以此自動識別并排除測量數(shù)據(jù)中的個別不合理的誤差數(shù)據(jù)，從而有效提高模場直徑的測量精度。

關(guān)鍵詞： 模場直徑; 可變孔徑法; 函數(shù)擬合法

中圖分類號： O 436文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.06.006

引言

單模光纖憑借其光纜適應(yīng)性強、通信容量大、便于鋪設(shè)和運輸?shù)葍?yōu)點，廣泛用于長距離、大容量光纖通信系統(tǒng)及各種光纖傳感器中，并在光纖通信中起著越來越重要的作用。但是由于單模光纖是光學(xué)弱波導(dǎo)介質(zhì)，因而通過其傳輸?shù)墓饽芰坑邢喈?dāng)一部分是存在于包層中，而不是全部集中在纖芯中。所以單模光纖的傳輸特性不能簡單地根據(jù)纖芯的幾何尺寸來進行描述，于是為了準確地表示單模光纖中光傳輸?shù)哪芰考星闆r，就有了模場直徑這一物理量[1]。模場直徑作為單模光纖所特有且最為重要的一個參數(shù)，通過它可以了解到光纖的很多重要特性，如微彎損耗、鏈接損耗等[2-3]，并且根據(jù)其隨波長的變化譜還可推導(dǎo)出光纖色散等重要參數(shù)[4]。模場直徑作為單模光纖的一個重要性能控制參數(shù)，準確測量它，對于進一步了解光纖特性，提高并保證光纖通信系統(tǒng)的工程質(zhì)量等都具有重要意義。

目前關(guān)于模場直徑的測量方法并沒有統(tǒng)一明確的規(guī)定。我國現(xiàn)行國家標準規(guī)定了四種測量單模光纖模場直徑的方法，分別為直接遠場法[5]、遠場可變孔徑法[6]、近場掃描法[7] 、光時域反射計法[8]，并明確提出前三種模場直徑測量法具有一致性[9-11]。遠場可變孔徑法憑借其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作便利且測量精度高等優(yōu)點受到廣泛使用，而ITUT（國際電信聯(lián)盟電信標準分局）在其現(xiàn)行版本中修正了遠場可變孔徑法測量模場直徑的計算方式，與我國國標存在多處不一致且沒有給出具體說明[12]。李春生等[13]從模場直徑的定義出發(fā)進行理論推導(dǎo)，最終認為ITUT對于遠場可變孔徑法測試模場直徑的公式進行了錯誤的修改，而我國國標的測試方法和計算公式理論上并沒有錯誤。此外，Matsui等[14]通過實驗證明遠場可變孔徑法同樣適用于測量高階模下的模場直徑;劉佳等[15]、刑冀川等[16]采用圖像處理技術(shù)來控制步進電機的轉(zhuǎn)動，用于解決光纖輸出端面與孔徑中心的對準問題。

在采用遠場可變孔徑法測量模場直徑時，若光纖輸出端面與孔徑中心不同心或其他偏差產(chǎn)生光功率接收不完全，則會影響儀器的測量精度。對此，劉佳等[15]、刑冀川等[16]從改進設(shè)備的角度來保證儀器的測量精度，與其不同，本文則從實測數(shù)據(jù)的處理方面進行改善，因而無須改變儀器的硬件設(shè)備及測量操作流程。本文通過高次多項式函數(shù)擬合測量數(shù)據(jù)，并經(jīng)過多次擬合處理步驟，逐一識別并排除掉與函數(shù)曲線存在明顯偏差的誤差點，從而有效地提高遠場可變孔徑法的測量精度。

圖6與圖3比較，兩者幾乎相同，據(jù)此求得的模場直徑值為7.463 0 μm，與正常測量得到的結(jié)果對比只有0.4%的相對誤差，完全符合測量精度要求。當(dāng)存在測量誤差時，多次擬合函數(shù)法明顯比原測量儀方法有更高的測量精度。

3.4實驗結(jié)果分析

通過對數(shù)據(jù)處理及分析，無論是處理正常數(shù)據(jù)還是存在誤差的數(shù)據(jù)，相較于OFM光纖多參數(shù)測試儀采用的常規(guī)算法，改進后的多次函數(shù)擬合法不但提高了測量精度，而且完善了測量儀所不具備的排除誤差數(shù)據(jù)組的能力，從而有效地提高了遠場可變孔徑法的測量穩(wěn)定性。簡而言之，多次函數(shù)擬合法適用于遠場可變孔徑法的數(shù)據(jù)處理中且優(yōu)勢明顯。

4結(jié)語

本文提出了一種多次函數(shù)擬合法，并將其應(yīng)用于測量單模光纖模場直徑的遠場可變孔徑法之中，在保持遠場可變孔徑法原有優(yōu)點的基礎(chǔ)上，能有效去除測量過程中的偶然因素導(dǎo)致的誤差數(shù)據(jù)，從而使改進后的遠場可變孔徑法具有更高、更可信的測量精度。與此同時，本方法具有一定的普遍性，也可應(yīng)用于其他儀器的數(shù)據(jù)處理中。

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（編輯：劉鐵英）