DE2842316A1 - Optical fibre refractive index profile determination - using TV camera to scan light passing through end face of fibre - Google Patents

Abstract

One end face of the optical fibre is uniformly illuminated. To determine the refractive index profile of the fibre, the light passing through the other end of the fibre is raster scanned by a TV camera. The numerical aperture of the fibre is determined from the angular distribution of the emitted light. The video signal reproduces the intensity distribution of the light and may be observed on an oscilloscope. Scanning is achieved without stepped displacement of the detector. A microscope may be used to produce a magnified image of the end of the fibre before scanning.

Description

Bestimmung des Brechzahlprofils und/oder derDetermination of the refractive index profile and / or the

numerischen Apertur von Lichtwellenleitern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der lichtwellenleitenden Eigenschaften, wie transversales Brechzahlprofil und/oder numerische Apertur, einer Lichtleitfaser, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen.numerical aperture of optical waveguides The invention relates to a method for determining the optical waveguide properties, such as transversales Refractive index profile and / or numerical aperture, an optical fiber, with the generic term of claim 1 specified measures.

Lich-tleitfasern, deren Brechzahl mit wachsendem Abstand von der Faserachse kontinuierlich abnimmt, finden z.B.Light-conducting fibers, whose refractive index increases with increasing distance from the fiber axis continuously decreases, find e.g.

als Kabel zur breitbandigen optischen Nachrichtenübertragung wachsende Beachtung. Sie sind als Lichtwellenleiter umso besser geeignet, Je genauer ein optimales (z.B. parabolisches) transversales Brechzahlprofil eingehalten wird und je größer ihre numerische Apertur ist. Es sind daher Verfahren entwickelt worden, um das Brechzahlprofil und die numerische Apertur von Lichtleitfasern und somit deren Eignung als Lichtwellenleiter zu bestimmen.growing as a cable for broadband optical communication Attention. They are more suitable as fiber optic cables, the more precisely an optimal one (e.g. parabolic) transversal refractive index profile is maintained and the larger is their numerical aperture. Methods have therefore been developed to adjust the refractive index profile and the numerical aperture of Optical fibers and thus their suitability to be determined as a fiber optic cable.

Wird durch die eine Stirnfläche eines kurzen Faserstückes Licht eingekoppelt und dabei die Faserstirnfläche möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet, so tritt das Licht derart aus der anderen Faserstirnfläche wieder aus, daß jeder Punkt dieser anderen Stirnfläche als ein Strahler mit einer bestimmten Intensität und einer bestimmten Winkelverteilung des emittierten Lichtes aufgefaßt werden kann, wobei Intensität und Winkelverteilung von der Brechzahl des Fasermaterials an diesem Punkt bestimmt ist. Zwischen der Strahlungsintensität jedes Lichtpunktes und der Brechzahl an diesem Bmkt besteht ein weitgehend linearer Zusammenhang. Zerlegt man daher die lichtemittierende Stirnfläche oder eine unmittelbar benachbarte Fläche in einzelne nahezu punktförmige Flächenelemente, so erhält man eine rasterförmige Aufteilung des emittierten Strahlungsfeldes (Nahfeld) und kann aus der Strahlungsintensität der einzelnen quasi-punktförmigen Strahlungselemente auf das transversale Brechzahlprofil der Faser schließen. Dieses Verfahren findet bei der sog. Nahfeld-Fotometrie (nNear field scanning") Anwendung, bei dem mittels eines optischen Abbildungssystems (Mikroskops) die Faserstirnfläche vergrößert auf eine Bildebene abgebildet wird, die mittels eines durch einen Schrittmotor bewegten optoelektronischen Detektors, z.B. einer Fotodiode, abgetastet wird. Das Detektorsignal, das der Intensität der. quasi-punktförmigen Strahler entspricht, kann dann in einen elektronischen Rechner gegeben werden, der daraus eine Meßkurve ermittelt, die dem Brechzahlprofil entspricht.Light is coupled in through one end face of a short piece of fiber and the fiber end face is illuminated as evenly as possible, that's how it happens Light from the other fiber end face in such a way that every point of this other end face than a radiator with a certain intensity and a certain Angular distribution of the emitted light can be understood, with intensity and angular distribution determined by the refractive index of the fiber material at that point is. Between the radiation intensity of each point of light and the refractive index on it Bmkt is largely linear. One therefore dismantles the light-emitting one End face or an immediately adjacent area into individual almost punctiform Surface elements, a grid-like division of the emitted radiation field is obtained (Near field) and can be derived from the radiation intensity of the individual quasi-punctiform Radiating elements infer the transverse refractive index profile of the fiber. This The method is used in so-called near-field photometry (nNear field scanning), in which the fiber end face is determined by means of an optical imaging system (microscope) is shown enlarged on an image plane by means of a stepper motor moving optoelectronic detector, e.g. a photodiode, is scanned. That Detector signal that corresponds to the intensity of the. corresponds to a quasi-point radiator, can then be fed into an electronic computer, which creates a measurement curve from it which corresponds to the refractive index profile.

Auch zwischen der WinkeAverteilung des von der Stirnfläche emittierten Lichtes und der numerischen Apertur der Lichtleitfaser besteht ein bekannter Zusammenhang. titan karn daher die numerische Apertur bestimmen, indem eine in größerem Abstand (einige cm) von der Stirnfläche gelegene Fläche in einzelne Flächenelemente (Ralunvinkel) zerlegt wird und die durch diese FlncWzenelemente durchtretende Intensität der Strahlung (Wernfeld) gemessen wird Zwischen der MeßfiëXche und del der Stirnfläche kann vorteilhaft ein Linsensystem angeordnet werden, in dessen einem Brennpunkt die Stirnfläche liegt, so daß die Stirnfläche ins Unendliche abgebildet wird. Das Fernfeld wird ebenfalls rasterförmig ausgemessen, indem die Meßebene mit einem von einem Schrittmotor bewegten optoelektronischen Detektor abgefahren wird.Also between the angle distribution of the emitted from the end face There is a known relationship between light and the numerical aperture of the optical fiber. titan can therefore determine the numerical aperture by placing one at a greater distance (a few cm) from the front face into individual surface elements (Ralunvinkel) is decomposed and the intensity of the radiation passing through these roller elements (Wernfeld) is measured between the MeßfiëXche and del the end face can be advantageous a lens system can be arranged in whose one focal point the end face is located, so that the face is mapped to infinity. The far field is also Measured in a grid by moving the measuring plane with a stepper motor optoelectronic detector is shut down.

Die auf diese Weise aufgrund der bekannten Zusammenhänge zwischen Nahfeld und Brechzahlprofil bzw. Fernfeld und numerischer Apertur ermittelten Ergebnisse können durch Störungen beim Einkoppeln des Lichtes in die Lichtleitfaser gestört werden. Durch Leckwellenanregung kann das Ergebnis mit einem systematischen Fehler behaftet werden. Dieser Fehler kann jedoch von einem an den Detektor angeschlossenen Elektronenrechner korrigiert werden, so daß das Verfahren eine sehr genaue Bestimmung zuläßt. Jedoch erfordern diese Verfahren einen erheblichen apparativen Aufwand und gestatten keinen raschen, unmittelbaren Überblick über die Qualität einer Lichtleitfaser.The in this way due to the known relationships between Near field and refractive index profile or far field and numerical aperture determined results can be disturbed by interference when coupling the light into the optical fiber will. Leak-wave excitation can result in a systematic error be afflicted. However, this error can come from one connected to the detector Electronic computers are corrected so that the method is a very accurate determination allows. However, these methods require a considerable outlay in terms of equipment and do not allow a quick, direct overview of the quality of an optical fiber.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Verfahren so zu vereinfachen, daß eine komplizierte mechanische Abtasteinrichtung nicht erforderlich ist, so daß eine schnelle und einfache Auswertung der Ergebnisse möglich ist.The invention is based on the object of simplifying these methods so that that a complicated mechanical scanning device is not required, so that a quick and easy evaluation of the results is possible.

Dies geschieht gemäß der Erfindung durch ein Verfahren mit den im Anspruch angegebenen Merkmalen.This is done according to the invention by a method with the im Claim specified features.

So kann z.B. zur Brechzahlprofil-Bestimmung die emittierende Faserstirnfläche mittels eines Abbildungssystems direkt auf den Sensorteil einer elektronischen Kamera (Fernsehkamera, Videokamera) abgebildet werden. Die Videokamera kann mit Elektronenstrahl-Abtastung arbeiten oder auch einen aus Halbleiter-Sensorelementen zusammengesetzten Sensorteil aufweisen. In beiden Fällen wird das auf den Sensorteil abgebildete Bild der Faserstirnfläche bereits beim Abtasten rasterförmig zerlegt, ohne daß die Kamera verschoben werden muß. Daher ist z.B. ein Schrittmotor zum Verschieben einer Fotodiode wie bei dem bekannten, eingangs geschilderten Verfahren nicht erforderlich. Die Kamera liefert beim zeilenweisen Abtasten des Bildes ein Videosignal, das aus Einzelimpulsen zusammengesetzt ist, die jeweils der Intensität der einzelnen Bildpunkte entsprechen. Wegen des erwähnten linearen Zusammenhangs zwischen Intensität und Brechzahl stellt somit das Videosignal einer Zeile bereits die Meßkurve des Brechzahlprofils längs einer entsprechenden über die Faserstirnfläche verlaufenden Linie dar. Wird das Videosignal auf einen Oszillographen gegeben, so erhält man diese Brechzahl-Profilmeßkurve. Man kann aber das von der Fernsehkamera aufgenommene Nahfeld der Faserstirnfläche auch direkt mit einem Monitor beobachten. Bei einer entsprechenden feingerasterten Abtastung im Sensorteil der Kamera kann auch auf ein Abbildungssystem verzichtet werden, wenn die Kamera mit ihrem Sensorteil sehr nahe an die Faser'stirnfläche herangefahren wird.For example, the emitting fiber end face can be used to determine the refractive index profile by means of an imaging system directly onto the sensor part of an electronic camera (Television camera, video camera). The video camera can use electron beam scanning work or a sensor part composed of semiconductor sensor elements exhibit. In both cases, the image shown on the sensor part is the fiber end face already disassembled during scanning, without moving the camera got to. Therefore, for example, a stepper motor for moving a photodiode is like that known processes outlined at the outset are not required. The camera delivers when scanning the image line by line, a video signal composed of individual pulses which each correspond to the intensity of the individual pixels. Because of the mentioned linear relationship between intensity and refractive index thus represents the video signal of a line already has the measurement curve of the refractive index profile along one corresponding line running over the fiber end face. The video signal given to an oscilloscope, this gives this refractive index profile measurement curve. But you can see the near field of the fiber end face recorded by the television camera also watch directly with a monitor. With a corresponding fine-screen Scanning in the sensor part of the camera can also dispense with an imaging system when the camera with its sensor part is very close to the fiber end face is approached.

In ähnlicher Weise kann auoW das Fernfeld der emittierenden Faserstirnfläche mittels einer Fernsehkamera aufgerlummen werden. Auch hier kann häufig auf ein zwischengeschaltetes Abbildungssystem verzichtet werden Das Monitor-Bild der wernsehkamera ergibt dann einen Übrbl'ck Uber die Winkelverteilung der Strahlungsintensität, aus dem die numerische Apertur best.mzt werden kann. Natürlich kann in beiden Fällen auch das Videosignal in einen Rechner gegeben werden, in dem aus dem Videosignal Brechzahlprofil und numerische Apertur, gegebenenfalls unter Korrektur eines von Leckwellen hervorgerufenen Fehlers, numerisch ermittelt werden können.The far field of the emitting fiber end face can also be similar be rattled up by means of a television camera. Here, too, an intermediary can often be used Imaging system can be dispensed with The monitor image of the TV camera then results a remainder of the angular distribution of the radiation intensity, from which the numerical Aperture can be best.mzt. Of course, the video signal can also be used in both cases be given in a computer, in which from the video signal refractive index profile and numerical aperture, possibly with correction of one caused by leaky waves Error that can be determined numerically.

Anhand eines Ausführungsbeispieles wird das Wesen der Erfindung näher erläutert.The essence of the invention is explained in greater detail on the basis of an exemplary embodiment explained.

Ein etwa 2 m langes Stück einer i CVD-Verfahren hergestellten Gradientenfaser aus einem dotisrten (z.B. mit Ge oder B) Glaskern und einem Reinquarz-Mantel mit etwa 100 /u Durchmesser wird an einer Faserstirnfläche mit einer Lumineszenzdiode möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet. Die andere Stirnfläche der Faser wird über ein Mikroskop mit 16facher Vergrößerung auf eine als optoelektronischen Detektor dienende Fernsehkamera (ein l''-Vidikon) scharf abgebildet.An approximately 2 m long piece of gradient fiber produced by CVD from a doped (e.g. with Ge or B) glass core and a pure quartz cladding with about 100 / u diameter is measured at a fiber end face with a light emitting diode illuminated as evenly as possible. The other end face of the fiber is over a microscope with 16x magnification on one as an optoelectronic detector Serving television camera (a l '' - Vidikon) shown in focus.

Das vo@ Vidikon aufgenommene Fernsehbild kann über einen Monitor betrachtet werden. Man erhält jedoch eine detailiertere Information, wenn man das Videosignal an einem Oszillographen beobachtet. Fig.1 zeigt mehrere beim- aufeinanderfolgenden Abtasten der Zeilen des Fernsehbildes erhaltene Video signale bei einer stark gedehnten Zeitbasis (5 /us/E). Jede derartige Zeile stellt das Brechzahlprofil längs Linien dar, die senkrecht zur Faserachse und in verschiedenem Abstand dazu verlaufen. Auf der linken Seite der Fig. 1 ist das Brechzahlprofil an einer einwandfreien Faser (symmetrischer Kurvenverlauf) rechts das Profil an einer gestörten Faser (asymetrischer Kurvenverlauf) dargestellt. Durch Drehung der Kamera um 900 kann das Profil auch in der dazu seAkrecrlten Richtung aufgenommen werden.The television picture recorded by vo @ Vidikon can be viewed on a monitor will. However, more detailed information is obtained by viewing the video signal observed on an oscilloscope. Fig. 1 shows several in succession Scanning the lines of the television picture obtained video signals at a greatly stretched Time base (5 / us / E). Every such a line represents the refractive index profile along lines that are perpendicular to the fiber axis and at different distances from it get lost. On the left side of Fig. 1, the refractive index profile is a perfect one Fiber (symmetrical curve) on the right the profile on a disturbed fiber (asymmetrical Curve). By turning the camera by 900, the profile can also be recorded in the direction specified for this.

Einen noch besseren und schnelleren Überblick erhält man, wenn man die Zeitdehnung des Oszillographen geringer wählt, z.B. 2 ms/E, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Kontur des dargestellten Oszillographenbildes wird dabei von einzelnen vertikalen Linien gebildet, die jeweils einer Zeile entsprechen, d.h.You get an even better and faster overview if you selects the time expansion of the oscilloscope to be lower, e.g. 2 ms / E, as shown in Fig. 2 is. The contour of the displayed oscilloscope picture is thereby of individual vertical lines each corresponding to one line, i.e.

der Umkehrpunkt jeder Linie entspricht jeweils der maximalen Amplitude der einzelnen in Fig. 1 gezeigten Zeilen-Oszillogramme.the turning point of each line corresponds to the maximum amplitude of the individual line oscillograms shown in FIG.

Da das menschliche Auge sehr empfindlich auf Unsymmetrien reagiert, können Profilfehler sofort erkannt werden. Das Verfahren kann sogar bei einer Vorform der Faser während der Faserherstellung verwendet werden, um eine Qualitätskontrolle zu erhalten. Eine aufwendige gesonderte Abtasteinrichtung, insbesondere eine mechanische Verstellung des Detektors, ist nicht erforderlich. Zur weiteren Auswertung kann das Viedosignal auch in einen Rechner gegeben werden. Es können auch mittels eines Videomaten Linien gleicher Brechzahl ermittelt werden.Since the human eye is very sensitive to asymmetries, profile errors can be recognized immediately. The process can even be performed on a preform The fiber used during fiber production is a quality control to obtain. A complex separate scanning device, especially a mechanical one Adjustment of the detector is not necessary. For further evaluation can the video signal can also be fed into a computer. It can also be done using a Videomat lines with the same refractive index can be determined.

Sofern der Dynamikbereich eines Vidikons nicht aus reicht, um das gesamte Brechzahlprofil mit hinrei chender Auflösung aufzunehmen, kann anstelle eines Vidikons auch ein Plumpikon verwendet werden.Unless the dynamic range of a vidicon is sufficient to achieve the entire refractive index profile with hinrei to record the appropriate resolution, A plumpicon can also be used instead of a vidicon.

Die Genauigkeit des Verfahrens ist durch die Linearität der Fernsehkamera und durch evtl. Leckwellenanregung bestimmt. Der größte Fehler entsteht durch die Einkoppelung des Lichtes. Dieser Fehler entsteht aber bei allen Nahfeldfotometrie-Verfahren.The accuracy of the method is due to the linearity of the television camera and determined by possible leaky wave excitation. The biggest mistake comes from the Coupling of the light. However, this error occurs in all near-field photometry methods.

Die bekannten Verfahren, die mit einer aufwendigen Abtastvorrichtung und einer zeitraubenden schrittweisen Verstellung des Detektors arbeiten, liefern daher keine genaueren Ergebnisse.The known methods that use a complex scanning device and a time-consuming incremental adjustment of the detector therefore no more precise results.

1 Patentanspruch 2 Figuren1 claim 2 figures

Claims (1)

Patentanspruch Verfahren zur Bestimmung der lichtwellenleitenden Eigenschaften einer Lichtleitfaser' wie transversales Brechzihlprofil und/oder numerische Apertur, be.s dem die eine Faserstirnfläche gleichmäßig ausgeleucntet und die flächemäßige Intensitätsverteilung des die andere Stirnfläche durchsetzenden Lichtes (Nahfeld) und/oder die raumwinkelmäßige Intensitätsverteilung des von der S tirnfläche abgestrahlten Lichtes (Fernfeld) rasterartig mit einem elektronischen Detektor ausgemessen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als elektronischer Detektor eine elektronische Kamera (Fernsehkamera) verwendet wird.Claim method for determining the optical waveguide properties an optical fiber 'such as transverse refractive counting profile and / or numerical aperture, be.s that the one fiber end face evenly illuminated and the flat one Intensity distribution of the light penetrating the other end face (near field) and / or the spatial angular intensity distribution of the radiated from the end face Light (far field) is measured grid-like with an electronic detector, d a d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that as an electronic detector a electronic camera (television camera) is used.