IT8368171A1

IT8368171A1 - Procedimento ed apparecchiatura per la misura dei momenti radiali del campo elettromagnetico associato a un fascio ottico.

Info

Publication number: IT8368171A1
Application number: ITTO1983A068171A
Authority: IT
Original assignee: Cselt Centro Studi E Laboratori Telecomunicazioni S P A
Priority date: 1983-11-10
Filing date: 1983-11-10
Publication date: 1985-05-10
Also published as: DE3477265D1; IT1171039B; IT8368171A0; CA1214556A; JPS60114725A; EP0145936B1; JPH0781908B2; US4934819A; EP0145936A3; DE145936T1; EP0145936A2

Description

Testo della descrizione

La presente invenzione si riferisce ai procedimenti e alle apparecchiature per l'effettuazione di misure in ottica,

e ha per oggetto un procedimento e un'apparecchiatura per la

misura dei momenti radiali del campo elettromagn?tic o as sociato a un fascio ottico. Preferibilmente, ma non esclusivamente l'invenzione trova applicazione nella misura della dimensione della macchia luminosa di una fibra ottica, cio? del momento di secondo ordine del campo all'uscita di tale fibra.

E<1 >noto che il generico momento di ordine n (con

?C n intero e positivo ' del campo elettromagnetico di un fascio ot O d ,?

O

tico ? dato, in coordinate polari, dalla relazione >? s-a _J >-> o iZ 11 fd> LU <? >3 d e 1 (r, cf ) r dr co <'>% a M - Jo (1) o ? a n o o ? r&TT f e i ?* Cz _? a>>

I (r, Cj<3 >) r dr ? <? >J J n

dove I ? l'intensit? spaziale del campo elettromagnetico, r e

sono il raggio vettore e l'anomalia di un sistema di coordinate polari con origine sull'asse del fascio.

In partic olar e, l? r adic e quad r ata d el mom ent ? di s e -cond ?ordine Wo, cio? lo scarto quadratic o medio della distribuzione

spaziale del campo elettromagnetico del fascio (o all'uscita di una fibra ottica, nell 'applicazione preferita) rappresenta la dimensione

della macchia luminosa del fascio, c omunemente nota con il termine

ingles e "spot- size".

La conosc enza di W ? importante per la conosceno

za delle dimensioni geometriche del campo, che danno informazioni sia sulla collimazione sia sulla distribuzione di potenza

del fascio.

Nel caso particolare delle fibre ottiche (a cui si fa-

r?, riferimento nella descrizione che segue in quanto l'invenzio-

ne e stata sviluppata principalmente per l'applicazione in tale

settore) la conoscenza della dimensione della macchia luminosa

permette di avere informazioni sulle caratteristiche di propaga-

zione all'interno della fibra e sulle perdite di giunto; queste in-<? >oE formazioni sono indispensabili per l'impiego delle fibre ottiche

o in un sistema di telecomunicazioni. Pi? in particolare ancora,

LU ^ la macchia luminosa Wo caratterizza le fibre ottiche monomo C/D o ? do: infatti nel caso di tali fibre, le perdite di giunto, le perdite

per curvatura e le perdite di cablaggio per mic rocurvatura pos -

sono venire calcolate dalla sua conoscenza; inoltre la variazio-

ne della macchia luminosa con la lunghezza d'onda permette di .

ricavare la lunghezza d'onda di taglio del primo modo d'ordine

superiore.

<sp>a... Sono noti diversi metodi di misura della dimensione

della macchia luminosa nelle fibre ottiche.

Un primo metodo ? stato descritto da R. Yamauchi,

T. Murayama, Y . Kikuchi, Y. Sugawara e K. Inada nella memo -

ria "Spot- sizes of single mode fibres with a noncircular core"

presentata alla Fourth International Conferenc e on Integrated

Optics and Optical Fibre Communication (IOOC '83, Tokyo,

Giappone, 27- 30 Giugno 1983, memoria 2BA2- 3, pagine 39 e

sagg. ). Secondo questo metodo il valore della dimensione della

macchia luminosa ? ricavato determinando il valore di I all 'uscita della fibra mediante una scansione dell 'intensit? in campo vici -no e applicando quindi direttamente la relazione (1 ) con n=2. Questo

metodo ? applicabile alla misura dei momenti di qualsiasi ordine.

Tenuto conto che l?integrazione va estesa all 'infinito ma che al di l? di una certa distanza dall'ass e del fascio

l'intensit? I ? coperta dal rumore di misura, il metodo pub in O ce cs ? o * trodurre errori anche significativi nel valore calcolato. Inoltre

la scansione radiale e di per se complessa.

Altri metodi propongono di approssimare la fun-C

zione che rappresenta I con una gaus siana e si ba U ? H sano sulla misura di grandezze correiabili alla dimensione della macchia luminosa per mezzo di formule che per? sono valide s olo se i 'ipotesi di

andamento gaus siano del campo e soddisfatta. Esempi di tali tecniche

sono descritti negli art?coli "Direct method'of determining equivalentstep-index profiles for multimode fibr es " di C. A. Millar, Elec -tronics Letters , Voi. 17, No . 13, 25 giugno 1981 , pp. 458 e

s egg. , e "Fundamental mode spot- size measurement in singlemode optical fibres". di F. Alard, L. Jeanhomme e P. Sansonetti, Electronics Letters , Voi. 1 7, N. 25, 10 dicembre 1981 ,

pp. 958 e segg. Poich? l'ipotesi di andamento gaussiano ? accettabile solo per casi molto partic olari, le misure ottenute cnn

questi metodi sono affette da un'imprecisione intrinseca che

pu? essere difficilmente quantizzata.

Per ovviare a questi inconvenienti, gli inventori hanno ideato un metodo che permette di ottenere in modo preciso i momenti radiali di qualsiasi ordine, e in particolare la dimensione della macchia luminosa, applicando. di rettamente la

definizione (1 ) , senza bisogno di effettuare misure complicate c on

scansione radiale dell 'intensit? o calcolo nume rie o di integrali o

di introdurre ipotesi di approssimazione sulla forma del campo. o rt ca ? Il procedimento ? caratterizzato dal fatto che per H <c>'\ sa J o UJ -<">3 la determinazione del generico momento di ordine n si trasferiu <? a o ~ o sce il fascio ottico su un pian? immagine; si trasferisce la po C 1) ?-<? >tenza ottica presente sul piano immagine a un sistema di misura di tale potenza ottica; si effettuano due misure succ?ssive

della potenza ?ttica del fascio, una essendo una misura diretta e l'altra essendo effettuata con le stesse condizioni di

emissione del fascio della prima, modulando spazialmente la distribuzione radiale del campo elettromagnetico sul

piano immagine cori un fattore proporzionale alla potenza

n-esima d?lia coordinata radiale del fasciorsi ricava il valore

del momento dal rapporto tra tali misure.

In effetti, la misura diretta della potenza del fascio corrisponde al denominatore della (1 ) e la misura della

stessa potenza, modulata radialmente con un fattore propor ? ?C ?*<^>? V ?'A',/?^' ^<? >/?..

a?sue ??? zionale a r<11>, fornisce i l numeratore della (1 ). rt? E' immediato quindi dalle due misure risalire

al valore di M e/o di Wo,

n

Per la modulazione spaziale viene utilizzata un'opportuna maschera o filtro spaziale la cui trasmittivit? sia proporzionale a r . Ci? potrebbe venir realizzato per mezzo di una

maschera azimutalmente simmetrica (p. es. una scala di grigi

con trasmittivit? nulla al centro s massima ai bordi).

Quando (come nel caso di una fibra monomodo)

l'intensit? di campo e azimutalmente simmetrica, una realizo CO S? zazione tecn?logiealmente pi? semplice pu? essere ottenuta O -<? >l3-3 o con una maschera composta solo di zone perfettamente opache ^ " 3

CO ?

e perfettamente trasparenti, ma non azimutalmente simmetri o & a O 3 i: i> a o<1 >ca: in particolare, la maschera sar? opaca al centro, e allon S<H >tanandosi dal centro, la superficie delle zone trasparenti deve

aumentare e quella delle zone opache diminuire in maniera tale che, lungo una qualsiasi corona circolare infinitesima, il

rapporto tra le due superfici sia proporzionale alla potenza n - esima del raggio di tale corona. Per es empio, ipotizzando una maschera circolarle zone opache (una o pi?, secondo le esigenze) possono

es s ere delimitate ciascuna da un arco di una spirale , del tipo c^=kr<n>

avente l'ori ginenelcentro della maschera e terminante in un oppor -tuno punto del bordo della stessa, e dal raggio pas sante per tale punto. Vantaggiosamente , coppie di zone opache pos s ono essere unite

lungo detto raggio.

E' anche oggetto dell'invenzione l'apparecchiatura

per realizzare il procedimento.

A maggior chiarimento si fa riferimento al disegno allegato in cui:

- la fig. 1 mostra l'apparecchiatura per la realizzazione del procedimento per il caso particolare di misura della dimensione della macchia luminosa di una fibra ottica; e

- le figure 2 - 7 sono esempi di maschere per la modulazione

<?>E spaziale della distribuzione radiale del fasci?. o si' c? di O

Con riferimento alla Fig. 1 , la luce di una sorgen <?>a o-<?>S3 UJ <w >c? ? te ottica 1 di lunghezza d'onda opportuna, raccolta con un siste oo ? <?>a _* iO ? ma ottico schematizzato dalla lente 2 , eccita l'ingresso di uno o o a L> c U U * H spezzone 3 della fibra ottica di cui si deve misurare la dimensione della macchia luminosa. La lue e use ente dalla fibra 3 viene raccolta da un s econdo sistema ottico, schematizzato dalla lente 4, che forma un'immagine , eventualmente ingrandita , della, faccia di uscita

della fibra su un piano immagine . In corrispondenza di tale .

piano immagine s disposto il supporto, non rappres entato in

Figura, per un fi ltro spaziale 5 atto a modulare l'intensit?

in campo vicino del campo elettromagnetico uscente dalla fibra 3 con un fattore proporzionale al quadrato della distanza

dall 'asse del fascio. Il supporto deve essere tale da consentire

un facile inserimento della maschera 5 lungo la traiettoria del

fascio uscente dalla fibra, coassialmente allo stess o, e un facile allontanamento della maschera dalla traiettoria stessa; inoltre esso deve consentire gli spostamenti della maschera

nelle due direzioni perpendic olari a quella di propagazione del

fascio necessari per il centraggio della maschera stessa.

La potenza ottica presente sai piano immagine

viene poi trasferita, per esempio mediante un terzo sistema

ottico &, su un fotorivelatore 7 associato a un sistema di misu?

ra e calcolo 8. Per ottenere il valore della dimensione della

macchia luminosa occorre fare due misure successive dellapotenza trasmessa dalla fibra 3, una con la maschera 5 inserita coas?

sialmente sulla traiettoria del fascio uscente dalla fibra 3, e l'altra

senza la maschera 5 . I due valori di potenza c orrispondono come det -E o ce d, to al numeratore e al denominator e della ( 1 ) . Il sistema di misu - oO -J <?>a o per le due misure i valori dell'intensit? <?>a ra 8 rileva del segnale LU ce o C/5 <">53 elettrico fornito dal fotorivelatore 7, e calcola la radice qua a O S

C2 ?? 4>* drata del rapporto tra i due valori. Per ottenere il valore effet u <M >tivo della dimensione della macchia luminosa , occorre anc ora effet?

tuare una moltiplicazione per un fattore metrico che tiene conto del-

l 'ingrandimento introdotto dal sistema ottic o e delle dimensioni della

maschera: essenzialmente tale fattore metrico e dato dal rappor?

to tra le dimensioni della maschera 5 e l'ingrandimento.

Possibili forme di realizzazione della maschera

5 sono rappresentate nelle figure 2-7 sempre per il caso di misura della dimensione della macchia luminosa.

Nella figura 2 la maschera 5 ? un disco che pre?

senta ?na zona- traspar ente 9 e una zona opaca 10 delimitata da

2

un raggio 1 0b e da un arco 10a di una spirale del tipo =k r

(p. es. una spirale di Fermai) avente l'origine nel centro A del

disco e terminante nello stes so punto B del bordo del disco dove

termina il raggio 10b . Il materiale impiegato per le du? zone

dipende ovviamente dalle lunghezze d 'onda impiegate nelle misure; per il caso di misure su fibre ottiche la maschera 5 pu?

es sere un disco di quarzo su cui ? stato deposto uno strato me -tallico di trasmittivit? nulla i cui bordi, hanno l'andamento voluto.

Nella fig. 3, la maschera 5 ? un disco che presenta una coppia di settori opachi uguali 11 , 12, ciascuno dei quali 'E o c? a cu o ? limitato da un arco I la, 12a di una spirale del tipo suddetto ^ >-( <?>a O LU <?>a e da un raggio l lb, 12b, mentre le aree restanti 21 , 22 , limi ?l a tate dal raggio l lb e dall'arco 12a (o rispettivamente 12b, I la) a o S a <U l o_>f s ono trasparenti. Gli archi di spirale hanno origine nel centro

A del disco, e terminano sul bordo del disco 5 , negli stessi punti D, E dove terminano i raggi l lb, 12b, rispettivamente. Ciascu

no dei settori opachi 11 , 12 corrisponde, come forma, a quella

parte della zona<' >opaca 10 di f?g. 2 limitata dall'arco di spirale

compreso tra i punti A e C dal segmento AC.

I due s ettori 11 , 12 invece di essere s eparati come in Fig. 3 potrebbero es sere uniti lungo il raggio: si ha cos?

una zona opaca 1 3 come quella di Fig . 4, delimitata da due archi

di spirale 1 3a, 1 3b aventi l'origine nel centro A e terminanti in

uno stesso punto F del bordo: la parte restante 23 del disco ?

*01 ? invece trasparente.

Cu

Per facilitare la collocazione della maschera c oas - <3

? W? sialmente al fascio, si pu? realizzare una maschera come quella

delle Figure 5 - 7 in cui si vedono quattro settori opachi 14, 15

16 , 17 ciascuno dei quali ? una replica di quella parte della zona opaca di Fig. 2 limitata dall'arco .AH e dal segmento AH: i

quattro settori possono essere separati (come si vede in Fig. 5) , oppure due di essi potrebbero essere uniti lungo il raggio.

(Fig. 6 ) formando tre zone opache, 18, 18 ?, 18",

oppure ancora es si potrebbero essere uniti due a due (Fig. 7)

formando una maschera con due zone opache 19 , 20 e due zone

trasparenti.

Con una maschera di questo tipo la posizione coas -siale ? facilmente riconoscibile per il fatto che rende estremo

il segnale di uscita del fotorivelatore, come si pu? facilmente intuire.

In generale, si pu? utilizzare una maschera non azimutalmente simmetrica, composta di una o pi? zone perfettamente opache e una o pi? zone perfettamente trasparenti, tali che

<TEL S >lungo una qualsiasi corona circolare infinitesima, il rapporto r<ibt Ldi S>oo<ra Ctat e>o<u>n<re iii>a<p >T<l s>no<c>azunmo<eec>... tra le superfici trasparenti e quelle opache sia proporzionale

al quadrato del raggio della corona. Nel caso in cui si usi una

maschera con una pluralit? di s ettori opachi, il loro numero

dovr? essere sufficientemente piccolo da garantire una opportuna precisione della forma dei settori ed evitare sovrapposizioni eccessive al c entro.

Per quanto, riguarda le dimensioni della maschera

5 , queste dovranno es s ere tali da garantire una corretta modulazione spaziale del fascio di luce in uscita dalla fibra, ci? che

pu? es sere ottenuto as sicurandosi che il valore di intensit? di

campo ai bordi della maschera sia pi? che trascurabile; per

esempio c on un valore della dimensione della macchia luminosa di 4 yum (tipico di una fibra ottica monomodo) e utilizzando

un ingrandimento di 5 0 volte, il raggio della maschera potr?

essere dell'ordine di 1 mm o pi?, ci? che non crea problemi di costruzione.

Quanto detto in prec edenza per la misura della

macchia focale pu? ess ere applicato direttamente alla misura

' ?? i ^ di momenti d'ordine n qualsiasi; ovviamente in questo caso gli LU CO % archi che delimitano i settori opachi della maschera saranno

archi di spirale del tipo = k r*<1>. Inoltre, nel caso di misure

su un fascio ottico qualsiasi, questo verr? focalizzato da un opportuno sistema ottico direttamente s ul piano del supporto della maschera. In questo caso va precisato che se il campo elettromagnetico as sociato al fascio non ha una distribuzione azimutalmente simmetrica, non si potranno usare le maschere con

s ettori opachi e trasparenti delle Figure 2 - 7, ma occorrer?

usare una maschera azimutalmente simmetrica, p. es. una

scala di grigi con trasmittivit? nulla al c entro e mas sima ai

bordi, in cui la variazione di trasmittivit? sia proporzionale

n

a r .

RIVENDICAZIONI

1. Proc edimento per la misura del momento radiale del campo elettromagnetico associato a un fascio ottico, caratterizzato dal fatto che, per ogni valore n (con n intero e positivo) dell'ordine di tale momento, si. trasferisc e il fascio ottico su un piano immagine; si trasferisce la potenza ottica

presente sul piano immagine a un sistema di misura di tale

potenza ottica; si effettuano due misure di tale potenza ottica, una essendo una misura diretta e l'altra essendo effettuata, con le stesse condizioni di emissione del fascio della

I ?!s ? cfu prima, modulando spazialmente la distribuzione radiale d:i o p-l e> campo con un fattore proporzionale alla potenza LU ? ? ' g3 co 1 '9 n- esima della coordinata radiale del fascio; si ricava il va ow a ? ?3 8 ^ lore del momento dal rapporto tra 0 "5

tali misure.

2. Procedimento secondo la riv. 1 , caratterizzato dal fatto che

per detta misura con modulazione spaziale si dispone in corrispondenza di detto piano immagine, coassialmente al fascio, un filtro spaziale (5) la cui trasmittivit?, a una data

distanza r dall 'asse del fascio, ? proporzionale a ??.

3. Procedimento secondo la riv. 2 caratterizzato dal fatto che

detto filtro spaziale (5) ? una maschera azimutalmente simmetrica costituita da una scala di grigi con trasmittivit?

nulla al centro e mas sima ai bordi.

4. Proc edimento s econdo la riv. 2, caratterizzato dal fatto che

detto filtro (5) ? costituito da una maschera non azimutalmen

te simmetrica con zone trasparenti e zone opache, disposte

in modo tale che la maschera (5) sia opaca in corrispondenza

dell'asse del fascio mentre il rapporto tra le superfici delle

K n

due zone, a distanza r dall'asse, e proporzionale a r ,

5. Procedimento secondo la riv. 4 caratterizzato dal fatto che

detta maschera (5) e un disco in cui il settore'o ciascun settore" opaco { 10; 11 , 12; 13; 14, 15, 16, 1 7; 18, 18', 18";19,20) ? limitato da un

arco (1 Oa; Ila, 12a; 1 3a, 1 3b) di una curva la cui equazione, in coor?

dinate polari , ? del tipo cy = k- r*1 (C on ? = anomalia, r = raggio vettore

e k = fattore di proporzionalit?) , e da un raggio del disc o, l'arco e il

raggio che limitano un settore avendo gli estremi in comu-M _f O ?

c ne. v-i, CU '

O 00 *- -*1 -a o 6. Procedimento secondo la riv. 5, caratterizzato dal fatto che

LJJ u ^ ? tJ > CO |'| nel caso di pi? settori opachi almeno una coppia di questi

o 3 hanno in comune detto raggio. C 4>

<L> U ^ 7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da

1 a 6, caratterizzato dal fatto che detto fascio ottico ? il fascio trasmesso da una fibra ottica (3) di cui si deve misura?

re la dimensione della macchia luminos a e dal fatto che detta

modulazione spaziale ? effettuata con un fattore proporzionale al quadrato della coordinata radiale del fascio.

8. Apparecchiatura per realizzare il procedimento secondo una

qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, comprendente una

sorgente (1) di un fascio ottico, un primo sistema ottico

(2, 3 , 4) per trasferire il fascio su un piano immagine e

Claims

un eventuale secondo sistema ottico (6) per trasferire la potenza ottica presente su tale piano a un sistema di misura della stes sa ( 7, 8), caratterizzata dal fatto che in detto piano immagine ? disposto coas sialmente al fascio e in modo amo -vibile un filtro spaziale (5) che modula spazialmente la distribuzione radiale del campo elettromagnetico as sociato al fascio, e il sistema di misura { 7, 8) ? atto a ricavare il valore del momento di ordine n dal rapporto tra una misura della potenza ottica effettuai in pres enza del filtro (5) e una misura effettuata in assenza del fi ltro.

9. Apparecchiatura secondo la riv. 8, caratterizzata dal fatto che detto sistema di misura (7, 8) ? atto a ricavare il valore della dimensione della macchina luminosa di una fibra ottica ( 3) fac ente parte di detto primo sistema ottic o.

CS?L-T

Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni SpA li Direttore Generala

(dr. ing.JBasilio Catania)

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