理解單模光纖 基本使用篇

原創(chuàng) Webinar Thorlabs索雷博

單模光纖概念回顧

單模光纖在截止波長(zhǎng)和彎曲邊緣之間傳輸LP01基模。如果看光纖傳輸?shù)慕孛?，光?qiáng)輪廓可通過(guò)復(fù)雜的貝塞爾函數(shù)精que表示，但大部分情況下只需用高斯函數(shù)簡(jiǎn)化處理。我們用模場(chǎng)直徑(MFD)表示光強(qiáng)輪廓的直徑，它是強(qiáng)度降低到中心光強(qiáng)1/e2的直徑。模場(chǎng)直徑略大于纖芯直徑，所以部分光要通過(guò)包層傳輸。

折射率輪廓、徑向強(qiáng)度輪廓和模場(chǎng)直徑的對(duì)比。

模場(chǎng)直徑與纖芯直徑(d)、數(shù)值孔徑(NA)和波長(zhǎng)(λ)的關(guān)系：

單模光纖的輸出性質(zhì)

下面展示多模和單模光纖輸出的自由空間光束。

0.17 NA多模光纖輸出                       0.12 NA單模光纖輸出

多模光纖的輸出光束性質(zhì)可用幾何光學(xué)模擬：輸出角/接收角和發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)纖芯-包層界面上的入射角有關(guān)，也和纖芯和包層的折射率差(NA)有關(guān)。

高斯光束基礎(chǔ)知識(shí)

單模光纖輸出需要通過(guò)高斯光束模擬。高斯光束的強(qiáng)度使用高斯函數(shù)表示，在光軸任意z點(diǎn)上都有相同的強(qiáng)度輪廓，但光束直徑不斷變化，而*xiao的光束直徑叫做束腰。束腰越小，光束發(fā)散角越大。在其它條件相同時(shí)，波長(zhǎng)越短，發(fā)散角也越大。

通過(guò)公式可能更容易判斷高斯光束的性質(zhì)。高斯光束半徑(ω)使用1/e2半徑表示。瑞利長(zhǎng)度是從束腰開(kāi)始、光束直徑變?yōu)椤?倍或截面積變?yōu)?倍的傳播長(zhǎng)度。發(fā)散光束的瑞利長(zhǎng)度較短，準(zhǔn)直光束的瑞利長(zhǎng)度較長(zhǎng)。光束的發(fā)散速度在瑞利范圍內(nèi)與傳播距離是非線性關(guān)系，但進(jìn)入遠(yuǎn)場(chǎng)后變成線性，只與波長(zhǎng)和束腰有關(guān)。

單模光纖輸出

單模光纖輸出自由空間高斯光束，其束腰直徑等于光纖的模場(chǎng)直徑。在上面的公式中，如果用模場(chǎng)直徑(MFD)的一半代替自由空間光束的束腰半徑，這樣就可算出光纖輸出光束的瑞利長(zhǎng)度、任意位置的光束半徑和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。

雖然單模光纖輸出的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角只通過(guò)波長(zhǎng)和束腰半徑計(jì)算，但NA的間接影響也值得注意。NA可能采用不同的定義。比如，Thorlabs根據(jù)纖芯和包層的折射率差定義NA，而康寧在規(guī)格單中則有這樣的說(shuō)明，SMF-28光纖的NA在1310 nm一維遠(yuǎn)場(chǎng)掃描的1%功率水平處測(cè)量。

因?yàn)橥ㄟ^(guò)不同的NA和纖芯直徑組合可實(shí)現(xiàn)相同的截止波長(zhǎng)，而纖芯越小，模場(chǎng)直徑也越小，但發(fā)散角越大，因此NA也將間接地影響單模光纖輸出的發(fā)散角。具體請(qǐng)看標(biāo)準(zhǔn)通信光纖和一種高NA熔接光纖的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比。

SMF-28光纖

纖芯直徑：8.2µm

NA：0.12

截止波長(zhǎng)：1285nm

MFD：10.4µm@1550nm

遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角：5.44°

高NA光纖

纖芯直徑：2.81µm

NA：0.35

截止波長(zhǎng)：1284nm

MFD：3.57µm@1550nm

遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角：15.84°

單模光纖準(zhǔn)直

準(zhǔn)直相當(dāng)于用透鏡把小束腰、高發(fā)散光束變成大束腰、低發(fā)散光束。我們可以利用高斯光束的薄透鏡公式作為參考。如果焦距遠(yuǎn)大于瑞利長(zhǎng)度，光纖輸出的高發(fā)散光束就是如此，那么方框中的附加項(xiàng)可以被略去。透鏡輸出的準(zhǔn)直光束半徑可通過(guò)模場(chǎng)直徑、焦距和波長(zhǎng)計(jì)算。

對(duì)于光纖準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)，如果把透鏡放在略大于焦距的位置，輸出束腰將被推到更遠(yuǎn)離準(zhǔn)直器的地方，實(shí)現(xiàn)合適的工作距離。

兩種準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)

單模光纖耦合

耦合是準(zhǔn)直的反向過(guò)程，但也是復(fù)雜很多的過(guò)程。耦合效率是耦合到光纖中的功率與入射光束功率之比。

為了實(shí)現(xiàn)高耦合效率，入射光束必xu滿足多個(gè)條件：

l 高斯強(qiáng)度輪廓

l 從光纖端面正入射

l 束腰位于光纖端面

l 束腰中心對(duì)準(zhǔn)纖芯中心

l 束腰直徑等于光纖MFD

?耦合方式                                          ?耦合方式

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，85%以上的單模光纖耦合效率就被認(rèn)為是很高的水平。下表是Thorlabs某種光纖耦合裝置在不同波長(zhǎng)處的效率。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，耦合效率越高。這是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)越短，模場(chǎng)直徑越小，定位精度要求越高，*jia耦合條件越難滿足，而且短波長(zhǎng)的散射也更大。另外，非高斯光束的耦合效率很低。

一對(duì)準(zhǔn)直器實(shí)現(xiàn)高耦合效率

只要偏離*jia耦合條件，耦合效率都將因此降低。束腰和模場(chǎng)直徑不匹配、橫向偏差和角度偏差對(duì)耦合效率的影響都可通過(guò)理論公式估算。

束腰不匹配模場(chǎng)直徑                                束腰偏離纖芯

對(duì)于束腰和模場(chǎng)直徑不匹配的情況，如果束腰大于模場(chǎng)直徑，外圍光束就無(wú)法被耦合，效率因此降低這很好理解，但束腰小于模場(chǎng)直徑也會(huì)降低效率則有點(diǎn)反直覺(jué)。這*zhong還是光斑不滿足光纖的模式要求。不過(guò)，如果束腰和模場(chǎng)直徑偏差較小，耦合效率受影響也較小，只有兩者很不匹配時(shí)才會(huì)大幅降低。

入射光束和纖芯之間的橫向或角度偏差將顯著地降低耦合效率，所以光纖耦合要求高精密運(yùn)動(dòng)控制和定位，比如三維撓性位移臺(tái)和差分調(diào)節(jié)器就是不錯(cuò)的組合。

單模光纖耦合                                     保偏光纖耦合

MBT612D                                          MBT621D

耦合透鏡的選擇

為了將光束聚焦到正確的尺寸，即等于模場(chǎng)直徑，在選擇耦合透鏡時(shí)可根據(jù)波長(zhǎng)、光纖模場(chǎng)直徑和輸入準(zhǔn)直光束直徑(d)確定焦距：

以SMF-28光纖耦合為例。假設(shè)我們需要將波長(zhǎng)1550 nm、直徑3 mm的準(zhǔn)直高斯光束耦合到光纖中，那么通過(guò)焦距為15.8 mm的透鏡才能得到10.4 μm光斑。如果實(shí)際焦距不完quan匹配，一般情況下使用焦距略小的透鏡。這樣會(huì)給出略小的光斑，對(duì)于耦合效率的影響較小。因此我們可選用焦距為15.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)品透鏡。

耦合裝置和技巧

典型的光纖耦合裝置如下所示。在操作過(guò)程中查看功率讀數(shù)便于判斷是否達(dá)到了*gao的耦合效率。我們要使光束正入射在透鏡中心，在光源和透鏡中間用一對(duì)反射鏡方便調(diào)節(jié)入射光束的俯仰和偏轉(zhuǎn)，這樣光纖只要在XYZ方向平移就能實(shí)現(xiàn)*jia對(duì)準(zhǔn)。額外調(diào)節(jié)光纖的俯仰和偏轉(zhuǎn)會(huì)有太多自由度，反而更難調(diào)到*jia耦合效率。

我們有兩種粗略對(duì)準(zhǔn)的方法。一是用小纖芯多模光纖預(yù)對(duì)準(zhǔn)裝置，這樣換上單模光纖后通常會(huì)有一些信號(hào)，方便后續(xù)操作。二是將可見(jiàn)光反向通過(guò)光纖，由此得到對(duì)準(zhǔn)光束，使之與輸入光束同軸。下圖中的耦合裝置就采用了第er種方法，其中使用HLS635手持式光源提供對(duì)準(zhǔn)光束。

另外，對(duì)準(zhǔn)時(shí)可能卡在局部極da值處。對(duì)于XYZ平移調(diào)節(jié)的步驟：首xian調(diào)節(jié)X和Y達(dá)到*gao功率；然后從一個(gè)方向調(diào)節(jié)Z并重新優(yōu)化XY，耦合效率提高說(shuō)明是正確的Z方向，否則要嘗試反向調(diào)節(jié)；重復(fù)以上步驟，直到調(diào)出*gao功率。

高功率光束耦合

由于單模光纖耦合要求聚焦到非常小的光斑，因此較低的總功率也有很高的功率密度。高光強(qiáng)可能燒壞光纖端面，而*xian制因素是光纖材料的承受功率。對(duì)于石英，有一個(gè)參考值是95 kW/cm，所以SMF-28光纖在接近50 W就要考慮石英退化的問(wèn)題。但現(xiàn)實(shí)中很難達(dá)到理論閾值，總有*ruo的一環(huán)會(huì)將功率限制在更低的水平。

關(guān)于高功率激光耦合的幾個(gè)實(shí)用建議：使用端面未鍍?cè)鐾改さ墓饫w，因?yàn)樵鐾改つ軌虺惺艿墓β拭芏鹊秃芏啵淮_保端面的清潔，因?yàn)榛覊m和污漬會(huì)由于散射而引發(fā)問(wèn)題；確保束腰和模場(chǎng)直徑完quan一致，使所有光都能被耦合；以低功率完成耦合對(duì)準(zhǔn)，然后在緩慢增加功率的同時(shí)注意損傷；經(jīng)常檢查端面。

完好的光纖端面                                    損傷的光纖端面

寬帶光源耦合

假設(shè)要將很不高斯的混模光束耦合到單模光纖中。由于每種空間模式的光強(qiáng)都極低，而單模光纖只能接收一種模式，所以耦合效率也是極低的。以白熾燈耦合為例，對(duì)于2700 K燈絲，基?？神詈系睦碚摴β首V密度只有0.92 nW/nm，而實(shí)際情況比這更低。

未被耦合到基模中的光去哪里了？在左下圖中，幾米長(zhǎng)的單模光纖與白光超連續(xù)光源耦合。光纖末端輸出了白光，說(shuō)明這些光被耦合在基模并通過(guò)了整段光纖。耦合端的黃光只傳播了一小段就被損耗了。這些是包層模、高階模、或者說(shuō)除基模之外的微弱導(dǎo)模。如果光纖很短，這些模式可能產(chǎn)生不良的影響。

包層模無(wú)法                                        通過(guò)卷繞光纖

通過(guò)整段長(zhǎng)光纖                                    消chu松散的模式

因?yàn)槌Ｖ獾哪Ｊ绞軓澢绊懞艽螅虼送ㄟ^(guò)彎曲光纖檢查是否漏光、輸出光束圖案是否變化，這樣就能探測(cè)并消chu這些模式。比如像右上圖一樣把光纖卷繞在圓柱體上，光纖彎曲后就漏出了藍(lán)光。另外，模式剝離器和折射率匹配凝膠也是可行的方法。

兩段光纖的對(duì)接

前面講了使用透鏡將自由空間光束耦合到光纖中的問(wèn)題，但兩段光纖也能直接耦合，比如光纖熔接或者使用匹配套管連接兩個(gè)光纖接頭。對(duì)接兩根單模光纖時(shí)，兩者的模場(chǎng)直徑必xu匹配，這樣就能得到很高的耦合效率。和自由空間耦合類似，這里也能用公式估算各種偏差對(duì)耦合效率的影響，只不過(guò)現(xiàn)在比較的是兩個(gè)模場(chǎng)直徑。

光纖熔接                                           通過(guò)匹配導(dǎo)管對(duì)接

箭頭指示熔接前中后                                 兩個(gè)FC/APC接頭

下面展示了纖芯偏移和模場(chǎng)直徑不匹配的問(wèn)題。隨著纖芯偏移增加，耦合效率迅速下降。模場(chǎng)直徑不匹配時(shí)需要注意的是，這種不匹配對(duì)單模光纖耦合效率的影響是雙向的。也就是說(shuō)，不管從xiao到da纖芯還是從大到小纖芯，損耗是相同的。

纖芯未對(duì)準(zhǔn)                                        模場(chǎng)直徑不匹配

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