本教程包含以下部分:
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[V%[U ① 玻璃
光纤中的导光
.`qw8e}y#' ② 光纤模式
OXc!^2^ ③ 单模光纤
# rnO=N8 ④ 多模光纤
\`3YE~7J/ ⑤ 光纤末端
.:gZ*ks~ ⑥ 光纤接头
kU^*hd] ⑦ 传播损耗
OSACH0h ⑧ 光纤耦合器和分路器
B>sSl1opI ⑨ 偏振问题
2\Bt~;EIx ⑩ 光纤的色散
1_$ybftS ⑪ 光纤的非线性
pIcvsd ⑫ 光纤中的超短脉冲和信号
!9w3/Gthj ⑬ 附件和工具
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这是 Paschotta 博士的无源光纤教程的第 4 部分
1N8gH&oF NKyaR_q` 第四部分:多模光纤
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_4p>v: V*]cF=W[A 多模光纤是在工作
波长具有多个导模的光纤——有时只有少数(→ 少模光纤),但通常很多。纤芯通常很大——不比整根光纤小多少(见图 1)。
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^APPWQUl 图 1: 单模光纤(左)的纤芯与包层相比非常小,而多模光纤(右)的纤芯很大
+pDZ,c, nO-1^HUl 同时,数值孔径往往比较高——例如,0.3。这种组合导致很大的 V 数,进而导致大量的模式。对于具有大 V 的阶跃折射率光纤,在计算两个偏振方向时,可以使用以下公式进行估算:
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<_XyHb- YI[y/~! 具有较少导模的光纤,例如 V 数在 3 到 10 之间的光纤,有时称为少模光纤。
vb^/DMhz 如果需要传输空间相干性差的光,则需要多模光纤。例如,典型的高功率
激光二极管的输出就是这种情况,例如二极管条。尽管它们的输出功率只有很小一部分可以发射到单模光纤中,但对于纤芯足够大和/或 NA 高的多模光纤来说,发射效率非常高。另一个例子是使用发光二极管(
LED ) 代替激光二极管作为光纤链路中的廉价信号源。其他应用存在
成像,例如;图像信息的传输需要具有多种空间模式的设备。
z*,P^K 0T ?+6w8j%\ 多模光规格
Op''=Ar#sh d@-s_gw 多模光纤的基本规格包括多模光纤的芯径和外径。常见的电信光纤(中距离光纤通信用光纤)为50/125 μm 和62.5/125 μm 光纤,芯径分别为50 μm 或62.5 μm,包层直径为125 μm。这种光纤支持数百种导模。 也可以使用具有甚至更大的芯直径(数百微米)的大芯光纤。
-jN:~. PEA<H0 将光发射到多模光纤中
/;P* ? EPO*{bN7O 与单模光纤相比,多模光纤更容易发射光,尤其是在它支持多种导模的情况下。为了高效启动,必须满足两个条件:
}t.J;(ff: - 输入光基本上应该只照射核心,而不是包层。
- 输入光不应包含大量以大于 arcsin NA 的角度传播的功率。
如果输入光的 M 2 因子足够小,则可以同时满足这两个条件。有效发射具有超高斯轮廓的
光束的最大 M 2因子可以从以下公式估算:
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bWp40&vx 4-ijuqjN 如果光功率很好地分布在所有模式上,这实际上是来自光纤的近似光束品质因数。(只有当光纤具有许多导模时,估计才准确。)当然,有效的发射不仅需要足够低的 M 2因子,还需要在真实空间和傅里叶空间中具有合适的强度分布形状。
k)l*L1Y4: 例如,考虑一根纤芯半径为 25 μm、数值孔径为 0.2 的光纤。图 2 显示了 1000 nm 处的单色输入光束的强度分布,它的数值构造使其刚好充满光纤纤芯,并且其角分布也达到了光纤数值孔径设定的极限。光束轮廓基本上是从具有完全随机相位值(导致巨大发散)的超高斯强度轮廓开始制作的,然后在傅里叶域中使用另一个超高斯函数进行滤波,并再次应用超高斯滤波器在空间域。
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V 角度分布导致复杂的强度变化。对于相同的光束质量,非单色光束的强度分布可能更平滑:虽然每个波长分量都有一个复杂的分布,但这些波动可以平均成一个平滑的整体分布。(特别是对于非单色光束,平滑的强度分布并不表示光束质量高。)
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#fT1\1[] 图 2: 多模光束 的强度分布,它具有大约最大可能的 M 2值,可有效发射到光纤中。
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NR98I7 图 3: 光纤中强度分布的演变。在最初的几毫米内,只有很少的光损失到包层中。如果进一步扩大初始光束尺寸或角度范围,类似的
模拟会表现出大量的发射损失。此外,如果光束轮廓大致为高斯而不是超高斯,则有效发射需要稍低的 M 2值(低于 10)。
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^ 如果将光发射到特定的高阶模式,则该光的 M 2值可能比上述公式大 2 倍左右。
WsHC%+\' "XvM1G&s` 输出光束轮廓
sqKLz h7 uv0a~0 多模光纤的输出光束轮廓取决于发射条件。此外,它还敏感地取决于整个光纤的条件(弯曲、温度等)。这是因为这种效应会影响所有模式的 β 值,从而影响干扰条件。在较长的光纤长度上,即使 β 值的微小变化也会产生显着影响。
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2.y=P8N 多模光纤有时用于光束均匀化,即获得更平滑的强度分布。但是,这仅适用于多色光,其中不同频率分量的分布平均了。
E]Wnl\Be %~z/, [wk 多模光纤中的单模传播
3RYg-$NK[ %M?A>7b 如果将光完全发射到多模光纤的基模中,则光束轮廓原则上应在传播过程中保持不变。然后将获得具有高光束质量的输出,类似于单模光纤的输出。然而,各种干扰可能导致模式耦合:一些光可能会耦合成高阶模式,从而破坏光束质量。
xw1@&QwM 幸运的是,这种耦合效应通常不是那么强。例如,考虑纤芯直径为 20 μm 且 NA 为 0.1 的阶跃折射率光纤。这是一种少模光纤,支持 6 个导模(计算所有模式方向时)。我们取一段 10 毫米长的光纤并引入一个相对陡峭的弯曲,其中反向弯曲半径在中间平稳上升到 1 / (10 毫米),然后再次回到零。这种弯曲会导致光纤中间的模式分布发生显着偏移和变形:
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