理解單模光纖 基本使用篇

原創 Webinar Thorlabs索雷博

單模光纖概念回顧

單模光纖在截止波長和彎曲邊緣之間傳輸LP01基模。如果看光纖傳輸的截面，光強輪廓可通過復雜的貝塞爾函數精que表示，但大部分情況下只需用高斯函數簡化處理。我們用模場直徑(MFD)表示光強輪廓的直徑，它是強度降低到中心光強1/e2的直徑。模場直徑略大于纖芯直徑，所以部分光要通過包層傳輸。

折射率輪廓、徑向強度輪廓和模場直徑的對比。

模場直徑與纖芯直徑(d)、數值孔徑(NA)和波長(λ)的關系：

單模光纖的輸出性質

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可用幾何光學模擬：輸出角/接收角和發生全內反射時纖芯-包層界面上的入射角有關，也和纖芯和包層的折射率差(NA)有關。

高斯光束基礎知識

單模光纖輸出需要通過高斯光束模擬。高斯光束的強度使用高斯函數表示，在光軸任意z點上都有相同的強度輪廓，但光束直徑不斷變化，而*xiao的光束直徑叫做束腰。束腰越小，光束發散角越大。在其它條件相同時，波長越短，發散角也越大。

通過公式可能更容易判斷高斯光束的性質。高斯光束半徑(ω)使用1/e2半徑表示。瑞利長度是從束腰開始、光束直徑變為√2倍或截面積變為2倍的傳播長度。發散光束的瑞利長度較短，準直光束的瑞利長度較長。光束的發散速度在瑞利范圍內與傳播距離是非線性關系，但進入遠場后變成線性，只與波長和束腰有關。

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直徑。在上面的公式中，如果用模場直徑(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度、任意位置的光束半徑和遠場發散角。

雖然單模光纖輸出的遠場發散角只通過波長和束腰半徑計算，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根據纖芯和包層的折射率差定義NA，而康寧在規格單中則有這樣的說明，SMF-28光纖的NA在1310 nm一維遠場掃描的1%功率水平處測量。

因為通過不同的NA和纖芯直徑組合可實現相同的截止波長，而纖芯越小，模場直徑也越小，但發散角越大，因此NA也將間接地影響單模光纖輸出的發散角。具體請看標準通信光纖和一種高NA熔接光纖的設計參數對比。

SMF-28光纖

纖芯直徑：8.2µm

NA：0.12

截止波長：1285nm

MFD：10.4µm@1550nm

遠場發散角：5.44°

高NA光纖

纖芯直徑：2.81µm

NA：0.35

截止波長：1284nm

MFD：3.57µm@1550nm

遠場發散角：15.84°

單模光纖準直

準直相當于用透鏡把小束腰、高發散光束變成大束腰、低發散光束。我們可以利用高斯光束的薄透鏡公式作為參考。如果焦距遠大于瑞利長度，光纖輸出的高發散光束就是如此，那么方框中的附加項可以被略去。透鏡輸出的準直光束半徑可通過模場直徑、焦距和波長計算。

對于光纖準直器的設計，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離準直器的地方，實現合適的工作距離。

兩種準直器設計

單模光纖耦合

耦合是準直的反向過程，但也是復雜很多的過程。耦合效率是耦合到光纖中的功率與入射光束功率之比。

為了實現高耦合效率，入射光束必xu滿足多個條件：

l 高斯強度輪廓

l 從光纖端面正入射

l 束腰位于光纖端面

l 束腰中心對準纖芯中心

l 束腰直徑等于光纖MFD

?耦合方式                                          ?耦合方式

在實驗室環境，85%以上的單模光纖耦合效率就被認為是很高的水平。下表是Thorlabs某種光纖耦合裝置在不同波長處的效率。波長越長，耦合效率越高。這是因為波長越短，模場直徑越小，定位精度要求越高，*jia耦合條件越難滿足，而且短波長的散射也更大。另外，非高斯光束的耦合效率很低。

一對準直器實現高耦合效率

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

束腰不匹配模場直徑                                束腰偏離纖芯

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

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動控制和定位，比如三維撓性位移臺和差分調節器就是不錯的組合。

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，即等于模場直徑，在選擇耦合透鏡時可根據波長、光纖模場直徑和輸入準直光束直徑(d)確定焦距：

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

耦合裝置和技巧

典型的光纖耦合裝置如下所示。在操作過程中查看功率讀數便于判斷是否達到了*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反射鏡方便調節入射光束的俯仰和偏轉，這樣光纖只要在XYZ方向平移就能實現*jia對準。額外調節光纖的俯仰和偏轉會有太多自由度，反而更難調到*jia耦合效率。

我們有兩種粗略對準的方法。一是用小纖芯多模光纖預對準裝置，這樣換上單模光纖后通常會有一些信號，方便后續操作。二是將可見光反向通過光纖，由此得到對準光束，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手持式光源提供對準光束。

另外，對準時可能卡在局部極da值處。對于XYZ平移調節的步驟：首xian調節X和Y達到*gao功率；然后從一個方向調節Z并重新優化XY，耦合效率提高說明是正確的Z方向，否則要嘗試反向調節；重復以上步驟，直到調出*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。高光強可能燒壞光纖端面，而*xian制因素是光纖材料的承受功率。對于石英，有一個參考值是95 kW/cm，所以SMF-28光纖在接近50 W就要考慮石英退化的問題。但現實中很難達到理論閾值，總有*ruo的一環會將功率限制在更低的水平。

關于高功率激光耦合的幾個實用建議：使用端面未鍍增透膜的光纖，因為增透膜能夠承受的功率密度低很多；確保端面的清潔，因為灰塵和污漬會由于散射而引發問題；確保束腰和模場直徑完quan一致，使所有光都能被耦合；以低功率完成耦合對準，然后在緩慢增加功率的同時注意損傷；經常檢查端面。

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，對于2700 K燈絲，基模可耦合的理論功率譜密度只有0.92 nW/nm，而實際情況比這更低。

未被耦合到基模中的光去哪里了？在左下圖中，幾米長的單模光纖與白光超連續光源耦合。光纖末端輸出了白光，說明這些光被耦合在基模并通過了整段光纖。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、或者說除基模之外的微弱導模。如果光纖很短，這些模式可能產生不良的影響。

包層模無法                                        通過卷繞光纖

通過整段長光纖                                    消chu松散的模式

因為除基模之外的模式受彎曲影響很大，因此通過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。

兩段光纖的對接

前面講了使用透鏡將自由空間光束耦合到光纖中的問題，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光纖接頭。對接兩根單模光纖時，兩者的模場直徑必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耦合效率的影響，只不過現在比較的是兩個模場直徑。

光纖熔接                                           通過匹配導管對接

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

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

纖芯未對準                                        模場直徑不匹配

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