光纤核心技术解析：从波导效应到活性光纤
发布时间：2023-11-16 01:46:02.000Z
概述：本文深入探讨了光纤的核心部分——光纤芯，它不仅是波导效应的主要承担者，也在活性光纤中提供光的放大。文章详细介绍了玻璃光纤核心的相关技术，包括折射率控制、活性光纤的特殊性质，以及双折射光纤等多种光纤核心属性。
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光纤核心的波导作用
光纤的核心区域是光波导的主要场所，即它主要负责波导效应。在活性光纤中，它还负责光的放大。虽然本文重点讨论的是玻璃光纤的核心，但也存在塑料光纤。
折射率控制
波导属性由折射率分布决定，也就是芯相对于包层的折射率增加。对于阶跃折射率分布，常用的参数包括数值孔径和V数。然而，许多光纤基于非阶跃指数设计，这些参数定义不明确，因此用处有限。例如，有近似抛物线指数分布的梯度指数光纤，以及在中心有明显制造相关指数凹陷的单模光纤。
通常，光纤的核心是一个略微增加折射率的区域，不是通过使用完全不同的玻璃，而是通过掺杂一些提高指数的材料。对于二氧化硅光纤，典型的提高指数的掺杂物包括：
- 锗石（GeO2 → 锗硅酸盐）
- 氧化铝（Al2O3 → 铝硅酸盐）
- 五氧化二磷（P2O5 → 磷硅酸盐）
- 氧化硼（B2O3 → 硼硅酸盐）
另外或者额外地，可以通过掺氟等手段降低光纤包层（或仅限于核周围的有限沟槽）的折射率。降低指数的剂也可以在核心中使用，如果其他所需掺杂物（特别是对于活性光纤）会使折射率差异过高。或者，可以在核心周围制造一个略微增加折射率的环。
对于具有低数值孔径的大模式面积单模光纤，准确的折射率分布非常重要。例如，经常遇到的核心中心折射率下降的效应可能是有害的。
在常规全玻璃光纤中，通常只有非常有限的折射率对比，导模可以使用标量近似计算，这极大地简化了数学分析。
空心芯光纤
光子晶体光纤甚至可以有一个空心的核心，即一个直径通常为几微米的空气孔。波导是通过一种光子带隙实现的。
活性光纤核心
活性光纤，即可用于光纤放大器或激光器的光纤，需要额外的激光活性掺杂物。在几乎所有情况下，光纤核心都含有稀土离子，如Er3+（铒）、Yb3+（镱）或Nd3+（钕）——并且通常还有一些额外的掺杂物，例如用于提高稀土离子的溶解性，这对于纯熔融二氧化硅来说是相当低的。人们经常使用铝硅酸盐或磷硅酸盐玻璃。
核心玻璃材料的最大声子能量决定了多声子跃迁的可能性，并且对能级寿命有很大影响。
玻璃组成也影响不同离子之间有效能量转移的可能性，例如在铒镱掺杂光纤中。
双折射光纤
尽管大多数光纤的核心是旋转对称的，但有方法打破这种对称性，例如通过使用椭圆形核心和/或在核心周围引入不对称结构。这可以导致强双折射（→保偏光纤）甚至导致偏振依赖性导引（→单偏振光纤）。
光纤核心的其他重要属性
除了波导外，核心的细节还影响光纤的其他属性：
- 核心的均匀性和材料纯度会影响通过散射和吸收的光纤损耗。这特别适用于具有高数值孔径（强烈折射率对比）的核心。
- 光纤对光暗化效应的倾向以及抵抗辐射损伤（辐射诱导老化）的能力也强烈依赖于化学组成。某些掺杂物（例如锗石）应该在抗辐射光纤中避免使用。
- 光纤核心的光敏感性决定了通过紫外光照射制造光纤布拉格光栅的潜力。
非中心光纤核心
在大多数情况下，光纤核心位于光纤横截面的中心，因为这有助于熔接、光的引入、使用光纤连接器和其他光纤接头等。然而，对于双包层光纤，使用偏心核心可能是有利的，因为这可以显著提高泵浦吸收。在罕见的情况下，使用螺旋核心光纤，其中核心围绕光纤轴线旋转。
还有包含多个核心的多核光纤，显然这些核心中的大多数不能集中在光纤横截面上。
