光纤基础知识

发布时间:2023-07-12 08:00:00

光纤是一种可传输光能和信息的圆形介质波导。它们有一个中心纤芯,周围是折射率略低(≈1%)的同心包层。光纤通常由二氧化硅和指数改性掺杂剂(如GeO2)制成。一层或两层缓冲材料(如丙烯酸酯)组成的保护层用于减少相邻光纤之间的串扰,以及光纤压在粗糙表面时产生的增加损耗的微弯曲。

图1. 光纤的横截面图。
为了更好地保护环境,光纤通常与电缆结合在一起。典型的电缆具有聚乙烯护套,将光纤包裹在钢或凯夫拉纤维等强度部件中。


图2. 单根光缆的横截面图。
作为介质波导的光纤: 光纤模式
由于纤芯的折射率高于包层,如果满足内部全反射的角度条件,光将被限制在纤芯中。光纤的几何形状和组成决定了可在光纤中传播的离散电磁场集(或称光纤模式)。
 

作为介质波导的光纤: 光纤模式
由于纤芯的折射率高于包层,如果满足内部全反射的角度条件,光将被限制在纤芯中。光纤的几何形状和组成决定了可在光纤中传播的离散电磁场集(或称光纤模式)。

模式有两大类:辐射模式和引导模式。辐射模将能量带出纤芯;能量会迅速消散。导波模式则局限于纤芯,沿光纤传播能量,传输信息和功率。如果光纤纤芯足够大,则可同时支持多种导波模式。每个导波模式都有自己独特的速度,并可进一步分解为正交线性偏振分量。光纤内的任何场分布都可以表示为模式的组合。图1显示了环形对称光纤的两个最低阶导波模式--LP01和LP11。

图3a. LP01 模式分布。

图3b. LP11 模式分布。
当光被发射到光纤中时,根据发射的条件--输入锥角、光斑大小、轴向中心度等,模式会被不同程度地激发。随着模之间的能量交换,模之间的能量分布随距离变化。特别是,能量可以通过扰动(如光纤的微弯曲和扭曲)从导向模式耦合到辐射模式,从而增加衰减。

带宽限制
光纤的带宽决定了数据传输速率。限制光纤带宽的机制称为色散。色散是指光脉冲在光纤中传播的过程。其结果是脉冲开始相互扩散,符号变得难以区分。色散主要分为两类:模间色散和模内色散。

图4 光纤中的色散 光纤中的色散
模间色散
模内色散有时也称为材料色散,是光纤材料特性的结果,适用于单模和多模光纤。模内色散有两种不同类型:色度色散和偏振模色散。顾名思义,模间色散是光纤中不同模式之间的现象。因此,这类色散仅适用于多模光纤。由于所有不同的传播模式具有不同的群速度,因此每个模式传播固定距离所需的时间也不同。因此,当光脉冲在多模光纤中传播时,脉冲开始扩散,直至最终相互扩散。这种效应既限制了多模光纤的带宽,也限制了其传输数据的距离。

色散和偏振模色散
折射率随波长而变化。因此,不同波长的光以不同的速度在光纤中传播。这就是色散。

这一原理意味着FWHM较宽的脉冲将比FWHM较窄的脉冲传播得更远。色散限制了信息的带宽和传输距离。因此,对于长距离通信链路来说,最好使用线宽非常窄的激光器。分布反馈(DFB)激光器在通信领域很受欢迎,因为它们具有线宽非常窄的单一纵向模式。

偏振模色散(PMD)实际上是另一种形式的材料色散。单模光纤支持一种模式,该模式由两个正交偏振模式组成。理想情况下,光纤的纤芯是完全圆形的。但事实上,光纤纤芯并非完全圆形,弯曲等机械应力会在光纤中产生双折射,导致其中一个正交偏振模的传输速度快于另一个,从而引起光脉冲色散。

衰减
由于吸收和散射损耗,在光纤中传播的光功率随长度呈指数衰减。衰减是决定光纤通信系统成本的最重要因素,因为它决定了为保持可接受的信号水平所需的中继器间距。

在近红外和可见光区域,纯硅的少量吸收损耗是由于远红外和紫外吸收带的尾部造成的。杂质--特别是以羟基离子形式存在的水--是导致商用纤维吸收的主要原因。最近光纤纯度的提高减少了衰减损失。最先进系统的衰减可达0.1 dB/km。

散射可将能量从引导模式耦合到辐射模式,导致光纤能量损失。当光纤凝固时,小尺度的指数波动会凝固在光纤中,从而产生不可避免的瑞利散射损耗。这会产生与 l/λ4 成比例的衰减。纤芯直径和几何形状的不规则性或光纤轴向的变化也会导致散射。任何造成尺寸不规则的工艺(如微弯曲)都会增加散射,从而增加衰减。

图 5. 二氧化硅中的典型光谱衰减。
数值孔径(NA)
光纤的数值孔径(NA)定义为入射光线在纤芯内部全反射时的最大角度的正弦值。在光纤 NA 所规定的角度之外发射的光线将激发光纤的辐射模式。相对于包层,纤芯指数越高,NA越大。然而,NA越大,掺杂浓度越高,散射损耗也越大。光纤的NA可通过测量其所有模式被激发时所发射光锥的发散角来确定。

图6. 光纤的数值孔径。
从质量上讲,NA是光纤聚光能力的度量。它还表示光耦合到光纤中的难易程度。

V数
光纤的归一化频率参数,也称为V数,是一个有用的指标。许多光纤参数都可以用V表示,例如:给定波长下的模式数、模式截止条件和传播常数。例如,阶跃指数多模光纤的导模数由V2/2给出,当V<2.405时,阶跃指数光纤在给定波长下成为单模光纤。在数学上,V=2 π-NA-a/λ,其中 "a "为光纤纤芯半径。

光纤剥离
光纤电缆的外护套可使用电缆剥线工具去除,剪刀或刀片可修剪Kevlar强度部件。但是,必须非常小心地去除光纤涂层,以避免损坏光纤 - 表面缺陷和划痕是大多数光纤故障的原因。可使用我们的光纤剥离器去除涂层。

光纤端接
端面质量是影响光纤连接器和接头损耗的最重要因素之一。优质端面可通过抛光或使用光纤切割器获得。当光纤通过环氧树脂固定在套圈中时,抛光可用于连接器端接。下文介绍了常用的连接器及其端面制备方式。

光纤连接器类型

图7. 不同光纤连接器类型的示例。
SMA - 由于其不锈钢结构和低精度螺纹光纤锁定机制,这种连接器主要用于需要将高功率激光束耦合到大芯多模光纤中的应用。典型应用包括医疗、生物医学和工业应用中的激光束传输系统。SMA连接器的典型插入损耗大于1 dB。

ST - ST连接器广泛用于现场和室内光纤局域网应用。其高精度陶瓷套圈可用于多模和单模光纤。卡口式键控耦合机制具有按压和旋转锁定连接器的功能,可防止过度紧固和损坏光纤端头。ST连接器的插入损耗小于0.5 dB,典型值通常为0.3 dB。钻孔金属ST连接器的插入损耗大于1 dB,可用于Newport的大芯(大于140 µm)光纤。

FC - FC已成为单模光纤的首选连接器,主要用于光纤仪器、SM光纤元件和高速光纤通信链路。这种高精度陶瓷套圈连接器配有防旋转键,可减少光纤端面损坏和光纤的旋转对准敏感性。该键还用于将光纤重复对准最佳、最小损耗位置。该连接器还提供多模版本。FC连接器的典型插入损耗约为0.3 dB。钻孔金属FC连接器的插入损耗大于1 dB,目前正与Newport的大芯(大于140 µm)光纤一起使用。

SC - SC连接器在单模光纤电信和模拟CATV、现场部署链路中越来越受欢迎。高精度的陶瓷套圈结构是对准单模光纤的最佳选择。该连接器的外部方形轮廓与推拉耦合机制相结合,可提高仪器和配线架中连接器的封装密度。键控外体可防止旋转敏感性和光纤端面损坏。该连接器还提供多模版本。SC连接器的典型插入损耗约为0.3 dB。

连接器端面准备
一旦光纤端接了特定的连接器,连接器端面的准备将决定连接器的回波损耗,也称为背反射。背向反射是指向前传播通过连接器的光与被连接器表面反射回光源的光之间的比率。在高速和模拟光纤链路中,使用窄线宽光源(如DFB激光器)时容易出现跳模和输出波动,因此最大限度地减少背向反射非常重要。

图8. 光纤连接器端面类型 光纤连接器端面类型。
平面抛光 - 连接器表面的平面抛光将导致约 -16 dB(4%)的背向反射。

PC 抛光 - 物理接触 (PC) 抛光使连接器表面略微弯曲,迫使配对连接器对的光纤端相互物理接触。这消除了光纤到空气的界面,从而产生-30至-40 dB的背反射。PC抛光是最流行的连接器端面处理方法,用于大多数应用。

SPC和UPC抛光 - 在超级PC(SPC)和超PC(UPC)抛光中,延长抛光周期可提高连接器的表面质量,使背反射分别达到-40至-55 dB和< -55dB。这些抛光类型用于高速数字光纤传输系统。

APC抛光 - 角PC(APC)抛光,在连接器端面增加8度角。通过这种抛光,通常可实现<-60 dB的背反射。

光纤切割是实现镜平光纤端面的最快方法--只需几秒钟。其基本原理是将光纤置于张力下,用金刚石或硬质合金刀片垂直于轴线划线,然后将光纤拉开以产生干净的断裂。我们的F-BK3和FK11光纤切割器使这一过程特别快速和简单。在抛光或劈裂后检查光纤末端是明智之举。

图 9. 典型的F-BK3裂口干净、平整、垂直。
将光耦合到光纤中
良好的耦合效率要求对光纤进行精确定位,使光纤纤芯在聚焦激光束中居中。对于纤芯较大的多模光纤,光纤定位器可实现良好的耦合效率。单模光纤需要更精细的耦合器,具有亚微米级的定位分辨率,如ULTRAlign和562F不锈钢定位器F-915和F-1015光纤耦合器。当需要最大耦合效率时,这些耦合器也适用于多模光纤。

为了获得良好的耦合效率,聚焦光束的特性必须与光纤参数相匹配。对于多模光纤而言,这一点非常简单。一般准则如下

聚焦光斑应与纤芯尺寸相当。

入射锥角不应超过光纤 NA 的余弦值(例如,0.2 NA 为 23°,0.3 NA 为 35°)。


图 10. 多模光纤的发射条件。(a) 过度填充 (b) 填充不足。
为了最大限度地耦合到单模光纤中,必须使入射场分布与光纤模式相匹配。例如,阶跃折射率光纤的 HE11 模的模态轮廓可以用宽度为 1/e w 的高斯分布近似表示:

对于我们的F-SV光纤(V = 2),高斯宽度约为纤芯直径的28%,因此光纤表面的光斑大小应为纤芯直径的1.28倍。对于高斯激光束,入射到焦距为f的聚焦透镜上以产生直径为w的聚焦光斑所需的光束直径D为D = 4λf/( πw)。考虑到激光光束束腰和发散,很容易确定聚焦透镜和激光器之间的距离,以便将光束扩大到所需的直径。

现在给出模场直径是为了更容易地匹配透镜和光纤的高斯光束。高数值孔径透镜必须准直激光二极管的发散输出光束。Newport的F-L系列二极管激光聚焦透镜采用AR涂层,在常用的激光二极管波长下具有高透光率,数值孔径高达0.5,可用于准直或聚焦。


图11 光耦合到光纤的示意图 光与光纤的耦合示意图。
模式扰乱和滤波
许多多模光纤实验对光纤模式间的功率分布非常敏感。这取决于发射光学器件、光纤扰动和光纤长度。模式扰频是一种将光纤中的光功率在所有导频模式之间进行分配的技术。模式滤波通过衰减高阶光纤模式来模拟千米长光纤的效果。

一种扰频技术是在两根阶梯指数光纤之间熔接一段阶梯指数光纤--这样可以确保下游光纤的纤芯被过度填充,而不受发射条件的影响。模式滤波可通过在手指大小的芯棒上缠绕光纤数次来实现;弯曲可去除高阶模式

实现扰频和滤波的一种方法是引入微弯曲,使所有光纤模式之间快速耦合,并衰减高阶模式。一种方法是将一段剥离的光纤放入一个装满铅丸的盒子中。更精确的方法是使用Newport'。FM-1 模式扰频器。这种专门设计的工具使用校准机制引入微弯曲,用于模式扰乱和滤波。


图12. 微弯曲往往会耦合掉高阶模式和辐射模式,并将光分布到长距离稳定的模式分布中。
去除包层模式
有些光不可避免地会进入光纤的包层。虽然包层模式会随着光纤长度的增加而迅速消散,但它们会干扰测量。例如,如果光在包层中传播,单模光纤的输出将不会呈高斯分布。您可以通过剥离一定长度的光纤涂层并将裸光纤浸入甘油等折射率匹配液中来消除包层模式。

常见光学参数
以下是与光纤元件相关的常用光学参数列表:

端口配置: 输入端口数 x 输出端口数,例如 2 x 2
耦合比: 输出端口的功率与发射功率之比,以dB表示,如-10log (P2/P1)。
隔离度: 输出端口在传输波段的功率与熄灭波段的功率之比,以dB表示。
指向性: 返回到任何其他输入端口的功率与发射功率之比,以dB表示,例如-10log (P4/P1)。
带宽:指定性能参数的工作波长范围。
例如:-10log [(P2+P3)/P1]。
均匀性: 最大插入损耗和最小插入损耗之间的差值。
消光比: 极化熄灭状态下的剩余功率与传输功率之比,以dB表示。
回波损耗:返回到输入端口的功率与发射功率之比,以dB表示,例如-10log (P5/P1)。
偏振相关损耗(PDL): 输入极化变化时插入损耗的最大(峰峰值)变化,以dB表示。

 

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