理解单模光纤 基本使用篇

理解单模光纤 基本使用篇

原创 Webinar Thorlabs索雷博

单模光纤概念回顾

单模光纤在截止波长和弯曲边缘之间传输LP01基模。如果看光纤传输的截面，光强轮廓可通过复杂的贝塞尔函数精que表示，但大部分情况下只需用高斯函数简化处理。我们用模场直径(MFD)表示光强轮廓的直径，它是强度降低到中心光强1/e²的直径。模场直径略大于纤芯直径，所以部分光要通过包层传输。

折射率轮廓、径向强度轮廓和模场直径的对比。

模场直径与纤芯直径(d)、数值孔径(NA)和波长(λ)的关系：

单模光纤的输出性质

下面展示多模和单模光纤输出的自由空间光束。

0.17 NA多模光纤输出                       0.12 NA单模光纤输出

多模光纤的输出光束性质可用几何光学模拟：输出角/接收角和发生全内反射时纤芯-包层界面上的入射角有关，也和纤芯和包层的折射率差(NA)有关。

高斯光束基础知识

单模光纤输出需要通过高斯光束模拟。高斯光束的强度使用高斯函数表示，在光轴任意z点上都有相同的强度轮廓，但光束直径不断变化，而*xiao的光束直径叫做束腰。束腰越小，光束发散角越大。在其它条件相同时，波长越短，发散角也越大。

通过公式可能更容易判断高斯光束的性质。高斯光束半径(ω)使用1/e²半径表示。瑞利长度是从束腰开始、光束直径变为√2倍或截面积变为2倍的传播长度。发散光束的瑞利长度较短，准直光束的瑞利长度较长。光束的发散速度在瑞利范围内与传播距离是非线性关系，但进入远场后变成线性，只与波长和束腰有关。

单模光纤输出

单模光纤输出自由空间高斯光束，其束腰直径等于光纤的模场直径。在上面的公式中，如果用模场直径(MFD)的一半代替自由空间光束的束腰半径，这样就可算出光纤输出光束的瑞利长度、任意位置的光束半径和远场发散角。

虽然单模光纤输出的远场发散角只通过波长和束腰半径计算，但NA的间接影响也值得注意。NA可能采用不同的定义。比如，Thorlabs根据纤芯和包层的折射率差定义NA，而康宁在规格单中则有这样的说明，SMF-28光纤的NA在1310 nm一维远场扫描的1%功率水平处测量。

因为通过不同的NA和纤芯直径组合可实现相同的截止波长，而纤芯越小，模场直径也越小，但发散角越大，因此NA也将间接地影响单模光纤输出的发散角。具体请看标准通信光纤和一种高NA熔接光纤的设计参数对比。

SMF-28光纤

纤芯直径：8.2µm

NA：0.12

截止波长：1285nm

MFD：10.4µm@1550nm

远场发散角：5.44°

高NA光纤

纤芯直径：2.81µm

NA：0.35

截止波长：1284nm

MFD：3.57µm@1550nm

远场发散角：15.84°

单模光纤准直

准直相当于用透镜把小束腰、高发散光束变成大束腰、低发散光束。我们可以利用高斯光束的薄透镜公式作为参考。如果焦距远大于瑞利长度，光纤输出的高发散光束就是如此，那么方框中的附加项可以被略去。透镜输出的准直光束半径可通过模场直径、焦距和波长计算。

对于光纤准直器的设计，如果把透镜放在略大于焦距的位置，输出束腰将被推到更远离准直器的地方，实现合适的工作距离。

两种准直器设计

单模光纤耦合

耦合是准直的反向过程，但也是复杂很多的过程。耦合效率是耦合到光纤中的功率与入射光束功率之比。

为了实现高耦合效率，入射光束必xu满足多个条件：

l 高斯强度轮廓

l 从光纤端面正入射

l 束腰位于光纤端面

l 束腰中心对准纤芯中心

l 束腰直径等于光纤MFD

✅耦合方式                                          ❌耦合方式

在实验室环境，85%以上的单模光纤耦合效率就被认为是很高的水平。下表是Thorlabs某种光纤耦合装置在不同波长处的效率。波长越长，耦合效率越高。这是因为波长越短，模场直径越小，定位精度要求越高，*jia耦合条件越难满足，而且短波长的散射也更大。另外，非高斯光束的耦合效率很低。

一对准直器实现高耦合效率

只要偏离*jia耦合条件，耦合效率都将因此降低。束腰和模场直径不匹配、横向偏差和角度偏差对耦合效率的影响都可通过理论公式估算。

束腰不匹配模场直径                                束腰偏离纤芯

对于束腰和模场直径不匹配的情况，如果束腰大于模场直径，外围光束就无法被耦合，效率因此降低这很好理解，但束腰小于模场直径也会降低效率则有点反直觉。这*zhong还是光斑不满足光纤的模式要求。不过，如果束腰和模场直径偏差较小，耦合效率受影响也较小，只有两者很不匹配时才会大幅降低。

入射光束和纤芯之间的横向或角度偏差将显著地降低耦合效率，所以光纤耦合要求高精密运动控制和定位，比如三维挠性位移台和差分调节器就是不错的组合。

单模光纤耦合                                     保偏光纤耦合

MBT612D                                          MBT621D

耦合透镜的选择

为了将光束聚焦到正确的尺寸，即等于模场直径，在选择耦合透镜时可根据波长、光纤模场直径和输入准直光束直径(d)确定焦距：

以SMF-28光纤耦合为例。假设我们需要将波长1550 nm、直径3 mm的准直高斯光束耦合到光纤中，那么通过焦距为15.8 mm的透镜才能得到10.4 μm光斑。如果实际焦距不完quan匹配，一般情况下使用焦距略小的透镜。这样会给出略小的光斑，对于耦合效率的影响较小。因此我们可选用焦距为15.5 mm的标准品透镜。

耦合装置和技巧

典型的光纤耦合装置如下所示。在操作过程中查看功率读数便于判断是否达到了*gao的耦合效率。我们要使光束正入射在透镜中心，在光源和透镜中间用一对反射镜方便调节入射光束的俯仰和偏转，这样光纤只要在XYZ方向平移就能实现*jia对准。额外调节光纤的俯仰和偏转会有太多自由度，反而更难调到*jia耦合效率。

我们有两种粗略对准的方法。一是用小纤芯多模光纤预对准装置，这样换上单模光纤后通常会有一些信号，方便后续操作。二是将可见光反向通过光纤，由此得到对准光束，使之与输入光束同轴。下图中的耦合装置就采用了第er种方法，其中使用HLS635手持式光源提供对准光束。

另外，对准时可能卡在局部极da值处。对于XYZ平移调节的步骤：首xian调节X和Y达到*gao功率；然后从一个方向调节Z并重新优化XY，耦合效率提高说明是正确的Z方向，否则要尝试反向调节；重复以上步骤，直到调出*gao功率。

高功率光束耦合

由于单模光纤耦合要求聚焦到非常小的光斑，因此较低的总功率也有很高的功率密度。高光强可能烧坏光纤端面，而*xian制因素是光纤材料的承受功率。对于石英，有一个参考值是95 kW/cm，所以SMF-28光纤在接近50 W就要考虑石英退化的问题。但现实中很难达到理论阈值，总有*ruo的一环会将功率限制在更低的水平。

关于高功率激光耦合的几个实用建议：使用端面未镀增透膜的光纤，因为增透膜能够承受的功率密度低很多；确保端面的清洁，因为灰尘和污渍会由于散射而引发问题；确保束腰和模场直径完quan一致，使所有光都能被耦合；以低功率完成耦合对准，然后在缓慢增加功率的同时注意损伤；经常检查端面。

完好的光纤端面                                    损伤的光纤端面

宽带光源耦合

假设要将很不高斯的混模光束耦合到单模光纤中。由于每种空间模式的光强都极低，而单模光纤只能接收一种模式，所以耦合效率也是极低的。以白炽灯耦合为例，对于2700 K灯丝，基模可耦合的理论功率谱密度只有0.92 nW/nm，而实际情况比这更低。

未被耦合到基模中的光去哪里了？在左下图中，几米长的单模光纤与白光超连续光源耦合。光纤末端输出了白光，说明这些光被耦合在基模并通过了整段光纤。耦合端的黄光只传播了一小段就被损耗了。这些是包层模、高阶模、或者说除基模之外的微弱导模。如果光纤很短，这些模式可能产生不良的影响。

包层模无法                                        通过卷绕光纤

通过整段长光纤                                    消chu松散的模式

因为除基模之外的模式受弯曲影响很大，因此通过弯曲光纤检查是否漏光、输出光束图案是否变化，这样就能探测并消chu这些模式。比如像右上图一样把光纤卷绕在圆柱体上，光纤弯曲后就漏出了蓝光。另外，模式剥离器和折射率匹配凝胶也是可行的方法。

两段光纤的对接

前面讲了使用透镜将自由空间光束耦合到光纤中的问题，但两段光纤也能直接耦合，比如光纤熔接或者使用匹配套管连接两个光纤接头。对接两根单模光纤时，两者的模场直径必xu匹配，这样就能得到很高的耦合效率。和自由空间耦合类似，这里也能用公式估算各种偏差对耦合效率的影响，只不过现在比较的是两个模场直径。

光纤熔接                                           通过匹配导管对接

箭头指示熔接前中后                                 两个FC/APC接头

下面展示了纤芯偏移和模场直径不匹配的问题。随着纤芯偏移增加，耦合效率迅速下降。模场直径不匹配时需要注意的是，这种不匹配对单模光纤耦合效率的影响是双向的。也就是说，不管从xiao到da纤芯还是从大到小纤芯，损耗是相同的。

纤芯未对准                                        模场直径不匹配

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