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關於光纖使用的幾個小知識

作者:東譜科技(廣州)有限責任公司 瀏覽: 發表時間:2020-06-01 09:00:00 來源:Thorlabs
本期推出關於光纖使用的四個實用知識點。

1. 低損耗光纖連接問題

2. 單模光纖耦合效率計算

3. 光纖端面製備

4. 光纖熔接簡介


1
低損耗光纖連接

兩根光纖經常需要對接傳輸光。為此,光纖端面必須非常接近,纖芯必須對得很準,而且光纖末端固定才能維持對準。機械連接器相當於穩定的光纖夾具,可以臨時或永久性地連接光纖;帶接頭的光纖跳線通過匹配套管非常方便連接和拆卸;熔接則是最穩定而且損耗最低的連接方式,比如標準玻璃光纖的熔接損耗可低至0.02 dB。


盡管損耗很大程度上取決於光纖連接的方式和質量,但是光纖類型也是重要影響因素。
多模光纖:低損耗連接要求接收光纖比輸出光纖具有相等或更大的纖芯和數值孔徑。如果兩根光纖的規格不同,那麼損耗和光傳播方向有關。因為多模光纖的纖芯較大,所以一般不難對準。
單模光纖:低損耗連接要求兩根光纖的模式重合,所以有效模場和強度輪廓應盡可能相同。纖芯位置也要對得很準,小模場的光纖相對難對。光纖模式具有平坦相位,所以如果沒有角度偏差,相位就自動匹配。模場越大,角度偏差影響越大。損耗和傳播方向無關。

橫向偏移Δx

如果兩根模場不同的單模光纖連接時的橫向偏移為Δx,那麼耦合效率可用下式計算:
如果兩光纖模式半徑相同,而且連接處沒有空氣和橫向偏移,那麼耦合效率與入射角度偏差Δ????的關系如下
光纖熔接前切割方向不準可能導緻角度偏差,從而降低傳輸效率。角度偏差對大模場光纖的耦合效率影響更大。為了方便計算和形象對比,我們根據上式寫了一個Excel計算器說明大模場光纖受角度偏差影響之大:

在您連接任何光纖時,光纖端面之間的空氣隙應盡可能小才能避免較大的菲涅爾反射損耗。空氣隙寬度應遠小於四分之一波長,通過相消幹涉抵消兩端面的菲涅爾反射。當然,隻要光束發散角可忽略,更寬的空氣隙(半波長的整數倍)也能消除,但是長距離更難穩定,而且透過率將受波長影響。另外,使用機械連接器時可用折射率匹配凝膠減小反射損耗。



2
單模光纖耦合效率計算
將自由空間光束耦合到單模光纖中時,需要滿足以下條件才能到達最高耦合效率:

  • 高斯強度輪廓
  • 從光纖端面正入射
  • 束腰位於光纖端面
  • 束腰中心對準纖芯中心
  • 束腰直徑等於光纖模場直徑


假設不滿足後面兩個條件,即入射光的束腰半徑(????0)不等於光纖模式半徑(????f),而且入射光束和纖芯存在橫向偏移Δx,那麼可用下式計算實際耦合效率:

n為纖芯折射率,最後一項考慮了光纖端面無增透膜時的菲涅反射損耗,並且入射光沒有角度偏差。假設存在角度偏差Δ????但不考慮其它誤差,那麼耦合效率可用下式估算:

這兩個公式其實隻是前文中兩個公式的變形。可以看出,光纖模場越大,橫向偏移的影響越小,但是角度偏差的影響越大。

產品應用:基本光纖耦合系統



3
光纖端面製備

光纖剝掉塗覆層後可以切割成幹淨的裸光纖端面。塗覆層一般用機械法剝除,也有些使用溶液。簡單的切割工具包括陶瓷和紅寶石刀片。先進的切割設備則可以精確夾持光纖,施加可調拉力或扭力,可平切或斜切,可切普通光纖也可切光子晶體光纖和毛細管。下面是基於拉伸和擦劃技術的平切和斜切示意圖,可點擊放大查看細節

           


如果要求高質量切割,需要使用顯微鏡檢測端面,不滿足條件必須重新切割。這對於特殊的光纖材料、直徑和類型尤為重要。

光纖端面有時需要拋光,比如應用要求端面非常平坦或者傾斜。光纖端面還可鍍提高性能的各種介質膜,比如增透膜或高反膜。

產品應用:陶瓷和紅寶石光纖刻劃刀
4
光纖熔接簡介

熔接是連接光纖最穩定、最低損耗的方法。除了光纖熔接機,用戶還需要各種其它設備用於剝除、切割、清潔、重新塗覆和檢測。光纖熔接的主要步驟:

  1. 剝除光纖塗覆層。
  2. 切割和清洗光纖末端。
  3. 在顯微鏡下精密對準要熔接的光纖兩端,隻留一點空隙;有時可要用光源和功率計監測光通量。
  4. 加熱並推動光纖進行熔接。
  5. 檢查和驗證熔接質量。
  6. 使用熱縮套管等保護熔接點。

產品應用:光纖激光器組件加工


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