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关于光纤使用的几个小知识

作者：东谱科技浏览：发表时间：2020-06-01 09:00:00 来源：Thorlabs

本期推出关于光纤使用的四个实用知识点。

1. 低损耗光纤连接问题

2. 单模光纤耦合效率计算

3. 光纤端面制备

4. 光纤熔接简介

低损耗光纤连接

两根光纤经常需要对接传输光。为此，光纤端面必须非常接近，纤芯必须对得很准，而且光纤末端固定才能维持对准。机械连接器相当于稳定的光纤夹具，可以临时或永久性地连接光纤；带接头的光纤跳线通过匹配套管非常方便连接和拆卸；熔接则是最稳定而且损耗最低的连接方式，比如标准玻璃光纤的熔接损耗可低至0.02 dB。

尽管损耗很大程度上取决于光纤连接的方式和质量，但是光纤类型也是重要影响因素。

多模光纤：低损耗连接要求接收光纤比输出光纤具有相等或更大的纤芯和数值孔径。如果两根光纤的规格不同，那么损耗和光传播方向有关。因为多模光纤的纤芯较大，所以一般不难对准。

单模光纤：低损耗连接要求两根光纤的模式重合，所以有效模场和强度轮廓应尽可能相同。纤芯位置也要对得很准，小模场的光纤相对难对。光纤模式具有平坦相位，所以如果没有角度偏差，相位就自动匹配。模场越大，角度偏差影响越大。损耗和传播方向无关。

横向偏移Δx

如果两根模场不同的单模光纤连接时的横向偏移为Δx，那么耦合效率可用下式计算：

如果两光纤模式半径相同，而且连接处没有空气和横向偏移，那么耦合效率与入射角度偏差Δ????的关系如下：

光纤熔接前切割方向不准可能导致角度偏差，从而降低传输效率。角度偏差对大模场光纤的耦合效率影响更大。为了方便计算和形象对比，我们根据上式写了一个Excel计算器说明大模场光纤受角度偏差影响之大：

在您连接任何光纤时，光纤端面之间的空气隙应尽可能小才能避免较大的菲涅尔反射损耗。空气隙宽度应远小于四分之一波长，通过相消干涉抵消两端面的菲涅尔反射。当然，只要光束发散角可忽略，更宽的空气隙(半波长的整数倍)也能消除，但是长距离更难稳定，而且透过率将受波长影响。另外，使用机械连接器时可用折射率匹配凝胶减小反射损耗。

单模光纤耦合效率计算

将自由空间光束耦合到单模光纤中时，需要满足以下条件才能到达最高耦合效率：

高斯强度轮廓
从光纤端面正入射
束腰位于光纤端面
束腰中心对准纤芯中心
束腰直径等于光纤模场直径

假设不满足后面两个条件，即入射光的束腰半径(????0)不等于光纤模式半径(????f)，而且入射光束和纤芯存在横向偏移Δx，那么可用下式计算实际耦合效率：

n为纤芯折射率，最后一项考虑了光纤端面无增透膜时的菲涅反射损耗，并且入射光没有角度偏差。假设存在角度偏差Δ????但不考虑其它误差，那么耦合效率可用下式估算：

这两个公式其实只是前文中两个公式的变形。可以看出，光纤模场越大，横向偏移的影响越小，但是角度偏差的影响越大。

产品应用：基本光纤耦合系统

光纤端面制备

光纤剥掉涂覆层后可以切割成干净的裸光纤端面。涂覆层一般用机械法剥除，也有些使用溶液。简单的切割工具包括陶瓷和红宝石刀片。先进的切割设备则可以精确夹持光纤，施加可调拉力或扭力，可平切或斜切，可切普通光纤也可切光子晶体光纤和毛细管。下面是基于拉伸和擦划技术的平切和斜切示意图，可点击放大查看细节

如果要求高质量切割，需要使用显微镜检测端面，不满足条件必须重新切割。这对于特殊的光纤材料、直径和类型尤为重要。

光纤端面有时需要抛光，比如应用要求端面非常平坦或者倾斜。光纤端面还可镀提高性能的各种介质膜，比如增透膜或高反膜。

产品应用：陶瓷和红宝石光纤刻划刀

光纤熔接简介

熔接是连接光纤最稳定、最低损耗的方法。除了光纤熔接机，用户还需要各种其它设备用于剥除、切割、清洁、重新涂覆和检测。光纤熔接的主要步骤：

剥除光纤涂覆层。
切割和清洗光纤末端。
在显微镜下精密对准要熔接的光纤两端，只留一点空隙；有时可要用光源和功率计监测光通量。
加热并推动光纤进行熔接。
检查和验证熔接质量。
使用热缩套管等保护熔接点。

产品应用：光纤激光器组件加工

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