多模光纤教程

多模光纤教程

在光纤中引导光

光纤属于光波导，光波导是一种更为广泛的光学元件，可以利用全内反射(TIR)在固体或液体结构中限制并引导光。特别是光纤可用于多种应用；常见的例子包括通信、光谱学、照明和传感器。

比较常见的玻璃(石英)光纤使用一种称之为阶跃折射率光纤的结构，如右图所示。这种光纤的纤芯由一种折射率高于周围包层的材料构成。在光纤中以临界角入射时，光会在纤芯/包层界面产生全反射，而不会折射到周围的介质中。为了达到TIR的条件，入射到光纤中的入射光角度必须小于某个角度，即接收角，θacc。根据斯涅耳定律可以计算出这个角：

光纤的全内反射

其中，ncore为纤芯的折射率，nclad为光纤包层的折射率，n为外部介质的折射率，θcrit为临界角，θacc为光纤的接收半角。数值孔径(NA)是一个无量纲量，是光纤制造商用来确定光纤的接收角，表示为：

对于芯径较大(多模)的阶跃折射率光纤，使用这个等式可以直接计算出NA。NA也可以由实验确定，通过追踪远场光束分布并测量光束中心与光强为大光强5%的点之间的角度即可；但是，直接计算NA得出的值更为准确。

光纤中的模式数量

光在光纤中传播的每种可能路径即为光纤的导模。根据纤芯/包层区域的尺寸、折射率和波长，单光纤内可支持从一种到数千种模式。而其中常使用两种为单模(支持单导模)和多模(支持多种导模)。在多模光纤中，低阶模倾向于在空间上将光限制在纤芯内；而高阶模倾向于在空间上将光限制在纤芯/包层界面的附近。

使用一些简单的计算就可以估算出光纤支持的模(单模或多模)的数量。归一化频率，也就是常说的V值，是一个无量纲的数，与自由空间频率成比例，但被归为光纤的引导属性。V值表示为：

其中V为归一化频率(V值)，a为纤芯半径，λ为自由空间波长。多模光纤的V值非常大；例如，芯径为Ø50 µm、数值孔径为0.39的多模光纤，在波长为1.5 µm时，V值为40.8。

对于具有较大V值的多模光纤，可以使用下式近似计算其支持的模式数量：

上面例子中，芯径为Ø50 µm、NA为0.39的多模光纤支持大约832种不同的导模，这些模可以同时穿过光纤。

单模光纤V值截止频率小于2.405，这表示在这个时候，光只耦合到光纤的基模中。为了满足这个条件，单模光纤的纤芯尺寸和NA要远小于同波长下的多模光纤。例如SMF-28超单模光纤的标称NA为0.14，芯径为Ø8.2 µm，在波长为1550
nm时，V值为2.404。

衰减来源

光纤损耗，也称之为衰减，是光纤的特性，可以通过量化来预测光纤装置内的总透射功率损耗。这些损耗来源一般与波长相关，因光纤的使用材料或光纤的弯曲等而有所差异。常见衰减来源的详情如下：

吸收 
标准光纤中的光通过固体材料引导，因此，光在光纤中传播会因吸收而产生损耗。标准光纤使用熔融石英制造，经优化可在波长1300 nm-1550 nm的范围内传播。波长更长(>2000
nm)时，熔融石英内的多声子相互作用造成大量吸收。使用氟化锆、氟化铟等氟氧物玻璃制造中红外光纤，主要是因为它们处于这些波长范围时损耗较低。氟化锆、氟化铟的多声子边分别为~3.6 µm和~4.6 µm。

光纤内的污染物也会造成吸收损耗。其中一种污染物就是困在光纤玻璃中的水分子，可以吸收波长在1300 nm和2.94 µm的光。由于通信信号和某些激光器也是在这个区域里工作，光纤中的任意水分子都会明显地衰减信号。

玻璃光纤中离子的浓度通常由制造商控制，以便调节光纤的传播/衰减属性。例如，石英中本来就存在羟基(OH-)，可以吸收近红外到红外光谱的光。因此，羟基浓度较低的光纤更适合在通信波长下传播。而羟基浓度较高的光纤在紫外波长范围时有助于传播，因此，更适合对荧光或UV-VIS光谱学等应用感兴趣的用户。

散射 
对于大多数光纤应用来说，光散射也是损耗的来源，通常在光遇到介质的折射率发生变化时产生。这些变化可以是由杂质、微粒或气泡引起的外在变化；也可以是由玻璃密度的波动、成分或相位态引起的内在变化。散射与光的波长呈负相关关系，因此，在光谱中的紫外或蓝光区域等波长较短时，散射损耗会比较大。使用恰当的光纤清洁、操作和存储存步骤可以尽可能地减少光纤的杂质，避免产生较大的散射损耗。

弯曲损耗 
因光纤的外部和内部几何发生变化而产生的损耗称之为弯曲损耗。通常包含两大类：宏弯损耗和微弯损耗。

宏弯损耗一般与光纤的物理弯曲相关；例如，将其卷成圈。如右图所示，引导的光在空间上分布在光纤的纤芯和包层区域。以某半径弯曲光纤时，在弯曲外半径的光不能在不超过光速时维持相同的空间模分布。相反，由于辐射能量会损耗到周边环境中。弯曲半径较大时，与弯曲相关的损耗会比较小；但弯曲半径小于光纤的推荐弯曲半径时，弯曲损耗会非常大。光纤可以在弯曲半径较小时进行短时间工作；但如果要长期储存，弯曲半径应该大于推荐值。使用恰当的储存条件(温度和弯曲半径)可以降低对光纤造成损伤的几率；FSR1光纤缠绕盘设计用来很大程度地减少高弯曲损耗。 

微弯损耗由光纤的内部几何，尤其是纤芯和包层发生变化而产生。光纤结构中的这些随机变化(即凸起)会破坏全内反射所需的条件，使得传播的光耦合到非传播模中，造成泄露(详情请看右图)。与由弯曲半径控制的宏弯损耗不同，微弯损耗是由制造光纤时在光纤内造成的缺陷而产生。

包层模 
虽然多模光纤中的大多数光通过纤芯内的TIR引导，但是由于TIR发生在包层与涂覆层/保护层的界面，在纤芯和包层内引导光的高阶模也可能存在。这样就产生了我们所熟知的包层模。这样的例子可在右边的光束分布测量中看到，其中体现了包层模包层中的光强比纤芯中要高。这些模可以不传播(即它们不满足TIR的条件)，也可以在一段很长的光纤中传播。由于包层模一般为高阶模，在光纤弯曲和出现微弯缺陷时，它们就是损耗的来源。通过接头连接两个光纤时包层模会消失，因为它们不能在光纤之间轻松耦合。

由于包层模对光束空间轮廓的影响，有些应用(比如发射到自由空间中)中可能不需要包层模。光纤较长时，这些模会自然衰减。对于长度小于10 m的光纤，消除包层模的一种办法就是将光纤缠绕在半径合适的芯轴上，这样能保留需要的传播模式。

 
宏弯损耗造成的衰减

 
微弯损耗造成的衰减

 
在FT200EMT多模光纤与M565F1
LED的光束轮廓中，展现了包层而不是纤芯引导的光。

入纤方式

多模光纤未充满条件 
对于在NA较大时接收光的多模光纤来说，光耦合到光纤的的条件(光源类型、光束直径、NA)对性能有着很大影响。在耦合界面，光的光束直径和NA小于光纤的芯径和NA时，就出现了未充满的入纤条件。这种情况的常见例子就是将激光光源发射到较大的多模光纤。从下面的图和光束轮廓测量可以看出，未充满时会使光在空间上集中到光纤的中心，优先充满低阶模，而非高阶模。因此，它们对宏弯损耗不太敏感，也没有包层模。这种条件下，所测的插入损耗也会小于典型值，光纤纤芯处有着较高的功率密度。

展示未充满条件的图(左边)和使用FT200EMT多模光纤进行的光束轮廓测量(右边)。

多模光纤过满条件 
在耦合界面，光束直径和NA大于光纤的芯径和NA时就出现了过满的情况。实现这种条件的一个方法就是将LED光源的光发射到较小的多模光纤中。过满时会将整个纤芯和部分包层裸露在光中，均匀充满低阶模和高阶模(请看下图)，增加耦合到光纤包层模的可能性。高阶模比例的增加意味着过满光纤对弯曲损耗会更为敏感。在这种条件下，所测的插入损耗会大于典型值，与未充满光纤条件相比，会产生较高的总输出功率。

展示过满条件的图(左边)和使用FT200EMT多模光纤进行的光束轮廓测量(右边)。

多模光纤未充满或过满条件各有优劣，这取决于特定应用的要求。如需测量多模光纤的基准性能，Thorlabs建议使用光束直径为光纤芯径70-80%的入纤条件。过满条件在短距离时输出功率更大；而长距离(>10 - 20 m)时，对衰减较为敏感的高阶模会消失。