RP 系列 激光分析设计软件 | 无源光纤（ 第一部分）

本教程包含以下部分：

① 玻璃光纤中的导光

② 光纤模式

③ 单模光纤

④ 多模光纤

⑤ 光纤末端

⑥ 光纤接头

⑦ 传播损耗

⑧ 光纤耦合器和分路器

⑨ 偏振问题

⑩ 光纤的色散

⑪ 光纤的非线性

⑫ 光纤中的超短脉冲和信号

⑬ 附件和工具

 
这是 Paschotta 博士的无源光纤教程的第 1 部分

 
第一部分：玻璃光纤中的导光

 
任何光纤的基本功能是引导光，即充当介电波导：注入一端的光应在光纤中保持引导。换言之，必须防止其丢失，例如通过到达外表面并从那里逃逸。我们这里针对玻璃光纤进行说明，但是塑料光纤的工作原理是一样的。

原则上，引导光的最简单解决方案是均匀的玻璃棒。（如果足够薄，它也可以弯曲到一定程度。）外表面可以通过全内反射反射光线。由于大的折射率对比，这适用于相当大范围的输入光束角度，原则上不需要任何功率损失。

 

图 1： 全内反射可用于在均匀光纤中引导光。请注意，只有部分反射发生在入射角较小的端面上。

然而，这个简单的解决方案有一些关键的缺点：

由于高折射率对比度，即使是外表面玻璃的微小划痕也可能因散射而导致大量光学损失。因此，外表面必须具有高光学质量，并能很好地防止损坏和污垢。这个问题只能在一定程度上通过光纤周围的一些合适的缓冲涂层来缓解。这种涂层不是高度均匀的，几乎不能提供非常低的光学损耗。
即使光纤非常细（例如，直径为 0.1 毫米），它也会支持大量模式（参见第 2 部分），这很糟糕，例如当保持高光束质量很重要时。
然而，人们可以修改非常干净的涂层的想法：使用另一个玻璃区域，其折射率比核心玻璃稍小，作为包层：

图 2： 具有包层的多模玻璃光纤，由折射率稍低的玻璃制成。玻璃/玻璃界面会发生全内反射，但入射角需要更大。

这给了我们几个优势：

玻璃比塑料缓冲涂层更干净、更均匀。这已经减少了损失。
由于反射点处的折射率对比度降低，界面的小不规则性不会像玻璃/空气界面那样造成严重的光学损失。外部界面的不规则不再重要，因为光线无法“看到”它们。
如果需要，现在可以将引导区域（称为光纤芯）做得比整个光纤小得多。可以调整核心尺寸，例如适应一些小型光发射器的尺寸。
结合小核心尺寸和弱指数对比度，甚至可以获得单模制导（见下文）。
但是请注意，较小的折射率对比度意味着较小的接受角：只有在入射角高于临界角时才会发生全内反射。光纤输入面的最大入射角由数值孔径 (NA) 确定：

NA 是输入面最大入射角的正弦值。式中，n 0为光纤周围介质的折射率，在空气中接近于1。

考虑光的波动性

前面的考虑是基于一个简单的几何射线图。特别是在小核心和弱折射率对比领域，这张简单的图片不再代表光传播的准确模型，因为它忽略了光的波动性。所以现在让我们考虑一下波浪的性质。

首先，我们想象均匀介质（例如，一些玻璃）中的高斯光束。即使这样的光束最初具有平坦的波前，在一个瑞利长度内它也会开始显着发散：

图 3： 均质玻璃中真空波长为 1.5 μm 的高斯光束。它最初以几乎平行的方式传播，但最终会发散。

发散与波前的曲率密切相关。显然，光束轴上的波前在 z 方向上的前进速度比在较高或较低位置的波前快。这个观察可以引发一个想法：我们不能通过稍微减慢光束轴附近的光来对抗波前的弯曲吗？这可以通过使用不均匀的结构来完成，在中心区域的折射率有所增加。事实上，如果我们在3 μm 的半径内简单地将核心指数增加 0.014，这将非常有效：

图 4： 注入阶跃折射率光纤结构的高斯光束。两条水平灰线表示纤芯/包层界面的位置。使用 RP Fiber Power 软件 模拟了光束传播。

那么数值孔径为0.3。注入的高斯光束的几乎所有光都被引导。如果我们使初始光束半径和核心区域更大，则甚至更低的折射率对比度就足够了。

请注意，即使光纤不是完全笔直，而是有些弯曲，光的引导也会起作用。如果弯曲不太强，则弯曲损耗（即弯曲引起的功率损耗）小到可以忽略不计。

 
下一期将介绍第二部分：光纤模式

敬请关注！