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RP Fiber Power 无源光纤之玻璃光纤

墨光君2020-10-30 20:41发文

任何光纤的基本功能都是引导光,即充当介质波导。引导从光纤端面注入的光在光纤中的传输。这里,我们仅对玻璃光纤作出解释,但其实塑料光纤工作原理也是一样的。

原则上,引导光线最简单的方法是使用均匀的玻璃棒。(如果它足够薄,它也可以被弯曲到某种程度。)光通过内部发生全反射来传输。由于内部折射率大,它适用于相当大范围的输入光束角度,原则上无任何功率损失。

图1:光在均匀光纤中发生全反射。注意,仅有部分反射发生在端面,那里入射角较小。

然而,这种简单的解决方法有一些致命的缺点:

  • 由于折射率对比度高,即使玻璃外表面有微小划痕,也会导致大量的光散射损失。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。只有在玻璃周围涂上适当的缓冲涂层,这个问题才能得到一定程度的缓解;这种涂层不是高度均匀的,很难提供非常低的光学损失。

  • 即使光纤很薄(例如直径为0.1 mm),它也会支持大量模式(见第2部分),这是不好的,例如当保持高光束质量很重要时。

    然而,我们可以改变想法:不再是需要一个非常干净的涂层,而是使用另一个玻璃区域,即包层,其折射率小于纤芯折射率。

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

这给了我们几个好处:

  • 玻璃可以比塑料缓冲涂层更清洁和均匀。这已经减少了损失。

  •  由于反射点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。外层界面的不规则性不再重要,因为光无法“看到”它们。

  •  引导区域——被称为纤维芯——现在可以做得比总纤维小得多,如果需要的话。我们可以调整核心的大小,例如一些小的光发射器的大小。

通过小核心尺寸和弱索引对比度的组合,人们甚至可以获得单模制导(见下文)。

但是请注意,折射率对比越小,能接受的角度就越小只有当入射角高于临界角时,才会发生全反射。在光纤输入面上的最大入射角由数值孔径NA确定

NA是输入端面的最大入射角的正弦值。式中n0为纤维周围介质的折射率,在空气中接近1

考虑到光的波动特性

前面的考虑是基于一个简单的几何光线图。特别是在小纤芯和弱折射率对比的领域,这张简单的图片不再代表光传播的精确模型,因为它忽略了光的波动性质。现在让我们把波的特性考虑在内。

首先,我们想象在均匀介质(例如一些玻璃)中的高斯光束。即使光束的波前是平的,在一个瑞利长度内,光束也会开始明显发散:

图3:均匀玻璃中 波长为1.5um的高斯光束。它最初以几乎平行的方式传播,但最终发散。

散度与波前的曲率密切相关。很显然,在光束轴上的波阵面在z方向上比在更高或更低位置的波阵面发展得更快。这些现象给了我们启发,:我们难道不能通过在光束轴附近减慢光的速度来对抗波前的弯曲吗?这可以通过在中心区域增加折射率使用非均匀结构来实现。事实上,如果我们只是单纯地将3 μm的半径折射率增加0.014,这种方法就非常有效:

图4:这是注入到阶跃光纤中的高斯光束。两条水平的灰色线表明了纤芯/包层界面的位置。这是利用RP Fiber Power 软件对光束传输进行模拟的结果。

数值孔径为0.3。几乎所有注入的高斯光束都被引导。如果我们使初始光束半径和纤芯区域变大,一个更低的折射率对比就足以达到这个目的。

请注意,即使光纤不是完全直的有些弯曲,也可以进行光的引导。如果弯曲不是太强,弯曲损失(即由弯曲引起的功率损失)是小到可以忽略的。

声明:本文为OFweek维科号作者发布,不代表OFweek维科号立场。如有侵权或其他问题,请及时联系我们举报。
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