多模光纖教程

在光纖中引導(dǎo)光

光纖屬于光波導(dǎo)，光波導(dǎo)是一種更為廣泛的光學(xué)元件，可以利用全內(nèi)反射(TIR)在固體或液體結(jié)構(gòu)中限制并引導(dǎo)光。特別是光纖可用于多種應(yīng)用；常見(jiàn)的例子包括通信、光譜學(xué)、照明和傳感器。

比較常見(jiàn)的玻璃(石英)光纖使用一種稱之為階躍折射率光纖的結(jié)構(gòu)，如右圖所示。這種光纖的纖芯由一種折射率高于周圍包層的材料構(gòu)成。在光纖中以臨界角入射時(shí)，光會(huì)在纖芯/包層界面產(chǎn)生全反射，而不會(huì)折射到周圍的介質(zhì)中。為了達(dá)到TIR的條件，入射到光纖中的入射光角度必須小于某個(gè)角度，即接收角，θacc。根據(jù)斯涅耳定律可以計(jì)算出這個(gè)角：

光纖的全內(nèi)反射

其中，ncore為纖芯的折射率，nclad為光纖包層的折射率，n為外部介質(zhì)的折射率，θcrit為臨界角，θacc為光纖的接收半角。數(shù)值孔徑(NA)是一個(gè)無(wú)量綱量，是光纖制造商用來(lái)確定光纖的接收角，表示為：

對(duì)于芯徑較大(多模)的階躍折射率光纖，使用這個(gè)等式可以直接計(jì)算出NA。NA也可以由實(shí)驗(yàn)確定，通過(guò)追蹤遠(yuǎn)場(chǎng)光束分布并測(cè)量光束中心與光強(qiáng)為大光強(qiáng)5%的點(diǎn)之間的角度即可；但是，直接計(jì)算NA得出的值更為準(zhǔn)確。

光纖中的模式數(shù)量

光在光纖中傳播的每種可能路徑即為光纖的導(dǎo)模。根據(jù)纖芯/包層區(qū)域的尺寸、折射率和波長(zhǎng)，單光纖內(nèi)可支持從一種到數(shù)千種模式。而其中常使用兩種為單模(支持單導(dǎo)模)和多模(支持多種導(dǎo)模)。在多模光纖中，低階模傾向于在空間上將光限制在纖芯內(nèi)；而高階模傾向于在空間上將光限制在纖芯/包層界面的附近。

使用一些簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以估算出光纖支持的模(單模或多模)的數(shù)量。歸一化頻率，也就是常說(shuō)的V值，是一個(gè)無(wú)量綱的數(shù)，與自由空間頻率成比例，但被歸為光纖的引導(dǎo)屬性。V值表示為：

其中V為歸一化頻率(V值)，a為纖芯半徑，λ為自由空間波長(zhǎng)。多模光纖的V值非常大；例如，芯徑為Ø50 µm、數(shù)值孔徑為0.39的多模光纖，在波長(zhǎng)為1.5 µm時(shí)，V值為40.8。

對(duì)于具有較大V值的多模光纖，可以使用下式近似計(jì)算其支持的模式數(shù)量：

上面例子中，芯徑為Ø50 µm、NA為0.39的多模光纖支持大約832種不同的導(dǎo)模，這些模可以同時(shí)穿過(guò)光纖。

單模光纖V值截止頻率小于2.405，這表示在這個(gè)時(shí)候，光只耦合到光纖的基模中。為了滿足這個(gè)條件，單模光纖的纖芯尺寸和NA要遠(yuǎn)小于同波長(zhǎng)下的多模光纖。例如SMF-28超單模光纖的標(biāo)稱NA為0.14，芯徑為Ø8.2 µm，在波長(zhǎng)為1550
nm時(shí)，V值為2.404。

衰減來(lái)源

光纖損耗，也稱之為衰減，是光纖的特性，可以通過(guò)量化來(lái)預(yù)測(cè)光纖裝置內(nèi)的總透射功率損耗。這些損耗來(lái)源一般與波長(zhǎng)相關(guān)，因光纖的使用材料或光纖的彎曲等而有所差異。常見(jiàn)衰減來(lái)源的詳情如下：

吸收 
標(biāo)準(zhǔn)光纖中的光通過(guò)固體材料引導(dǎo)，因此，光在光纖中傳播會(huì)因吸收而產(chǎn)生損耗。標(biāo)準(zhǔn)光纖使用熔融石英制造，經(jīng)優(yōu)化可在波長(zhǎng)1300 nm-1550 nm的范圍內(nèi)傳播。波長(zhǎng)更長(zhǎng)(>2000
nm)時(shí)，熔融石英內(nèi)的多聲子相互作用造成大量吸收。使用氟化鋯、氟化銦等氟氧物玻璃制造中紅外光纖，主要是因?yàn)樗鼈兲幱谶@些波長(zhǎng)范圍時(shí)損耗較低。氟化鋯、氟化銦的多聲子邊分別為~3.6 µm和~4.6 µm。

光纖內(nèi)的污染物也會(huì)造成吸收損耗。其中一種污染物就是困在光纖玻璃中的水分子，可以吸收波長(zhǎng)在1300 nm和2.94 µm的光。由于通信信號(hào)和某些激光器也是在這個(gè)區(qū)域里工作，光纖中的任意水分子都會(huì)明顯地衰減信號(hào)。

玻璃光纖中離子的濃度通常由制造商控制，以便調(diào)節(jié)光纖的傳播/衰減屬性。例如，石英中本來(lái)就存在羥基(OH-)，可以吸收近紅外到紅外光譜的光。因此，羥基濃度較低的光纖更適合在通信波長(zhǎng)下傳播。而羥基濃度較高的光纖在紫外波長(zhǎng)范圍時(shí)有助于傳播，因此，更適合對(duì)熒光或UV-VIS光譜學(xué)等應(yīng)用感興趣的用戶。

散射 
對(duì)于大多數(shù)光纖應(yīng)用來(lái)說(shuō)，光散射也是損耗的來(lái)源，通常在光遇到介質(zhì)的折射率發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生。這些變化可以是由雜質(zhì)、微粒或氣泡引起的外在變化；也可以是由玻璃密度的波動(dòng)、成分或相位態(tài)引起的內(nèi)在變化。散射與光的波長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，在光譜中的紫外或藍(lán)光區(qū)域等波長(zhǎng)較短時(shí)，散射損耗會(huì)比較大。使用恰當(dāng)?shù)墓饫w清潔、操作和存儲(chǔ)存步驟可以盡可能地減少光纖的雜質(zhì)，避免產(chǎn)生較大的散射損耗。

彎曲損耗 
因光纖的外部和內(nèi)部幾何發(fā)生變化而產(chǎn)生的損耗稱之為彎曲損耗。通常包含兩大類：宏彎損耗和微彎損耗。

宏彎損耗一般與光纖的物理彎曲相關(guān)；例如，將其卷成圈。如右圖所示，引導(dǎo)的光在空間上分布在光纖的纖芯和包層區(qū)域。以某半徑彎曲光纖時(shí)，在彎曲外半徑的光不能在不超過(guò)光速時(shí)維持相同的空間模分布。相反，由于輻射能量會(huì)損耗到周邊環(huán)境中。彎曲半徑較大時(shí)，與彎曲相關(guān)的損耗會(huì)比較小；但彎曲半徑小于光纖的推薦彎曲半徑時(shí)，彎曲損耗會(huì)非常大。光纖可以在彎曲半徑較小時(shí)進(jìn)行短時(shí)間工作；但如果要長(zhǎng)期儲(chǔ)存，彎曲半徑應(yīng)該大于推薦值。使用恰當(dāng)?shù)膬?chǔ)存條件(溫度和彎曲半徑)可以降低對(duì)光纖造成損傷的幾率；FSR1光纖纏繞盤設(shè)計(jì)用來(lái)很大程度地減少高彎曲損耗。 

微彎損耗由光纖的內(nèi)部幾何，尤其是纖芯和包層發(fā)生變化而產(chǎn)生。光纖結(jié)構(gòu)中的這些隨機(jī)變化(即凸起)會(huì)破壞全內(nèi)反射所需的條件，使得傳播的光耦合到非傳播模中，造成泄露(詳情請(qǐng)看右圖)。與由彎曲半徑控制的宏彎損耗不同，微彎損耗是由制造光纖時(shí)在光纖內(nèi)造成的缺陷而產(chǎn)生。

包層模 
雖然多模光纖中的大多數(shù)光通過(guò)纖芯內(nèi)的TIR引導(dǎo)，但是由于TIR發(fā)生在包層與涂覆層/保護(hù)層的界面，在纖芯和包層內(nèi)引導(dǎo)光的高階模也可能存在。這樣就產(chǎn)生了我們所熟知的包層模。這樣的例子可在右邊的光束分布測(cè)量中看到，其中體現(xiàn)了包層模包層中的光強(qiáng)比纖芯中要高。這些模可以不傳播(即它們不滿足TIR的條件)，也可以在一段很長(zhǎng)的光纖中傳播。由于包層模一般為高階模，在光纖彎曲和出現(xiàn)微彎缺陷時(shí)，它們就是損耗的來(lái)源。通過(guò)接頭連接兩個(gè)光纖時(shí)包層模會(huì)消失，因?yàn)樗鼈儾荒茉诠饫w之間輕松耦合。

由于包層模對(duì)光束空間輪廓的影響，有些應(yīng)用(比如發(fā)射到自由空間中)中可能不需要包層模。光纖較長(zhǎng)時(shí)，這些模會(huì)自然衰減。對(duì)于長(zhǎng)度小于10 m的光纖，消除包層模的一種辦法就是將光纖纏繞在半徑合適的芯軸上，這樣能保留需要的傳播模式。

 
宏彎損耗造成的衰減

 
微彎損耗造成的衰減

 
在FT200EMT多模光纖與M565F1
LED的光束輪廓中，展現(xiàn)了包層而不是纖芯引導(dǎo)的光。

入纖方式

多模光纖未充滿條件 
對(duì)于在NA較大時(shí)接收光的多模光纖來(lái)說(shuō)，光耦合到光纖的的條件(光源類型、光束直徑、NA)對(duì)性能有著很大影響。在耦合界面，光的光束直徑和NA小于光纖的芯徑和NA時(shí)，就出現(xiàn)了未充滿的入纖條件。這種情況的常見(jiàn)例子就是將激光光源發(fā)射到較大的多模光纖。從下面的圖和光束輪廓測(cè)量可以看出，未充滿時(shí)會(huì)使光在空間上集中到光纖的中心，優(yōu)先充滿低階模，而非高階模。因此，它們對(duì)宏彎損耗不太敏感，也沒(méi)有包層模。這種條件下，所測(cè)的插入損耗也會(huì)小于典型值，光纖纖芯處有著較高的功率密度。

展示未充滿條件的圖(左邊)和使用FT200EMT多模光纖進(jìn)行的光束輪廓測(cè)量(右邊)。

多模光纖過(guò)滿條件 
在耦合界面，光束直徑和NA大于光纖的芯徑和NA時(shí)就出現(xiàn)了過(guò)滿的情況。實(shí)現(xiàn)這種條件的一個(gè)方法就是將LED光源的光發(fā)射到較小的多模光纖中。過(guò)滿時(shí)會(huì)將整個(gè)纖芯和部分包層裸露在光中，均勻充滿低階模和高階模(請(qǐng)看下圖)，增加耦合到光纖包層模的可能性。高階模比例的增加意味著過(guò)滿光纖對(duì)彎曲損耗會(huì)更為敏感。在這種條件下，所測(cè)的插入損耗會(huì)大于典型值，與未充滿光纖條件相比，會(huì)產(chǎn)生較高的總輸出功率。

展示過(guò)滿條件的圖(左邊)和使用FT200EMT多模光纖進(jìn)行的光束輪廓測(cè)量(右邊)。

多模光纖未充滿或過(guò)滿條件各有優(yōu)劣，這取決于特定應(yīng)用的要求。如需測(cè)量多模光纖的基準(zhǔn)性能，Thorlabs建議使用光束直徑為光纖芯徑70-80%的入纖條件。過(guò)滿條件在短距離時(shí)輸出功率更大；而長(zhǎng)距離(>10 - 20 m)時(shí)，對(duì)衰減較為敏感的高階模會(huì)消失。