RP 系列 激光分析設計軟件 | 無源光纖（ 第三部分)
本教程包含以下部分：
第三部分：單模光纖
請注意，在大多數情況下，可以引導具有不同偏振態的光。術語“單模”忽略了這樣一個事實，即通常（對于徑向對稱的折射率分布和無雙折射）一個實際上具有兩個不同的模式，具有相同的強度分布但正交的線性偏振方向。任何其他偏振態都可以被認為是這兩者的線性疊加。（另見關于極化問題的第 6 部分。）
對于階躍折射率光纖設計，單模導引有一個簡單的標準：V 數必須低于 ≈2.405。V 數定義為:
其中 λ 是真空波長，a 是纖芯半徑，NA 是數值孔徑。對于折射率的其他徑向相關性，甚至對于非徑向對稱的折射率分布，通常必須以數值方式計算單模條件。使用標準 V < ?2.405是不正確的，例如，根據最大指數差計算 V。
核心尺寸的影響
圖 1：對于 0.12 的恒定數值孔徑，模式半徑對核心半徑的依賴性。模式半徑通過強度分布的二階矩（D4σ 值）定義。單模狀態位于灰色垂直線的左側。
可以看到，對于 ≈4.8 μm 以下的纖芯半徑，V 數變得相當小，模式半徑增加。在小 V 值的情況下，模式遠遠超出核心，并且大大偏離了高斯形狀。
圖 3 顯示了 0.3 的較高 NA 的情況：
圖 3：單模光纖 LP 01虛線曲線顯示了一個非常相似的高斯分布。灰色垂直線顯示纖芯/包層邊界的位置。
當我們減小波長時，我們發現光纖在1254 nm 的截止波長以下不再是單模：除了 LP 01模式，它還支持 LP 11模式（實際上其中兩個具有正交取向）。在 787 nm 以下，額外加入了 LP 02模式。
光原則上，對于截止波長（即1254nm）以上的任何波長，光纖都保持單模。然而，對于更長的波長，模式變得越來越大，并且它對彎曲損耗變得越來越敏感，這是由宏觀彎曲和微觀缺陷造成的。對于這里討論的設計，另一個問題實際上更嚴重：超過 ≈2 μm，基礎材料（二氧化硅）開始吸收。因此，在實踐中，可以使用單模光纖的波長間隔有限。
將光有效地發射到單光纖模式需要入射光的復振幅分布（假設為單色光）與相應的模式振幅分布具有高度重疊。幸運的是，單模光纖的基模在大多數情況下具有接近高斯光束的輪廓（對于穩健的引導，具有足夠大的 V 值），并且高斯光束可以很好地近似于大多數單模光纖的輸出模 激光器。所以剩下的任務是：
正確聚焦激光束，使光束半徑接近光纖模式的半徑，
-
將光纖末端放置在光束焦點（光束腰）處，以及 -
對準光纖，使光束焦點以正確的方向撞擊光纖芯。
光束方向也必須正確。然而，這對于典型的單模光纖來說并不那么敏感。角度誤差應遠低于光束發散角，但對于較小的更多區域，該誤差相對較大。
圖 4： 顯示輸入光束的單模光纖中 1.5 μm 波長的光傳播。數值模擬是用 RP Fiber Power 軟件完成的。
獲得大模式區域
由于折射率對比度現在非常弱 (0.0002)，因此光纖對因制造條件不完全控制而導致的微小隨機折射率變化極為敏感。對于當前可用的技術，0.024 的 NA 被認為是不切實際的小。
即使基于該設計制造出完美的光纖，它也會對彎曲非常敏感。圖 2 顯示了一個數值模擬，其中反向彎曲半徑沿光纖線性增長。在右側，彎曲半徑達到 1 m。在此之前，光會經歷嚴重的彎曲損失。這意味著只有當光纖基本上保持筆直并且可以避免任何顯著的微彎曲時才能使用光纖。
圖 5： 大模面積光纖中的幅度分布，該光纖向右側彎曲越來越強烈（彎曲半徑達到 1 m）。在右側，會出現嚴重的彎曲損耗。假設光纖包層半徑為 125 μm，并且光在該外界面處完全反射。
已經開發了更先進的光纖設計，其中可以獲得遠高于 1000 μm 2的模式面積以及更好的彎曲性能和對制造誤差的更低敏感性。然而能完全避免所描述的問題。根本的問題是，一個非常大的模式必然只是弱引導，因此對各種附加效應很敏感。
就位置對準而言，將光有效地發射到大模式區域的單模光纖比小區域更簡單。但是請注意，隨著光束發散角變小，角度對準變得更加敏感。
下一期將介紹第四部分：多模光纖
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