本教程包含以下部分：

① 玻璃光纖中的導光

② 光纖模式

③ 單模光纖

④ 多模光纖

⑤ 光纖末端

⑥ 光纖接頭

⑦ 傳播損耗

⑧ 光纖耦合器和分路器

⑨ 偏振問題

⑩ 光纖的色散

? 光纖的非線性

? 光纖中的超短脈沖和信號

? 附件和工具

這是 Paschotta 博士的無源光纖教程的第 6 部分

第六部分：光纖接頭

纖維接頭的類型

光纖可以連接在一起，從而使光有效地從一根光纖傳輸到另一根光纖。有多種可能性：

• 機械拼接是指通過一些機械手段將兩個光纖末端緊緊地固定在一起。這通常用于永久連接，但也可以在不損壞光纖末端的情況下拆除接頭。

• 另一種技術是熔接，其中纖維熔接在一起，例如使用電弧。如果兩個光纖纖芯相似，這會導致插入損耗特別低，回波損耗特別高。

• 對于非永久性連接，也可以使用光纖連接器（見下文）。

不完美光纖接頭的耦合損耗

一個常見問題是耦合損耗有多大，例如在機械接頭處，當存在某種缺陷時，例如：

• 纖芯的平行偏移，

• 纖維軸方向之間的偏差，

• 核心尺寸不匹配，或

• 光纖末端之間的氣隙。

事實證明，對于單模和多模光纖，有些答案是完全不同的。

單模光纖

計算單模光纖的耦合損耗相對容易。本質上，來自第一根光纖（輸入）的導模在第二根光纖中產生了一些幅度分布，這可能會有些位移，例如，由于不完美的拼接。現在可以將耦合效率計算為該幅度分布與第二根光纖的導模之間的重疊積分。（不需要數值光束傳播。）

對于具有不同模式半徑和一些平行偏移的高斯模式輪廓的情況，可以使用我們在第 3 部分中已經討論過的方程：

類似的方程可用于角度失配：

這表明角度對準對于具有大模式面積的單模光纖更為關鍵。對于標準模式區域，角度對齊通常比位置對齊更容易實現。

下圖基于上述等式。

關于角度切割光纖末端，切割角度需要多大才能避免顯著反射到纖芯模式中這通常是令人感興趣的。該等式可以很好地用于此；只需記住反射光束的角度偏差是切割角的兩倍。例如，標準模式面積為 100 μm 2 且 w = 5.64 μm 的光纖需要至少 7.4° 的切割角，以便具有低于 10 -4 的背反射，即至少 40 dB 的回波損耗，在 1.5 μm 波長處。對于1000 μm 2 的大模面積光纖, 2.3° 就足夠了。請注意，較長的波長需要較大的切割角，因為它們會導致較大的光束發散。

但是請注意，上述方程僅對具有高斯分布的模式有效。然而，在從成角度的光纖末端高度抑制背向反射的情況下，結果對與高斯模式分布的偏差很敏感。在那里，人們必須根據計算出的模式分布數值計算背反射，例如使用我們的 RP Fiber Calculator PRO 軟件。

考慮更多細節很有趣。例如，如果模式尺寸不同，輸入光來自哪根光纖的損耗是否重要？根據上面的公式，它沒有。這是事實，盡管可能令人驚訝：可以想象，從較小的磁芯到較大的磁芯會導致比在另一個方向上更低的損耗。但是請注意，較小的模式具有較大的光束發散角，即空間傅里葉空間中的場分布較寬，這對于具有較大模式的其他光纖來說太大了。因此，在接頭處損失的功率比例實際上并不取決于方向。只有丟失的光在包層模式上的分布不同。

可以想象，當從較小模式的光纖轉換到具有較大模式的光纖時，如果第二根光纖具有相同的 NA（盡管纖芯較大），則可以避免耦合損耗。（如果 V 數足夠低，它可能仍然是單模。）畢竟，角度范圍應該僅受 NA 限制。然而，這種期望是錯誤的；如果兩根光纖都是單模光纖，那么模式尺寸的不匹配不可避免地會導致耦合損耗。

多模光纖

對于多模光纖，不能將損耗指定為單個數字：它們通常與模式有關。這意味著對于任意輸入光場，所產生的總損耗將取決于功率在模式上的分布方式。例如，人們可以想象，光只能通過激光發射到低階模式，這會導致低熔接損耗。如果在熔接前強烈彎曲光纖，光可能會重新分配到高階模式，熔接損耗會變大。

以耦合損耗為例，考慮兩個階躍折射率多模光纖之間的完美機械接頭，其 NA 相等，為 0.2（根據最大折射率差計算），但第一根光纖的纖芯直徑為 62.5 μm，而第二根光纖的纖芯直徑僅為 50 微米。我們可以計算第一根光纖的每個模式，將其與第二根光纖的所有模式的重疊積分的模量平方相加，從而得到其耦合損耗。（或者，可以使用數值模擬的光束傳播，但這需要更多的計算時間并且暫時不太精確。）圖 2 顯示了損耗與模式的 m 值的關系。對于低m但高l值，這些損失最高。

LP 14,3 模式的耦合損耗如此之高——大約 10 dB，遠高于根據模式面積比 (1.94 dB)得出的結果，可能會讓人感到驚訝。然而，該模式在 25 μm 半徑之外有很大一部分功率，此外其在傅里葉空間中的強度分布也很遠。計算結果已通過基于數值光束傳播的計算得到證實，這是一項非常獨立的檢查。

如果交換兩根光纖，即輸入來自較小的纖芯，則所有模式的耦合損耗都會變得更小：

因此，對于多模光纖，除了單模光纖（見上文），當來自纖芯較小的光纖時，耦合損耗要小得多。然而，對于某些模式，這些損耗仍然很大——例如，LP 55 模式的損耗為 2.8 dB。數值光束傳播證實了這一結果。它表明，當它進入纖芯較大的光纖時，該場開始擴展，并且該擴展后來并未完全停止在新的纖芯/包層邊界處。這表明并非核心內的每個場分布和有限的角度內容都可以通過導模很好地匹配。

對于具有多種模式的光纖，這種效果不太明顯。基本上，必須意識到較小核心的模式跨越了一個數學空間，而不是較大核心的子空間。

氣隙的影響

在基于光纖耦合器的機械接頭和連接中，可以在兩個端面之間形成微小的氣隙。人們可能會認為這會通過端面的菲涅耳反射導致大量插入損耗和低回波損耗。然而，如果氣隙的尺寸遠小于光波長，則情況并非如此。在這種情況下，兩個反射之間幾乎存在 π 相移，因此它們通過相消干涉在很大程度上相互抵消。

即使對于稍大的氣隙，光纖末端之間的距離通常至少遠低于瑞利長度，因此在該路徑長度上不會出現明顯的波前曲率。然后可以使用法布里-珀羅干涉儀的簡單公式近似計算總透射率和反射率。圖 4 顯示了二氧化硅纖維的結果。

在最壞的情況下，插入損耗為 0.6 dB。對于小于 0.1 dB，氣隙寬度應小于 0.07 個波長——例如，對于 1.5-μm 波長，氣隙寬度應小于 105 nm。如果接近半波長或一個波長的距離可以保持穩定，這也將允許非常低的耦合損耗。

光纖連接器

光纖連接器通常用于光纖電纜的末端，以便在光纖耦合設備之間提供非永久性連接。原則上，它們的使用方式與電連接器類似。然而，它們的使用通常需要更加小心，因為光纖末端相對敏感，而且光纖連接器并不總是很容易連接到光纖末端。

請注意，即使纖芯上的微小灰塵顆粒也可能造成重大損失。（因此，通常在未插入時用防塵帽保護光纖連接器。）此外，光纖端部的小缺陷可能會導致光纖端部之間的氣隙很小，從而導致反射損失（見上文）。

已經開發了多種光纖連接器，例如用于光纖通信中的應用。一些常見的類型是 ST、FC、SC 和 LC 連接器。不同的連接器類型在各個方面都有所不同，例如在成本、尺寸、易用性、插入損耗和回波損耗、合適的光纖尺寸、允許的配合周期數、多模、單模和保偏光纖的適用性和其他各種細節。

有關更多詳細信息，請參閱我們關于光纖連接器的百科全書文章。 關于光纖附件和工具的第 13 部分也可能會有所幫助。

光纖連接器

光纖耦合器和激光二極管等各種光學元件通常與光纖“辮子”一起出售。這意味著一些光纖掛在設備外，用戶可以將其拼接到其他一些光纖上，或者將光纖連接器連接到它上面。

也可以購買純光纖尾纖，即沒有光學元件。在這種情況下，人們會在（通常很短的）光纖的一端獲得光纖連接器，而在另一端則沒有。例如，可以將開放端集成到某些設備中，避免自己組裝連接器的工作。當然，也可以取一些跨接電纜并將其剪成兩條辮子。

一些光纖尾纖只有一些聚合物緩沖層，但沒有像光纖跳線那樣的厚護套。還有夾套辮子。

關于角度切割光纖末端，切割角度需要多大才能避免顯著反射到纖芯模式中這通常是令人感興趣的。該等式可以很好地用于此；只需記住反射光束的角度偏差是切割角的兩倍。例如，標準模式面積為 100 μm 2 且w = 5.64 μm 的光纖需要至少 7.4° 的切割角，以便具有低于 10 -4 的背反射，即至少 40 dB 的回波損耗，在 1.5 μm 波長處。對于1000 μm 2 的大模面積光纖, 2.3° 就足夠了。請注意，較長的波長需要較大的切割角，因為它們會導致較大的光束發散。

下一期將介紹第七部分：傳播損耗

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發布于 2022-08-23 09:35