無(wú)源光纖之光纖模式
關(guān)注創(chuàng)建者：墨光科技 創(chuàng)建時(shí)間：2020-10-29
無(wú)源光纖之光纖模式的實(shí)例教程
一般來(lái)說(shuō)，在光纖中傳輸?shù)墓馐涔鈴?qiáng)會(huì)在傳輸過(guò)程中發(fā)生變化。演變過(guò)程甚至?xí)喈?dāng)復(fù)雜。例如，假設(shè)我們將一束相對(duì)于光軸傾斜20°的高斯光束，注入到纖芯半徑為20μm和NA=0.3的光纖中，會(huì)發(fā)生什么呢？
圖1:RP Fiber Power軟件模擬的多模光纖的強(qiáng)度演變過(guò)程。將一束相對(duì)于光軸傾斜20°的高斯光束注入到光纖中。(請(qǐng)注意，這里我們只顯示了強(qiáng)度的輪廓)
當(dāng)光束到達(dá)纖芯/包層界面并在那里反射時(shí)，可以清楚地看到發(fā)生的干涉效應(yīng)。最后，橫截面如圖2所示:
圖2: 超過(guò)10μm的光束強(qiáng)度分布。
我們已經(jīng)看到強(qiáng)度分布通常以復(fù)雜的方式演變。但是，在傳輸過(guò)程中，存在一定的振幅分布(即電場(chǎng)振幅的分布)，強(qiáng)度分布保持不變(假設(shè)是無(wú)損耗光纖)。這樣的場(chǎng)分布稱為光纖的模式。其中最簡(jiǎn)單的基模，也稱為L(zhǎng)P01模，看起來(lái)如下圖所示:
圖3:多模光纖中基模的強(qiáng)度分布圖。灰色的圓圈表示纖芯/包層邊界。
這是一個(gè)高階模式，LP37模式，如下圖:
圖4:多模光纖中LP37模式的強(qiáng)度分布圖。
對(duì)于基模，非均勻折射率分布恰好抵消了自然發(fā)散。
特別要注意的是，高階模的輪廓可以顯著地延伸到包層中。
下圖是光纖各導(dǎo)模的振幅分布圖，按模式指標(biāo)排序:
圖5:多模光纖中所有導(dǎo)模的振幅分布圖。通過(guò)RP Fiber Power軟件，可以在一秒之內(nèi)計(jì)算出模式。
在我們的案例中，纖芯半徑為20μm,NA = 0.3，在1.5μm波長(zhǎng)處，光纖有84種不同的導(dǎo)模(見(jiàn)圖5)——如果計(jì)算不同方向的導(dǎo)模，甚至有160種。(例如LP11模式也存在于旋轉(zhuǎn)90°的情況;這兩種模式是相互正交的。
展開(kāi) 任何光纖的基本功能都是引導(dǎo)光，即充當(dāng)介質(zhì)波導(dǎo)。引導(dǎo)從光纖端面注入的光在光纖中的傳輸。這里，我們僅對(duì)玻璃光纖作出解釋，但其實(shí)塑料光纖工作原理也是一樣的。
原則上，引導(dǎo)光線最簡(jiǎn)單的方法是使用均勻的玻璃棒。(如果它足夠薄，它也可以被彎曲到某種程度。)光通過(guò)內(nèi)部發(fā)生全反射來(lái)傳輸。由于內(nèi)部折射率大，它適用于相當(dāng)大范圍的輸入光束角度，原則上無(wú)任何功率損失。
圖1:光在均勻光纖中發(fā)生全反射。注意，僅有部分反射發(fā)生在端面，那里入射角較小。
然而，這種簡(jiǎn)單的解決方法有一些致命的缺點(diǎn):
由于折射率對(duì)比度高，即使玻璃外表面有微小劃痕，也會(huì)導(dǎo)致大量的光散射損失。因此，外表面必須具有高光學(xué)質(zhì)量，并能很好地防止損壞和污垢。只有在玻璃周圍涂上適當(dāng)?shù)木彌_涂層，這個(gè)問(wèn)題才能得到一定程度的緩解;這種涂層不是高度均勻的，很難提供非常低的光學(xué)損失。
即使光纖很薄(例如直徑為0.1 mm)，它也會(huì)支持大量模式(見(jiàn)第2部分)，這是不好的，例如當(dāng)保持高光束質(zhì)量很重要時(shí)。
然而，我們可以改變想法：不再是需要一個(gè)非常干凈的涂層，而是使用另一個(gè)玻璃區(qū)域，即包層，其折射率小于纖芯折射率。
圖2:具有包層的多模玻璃纖維，由折射率稍低的玻璃制成。玻璃/玻璃界面可以發(fā)生全內(nèi)反射，但入射角需要更大。
這給了我們幾個(gè)好處:
玻璃可以比塑料緩沖涂層更清潔和均勻。這已經(jīng)減少了損失。
由于反射點(diǎn)的折射率對(duì)比度降低，界面的小不規(guī)則性不會(huì)像玻璃/空氣界面那樣造成嚴(yán)重的光學(xué)損失。外層界面的不規(guī)則性不再重要，因?yàn)楣鉄o(wú)法“看到”它們。
引導(dǎo)區(qū)域——被稱為纖維芯——現(xiàn)在可以做得比總纖維小得多，如果需要的話。
展開(kāi) 該程序是用于計(jì)算光纖模式特性較為復(fù)雜的案例。采用摻鍺的多模光纖,一定鍺濃度下超高斯橫向分布。纖芯折射率位于硅與鍺之間,取決于鍺含量。硅與鍺的折射率可由Sellmeier定理計(jì)算,與波長(zhǎng)有關(guān),需要進(jìn)行色散計(jì)算。模式求解方法(2．5節(jié))提供了相關(guān)函數(shù),可計(jì)算所有模式的有效折射率、群折射率、群速度色散等。
文件：Fiber modes ．fpw
（對(duì)應(yīng)表格操作文件Fiber modes ．fpi）
簡(jiǎn)要的說(shuō)，該程序通過(guò)對(duì)整體模型求解計(jì)算了光纖模式的分布。
該腳本程序需定義折射率分布值。通過(guò)數(shù)行程序代碼，依次讀取折射率值，插值繪制折射率函數(shù)n＿f（r）圖形。
以下為程序運(yùn)行后，光纖模式特性相關(guān)圖形：
圖1為徑向函數(shù)圖形，不同顏色曲線對(duì)應(yīng)不同的ι值。圖中，也表明了折射率分布及模式的有效折射率。
圖2為選定模式的強(qiáng)度分布圖樣。
圖3為模式數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線。在波長(zhǎng)為1．96um時(shí)僅存在單模形式。
圖4為表明有效折射率與波長(zhǎng)有關(guān)，折射率增大到包層折射率大小時(shí)，對(duì)應(yīng)截止波長(zhǎng)。
圖5為纖芯內(nèi)對(duì)應(yīng)所有模式及波長(zhǎng)的功率。
展開(kāi) 該程序模擬了幾種導(dǎo)波模式下光纖內(nèi)光束的傳輸特性。采用高斯光束入射，可與纖芯偏移，也可相對(duì)光纖軸向傾斜入射。此程序計(jì)算了所有模式的振幅分布，也可有效計(jì)算光纖輸出端的強(qiáng)度分布。除各輸出模式功率的計(jì)算之外，也可獲得以下圖形：
圖1為各導(dǎo)波模式的功率與入射光束位置的關(guān)系。
圖2為個(gè)導(dǎo)波模式的功率與光束斜入射角的關(guān)系。
圖3為給定光束偏移量下輸出光束的強(qiáng)度分布。
圖4為給定光束斜入射角下輸出光束的強(qiáng)度分布。
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無(wú)源光纖之光纖模式的最新內(nèi)容
線性偏振光纖模式16天前
LP 光纖模式計(jì)算器
為了展示這些功能，我們選擇了一個(gè)更詳細(xì)地涵蓋 LP 光纖模式計(jì)算器的用例，以及另一個(gè)示例，該示例演示了某種像差組合如何使從我們的光纖源發(fā)出的模式的形狀發(fā)生改變。
相關(guān)的 LP 模式源可以與多光源結(jié)合使用，以將有限數(shù)量的這類模式一起配置為光學(xué)系統(tǒng)中的光源，這用來(lái)模擬離開(kāi)給定光纖的場(chǎng)。 這可以模擬離開(kāi)光纖的場(chǎng)將如何通過(guò)復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的其余部分進(jìn)行傳播
摘要
光纖是光學(xué)系統(tǒng)中廣泛使用的光源。因此，研究光學(xué)系統(tǒng)的像差對(duì)光纖模式傳播的影響是有意義的。在本用例中，我們使用VirtualLab Fusion中的快速物理光學(xué)引擎來(lái)演示由階躍或梯度折射率光纖產(chǎn)生的一組模式的形狀，以及由它們的組合產(chǎn)生的光場(chǎng)，如何受到有像差的光學(xué)系統(tǒng)的影響。
階躍折射率光纖建模任務(wù)
線偏振模式計(jì)算器
光纖模式的光源
衍射圖樣
光纖光源聚焦模式的像差效應(yīng)3個(gè)月前
階躍折射率光纖建模任務(wù)
光纖是光學(xué)系統(tǒng)中廣泛使用的光源。因此，研究光學(xué)系統(tǒng)的像差對(duì)光纖模式傳播的影響是有意義的。在本用例中，我們使用VirtualLab Fusion中的快速物理光學(xué)引擎來(lái)演示由階躍或梯度折射率光纖產(chǎn)生的一組模式的形狀，以及由它們的組合產(chǎn)生的光場(chǎng)，如何受到有像差的光學(xué)系統(tǒng)的影響
[VirtualLab] 光纖光源聚焦模式的像差效應(yīng)3個(gè)月前
摘要
光纖是光學(xué)系統(tǒng)中廣泛使用的光源。因此，研究光學(xué)系統(tǒng)的像差對(duì)光纖模式傳播的影響是有意義的。在本用例中，我們使用VirtualLab Fusion中的快速物理光學(xué)引擎來(lái)演示由階躍或梯度折射率光纖產(chǎn)生的一組模式的形狀，以及由它們的組合產(chǎn)生的光場(chǎng)，如何受到有像差的光學(xué)系統(tǒng)的影響。
階躍折射率光纖建模任務(wù)
LP光纖模式計(jì)算器4個(gè)月前
配置光纖結(jié)構(gòu)：Step-Index Fiber（階躍折射率光纖）
光纖模式計(jì)算器可用于計(jì)算在圓柱對(duì)稱光纖中傳播的線偏振 (LP) 模式，可以是單芯的階躍折射率，也可以是無(wú)限拋物線剖面的漸變折射率。 描述這些模式的相應(yīng)多項(xiàng)式是用于階梯折射率光纖的 Bessel 和用于漸變折射率光纖的 Laguerre
[VirtualLab] LP光纖模式計(jì)算器4個(gè)月前
摘要
光纖模式計(jì)算器可用于計(jì)算在圓柱對(duì)稱光纖中傳播的線偏振 (LP) 模式，可以是單芯的階躍折射率，也可以是無(wú)限拋物線剖面的漸變折射率。 描述這些模式的相應(yīng)多項(xiàng)式是用于階梯折射率光纖的 Bessel 和用于漸變折射率光纖的 Laguerre。 此用例展示了如何使用計(jì)算器以及如何配置模式的采樣參數(shù)。
摘要
光纖模式計(jì)算器可用于計(jì)算在圓柱對(duì)稱光纖中傳播的線偏振 (LP) 模式，可以是單芯的階躍折射率，也可以是無(wú)限拋物線剖面的漸變折射率。描述這些模式的相應(yīng)多項(xiàng)式是用于階梯折射率光纖的 Bessel 和用于漸變折射率光纖的 Laguerre。此用例展示了如何使用計(jì)算器以及如何配置模式的采樣參數(shù)。
配置光纖結(jié)構(gòu)：Step-Index Fiber（階躍折射率光纖）
光纖模式計(jì)算器允許定義線性偏振貝塞爾模式和線性偏振
線偏振(LP)光纖模式計(jì)算器9個(gè)月前
摘要
光纖模式計(jì)算器可用于計(jì)算具有單核的階躍折射率或具有無(wú)限拋物線輪廓的漸變折射率的圓柱對(duì)稱光纖中的線偏振(LP)傳播模式。描述這些模式的相應(yīng)多項(xiàng)式是階躍折射率光纖的貝塞爾(Bessel)多項(xiàng)式和漸變折射率光纖的拉蓋爾(Laguerre)多項(xiàng)式。本應(yīng)用案例說(shuō)明了如何使用計(jì)算器和模式場(chǎng)的采樣參數(shù)的配置。
配置光纖結(jié)構(gòu)：階躍折射率光纖
JCMsuite—單模光纖傳播模式9個(gè)月前
在本教程項(xiàng)目中，我們計(jì)算了帶有摻雜二氧化硅芯的圓柱形光纖的基本傳播模式。
磁芯具有相對(duì)介電常數(shù)?core=2.113和直徑dcore=8.2μm。包層具有相對(duì)介電常數(shù)?cladding=2.1025和直徑dcladding=80μm。我們假定磁場(chǎng)的切向分量在外邊界上消失。我們想在1.5附近找到兩個(gè)本征模，這是我們對(duì)有效折射率的最初猜測(cè)。基本示例propagation Mode
摘要
光纖模式計(jì)算器可用于計(jì)算在圓柱對(duì)稱光纖中傳播的線偏振 (LP) 模式，可以是單芯的階躍折射率，也可以是無(wú)限拋物線剖面的漸變折射率。描述這些模式的相應(yīng)多項(xiàng)式是用于階梯折射率光纖的 Bessel 和用于漸變折射率光纖的 Laguerre。此用例展示了如何使用計(jì)算器以及如何配置模式的采樣參數(shù)。
配置光纖結(jié)構(gòu)：Step-Index Fiber（階躍折射率光纖）
