無源光纖之光纖模式的案例
RP Fiber Power 無源光纖之光纖模式
一般來說，在光纖中傳輸?shù)墓馐涔鈴姇趥鬏斶^程中發(fā)生變化。演變過程甚至會相當復雜。例如，假設我們將一束相對于光軸傾斜20°的高斯光束，注入到纖芯半徑為20μm和NA=0.3的光纖中，會發(fā)生什么呢？
圖1:RP Fiber Power軟件模擬的多模光纖的強度演變過程。將一束相對于光軸傾斜20°的高斯光束注入到光纖中。(請注意，這里我們只顯示了強度的輪廓)
當光束到達纖芯/包層界面并在那里反射時，可以清楚地看到發(fā)生的干涉效應。最后，橫截面如圖2所示:
圖2: 超過10μm的光束強度分布。
我們已經(jīng)看到強度分布通常以復雜的方式演變。但是，在傳輸過程中，存在一定的振幅分布(即電場振幅的分布)，強度分布保持不變(假設是無損耗光纖)。這樣的場分布稱為光纖的模式。其中最簡單的基模，也稱為LP01模，看起來如下圖所示:
圖3:多模光纖中基模的強度分布圖。灰色的圓圈表示纖芯/包層邊界。
這是一個高階模式，LP37模式，如下圖:
圖4:多模光纖中LP37模式的強度分布圖。
對于基模，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。
下圖是光纖各導模的振幅分布圖，按模式指標排序:
圖5:多模光纖中所有導模的振幅分布圖。通過RP Fiber Power軟件，可以在一秒之內計算出模式。
在我們的案例中，纖芯半徑為20μm,NA = 0.3，在1.5μm波長處，光纖有84種不同的導模(見圖5)——如果計算不同方向的導模，甚至有160種。(例如LP11模式也存在于旋轉90°的情況;這兩種模式是相互正交的。
展開 RP Fiber Power 無源光纖之玻璃光纖
任何光纖的基本功能都是引導光，即充當介質波導。引導從光纖端面注入的光在光纖中的傳輸。這里，我們僅對玻璃光纖作出解釋，但其實塑料光纖工作原理也是一樣的。
原則上，引導光線最簡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。)光通過內部發(fā)生全反射來傳輸。由于內部折射率大，它適用于相當大范圍的輸入光束角度，原則上無任何功率損失。
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，這種簡單的解決方法有一些致命的缺點:
由于折射率對比度高，即使玻璃外表面有微小劃痕，也會導致大量的光散射損失。因此，外表面必須具有高光學質量，并能很好地防止損壞和污垢。只有在玻璃周圍涂上適當?shù)木彌_涂層，這個問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損失。
即使光纖很薄(例如直徑為0.1 mm)，它也會支持大量模式(見第2部分)，這是不好的，例如當保持高光束質量很重要時。
然而，我們可以改變想法：不再是需要一個非常干凈的涂層，而是使用另一個玻璃區(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)生全內反射，但入射角需要更大。
這給了我們幾個好處:
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。
由于反射點的折射率對比度降低，界面的小不規(guī)則性不會像玻璃/空氣界面那樣造成嚴重的光學損失。外層界面的不規(guī)則性不再重要，因為光無法“看到”它們。
引導區(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 RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—摻鍺光纖的模式特性
該程序是用于計算光纖模式特性較為復雜的案例。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定理計算,與波長有關,需要進行色散計算。模式求解方法(2．5節(jié))提供了相關函數(shù),可計算所有模式的有效折射率、群折射率、群速度色散等。
RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件一光纖模式分布的計算
文件：Fiber modes ．fpw
（對應表格操作文件Fiber modes ．fpi）
簡要的說，該程序通過對整體模型求解計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。
以下為程序運行后，光纖模式特性相關圖形：
圖1為徑向函數(shù)圖形，不同顏色曲線對應不同的ι值。圖中，也表明了折射率分布及模式的有效折射率。
圖2為選定模式的強度分布圖樣。
圖3為模式數(shù)與波長的關系曲線。在波長為1．96um時僅存在單模形式。
圖4為表明有效折射率與波長有關，折射率增大到包層折射率大小時，對應截止波長。
圖5為纖芯內對應所有模式及波長的功率。
展開 
RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設計軟件—多模光纖內光束的特性(模式分布的模擬)
該程序模擬了幾種導波模式下光纖內光束的傳輸特性。采用高斯光束入射，可與纖芯偏移，也可相對光纖軸向傾斜入射。此程序計算了所有模式的振幅分布，也可有效計算光纖輸出端的強度分布。除各輸出模式功率的計算之外，也可獲得以下圖形：
圖1為各導波模式的功率與入射光束位置的關系。
圖2為個導波模式的功率與光束斜入射角的關系。
圖3為給定光束偏移量下輸出光束的強度分布。
圖4為給定光束斜入射角下輸出光束的強度分布。
RP 系列 激光分析設計軟件 | 無源光纖（ 第十一部分）
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
? 光纖的非線性特性
? 光纖中的超短脈沖和信號
? 光纖配件和工具
這是 Paschotta 博士的無源光纖教程的第 11 部分
第十一部分：光纖的非線性特性
在光纖中，光被限制在一個小的橫向區(qū)域內，在這種情況下，即使中等功率水平也會產(chǎn)生高的光強度，并且，光在光纖中可以傳輸很長的距離。基于上述原因，由光纖非線性引起的非線性效應往往具有實質性的影響。短脈沖在光纖中傳輸以及在脈沖光纖放大器中的情況尤其如此。
克爾效應
光纖中最簡單和最常見的非線性效應是克爾效應。本質上來講就是當光強增加時，光纖中的相位延遲會變大。這可以通過折射率差值正比于光強來描述：
這種增加通常可以被認為是瞬時發(fā)生的，即使這在現(xiàn)實中并不完全正確。下面我們還考慮不是瞬時發(fā)生的非線性響應。石英光纖中的非線性系數(shù) n 2 相當小——當波長為1.5 μm 時，它的非線性系數(shù)約為2.7 · 10 -16 ?cm 2 /W。在數(shù)值模擬中，通常根據(jù)中心光頻率來確定其值，即較短波長的光波的非線性系數(shù)較大。而對于其他玻璃，例如氟化物玻璃或硫化物玻璃，通常具有更強的非線性響應。在高強度下，電致伸縮會導致纖維直徑有所減小，但是這需要一些時間。對于納秒脈沖，電致伸縮會使其非線性系數(shù)增加，但對于皮秒或飛秒脈沖卻不起作用。這就是文獻中非線性系數(shù)的測量值不同的原因之一。
自相位調制
由克爾效應引起的效應之一是自相位調制( SPM )。這意味著光纖中的光束在傳播時會經(jīng)歷由其自身強度引起的非線性相位延遲。
展開 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：
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
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第三部分：單模光纖
在前面的部分中，我們已經(jīng)看到，根據(jù)其折射率分布和波長，一根光纖可以引導不同數(shù)量的模式。如果數(shù)值孔徑和折射率對比度很小，它可能只是單導模（LP 01模） 。在這種情況下，光纖稱為單模光纖 LP 11、 LP 20等這樣的高階模式則不存在——只有包層模式，它們并不局限于光纖纖芯周圍。
請注意，在大多數(shù)情況下，可以引導具有不同偏振態(tài)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(tài)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。）
單模制導條件
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(shù)必須低于 ≈2.405。V 數(shù)定義為:
其中 λ 是真空波長，a 是纖芯半徑，NA 是數(shù)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(shù)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(jù)最大指數(shù)差計算 V。
核心尺寸的影響
通常，人們可能會認為更小的纖芯意味著更小的光纖模式。對于恒定的V數(shù)，這是正確的；對于較大的核心，指數(shù)對比度會變得越來越小。
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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
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第二部分：光纖模式
通常，在光纖中傳播的光的強度分布在傳播過程中會發(fā)生變化。它甚至經(jīng)常以相當復雜的方式發(fā)展。例如，看看如果我們將高斯光束（相對于光束軸傾斜 20°）注入纖芯半徑為 20 μm 且 NA 為 0.3 的光纖會發(fā)生什么情況：
圖 1： 使用 RP Fiber Power 軟件 模擬的多模光纖中強度的演變。將與光束軸成 20° 角的高斯光束注入光纖。
（請注意，這里我們只顯示強度分布，因為顯示的空間區(qū)域較大，因此很難顯示波前。）
可以清楚地看到當光束到達纖芯/包層界面并在那里反射時發(fā)生的干涉效應。最后，橫向光束輪廓如圖 2 所示：
圖 2：傳播超過 100 μm 后光纖中的光束輪廓。
我們已經(jīng)看到強度分布通常以復雜的方式演變。然而，存在某些幅度分布（即電場幅度的分布），其中強度分布在傳播期間保持不變（假設是無損光纖）。這種場分布稱為光纖的模式。其中最簡單的基本模式，也稱為 LP 01模式，對于當前示例中的光纖如下所示：
圖 3：模光纖中基模的強度分布。灰色圓圈表示纖芯/包層邊界。
這是一個高階模態(tài)，LP 37模態(tài)：
圖4：多模光纖中 LP 37模式的 強度分布。
至于基本模式，自然背離正好被不均勻的指數(shù)分布所抵消。
請注意，特別是高階模式可以具有顯著延伸到包層中的輪廓。
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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
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⑨ 偏振問題
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第十部分：光纖的色散
色散是光在光纖中傳播的相速度和群速度取決于光頻率的現(xiàn)象。它與光纖的許多應用有關。例如，它對光纖通信中電信信號的傳播和超短脈沖的傳播有很大的影響。
色散的起源
在光纖中，色散來自兩個完全不同的來源：
玻璃材料具有一些材料色散，例如應用于在該玻璃的均勻片中傳播的平面波。這意味著折射率與波長有關。
還有波導色散：由于在光纖中我們沒有平面波（即使光纖模式通常具有平面波前），而是空間受限的光波，因此修改了色散。
了解波導色散
考慮一個有點人為的情況，波導色散更容易理解：從端面看，光纖纖芯為方形而不是圓形，在 x 和 y 方向上的寬度為 a 。我們還假設高指數(shù)對比度，因此至少低階模式在核心之外基本上沒有強度。在這種情況下，每個模場（在纖芯內）本質上是四個平面波的疊加。有兩個在 ± x 方向具有波矢量分量，另外兩個在 ± y 方向具有波矢量。
由于模式場必須在核心的邊緣消失，波矢量的 x 分量必須滿足條件 k x? a ?=? j x? π 和正整數(shù)模式索引 j x。（ k x 是 x 方向上每單位長度的相位超前。）類似的規(guī)則適用于 y 方向。圖 1 顯示了 j x = 3 和j y = 4 的橫向幅度分布。
圖 1： “方形纖芯光纖模式的幅度分布。
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第八部分：光纖耦合器和分路器
使用光纖時，經(jīng)常需要使用光纖耦合器來實現(xiàn)各種目的。一些例子：
圖 1： 2×2 光纖耦合器。
額外的孤立吸收峰可能來自某些雜質。例如，如果芯材不是無水的，二氧化硅纖維在 1.39 μm 和 1.24 μm 附近表現(xiàn)出增加的吸收損失。定向 2 × 2 耦合器（見圖 1）通常用于此類目的。
相同類型的設備可用于光纖干涉儀，也可用于組合兩個輸入。（請注意，可能會出現(xiàn)極化問題。）
二向色耦合器可用于組合光纖放大器的泵浦和信號輸入，或去除放大器后殘留的泵浦光。
對于高功率光纖激光器和放大器，通常需要具有多個輸入的泵浦耦合器，將多個高功率二極管棒的輸出組合在一起。
增加的散射損失可能是由于纖芯/包層界面的不規(guī)則性造成的。對于具有大折射率對比度（高數(shù)值孔徑）的光纖，這個問題更為嚴重。此外，較大的折射率對比度通常意味著纖芯的鍺摻雜程度較高，這使得它暫時不太均勻。因此，用于通過電信光纜進行長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡蛽p耗單模光纖具有相對較小的 NA，即使較高的 NA 會提供更穩(wěn)健的引導。
定向光纖耦合器可能最常用的工作原理是在兩個光纖纖芯彼此靠近的配置中的倏逝波耦合。可以通過加熱兩個裸露的纖維來制造這種設備，使玻璃開始融化并融合在一起。在此過程中，人們也可能會稍微拉動纖維。
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第九部分：偏振問題
標稱對稱光纖中的雙折射
原則上，具有完全旋轉對稱設計的光纖應該沒有雙折射。因此，它應該完全保持光的偏振。然而，實際上，一定量的雙折射總是由光纖的缺陷（例如，光纖纖芯的輕微橢圓度）或彎曲引起的。因此，光的偏振態(tài)在相對較短的光纖長度內發(fā)生變化——有時僅在幾米之內，有時則快得多。
請注意，光纖中偏振方向之間的折射率差異不一定比其他設備中的大。然而，纖維往往很長，因此即使是微弱的指數(shù)差異也會產(chǎn)生重大影響。
另一個重要方面是，由此產(chǎn)生的偏振變化不僅是隨機的和不可預測的，而且還強烈依賴于波長、光纖沿其整個長度的溫度以及光纖的任何彎曲。因此，調整偏振狀態(tài)通常沒有太大幫助，例如使用光纖偏振控制器（見下文）；環(huán)境參數(shù)或波長的一些細微變化可能會再次破壞偏振。
光纖偏振控制器
光纖的強烈彎曲會引入雙折射。這意味著以一定半徑彎曲并固定在線圈上的某些適當長度的光纖可以具有 π 或 π / 2 的相對相位延遲，例如，在兩個偏振方向之間。因此，它可以像 λ / 2波片（半波片）或 λ/4 波片（四分之一波片）一樣工作。如果圍繞與輸入和輸出光纖重合的軸旋轉整個線圈，則會獲得與在自由空間激光束中旋轉體波片類似的效果。人們經(jīng)常使用一個有效的四分之一波片線圈與一個半波片線圈和另一個串聯(lián)的四分之一波片線圈的組合來將一些輸入偏振態(tài)轉換成任何想要的偏振態(tài)。
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RP 系列 激光分析設計軟件 | 無源光纖（ 第一部分）
下一期將介紹第二部分：光纖模式
敬請關注！
RP 系列 激光分析設計軟件 | 無源光纖（ 第十三部分）
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
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⑤ 光纖末端
⑥ 光纖接頭
⑦ 傳播損耗
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⑩ 光纖的色散
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? 光纖中的超短脈沖和信號
? 光纖剝離和切割工具
這是 Paschotta 博士的無源光纖教程的第 13 部分
第十三部分：光纖剝離和切割工具
在處理了光纖的大量物理背景之后，我們考慮幾個實際方面：使用光纖時經(jīng)常需要的一些工具和附件。
光纖剝離和切割工具
在關于光纖端的第 5 部分中，我們已經(jīng)解釋了光纖端通常需要剝離和切割，并提到了一些常用的工具。以下是一個簡短的概述：
常見的光纖剝離工具看起來就像鉗子一樣。使用光纜時，我們需要用剝線工具切入到聚合物護套中，將護套的一端拉開。該工具還可用來剝離光纖最后幾厘米處的聚合物緩沖層。
展開 RP 系列 激光分析設計軟件 | 無源光纖（ 第十二部分）
圖 2 給出了更寬的時間范圍：
圖 2：光纖經(jīng)過1 m 和 10 m 后 具有1-nJ 脈沖的光功率和瞬時頻率。在這里，非線性效應變得很重要。
光譜寬度現(xiàn)在從 4.4 THz (14.7 nm) 增加到 18.8 THz (62.7 nm)。
若非線性效應忽略不計，只需用相反符號的色散就很容易重新得到時間展寬。因此，可以通過將上啁啾脈沖發(fā)送到具有反常色散的光纖中或將下啁啾脈沖發(fā)送到具有正常色散的光纖中來獲得色散脈沖壓縮。若非線性效應不可忽略，原則上它們可以通過合適的色散分布進行補償——然而，實踐起來比較困難。因此，光纖作為脈沖壓縮器在大多數(shù)情況下僅限于峰值功率相對較小的脈沖。此外，如果光譜恒定的二階色散足夠大，則脈沖壓縮是最容易的，即光譜相位隨著頻率偏移的平方變化。
模間色散
多模光纖還有另一種色散：模間色散。這意味著不同的模式（見第 2 部分）具有不同的群速度；我們已經(jīng)在第 4 部分討論了模間色散。如果將超短脈沖入射到光纖中，會使多個模式被激發(fā)，并且相應的模式到達輸出端的時間是不相同的。
圖 3 顯示了輸出功率與時間的關系，其中 200-fs 脈沖穿過 50 cm 的階躍折射率光纖。輸入脈沖的空間輪廓為高斯分布，但他并不是與光纖軸完全對齊。基模首先出現(xiàn)，因為它是最快的。大約 1.7 ps 之后是 LP 11 模式——實際上它是兩種不同方向的模式的疊加。（這些模式是退化的，假設光纖是完全對稱且保持直線。）之后會出現(xiàn)更多的模式。
圖 3： 具有 200-fs 輸入脈沖的光纖的輸出功率與時間的關系。
圖 4 將以動畫圖形的形式顯示結果。可以很好地看到光纖如何將輸入分解為模式，并在不同時間呈現(xiàn)這些模式。
圖 4： 200-fs 輸入脈沖的與時間相關的輸出光束輪廓（動畫圖形）。
展開 無源光纖網(wǎng)絡pon如何組網(wǎng)呢？弱電人要學習一下
PON是一種典型的無源光纖網(wǎng)絡，是指 (光配線網(wǎng)中) 不含有任何電子器件及電子電源，ODN全部由光分路器 (Splitter) 等無源器件組成，不需要貴重的有源電子設備。一個無源光網(wǎng)絡包括一個安裝于中心控制站的光線路終端 (OLT)，以及一批配套的安裝于用戶場所的光網(wǎng)絡單元 (ONUs) 。PON技術的問題，一直是有不少的朋友在問到，pon如何組網(wǎng)呢？今天我們一起來了解下。
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