RP 系列 激光分析设计软件 | 无源光纤( 第二部分)

2022-08-05 10:41发布

本教程包含以下部分:
① 玻璃光纤中的导光
② 光纤模式
③ 单模光纤
④ 多模光纤
⑤ 光纤末端
⑥ 光纤接头
⑦ 传播损耗
⑧ 光纤耦合器和分路器
⑨ 偏振问题
⑩ 光纤的色散
⑪ 光纤的非线性
⑫ 光纤中的超短脉冲和信号
⑬ 附件和工具

这是 Paschotta 博士无源光纤教程的第 2 部分


第二部分:光纤模式





通常,在光纤中传播的光的强度分布在传播过程中会发生变化。它甚至经常以相当复杂的方式发展。例如,看看如果我们将高斯光束(相对于光束轴倾斜 20°)注入纤芯半径为 20 μm 且 NA 为 0.3 的光纤会发生什么情况:

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图 1: 使用 RP Fiber Power 软件 模拟的多模光纤中强度的演变。将与光束轴成 20° 角的高斯光束注入光纤。


(请注意,这里我们只显示强度分布,因为显示的空间区域较大,因此很难显示波前。)


可以清楚地看到当光束到达纤芯/包层界面并在那里反射时发生的干涉效应。最后,横向光束轮廓如图 2 所示:
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 2传播超过 100 μm 后光纤中的光束轮廓。

我们已经看到强度分布通常以复杂的方式演变。然而,存在某些幅度分布(即电场幅度的分布),其中强度分布在传播期间保持不变(假设是无损光纤)。这种场分布称为光纤的模式。其中最简单的基本模式,也称为 LP 01模式,对于当前示例中的光纤如下所示:
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 3模光纤中基模的强度分布。灰色圆圈表示纤芯/包层边界。

这是一个高阶模态,LP 37模态:

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图4:多模光纤中 LP 37模式的 强度分布。

至于基本模式,自然背离正好被不均匀的指数分布所抵消。
请注意,特别是高阶模式可以具有显着延伸到包层中的轮廓。
下图显示了光纤所有导模的振幅分布,按其模式指数排序:
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 5多模光纤的所有导模的幅度分布。RP Fiber Power 软件 已在远低于一秒的时间内计算出这些模式。

在我们的示例中,纤芯半径为 20 μm,NA = 0.3,光纤在 1.5 μm 波长处有 84 个不同的导模(见图 5)——当计算模式的不同方向时,甚至有 160 个。(例如,LP 11模式也存在于旋转 90° 的版本中;这两个模式是相互正交的。)所有的导模基本上都限制在纤芯区域,即使它们可以在一定程度上延伸到包层中(但随着距离的增加强度会降低从核心)。

图 6 显示了光纤模式的远场分布,因为它们可以在离光纤末端很远的地方观察到。它们看起来与近场
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