RP 系列 激光分析设计软件 | 无源光纤( 第三部分)

2022-08-05 10:47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 3 部分


第三部分:单模光纤





前面的部分中,我们已经看到,根据其折射率分布和波长,一根光纤可以引导不同数量的模式。如果数值孔径和折射率对比度很小,它可能只是单导模(LP 01模) 。在这种情况下,光纤称为单模光纤 LP 11、 LP 20等这样的高阶模式则不存在——只有包层模式,它们并不局限于光纤纤芯周围。

请注意,在大多数情况下,可以引导具有不同偏振态的光。术语“单模”忽略了这样一个事实,即通常(对于径向对称的折射率分布和无双折射)一个实际上具有两个不同的模式,具有相同的强度分布但正交的线性偏振方向。任何其他偏振态都可以被认为是这两者的线性叠加。(另见关于极化问题的第 6 部分。



单模制导条件




对于阶跃折射率光纤设计,单模导引有一个简单的标准:V 数必须低于 ≈2.405。V 数定义为:

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其中 λ 是真空波长,a 是纤芯半径,NA 是数值孔径。对于折射率的其他径向相关性,甚至对于非径向对称的折射率分布,通常必须以数值方式计算单模条件。使用标准 V <  2.405是正确的,例如,根据最大指数差计算 V


核心尺寸的影响



通常,人们可能会认为更小的纤芯意味着更小的光纤模式。对于恒定的V,这是正确的;对于较大的核心,指数对比度会变得越来越小。然而,如果我们保持数值孔径不变,数会随着核心半径而变化,并且模式半径显示出对核心半径的非单调依赖性,如图 2 所示,NA 为 0.1:图片

图 1:对于 0.12 的恒定数值孔径,模式半径对核心半径的依赖性。模式半径通过强度分布的二阶矩(D4σ 值)定义。单模状态位于灰色垂直线的左侧。


可以看到,对于 ≈4.8 μm 以下的纤芯半径,V 数变得相当小,模式半径增加。在小 V 值的情况下,模式远远超出核心,并且大大偏离了高斯形状。

图 3 显示了 0.3 的较高 NA 的情况

图片

图 2: 对于 0.12 的恒定数值孔径,模式半径对核心半径的依赖性。

示例:典型的单模光纤


一种典型的 1.5 μm 波长的单模光纤可能具有纤芯半径为 4 μm 和数值孔径为 0.12的阶跃折射率分布。导模则具有5.1 μm的模式半径和75 μm 
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