RP 系列 激光分析设计软件 | 多模光纤( 第四部分)

2022-08-05 10:51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 4 部分


第四部分:多模光纤





多模光纤是在工作波长具有多个导模的光纤——有时只有少数(→ 少模光纤),但通常很多。纤芯通常很大——不比整根光纤小多少(见图 1)。

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图 1: 单模光纤(左)的纤芯与包层相比非常小,而多模光纤(右)的纤芯很大


同时,数值孔径往往比较高——例如,0.3。这种组合导致很大的 V 数,进而导致大量的模式。对于具有大 V 的阶跃折射率光纤,在计算两个偏振方向时,可以使用以下公式进行估算:

具有较少导模的光纤,例如 V 数在 3 到 10 之间的光纤,有时称为少模光纤。

如果需要传输空间相干性差的光,则需要多模光纤。例如,典型的高功率激光二极管的输出就是这种情况,例如二极管条。尽管它们的输出功率只有很小一部分可以发射到单模光纤中,但对于纤芯足够大和/或 NA 高的多模光纤来说,发射效率非常高。另一个例子是使用发光二极管( LED ) 代替激光二极管作为光纤链路中的廉价信号源。其他应用存在成像,例如;图像信息的传输需要具有多种空间模式的设备。


多模光规格


多模光纤的基本规格包括多模光纤的芯径和外径。常见的电信光纤(中距离光纤通信用光纤)为50/125 μm 和62.5/125 μm 光纤,芯径分别为50 μm 或62.5 μm,包层直径为125 μm。这种光纤支持数百种导模。 也可以使用具有甚至更大的芯直径(数百微米)的大芯光纤。


将光发射到多模光纤中


与单模光纤相比,多模光纤更容易发射光,尤其是在它支持多种导模的情况下。为了高效启动,必须满足两个条件:

  • 输入光基本上应该只照射核心,而不是包层。

  • 输入光不应包含大量以大于 arcsin NA 的角度传播的功率。

如果输入光的 M 因子足够小,则可以同时满足这两个条件。有效发射具有超高斯轮廓的光束的最大 2因子可以从以下公式估算:

如果光功率很好地分布在所有模式上,这实际上是来自光纤的近似光束品质因数。(只有当光纤具有许多导模时,估计才准确。)当然,有效的发射不仅需要足够低的 M 2因子,还需要在真实空间和傅里叶空间中具有合适的强度分布形状。

例如,考虑一根纤芯半径为 25 μm、数值孔径为 0.2 的光纤。图 2 显示了 1000 nm 处的单色输入光束的强度分布,它的数值构造使其刚好充满光纤纤芯,并且其角分布也达到了光纤数值孔径设定的极限。光束轮廓基本上是从具有完全随机相位值(导致巨大发散)的超高斯强度轮廓开始制作的,然后在傅里叶域中使用另一个超高斯函数进行滤波,并再次应用超高斯滤波器在空间域。

角度分布导致复杂的强度变化。对于相同的光束质量,非单色光束的强度分布可能更平滑:虽然每个波长分量都有一个复杂的分布,但这些波动可以平均成一个平滑的整体分布。(特别是对于非单色光束,平滑的强度分布并不表示光束质量高。)

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图 2: 多模光束 的强度分布,它具有大约最大可能的 2值,可有效发射到光纤中。


结果证明,构造的梁的 M 2值为 12,这与上述公式计算的 15.7 的限值相差不远。图 3 显示了它如何在光纤中传播。光束轮廓在光纤中经历了强烈的变化,但几乎所有的光都保持在引导状态。

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图 3: 光纤中强度分布的演变。在最初的几毫米内,只有很少的光损失到包层中。


如果进一步扩大初始光束尺寸或角度范围,类似的模拟会表现出大量的发射损失。此外,如果光束轮廓大致为高斯而不是超高斯,则有效发射需要稍低的 M 2值(低于 10)。

如果将光发射到特定的高阶模式,则该光的 M 

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