RP 系列 激光分析设计软件 | 多模光纤（ 第五部分）

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 博士的无源光纤教程的第 5 部分

第五部分：光纤末端

准备清洗光纤末端：剥离、切割、抛光

在大多数情况下，当使用光纤时，必须准备干净的末端。第一步通常是使用机械剥离器剥离最后几厘米的聚合物涂层。在有问题的情况下，可能必须使用溶剂（化学剥离）。玻璃纤维的外壳通常会很干净，但纤维末端，如果它只是被折断，仍然会有不规则的形状。因此，我们需要一些方法来获得一个好的表面——通常是一个平面，它垂直于纤维轴，或者有时具有其他一些角度。制备干净末端的最常用方法是切割。本质上，这意味着裸光纤玻璃的受控断裂。一种方法是在对纤维施加一定的张力或弯曲之前或同时在纤维的侧面制作一个微小的划痕，例如用锋利的金刚石、碳化物或陶瓷刀片。这会导致光纤从上述断裂点开始断裂。通常，得到的表面非常光滑。切割通常使用简单的金刚石刀片完成。一个人轻微地划伤光纤然后将其折断，例如用手指尖末端。此过程需要一些练习，并且结果有些可变。为了获得更一致的结果，需要在更受控的条件下使用精密光纤切割器进行切割。这些设备中的一些也可用于制备角度切割（参见图 2），切割表面和纤维轴之间的角度控制得相对较好。在非标准情况下，例如大纤维直径或非标准玻璃成分，切割变得更加困难。例如，在切割氟化物纤维时，至少需要使用适合的参数用于精密切割器。有关更多详细信息 ，请参阅我们关于光纤切割的百科全书文章。关于光纤附件和工具的第 13 部分还介绍了有关切割工具的更多细节。重新切割光纤可以替代清洁，因为很难可靠地清洁光纤末端。对于非常高质量的光纤表面，或使用大直径光纤时，或连接光纤连接器时，可能需要在切割后进行一些抛光程序。例如，可以将光纤末端插入套圈（中空陶瓷、玻璃或金属管）并用胶水固定在那里。然后使用特殊的抛光机将光纤与玻璃管一起抛光。这一过程允许生产具有任意明确定义的纤维表面方向的高质量表面。然而，它比简单的切割需要更多的时间，当然，抛光机的所有细节（例如，负载力、速度和时间）和抛光剂都必须很好地适应套圈和纤维材料和尺寸. 手工抛光也是可能的，但通常会导致较差的结果。抛光的光纤端，除了切割端外，可能有一些凸曲率，这是由于使用了柔性抛光垫造成的。这种“圆顶表面”有助于例如连接器组中的两个单模光纤之间的良好接触。

切割角度的相关性

在某些情况下，重要的是具有刚好垂直于纤维轴的切割纤维表面。例如，当光纤插入光纤连接器时，通常会出现这种情况（参见第 6 部分），尽管有些连接器需要角度切割。 机械接头也不适用于非垂直端（参见图 1）。

图 1： 当光纤切割不垂直时，光纤接头将不可以正常工作：将形成气隙，或者扭结。

请注意，由于光纤末端的折射，非正常切割会导致输出光束方向偏离光纤轴（参见图 2）。此外，还需要适当倾斜的输入光束以进行有效发射。这使得角度切割的使用有些不便。

图 2：当光从带有角度切割的光纤中射出时，它会有些偏转。还显示了反射光的方向；它不会回到纤芯。

劈裂角度对背反射光也有重要影响。如果它很小，则在输出表面反射的光（由于与空气的折射率差异导致的菲涅耳反射）将基本上在纤芯中向后传播。然而，对于足够大的切割角，光将完全进入包层并在那里丢失。这意味着尽管有明显的反射，但仍存在非常大的回波损耗（例如 60 dB），对于正常的劈裂，回波损耗仅为 14 dB。这取决于光纤的细节，需要多大的切割角才能实现高反馈抑制。例如，对于通常的单模光纤，该模式具有几度的光束发散角。例如，可能需要一个大至 8° 的切割角。对于具有高数值孔径的光纤，它可能更大。然而，对于大模式面积光纤，相当小的切割角足以抑制反馈。在某些情况下，使用来自光纤末端的菲涅耳反射，例如用于光纤激光器的有效输出耦合器，或用于光时域反射仪 (OTDR)。

其他端部形状

在大多数情况下，光纤端部只是平坦的——如上面所讨论的，要么垂直切割，要么与光纤轴成一定角度。然而，在某些情况下，使用不同几何形状的纤维末端：

• 带透镜的光纤端部具有很强的曲率，这会导致准直或至少减少离开光纤的光束的光束发散度。由于通常相当小的芯尺寸，需要相当小的曲率半径来获得显着的透镜效应。一个特定的实现是光纤球透镜，其中一个微小的玻璃球融合到光纤末端。为此可以使用特殊的熔接机。玻璃的自然表面张力有助于制造高质量的光纤球透镜。

• 上述玻璃球还可以进一步加工；例如，它可以配备一个反射平面，将出射光束反射到侧面。例如，对于某些将光纤嵌入内窥镜的医疗应用，这很有用。

• 有光纤轴锥透镜，在光纤末端附近，光纤直径迅速减小到基本为零。这可以通过抛光（导致一种铅笔形状）或锥形技术来实现。只有在后一种情况下，核心尺寸也会逐渐减小；然而，这方面对于设备的性能可能并不重要。来自光纤并通过这种轴锥端的光被聚焦到一个相当小的直径，因此它可以发射到例如光子集成电路的一个非常小的波导中。相反，来自这种波导的光可以有效地传输到单模光纤中。

• 光纤端部可逐渐变细（→ 渐缩纤维），然后在纤维直径减小的区域切割。如果在较小端减小的模式尺寸适合于不同种类的光纤，那么这样的部件可以用于模式场转换器。

• 无芯端盖是拼接到光纤末端的均质玻璃部件。（在光子晶体光纤的情况下，可以使用熔接机简单地将末端区域的孔折叠起来。）来自光纤纤芯的光将在无芯端盖内膨胀，因此其光束半径大大增加（强度相应降低）一旦到达玻璃/空气界面。这种设备允许以非常高的功率水平将光从光纤传输到空气中，反之亦然。

下一期将介绍第六部分：光纤接头

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