RP 系列 激光分析设计软件 | 多模光纤（ 第六部分）
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 博士的无源光纤教程的第 6 部分
第六部分：光纤接头
纤维接头的类型
光纤可以连接在一起，从而使光有效地从一根光纤传输到另一根光纤。有多种可能性：
机械拼接是指通过一些机械手段将两个光纤末端紧紧地固定在一起。这通常用于永久连接，但也可以在不损坏光纤末端的情况下拆除接头。
另一种技术是熔接，其中纤维熔接在一起，例如使用电弧。如果两个光纤纤芯相似，这会导致插入损耗特别低，回波损耗特别高。
对于非永久性连接，也可以使用光纤连接器（见下文）。
图 1：光子晶体光纤（ PCF，左侧）和传统光纤（右侧） 之间熔接的显微镜想象。可以看到 PCF 的孔图案。照片由 NKT Photonics 友情提供。
不完美光纤接头的耦合损耗
一个常见问题是耦合损耗有多大，例如在机械接头处，当存在某种缺陷时，例如：
纤芯的平行偏移，
纤维轴方向之间的偏差，
核心尺寸不匹配，或
光纤末端之间的气隙。
事实证明，对于单模和多模光纤，有些答案是完全不同的。
单模光纤
计算单模光纤的耦合损耗相对容易。本质上，来自第一根光纤（输入）的导模在第二根光纤中产生了一些幅度分布，这可能会有些位移，例如，由于不完美的拼接。现在可以将耦合效率计算为该幅度分布与第二根光纤的导模之间的重叠积分。（不需要数值光束传播。）
对于具有不同模式半径和一些平行偏移的高斯模式轮廓的情况，可以使用我们在第 3 部分中已经讨论过的方程：
类似的方程可用于角度失配：
这表明角度对准对于具有大模式面积的单模光纤更为关键。对于标准模式区域，角度对齐通常比位置对齐更容易实现。
下图基于上述等式。
图 2： 由于模式半径不匹配导致的单模光纤机械接头处的插入损耗。
图3：由于纤芯平行偏移，单模光纤机械接头处的插入损耗。
图4：由于由于角度误差，单模光纤机械接头处的插入损耗，这可能是由于非垂直切割造成的。这已经针对模式半径与波长的不同比率进行了计算。
关于角度切割光纤末端，切割角度需要多大才能避免显着反射到纤芯模式中这通常是令人感兴趣的。该等式可以很好地用于此；只需记住反射光束的角度偏差是切割角的两倍。例如，标准模式面积为 100 μm 2 且 w = 5.64 μm 的光纤需要至少 7.4° 的切割角，以便具有低于 10 -4 的背反射，即至少 40 dB 的回波损耗，在 1.5 μm 波长处。对于1000 μm 2 的大模面积光纤, 2.3° 就足够了。请注意，较长的波长需要较大的切割角，因为它们会导致较大的光束发散。
但是请注意，上述方程仅对具有高斯分布的模式有效。然而，在从成角度的光纤末端高度抑制背向反射的情况下，结果对与高斯模式分布的偏差很敏感。在那里，人们必须根据计算出的模式分布数值计算背反射，例如使用我们的 RP Fiber Calculator PRO 软件。
考虑更多细节很有趣。例如，如果模式尺寸不同，输入光来自哪根光纤的损耗是否重要？根据上面的公式，它没有。这是事实，尽管可能令人惊讶：可以想象，从较小的磁芯到较大的磁芯会导致比在另一个方向上更低的损耗。但是请注意，较小的模式具有较大的光束发散角，即空间傅里叶空间中的场分布较宽，这对于具有较大模式的其他光纤来说太大了。因此，在接头处损失的功率比例实际上并不取决于方向。只有丢失的光在包层模式上的分布不同。
可以想象，当从较小模式的光纤转换到具有较大模式的光纤时，如果第二根光纤具有相同的 NA（尽管纤芯较大），则可以避免耦合损耗。（如果 V 数足够低，它可能仍然是单模。）毕竟，角度范围应该仅受 NA 限制。然而，这种期望是错误的；如果两根光纤都是单模光纤，那么模式尺寸的不匹配不可避免地会导致耦合损耗。
多模光纤
对于多模光纤，不能将损耗指定为单个数字：它们通常与模式有关。这意味着对于任意输入光场，所产生的总损耗将取决于功率在模式上的分布方式。例如，人们可以想象，光只能通过激光发射到低阶模式，这会导致低熔接损耗。如果在熔接前强烈弯曲光纤，光可能会重新分配到高阶模式，熔接损耗会变大。
以耦合损耗为例，考虑两个阶跃折射率多模光纤之间的完美机械接头，其 NA 相等，为 0.2（根据最大折射率差计算），但第一根光纤的纤芯直径为 62.5 μm，而第二根光纤的纤芯直径仅为 50 微米。我们可以计算第一根光纤的每个模式，将其与第二根光纤的所有模式的重叠积分的模量平方相加，从而得到其耦合损耗。（或者，可以使用数值模拟的光束传播，但这需要更多的计算时间并且暂时不太精确。）图 2 显示了损耗与模式的 m 值的关系。对于低m但高l值，这些损失最高。
图 5： 多模光纤接头处与模式相关的耦合损耗。水平坐标反映了每种模式的 m 值，而颜色取决于 l。
LP 14,3 模式的耦合损耗如此之高——大约 10 dB，远高于根据模式面积比 (1.94 dB)得出的结果，可能会让人感到惊讶。然而，该模式在 25 μm 半径之外有很大一部分功率，此外其在傅里叶空间中的强度分布也很远。计算结果已通过基于数值光束传播的计算得到证实，这是一项非常独立的检查。
如果交换两根光纤，即输入来自较小的纤芯，则所有模式的耦合损耗都会变得更小：
图 6： 与图 3 相同，但光输入到纤芯较小的光纤。
因此，对于多模光纤，除了单模光纤（见上文），当来自纤芯较小的光纤时，耦合损耗要小得多。然而，对于某些模式，这些损耗仍然很大——例如，LP 55 模式的损耗为 2.8 dB。数值光束传播证实了这一结果。它表明，当它进入纤芯较大的光纤时，该场开始扩展，并且该扩展后来并未完全停止在新的纤芯/包层边界处。这表明并非核心内的每个场分布和有限的角度内容都可以通过导模很好地匹配。
对于具有多种模式的光纤，这种效果不太明显。基本上，必须意识到较小核心的模式跨越了一个数学空间，而不是较大核心的子空间。
气隙的影响
在基于光纤耦合器的机械接头和连接中，可以在两个端面之间形成微小的气隙。人们可能会认为这会通过端面的菲涅耳反射导致大量插入损耗和低回波损耗。然而，如果气隙的尺寸远小于光波长，则情况并非如此。在这种情况下，两个反射之间几乎存在 π 相移，因此它们通过相消干涉在很大程度上相互抵消。
即使对于稍大的气隙，光纤末端之间的距离通常至少远低于瑞利长度，因此在该路径长度上不会出现明显的波前曲率。然后可以使用法布里-珀**涉仪的简单公式近似计算总透射率和反射率。图 4 显示了二氧化硅纤维的结果。
图 7： 机械光纤接头处的气隙导致的插入损耗和回波损耗。
在最坏的情况下，插入损耗为 0.6 dB。对于小于 0.1 dB，气隙宽度应小于 0.07 个波长——例如，对于 1.5-μm 波长，气隙宽度应小于 105 nm。如果接近半波长或一个波长的距离可以保持稳定，这也将允许非常低的耦合损耗。
光纤连接器
光纤连接器通常用于光纤电缆的末端，以便在光纤耦合设备之间提供非永久性连接。原则上，它们的使用方式与电连接器类似。然而，它们的使用通常需要更加小心，因为光纤末端相对敏感，而且光纤连接器并不总是很容易连接到光纤末端。
请注意，即使纤芯上的微小灰尘颗粒也可能造成重大损失。（因此，通常在未插入时用防尘帽保护光纤连接器。）此外，光纤端部的小缺陷可能会导致光纤端部之间的气隙很小，从而导致反射损失（见上文）。
已经开发了多种光纤连接器，例如用于光纤通信中的应用。一些常见的类型是 ST、FC、SC 和 LC 连接器。不同的连接器类型在各个方面都有所不同，例如在成本、尺寸、易用性、插入损耗和回波损耗、合适的光纤尺寸、允许的配合周期数、多模、单模和保偏光纤的适用性和其他各种细节。
有关更多详细信息，请参阅我们关于光纤连接器的百科全书文章。 关于光纤附件和工具的第 13 部分也可能会有所帮助。
光纤连接器
光纤耦合器和激光二极管等各种光学元件通常与光纤“辫子”一起出售。这意味着一些光纤挂在设备外，用户可以将其拼接到其他一些光纤上，或者将光纤连接器连接到它上面。
也可以购买纯光纤尾纤，即没有光学元件。在这种情况下，人们会在（通常很短的）光纤的一端获得光纤连接器，而在另一端则没有。例如，可以将开放端集成到某些设备中，避免自己组装连接器的工作。当然，也可以取一些跨接电缆并将其剪成两条辫子。
一些光纤尾纤只有一些聚合物缓冲层，但没有像光纤跳线那样的厚护套。还有夹套辫子。
关于角度切割光纤末端，切割角度需要多大才能避免显着反射到纤芯模式中这通常是令人感兴趣的。该等式可以很好地用于此；只需记住反射光束的角度偏差是切割角的两倍。例如，标准模式面积为 100 μm 2 且w = 5.64 μm 的光纤需要至少 7.4° 的切割角，以便具有低于 10 -4 的背反射，即至少 40 dB 的回波损耗，在 1.5 μm 波长处。对于1000 μm 2 的大模面积光纤, 2.3° 就足够了。请注意，较长的波长需要较大的切割角，因为它们会导致较大的光束发散。
