光纤

2021-02-22 16:33:27 浏览:892

定义

一种长的薄波导结构,可以进行一定程度的弯曲。

光纤是一种波导,通常是由一些玻璃制作而成,可以制作的很长(几百千米),并且相对于其它波导来说更加灵活。最常用的玻璃为二氧化硅(石英玻璃,无定型二氧化硅SiO2),有的为纯态有的掺杂某些物质。二氧化硅之所以被广泛应用是因为其卓越的性质,尤其是其极低的传输损耗(超纯材料可以实现)以及抗拉伸和弯曲的超高机械强度(前提是表面完好)。

激光器技术中应用的大多数光纤纤芯折射率比周围介质(包层)高。最简单的情形是阶跃折射率光纤,即折射率在纤芯和包层分别都是常数。纤芯和包层的折射率差决定了光纤的数值孔径,差值通常很小,这样光纤是弱导波的。进入纤芯中的光在纤芯中传播,即光主要在纤芯区域传播,尽管其光强分布会延展到纤芯区域之外。由于光纤的导波效应和低传播损耗,光强在很长距离的光纤中保持几乎不变。

图 1 将光射入光纤中的简单装置。一束准直激光光束聚焦进入光纤纤芯中。光在纤芯中传播,从光纤端口出射后变为发散光束。光纤纤芯和包层都由玻璃制作。玻璃光纤外面还有一层聚合物涂层保护。

另一种不是很常见的导波结构是利用光子带隙。例如,可以采用具有不同折射率的同心环形成一种二维布拉格反射镜。

特种光纤是描述具有特别性质的一些光纤,通常不常见。

光纤的应用

光纤光学具有很多重要的应用。其中最重要的包括:

1、光纤通信中利用光纤进行长程数据传输,有时也用于传输短距离。大量的数据可以很快的传到光纤中,并且不受外界影响(电场和磁场等)。

2、活性光纤装置包含稀土掺杂光纤。光纤激光器可以产生各种频率的激光,光纤放大器可以用来放大光强或者放大弱信号。

3、光纤传感器可以用于,例如建筑物内温度分布和应力测量,石油管道和机翼等。

4、无源光纤通常用于将光源中的光传输到另一处,来进行例如发光,二极管泵浦激光器和电力光纤。通常,它们也可以用于连接不同的光纤装置,例如干涉仪和光纤激光器。即它们类似于电子器件中的电线。

因此,光纤光学在光子技术中是一个极其重要的领域。

光纤模式——单模和多模光纤

一根光纤可以支持一个或多个导波模式,其强度分布在光纤线性或者纤芯周围,强度的一部分也可能在光纤包层中传播。另外,包层模式很多,这些模式不局限在纤芯区域。包层中的模式通常在传输一段距离之后能量就会消失,但是有些情况下也可以传输很长的距离。在包层之外,通常还有保护的聚合物涂层,使光纤机械强度增大,并且防潮和其它对包层模式有害的效应。这一缓冲层可能包含丙烯酸盐,硅树脂或聚酰亚胺。在光纤端口,通常需要剥除涂层。

单模和多模光纤最重要的差别在于:

1、单模光纤纤芯通常比较小(直径仅有几微米),只能传输一个空间模式(不考虑该模式包含两个不同的偏振方向),该模式形状大多数情况下为高斯型。改变入射条件仅仅会改变射入光纤中导模的强度,而从光纤中出射光的空间分布是确定的。为了实现有效的将光耦合进单模光纤,通常需要激光光源发出的光具有很好的光束质量,并且为了实现模式匹配,需要聚焦光学装置严格对准。单模光纤的模式半径在5 μm量级,但是也有大模式面积光纤传播单个模式。后者情况下,位置的对准允差较低,而角度的允差更高(即不是太大问题)。

2、多模光纤的纤芯和纤芯包层间的折射率差都更大,因此可以支持具有不同强度分布的多个模式(图2)。在这种情况下,从光纤纤芯中出射光的空间形状与入射条件有关,它决定了不同空间模式中的功率分布。

长程光纤通信系统通常采用单模光纤,因为当数据传输速率很高时,不同模式具有不同的群速度会使信号发生畸变。但在稍短距离的情况下,采用多模光纤更加方便,因为它对光源和器件的要求更低。因此局域网(LANs)通常采用多模光纤,很大带宽的情况除外。

单模光纤通常用于光纤激光器和放大器。多模光纤通常用来将激光器光源中的光传输到需要用的地方,尤其是当光源具有较差的光束质量和高功率情况需要大模式面积的情况下。

光纤中的不同模式可以通过各种效应发生耦合,例如,通过弯曲或者折射率曲线的不规则。这些有的是不需要的,有些是人为引入的,例如光纤布拉格光栅。波导理论表明耦合过程中一个重要的参数是不同的光学模式具有不同的波数,因此只有当空间频率匹配时才能实现有效的耦合。

主要参数

设计阶跃折射率光纤时两个参数非常重要,纤芯半径 a 和纤芯和包层的折射率差Δn。纤芯半径的典型值在单模光纤中为几微米,多模光纤中为几十微米或更大。

通常不采用折射率差表征,而是利用数值孔径,定义为:

即入射光束相对于光纤轴的最大接收角的正弦值(考虑射线光学中光从空气进入纤芯)。NA可以量化导波强度,其典型值在单模光纤中为0.1,但是实际中它的值会在比较大的范围内变化。例如,大模式面积单模光纤的数值孔径很小,可以小于0.05,而有些稀土掺杂光纤的值为0.3,并且更高的增益效率时该值更大。多模光纤NA的典型值在0.3附近。光纤对弯曲损耗的灵敏度会极大的提高NA,导致模场被强烈束缚在纤芯中。

图 2 折射率形状为平顶的光纤(参阅阶跃折射率光纤)中所有导波模式的电场振幅形状。两种颜色代表电场的正负号。最低阶模式(l=0,m=1称为LP01模式)强度形状类似于高斯光束。通常来讲,进入多模光纤中的光会激发不同模式的叠加,因此形状非常复杂。

另一个常用的参数为V值:

是一个归一化频率。当V值小于约2.405时,可以实现单模传输。多模光纤具有很大的V值。模式的数目与V2成正比。

考虑一个典型的阶跃折射率石英光纤单模工作在1500 nm光谱区域的情况作为一个例子,其截止波长为1300 nm,数值孔径为0.1。纯二氧化为包层在1500 nm时的折射率约为1.4475,即折射率差约为0.0035。纤芯直径为10μm,V值为2.1。

折射率分布

光纤中的折射率分布通常与阶跃折射率分布(在纤芯折射率为常数)差别较大:

1、由于预制棒熔化过程中掺杂物优先蒸发(假设预制棒是有化学气相沉积方法制作的),这时在纤芯中心通常折射率下降。具有小模式面积的单模光纤中,这不会显著影响模场分布,其分布大多数情况下接近于高斯型。

2、有些光纤为渐变折射率分布(渐变折射率光纤),其中折射率远离中心后逐渐变小,例如,抛物线形状。抛物线型折射率非常重要,例如在多模光纤中可以使模间色散最小。

3、还有W型折射率分布,即纤芯由折射率小于包层介质的物质包围(凹陷型包层)。理论上来说,还可以存在附加的阶跃折射率或者平滑的折射率变化。

4、三角形的、梯形的和高斯型折射率分布通常用在色散位移光纤中。

5、折射率分布不必要是圆柱形的。例如,椭圆形纤芯可以提高双折射(参阅保偏光纤)或者单偏振导波(参阅单偏振光纤)。

需要注意的是数值孔径的定义以及V值对于非矩形折射率分布不是很明确。

另外,还有光纤晶体光纤,其中折射率分布与结构有很大的关系。

传播损耗

光在光纤中的传播损耗非常小,尤其是通信用的单模石英光纤中。其中的衰减主要来自于短波长处的瑞利散射和长波长处的多光子吸收。瑞利散射来自于折射率涨落,这在玻璃中基本上不能避免,但是通过采用高数值孔径光纤中的浓度涨落可以强烈抑制该效应。其它损耗来自于非弹性散射(自发布里渊散射和拉曼散射),杂质吸收和纤芯直径的涨落。

石英光纤中1500-1600 nm光最低的损耗可以小于0.2 dB/km(约单位千米4.5%),接近于非均匀玻璃中瑞利散射的理论极限值。在1400 nm附近还存在损耗峰值,这可以通过优化纤芯的化学组分减小OH含量极大的降低损耗。但是,具有很高OH含量的光纤在紫外光区域具有更低的损耗,而在红外光谱去则具有损耗峰值。

多模光纤通常具有很高的数值孔径,因此具有更高的传播损耗,主要是因为纤芯掺杂浓度高会增大散射损耗。稀土掺杂光纤也具有更高的损耗,但是由于这种光纤应用时长度不会大于几十米,因此不会影响应用中的性能。

偏振性质

除了常用的圆柱形对称结构,光纤中还存在双折射会引起光的偏振片发生变化(激光辐射偏振)。保偏光纤本身具有很强的双折射可以解决这一问题。另外,还有单偏振光纤,只会导引一个偏振方向上的光。还有各种光纤偏振控制器,可以调整光纤的偏振态。

色散性质

由于光纤的波导性质,光纤中的色散(chromatic dispersion)与材料色散差别很大,尤其是当模式面积很小时。因此通过控制波导性质可以得到不寻常的色散性质。例如,色散位移光纤在1500 nm光谱区域具有非零色散,还有色散平坦光纤,即在很大波长范围内具有很小的色散,以及色散缓变光纤。光子晶体光纤在设计上具有非常高的自由度。

光纤中的双折射使群速度与偏振有关,这称为偏振模式色散。多模光纤中通常存在模间色散,即群速度依赖于光纤模式,可以选择合适的折射率分布使其最小化,但是还是比单模光纤中的色散大。

光纤制造

大多数光纤是通过拉制预制棒制造的,它是一个直径为几厘米,长度约为1m的玻璃棒。沿着预制棒轴的方向,预制棒的某一区域折射率较大,会形成纤芯。当预制棒被加热到接近零点时,从底部拉预制棒可以得到直径约为125 μm长度为几千米的细光纤。在光纤被卷在一起之前,通常在外面涂覆聚合物涂层用来机械和化学防护。

光纤纤芯可以掺杂一些激光活性离子,通常为稀土离子,例如铒,钕,镱或者钍。当采用合适的泵浦光激发这些离子时,发生光学放大过程,这可以用于光纤激光器或放大器中。

光纤电缆

虽然玻璃是一种易碎的材料,玻璃光纤却非常坚固。但是,光纤中还需要涂层保护涂层。在实验室应用中,将通信装置中的光发送到诊断仪器中,或者在大型工业装配中,使用包含连接器的光纤电缆非常方便(光纤跳线,如图3),其中真正的光纤外面还有附加的保护涂层。由于裸玻璃光纤的直径典型值为125 μm,聚合物涂层和外壳使直径增大到几百μm,因此光纤电缆的总直径约为几毫米。除了加强电缆之外,电缆材料的颜色(通常为黄色)使光纤很容易辨识,因此尽量避免恶劣的环境。

图 3 光纤电缆端口处的光学连接器。

更厚的光纤电缆用于传输高功率光束,例如,从光纤耦合半导体激光器到固态激光头中或者传到一些材料加工器件中。当功率高达几百瓦到几千瓦时,光纤电缆的直径约为几个厘米。高功率光纤电缆中也包含一些传感器来检测电缆的损伤,这样如果检测到高功率辐射跃迁从损伤点处辐射出去,可以马上关闭激光光源。这种预警措施对于激光防护很重要。

用于长距离光纤通信的光纤电缆通常很厚,因为它们通常需要穿过恶劣环境,因此需要采取保护措施。在极限情况下,这些电缆可能放在海床上或者埋在地下。因此在安装和今后的维护中,需要很强的保护抗机械应力。

光纤电缆可能包含多根光纤。这样单根光纤的大数据传输容量增大了很多倍。

光纤器件

很多光学器件直接由光纤制作。例如:

1、光纤耦合器可以耦合两光纤中的光,耦合系数通常与光波长有关。

2、光纤布拉格光栅提供与波长密切相关的反射和透射特性。它们可以用于光学滤波器或者将色散引入系统。

3、光纤偏振器由一些特殊的单偏振光纤制作,它只能传播一个特定偏振方向上的光。

4、光纤放大器可以放大特定波长区域的光。

光纤准直器可以连接光纤光学器件和自由空间光学器件。这一装置主要包含一个准直透镜,将光纤端口出射的强的发散光束转化成准直光束。另外,还有机械对接,提供光纤间半永久性的连接。

抛光,切割和熔接

采用抛光技术可以得到干净平滑的光学端口。也可以制作不与光纤轴垂直的端面。倾斜角在10°附近(抛光角度),从光纤端面反射的光被有效的消除,因此可以保护对反射敏感的激光器。

另一种更加快捷的方法产生干净的光纤端口是切割。其中,在一段拉伸光纤,然后采用振动的钻石刀片在另一端刻痕。这样保证了光纤端面非常拼花,至少在纤芯区域如此。在该过程中缠绕光纤,可以进行角度切割,但是这种方法结果的重复性比抛光技术差。

光纤也可以熔接在一起。可以采用熔接技术制作永久性的光纤接头。另一种简单的技术是机械连接,其中光纤端口通过机械方法牢固的连在一起,但是不熔化。但是,这种情况下连接损耗很高,即使当表面折射率匹配时会减小。

还有其他种类的光纤连接器,可以得到很好的机械接触,但是如果需要可以随时与光纤断开。

一般来说,相比于处理电子接头来说,处理光纤端面更加精细。除了考虑尘埃,油脂等,光纤端口也很容易被划伤。处理光纤端面通常采用非常昂贵的装置(例如,高质量熔接器),尤其是考虑工作环境时需要很可靠的结果的情况下,即尤其是在比较脏的环境下。但是,光纤的很大优势是电缆不能比拟的就是其更高的传输容量。

安全问题

激光防护中的眼睛防护是一个很严重的问题,尤其是高功率光纤装置。受损伤的光学电缆可能辐射非常有害的高功率光,因此,这些电缆需要进行很好的保护避免受损伤,可以采用内置的传感器系统进行控制。

在光纤通信中,功率一般足够小来避免眼睛安全问题,尤其是在1500 nm,即人眼安全的波长范围附近。但是,有时功率也高到非常危险,例如,有限TV中,高功率放大器产生的信号光非常大用来将信号分配到不同光纤用户中。

另一个对眼睛的损伤与激光辐射无关,而是来自于光纤端口的锋利碎片,即切割光纤时得到的。这些碎片非常锋利,如果粘在手指上就有可能进到眼睛里或者插到皮肤里。它们也不能消化。因此,需要将光学碎片仔细的放置在有标记的容器中,在工作区域采取措施使它们能被看到,并且在工作区域严禁吃喝。

特殊种类的光纤

双包层光纤具有一个单模纤芯和多模内包层,后者传输泵浦光,例如高功率光纤激光器或放大器中的泵浦光。

还有各种保偏光纤,通常是由强的双折射效应实现。如果入射光的偏振态与光纤的双折射轴重合,那么在光纤传播过程中偏振态不会发生改变。另外,还有单偏振光纤,即某一个方向的偏振光损耗很大。

一种特殊的光纤为光子晶体光纤(PCF),也称为微结构光纤或者带孔光纤。这种光纤通常只包含一种材料,中间有很多很小的空气孔,直径小于1 μm。制造这种光纤需要使用带孔的预制棒,由叠层毛细管得到。通过改变空气孔的排列,得到的光纤就会具有不同的性质。例如:

1、非常大或者小模式面积,得到极弱或极强的非线性

2、在很大波长范围内实现单模导波(无截止单模光纤)

3、大部分光在空气孔中传播(空气导波光子带隙光纤)

4、不寻常的色散性质,例如在可见光谱区域为反常色散

目前光子晶体光纤有望应用于很多应用中,包括非线性光纤装置,工作在短波长处的孤子光纤激光器和高功率光纤放大器。

大多数光纤都使用的二氧化硅及与其有关的材料(例如,锗硅酸盐或者铝硅酸盐玻璃),有些玻璃材料也可以采用。例如:

1、磷酸盐玻璃主要用于光纤放大器和激光器(低淬灭效应,即使在很高的稀土掺杂浓度时)

2、硫系玻璃(硫化物,碲化物,或者硒化物玻璃),声子能量很小,主要用于中红外应用

3、氟化物玻璃,声子能量也很小,用于中红外或者上转换激光器

低成本的多模光纤可以使用便宜的聚合物材料(塑料光纤,POF),可以使用简单的挤压方法制造,制造的光纤很坚固,甚至可以得到很大的直径。在有些应用领域中,需要使用比玻璃光纤更便宜的方法。目前甚至光子晶体光纤都可以用聚合物得到。有些聚合物光纤可以用到传播太赫兹波。

有些情况下,光纤由晶体材料制备,例如蓝宝石,但是通常这种光纤不太灵活,可以看做是一根能够进行波导传播的细棒(纤芯结构可有可无)。它们可以用于非常高功率光纤激光器和放大器中。

光纤损伤

在工作中,光纤装置可能会遭受各种形式的损伤。例如:

1、在高光强的情况下,光纤端口极易损伤。空气玻璃界面的算上阈值比体材料更低。例如,石英光纤对于1 ns波长为1000 nm的脉冲的表面损伤力约为22 J/cm2 [10]。如果脉冲具有更高的峰值强度或损伤里,那么需要使用无芯端盖(图4)。如果端口具有灰尘,那么光学表面更容易受损伤。并且,将高功率光射入光纤会早成附近的聚合物涂层过热。

2、平均功率不是太高的情况下,光纤端口的初始损伤会造成光纤熔化,然后背向传播到整个光纤中。

3、峰值功率过高时,会发生自聚焦,进一步提高强度,立刻引起损伤。石英光纤中,该效应的阈值功率约为4 MW,与模式面积无关。

4、在使用稀土掺杂光纤的高增益光纤放大器中,会产生寄生激光,同时还存在Q开关效应会破坏光纤。

5、如果单位长度耗散功率很高,那么光纤容易过热,这在丙烯酸涂层中尤其明显。水冷却可以有效抑制该效应。

图 4 光子晶体光纤棒低端的无芯端盖。

光纤与电缆的比较

在一些技术领域,例如长距离或计算机芯片间的光数据传输,光纤(或其它波导)可以与电缆相比拟。与后者相比,光纤具有很多优势:

1、光纤电缆比电缆轻很多。

2、光数据传输中光纤的容量比电缆高几个数量级。

3、光纤中的传输损耗可以非常低,最优波长处可以小于 1dB/km,该波长在1500 nm附近。

4、如果需要传输很大的距离时,采用一个光纤放大器可以放大很多的信道。

5、光纤实现光数据连接的情况很难被拦截和控制,因此即使不使用加密技术也能具有额外的安全性。如果需要很高安全性,需要使用量子密码。

6、光纤连接不受电磁干扰,以及接地回路等问题,

7、光纤中也不存在触发易爆物体的危险(除非携带高功率的光纤断裂)。

但是,光纤也有其缺点:

1、光纤连接器比较敏感且很难处理,尤其是使用单模光纤时。需要精确对准和超净。因此,只有在使用很高传输带宽时才使用光纤连接器。

2、玻璃光纤不能很大程度的弯曲,因为这会引起很高的弯曲损耗甚至折断。这在光纤入户技术中是一个问题。但是,石英光纤非常坚固可以弯曲的程度远大于其他玻璃材料。

参考文献

[1] K. C. Kao and G. A. Hockham, “Dielectric-fiber surface waveguides for optical frequencies”, Proc. Inst. Elect. Eng. 113, 1151 (1966)
[2] K. C. Kao and T. W. Davies, “Spectrophotometric studies of ultra low loss optical glasses – I: Single beam method”, J. Phys. E 2 (1), 1063 (1968)
[3] D. Gloge, “Weakly guiding fibers”, Appl. Opt. 10 (10), 2252 (1971)
[4] W. A. Gambling, “The rise and rise of optical fibers”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 6 (6), 1084 (2000) (an informative review on the development of glass fibers)
[5] A. W. Snyder, “Guiding light into the millennium”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 6 (6), 1408 (2000)
[6] Timbercon's fiber-optic keywords
[7] A. W. Snyder and J. D. Love, Optical Waveguide Theory, Chapman and Hall, London (1983)
[8] J. Hecht, City of Light, The Story of Fiber Optics, Oxford University Press, New York (1999)
[9] J. A. Buck, Fundamentals of Optical Fibers, Wiley, Hoboken, New Jersey (2004)
[10] W. Koechner, Solid-State Laser Engineering, 6th edn., Springer, Berlin (2006)
[11] F. Mitschke, Fiber Optics: Physics and Technology, Springer, Berlin (2010)
[12] R. Paschotta, Field Guide to Optical Fiber Technology, SPIE Press, Bellingham, WA (2010)
[13] R. Paschotta, tutorial on "Passive Fiber Optics"

作          者: 泮桥成像光电商城

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