光纤光学

2021-03-15 15:24:22 浏览:770

定义

光纤中的光学技术。

光纤光学是关于光纤中的技术,即光传播最灵活的一种波导。词条光纤中描述了纤芯技术,包括各种类型的玻璃光纤(例如,石英光纤和氟化物光纤),还有塑料光纤。除了材料不同之外,光纤之间在很多其它方面也不同,尤其是在光纤纤芯中的传播特性。例如:

  • 单模光纤和多模光纤,支持一个导波模式或者多个模式;
  • 具有很大有效模式面积的大模式面积光纤;
  • 保偏光纤;
  • 长距离数据传输的低损耗光纤;
  • 色散缓变光纤和色散位移光纤,具有改进的色散性质;
  • 稀土掺杂光纤用于光纤放大器和激光器中,有时以双包层光纤的形式工作在高功率情况下;
  • 高非线性光纤,例如,用于超连续光产生;
  • 空心光纤,一部分光是在空气中传播的。

还有各种特种光纤。有些属于光子晶体光纤(或微结构光纤),在光纤纤芯中包含小的空气孔。

图 1 光进入光纤中,以固定的光束半径在光纤中传播直到离开光纤。可以将多个光学器件连在一起。在全光纤装置中,光可能完全分布在波导结构中。 

光纤电缆

光纤通常以光纤电缆的形式应用,其中光纤被放置在支撑结构中,用来保护它免受机械应力和液体的影响。光纤电缆的端口通常是采用光纤连接器,这样可以方便的与另一个电缆连接,尽管光纤连接器一般比较脆弱。

光纤电缆间的不同体现在下列方面:

  • 可能包含不同类型的光学,例如单模或多模玻璃光纤或塑料光纤,并且规格不同;
  • 电缆可能包含光纤数目不同,从1到几百;
  • 光纤被保护的程度不同,例如,抗机械损伤和防潮;
  • 有些光纤是防火的。

光纤器件

除了光纤之外,存在很多种类的光纤器件,可以通过光纤连接。很多光纤器件由光纤制造,而其它可能包含不同的其它材料,但是通过光纤耦合,即将光纤作为输入和输出端口。光纤器件的一些例子包括:

  • 光纤耦合激光二极管可用作光纤光学的光源。也可以采用固态体激光器或者其它的激光器结合一个光纤耦合装置;
  • 光纤耦合器用来将不同光源的光合束共同进入光纤中,或者作为光纤分离器,例如分配电视信号到不同的用户家中;
  • 光纤光学模式大小转换器可以有效的在具有不同有效模式面积的光纤间耦合光;
  • 光纤布拉格光栅可以用作波长选择的光纤光学反射器,例如在通信应用中波分复用系统的插分复用器。另一个应用是引入与波长有关的损耗,例如,用于光纤放大器系统中使增益平坦;
  • 光纤连接器可以实现光纤装置间可移除或者可重构的连接,与电子连接器类似,但是更加灵敏;
  • 光纤准直器将光纤光学与自由空间光学联系起来:它可以使光纤中输出的光准直,或者将准直的光束射入光纤中;
  • 光纤耦合法拉第隔离器,旋转器和环形器可以操控光束的偏振态;
  • 还有很多其它种类的光纤耦合器件用于光束操控,例如,光纤调制器和饱和吸收器;
  • 还有光纤耦合功率计和光谱仪测量光功率和光谱。还有装置可以测量偏振态。

光纤光学装置

可以将多个光纤光学器件得到具有复杂功能的全光纤装置。例如,通过将光纤耦合激光二极管,稀土掺杂光纤和光纤耦合器装配成二极管泵浦光纤激光器。附加的器件,例如光纤耦合饱和吸收器和用于色散补偿的光纤可以实现锁模工作,其中激光器辐射一列超短脉冲。还可以加入器件用作Q开关,功率稳定,波长调谐和其它功能。

光纤放大器和激光器

在激光活性光纤中,大多数为稀土掺杂光纤,可以基于受激辐射进行激光器放大过程。激光活性离子,例如,Yb3+, Er3+或Tm3+,由一些注入光纤中的更短波长的泵浦光泵浦,然后放大信号光。采用这一技术的光纤放大器可以实现很高的功率增益,可以达到几十分贝。采用双包层光纤的高功率放大器得到的平均输出功率为几百甚至几千瓦。通过采用反射器,例如光纤布拉格光栅,或者采用环形谐振腔可以实现光纤激光器。

图 2 8字形激光器装置,在锁模光纤激光器中有详细描述。这里多个光纤器件组成了一个复杂的装置。 由于很高的激光器增益,放大的自发辐射效应,光纤中激光活性离子的准三能级行为,强的增益饱和效应等,光纤激光器和放大器的工作机制通常比体激光器更加复杂。因此,为了更清晰的理解其工作机制,激光器模型非常重要,采用它可以优化装置设计。 

体光学和光纤光学的比较

传统的体光学装置包含很多分离的光学元件,例如反射镜,透镜,偏振器,滤波器等,而光纤光学可以制作成全光纤装置。

它们的技术方案差别体现在下列方面:

  • 全光纤装置的一个非常重要的实际意义是其结构的坚固性。所有的器件都相互连接,因此制作之后不存在不对准的问题。通常,光纤可以弯曲或者缠绕在一起,而不会产生不利影响。装置中不同的部分被严格放置在不同的地方而不会彼此连接。由于光始终在光纤纤芯封闭在光学器件中,因此外界的灰尘等不会影响它。
  • 但是,体光学装置更易发展、测试和维护,因为它包含的光学器件可以很方便的移除或者替换,并且也很容易测量光束的功率或者光束形状。因此可以很容易检查出出错原因或者优化单个器件。另外,可以很容易的通过改变单个反射镜或其位置来改变整个激光器装置中的光束尺寸,而这在光纤装置中需要替换所有或者大多数器件。
  • 体光学器件更容易制作。光纤器件的一个问题就是它需要考虑多个参数,例如模式尺寸,偏振保持导波与否,保护涂层的类型和厚度等,因此很难满足所有参数的需求和大规模生产。
  • 体光学装置通常需要包含很多昂贵的定位装置(光机械装置),并且每一个器件都必须经过对准过程,而该过程很难实现自动化。光纤装置需要精密对准,但是通常只在制作过程中需要,因此无需采用光机械装置。但是,光纤光学在实验要求中需要使用昂贵器件,例如熔接机。因此在数量很多的情况下,采用光纤光学更容易节省成本,但是小数量的情况下不会。
  • 在词条光纤激光器和体激光器中从激光器角度探讨了二者的不同,类型不同对技术的影响以及对激光器装置性能的影响作用。

很多时候体光学技术和光纤技术是混在一起使用的,即光部分在空气中和体光学器件中传输,部分在光纤中传输。因此可以利用两种技术的优势,当然也包含二者的缺点。例如,如果装置包含自由空间光束路径,那么光纤装置的坚固性就消失了。(需要注意重新将光射入单模光纤比体光学装置需要更加精细的对准。)

光纤光学的重要应用

光纤光学是光子技术中一个非常重要的领域。下面简单讨论其典型应用:

  • 光纤通信现在已经发展成一个核心的技术,需要将大多数数字信号(电话、视频和电视信号,计算等)以极快的速度极低的成本传输。网络的发展很大程度上得益于现代光纤光学的发展。不仅仅是指通信光纤(用于实际中的数据传输),还有其他的技术,例如补偿光纤损耗的光纤放大器,合成或分离信号的光纤耦合器,用于滤波的光纤布拉格光栅,特种光纤用来进行非线性数据处理还有很多其它的光纤器件。在长距离数据传输方面玻璃光纤占据主导地位,即使建筑物内的短距离传输或者光纤光学装置之间也占据越来越多的份额。
  • 很多光纤激光器不仅应用于低功率应用中,在其它方面也是非常重要的光源,甚至可以用于非常高输出功率,例如几千瓦的平均功率,峰值功率在兆瓦到千兆瓦(需要与体光学脉冲压缩器结合)。它们可以与体激光器想比拟,哪种技术更合适主要取决于不同的实际情况。参阅光纤激光器和体激光器获取更多细节知识。
  • 光纤传感器用来传感例如温度,压力和应力,旋转,化学成分等已经占领了很多市场,包括飞机和空间技术,石油探测,建筑物(例如,大桥)和管道的控制等。局域的和分布光纤传感器目前也应用于很多领域。
  • 很多光纤只是简单地将光从光源传送到需要的地方,例如,从一个高功率激光器二极管装置传输到体激光器中,从激光器二极管到传感器系统中在高压线中传输,或者从高功率光纤激光器到汽车工厂中的焊接机器人。

光纤装置模型

在分析和优化光纤装置的工作机制时物理模型非常重要。该模型需要考虑下列方面:

  • 光纤模式的性质与光纤设计有很大关系。优化的模式结构对于光纤的性能影响很大。
  • 尽管光纤中的光传播可以采用模式来描述,但是通常还需要数值得出光束传播情况,例如用于研究缺陷的影响,弯曲和其它外界条件的影响。另外,基于模式的分析在模式数目非常多的时候是不实际的。
  • 在有源光纤装置(放大器和激光器)中稀土离子的行为是功率转化的主要影响因素。以光纤装置的极限光强和增益条件而言,这种模型通常比体激光器复杂得多。
  • 光纤中超短脉冲的传播会引入更多的问题,例如色散和非线性的影响。需要注意,这些效应在光纤这种长度很长并且有效模式面积很小的介质中尤其强。

很多时候需要采用光纤模拟软件,尤其是需要各种数值模拟的情况。

参考文献

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参阅:光纤、光纤电缆、光纤连接器、光纤准直器、光纤切割、石英光纤、塑料光纤、稀土掺杂光纤、双包层光纤、单模光纤、多模光纤、LP模式、光纤晶体光纤、大模式面积光纤、特种光纤、模式大小转换器、锥形光纤、保偏光纤、光纤通信、色散缓变光纤、色散位移光纤、光纤布拉格光栅、光纤传感器、电力光纤、光纤激光器、光纤连接器、光纤模拟软件

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