锥形光纤传输特性的检测与分析
时间：2025-04-04
锥形光纤,熔锥光纤,光纤锥,原理与应用
光电子 激光
第14卷第7期 2003年7月 JournalofOptoelectronics Vol.14No.7 Jul.2003Laser
简报
锥形光纤传输特性的检测与分析
薛春荣3
3
3
Ξ
,祝生祥,李 锐,肖志刚,王晓霞
(同济大学Pohl固体物理研究所,上海200092)
摘要:在实验上用剪断法测量锥形光纤的传输效率随锥形光纤圆锥角的变化关系,作出传输效率曲线;根据标量波动方程,运用高斯近似法,从理论上说明光信号在锥形光纤中的传输特性和能量损耗,并用具体数据进行半定量计算。结果表明,锥形光纤顶端锥体的角度及其变化愈大愈光滑,锥形过渡区越短,传输效率就越高。
关键词:锥形光纤;传输效率;锥度;基模
中图分类号:TN253 文献标识码:A 文章编号:1005)072TestfortheTXUEChun2,LIRui,XIAOZhi2gang,WANGXiao2xia
(PohlInstituteSolidStatePhysics,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)
Abstract:Transmissionpropertiesoftaperedfiberwerediscussed.Thetransmissionefficiencyoftheta2peredfiberwasmeasured.Thecurveoftransmissionefficiencyversusconingangleisgiven.BythescalarwaveequationandGaussianapproximation,transmissionpropertiesoftaperedfiberareanalyzed,thepowerlossescausedbytaperanglearealsocalculated.Fromtheexperimentsandanalyses,itcouldbecometotheconclusionthatthebiggerthetaperangle,andthehigherthetransmissionefficiency.Keywords:taperedfiber;transmissionefficiency;conicity;basicmode
1 引 言
随着信息技术的发展,光纤在光通信和光探测等领域起着越来越重要的作用,而光纤锥端的光学性质对于光纤的应用至关重要。本文用自制的光纤热位伸装置[1]把光纤端面拉制成直锥形,从实验上用剪断法[2]研究锥形光纤的锥度与传输效率的关系,并从理论上作简要分析。
断面自然形成光滑平面。这种制作光纤锥的方法容易控制,可重复性好,成锥后表面光滑,是一种比较理想的制作方法。He2Ne激光器出射的激光经显微物镜聚焦后,照在耦合器上进入光纤。光纤长约40m。光信号在传输过程中建立了稳态模式分布,输出功率较为稳定。图中虚线框是一个暗盒,光电二极管和光纤锥形端放在其中。实验是在暗室中进行的。实验步骤为: 1)实验前,先打开He2Ne激光器预热几min,使输出功率稳定。微电流放大器预热30min左右,并在校准和调零的基础上,调到合适的量程。 2)将锥形光纤一端与耦合器相连,另一端(即锥形端)粘在暗盒中,锥形尖端距硅光电二极管光敏面约1mm。 3)打开He2Ne激光器,从锥形尖端出射的光照
2 传输特性测量
采用剪断法测量锥形光纤的传输效率,测量装置
如图1所示。图中,锥形光纤是普通单模石英光纤,通过自制的热拉伸装置,用熔拉法拉制而成。熔拉法是利用CO2激光器使光纤熔融,在两端施以拉力,先用较小的力使其成锥,再用较大的力将其迅速拉断,
Ξ收稿日期:2002211208 修订日期:2002212229 3 基金项目:国家自然科学基金资助项目(69877014) 33E2mail:xcr3721@http://
锥形光纤,熔锥光纤,光纤锥,原理与应用
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在硅光电二极管上,电路中产生光电流,记下此时电流值。为了减小误差,重新定位光纤,然后重复此步骤。读取3个电流值,求出平均值I1为输出电流。 4)将光纤锥形端平放在读数显微镜下,把圆锥体的投影看作等腰三角形,读取直角边(即锥长)和底边的长度,用正切公式算出锥角θ。 5)用金刚石笔在距光纤锥形尖端2cm处将光纤切断,断面平整,防止光被散射;在光激励系统保持不变的条件下,测量3次光电流,取平均值I2。实验中,我们对不同角度但尖端直径基本相同的锥形光纤进行测量,每一特定角度的锥形光纤要多次测量求平均值,以减小杂散光等因素引起的误差。测量数据见表1
。
图2中,黑点代表表1中的数据点,实际上每个数据点都是由一组数据组成的,我们只选取了有代表性的;曲线是根据表1数据拟合而得。由数据点的分布可以看出,实验数据存在误差。造成误差的原因主要有:1)锥形光纤尖端和硅光电二极管的相对位置是影响测量精确度的关键因素,虽然采取了多次测量,但还是存在着误差。2)精确测量锥形光纤的η应该采用灵敏度较高的光功率计,由于实验条件的限制,我们选用线性较好的硅光电二极管将光信号转换成电信号进行测量,硅光电二极管的受照面偏大,造成η偏高。3)在实验步骤的第5步测量I2时需要切断光纤,每次切断时断面不一定很平整,造成光被散射,η偏高,我们所测的η(1)Measuringcircuit23);
(4)(5)He2Nelaser
图1 传输效率测量装置图
Fig.1 Themeasuringsettingdrawingof
transmissionefficiency
表1 锥度与传输效率数据表
Tab.1 Thedatasheetoftransmission
efficiencywithconingangle
θ)/(°
4.125.156.147.818.7111.0313.415.11
I1/mA0.0480.0690.1050.0850.0990.2150.1740.190I2/mA2.0501.9002.1501.6101.8003.6002.8503.000η/%2.3603.6604.7805.5305.7506.0606.2206.340θ)17.72019.03021.01024.32026.12028.23031.58033.400/(°
I1/mA0.1740.1910.2060.2140.0370.1820.2410.191I2/mA2.7002.9503.1503.2000.5502.7003.5502.800η/%6.4306.4606.5406.6706.7206.7506.8006.820
光在光纤中传输时,沿轴向的电场和磁场分量均
满足标量波动方程式[3]2Θ2Θ222
(1)+22+2+[kn(r)-β]Θ=0rr5rr5Φ
π其中,k2=2/λ;n(r)是折射率分布;β是光的传输
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