锥形光纤传输特性的检测与分析

发布时间：2024-11-02

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

,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://

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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

常数。此方程仅与r和Φ有关,可以利用分离变量法将其变换成2个常微分方程式

2222　2++[kn(r)-β-2]R=0(2)

rr5rr2(3)　　　　2+v2Ψ=05Φ

方程(3)的解很容易得到,可以暂不考虑。方程(2)是贝塞耳方程,只要解此方程就可以得到光的传输模式。　　理想阶跃型单模光纤的基模场为贝塞耳函数分布,实际应用中常近似表示为高斯型分布,即电场振幅E可近似表示为

　　根据表中数据,以光纤锥度θ为横坐标,传输效率η为纵坐标,可作出如图2所示传输效率曲线。由图可以看出,锥形光纤的θ越大,η就越高

。

　　　　E=exp(-

)exp(iβz)2w20

(4)

式中r为径向坐标。基模场的模半径w0由马休斯

(Marcuse)判据可计算为[4]

(5)　(w0/a)=0.65+1.609V-3/2+2.879V-6

式中光纤参数V为

21/2

πa/λ)×(n2(6)　　　　V=(21-n2)

式中a为纤芯直径;λ为真空中的光波长;n1和n2分别为纤芯和包层的折射率。当λ一定时,光纤参数V

图2　锥形光纤传输效率曲线

Fig.2　Transmissionefficiencyversustheconingangle

与传输模数的平方成正比。若V<2.405时,纤芯仅

能传输基模HE11[5]。因此,单模光纤的传导模就是基模。我们用熔拉制作的直锥形光纤,纤芯和包层半径

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同时逐渐减小,传导模在光纤锥的纤芯中传输。3.1　光功率分配随a的变化

　　由(6)式可以看出,随着a的减小,归一化频率

V也会减小;在纤芯和包层中的n1、n2和λ一定时,V与a成线形关系。V与传输光的光功率P在纤芯和包层中的分配比例之间有密切的关系,V与p的分配的关系见图3的功率分配曲线。图中,纵坐标表示光纤包层中传输的功率Pout占光纤中传输的总功率P的多少。由图可看出,V的减小将导致PL01模式的有效传播常数减小,将会有更多的光功率分布在包层中,即能量向包层中转移,影响传输性能。当V=2.4048时,基模上有83%的光功率分布在纤芯

　　由图可以看出,随着a的减小w0先是略有下降,然后迅速增大。在a=1.318μm时,V=1.0000,w0=6.79μm;a=3.17μm时,V=2.4048,w0=3.48μm。光纤芯径中所传输的基模在a小于ac=

21/2

λπ(n2/2时,基模场将扩散到包层[6],从而形1-n2)成“包层2外介质”模场。在模场扩散处,由于边界条

件的变化,使得(n21-n2)增大,则V也会变大,光纤中可以传输的模式增加,基模一部分能量就会耦合成高阶模。此时,包层中不仅含有基模,还包含其他高阶模式。我们所用的锥形光纤,n1=1.460,n2=1.458,n3=1.000,λ=632.8nm,把公式(5)应用于“包

πa/λ)层2外介质”模场,a=ac=1.318μm处,V=(221/2

×(n2=.。2-)

。另外“,包层2,,也会引,因此扩散到包层中的这部分能量

区,17%在包层区;V值愈小,将有更多的光功率分布在包层区内,而包层中的损耗相当大。这也说明了光纤锥形端细且长

,即锥角较小时,大部分已损失掉了。　　从以上分析可以看出,当锥形光纤的锥端细且长时,带来的传输损耗会很大。而在圆锥角较大时,辐射到外空间的能量减少,传输损耗也就相应降低,我们的实验结果也恰好反应了这一点,与理论分析相吻合。　　在实验中还发现,锥形光纤锥端的尖端直径对η影响很大。我们实验中所选用的光纤锥形端尖端直径大都在1μm左右,所以可以认为是不变的。

图3　PL01及PL11光功率在光纤中的分布

Fig.3　Distributionofpowerinthefiber

versusthenormalizedfrequency

参　考　文　献:

[1]　LIRui,ZHUSheng2xiang,WENFang.ANewOpticalFiber

ProbeforSTM[J].JournalofOptoelectronics Laser(光

电子激光),2002,13(1):6.(inChinese)

3.2　传输模式与a的关系

　　由(5)式可以看出,随着V的减小,基模场的模

(6),可以作出w0半径w0会变大。根据公式(5)、

[2]　DMarcuse.Principlesofopticalfibermeasurements[M].

NewYork:AcademicPress,1981.