6.-光纤熔融拉锥器件

光纤熔融拉锥器件万助军[e-mail]华中科技大学光电学院目录光纤结构及导光原理光纤中的传播模式光纤的传输特性熔融拉锥器件基本原理光纤熔融拉锥器件光纤结构及导光原理纤芯包层涂覆层图1.光纤结构简图按模式数量分为单模光纤和多模光纤。按折射率分布分为阶跃折射率和渐变折射率光纤。单模光纤均为阶跃折射率，多模光纤有阶跃折射率和渐变折射率之分。纤芯与包层组成波导，涂覆层起缓冲保护作用。光纤结构及导光原理2an2n18～12um125um(a)单模阶跃折射率光纤50～200um125～400um(b)多模阶跃折射率光纤50/62.5um125um(c)多模渐变折射率光纤图2.单模和多模光纤结构示意图纤芯折射率大于包层折射率，光线从纤芯入射到界面上时，如果入射角α大于临界角α0，将发生全反射，光被限制在纤芯内传播。αθ图3.光在光纤中的传播AB光纤结构及导光原理光纤中的传播模式数值孔径为使光线在纤芯包层界面上的入射角α大于全反射临界角α0，光线在光纤端面的入射角θ必须小于孔径角θ0。定义光纤子午光线数值孔径为：22200)(sin)(nrnnrNA子午光纤数值孔径与其折射率分布有关，阶跃折射率光纤纤芯各点数值孔径相同，渐变折射率光纤中心点数值孔径最大，在纤芯与包层界面数值孔径为0。数值孔径反映光纤接收光的能力，CorningSMF-28单模光纤、InfiniCor50/125um多模光纤、InfiniCor62.5/125um多模光纤数值孔径分别为0.14、0.20、0.275。光纤中的传播模式光纤的模式小于孔径角入射的光线可以在光纤中传播，这是从光线理论得到的结论。如图3所示，根据波动理论，光在两个反射点A、B的位相必须相同，即A、B间的光程差必须是传输波长的整数倍，此称为横向驻波条件。在所有入射角小于孔径角的光线中，只有满足驻波条件的一系列光能够传输，对应一系列分立的入射角θ1,θ2,θ3…，我们称之为光纤的模式。也可以用纵向传播常数β1,β2,β3…来描述光纤的模式，表示光线相位变化的速度。模式越高，θ角越大，β越小，光程越大，损耗越大。光纤中的传播模式单模与多模光纤中传输的光必须同时满足全反射条件和驻波条件。前者与纤芯包层折射率差有关(折射率差越大则孔径角越大)，后者与纤芯尺寸有关(纤芯越大则允许的模式数量越多)，因此我们可以用一个参数来描述光纤的结构特性－归一化频率V。22212nnaVV越小，则光纤限制光泄漏的能力越弱，允许传输的模式数量越少。当V2.405时，光纤中只有一个模式可以传播，成为单模光纤。为了满足单模条件，单模光纤的纤芯包层折射率差和纤芯直径均比多模光纤小。在保证单模传输的前提下，V值应尽可能取高值，以提升光纤导光能力，避免弯曲损耗。根据波动理论分析，继续减小V值，仍不能将最后一个模式截止，即此模式被牢牢限制在纤芯中传播，这也是单模光纤的弯曲损耗较多模光纤小的原因。光纤中的传播模式光纤中的传播模式λ越小则V越大，当λλc时则不再满足单模条件，产生高阶模式，因而传输损耗增加。截止波长当光纤参数(a、n1、n2)已经确定，单模光纤的截止波长和截止频率分别为：202.12221nnac2221202.1nnacfc光纤中的传播模式单模光纤的模场半径单模光纤中传输的是类高斯光束，即光束能量在横截面近似高斯分布，其模场半径的经验公式如下：aVV)879.2619.165.0(62/3模场半径较纤芯半径稍大，这是因为存在倏逝波，光场渗入包层少许。归一化频率V越大则模场半径ω越接近纤芯半径，光能量被约束得越集中，即导光能力越强。光纤中的传输特性图4.光纤损耗谱光纤的传输特性目前光通信的三个窗口：0.85um－第一窗口，短距离多模光通信；1.31um－第二窗口，长距离单模和短距离多模光通信；1.55um－第三窗口，长距离单模光通信。我们看到，在1.31um和1.55um之间的1.385um处有一个吸收峰，这是由于OH－离子的吸收造成的，通常称之为水峰。Lucent公司率先推出AllWave光纤，Corning公司随后推出LEAF光纤，消除了水峰，将光纤的第二和第三窗口连接起来，可以在1280nm-1625nm之间345nm的带宽内进行通信，这对CWDM系统的应用大为有利。光纤的传输特性弯曲损耗(BendingLoss)如图5所示，光线在光纤平直部分的A点以临界角α1入射，全部反射，在弯曲部分的B点以角度α2(α1)入射，不再发生全反射，部分光能量因折射而泄漏，此即光纤弯曲损耗。ABα1α2图5.光纤的弯曲损耗光纤的传输特性弯曲损耗实例多模光纤扰模：高阶模式的弯曲损耗较大，经过多个扰模圈之后被损耗掉，剩余低阶模式。在实际光纤链路中，高阶模的传输不稳定，很容易损耗掉，因此多模器件在扰模后的测试值，更符合实际应用情况。回波损耗测试：单模纤芯较小，通过Bending可将光路完全隔断。多模纤芯大得多，从弯曲损耗产生机制(图5)来看，光纤弯曲半径再小也不能将通过的低阶模完全损耗掉。光纤Bending判定：在Coupler构装时，我们经常依据1310nm光损耗远小于1550nm来判定光纤Bending。光纤的传输特性光纤的色散棱镜的色散由于棱镜材料对不同波长光的折射率不同，产生的偏折角度不同，表现为不同波长的光在空间展开。图6.棱镜的色散光纤材料色散与棱镜色散类似，由于光纤材料对不同波长光的折射率不同，也会产生色散，只是表现形式不同。光纤的传输特性光纤材料色散不会在空间展开，表现为不同波长的光程不同，到达光纤另一端的时间也不相同。光纤波导色散对同一阶次的模式，不同波长的传播常数β不同，光程不同，称为波导色散。光纤模间色散对同一波长的光，不同模式的传播常数β不同，光程不同，称为模间色散。模间色散只存在于多模光纤中，渐变折射率多模光纤的模间色散优于阶跃折射率多模光纤。单模光纤中不存在模间色散，为了工艺简单，不需设计成渐变折射率。光纤的传输特性(a)光纤波导色散(b)光纤模间色散图7.光纤波导色散与模间色散光纤波导色散与模间色散的比较如图8所示，前者为同阶模式不同波长的色散，后者为同一波长不同模式间的色散。偏振模色散(PMD)由于光纤的双折射效应，同一波长、同阶模式、不同偏振态的光，传播常数β亦不相同，称为偏振模色散。光纤的传输特性tt图8.材料色散造成的码间串扰色散对光纤通信系统的影响光源总是有一定的谱线宽度，当一个光脉冲通过光纤，由于材料色散和波导色散，不同波长成分到达的时间将不同，即脉冲被展宽了。如果脉冲展宽达到脉冲间隔宽度，将会造成码间串扰。材料色散在1.3um附近为零，且零色散波长与光纤掺杂种类和浓度无关；而波导色散随折射率分布(即光纤掺杂情况)而变，因此可设计在某一特定波长色散为零的光纤，在此波长上材料色散和波导色散相互抵消。G652光纤是常规光纤，其零色散波长在1.3um附近；G655光纤是色散位移光纤(DSF)，其零色散波长在1.55um附近。类似的，光纤模间色散亦会造成码间串扰，特别是多模光纤中的模间色散非常大，因此多模光纤不能用于长距离、高速通信系统。在更高速的通信系统中，偏振模色散亦会导致码间串扰，可用色散系数相反的色散补偿光纤(DCF)进行补偿。光纤的传输特性熔融拉锥器件基本原理图9.光纤熔融拉锥过程扫动拉伸拉伸P0P1P2将两根光纤绞在一起，加热至熔融状态，并同时缓慢拉伸光纤，可以制成各种光纤熔融拉锥器件（FBT）。FBT器件属于全光纤型器件，具有损耗小和体积小的优点，在光通信系统中得到广泛应用。光纤熔融拉锥过程熔融拉锥器件基本原理模式耦合分析FBT器件的最基本原理是模耦合理论，假如一段波导中可以传输多个模式，当存在微扰时，比如波导直径的变化，这些模式之间将发生能量交换，即模式之间发生耦合。模式之间的耦合系数，与模式之间的传播常数差有关，传播常数越接近则耦合系数越大。锥度限制光纤融锥区直径逐渐减小，如果直径变化太快，则有高阶模式被激励而产生损耗。对锥度的限制，对应拉锥过程中的外拉速度。熔融拉锥器件基本原理cZtZABCPQ图10.单光纤融锥区单光纤融锥区单光纤融锥区可以分成A、B、C三部分，分界点为P、Q两点。当光纤直径逐渐减小时，归一化截此频率同时减小，纤芯中的模场逐渐扩大；在P、Q点归一化频率减至临界值，模场不再限制于纤芯中传输，而是转换至包层/空气构成的波导中传输，此时纤芯的作用可以忽略。熔融拉锥器件基本原理包层/空气折射率差远大于纤芯/包层折射率差，而B区的直径也较纤芯直径大，因此B区包层/空气波导的归一化频率远大于A区，为多模波导。在B区的起点P只有最低阶模式HE11被激励，之后将与其他模式之间发生能量耦合，其中最主要是与临近模式HE12之间的耦合，因为二者的传播常数最接近。到达Q点时，只有HE11模能够被输出光纤重新俘获为纤芯/包层模式，耦合到HE12模中但还没有回到HE11模中的能量将成为C区及其后光纤中的高阶模式而损耗掉。单光纤融锥区熔融拉锥器件基本原理HE11模图11.单光纤融锥区的HE11模和HE12模HE12模单光纤融锥区HE11模与HE12模在B区的耦合是循环的，取决于耦合系数及B区长度，因此单光纤融锥区的透过率与拉锥长度相关，以一定拍长循环。两个模式之间的耦合拍长与波长相关，因此单光纤融锥区的透射率是波长相关的。两个模式之间的耦合随外界媒质变化，如浸泡在匹配液中形成包层/匹配液波导，而不是包层/空气波导，透射率也会改变。熔融拉锥器件基本原理tZcZABCPQ图12.双光纤融锥区双光纤融锥区与单光纤融锥区相似，双光纤融锥区也可以分成三部分，在P点由纤芯/包层模式转换为包层/空气模式，在Q点被重新俘获为纤芯/包层模式。双光纤融锥区熔融拉锥器件基本原理偶模奇模图13.双光纤融锥区的偶模和奇模与单光纤融锥区不同的是，双光纤融锥区的B区是椭圆形，发生模式耦合的是偶模和奇模，其模场在椭圆截面中的分布如图所示。双光纤融锥区近似模型熔融拉锥器件基本原理2/WL2/WD0L图13.光纤融锥区的光纤直径变化0DWZ双光纤融锥区可用上图模型近似，其中W为加热源如火头的宽度（对来回扫动的加热源可等效为某一宽度），L为单侧拉伸长度，假设在W宽度之内的锥区直径为常数，在两边则按指数规律增加。双光纤融锥区近似模型熔融拉锥器件基本原理根据体积守恒条件，得到光纤各部分的直径分布：2/2/2/2/exp2/exp000WLZDWLZ双光纤融锥区近似模型熔融拉锥器件基本原理FCZFP22sin5.35.2021.0rC两根光纤绞在一起熔融拉锥，模式的耦合发生在W宽度之内，耦合功率为：其中Z为耦合区长度，此处Z=W，C为耦合系数：双光纤融锥区近似模型熔融拉锥器件基本原理123322341rrrF)exp(0WLrr其中F2为最大耦合比：其中r为耦合区光纤半径，Δr为两光纤半径差值，其他参数为，归一化截止频率V=2.405，纤芯折射率n1=1.46：当耦合区两根光纤的半径相同时，最大耦合比为1，否则小于1。双光纤融锥区近似模型熔融拉锥器件基本原理以上近似模型与实际情况稍有差异，比如锥区W宽度内的光纤直径为常数和耦合只发生在W宽度内这两个假设，实际情况是，光纤直径是渐变的，耦合发生在图12中的P、Q两点之间。这并不影响近似模型的意义，因为P、Q两点之间的耦合系数处处不同，其耦合功率需要采用数值计算，不利于对耦合规律的分析；而如果将其等效为一段均匀耦合系数的锥区，等效耦合系数为实际耦合系数的加权平均值，由近似模型得到耦合规律，有利于进一步分析各种FBT器件的原理。FBT器件熔融拉锥器件基本原理取W=2mm，D0＝50um，Δr=0，得到耦合比随拉伸长度变化关