錐形光纖

當光從大端入射時 ,錐形光纖可以提高入射端損傷閾值 , 可以準直入射光束 , 提高光束質量。當光從小端入射時 , 錐形光纖可以作為擴束器等 。了解錐形光纖的傳輸等特性 ,必將促進熔融拉錐工藝的提高和錐形光纖器件性能的改進 。錐形光纖是一種不規則光纖 , 其傳輸特性的理論研究還不很完善 , 通常使用的研究方法可以分為幾何方法和波動方法。幾何方法中忽略光的波動效應 ,通過光線路徑疊加的方式分析波導中的光傳輸特性 。這種方法簡單 ,但一般只有定性的結果 。波動方法嚴格 ,包括光束傳播方法 、時域有限差分法 、有限元法等 ,但一般計算量很大 。

基本介紹

• 中文名：錐形光纖
• 外文名：Tapered opticalfiber

為了傳輸和實際套用的需要, 有時要把光纖拉製成錐形, 熔融拉錐型光纖耦合器件是光纖通信系統中重要的基本器件之一, 可以用作各種比例的功率分路器( splitter) /合路器( combiner)、波分復用器(WDM)、光纖全反鏡等多種光學測量儀器的關鍵部件.因此 ,研究錐形光纖間的耦合作用 , 對錐形光纖的套用至關重要 .分析錐形光纖自身的各種參數和兩錐形光纖間的相對位置等對光纖間能量耦合的影響 ,從而促進錐形光纖在光纖通信中的更好套用.

光纖為有線通信提供了一種大容量的信息傳輸媒質 ,光纖通信已成為當今信息社會中不可缺少的組成部分。 毫無疑問 ,光纖通信的可靠性是評判光網路性能的一個重要指標 ,而光纖通信可靠性的高低主要取決於光信號在光纖中傳播時的失真情況 ,其中光信號的偏振特性是一個重要因素。此外 ,光纖中光信號的偏振特性在成像和測量等領域中也有廣泛套用 ,因此 ,研究錐形光纖的偏振特性有一定的實用價值。

錐形光纖的結構

常見的錐形光纖的加工方法有化學腐蝕法 、研磨法和熔拉法 , 其中熔拉法是最為廣泛採用的方法 。錐形光纖就是用熔拉法製作的。熔拉法製作的光纖錐的特點是光纖的包層和纖芯的直徑沿光纖軸向均逐漸變細 , 一般可認為在整個錐區,包層和纖芯的直徑之比保持恆定,錐形光纖的視頻顯微鏡圖像。其中 l 是光錐長度 , α是光錐錐度 , a 是光纖錐的粗端半徑 , b 是尖端半徑。通過簡單計算可得錐形光纖幾何參數之間的關係。可見其他參數已經設定的情況下, 尖端直徑越大 , α越大 ; 光纖的錐形過渡區越短,即 l 值越小相對的錐角 α就越大,錐形變化也就越尖銳 。

只要光源與錐形光纖相距適當的距離,光纖耦合效率就可以達到一個比較理想的水平 , h 過大或過小都使得耦合效率降低 ,因為距離太小會因為光纖端面的反射而產生干涉現象

錐形光纖的耦合效率

按照模式耦合理論 , L D到光纖的耦合實質是兩者之間的模場匹配 。如果用平端面的光纖進行直接耦合 ,因為模場失配 , 其耦合效率很低 , 約為 10%,而用錐形光纖進行耦合, 則可以大大提高耦合效率。本文用光學設計仿真軟體對錐形光纖進行了研究,力求找到錐形光纖的幾何形狀與耦合效率間的關係, 以便最佳化錐形光纖的形狀, 提高耦合效率 。

對錐形光纖仿真研究的原理是光線追跡, 通過追蹤射入與射出錐形光纖的不同光線的傳播路徑計算錐形光纖的耦合效率。仿真用的光源為方向性強、穩定性好的波長為 0. 6328μm的 He-Ne 雷射器,光纖參數為 50/125μm。

錐形光纖的製作[2]

光纖錐的製作主要有兩種方法: 熔拉法和腐蝕法.用熔拉法製作的光纖錐的特點是光纖的包層和纖芯的直徑沿光纖軸向均逐漸變細 .一般可認為在整個錐區 , 包層和纖芯的直徑之比保持恆定.腐蝕法得到的探針, 其中包層直徑沿 z 向逐漸減小 ,而纖芯直徑基本不變, 只在接近錐的尖端時,芯徑才逐漸變小.實驗中用的錐形光纖是利用普通單模石英光纖 ,通過自製的熱拉伸裝置 ,用熔拉法拉制而成. 熔拉法是利用 CO2 雷射器使光纖熔融, 在兩端施以拉力 ,先用較小的力使其成錐 ,再用較大的力將其迅速拉斷,斷面自然形成光滑平面.這種製作光纖錐的方法容易控制,可重複性好, 成錐後表面光滑 ,是一種比較理想的製作方法 .

錐形光纖間的耦合特性

錐形光纖間的耦合特性是指信號光纖中的光能量耦合到耦合光纖中的比例 , 由於兩錐形光纖都是單模階躍弱導光纖 , 在光學尺度上相隔充分遠 ,符合局域模式耦合的條件, 可以用局域模式耦合理論進行分析 .

光源採用單色性和穩定性較好的氦氖雷射器 , 經過顯微物鏡聚焦 , 雷射照在耦合器上進入光纖 , 光纖長約 40 m ,光信號在傳輸過程中建立了穩態模式分布 ,輸出功率較為穩定 .裝置中的正方形虛線框是一個暗盒 , 矽光電二極體和耦合光纖末形端放在其中 .圖中矩形虛線框部分是一部特製的可讀數顯微鏡 ,該顯微鏡有兩個可移動載物台 ,左右各一個 .在顯微鏡的視野中是兩錐形光纖的接頭處.通過該顯微鏡的可移動載物台可調整兩錐形光纖的相對位置 .通過該顯微鏡的測微目鏡可讀出其相對位置的具體數據 .

實驗是在暗室中進行的 ,具體實驗步驟如下 :1) 實驗前先打開氦氖雷射器預熱幾分鐘 ,使輸出功率穩定 .微電流放大器預熱半小時左右 ,並在校準和調零的基礎上 , 調到合適的量程 .2) 把兩光纖按圖中所示位置放好 , 信號光纖的平面端與耦合器相連 , 耦合光纖的平面端粘在正方形暗盒中 , 光纖端面距矽光電二極體光敏面約1 mm.兩光纖的錐形端分別放在可讀數顯微鏡左右的可移動平台上 .3) 打開氦氖雷射器 ,調節兩錐形端的相對位置 ,從耦合光纖末端出射的光照在矽光電二極體上 , 電路中產生光電流 .4) 固定重疊長度 l , 測出從耦合光纖末端出射的電流隨垂直距離的變化.5) 固定垂直距離 d , 同樣測出出射電流隨重疊長度的變化.6) 將光纖錐形端平放在讀數顯微鏡下 , 把圓錐體的投影看作等腰三角形 , 讀取直角邊( 即錐長) 和底邊的長度 ,用正切公式分別算出兩圓錐的錐角 .

光纖的分類

光纖的分類有多種方法,主要根據工作波長、折射率分布、傳輸模式、製造材料等來分類。

1、按照工作波長進行劃分:紫外光纖、可見光纖、經常所使用的光纖光波的頻率處於可見光範圍。近紅外光纖、紅外光纖陰。

2、按照製造材料的不同來劃分:全塑光纖、玻璃光纖、石英光纖、複合材料光纖、紅外材料光纖等。在光纖通信中使用的光纖主要是利用石英材料製造。對於論文將要研究的錐形光纖也以石英光纖為對象,其主要是由普通石英光纖拉制而成。

3、按照光纖橫截面折射率分布不同可劃分為:階躍光纖、漸變光纖。階躍型光纖是指沿徑向纖芯折射率和包層折射率保持一定,在芯層和包層的邊界處,其折射率成階梯型變化。漸變光纖指的是芯層折射率沿徑向逐漸減小,而包層中的折射率保持不變。

4、按照芯層中傳輸的模式來劃分:單模光纖、多模光纖。模式是電磁場的一種場結構分布形式。模式不同,場結構亦不同。光纖中只傳輸一種模式的光纖叫做單模光纖,能夠同時傳輸多種模式的光纖叫多模光纖。