錐形光纖傳輸特性的檢測與分析.

1、光電子？激光第 14卷第 7 期 2003年 7 月J ournal of Optoelectronics ? Vol. 14No.7 J ul. 2003L aser?簡報(bào)？錐形光纖傳輸特性的檢測與分析薛春榮333u,祝生祥,李銳,肖志剛,王曉霞(同濟(jì)大學(xué)Pohl固體物理研究所，上海200092摘要:在實(shí)驗(yàn)上用剪斷法測量錐形光纖的傳輸效率隨錐形光纖圓錐角的變化關(guān)系,作出傳輸效率曲線；根據(jù)標(biāo)量波動(dòng)方程，運(yùn)用高斯近似法，從理論上說明光信號(hào) 在錐形光纖中的傳輸特性和能量損耗，并用具體數(shù)據(jù)進(jìn)行半定量計(jì)算。結(jié)果表明，錐 形光纖頂端錐體的角度及其變化愈大愈光滑，錐形過渡區(qū)越短，傳輸效率就越高。關(guān)鍵詞:錐

2、形光纖；傳輸效率；錐度;基模中圖分類號(hào):TN253文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1005 072T est for the T XUE Chu n 2, L I Rui , XIAO Zhi 2ga ng , WAN G Xiao 2xia(Pohl Institute S olid State Physics , Tongji University ,Shanghai 200092,ChinaAbstract :Tra nsmissi on propertie s of tapered fiber were discussed. The tran smissi on efficie ncy of

3、the ta 2pered fiber was measured. The curve of tran smissi on efficie ncy versus coning an gle is give n. By the scalar wave equati on and Gaussia napproximaten ,transmission propertie s of tapered fiber are analyzed ,the power losse s caused by taper an gle are also calculated. From the experime nt

4、s and an alyse s ,it could be come to the con clusi on that the bigger the taper an gle ,and the higher the tran smissi on efficie ncy. K ey w ords :taperedfiber ; tran smissi on efficie ncy ; coni city ; basic mode1引言隨著信息技術(shù)的發(fā)展，光纖在光通信和光探測等領(lǐng)域起著越來越重要的作用,而光纖錐端的光學(xué)性質(zhì)對于光纖的應(yīng)用至關(guān)重要。本文用自制的光纖熱位伸裝 置1把光纖端面拉制成直錐形

5、，從實(shí)驗(yàn)上用剪斷法2研究錐形光纖的錐度與傳輸效 率的關(guān)系，并從理論上作簡要分析。斷面自然形成光滑平面。這種制作光纖錐的方法容易控制，可重復(fù)性好，成錐后表面光滑，是一種比較理想的制作方法。He 2Ne激光器出射的激光經(jīng)顯微物鏡聚焦 后，照在耦合器上進(jìn)入光纖。光纖長約40m。光信號(hào)在傳輸過程中建立了穩(wěn)態(tài)模式分布,輸出功率較為穩(wěn)定。圖中虛線框是一個(gè)暗盒，光電二極管和光纖錐形端放在其 中。實(shí)驗(yàn)是在暗室中進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)步驟為：1實(shí)驗(yàn)前,先打開He 2Ne激光器預(yù)熱幾min ,使輸出功率穩(wěn)定。微電流放大器預(yù)熱30min左右,并在校準(zhǔn)和調(diào)零的基礎(chǔ)上,調(diào)到合適的量程。2將錐形光纖一端與耦合器相連，另一端（即錐形

6、端 粘在暗盒中，錐形尖端距硅光電二極管光敏面約1mm。3打開He 2Ne激光器，從錐形尖端出射的光照2傳輸特性測量采用剪斷法測量錐形光纖的傳輸效率，測量裝置如圖1所示。圖中，錐形光纖是普通單模石英光纖，通過自制的熱拉伸裝置，用 熔拉法拉制而成。熔拉法是利用 CO 2激光器使光纖熔融，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，日收稿日期：2002211208修訂日期：2002212229 3 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（6987701433E 2m ail :xcr 3721? 773?在硅光電二極管上，電路中產(chǎn)生光電流，記下此時(shí)電流值。為了減小誤差，重新 定位光

7、纖,然后重復(fù)此步驟。讀取3個(gè)電流值,求出平均值I 1為輸出電流。 4 將光纖錐形端平放在讀數(shù)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，用正切公式算出錐角a5用金剛石筆在距光纖錐形尖端2cm處將光纖切斷，斷面平整，防止光被散射；在光激勵(lì)系統(tǒng)保持不變的條件下， 測量3次光電流,取平均值I 2。實(shí)驗(yàn)中，我們對不同角度但尖端直徑基本相同的錐 形光纖進(jìn)行測量，每一特定角度的錐形光纖要多次測量求平均值，以減小雜散光等因 素引起的誤差。測量數(shù)據(jù)見表1O圖2中,黑點(diǎn)代表表1中的數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)際上每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是由一組數(shù)據(jù)組成 的,我們只選取了有代表性的；曲線是根據(jù)表1數(shù)據(jù)擬合而得。由

8、數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布可以 看出,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在誤差。造成誤差的原因主要有:1錐形光纖尖端和硅光電二極管 的相對位置是影響測量精確度的關(guān)鍵因素，雖然采取了多次測量，但還是存在著誤 差。2精確測量錐形光纖的n應(yīng)該采用靈敏度較高的光功率計(jì)，由于實(shí)驗(yàn)條件的限 制,我們選用線性較好的硅光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行測量，硅光電二極管的受照面偏大，造成n偏高。3在實(shí)驗(yàn)步驟的第5步測量I2時(shí)需要切斷光纖，每 次切斷時(shí)斷面不一定很平整,造成光被散射,偏高,我們所測的n (1 Measuring circuit 23 ;(4 (5 He 2Ne laser圖1傳輸效率測量裝置圖Fig. 1 The measuri n

9、g sett ing dra wing oftran smissi on eff icie ncy表1錐度與傳輸效率數(shù)據(jù)表T ab. 1 The d ata sheet of tran smissi oneff icie ncy with coning an gle9 /( 4. 125. 156. 147. 818. 7111.0313. 415. 11I 1/mA 0. 0480. 0690. 1050. 0850. 0990. 2150. 1740. 190I 2/mA 2. 0501.9002.1501.6101. 80CB. 6002. 8503. 000 n /%2. 3603.

10、6604. 7805. 5305. 7506. 0606. 2206. 340 9 17. 72019. 03021.01024. 32026. 12028. 23031.58033. 400/(I 1/mA 0. 1740. 1910. 2060. 2140. 0370. 1820. 2410. 191I 2/mA 2. 7002. 9503.1503. 2000. 5502. 7003. 5502. 800 n /%6. 43060460706. 7206. 7506. 8006. 820光在光纖中傳輸時(shí)，沿軸向的電場和磁場分量均滿足標(biāo)量波動(dòng)方程式32 O 2 222(1 +22+2+k

11、n (r - B =0r r 5r r 5n其中,k 2=2/入;是(折射率分布；是光的傳輸常數(shù)。此方程僅與r和有關(guān),可以利用分離變量法將其變換成2個(gè)常微分方 程式22222 2+k n (r - 02R =0(2r r 5r r 2(32+v 2 W =05 方程(3的解很容易得到，可以暫不考慮。方程(2是貝塞耳方程，只要解此方程 就可以得到光的傳輸模式。理想階躍型單模光纖的基模場為貝塞耳函數(shù)分布：實(shí)際應(yīng)用中常近似表示為高斯型分布，即電場振幅E可近似表示為根據(jù)表中數(shù)據(jù)，以光纖錐度B為橫坐標(biāo),傳輸效率n為縱坐標(biāo),可作出如圖2所示傳輸效率曲線。由圖可以看出，錐形光纖的B越大，就越高H *Lsse

12、rPhotoelectric .tubeMicro-cumentr - - t amplifier 一 0匚一 一于型z?知E =exp (-exp (i B z 2w 202(4式中r為徑向坐標(biāo)?；龅哪０霃?w0由馬休斯(Marcuse判據(jù)可計(jì)算為4(5 (w 0/a =0. 65+1.609V -3/2+2. 879V -6式中光纖參數(shù)V為21/2n a/ 入 X (n 2(6 V =(21-n 2式中a為纖芯直徑；為真空中的光波長；n 1和n 2分別為纖芯和包層的折射率。當(dāng)入一定時(shí),光纖參數(shù)V圖2錐形光纖傳輸效率曲線Fig. 2 T ran smissi on eff icie nc

13、y versus the coning an gle與傳輸模數(shù)的平方成正比。若 V 2. 405時(shí)，纖芯僅能傳輸基模HE 115。因此,單模光纖的傳導(dǎo)模就是基模。我們用熔拉制作的直錐形光纖，纖芯和包層半徑光電子？激光 ？ 774?同時(shí)逐漸減小，傳導(dǎo)模在光纖錐的纖芯中傳輸。3. 1光功率分配隨a的變化由(6式可以看出，隨著a的減小，歸一化頻率V也會(huì)減?。辉诶w芯和包層中的n 1、n 2和入一定時(shí),V與a成線形關(guān)系。V與 傳輸光的光功率P在纖芯和包層中的分配比例之間有密切的關(guān)系，V與p的分配的 關(guān)系見圖3的功率分配曲線。圖中，縱坐標(biāo)表示光纖包層中傳輸?shù)墓β蔖 out占光纖中傳輸?shù)目偣β蔖的多少。由圖

14、可看出，V的減小將導(dǎo)致PL 01模式的有效傳播 常數(shù)減小,將會(huì)有更多的光功率分布在包層中，即能量向包層中轉(zhuǎn)移，影響傳輸性 能。當(dāng)V =2. 4048時(shí)，基模上有83%的光功率分布在纖芯由圖可以看出，隨著a的減小w 0先是略有下降，然后迅速增大。在a =1.318 卩 m寸,V =1. 0000, w 0=6. 79 卩 m ; a =3時(shí),7V =4048, w 0=3. 48 。光纖 芯徑中所傳輸?shù)幕Ｔ赼小于a c =21/2入n (n 2/2,基模場將擴(kuò)散到包層6,從而形1-n 2成 包層2外介質(zhì)”模場。在 模場擴(kuò)散處，由于邊界條2件的變化，使得(n 21-n 2增大，則V也會(huì)變大，光纖

15、中可以傳輸?shù)哪Ｊ皆黾?，?模一部分能量就會(huì)耦合成高階模。此時(shí)，包層中不僅含有基模，還包含其他高階模 式。我們所用的錐形光纖，n仁1.460, n 2=1.458, n 3=1. 000,入=63公式i( ,應(yīng)用于包n a/層 2 外介質(zhì)”模場,a =a c =1.318處l, m =(221/2心 2=.。2-另外“包層2,也會(huì)引，因此擴(kuò)散到包層中的這部分能量區(qū),17%在包層區(qū);V值愈小，將有更多的光功率分布在包層區(qū)內(nèi)，而包層中的損 耗相當(dāng)大。這也說明了光纖錐形端細(xì)且長itN卞,即錐角較小時(shí)，大部分已損失掉了。從以上分析可以看出，當(dāng)錐形光纖的錐端細(xì)且長時(shí)，帶來的傳輸損耗會(huì)很大。而在圓錐角較大時(shí)

16、，輻射到外空間的能量減 少,傳輸損耗也就相應(yīng)降低，我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也恰好反應(yīng)了這一點(diǎn)，與理論分析相吻 合。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，錐形光纖錐端的尖端直徑對 n影響很大。我們實(shí)驗(yàn)中所選用的光纖錐形端尖端直徑大都在 1卩m左右,所以可以認(rèn)為是不變的。圖3 PL 01及PL 11光功率在光纖中的分布Fig. 3 Distribute n of pow er in the f iberversus the n orm alized freque ncy參考文獻(xiàn):1 LI Rui ,ZH U She ng 2xia ng ,WE N Fang. A New Optical FiberProbefor ST MJ.

17、Journal of Optoelectronics? La ser (光電子？激光，2002, 13(1 :6.(in Chine se3. 2傳輸模式與a的關(guān)系由(5式可以看出，隨著V的減小，基模場的模(6 ,可以作出w 0半徑w 0會(huì)變大。根據(jù)公式(5、2 D Marcuse. Prin ciple s of optical fiber measureme ntsM.New Y ork :AcademicPre ss ,1981.3 劉德森，等.纖維光學(xué)M.北京:科學(xué)出版社，1987. 2492250.4 李玲,黃永清.光纖通信基礎(chǔ)M.北京:國防工業(yè)出與a的關(guān)系圖，如圖4所示。版社,1991.5 D Marcuse. Loss an alysis of sin gle 2mode fiber splice sJ.Bell. Syst. Tech. J. 1997,