1、光電子激光第14卷第7期2003年7月J ournal of Optoelectronics Vol. 14No. 7J ul. 2003L aser 簡報錐形光纖傳輸特性的檢測與分析薛春榮333, 祝生祥, 李銳, 肖志剛, 王曉霞(同濟大學Pohl 固體物理研究所, 上海200092摘要:在實驗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系, 作出傳輸效率曲線; 根據標量波動方程, 運用高斯近似法, 從理論上說明光信號在錐形光纖中的傳輸特性和能量損耗, 并用具體數據進行半定量計算。結果表明, 錐形光纖頂端錐體的角度及其變化愈大愈光滑, 錐形過渡區越短, 傳輸效率就越高。關鍵詞:

2、錐形光纖; 傳輸效率; 錐度; 基模中圖分類號:TN253文獻標識碼:A文章編號:1005 072T est for the T XU E Chun 2, L I Rui , XIAO Zhi 2gang , WAN G Xiao 2xia(Pohl Institute S olid State Physics , Tongji University ,Shanghai 200092,China Abstract :Transmissionpropertie s of tapered fiber were discussed. The transmission efficiency of th

3、e ta 2pered fiber was measured. The curve of transmission efficiency versus coning angle is given. By the scalar wave equation and Gaussian approximation ,transmission propertie s of tapered fiber are analyzed ,the power losse s caused by taper angle are also calculated. From the experiments and ana

4、lyse s ,it could be come to the conclusion that the bigger the taper angle ,and the higher the transmission efficiency. K ey w ords :taperedfiber ; transmission efficiency ; conicity ; basic mode1引言隨著信息技術的發展, 光纖在光通信和光探測等領域起著越來越重要的作用, 而光纖錐端的光學性質對于光纖的應用至關重要。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, 從實驗上用剪斷法2研究錐形光纖的錐

5、度與傳輸效率的關系, 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顯微物鏡聚焦后, 照在耦合器上進入光纖。光纖長約40m 。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。圖中虛線框是一個暗盒, 光電二極管和光纖錐形端放在其中。實驗是在暗室中進行的。實驗步驟為:1 實驗前, 先打開He 2Ne 激光器預熱幾min , 使輸出功率穩定。微電流放大器預熱30min 左右, 并在校準和調零的基礎上, 調到合適的量程。2 將錐形光纖一端與耦合器相連, 另一端(即錐形端 粘

6、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,收稿日期:2002211208修訂日期:20022122293基金項目:國家自然科學基金資助項目(69877014 33E 2m ail :xcr 3721773在硅光電二極管上, 電路中產生光電流, 記下此時電流值。為了減小誤差, 重新

7、定位光纖, 然后重復此步驟。讀取3個電流值, 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。5 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; 在光激勵系統保持不變的條件下, 測量3次光電流, 取平均值I 2。實驗中, 我們對不同角度但尖端直徑基本相同的錐形光纖進行測量, 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。測量數據見表1 。圖2中, 黑點代表表1中的數據點, 實際上每個數據點都是由一組數據組成的, 我們只選取了有代表性

8、的; 曲線是根據表1數據擬合而得。由數據點的分布可以看出, 實驗數據存在誤差。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應該采用靈敏度較高的光功率計, 由于實驗條件的限制, 我們選用線性較好的硅光電二極管將光信號轉換成電信號進行測量, 硅光電二極管的受照面偏大, 造成偏高。3 在實驗步驟的第5步測量I 2時需要切斷光纖, 每次切斷時斷面不一定很平整, 造成光被散射, 偏高, 我們所測的(1 Measuring circuit 23 ;(4 (5 He 2Ne laser圖1傳輸效率測

9、量裝置圖Fig. 1The measuring setting dra wing oftransmission eff iciency表1錐度與傳輸效率數據表T ab. 1The d ata sheet of transmissioneff iciency with coning angle /(°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. 8003. 6002. 85

10、03. 000/%2. 3603. 6604. 7805. 5305. 7506. 0606. 2206. 340 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/%6. 4306. 4606. 5406. 6706. 7206. 7506. 8006. 820光在光纖中傳輸時, 沿軸向的電場和磁

11、場分量均滿足標量波動方程式322222(1 +22+2+k n (r -=0r r 5r r 5其中, k 2=2/; n (r 是折射率分布; 是光的傳輸常數。此方程僅與r 和有關, 可以利用分離變量法將其變換成2個常微分方程式222222+k n (r -2R =0(2r r 5r r 2(3 2+v 2=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分布, 實際應用中常近似表示為高斯型分布, 即電場振幅E 可近似表示為根據表中數據, 以光纖錐度為橫坐標, 傳輸效率為縱坐標, 可作出如圖2所

12、示傳輸效率曲線。由圖可以看出, 錐形光纖的越大, 就越高 。E =exp (-exp (i z 2w 202(4式中r 為徑向坐標。基模場的模半徑w 0由馬休斯(Marcuse 判據可計算為4(5 (w 0/a =0. 65+1. 609V -3/2+2. 879V -6式中光纖參數V 為21/2a/ ×(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。當一定時, 光纖參數V圖2錐形光纖傳輸效率曲線Fig. 2T ransmission eff iciency versus the coning angle與傳輸模數的

13、平方成正比。若V <2. 405時, 纖芯僅能傳輸基模HE 115。因此, 單模光纖的傳導模就是基模。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同時逐漸減小, 傳導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 也會減小; 在纖芯和包層中的n 1、n 2和一定時, V 與a 成線形關系。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系, V 與p 的分配的關系見圖3的功率分配曲線。圖中, 縱坐標表示光纖包層中傳輸的功率P out 占光纖中傳輸的總功率P 的多少。由圖可看出, V 的減小將導致PL

14、 01模式的有效傳播常數減小, 將會有更多的光功率分布在包層中, 即能量向包層中轉移, 影響傳輸性能。當V =2. 4048時, 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. 318m 時, V =1. 0000, w 0=6. 79m ; a =3. 17m 時, V =2. 4048, w 0=3. 48m 。光纖芯徑中所傳輸的基模在a 小于a c =21/2(n 2/2時, 基模場將擴散到包層6, 從而形1-n 2 成“包層2外介質”模場。在模場擴散處, 由于邊界條2件的變化, 使得(n 21-n 2 增大, 則V 也會變

15、大, 光纖中可以傳輸的模式增加, 基模一部分能量就會耦合成高階模。此時, 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 1=1. 460, n 2=1. 458, n 3=1. 000, =632. 8nm , 把公式(5 應用于“包a/ 層2外介質”模場,a =a c =1. 318m 處, V =(221/2×(n 2=. 。2-。另外“, 包層2, , 也會引, 因此擴散到包層中的這部分能量區,17%在包層區; V 值愈小, 將有更多的光功率分布在包層區內, 而包層中的損耗相當大。這也說明了光纖錐形端細且長 , 即錐角較小時, 大部分已損失掉了。從以上分析

16、可以看出, 當錐形光纖的錐端細且長時, 帶來的傳輸損耗會很大。而在圓錐角較大時, 輻射到外空間的能量減少, 傳輸損耗也就相應降低, 我們的實驗結果也恰好反應了這一點, 與理論分析相吻合。在實驗中還發現, 錐形光纖錐端的尖端直徑對影響很大。我們實驗中所選用的光纖錐形端尖端直徑大都在1m 左右, 所以可以認為是不變的。圖3PL 01及PL 11光功率在光纖中的分布Fig. 3Distribution of pow er in the f iberversus the norm alized frequency參考文獻:1LI Rui ,ZH U Sheng 2xiang ,WE N Fang. A

17、 New Optical FiberProbefor ST MJ.Journal of Optoelectronics La ser (光電子激光 ,2002, 13(1 :6.(in Chine se 3. 2傳輸模式與a 的關系由(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會變大。根據公式(5 、2D Marcuse. Principle s of optical fiber measurementsM.New Y ork :AcademicPre ss ,1981.3劉德森, 等. 纖維光學M.北京:科學出版社,1987. 2492250.4李玲, 黃永清. 光纖通信基礎M.北京:國防工業出與a 的關系圖, 如圖4所示。版社,1991.5D Marcuse. Loss analysis of single 2mode fiber splice sJ.Bell. Syst. Tech. J. 1997, 5