锥形光纤传输特性的检测与分析

1、光电子激光第14卷第7期2003年7月J ournal of Optoelectronics Vol. 14No. 7J ul. 2003L aser 简报锥形光纤传输特性的检测与分析薛春荣333, 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:

2、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 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

5、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。He 2Ne 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He 2Ne 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

6、在暗盒中, 锥形尖端距硅光电二极管光敏面约1mm 。3 打开He 2Ne 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CO 2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,收稿日期:2002211208修订日期:20022122293基金项目:国家自然科学基金资助项目(69877014 33E 2m ail :xcr 3721773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

7、定位光纤, 然后重复此步骤。读取3个电流值, 求出平均值I 1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。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I 2。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

8、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, 造成偏高。3 在实验步骤的第5步测量I 2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, 偏高, 我们所测的(1 Measuring circuit 23 ;(4 (5 He 2Ne laser图1传输效率测

9、量装置图Fig. 1The measuring setting dra wing oftransmission eff iciency表1锥度与传输效率数据表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光在光纤中传输时, 沿轴向的电场和磁

11、场分量均满足标量波动方程式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; 是光的传输常数。此方程仅与r 和有关, 可以利用分离变量法将其变换成2个常微分方程式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, 以光纤锥度为横坐标, 传输效率为纵坐标, 可作出如图2所

12、示传输效率曲线。由图可以看出, 锥形光纤的越大, 就越高 。E =exp (-exp (i z 2w 202(4式中r 为径向坐标。基模场的模半径w 0由马休斯(Marcuse 判据可计算为4(5 (w 0/a =0. 65+1. 609V -3/2+2. 879V -6式中光纤参数V 为21/2a/ ×(n 2(6 V =(21-n 2式中a 为纤芯直径; 为真空中的光波长; n 1和n 2分别为纤芯和包层的折射率。当一定时, 光纤参数V图2锥形光纤传输效率曲线Fig. 2T ransmission eff iciency versus the coning angle与传输模数的

13、平方成正比。若V <2. 405时, 纤芯仅能传输基模HE 115。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, 纤芯和包层半径光电子激光774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n 1、n 2和一定时, 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P out 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PL

14、 01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w 0先是略有下降, 然后迅速增大。在a =1. 318m 时, V =1. 0000, w 0=6. 79m ; a =3. 17m 时, V =2. 4048, w 0=3. 48m 。光纤芯径中所传输的基模在a 小于a c =21/2(n 2/2时, 基模场将扩散到包层6, 从而形1-n 2 成“包层2外介质”模场。在模场扩散处, 由于边界条2件的变化, 使得(n 21-n 2 增大, 则V 也会变

15、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, n 1=1. 460, n 2=1. 458, n 3=1. 000, =632. 8nm , 把公式(5 应用于“包a/ 层2外介质”模场,a =a c =1. 318m 处, V =(221/2×(n 2=. 。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

16、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1m 左右, 所以可以认为是不变的。图3PL 01及PL 11光功率在光纤中的分布Fig. 3Distribution of pow er in the f iberversus the norm alized frequency参考文献:1LI Rui ,ZH U Sheng 2xiang ,WE N Fang. A

17、 New Optical FiberProbefor ST MJ.Journal of Optoelectronics La ser (光电子激光 ,2002, 13(1 :6.(in Chine se 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w 0半径w 0会变大。根据公式(5 、2D Marcuse. Principle s of optical fiber measurementsM.New Y ork :AcademicPre ss ,1981.3刘德森, 等. 纤维光学M.北京:科学出版社,1987. 2492250.4李玲, 黄永清. 光纤通信基础M.北京:国防工业出与a 的关系图, 如图4所示。版社,1991.5D Marcuse. Loss analysis of single 2mode fiber splice sJ.Bell. Syst. Tech. J. 1997, 5