Thorlabs多模光纖跳線，鍍增透膜

Thorlabs多模光纖跳線，鍍增透膜特性

SMA905接頭的光纖末端鍍有增透膜

工作波長范圍：250 - 370 nm，400 - 700 nm或650 - 1100 nm

在鍍有增透膜的范圍，R_avg< 0.75%

低羥基0.22 NA多模光纖，纖芯直徑為Ø50，Ø100或Ø200 µm

在不銹鋼套管內(nèi)的2 m長跳線，和SMA905接頭

Thorlabs的鍍增透膜的多模光纖跳線在SMA905接頭的光纖末端鍍有增透膜。增透膜使其具有更好的透射率，改善回波損耗。這些光纖跳線非常適用于光纖到自由空間應(yīng)用，比如使用我們FiberPort、固定非球面準(zhǔn)直器、反射型準(zhǔn)直器、大光束準(zhǔn)直器的光譜儀和準(zhǔn)直/耦合應(yīng)用，或任何其它準(zhǔn)直/耦合光學(xué)元件。

由于SMA905接頭利用了一個空氣間隙，因此這些跳線在光纖到光纖的應(yīng)用中還能實現(xiàn)更好的透過率，更低回波損耗，非常適合于與我們的ADASMA或ADASMAB2SMA匹配套管一起使用。

為了提高耐用性，這些跳線整合了不銹鋼FT05SS保護套管。每根跳線包含兩個保護帽，用于在不使用時防護接頭端免受灰塵和其它有害物質(zhì)污染。我們還單獨出售用于SMA接頭的CAPM橡膠光纖帽和CAPMM金屬螺紋光纖帽。

清潔鍍增透膜的接頭端且不損壞鍍膜的方法有好幾種。將壓縮空氣輕輕噴在接頭端是比較理想的做法。其他方法包括使用浸有異丙醇或甲醇的無絨光學(xué)擦拭紙或FCC-7020光纖接頭清潔器輕輕擦拭。但是請不要使用干的擦拭紙，因為可能會損壞增透膜涂層。

我們還提供FC/PC或FC/APC接頭的鍍增透膜單模光纖跳線。注意：右邊的數(shù)據(jù)為典型值。實際反射率會因鍍增透膜過程的不同而稍有變化。 關(guān)于每根跳線的衰減曲線，請點擊下表中光纖衰減欄的藍(lán)色圖標(biāo)()。

鍍增透膜的多模光纖跳線的典型反射率值。

多模光纖教程

在光纖中引導(dǎo)光

光纖屬于光波導(dǎo)，光波導(dǎo)是一種更為廣泛的光學(xué)元件，可以利用全內(nèi)反射(TIR)在固體或液體結(jié)構(gòu)中限制并引導(dǎo)光。光纖通常可以在眾多應(yīng)用中使用；常見的例子包括通信、光譜學(xué)、照明和傳感器。

比較常見的玻璃(石英)纖維使用一種稱之為階躍折射率光纖的結(jié)構(gòu)，如右圖所示。這種光纖的纖芯由一種折射率比外面包層高的材料構(gòu)成。在光纖中以臨界角入射時，光會在纖芯/包層界面產(chǎn)生全反射，而不會折射到周圍的介質(zhì)中。為了達(dá)到TIR的條件，發(fā)射到光纖中入射光的角度必須小于某個角度，即接收角，θ_acc。根據(jù)斯涅耳定律可以計算出這個角：

其中，n_core為纖芯的折射率，n_clad為光纖包層的折射率，n為外部介質(zhì)的折射率，θ_crit為臨界角，θ_acc為光纖的接收半角。數(shù)值孔徑(NA)是一個無量綱量，由光纖制造商用來確定光纖的接收角，表示為：

對于芯徑(多模)較大的階躍折射率光纖，使用這個等式可以直接計算出NA。NA也可以由實驗確定，通過追蹤遠(yuǎn)場光束分布并測量光束中心與光強為大光強5%的點之間的角度即可；但是，直接計算NA得出的值更為準(zhǔn)確。

光纖的全內(nèi)反射

光纖中的模式數(shù)量

光在光纖中傳播的每種可能路徑即為光纖的導(dǎo)模。根據(jù)纖芯/包層區(qū)域的尺寸、折射率和波長，單光纖內(nèi)可支持從一種到數(shù)千種模式。而其中常使用兩種為單模(支持單導(dǎo)模)和多模(支持多種導(dǎo)模)。在多模光纖中，低階模傾向于在空間上將光限制在纖芯內(nèi)；而高階模傾向于在空間上將光限制在纖芯/包層界面的附近。

使用一些簡單的計算就可以估算出光纖支持的模(單模或多模)的數(shù)量。歸一化頻率，也就是常說的V值，是一個無量綱的數(shù)，與自由空間頻率成比例，但被歸為光纖的引導(dǎo)屬性。V值表示為：

其中V為歸一化頻率(V值)，a為纖芯半徑，λ為自由空間波長。多模光纖的V值非常大；例如，芯徑為Ø50 µm、數(shù)值孔徑為0.39的多模光纖，在波長為1.5 µm時，V值為40.8。

對于具有較大V值的多模光纖，可以使用下式近似計算其支持的模式數(shù)量：

上面例子中，芯徑為Ø50 µm、NA為0.39的多模光纖支持大約832種不同的導(dǎo)模，這些模可以同時穿過光纖。

單模光纖V值必須小于截止頻率2.405，這表示在這個時候，光只耦合到光纖的基模中。為了滿足這個條件，單模光纖的纖芯尺寸和NA要遠(yuǎn)小于同波長下的多模光纖。例如SMF-28超單模光纖的標(biāo)稱NA為0.14，芯徑為Ø8.2 µm，在波長為1550
nm時，V值為2.404。

衰減來源

光纖損耗，也稱之為衰減，是光纖的特性，可以通過量化來預(yù)測光纖裝置內(nèi)的總透射功率損耗。這些損耗來源一般與波長相關(guān)，因光纖的使用材料或光纖的彎曲等而有所差異。常見衰減來源的詳情如下：

吸收

標(biāo)準(zhǔn)光纖中的光通過固體材料引導(dǎo)，因此，光在光纖中傳播會因吸收而產(chǎn)生損耗。標(biāo)準(zhǔn)光纖使用熔融石英制造，經(jīng)優(yōu)化可在波長1300 nm-1550 nm的范圍內(nèi)傳播。波長更長(>2000nm)時，熔融石英內(nèi)的多聲子相互作用造成大量吸收。使用氟化鋯、氟化銦等氟氧物玻璃制造中紅外光纖，主要是因為它們處于這些波長范圍時損耗較低。氟化鋯、氟化銦的多聲子邊分別為~3.6 µm和~4.6 µm。

光纖內(nèi)的污染物也會造成吸收損耗。其中一種污染物就是困在玻璃纖維中的水分子，可以吸收波長在1300 nm和2.94 µm的光。由于通信信號和某些激光器也是在這個區(qū)域里工作，光纖中的任意水分子都會明顯地衰減信號。

玻璃纖維中離子的濃度通常由制造商控制，以便調(diào)節(jié)光纖的傳播/衰減屬性。例如，石英中本來就存在羥基(OH-)，可以吸收近紅外到紅外光譜的光。因此，羥基濃度較低的光纖更適合在通信波長下傳播。而羥基濃度較高的光纖在紫外波長范圍時有助于傳播，因此，更適合對熒光或UV-VIS光譜學(xué)等應(yīng)用感興趣的用戶。

散射

對于大多數(shù)光纖應(yīng)用來說，光散射也是損耗的來源，通常在光遇到介質(zhì)的折射率發(fā)生變化時產(chǎn)生。這些變化可以是由雜質(zhì)、微粒或氣泡引起的外在變化；也可以是由玻璃密度的波動、成分或相位態(tài)引起的內(nèi)在變化。散射與光的波長呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，在光譜中的紫外或藍(lán)光區(qū)域等波長較短時，散射損耗會比較大。使用恰當(dāng)?shù)墓饫w清潔、操作和存儲存步驟可以盡可能地減少光纖*的雜質(zhì)，避免產(chǎn)生較大的散射損耗。

彎曲損耗

因光纖的外部和內(nèi)部幾何發(fā)生變化而產(chǎn)生的損耗稱之為彎曲損耗。通常包含兩大類：宏彎損耗和微彎損耗。

宏彎損耗造成的衰減

微彎損耗造成的衰減

宏彎損耗一般與光纖的物理彎曲相關(guān)；例如，將其卷成圈。如右圖所示，引導(dǎo)的光在空間上分布在光纖的纖芯和包層區(qū)域。以某半徑彎曲光纖時，在彎曲外半徑的光不能在不超過光速時維持相同的空間模分布。相反，由于輻射能量會損耗到周邊環(huán)境中。彎曲半徑較大時，與彎曲相關(guān)的損耗會比較小；但彎曲半徑小于光纖的推薦彎曲半徑時，彎曲損耗會非常大。光纖可以在彎曲半徑較小時進行短時間工作；但如果要長期儲存，彎曲半徑應(yīng)該大于推薦值。使用恰當(dāng)?shù)膬Υ鏃l件(溫度和彎曲半徑)可以降低對光纖造成性損傷的幾率；FSR1光纖纏繞盤設(shè)計用來大程度地減少高彎曲損耗。

微彎損耗由光纖的內(nèi)部幾何，尤其是纖芯和包層發(fā)生變化而產(chǎn)生。光纖結(jié)構(gòu)中的這些隨機變化(即凸起)會破壞全內(nèi)反射所需的條件，使得傳播的光耦合到非傳播模中，造成泄露(詳情請看右圖)。與由彎曲半徑控制的宏彎損耗不同，微彎損耗是由制造光纖時在光纖內(nèi)造成的性缺陷而產(chǎn)生。

包層模

雖然多模光纖中的大多數(shù)光通過纖芯內(nèi)的TIR引導(dǎo)，但是由于TIR發(fā)生在包層與涂覆層/保護層的界面，在纖芯和包層內(nèi)引導(dǎo)光的高階模也可能存在。這樣就產(chǎn)生了我們所熟知的包層模。這樣的例子可在右邊的光束分布測量中看到，其中體現(xiàn)了包層模包層中的光強比纖芯中要高。這些模可以不傳播(即它們不滿足TIR的條件)，也可以在一段很長的光纖中傳播。由于包層模一般為高階模，在光纖彎曲和出現(xiàn)微彎缺陷時，它們就是損耗的來源。通過接頭連接兩個光纖時包層模會消失，因為它們不能在光纖之間輕松耦合。

由于包層模對光束空間輪廓的影響，有些應(yīng)用(比如發(fā)射到自由空間中)中可能不需要包層模。光纖較長時，這些模會自然衰減。對于長度小于10 m的光纖，消除包層模的一種辦法就是將光纖纏繞在半徑合適的芯軸上，這樣能保留需要的傳播模式。

在FT200EMT多模光纖與M565F1 LED的光束輪廓中，展現(xiàn)了包層而不是纖芯引導(dǎo)的光。

入纖方式

多模光纖未充滿條件

對于在NA較大時接收光的多模光纖來說，光耦合到光纖的的條件(光源類型、光束直徑、NA)對性能有著極大影響。在耦合界面，光的光束直徑和NA小于光纖的芯徑和NA時，就出現(xiàn)了未充滿的入纖條件。這種情況的常見例子就是將激光光源發(fā)射到較大的多模光纖。從下面的圖和光束輪廓測量可以看出，未充滿時會使光在空間上集中到光纖的中心，優(yōu)先充滿低階模，而非高階模。因此，它們對宏彎損耗不太敏感，也沒有包層模。這種條件下，所測的插入損耗也會小于典型值，光纖纖芯處有著較高的功率密度。

展示未充滿條件的圖(左邊)和使用FT200EMT多模光纖進行的光束輪廓測量(右邊)。

多模光纖過滿條件

在耦合界面，光束直徑和NA大于光纖的芯徑和NA時就出現(xiàn)了過滿的情況。實現(xiàn)這種條件的一個方法就是將LED光源的光發(fā)射到較小的多模光纖中。過滿時會將整個纖芯和部分包層裸露在光中，均勻充滿低階模和高階模(請看下圖)，增加耦合到光纖包層模的可能性。高階模比例的增加意味著過滿光纖對彎曲損耗會更為敏感。在這種條件下，所測的插入損耗會大于典型值，與未充滿光纖條件相比，會產(chǎn)生較高的總輸出功率。

展示過滿條件的圖(左邊)和使用FT200EMT多模光纖進行的光束輪廓測量(右邊)。

多模光纖未充滿或過滿條件各有優(yōu)劣，這取決于特定應(yīng)用的要求。如需測量多模光纖的基準(zhǔn)性能，Thorlabs建議使用光束直徑為光纖芯徑70-80%的入纖條件。過滿條件在短距離時輸出功率更大；而長距離(>10 - 20 m)時，對衰減較為敏感的高階模會消失。

損傷閥值

激光誘導(dǎo)的光纖損傷

以下教程詳述了無終端(裸露的)、有終端光纖以及其他基于激光光源的光纖元件的損傷機制，包括空氣-玻璃界面(自由空間耦合或使用接頭時)的損傷機制和光纖玻璃內(nèi)的損傷機制。諸如裸纖、光纖跳線或熔接耦合器等光纖元件可能受到多種潛在的損傷(比如，接頭、光纖端面和裝置本身)。光纖適用的大功率始終受到這些損傷機制的小值的限制。

雖然可以使用比例關(guān)系和一般規(guī)則估算損傷閾值，但是，光纖的損傷閾值在很大程度上取決于應(yīng)用和特定用戶。用戶可以以此教程為指南，估算大程度降低損傷風(fēng)險的安全功率水平。如果遵守了所有恰當(dāng)?shù)闹苽浜瓦m用性指導(dǎo)，用戶應(yīng)該能夠在的大功率水平以下操作光纖元件；如果有元件并未大功率，用戶應(yīng)該遵守下面描述的"實際安全水平"該，以安全操作相關(guān)元件。可能降低功率適用能力并給光纖元件造成損傷的因素包括，但不限于，光纖耦合時未對準(zhǔn)、光纖端面受到污染或光纖本身有瑕疵。關(guān)于特定應(yīng)用中光纖功率適用能力的深入討論，請聯(lián)系技術(shù)支持techsupport-cn@thorlabs.com。

空氣-玻璃界面的損傷

空氣/玻璃界面有幾種潛在的損傷機制。自由空間耦合或使用光學(xué)接頭匹配兩根光纖時，光會入射到這個界面。如果光的強度很高，就會降低功率的適用性，并給光纖造成性損傷。而對于使用環(huán)氧樹脂將接頭與光纖固定的終端光纖而言，高強度的光產(chǎn)生的熱量會使環(huán)氧樹脂熔化，進而在光路中的光纖表面留下殘留物。

損傷的光纖端面

未損傷的光纖端面

所有值針對無終端(裸露)的石英光纖，適用于自由空間耦合到潔凈的光纖端面。

這是可以入射到光纖端面且沒有損傷風(fēng)險的大功率密度估算值。用戶在高功率下工作前，必須驗證系統(tǒng)中光纖元件的性能與可靠性，因其與系統(tǒng)有著緊密的關(guān)系。

這是在大多數(shù)工作條件下，入射到光纖端面且不會損傷光纖的安全功率密度估算值。

插芯/接頭終端相關(guān)的損傷機制

有終端接頭的光纖要考慮更多的功率適用條件。光纖一般通過環(huán)氧樹脂粘合到陶瓷或不銹鋼插芯中。光通過接頭耦合到光纖時，沒有進入纖芯并在光纖中傳播的光會散射到光纖的外層，再進入插芯中，而環(huán)氧樹脂用來將光纖固定在插芯中。如果光足夠強，就可以熔化環(huán)氧樹脂，使其氣化，并在接頭表面留下殘渣。這樣，光纖端面就出現(xiàn)了局部吸收點，造成耦合效率降低，散射增加，進而出現(xiàn)損傷。

與環(huán)氧樹脂相關(guān)的損傷取決于波長，出于以下幾個原因。一般而言，短波長的光比長波長的光散射更強。由于短波長單模光纖的MFD較小，且產(chǎn)生更多的散射光，則耦合時的偏移也更大。

為了大程度地減小熔化環(huán)氧樹脂的風(fēng)險，可以在光纖端面附近的光纖與插芯之間構(gòu)建無環(huán)氧樹脂的氣隙光纖接頭。我們的高功率多模光纖跳線就使用了這種設(shè)計特點的接頭。

曲線圖展現(xiàn)了帶終端的單模石英光纖的大概功率適用水平。每條線展示了考慮具體損傷機制估算的功率水平。大功率適用性受到所有相關(guān)損傷機制的低功率水平限制(由實線表示)。

制備和處理光纖

通用清潔和操作指南

建議將這些通用清潔和操作指南用于所有的光纖產(chǎn)品。而對于具體的產(chǎn)品，用戶還是應(yīng)該根據(jù)輔助文獻或手冊中給出的具體指南操作。只有遵守了所有恰當(dāng)?shù)那鍧嵑筒僮鞑襟E，損傷閾值的計算才會適用。

安裝或集成光纖(有終端的光纖或裸纖)前應(yīng)該關(guān)掉所有光源，以避免聚焦的光束入射在接頭或光纖的脆弱部分而造成損傷。

光纖適用的功率直接與光纖/接頭端面的質(zhì)量相關(guān)。將光纖連接到光學(xué)系統(tǒng)前，一定要檢查光纖的末端。端面應(yīng)該是干凈的，沒有污垢和其它可能導(dǎo)致耦合光散射的污染物。另外，如果是裸纖，使用前應(yīng)該剪切，用戶應(yīng)該檢查光纖末端，確保切面質(zhì)量良好。

如果將光纖熔接到光學(xué)系統(tǒng)，用戶先應(yīng)該在低功率下驗證熔接的質(zhì)量良好，然后在高功率下使用。熔接質(zhì)量差，會增加光在熔接界面的散射，從而成為光纖損傷的來源。

對準(zhǔn)系統(tǒng)和優(yōu)化耦合時，用戶應(yīng)該使用低功率；這樣可以大程度地減少光纖其他部分(非纖芯)的曝光。如果高功率光束聚焦在包層、涂覆層或接頭，有可能產(chǎn)生散射光造成的損傷。

實驗觀測

Thorlabs實驗觀測：利用多模光纖修改光束輪廓

我們在此給出探索多模光纖輸出光束輪廓如何受到光束入射角影響的實驗測量結(jié)果。有些應(yīng)用中可能需要其他諸如高帽或甜甜圈等輪廓的光束分布，而不需要一般光學(xué)元件提供的固有高斯分布。這里，我們探索了改變聚焦激光束進入多模光纖跳線時的入射角所產(chǎn)生的影響。將光垂直聚焦于光纖面，會產(chǎn)生近高斯輸出光束輪廓(圖1)，增大入射角則會產(chǎn)生高帽(圖2)和甜甜圈(圖3)形狀的光束輪廓。這些結(jié)果展現(xiàn)了利用多模光纖改變光束輪廓的方法。

實驗中，我們使用一根M38L01纖芯?200 μm、數(shù)值孔徑0.39的階躍折射率光纖跳線(裸纖型號FT200EMT)作為聚焦光束耦合的待測光纖。將輸入光以0°、11°和15°入射到多模光纖的入射面，分別產(chǎn)生初始輪廓、高帽輪廓和甜甜圈輪廓。每次改變角度時，都要優(yōu)化輸入光纖的對準(zhǔn)，同時用功率計監(jiān)測輸出功率，確保實現(xiàn)大的耦合。然后，在9秒的曝光時間下采集圖像，并評估光束輪廓的形狀。注意，曝光過程中，會在耦合光學(xué)元件之間(待測光纖之前)手動旋轉(zhuǎn)1500 grit的散射片，以減少空間相干，形成干凈的輸出光束輪廓。

假設(shè)一種光線追跡模型，存在兩種沿著多模光纖傳播的常見光線：(a)子午光線，每次反射之后都通過光纖的中心軸，和(b)斜光線，不通過光纖的中心軸。下面的圖片展現(xiàn)了實驗過程中觀察到的三種基本光線傳播情況。圖4和圖6分別繪制出了子午光線和斜光線通過多模光纖的傳播，以及在光纖輸出端的相關(guān)理論光束分布。如圖6所示，斜光線沿著光纖以與半徑r為圓的內(nèi)部焦散線相切的螺旋路徑傳播。圖5描繪了子午光線和斜光線的光束傳播和光束分布。我們通過改變光耦合到多模光纖的入射角，修改子午光線與斜光線的傳播，使輸出光束從近高斯分布(主要是子午光線，請看圖1)變成高帽分布(子午光線和斜光線混合，請看圖2)，再變成甜甜圈分布(主要是斜光線，請看圖3)。圖4到圖6顯示的光束輪廓都在離光纖端面5 mm處獲得。這些結(jié)果體現(xiàn)了利用標(biāo)準(zhǔn)的多模光纖跳線以一種相對低成本的方法將入射高斯輪廓修改成高帽和甜甜圈輪廓，且損耗極微。有關(guān)使用的實驗裝置和總結(jié)結(jié)果詳情，請點擊這里。

圖 1.
入射角為0°時獲得的近高斯光束輪廓(垂直于光纖面)

圖 2.
入射角為11°時獲得的高帽光束輪廓

圖 3.
入射角為15°時獲得的甜甜圈光束輪廓

圖 4.
對應(yīng)近高斯輸出輪廓的子午光線傳播

圖 5.
對應(yīng)甜甜圈輪廓的斜光線傳播

圖 6.
對應(yīng)高帽輪廓的子午光線和斜光線傳播

多模光纖跳線，鍍增透膜，用于250-370 nm(SMA905 接頭)

a.    該跳線的工作波長范圍是由裸纖和增透膜的波長范圍決定的。

b.    受到FT05SS外部套管的小彎曲半徑所限制。

多模光纖跳線，鍍增透膜，用于400-700 nm(SMA905接頭)

a.    該跳線的工作波長范圍是由裸纖和增透膜的波長范圍決定的。

b.    該增透膜設(shè)計用于350-700 nm，但在紫外波段光纖的衰減更強，限制了該跳線的工作波長范圍。

c.    受到FT05SS外部套管的小彎曲半徑所限制。

多模光纖跳線，鍍增透膜，用于650 - 1100 nm(SMA905接頭)

a.    該跳線的工作波長范圍是由裸纖和增透膜的波長范圍決定的。

b.    受到FT05SS外部套管的小彎曲半徑所限制。