Thorlabs高功率多模光纖跳線：SMA轉SMA

Thorlabs高功率多模光纖跳線：SMA轉SMA特性

應用空氣隙插芯技術

低羥基光纖，數值孔徑0.22

工作波長范圍：400 - 2200 nm

SMA905型接頭

FT05SS 5.0 mm外徑不銹鋼保護套管

端面拋光

損傷閾值：

大光束功率：50 W @ 980 nm

大功率密度：50 kW/cm²@ 980 nm

操作溫度：-50 °C到130 °C

*給定系統的損傷閾值是提供的兩個規格中較小的一個。它將隨耦合條件與工作波長發生變化。

這些高功率SMA光纖跳線運用空氣隙插芯技術，去除了光纖端面附近的能量吸收物質，如環氧樹脂、接頭材料與涂覆層，從而使其成為高功率應用的理想選擇。光纖插芯由不銹鋼材料制成，同時起到熱沉作用，將熱量迅速從光纖內部排出。該產品的損傷閾值會隨著發射條件與工作波長的變化而變化。詳情請看損傷閾值標簽。

每根光纖跳線在加工過程中都會經過多道檢測，包括大量的材料與光學檢測。大量的檢測從生產前就開始，并貫穿整個制造流程，從而制造出杰出的品質。請注意插芯高度在IEC規格中沒有包含，但是我們保證大插芯高度不超過0.3860英寸：不使用測高計來測試高功率跳線，因為測高計和接頭端之間的接觸會損壞裸露的光纖探頭(更多信息見操作標簽)。

每條跳線都帶有兩個罩在終端的保護帽，防止灰塵落入或其它損傷。我們也額外出售CAPM橡膠光纖保護帽和SMA端口的CAPMM金屬螺紋光纖保護帽。

Thorlabs同樣可以提供定制長度和一些定制光纖的跳線。關于訂購這些產品的幫助，請聯系您當地的技術支持人員。

操作和使用指南

請務必恰當操作和處理這些高功率光纖跳線，以防給光纖和相關裝置造成損傷。

使用前，請仔細閱讀操作標簽里面有關操作、清潔和匹配的信息。

規格：

為獲得高損傷閾值，接頭端的緩沖層與涂覆層已被去除。

受到FT05SS外部套管的小彎曲半徑所限制。

多模光纖教程

在光纖中引導光

光纖屬于光波導，光波導是一種更為廣泛的光學元件，可以利用全內反射(TIR)在固體或液體結構中限制并引導光。光纖通常可以在眾多應用中使用；常見的例子包括通信、光譜學、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構，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成。在光纖中以臨界角入射時，光會在纖芯/包層界面產生全反射，而不會折射到周圍的介質中。為了達到TIR的條件，發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為外部介質的折射率，θ_crit為臨界角，θ_acc為光纖的接收半角。數值孔徑(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得出的值更為準確。

光纖的全內反射

光纖中的模式數量

光在光纖中傳播的每種可能路徑即為光纖的導模。根據纖芯/包層區域的尺寸、折射率和波長，單光纖內可支持從一種到數千種模式。而其中常使用兩種為單模(支持單導模)和多模(支持多種導模)。在多模光纖中，低階模傾向于在空間上將光限制在纖芯內；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)的數量。歸一化頻率，也就是常說的V值，是一個無量綱的數，與自由空間頻率成比例，但被歸為光纖的引導屬性。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?50 µm、數值孔徑為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量：

上面例子中，芯徑為?50 µm、NA為0.39的多模光纖支持大約832種不同的導模，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要遠小于同波長下的多模光纖。例如SMF-28超單模光纖的標稱NA為0.14，芯徑為?8.2 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，可以通過量化來預測光纖裝置內的總透射功率損耗。這些損耗來源一般與波長相關，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

標準光纖中的光通過固體材料引導，因此，光在光纖中傳播會因吸收而產生損耗。標準光纖使用熔融石英制造，經優化可在波長1300 nm-1550 nm的范圍內傳播。波長更長(>2000
nm)時，熔融石英內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，以便調節光纖的傳播/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光譜學等應用感興趣的用戶。

散射

對于大多數光纖應用來說，光散射也是損耗的來源，通常在光遇到介質的折射率發生變化時產生。這些變化可以是由雜質、微粒或氣泡引起的外在變化；也可以是由玻璃密度的波動、成分或相位態引起的內在變化。散射與光的波長呈負相關關系，因此，在光譜中的紫外或藍光區域等波長較短時，散射損耗會比較大。使用恰當的光纖清潔、操作和存儲存步驟可以盡可能地減少光纖*的雜質，避免產生較大的散射損耗。

彎曲損耗

因光纖的外部和內部幾何發生變化而產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；例如，將其卷成圈。如右圖所示，引導的光在空間上分布在光纖的纖芯和包層區域。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境中。彎曲半徑較大時，與彎曲相關的損耗會比較小；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，彎曲半徑應該大于推薦值。使用恰當的儲存條件(溫度和彎曲半徑)可以降低對光纖造成性損傷的幾率；FSR1光纖纏繞盤設計用來大程度地減少高彎曲損耗。

微彎損耗由光纖的內部幾何，尤其是纖芯和包層發生變化而產生。光纖結構中的這些隨機變化(即凸起)會破壞全內反射所需的條件，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造成的性缺陷而產生。

包層模

雖然多模光纖中的大多數光通過纖芯內的TIR引導，但是由于TIR發生在包層與涂覆層/保護層的界面，在纖芯和包層內引導光的高階模也可能存在。這樣就產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，有些應用(比如發射到自由空間中)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，展現了包層而不是纖芯引導的光。

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時就出現了過滿的情況。實現這種條件的一個方法就是將LED光源的光發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劣，這取決于特定應用的要求。如需測量多模光纖的基準性能，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系和一般規則估算損傷閾值，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險的安全功率水平。如果遵守了所有恰當的制備和適用性指導，用戶應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，用戶應該遵守下面描述的"實際安全水平"該，以安全操作相關元件。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、光纖端面受到污染或光纖本身有瑕疵。關于特定應用中光纖功率適用能力的深入討論，請聯系技術支持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。而對于使用環氧樹脂將接頭與光纖固定的終端光纖而言，高強度的光產生的熱量會使環氧樹脂熔化，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

裸纖端面的損傷機制

光纖端面的損傷機制可以建模為大光學元件，紫外熔融石英基底的工業標準損傷閾值適用于基于石英的光纖(參考右表)。但是與大光學元件不同，與光纖空氣/璃界面相關的表面積和光束直徑都非常小，耦合單模(SM)光纖時尤其如此，因此，對于給定的功率密度，入射到光束直徑較小的光纖的功率需要比較低。

右表列出了兩種光功率密度閾值：一種理論損傷閾值，一種"實際安全水平"。一般而言，理論損傷閾值代表在光纖端面和耦合條件非常好的情況下，可以入射到光纖端面且沒有損傷風險的大功率密度估算值。而"實際安全水平"功率密度代表光纖損傷的低風險。超過實際安全水平操作光纖或元件也是有可以的，但用戶必須遵守恰當的適用性說明，并在使用前在低功率下驗證性能。

多模(MM)光纖的有效面積由纖芯直徑確定，一般要遠大于SM光纖的MFD值。如要獲得佳耦合效果，Thorlabs建議光束的光斑大小聚焦到纖芯直徑的70 - 80%。由于多模光纖的有效面積較大，降低了光纖端面的功率密度，因此，較高的光功率(一般上千瓦的數量級)可以無損傷地耦合到多模光纖中。

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，必須驗證系統中光纖元件的性能與可靠性，因其與系統有著緊密的關系。

這是在大多數工作條件下，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，光纖端面就出現了局部吸收點，造成耦合效率降低，散射增加，進而出現損傷。

與環氧樹脂相關的損傷取決于波長，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氧樹脂的風險，可以在光纖端面附近的光纖與插芯之間構建無環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計特點的接頭。

曲線圖展現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損傷機制的低功率水平限制(由實線表示)。

確定具有多種損傷機制的功率適用性

光纖跳線或組件可能受到多種途徑的損傷(比如，光纖跳線)，而光纖適用的大功率始終受到與該光纖組件相關的低損傷閾值的限制。

例如，右邊曲線圖展現了由于光纖端面損傷和光學接頭造成的損傷而導致單模光纖跳線功率適用性受到限制的估算值。有終端的光纖在給定波長下適用的總功率受到在任一給定波長下，兩種限制之中的較小值限制(由實線表示)。在488 nm左右工作的單模光纖主要受到光纖端面損傷的限制(藍色實線)，而在1550
nm下工作的光纖受到接頭造成的損傷的限制(紅色實線)。

對于多模光纖，有效模場由纖芯直徑確定，一般要遠大于SM光纖的有效模場。因此，其光纖端面上的功率密度更低，較高的光功率(一般上千瓦的數量級)可以無損傷地耦合到光纖中(圖中未顯示)。而插芯/接頭終端的損傷限制保持不變，這樣，多模光纖的大適用功率就會受到插芯和接頭終端的限制。

請注意，曲線上的值只是在合理的操作和對準步驟幾乎不可能造成損傷的情況下粗略估算的功率水平值。值得注意的是，光纖經常在超過上述功率水平的條件下使用。不過，這樣的應用一般需要專業用戶，并在使用之前以較低的功率進行測試，盡量降低損傷風險。但即使如此，如果在較高的功率水平下使用，則這些光纖元件應該被看作實驗室消耗品。

光纖內的損傷閾值

除了空氣玻璃界面的損傷機制外，光纖本身的損傷機制也會限制光纖使用的功率水平。這些限制會影響所有的光纖組件，因為它們存在于光纖本身。光纖內的兩種損傷包括彎曲損耗和光暗化損傷。

彎曲損耗

光在纖芯內傳播入射到纖芯包層界面的角度大于臨界角會使其無法全反射，光在某個區域就會射出光纖，這時候就會產生彎曲損耗。射出光纖的光一般功率密度較高，會燒壞光纖涂覆層和周圍的松套管。

有一種叫做雙包層的特種光纖，允許光纖包層(第二層)也和纖芯一樣用作波導，從而降低彎折損傷的風險。通過使包層/涂覆層界面的臨界角高于纖芯/包層界面的臨界角，射出纖芯的光就會被限制在包層內。這些光會在幾厘米或者幾米的距離而不是光纖內的某個局部點漏出，從而大限度地降低損傷。Thorlabs生產并銷售0.22 NA雙包層多模光纖，它們能將適用功率提升百萬瓦的范圍。

光暗化

光纖內的第二種損傷機制稱為光暗化或負感現象，一般發生在紫外或短波長可見光，尤其是摻鍺纖芯的光纖。在這些波長下工作的光纖隨著曝光時間增加，衰減也會增加。引起光暗化的原因大部分未可知，但可以采取一些列措施來緩解。例如，研究發現，羥基離子(OH)含量非常低的光纖可以抵抗光暗化，其它摻雜物比如氟，也能減少光暗化。

即使采取了上述措施，所有光纖在用于紫外光或短波長光時還是會有光暗化產生，因此用于這些波長下的光纖應該被看成消耗品。

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品。而對于具體的產品，用戶還是應該根據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的清潔和操作步驟，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)前應該關掉所有光源，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/接頭端面的質量相關。將光纖連接到光學系統前，一定要檢查光纖的末端。端面應該是干凈的，沒有污垢和其它可能導致耦合光散射的污染物。另外，如果是裸纖，使用前應該剪切，用戶應該檢查光纖末端，確保切面質量良好。

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

對準系統和優化耦合時，用戶應該使用低功率；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，有可能產生散射光造成的損傷。

高功率下使用光纖的注意事項

一般而言，光纖和光纖元件應該要在安全功率水平限制之內工作，但在理想的條件下(佳的光學對準和非常干凈的光纖端面)，光纖元件適用的功率可能會增大。用戶先必須在他們的系統內驗證光纖的性能和穩定性，然后再提高輸入或輸出功率，遵守所有所需的安全和操作指導。以下事項是一些有用的建議，有助于考慮在光纖或組件中增大光學功率。

要防止光纖損傷光耦合進光纖的對準步驟也是重要的。在對準過程中，在取得佳耦合前，光很容易就聚焦到光纖某部位而不是纖芯。如果高功率光束聚焦在包層或光纖其它部位時，會發生散射引起損傷

使用光纖熔接機將光纖組件熔接到系統中，可以增大適用的功率，因為它可以大程度地減少空氣/光纖界面損傷的可能性。用戶應該遵守所有恰當的指導來制備，并進行高質量的光纖熔接。熔接質量差可能導致散射，或在熔接界面局部形成高熱區域，從而損傷光纖。

連接光纖或組件之后，應該在低功率下使用光源測試并對準系統。然后將系統功率緩慢增加到所希望的輸出功率，同時周期性地驗證所有組件對準良好，耦合效率相對光學耦合功率沒有變化。

由于劇烈彎曲光纖造成的彎曲損耗可能使光從受到應力的區域漏出。在高功率下工作時，大量的光從很小的區域(受到應力的區域)逃出，從而在局部形成產生高熱量，進而損傷光纖。請在操作過程中不要破壞或突然彎曲光纖，以盡可能地減少彎曲損耗。

用戶應該針對給定的應用選擇合適的光纖。例如，大模場光纖可以良好地代替標準的單模光纖在高功率應用中使用，因為前者可以提供更佳的光束質量，更大的MFD，且可以降低空氣/光纖界面的功率密度。

階躍折射率石英單模光纖一般不用于紫外光或高峰值功率脈沖應用，因為這些應用與高空間功率密度相關。

損傷的光纖端面