Thorlabs階躍折射率多模光纖

Thorlabs階躍折射率多模光纖特性

不同光譜范圍的低羥基和高羥基型

　　　　高羥基版本，用于250-1200

　　　　低羥基版本，用于400-2400 nm

摻氟玻璃包層的石英纖芯

Thorlabs制造的階躍折射率多模光纖有三種纖芯尺寸，Ø50微米、Ø105微米、Ø200微米，適用于多種應(yīng)用。摻氟玻璃包層的純石英纖芯，光纖有高和低羥基離子(OH)濃度，高OH用于紫外到可見光波段，低OH用于可見光到近紅外波段。光纖由ETO和其它方法消毒，是污染分析和化學(xué)工藝的光譜分析、醫(yī)學(xué)診斷和光療法的理想選擇。

接頭兼容性Ø50和105微米纖芯光纖的包層直徑是125±1微米，所以兼容標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖接頭和組件。我們也供應(yīng)多模接頭用于此頁出售的光纖。

上一代產(chǎn)品這些光纖取代我們上一代的AFS/SFS系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可用作連接的光纖跳線。這些光纖在所有應(yīng)用中*可以互換。點(diǎn)擊規(guī)格標(biāo)簽查看上一代產(chǎn)品部件編號的替換參考指導(dǎo)。

0.22數(shù)值孔徑多模光纖有多重結(jié)構(gòu)的光纖跳線可供選擇。點(diǎn)擊下表中的More [+] 鏈接查看可選擇光纖跳線的選擇，也可以定制光纜。點(diǎn)擊右邊定制光纜鏈接查看更多信息。我們也提供用于高功率的TECS雙包層0.22數(shù)值孔徑多模光纖和用于紫外的抗負(fù)感0.22數(shù)值孔徑多模光纖。

負(fù)感效應(yīng)可能發(fā)生在小于300 nm波長情況。我們也供應(yīng)抗負(fù)感多模光纖。

規(guī)格

低于300 nm波長下可能出現(xiàn)負(fù)感現(xiàn)象。我們也提供抗負(fù)感多模光纖。

安裝的幾何應(yīng)力推薦值是驗(yàn)證試驗(yàn)水平的，此水平基于光纖失效的統(tǒng)計分析。

安裝的幾何應(yīng)力推薦值是驗(yàn)證試驗(yàn)水平的50%，此水平基于光纖失效的統(tǒng)計分析。

我們抱歉不能提供這種zhuan利數(shù)據(jù)。

上一代產(chǎn)品對比參考

這些光纖取代我們上一代AFS/SFS系列多模光纖產(chǎn)品，在所有應(yīng)用上都可以互相替換。下表列出了當(dāng)前的玻璃包層的石英纖芯光纖和與之等效的上一代光纖部件編號。

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?？梢栽诒姸鄳?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(shí)驗(yàn)確定，通過追蹤遠(yuǎn)場光束分布并測量光束中心與光強(qiáng)為大光強(qiáng)5%的點(diǎn)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?；蚨嗄?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?？梢酝瑫r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(>2000
nm)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?yàn)樗鼈兲幱谶@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?；驓馀菀鸬耐庠谧兓灰部梢允怯刹Ａ芏鹊牟▌?、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??；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(jìn)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(jī)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(hù)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(qiáng)比纖芯中要高。這些?？梢圆粋鞑?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?yàn)樗鼈儾荒茉诠饫w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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jī)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(jī)制和光纖玻璃內(nèi)的損傷機(jī)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(jī)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(shí)際安全水平"該，以安全操作相關(guān)元件?？赡芙档凸β蔬m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(jī)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(qiáng)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(qiáng)度的光產(chǎn)生的熱量會使環(huán)氧樹脂熔化，進(jìn)而在光路中的光纖表面留下殘留物。

損傷的光纖端面

多模(MM)光纖的有效面積由纖芯直徑確定，一般要遠(yuǎn)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(shù)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(fēng)險的大功率密度估算值。用戶在高功率下工作前，必須驗(yàn)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(jī)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(jìn)入纖芯并在光纖中傳播的光會散射到光纖的外層，再進(jìn)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(qiáng)，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(diǎn)，造成耦合效率降低，散射增加，進(jìn)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(qiáng)。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(diǎn)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(jī)制估算的功率水平。大功率適用性受到所有相關(guān)損傷機(jī)制的低功率水平限制(由實(shí)線表示)。

Ø50 µm纖芯玻璃包層石英多模光纖，0.22 NA

a.     在波長低于300 nm時可能發(fā)生負(fù)感現(xiàn)象。我們也提供抗負(fù)感多模光纖。

b.     安裝時的幾何應(yīng)力推薦值是驗(yàn)證試驗(yàn)水平的，此水平基于光纖失效的統(tǒng)計分析。

c.     幾何應(yīng)力推薦值是驗(yàn)證試驗(yàn)水平的50%，此水平基于光纖失效的統(tǒng)計分析。

d.     我們抱歉不能提供這種zhuan利數(shù)據(jù)。

Ø105 µm纖芯玻璃層石英多模光纖，0.22 NA

a.    在波長低于300 nm時可能發(fā)生負(fù)感現(xiàn)象。我們也提供抗負(fù)感多模光纖。

b.    安裝時的幾何應(yīng)力推薦值是驗(yàn)證試驗(yàn)水平的，此水平基于光纖失效的統(tǒng)計分析。

c.    幾何應(yīng)力推薦值是驗(yàn)證試驗(yàn)水平的50%，此水平基于光纖失效的統(tǒng)計分析。

d.    我們抱歉不能提供這種zhuan利數(shù)據(jù)。

Ø200 µm纖芯玻璃包層石英多模光纖，0.22 NA

a.    在波長低于300 nm時可能發(fā)生負(fù)感現(xiàn)象。我們也提供抗負(fù)感多模光纖。

b.    安裝時的幾何應(yīng)力推薦值是驗(yàn)證試驗(yàn)水平的，此水平基于光纖失效的統(tǒng)計分析。

c.    幾何應(yīng)力推薦值是驗(yàn)證試驗(yàn)水平的50%，此水平基于光纖失效的統(tǒng)計分析。

d.    我們抱歉不能提供這種zhuan利數(shù)據(jù)。

損傷的光纖端面