Thorlabs熱膨脹芯（TEC）光纖跳線

Thorlabs熱膨脹芯（TEC）光纖跳線

特性

熱膨脹芯增大了模場(chǎng)直徑(MFD)，便于耦合

不僅更容易進(jìn)行自由空間耦合，還能保持單模光纖的光學(xué)性能

工作波長(zhǎng)范圍：980 - 1250 nm或1420 - 1620 nm

光纖的TEC端鍍有增透膜，以減少耦合損耗

庫存的光纖跳線：

2.0 mm窄鍵FC/PC(TEC)到FC/PC接頭

2.0 mm窄鍵FC/PC(TEC)到FC/APC接頭

具有帶槽法蘭的Ø2.5 mm插芯到可以剪切的裸纖

如需定制配置，請(qǐng)聯(lián)系技術(shù)支持

Thorlabs的熱膨脹芯(TEC)光纖跳線進(jìn)行自由空間耦合時(shí)，對(duì)位置的偏移沒有單模光纖那樣敏感。利用我們的Vytran^® 光纖熔接技術(shù)，通過將傳統(tǒng)單模光纖的一端加熱，使超過2.5 mm長(zhǎng)的纖芯膨脹，就可制成這種光纖。在自由空間耦合應(yīng)用中，光纖經(jīng)過這樣處理的一端可以接受模場(chǎng)直徑較大的光束，同時(shí)還能保持光纖的單模和光學(xué)性能(有關(guān)測(cè)試信息，請(qǐng)看耦合性能標(biāo)簽)。TEC光纖經(jīng)常應(yīng)用于構(gòu)建基于光纖的光隔離器、可調(diào)諧波長(zhǎng)的濾光片和可變光學(xué)衰減器。

我們庫存有帶TEC端的多種光纖跳線可選。我們提供兩種波長(zhǎng)范圍：980 nm - 1250 nm 和1460 nm - 1620 nm。光纖的TEC端鍍有增透膜，在波長(zhǎng)范圍內(nèi)平均反射率小于0.5%，可以減少進(jìn)行自由空間耦合時(shí)的損耗。光纖的這一端具有熱縮包裝標(biāo)簽，上面列出了關(guān)鍵的規(guī)格。接頭選項(xiàng)有2.0 mm窄鍵FC/PC或FC/APC接頭、Ø2.5 mm插芯且可以剪切熔接的裸光纖。Ø2.5 mm插芯且可以剪切的光纖跳線具有Ø900 µm的護(hù)套，而FC/PC與FC/APC光纖跳線具有Ø3 mm的護(hù)套(請(qǐng)看右上表，了解可選的組合)。

我們也提供定制光纖跳線。更多信息，請(qǐng)聯(lián)系技術(shù)支持。

自由空間耦合到P1-1550TEC-2光纖跳線

光纖跳線鍍有增透膜的一端適合自由空間應(yīng)用(比如，耦合)，如果與其他接頭端接觸，會(huì)造成損傷。此外，由于鍍有增透膜，TEC光纖跳線不適合高功率應(yīng)用。

清潔鍍?cè)鐾改さ慕宇^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(qǐng)不要使用干的擦拭紙，因?yàn)榭赡軙?huì)損壞增透膜涂層。

耦合性能

由于TEC光纖一端的纖芯直徑膨脹，進(jìn)行自由空間耦合時(shí)，它們對(duì)位置的偏移沒有標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖那樣敏感。為了進(jìn)行比較，我們改變x軸和z軸上的偏移，并測(cè)量自由空間光束耦合到TEC光纖跳線和標(biāo)準(zhǔn)光纖跳線時(shí)的耦合損耗(如右圖所示)。使用C151TMD-C非球面透鏡，將光耦合到標(biāo)準(zhǔn)光纖和TEC光纖。在980 nm 和1064 nm下，測(cè)試使用1060XP光纖的跳線和P1-1060TEC-2光纖跳線，同時(shí)，在1550 nm下，測(cè)試使用1550BHP光纖的跳線和P1-1550TEC-2光纖跳線。通過MBT616D 3軸位移臺(tái)，讓光纖跳線相對(duì)于入射光移動(dòng)。

下面的曲線圖展示了所測(cè)光纖跳線的光纖耦合性能。一般而言，對(duì)于相同的x軸或z軸偏移，TEC光纖跳線比標(biāo)準(zhǔn)跳線的耦合損耗低。而在x軸或z軸偏移為0 µm 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)跳線與TEC跳線的性能相似?？偠灾@些測(cè)試結(jié)果表明，TEC光纖對(duì)光纖位置的偏移遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有標(biāo)準(zhǔn)光纖那樣敏感，同時(shí)還能在佳光纖位置保持相同的耦合損耗。請(qǐng)注意，這些測(cè)量為典型值，由于制造公差的存在，不同批次跳線的性能可能有所差異。

測(cè)量耦合性能裝置的示意圖。

上圖顯示了用于測(cè)量耦合性能的測(cè)試裝置。

1060XP標(biāo)準(zhǔn)光纖和P1-1060TEC-2熱膨脹芯光纖之間的耦合性能比較圖。

1060XP標(biāo)準(zhǔn)光纖和P1-1060TEC-2熱膨脹芯光纖之間的耦合性能比較圖。

11550BHP標(biāo)準(zhǔn)光纖和P1-1550TEC-2熱膨脹芯光纖之間的耦合性能比較圖。

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(shí))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(xiǎn)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(shí)未對(duì)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(qǐng)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(shí)，光會(huì)入射到這個(gè)界面。如果光的強(qiáng)度很高，就會(huì)降低功率的適用性，并給光纖造成損傷。而對(duì)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(huì)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

未損傷的光纖端面

裸纖端面的損傷機(jī)制

光纖端面的損傷機(jī)制可以建模為大光學(xué)元件，紫外熔融石英基底的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)損傷閾值適用于基于石英的光纖(參考右表)。但是與大光學(xué)元件不同，與光纖空氣/璃界面相關(guān)的表面積和光束直徑都非常小，耦合單模(SM)光纖時(shí)尤其如此，因此，對(duì)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(shí)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(fēng)險(xiǎn)的大功率密度估算值。而"實(shí)際安全水平"功率密度代表光纖損傷的低風(fēng)險(xiǎn)。超過實(shí)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(dāng)?shù)倪m用性說明，并在使用前在低功率下驗(yàn)證性能。

計(jì)算單模光纖和多模光纖的有效面積單模光纖的有效面積是通過模場(chǎng)直徑(MFD)定義的，它是光通過光纖的橫截面積，包括纖芯以及部分包層。耦合到單模光纖時(shí)，入射光束的直徑必須匹配光纖的MFD，才能達(dá)到良好的耦合效率。

例如，SM400單模光纖在400 nm下工作的模場(chǎng)直徑(MFD)大約是Ø3 µm，而SMF-28 Ultra單模光纖在1550 nm下工作的MFD為Ø10.5 µm。則兩種光纖的有效面積可以根據(jù)下面來計(jì)算：

SM400 Fiber:Area= Pi x (MFD/2)² = Pi x (1.5µm)² = 7.07 µm²= 7.07 x 10^-8cm²
SMF-28 Ultra Fiber: Area = Pi x (MFD/2)² = Pi x (5.25 µm)²= 86.6 µm²= 8.66 x 10^-7cm²

為了估算光纖端面適用的功率水平，將功率密度乘以有效面積。請(qǐng)注意，該計(jì)算假設(shè)的是光束具有均勻的強(qiáng)度分布，但其實(shí)，單模光纖中的大多數(shù)激光束都是高斯形狀，使得光束中心的密度比邊緣處更高，因此，這些計(jì)算值將略高于損傷閾值或?qū)嶋H安全水平對(duì)應(yīng)的功率。假設(shè)使用連續(xù)光源，通過估算的功率密度，就可以確定對(duì)應(yīng)的功率水平：

SM400 Fiber: 7.07 x 10^-8cm²x 1MW/cm²= 7.1 x10^-8MW =71 mW (理論損傷閾值)
7.07 x 10^-8cm²x 250 kW/cm²= 1.8 x10^-5kW = 18 mW (實(shí)際安全水平)

SMF-28 UltraFiber: 8.66 x 10^-7cm²x 1MW/cm²= 8.7 x10^-7MW =870mW (理論損傷閾值)

8.66 x 10^-7cm²x 250 kW/cm²= 2.1 x10^-4kW =210 mW (實(shí)際安全水平)

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(jí))可以無損傷地耦合到多模光纖中。

?  a. 所有值針對(duì)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。

?  b. 這是可以入射到光纖端面且沒有損傷風(fēng)險(xiǎn)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。

?  c. 這是在大多數(shù)工作條件下，入射到光纖端面且不會(huì)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(shí)，沒有進(jìn)入纖芯并在光纖中傳播的光會(huì)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?jiān)?。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(zhǎng)，出于以下幾個(gè)原因。一般而言，短波長(zhǎng)的光比長(zhǎng)波長(zhǎng)的光散射更強(qiáng)。由于短波長(zhǎng)單模光纖的MFD較小，且產(chǎn)生更多的散射光，則耦合時(shí)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(xiǎn)，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(jì)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)。

確定具有多種損傷機(jī)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(guān)的低損傷閾值的限制。

例如，右邊曲線圖展現(xiàn)了由于光纖端面損傷和光學(xué)接頭造成的損傷而導(dǎo)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(zhǎng)下適用的總功率受到在任一給定波長(zhǎng)下，兩種限制之中的較小值限制(由實(shí)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(lán)色實(shí)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(shí)線)。

對(duì)于多模光纖，有效模場(chǎng)由纖芯直徑確定，一般要遠(yuǎn)大于SM光纖的有效模場(chǎng)。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(shù)量級(jí))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(huì)受到插芯和接頭終端的限制。

請(qǐng)注意，曲線上的值只是在合理的操作和對(duì)準(zhǔn)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(jīng)常在超過上述功率水平的條件下使用。不過，這樣的應(yīng)用一般需要專業(yè)用戶，并在使用之前以較低的功率進(jìn)行測(cè)試，盡量降低損傷風(fēng)險(xiǎn)。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(yīng)該被看作實(shí)驗(yàn)室消耗品。

光纖內(nèi)的損傷閾值

除了空氣玻璃界面的損傷機(jī)制外，光纖本身的損傷機(jī)制也會(huì)限制光纖使用的功率水平。這些限制會(huì)影響所有的光纖組件，因?yàn)樗鼈兇嬖谟诠饫w本身。光纖內(nèi)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(nèi)傳播入射到纖芯包層界面的角度大于臨界角會(huì)使其無法全反射，光在某個(gè)區(qū)域就會(huì)射出光纖，這時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生彎曲損耗。射出光纖的光一般功率密度較高，會(huì)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(dǎo)，從而降低彎折損傷的風(fēng)險(xiǎn)。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(huì)被限制在包層內(nèi)。這些光會(huì)在幾厘米或者幾米的距離而不是光纖內(nèi)的某個(gè)局部點(diǎn)漏出，從而大限度地降低損傷。Thorlabs生產(chǎn)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(nèi)的第二種損傷機(jī)制稱為光暗化或負(fù)感現(xiàn)象，一般發(fā)生在紫外或短波長(zhǎng)可見光，尤其是摻鍺纖芯的光纖。在這些波長(zhǎng)下工作的光纖隨著曝光時(shí)間增加，衰減也會(huì)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(fā)現(xiàn)，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(zhǎng)光時(shí)還是會(huì)有光暗化產(chǎn)生，因此用于這些波長(zhǎng)下的光纖應(yīng)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(chǎn)品。而對(duì)于具體的產(chǎn)品，用戶還是應(yīng)該根據(jù)輔助文獻(xiàn)或手冊(cè)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(jì)算才會(huì)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(yàn)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(huì)增加光在熔接界面的散射，從而成為光纖損傷的來源。

對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)和優(yōu)化耦合時(shí)，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。

高功率下使用光纖的注意事項(xiàng)一般而言，光纖和光纖元件應(yīng)該要在安全功率水平限制之內(nèi)工作，但在理想的條件下(佳的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)和非常干凈的光纖端面)，光纖元件適用的功率可能會(huì)增大。用戶先必須在他們的系統(tǒng)內(nèi)驗(yàn)證光纖的性能和穩(wěn)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(dǎo)。以下事項(xiàng)是一些有用的建議，有助于考慮在光纖或組件中增大光學(xué)功率。

要防止光纖損傷光耦合進(jìn)光纖的對(duì)準(zhǔn)步驟也是重要的。在對(duì)準(zhǔn)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(shí)，會(huì)發(fā)生散射引起損傷

使用光纖熔接機(jī)將光纖組件熔接到系統(tǒng)中，可以增大適用的功率，因?yàn)樗纱蟪潭鹊販p少空氣/光纖界面損傷的可能性。用戶應(yīng)該遵守所有恰當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)來制備，并進(jìn)行高質(zhì)量的光纖熔接。熔接質(zhì)量差可能導(dǎo)致散射，或在熔接界面局部形成高熱區(qū)域，從而損傷光纖。

連接光纖或組件之后，應(yīng)該在低功率下使用光源測(cè)試并對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。然后將系統(tǒng)功率緩慢增加到所希望的輸出功率，同時(shí)周期性地驗(yàn)證所有組件對(duì)準(zhǔn)良好，耦合效率相對(duì)光學(xué)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(yīng)力的區(qū)域漏出。在高功率下工作時(shí)，大量的光從很小的區(qū)域(受到應(yīng)力的區(qū)域)逃出，從而在局部形成產(chǎn)生高熱量，進(jìn)而損傷光纖。請(qǐng)?jiān)诓僮鬟^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(yīng)該針對(duì)給定的應(yīng)用選擇合適的光纖。例如，大模場(chǎng)光纖可以良好地代替標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖在高功率應(yīng)用中使用，因?yàn)榍罢呖梢蕴峁└训墓馐|(zhì)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(yīng)用，因?yàn)檫@些應(yīng)用與高空間功率密度相關(guān)。

MFD定義

模場(chǎng)直徑的定義

模場(chǎng)直徑(MFD)是對(duì)在單模光纖中傳播的光的光束尺寸的一種量度。它與波長(zhǎng)、纖芯半徑以及纖芯和包層的折射率具有函數(shù)關(guān)系。雖然光纖中的大部分光被限制在纖芯內(nèi)傳播，但仍有極小部分的光在包層中傳播。對(duì)于高斯功率分布，MFD是指光功率從峰值水平降到1/e²時(shí)的直徑。

MFD的測(cè)量通過在遠(yuǎn)場(chǎng)使用變孔徑法來完成MFD的測(cè)量。在光纖輸出的遠(yuǎn)場(chǎng)處放置一個(gè)通光孔徑，然后測(cè)量強(qiáng)度。在光路中放置連續(xù)變小的通光孔徑，測(cè)量每個(gè)通光孔徑下的強(qiáng)度水平；然后以功率和孔徑半角(或數(shù)值孔徑)的正弦為坐標(biāo)作圖得到數(shù)據(jù)。

使用彼得曼第二定義確定MFD，該數(shù)學(xué)模型沒有假設(shè)功率分布的特定形狀。使用漢克爾變換可以從遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量值確定近場(chǎng)處的MFD大小。

TEC光纖跳線，980 nm - 1250 nm

在1060 nm下的模場(chǎng)直徑典型值。

光纖跳線只有TEC端鍍有增透膜。

大衰減為沒有終端且沒有膨脹的光纖。

由于MFD較大，光纖熱膨脹芯端的數(shù)值孔徑偏小。光纖TEC端的值為計(jì)算所得。

TEC光纖跳線，1460 nm - 1620 nm

在1550 nm下的模場(chǎng)直徑典型值。

光纖跳線只有TEC端鍍有增透膜。

大衰減為沒有終端且沒有膨脹的光纖。

由于MFD較大，光纖熱膨脹芯端的數(shù)值孔徑偏小。光纖TEC端的值為計(jì)算所得。

損傷的光纖端面