光纤后向反射器

特性

SM、PM或MM光纤后向反射镜

一端有保护层的银膜

从450 nm到光纤的波长上限，Ravg
≥ 97.5%

具有2.0 mm窄键FC/PC或FC/APC的版本可选

适用于高功率为300
mW的激光

长1米的电线

Thorlabs公司的光纤镀膜后向反射器设计用于将通过接头输入的光从光纤中向后反射。它们可以用于产生一个光纤干涉仪或用于构建一个低功率光纤激光器。这些后向反射器极其适合用于准确测量发射机、放大器和其它器件的后向反射规格(请从参看应用标签了解更多细节)。

我们的光纤后向反射器具有单模(SM)、保偏(PM)或多模(MM)光纤这几种版本。光纤插芯的一端有一层保护层的银膜，可以为450 nm到光纤波长上限的范围内提供≥97.5%的平均反射率(请参看右上图表)。该末端封装在Ø9.8 mm(0.39英寸)的不锈钢外壳中，上面刻有部件型号(请参看上图)。套管的另一端接有一个FC/PC(可以是SM、PM或MM光纤)或FC/APC(可以是SM或PM)的2.0 mm窄键接头。对于PM光纤，窄键与其慢轴对准。

每一根跳线都包含一个保护帽，防止灰尘或者其它污染物附着在插芯末端。额外的CAPF塑料光纤保护帽和FC/PC和FC/APC CAPFM金属螺纹光纤保护帽需要单独购买。

跳线可以通过匹配套管进行耦合，它可以将后向反射小化，并保证光纤的可连接末端之间能够有效对准。我们还提供定制接头和金属镀膜(金膜和铝膜)服务。请联系Thorlabs公司的技术支持了解更多信息。

这些光纤后向反射器的反射末端可以通过不锈钢外壳上的标识辨认.

平整基底上所测反射镜镀膜的反射率

应用

光纤后向反射器在产生各种全光纤器件(如光纤干涉仪、可调后向反射器和光纤放大器等)时是十分有效的。当一个后向反射器被安装在一段光纤的末端时，它可以将平均≥97.5%的光(从450 nm到光纤的波长上限)反射回光纤当中。这在光纤反射仪中是极其有效的，这样一来就不需要自由空间偶合，从而实现稳定的参考臂。

图1显示了一台扫频光源OCT(SS-OCT)干涉仪，它采用了一个光纤后向反射器。
光纤耦合器 (FC) 把光线分成样本和参考臂；参考臂有偏振控制器 (PC)。反射光通过环形器 (CIR)直接回到探测器。SS-OCT系统采用一台扫频光源和光电探测器，可以快速产生同类型的干涉图。由于扫频激光光源的快速扫频特性，各分立波长的高峰值功率可以用于对样品进行照明，从而在减小光学损伤的同时产生更高的灵敏度。

这些后向反射器的另一个实际应用为构建可调后向反射器，如图2所示。下游后向反射器的反馈信号会引起一些器件的不稳定，如激光二极管等。通过采用一个可调后向反射器，就可以确定器件对后向反射的灵敏度。可调衰减器可以让用户对器件引入标准反射。通过分析后向反射效应，用户可以计算器件的噪声水平、误码率、失真等参数。这样有效的计算器件很容易通过一个光纤耦合器、可调衰减器和光纤后向反射器进行构建。

图3显示了这些光纤后向反射器如何用于全光纤放大器的实例。其中，将一个光纤后向反射器置于一根掺饵光纤的末端，将光朝着入射光的方向反射回光纤中。用一个环形器直接将输入光和放大输出光导入其合适的光路中，这样一来偏振控制和自由空间光耦合就不需要使用偏振分束立方体。

图1：采用光纤后向反射器的扫频光源OCT系统。

图2：采用光纤后向反射器的光纤可调后向反射器。

图3：采用广西那后向反射器和一个环形器的全光纤放大器。

多模光纤教程

在光纤中引导光

光纤属于光波导，光波导是一种更为广泛的光学元件，可以利用全内反射(TIR)在固体或液体结构中限制并引导光。光纤通常可以在众多应用中使用；常见的例子包括通信、光谱学、照明和传感器。

比较常见的玻璃(石英)纤维使用一种称之为阶跃折射率光纤的结构，如右图所示。这种光纤的纤芯由一种折射率比外面包层高的材料构成。在光纤中以临界角入射时，光会在纤芯/包层界面产生全反射，而不会折射到周围的介质中。为了达到TIR的条件，发射到光纤中入射光的角度必须小于某个角度，即接收角，θacc。根据斯涅耳定律可以计算出这个角：

其中，ncore为纤芯的折射率，nclad为光纤包层的折射率，n为外部介质的折射率，θcrit为临界角，θacc为光纤的接收半角。数值孔径(NA)是一个无量纲量，由光纤制造商用来确定光纤的接收角，表示为：

对于芯径(多模)较大的阶跃折射率光纤，使用这个等式可以直接计算出NA。NA也可以由实验确定，通过追踪远场光束分布并测量光束中心与光强为大光强5%的点之间的角度即可；但是，直接计算NA得出的值更为准确。

光纤的全内反射

光纤中的模式数量

光在光纤中传播的每种可能路径即为光纤的导模。根据纤芯/包层区域的尺寸、折射率和波长，单光纤内可支持从一种到数千种模式。而其中常使用两种为单模(支持单导模)和多模(支持多种导模)。在多模光纤中，低阶模倾向于在空间上将光限制在纤芯内；而高阶模倾向于在空间上将光限制在纤芯/包层界面的附近。

使用一些简单的计算就可以估算出光纤支持的模(单模或多模)的数量。归一化频率，也就是常说的V值，是一个无量纲的数，与自由空间频率成比例，但被归为光纤的引导属性。V值表示为：

其中V为归一化频率(V值)，a为纤芯半径，λ为自由空间波长。多模光纤的V值非常大；例如，芯径为Ø50 µm、数值孔径为0.39的多模光纤，在波长为1.5 µm时，V值为40.8。

对于具有较大V值的多模光纤，可以使用下式近似计算其支持的模式数量：

上面例子中，芯径为Ø50 µm、NA为0.39的多模光纤支持大约832种不同的导模，这些模可以同时穿过光纤。

单模光纤V值必须小于截止频率2.405，这表示在这个时候，光只耦合到光纤的基模中。为了满足这个条件，单模光纤的纤芯尺寸和NA要远小于同波长下的多模光纤。例如SMF-28超单模光纤的标称NA为0.14，芯径为Ø8.2 µm，在波长为1550
nm时，V值为2.404。

衰减来源

光纤损耗，也称之为衰减，是光纤的特性，可以通过量化来预测光纤装置内的总透射功率损耗。这些损耗来源一般与波长相关，因光纤的使用材料或光纤的弯曲等而有所差异。常见衰减来源的详情如下：

吸收标准光纤中的光通过固体材料引导，因此，光在光纤中传播会因吸收而产生损耗。标准光纤使用熔融石英制造，经优化可在波长1300 nm-1550 nm的范围内传播。波长更长(>2000
nm)时，熔融石英内的多声子相互作用造成大量吸收。使用氟化锆、氟化铟等氟氧物玻璃制造中红外光纤，主要是因为它们处于这些波长范围时损耗较低。氟化锆、氟化铟的多声子边分别为~3.6 µm和~4.6 µm。

光纤内的污染物也会造成吸收损耗。其中一种污染物就是困在玻璃纤维中的水分子，可以吸收波长在1300 nm和2.94 µm的光。由于通信信号和某些激光器也是在这个区域里工作，光纤中的任意水分子都会明显地衰减信号。

玻璃纤维中离子的浓度通常由制造商控制，以便调节光纤的传播/衰减属性。例如，石英中本来就存在羟基(OH-)，可以吸收近红外到红外光谱的光。因此，羟基浓度较低的光纤更适合在通信波长下传播。而羟基浓度较高的光纤在紫外波长范围时有助于传播，因此，更适合对荧光或UV-VIS光谱学等应用感兴趣的用户。

散射对于大多数光纤应用来说，光散射也是损耗的来源，通常在光遇到介质的折射率发生变化时产生。这些变化可以是由杂质、微粒或气泡引起的外在变化；也可以是由玻璃密度的波动、成分或相位态引起的内在变化。散射与光的波长呈负相关关系，因此，在光谱中的紫外或蓝光区域等波长较短时，散射损耗会比较大。使用恰当的光纤清洁、操作和存储存步骤可以尽可能地减少光纤的杂质，避免产生较大的散射损耗。

弯曲损耗因光纤的外部和内部几何发生变化而产生的损耗称之为弯曲损耗。通常包含两大类：宏弯损耗和微弯损耗。

宏弯损耗造成的衰减

微弯损耗造成的衰减

宏弯损耗一般与光纤的物理弯曲相关；例如，将其卷成圈。如右图所示，引导的光在空间上分布在光纤的纤芯和包层区域。以某半径弯曲光纤时，在弯曲外半径的光不能在不超过光速时维持相同的空间模分布。相反，由于辐射能量会损耗到周边环境中。弯曲半径较大时，与弯曲相关的损耗会比较小；但弯曲半径小于光纤的推荐弯曲半径时，弯曲损耗会非常大。光纤可以在弯曲半径较小时进行短时间工作；但如果要长期储存，弯曲半径应该大于推荐值。使用恰当的储存条件(温度和弯曲半径)可以降低对光纤造成**性损伤的几率；FSR1光纤缠绕盘设计用来大程度地减少高弯曲损耗。

微弯损耗由光纤的内部几何，尤其是纤芯和包层发生变化而产生。光纤结构中的这些随机变化(即凸起)会破坏全内反射所需的条件，使得传播的光耦合到非传播模中，造成泄露(详情请看右图)。与由弯曲半径控制的宏弯损耗不同，微弯损耗是由制造光纤时在光纤内造成的**性缺陷而产生。

包层模虽然多模光纤中的大多数光通过纤芯内的TIR引导，但是由于TIR发生在包层与涂覆层/保护层的界面，在纤芯和包层内引导光的高阶模也可能存在。这样就产生了我们所熟知的包层模。这样的例子可在右边的光束分布测量中看到，其中体现了包层模包层中的光强比纤芯中要高。这些模可以不传播(即它们不满足TIR的条件)，也可以在一段很长的光纤中传播。由于包层模一般为高阶模，在光纤弯曲和出现微弯缺陷时，它们就是损耗的来源。通过接头连接两个光纤时包层模会消失，因为它们不能在光纤之间轻松耦合。

由于包层模对光束空间轮廓的影响，有些应用(比如发射到自由空间中)中可能不需要包层模。光纤较长时，这些模会自然衰减。对于长度小于10 m的光纤，消除包层模的一种办法就是将光纤缠绕在半径合适的芯轴上，这样能保留需要的传播模式。

在FT200EMT多模光纤与M565F1 LED的光束轮廓中，展现了包层而不是纤芯引导的光。

入纤方式

多模光纤未充满条件对于在NA较大时接收光的多模光纤来说，光耦合到光纤的的条件(光源类型、光束直径、NA)对性能有着极大影响。在耦合界面，光的光束直径和NA小于光纤的芯径和NA时，就出现了未充满的入纤条件。这种情况的常见例子就是将激光光源发射到较大的多模光纤。从下面的图和光束轮廓测量可以看出，未充满时会使光在空间上集中到光纤的中心，优先充满低阶模，而非高阶模。因此，它们对宏弯损耗不太敏感，也没有包层模。这种条件下，所测的插入损耗也会小于典型值，光纤纤芯处有着较高的功率密度。

展示未充满条件的图(左边)和使用FT200EMT多模光纤进行的光束轮廓测量(右边)。

多模光纤过满条件在耦合界面，光束直径和NA大于光纤的芯径和NA时就出现了过满的情况。实现这种条件的一个方法就是将LED光源的光发射到较小的多模光纤中。过满时会将整个纤芯和部分包层裸露在光中，均匀充满低阶模和高阶模(请看下图)，增加耦合到光纤包层模的可能性。高阶模比例的增加意味着过满光纤对弯曲损耗会更为敏感。在这种条件下，所测的插入损耗会大于典型值，与未充满光纤条件相比，会产生较高的总输出功率。

展示过满条件的图(左边)和使用FT200EMT多模光纤进行的光束轮廓测量(右边)。

多模光纤未充满或过满条件各有优劣，这取决于特定应用的要求。如需测量多模光纤的基准性能，Thorlabs建议使用光束直径为光纤芯径70-80%的入纤条件。过满条件在短距离时输出功率更大；而长距离(>10 - 20 m)时，对衰减较为敏感的高阶模会消失。

损伤阀值

激光诱导的光纤损伤

以下教程详述了无终端(裸露的)、有终端光纤以及其他基于激光光源的光纤元件的损伤机制，包括空气-玻璃界面(自由空间耦合或使用接头时)的损伤机制和光纤玻璃内的损伤机制。诸如裸纤、光纤跳线或熔接耦合器等光纤元件可能受到多种潜在的损伤(比如，接头、光纤端面和装置本身)。光纤适用的大功率始终受到这些损伤机制的小值的限制。

虽然可以使用比例关系和一般规则估算损伤阈值，但是，光纤的绝损伤阈值在很大程度上取决于应用和特定用户。用户可以以此教程为指南，估算大程度降低损伤风险的安全功率水平。如果遵守了所有恰当的制备和适用性指导，用户应该能够在指定的大功率水平以下操作光纤元件；如果有元件并未指定大功率，用户应该遵守下面描述的"实际安全水平"该，以安全操作相关元件。可能降低功率适用能力并给光纤元件造成损伤的因素包括，但不限于，光纤耦合时未对准、光纤端面受到污染或光纤本身有瑕疵。关于特定应用中光纤功率适用能力的深入讨论，请联系技术支持techsupport-cn@thorlabs.com。

空气-玻璃界面的损伤

空气/玻璃界面有几种潜在的损伤机制。自由空间耦合或使用光学接头匹配两根光纤时，光会入射到这个界面。如果光的强度很高，就会降低功率的适用性，并给光纤造成**性损伤。而对于使用环氧树脂将接头与光纤固定的终端光纤而言，高强度的光产生的热量会使环氧树脂熔化，进而在光路中的光纤表面留下残留物。

损伤的光纤端面

未损伤的光纤端面

所有值针对无终端(裸露)的石英光纤，适用于自由空间耦合到洁净的光纤端面。

这是可以入射到光纤端面且没有损伤风险的大功率密度估算值。用户在高功率下工作前，必须验证系统中光纤元件的性能与可靠性，因其与系统有着紧密的关系。

这是在大多数工作条件下，入射到光纤端面且不会损伤光纤的安全功率密度估算值。

插芯/接头终端相关的损伤机制

有终端接头的光纤要考虑更多的功率适用条件。光纤一般通过环氧树脂粘合到陶瓷或不锈钢插芯中。光通过接头耦合到光纤时，没有进入纤芯并在光纤中传播的光会散射到光纤的外层，再进入插芯中，而环氧树脂用来将光纤固定在插芯中。如果光足够强，就可以熔化环氧树脂，使其气化，并在接头表面留下残渣。这样，光纤端面就出现了局部吸收点，造成耦合效率降低，散射增加，进而出现损伤。

与环氧树脂相关的损伤取决于波长，出于以下几个原因。一般而言，短波长的光比长波长的光散射更强。由于短波长单模光纤的MFD较小，且产生更多的散射光，则耦合时的偏移也更大。

为了大程度地减小熔化环氧树脂的风险，可以在光纤端面附近的光纤与插芯之间构建无环氧树脂的气隙光纤接头。我们的高功率多模光纤跳线就使用了这种设计特点的接头。

曲线图展现了带终端的单模石英光纤的大概功率适用水平。每条线展示了考虑具体损伤机制估算的功率水平。大功率适用性受到所有相关损伤机制的低功率水平限制(由实线表示)。

单模后向反射器