光纤纤芯

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定义:光纤中用于传输光的区域


图1:单模光纤的纤芯远小于包层,而多模光纤纤芯直径比较大。


光纤纤芯指的是光纤中传播光的区域,在该区域中有波导效应(参阅光纤波导)。通常纤芯部分的折射率会略高,这种折射率的变化并不是通过使用另一种玻璃实现的,而是通过掺杂特殊的成分来提高纤芯折射率。在石英光纤中,通常使用的用来提高折射率的成分有二氧化锗(GeO2,锗硅酸盐)、五氧化二磷(P2O5,磷硅酸盐)、氧化铝(Al2O3,铝硅酸盐)。或者(也可以是同时)在包层中掺杂一些降低折射率的成分,如氟或者氧化硼(B2O3)。如果其他需要的掺杂使折射率差太大时,也可以在纤芯中掺杂降低折射率的成分。

对于有源光纤(可以用于光纤放大器光纤激光器)还会加入一些其他的掺杂成分。在大多数情况下这些掺杂成分都是稀土离子,如Er3+)、Yb3+)、Nd3+)。在这些光纤中还会加入一些其他的成分来减少淬火效应光暗化效应

波导特性是由折射率分布决定的。对于阶跃折射率光纤,通常使用的参数有数值孔径V值

虽然大多数的光纤纤芯是旋转对称的,但也有光纤中需要一些特殊的方法来破坏这种对称性以获得一些特殊的性质。例如通过椭圆形的纤芯形状或者在纤芯周围增加不对称结构,这样就会使得光纤有很强的双折射效应(参阅保偏光纤)和偏振相关导波(参阅单偏振光纤


除了波导特性,纤芯还会影响光纤的其它性能:

  1. 纤芯的均匀性和材料的纯度会通过散射和吸收影响损耗。
  2. 稀土掺杂光纤中,纤芯的化学组分决定了掺杂离子的溶解度。但是纯石英对稀土离子的溶解性较差,所以通常会在石英钟加入铝硅酸盐或者磷硅酸盐来改善。这样即便是较高的掺杂浓度也不会造成聚集效应(聚集效应会导致淬火效应)。磷酸盐玻璃光纤中情形相同。
  3. 玻璃材料的最大声子能量决定了多声子跃迁的概率,从而会对能级寿命产生很大的影响。
  4. 纤芯材料的成分还会影响不同离子间的有效能量转移概率。
  5. 光纤的光暗化效应和抗辐射能力也依赖于其化学组成成分。为了抗辐射光纤就不能加入某些掺杂物质(如锗)。
  6. 光纤纤芯的光敏性还决定了其是否能够用于制造利用紫外光照射得到的光纤布拉格光栅

此外,对于大模场面积单模光纤,其折射率分布是极为重要的。例如,常见到的情况是折射率在纤芯中心存在一个凹陷的情况非常不利。

在大多数的情况下,光纤纤芯位于光纤截面的中心,这对于熔接光纤连接器等是很便利的。但是对于双包层光纤,利用一个偏离中心的纤芯可以提高泵浦吸收效率。还有一些很罕见的情况下,会采用螺旋芯光纤,其中光纤纤芯缠绕在光纤的中心轴上。

此外还有一些空心的光子带隙光纤,其波导效应是由某种布拉格反射造成的。当然大多数光纤是折射率传导的。


参阅:光纤稀土掺杂光纤双包层光纤光子带隙光纤空心光纤掺杂浓度