《光电知识：单模光纤的奥秘全解析》

摘要：要实现光向单模光纤的有效耦合，需保证光纤入射端口处光的横向振幅分布与导模相适配。这就要求光源具备高光束质量（M²≈1），入射光在光纤入射端口聚焦，以契合光纤模式的平面波前。同时，光束分布的尺寸、形状要合适，且与纤芯在位置和方向上严格对准，位置误差应小于光束半径

单模光纤的工作条件与特性

有效耦合光进入条件

要实现光向单模光纤的有效耦合，需保证光纤入射端口处光的横向振幅分布与导模相适配。这就要求光源具备高光束质量（M²≈1），入射光在光纤入射端口聚焦，以契合光纤模式的平面波前。同时，光束分布的尺寸、形状要合适，且与纤芯在位置和方向上严格对准，位置误差应小于光束半径，角向不匹配值需小于模式的光束发散角。若入射情况不理想，如激光光束尺寸不当或角度未对准，可依据光纤连接器词条中的公式对入射效率进行计算。通常，要将自由空间的激光光束长期稳定且有效地耦合进单模光纤，需精心设计机械部分，确保聚焦透镜和光纤端口精准对准并固定，避免产生附加偏移。对于有效模式面积大的单模光纤，聚焦位置确定后较易实现准确对准，但角度对准存在一定难度。

单模条件

阶跃折射率光纤的单模条件可通过V值（归一化频率）来表征，V值由波长、纤芯半径和数值孔径（NA）计算得出，其值必须小于2.405。这意味着纤芯半径需极小，特别是在光纤需要较大数值孔径时。一般来说，光纤的单模特性仅在有限的几百纳米波长范围内得以满足，即适用于小于单模截止波长的范围，超过该波长则支持多个模式。这种变化可通过调谐入射波长在截止波长附近观察到：透射光束分布在多模区域变化剧烈，而在单模区域保持稳定。单模区域的长波极限通常由附加的弯曲损耗决定，该损耗源于材料吸收或光泄露到包层。

单模光纤的技术本质

单模光纤（single mode fibers），是指在每个偏振方向上仅传导一个模式的光纤。在特定波长条件下，它于每个偏振方向仅支持一个传播模式。其纤芯较为细小，直径通常仅为几个微米，且纤芯与包层间的折射率差极小，模式半径一般也是几个微米。

国仪光子在光纤研发领域积累了深厚的技术经验，设计生产多种类型的光纤，如抗紫外石英光纤、深紫外石英光纤、可见光玻璃石英光纤、近红外石英光纤、中红外石英光纤等。这些光纤采用专业化设计，具备高通量的特点，配合该公司的低损耗石英光纤、光纤光源及其他光谱配件，能够搭建多种光谱测量系统。

单模光纤的行业应用

光纤激光与放大领域

在使用稀土掺杂光纤的光纤激光器和放大器中，单模导波是实现高输出光束质量的基础。国仪光子的光纤产品在这方面能够为相关设备提供稳定可靠的支持，助力提升整体性能。

光纤通信领域

在光纤通信系统中，单模导波避免了模间色散问题，防止接收器接收到大量信号光的复制信号。单模光纤凭借其低传输损耗的优势，广泛应用于长距离数据传输，即便在较短距离的户外应用中也经常使用。而室内短距离应用中，多模光纤更为常见，因其可搭配更廉价的基于发光二极管的多模数据发射器。国仪光子的光纤产品配合其光谱配件搭建的光谱测量系统，在光纤通信的测试和优化等环节也能发挥重要作用。