光纤导模特性及其截止波长分析
发布时间：2023-11-13 10:18:02 阅读数： 55
概述：本文深入探讨了光波导（例如光纤）的导模数量与光波长的关系，以及单模光纤与多模光纤的截止波长特性。通过对模式半径、有效模式面积的变化，以及功率在波导芯中的传播比例等关键参数的分析，解释了光纤在不同波长下的导光性能，特别是在截止波长附近的表现。
目录
- 光波导的导模数量与光波长的关系
- 截止波长的定义及其对单模光纤的影响
- 截止波长附近的模式特性变化
- 导模功率分布与截止波长的关系
- 长波长传输的实际问题
- 不同光纤设计中的基模截止波长
- 偏振依赖性与光纤设计
- 弯曲损耗与截止波长的实验确定性
1. 光波导的导模数量与光波长的关系
在光波导中，如光纤，能够支持的导模数量与光的波长密切相关：波长越短，能够被导引的模式就越多。对于长波长，可能只存在单一的导模（例如单模光纤），或者根本没有导模。相反，在较短波长下，可以获得多模行为。
2. 截止波长的定义及其对单模光纤的影响
当特定模式在超过某一波长后不再存在时，该波长被称为其截止波长。对于光纤来说，LP11模式的截止波长限定了单模区域的上限，因为在该波长以下，至少存在LP01和LP11两种模式。
3. 截止波长附近的模式特性变化
在截止波长附近，模式的属性往往会发生显著变化。通常情况下，模式半径（从而有效模式面积）在截止附近急剧增加，相应地，波导芯中传播的功率比例也会减少。该效应在图1所示的多模阶跃折射率光纤中有所展示；对于具有其他横向折射率分布的光纤，也会出现类似的行为。
4. 导模功率分布与截止波长的关系
对于光纤的LPlm模式，只有在接近截止波长时，芯中导引的功率分数才会趋于零。对于具有更高的模式，其模式尺寸在截止处保持有限。
5. 长波长传输的实际问题
即使理论上不存在模式截止，长波长传输也可能无法正常工作！在阶跃折射率光纤中，理论上基模（LP01）没有截止，尽管在长波长下的传播损耗可能仍然很高，甚至可能导致光纤无法使用。这主要是因为长波长光的模式尺寸远远超出了光纤芯的范围，使得该模式的光导引非常敏感，例如对微弯曲的敏感性。然而，需要注意的是，在这种情况下，并没有明确的模式截止，而是随着波长的增长，传播损耗逐渐增加。
6. 不同光纤设计中的基模截止波长
对于其他（非阶跃折射率）光纤设计，特别是某些光子晶体光纤，也可能存在基模截止波长。
7. 偏振依赖性与光纤设计
不具有径向对称性的光纤设计（以及强烈弯曲的光纤）可能具有偏振依赖的截止波长。
8. 弯曲损耗与截止波长的实验确定性
在其截止波长附近，由于模式面积的增加，模式的弯曲损耗可能会变得非常高。因此，即使是光纤的适度弯曲，也可能在截止波长附近导致传播损耗急剧增加。因此，截止波长并不总是能在实验中精确确定。
