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基金项目：广东省自然科学基金资助项目（’%"!(’，’%")+，

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光通信

多模光纤出射光束光强分布的研究

齐晓玲，王福娟，蔡志岗，江绍基

（中山大学光电材料与技术国家重点实验室，广东广州!"#$%!）

摘要： 采用横向偏移法测量以-/ 为激励源的多模光纤纤芯截面光强分布和出射光束的

传输特性，将光强分布从近距光强分布和远距光强分布两方面进行讨论，比较分析了理论曲线与实

验曲线，指出-/ 作为光源的多模光纤光强分布非常有利于光耦合，并可通过测量多模光纤光强

分布得到光纤数值孔径的大小。

关键词： 光耦合；光强分布；数值孔径

中图分类号： 01!2) 文献标识码： 3 文章编号： $""$ # 2%+%（!"")）"! # "$$( # "

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$ 引言

随着光纤通信技术的发展和密集波分复用

（/>/W）系统的应用，全光交换成为新一代全光网

的核心技术。光耦合包括光纤之间、光纤与光源之

间、光纤与探测器之间的耦合，是构成全光交换的重

要技术［$］。研究光纤出射光束的光强分布对有效光

耦合，即耦合对准时间短、耦合损耗小，起关键性作

用。

横向偏移法［!］是一种用于探测光纤出射光束光

强分布的方法。目前，广泛使用的远场法［)］

（ 0P8<JM7KKLN @8P:O7L;N ）和发射近场测量法［］

（0P8<JM7KKLN 1L8P:O7L;N）都是基于横向偏移法的工作

原理。前者是用于测量光纤数值孔径的大小，后者

是最直接，最简单测量模场直径的方法。

本文以提供有效光耦合的理论依据为目的，以

-/ 作为激励源，采用横向偏移法研究多模光纤芯

截面的光强分布和出射光束的传输特性。首先进行

了理论分析，并采用此方法测量了多模光纤出射光

束的光强分布，最后对实验结果进行了详细的分析，

并从近距（探测光纤与被探测光纤间的距离在2"

!M 内）和远距（探测光纤与被探测光纤间的距离在

$)"!M 以外）对多模光纤出射光束的光强分布进行

讨论。

! 理论

多模光纤中存在模式耦合和模式转换，使各模

式所携带的能量比例随光纤长度而变，直到达平衡

长度为止。只有达到平衡长度后光纤端面才有稳定

的功率分布，从而有稳定的耦合损耗［2］。

$B" 稳态功率分布与激励条件

$$( 万方数据

激励条件主要是指耦合到光纤中的入射光束的

数值孔径和光斑大小。有效的耦合要求入射光束的

数值孔径和光斑直径与光纤的数值孔径和芯径相匹

配，即等于或大于光纤的数值孔径和芯径，从而使光

纤中的所有模式充分激励，易于实现稳态功率分布。

!"# 的谱线宽，可以激励光纤中的所有传输模式，使

光纤易于达到稳态功率分布。

实现稳态功率分布的装置主要是扰模器，其作

用是将初期的辐射模式或某些不稳定的模式经过模

式耦合转变成稳定的导行模，或者由辐射而消失，最

后形成模式的稳态分布［$］。

!"! 多模光纤芯截面的光强分布

假设采用芯径相同的阶跃多模光纤分别作为探

测光纤和被探测光纤，认为光纤端面有稳定的功率

分布，且输入、输出光纤芯子上的光功率都是均匀分

布的。两相同的多模阶跃光纤，轴线横向位移为!，

使两耦合光纤的端面错开，如图% 所示。

图% 横向偏移! 的两耦合光纤截面图

耦合损耗由两光纤端面的不重合引起。所以光

纤耦合效率! 将由输入光纤面积"&

和输出光纤的

有效接收面积"’ （图% 中阴影部分）决定［(］：

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!"# 多模光纤远距的光强分布

在稳态功率分布条件下测量光纤的远距强度分

布，比较接近高斯分布（见后面实验测量曲线图(）。

/ 实验

实验中，我们采用横向偏移法来探测多模光纤

出射光束的光强分布，即使用两根光纤对接耦合，测

量其耦合效率（或称功率传输函数）与光纤横向偏移

量的关系，并从测量曲线上确定光强功率分布。

实验采用参数相同的两根多模光纤分别作为探

测光纤与被探测光纤对接耦合，测量其耦合效率。

选用多模光纤作为探测光纤，这是由于其相对于单

模光纤具有好的信噪比且数值孔径大［0］，因此，能将

尽可能多的光耦合到光纤中，使得光功率计读取的

数据能更真实的反映光纤出射光束的实际光强分

布。实验所用多模光纤为渐变型多模光纤，数值孔

径为12)3( 4 121%(，芯径为$)2("5。

首先，用光纤拨线钳分别把两光纤6%，6) 一侧

端面的光纤套管和缓冲涂覆层拨去，用酒精将裸光

纤表面擦干净，后用光纤切割刀切端面，并用)11 倍

的光学显微镜观察，可得到清洁、平整、垂直光纤轴

的光纤端面。然后把6% 和6) 光纤分别绕过扰模器

’，将6% 的裸端面一侧固定在三维调节架&%（精度

为%1"5），另一端通过光纤活动连接头与光源相

联。为了便于得到稳态功率分布，我们采用!"# 光

源，其波长为% ((1 75；将6) 的裸端面固定在二维

调节架&)（一维精度是%1"5，另一维可调角度，精

度为%8），另一端接光功率计9，如图)。

图) 实验测试装置图

假定光纤轴向为& 轴，零点为6% 裸端面处，’

轴为通过光纤芯径的一个方向。!"# 发出的光入射

到6%，调节6)，使光纤6% 和6) 在轴向上对准，光束

从6% 裸端面出射耦合到6) 中，最后进入9。在不

同& 点，沿’ 方向移动6% 端面，读取一系列数据，为

了排除光功率计读数的不稳定性，我们取每个测量

点多个读数的平均，最后通过记录的光功率数据所

作的曲线可确定光纤芯截面的光强分布和光束的传

输特性。

0 讨论

我们把!"# 光源激发的多模光纤出射光束的

光强分布分为近距和远距的光强分布来分析。

$"% 近距光强分布

图/（）:（;）分别为探测光纤端面与被探测光

纤端面距离，即& 分别为1，%1，/1，(1"5 所对应的

关系曲线，其中横坐标表示沿’ 方向的横向偏移与

%%< 万方数据

纤芯半径的比值! " #，纵坐标表示耦合效率!。由

图! 可以得出：

（"）随着探测光纤端面与被探测光纤端面之间

的距离增大，光纤最大耦合效率总的趋势减小，但是

$ 在#$!% 以内减少的非常缓慢，耦合效率有微小

的起伏，但仍在实验误差范围以内（见表"），因此，

光耦合效率受两光纤端面距离影响较小，插入损耗

标准一定时，可以主要考虑其它引起损耗的因素，而

对两光纤距离的要求可以适当降低。

表! 不同! 处的最大耦合效率

$ &!% $ "$ !$ #$

! $’($" )! $’+, - $’ $’-

插入损耗& / $’$)# $’$#( $’$#- $’$--

（,）大部分能量集中在多模光纤的纤芯直径

-,’#!% 内，也就是图中所画黑色方框（宽-,’ #!%，

长$’(!%）内。这是由于光功率主要集中在被探测

光纤芯径中传输，所以探测到的光功率主要集中在

-,’#!% 的范围内。

（!）光耦合效率在芯径范围内存在一个平顶现

象。实验中为了得到稳定功率分布，我们采用了

012 光源，从而尽可能的激发起多模光纤可存在的

所有模式，光纤出射光束的光强分布是各阶模式叠

加的结果，可以认为光功率在纤芯截面上是均匀分

布的。因此，在纤芯截面上耦合效率出现平顶现象。

为了进行对比，我们还采用了02 作为激励源进行

了相同的实验，实验结果如图) 所示。02 光源只能

激发出多模光纤中的低阶模式，光功率主要集中在

纤芯轴附近，其出射光强分布近似于高斯分布，而不

存在平顶。由此可以得出：在城域网或局域网中用

多模光纤传输信息时，使用012 光源非常有利于光

纤间的耦合。

（)）图!（3）中虚线是根据公式（"）画出的理论

曲线。可以看出，实验曲线和理论曲线有相当大的

差别。一方面，实验曲线出现平顶现象，理论曲线没

有。另一方面，理论曲线比实验曲线的耦合效率减

少的快。这是因为虽然我们在实验中为了尽量满足

理论推导的假设条件———光纤芯截面光强均匀分

布，采用了012 光源和扰模器，但实验中被探测多

模光纤的光强不仅分布在纤芯中，还进入到了光纤

包层中。此外，采用多模光纤探测不能简单地认为

是以点探测，而是以探测光纤端面来探测，功率计读

（3） $ 4 $!%

（5） $ 4 $!%

（6） $ 4 $!%

（） $ 4 #$!%

图! 横向偏移量和耦合效率的关系

图) 02 作为激励源的光强分布

""( 万方数据

取的数据实际上是探测光纤端面接受到数值孔径范

围内被探测光纤的纤芯和包层出射光束的总功率。

因此，实验曲线出现了平顶现象。导致实验曲线中

耦合效率较之理论曲线减少的慢也是基于上述原

因。理论公式中没有考虑光纤包层可能传输的光功

率对耦合的影响。可见，采用简单的几何光学分析

多模光纤光强分布是不够的。

!"# 远距光强分布

图!（"）#（$）分别为探测光纤端面与被探测光

纤端面距离! 分别为%&’，&’’，% ’’’，( ’’’!) 所对

应的关系曲线，其中横坐标表示沿" 方向的横向偏

移，纵坐标表示耦合功率#。由图! 可以得出：（%）

图中各点代表实验点，曲线是高斯拟合曲线。可以

看出实验曲线和高斯曲线拟合的非常好，已在图中

标出。说明多模光纤出射光束的远距光强分布呈高

斯分布。（）从各图横坐标的范围可以看出，随着探

测光纤端面与被探测光纤端面距离增大，可测得的横

向偏移越大，说明出射光束是不断发散的，见图+。

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（） ! , % ’’’!)

（$） ! , ( ’’’!)

图! 距离被探测光纤端面不同点的光强分布

图+ 归一化光强#/

分布

（&）根据图! 求出探测光纤端面与被探测光纤

端面不同距离的功率半高宽，并作图（见图(）。可

以通过光纤出射光束远距%&’ # &’’!) 的光强分布

求出光纤的数值孔径为’0 +，这与已知的数值孔径

’0(! 1 ’0’%! 比较吻合。

图( 距被探测光纤不同距离的功率半高宽

由以上分析可知，近距分布就是指探测光纤端

面与被探测光纤端面距离约在!’!) 以内的光强分

布。其分布在芯径+0!!) 内约!’!) 左右呈均匀

分布，且耦合效率减少缓慢，便于进行光耦合。远距

分布指探测光纤端面与被探测光纤端面距离约在

%&’!) 以外的光强分布，呈高斯分布，根据其光强

分布的实验曲线可求出光纤的数值孔径。

（下转第%&’ 页）

%’ 万方数据

! 结论

各向异性刻蚀是"#"$ 工艺中非常重要的一

环。%"&’ 由于具有刻蚀速度快、刻蚀的晶向依赖

性好、毒性低、易控制，以及与(")$ 工艺兼容等优

点而成为"#"$ 湿法刻蚀工艺中常用的刻蚀剂。为

了解决%"&’ 在刻蚀硅的过程中刻蚀表面易形成小

丘的问题，通过采用在底质量百分比的%"&’ 溶液

中添加硅酸和过硫酸铵的方法，得到了较高的刻蚀

速度和光滑的刻蚀表面。从实验中也可以发现，要

获得理想的刻蚀效果，刻蚀液配方和刻蚀流程的选

择是非常重要的因素。

致谢：实验中得到了中国电子科技集团公司第

研究所的大力支持与合作，在此致以真诚的谢

意。

参考文献：

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现状［#- /0］, 1223： 444, 5522367, 879, 24 3:;<3=+>,

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［;］ %@O@2H )，&5@1C P，EFI@O@51C ’，H2 @G, &IC572673C8 H281CI=

7J 5CGC87I CI %"&’ 57GF2C7I5［L］, $HI5765 @IQ &82F@2765 &，

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［］ $@667 R "，-6CQ@ /，SGC52 T S /，H2 @G, #JJH82 7J 5F6J@82@I2

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作者简介：

罗元（+B> N ），+BB; 年毕业于浙江大学，+BBM

年在重庆邮电学院获工学硕士学位，现为重庆大学

光电工程学院博士生，研究方向为光纤通信及

"#"$ 光通信器件，已在国内外刊物和国际学术会

议上发表论文近+< 篇。

!"#$%&：

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

9HGF7DF@I^>M;, IH2

（上接第+>< 页）

! 结论

我们采用横向偏移法测量了多模光纤出射光束

的光强分布，并从近距光强分布和远距光强分布两

部分进行了分析。0#/ 可以激发出多模光纤的所有

模式，光功率在纤芯截面上呈均匀分布，随着探测光

纤与被探测光纤端面的距离增大，光纤出射光束在

空气中传输超过+;<!9，其光强分布呈高斯分布。

从实验中了解0#/ 作为激励的多模光纤近距光强

分布，可知光耦合中存在微小横向偏移和间隙时对

耦合效率影响不大，有利于缩短耦合对准时间，并得

到理想的耦合效率；由远距光强分布图可求出多模

光纤的数值孔径。

参考文献：

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26@I59C22HQ @IQ 6HJ6@82HQ IH@6 JCHGQ［ L ］, L, 0C=124@\H

%H81I7G, ，+BB;，（+）：[! N [[;,

［!］ %5F81CD@ ’ ， W@]@=79H ’ , /7FOGH H88HI26C8

87IIH82765 J76 732C8@G JCOH65 ［L］, &33G, )32, ，+B，+M（!）：

+ ;>; N + ;;+,

［M］ 彭吉虎，吴伯瑜, 光纤技术及应用［"］, 北京：北京理

工大学出版社，+BB!, !B N M>,

作者简介：

齐晓玲（+B> N ），女，山西太原人，+BBM 年毕业

于南京邮电学院无线电工程系，><<< 年开始攻读硕

士学位，主要从事信息光子学的研究。

!"#$%&：UKGOHGG^5CI@, 879

+;< 万方数据

多模光纤出射光束光强分布的研究

作者： 齐晓玲， 王福娟， 蔡志岗， 江绍基

作者单位： 中山大学,光电材料与技术国家重点实验室,广东,广州,510275

刊名：

半导体光电

英文刊名： SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS

年，卷(期)： 2003，24(2)

引用次数： 12次

参考文献(6条)

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6彭吉虎吴伯瑜光纤技术及应用 1995

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