單模光纖部分參數(shù)（康尼SMF-28）

溪上雅士 2023-08-21 發(fā)布于甘肅

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SMF-28單模光纖示意圖

摘要：為了使光纖或耦合仿真結(jié)果更具實際指導意義，我們光纖的仿真模型希望接近真實情況。關(guān)于纖芯尺寸和模斑直徑很容易在大部分光纖產(chǎn)品的data sheet中找到，但是很難查詢到纖芯或包層材料折射率的值。本筆記簡要說明相關(guān)參數(shù)含義，結(jié)合文獻報道給出仿真所需的參數(shù)（Corning SMF-28），尤其是纖芯材料折射率、包層材料折射率。

Data sheet部分參數(shù)列表：

康尼 SMF-28單模光纖參數(shù)（1550nm）		1310nm
纖芯直徑	8.2um
包層直徑	125.0±0.7um
涂層直徑	242±5um
數(shù)值孔徑NA	0.14
模場直徑	9.2±0.4um	10.4±0.5um
傳輸損耗	0.18dB/km	0.32dB/km
彎曲損耗	0.5dB/圈（10mm半徑）
色散	18ps/(nm*km)	接近0
群折射率	1.4696	1.4691
纖芯材料折射率	1.4504(Sellmeier推算)
包層材料折射率	1.4437(數(shù)值孔徑推算)

光纖仿真必要參數(shù)：纖芯直徑、包層直徑、纖芯材料折射率、包層材料折射率（如果要分析波長響應特性，還需要材料色散特性）。

在文獻【1~4】中，提及到康寧SMF-28光纖的纖芯折射率Nco=1.4504，包層折射率Ncl=1.4447，這些文章中提及到推算依據(jù)包括：（1）康寧SMF-28纖芯材料是4.5% GeO2參雜氧化硅；(2)數(shù)值孔徑NA=0.13;(3)利用色散關(guān)系Sellmeier是計算折射率[5]；（4）GeO2摻雜氧化硅Sellmeier系數(shù)[6]。

1.塞爾邁爾（Sellmeier）公式計算纖芯材料折射率（實際也就是色散關(guān)系式）

根據(jù)文章【5】中的說明Corning SMF-28采用的4.5% GeO2參雜制備工藝，相關(guān)系數(shù)有文獻【6】給出a1 =0.49211;a2 = 0.62925;a3 = 0.59202;b1 = 0.04807;b2 = 0.11275;b3 = 8.29299。通過上述計算公式及系數(shù)，可以得到纖芯折射率Nco=1.4504。可以根據(jù)以下網(wǎng)站，直接填寫sellmeier系數(shù)自動計算折射率，計算結(jié)果如圖所示：

Sellmeier計算網(wǎng)站:

https://www./optics/sellmeier-equation

常見材料的sellmeier色散關(guān)系式可以通過以下網(wǎng)站查詢（如下圖所示是硅的sellmeier表達式）

https:///

2.根據(jù)數(shù)值孔徑NA計算包層折射率Ncl

根據(jù)上述公式，在NA=0.13情況下，可以計算得到Ncl=1.4446;在NA=0.14情況下，可以計算得到Ncl=1.4437。

關(guān)于數(shù)值孔徑NA：按照幾何光學的理解，是指斜入射進入光纖時，能夠在纖芯發(fā)生內(nèi)全反射所對應的入射角范圍φ1。

光從環(huán)境進入光纖示意圖

數(shù)值孔徑公式推導：

表：文獻【6】匯總的不同摻雜情況下SiO2的sellmeier系數(shù)

模場直徑：光纖中光強度降低到軸心處最大光強的1/(e^2)的各點中兩點最大距離定義為模場直徑。

光纖最小彎曲半徑：主要考慮損耗、應力損壞等因素。(標準G.657A2光纖中的最小彎曲半徑推薦為7.5mm,而G.652光纖的最小彎曲半徑要求為不小于30mm。G.657A2光纖的最小彎曲半徑是指:光纖以7.5mm半徑繞1圈,在1550nm/1625nm測得的附加衰耗分別不超過0.5dB/1.0dB。）

光纖翹曲度：它是指剝除涂覆層后的裸光纖在不受外力，自然狀態(tài)下的彎曲半徑(R),即光纖的翹曲半徑。

光纖低損耗波長：兩個低損耗點1310nm，1550nm附近。

參考文獻：

【1】J. Xue, L. Zhao, T. Wang, L. Zhao and F. Cui, 'A Novel Compact Fiber Optic Concentration Sensing System Based on Machine Learning Demodulation,' in IEEE Photonics Journal, vol. 15, no. 4, pp. 1-6, Aug. 2023, Art no. 7100906, doi: 10.1109/JPHOT.2023.3290984.

【2】OPTICAL FIBRE BRAGG GRATING ANALYSIS THROUGH FEAAND ITS APPLICATION TO PRESSURE SENSING（

https://vuir./39484/1/DEDIYAGALA%20Nithila-thesis_nosignature.pdf）

【3】Optical communication and sensing devices based on specialty fibers assisted with novel materials （Yuan, W., Yu, C.. 2022 Student thesis: PhD）

【4】Yüksel, Kivilcim. 'Optical fiber sensor system for remote and multi-point refractive index measurement.' Sensors and Actuators A: Physical 250 (2016): 29-34.

【5】Yüksel, Kivilcim. 'Optical fiber sensor system for remote and multi-point refractive index measurement.' Sensors and Actuators A: Physical 250 (2016): 29-34.

【6】Butov, O. V., et al. 'Refractive index dispersion of doped silica for fiber optics.' Optics Communications 213.4-6 (2002): 301-308.