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认识光纤纤芯直径、模场直径和有效面积之间的关系
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1. 光纤的纤芯直径 纤芯直径就是光纤纤芯的物理直径。多模光纤的纤芯直径介于7um和3mm之间，最常见的是50um，62.5um，100um和200um。通信行业标准规定多模石英玻璃光纤的纤芯直径为50um和62.5um两种。单模石英玻璃光纤的典型芯尺寸为8.3um。对于塑料光纤，其纤芯尺寸范围为0.25mm至3mm，其中最受欢迎的是1mm。  图1 光纤纤芯几何尺寸2.数值孔径NA 光纤的集光能力不仅取决于光纤芯的尺寸，还取决于其接收角度。接受角是光线可以进入光纤并被捕获在光纤芯中的角度范围。接受角和数值孔径是用于描述与光在光纤中传播相关的角度的品质因数。接收角半角的正弦值称为数值孔径– NA（Numeric Aperture），NA=sinθ。通常，对于50um渐变折射率多模光纤，数值孔径为0.20。对于62.5um渐变折射率多模光纤，数值孔径为0.28。图2 数值孔径示意图 3. 模场直径 MFD 单模光纤在大于截止波长时只传输基模LP01模，所谓模场就是指光纤中的基模的电场强度随空间的分布。单模光纤中的场并不完全集中在纤芯区，而有相当部分的能量在包层中传输。包层中传输的光能的比例与光纤的折射率分布有关，不同的光纤尽管纤芯直径相同，但如果折射率不同也会引起光能分布不同。所以单模光纤不用纤芯的几何尺寸作为其特性参数，而是用模场直径作为描述单模光纤传输光能集中程度的参量。 由于基模场的分布在芯区取零阶贝塞尔函数J0和在包层取零阶修正的贝塞尔函数K0的形式，因此它并没有明显的边界（如图2所示），故模场直径的定义比较复杂。图3 基模近场功率分布图 一般说来，当工作波长并非远离截止波长时，单模光纤中基模场的分布近似于高斯分布,即: 式中：r是在光纤端面的平面中离纤芯中心的径向距离，E(0)是r=0处的电场量值，W是电场强度降至中心处的e-1的半宽度，于是可以定义式（2-1）中的全宽为MFD，也就是场强降至中心处的e-1点半径的2倍，即将纤芯中场分布曲线最大值的1/e所对应的直径定义为模场直径。由于光纤中光的场分布都程度不一的偏离高斯分布，但都接近高斯分布，故该定义有一定程度的应用，在目前的光纤性能测试系统中，大都能提供高斯分布的MFD值。图4 纤芯直径和模场直径的关系 4. 有效面积 Aeff 有效面积是一个与光纤非线性紧密相关的参数，它会影响光纤系统的传输质量，特别是在长距离 光放大系统中的传输质量，有效面积 Aeff可以用下式（2）定义：5. MFD和Aeff的关系 对于式(2)中 I（r），如果作高斯近似，得到：（3）（2） 对于接近 LP11截止的 B1.1（B1.3）和 B1.2 突变型折射率光纤，高斯近似是精确的。但是，对于
在较长的波长上的 B1.1（B1.3）和 B1.2 光纤，以及在 B2 色散位移光纤的情况下，Aeff不能从式(A.2)
精确地估算。一般情况下，Aeff和 w 之间的经验关系式为：（4） 修正因子 k 取决于波长和光纤参数，例如折射率剖面、MFD 和零色散波长。图 A.1 示出 B1.1（B1.3）
和 B2 光纤在 1200-1600nm 波长区内实测的 MFD 和 Aeff与波长之间的关系。图 A.2 给出 B1.1（B1.3）、
B2 和 B1.2 光纤在这同样波长区内计算的和实测的 MFD、Aeff和修正因子 k 与波长之间的关系。对于为海底光缆和 WDM 应用而开发的其它光纤设计结构而言，Aeff对 w 的关系可能不同，宜采用式 (2)来确定。 |
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