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收稿日期：!""! # $" # $%&
基金项目：广东省自然科学基金资助项目（"%"!("，"%")*+，
""$!*"）,
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+。
（"） ! , %&"!)
（-） ! , &""!)
（.） ! , % """!)
（$） ! , ( """!)
图! 距离被探测光纤端面不同点的光强分布
图+ 归一化光强#/
分布
（&）根据图! 求出探测光纤端面与被探测光纤
端面不同距离的功率半高宽，并作图（见图(）。可
以通过光纤出射光束远距%&" # &""!) 的光强分布
求出光纤的数值孔径为"0 *+，这与已知的数值孔径
"0*(! 1 "0"%! 比较吻合。
图( 距被探测光纤不同距离的功率半高宽
由以上分析可知，近距分布就是指探测光纤端
面与被探测光纤端面距离约在!"!) 以内的光强分
布。其分布在芯径+*0!!) 内约!"!) 左右呈均匀
分布，且耦合效率减少缓慢，便于进行光耦合。远距
分布指探测光纤端面与被探测光纤端面距离约在
%&"!) 以外的光强分布，呈高斯分布，根据其光强
分布的实验曲线可求出光纤的数值孔径。
（下转第%&" 页）
%*" 万方数据
! 结论
各向异性刻蚀是"#"$ 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：
［+］ 徐文祥，许镇鹏, 微机电制程中的牺牲层技术之发展
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 &，
+BB>，;*：!+ N !?,
［*］ $@667 R "，-6CQ@ /，SGC52 T S /，H2 @G, #JJH82 7J 5F6J@82@I2
7I 5F6J@8H UF@GC2D 7J 5CGC87I 9C867526F82F6H5 H281HQ CI
5@2F6@2HQ %"&"T 57GF2C7I5 ［&］, #VP)$#W$)P$ XYYY，%1H
+;21 #F673H@I (7IJH6HI8H 7I $7GCQZ$2@2H %6@I5QF8H65［(］,
WH21H6G@IQ5，$H32H9OH6 +> N +!，+BBB，;[B N ;B>,
［! ］ $FGGC@I R， )JJ76Q - T， &]GFJC " #, %H26@Z9H21DG
@997ICF9 1DQ67KCQH（ %"&"） 36HJH6HI2C@G H281CI= J76
CIJ6@6HQ 3CKHG @66@D5［ &］, %H81IC8@G /78F9HI2 ;<B?，
L@IF@6D，><<<,
作者简介：
罗元（+B?> N ），+BB; 年毕业于浙江大学，+BBM
年在重庆邮电学院获工学硕士学位，现为重庆大学
光电工程学院博士生，研究方向为光纤通信及
"#"$ 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：
［+］ RH2H6 _ & , "C867 Z 732C8@G JCOH6 54C281 J76 @ G@6=H
IF9OH6 7J CI2H687IIH825 F5CI= @ QHJ769@OGH 9C667［6 L］, Y###
R1727I, %H81I7G, 0H22, ，><<>，+*（;）：;<+ N ;<;,
［>］ "@68F5H /, R6CI8C3GH5 7J 732C8@G JCOH6 9H@5F6H9HI25［"］,
WH4 _76]：&8@QH9C8 R6H55，+B[+,
［; ］ R1CGC3Z81@IQD R, &I 732C8@G JCOH6 5HI576 J76 OC7JCG9
9H@5F6H9HI2 F5CI= CI2HI5C2D 97QFG@2C7I @IQ C9@=H @I@GD5C5
［L］, Y### L, $HGH82HQ %73C85 CI ‘F@I2F9 #GH8267IC85，
><<<，M（!）：?M* N ??>,
［*］ aC5CI W ， R@55D P ， RH6ID - , )32C8@G JCOH6
81@6@82H6Cb@2C7I OD 5C9FG2@IH7F5 9H@5F6H9HI2 7J 21H
26@I59C22HQ @IQ 6HJ6@82HQ IH@6 JCHGQ［ L ］, L, 0C=124@H
%H81I7G, ，+BB;，（+）：[?! N [[;,
［!］ %5F81CD@ " ， W@]@=79H " , /7FOGH H88HI26C8
87IIH82765 J76 732C8@G JCOH65 ［L］, &33G, )32, ，+B??，+M（!）：
+ ;>; N + ;;+,
［M］ 彭吉虎，吴伯瑜, 光纤技术及应用［"］, 北京：北京理
工大学出版社，+BB!, !B N M>,
作者简介：
齐晓玲（+B?> N ），女，山西太原人，+BBM 年毕业
于南京邮电学院无线电工程系，><<< 年开始攻读硕
士学位，主要从事信息光子学的研究。
!"#$%&：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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