Thorlabs热膨胀芯（TEC）光纤跳线

Thorlabs热膨胀芯（TEC）光纤跳线

特性

热膨胀芯增大了模场直径(MFD)，便于耦合

不仅更容易进行自由空间耦合，还能保持单模光纤的光学性能

工作波长范围：980 - 1250 nm或1420 - 1620 nm

光纤的TEC端镀有增透膜，以减少耦合损耗

库存的光纤跳线：

2.0 mm窄键FC/PC(TEC)到FC/PC接头

2.0 mm窄键FC/PC(TEC)到FC/APC接头

具有带槽法兰的Ø2.5 mm插芯到可以剪切的裸纤

如需定制配置，请联系技术支持

Thorlabs的热膨胀芯(TEC)光纤跳线进行自由空间耦合时，对位置的偏移没有单模光纤那样敏感。利用我们的Vytran^® 光纤熔接技术，通过将传统单模光纤的一端加热，使超过2.5 mm长的纤芯膨胀，就可制成这种光纤。在自由空间耦合应用中，光纤经过这样处理的一端可以接受模场直径较大的光束，同时还能保持光纤的单模和光学性能(有关测试信息，请看耦合性能标签)。TEC光纤经常应用于构建基于光纤的光隔离器、可调谐波长的滤光片和可变光学衰减器。

我们库存有带TEC端的多种光纤跳线可选。我们提供两种波长范围：980 nm - 1250 nm 和1460 nm - 1620 nm。光纤的TEC端镀有增透膜，在波长范围内平均反射率小于0.5%，可以减少进行自由空间耦合时的损耗。光纤的这一端具有热缩包装标签，上面列出了关键的规格。接头选项有2.0 mm窄键FC/PC或FC/APC接头、Ø2.5 mm插芯且可以剪切熔接的裸光纤。Ø2.5 mm插芯且可以剪切的光纤跳线具有Ø900 µm的护套，而FC/PC与FC/APC光纤跳线具有Ø3 mm的护套(请看右上表，了解可选的组合)。

我们也提供定制光纤跳线。更多信息，请联系技术支持。

自由空间耦合到P1-1550TEC-2光纤跳线

光纤跳线镀有增透膜的一端适合自由空间应用(比如，耦合)，如果与其他接头端接触，会造成损伤。此外，由于镀有增透膜，TEC光纤跳线不适合高功率应用。

清洁镀增透膜的接头端且不损坏镀膜的方法有好几种。将压缩空气轻轻喷在接头端是比较理想的做法。其他方法包括使用浸有异丙醇或甲醇的无绒光学擦拭纸或FCC-7020光纤接头清洁器轻轻擦拭。但是请不要使用干的擦拭纸，因为可能会损坏增透膜涂层。

耦合性能

由于TEC光纤一端的纤芯直径膨胀，进行自由空间耦合时，它们对位置的偏移没有标准的单模光纤那样敏感。为了进行比较，我们改变x轴和z轴上的偏移，并测量自由空间光束耦合到TEC光纤跳线和标准光纤跳线时的耦合损耗(如右图所示)。使用C151TMD-C非球面透镜，将光耦合到标准光纤和TEC光纤。在980 nm 和1064 nm下，测试使用1060XP光纤的跳线和P1-1060TEC-2光纤跳线，同时，在1550 nm下，测试使用1550BHP光纤的跳线和P1-1550TEC-2光纤跳线。通过MBT616D 3轴位移台，让光纤跳线相对于入射光移动。

下面的曲线图展示了所测光纤跳线的光纤耦合性能。一般而言，对于相同的x轴或z轴偏移，TEC光纤跳线比标准跳线的耦合损耗低。而在x轴或z轴偏移为0 µm 时，标准跳线与TEC跳线的性能相似。总而言之，这些测试结果表明，TEC光纤对光纤位置的偏移远远没有标准光纤那样敏感，同时还能在佳光纤位置保持相同的耦合损耗。请注意，这些测量为典型值，由于制造公差的存在，不同批次跳线的性能可能有所差异。

测量耦合性能装置的示意图。

上图显示了用于测量耦合性能的测试装置。

1060XP标准光纤和P1-1060TEC-2热膨胀芯光纤之间的耦合性能比较图。

1060XP标准光纤和P1-1060TEC-2热膨胀芯光纤之间的耦合性能比较图。

11550BHP标准光纤和P1-1550TEC-2热膨胀芯光纤之间的耦合性能比较图。

损伤阀值

激光诱导的光纤损伤

以下教程详述了无终端(裸露的)、有终端光纤以及其他基于激光光源的光纤元件的损伤机制，包括空气-玻璃界面(自由空间耦合或使用接头时)的损伤机制和光纤玻璃内的损伤机制。诸如裸纤、光纤跳线或熔接耦合器等光纤元件可能受到多种潜在的损伤(比如，接头、光纤端面和装置本身)。光纤适用的大功率始终受到这些损伤机制的小值的限制。

虽然可以使用比例关系和一般规则估算损伤阈值，但是，光纤的损伤阈值在很大程度上取决于应用和特定用户。用户可以以此教程为指南，估算大程度降低损伤风险的安全功率水平。如果遵守了所有恰当的制备和适用性指导，用户应该能够在的大功率水平以下操作光纤元件；如果有元件并未大功率，用户应该遵守下面描述的"实际安全水平"该，以安全操作相关元件。可能降低功率适用能力并给光纤元件造成损伤的因素包括，但不限于，光纤耦合时未对准、光纤端面受到污染或光纤本身有瑕疵。关于特定应用中光纤功率适用能力的深入讨论，请联系技术支持techsupport-cn@thorlabs.com。

空气-玻璃界面的损伤

空气/玻璃界面有几种潜在的损伤机制。自由空间耦合或使用光学接头匹配两根光纤时，光会入射到这个界面。如果光的强度很高，就会降低功率的适用性，并给光纤造成损伤。而对于使用环氧树脂将接头与光纤固定的终端光纤而言，高强度的光产生的热量会使环氧树脂熔化，进而在光路中的光纤表面留下残留物。

损伤的光纤端面

未损伤的光纤端面

裸纤端面的损伤机制

光纤端面的损伤机制可以建模为大光学元件，紫外熔融石英基底的工业标准损伤阈值适用于基于石英的光纤(参考右表)。但是与大光学元件不同，与光纤空气/璃界面相关的表面积和光束直径都非常小，耦合单模(SM)光纤时尤其如此，因此，对于给定的功率密度，入射到光束直径较小的光纤的功率需要比较低。

右表列出了两种光功率密度阈值：一种理论损伤阈值，一种"实际安全水平"。一般而言，理论损伤阈值代表在光纤端面和耦合条件非常好的情况下，可以入射到光纤端面且没有损伤风险的大功率密度估算值。而"实际安全水平"功率密度代表光纤损伤的低风险。超过实际安全水平操作光纤或元件也是有可以的，但用户必须遵守恰当的适用性说明，并在使用前在低功率下验证性能。

计算单模光纤和多模光纤的有效面积单模光纤的有效面积是通过模场直径(MFD)定义的，它是光通过光纤的横截面积，包括纤芯以及部分包层。耦合到单模光纤时，入射光束的直径必须匹配光纤的MFD，才能达到良好的耦合效率。

例如，SM400单模光纤在400 nm下工作的模场直径(MFD)大约是Ø3 µm，而SMF-28 Ultra单模光纤在1550 nm下工作的MFD为Ø10.5 µm。则两种光纤的有效面积可以根据下面来计算：

SM400 Fiber:Area= Pi x (MFD/2)² = Pi x (1.5µm)² = 7.07 µm²= 7.07 x 10^-8cm²
SMF-28 Ultra Fiber: Area = Pi x (MFD/2)² = Pi x (5.25 µm)²= 86.6 µm²= 8.66 x 10^-7cm²

为了估算光纤端面适用的功率水平，将功率密度乘以有效面积。请注意，该计算假设的是光束具有均匀的强度分布，但其实，单模光纤中的大多数激光束都是高斯形状，使得光束中心的密度比边缘处更高，因此，这些计算值将略高于损伤阈值或实际安全水平对应的功率。假设使用连续光源，通过估算的功率密度，就可以确定对应的功率水平：

SM400 Fiber: 7.07 x 10^-8cm²x 1MW/cm²= 7.1 x10^-8MW =71 mW (理论损伤阈值)
7.07 x 10^-8cm²x 250 kW/cm²= 1.8 x10^-5kW = 18 mW (实际安全水平)

SMF-28 UltraFiber: 8.66 x 10^-7cm²x 1MW/cm²= 8.7 x10^-7MW =870mW (理论损伤阈值)

8.66 x 10^-7cm²x 250 kW/cm²= 2.1 x10^-4kW =210 mW (实际安全水平)

多模(MM)光纤的有效面积由纤芯直径确定，一般要远大于SM光纤的MFD值。如要获得佳耦合效果，Thorlabs建议光束的光斑大小聚焦到纤芯直径的70 - 80%。由于多模光纤的有效面积较大，降低了光纤端面的功率密度，因此，较高的光功率(一般上千瓦的数量级)可以无损伤地耦合到多模光纤中。

  a. 所有值针对无终端(裸露)的石英光纤，适用于自由空间耦合到洁净的光纤端面。

  b. 这是可以入射到光纤端面且没有损伤风险的大功率密度估算值。用户在高功率下工作前，必须验证系统中光纤元件的性能与可靠性，因其与系统有着紧密的关系。

  c. 这是在大多数工作条件下，入射到光纤端面且不会损伤光纤的安全功率密度估算值。

插芯/接头终端相关的损伤机制

有终端接头的光纤要考虑更多的功率适用条件。光纤一般通过环氧树脂粘合到陶瓷或不锈钢插芯中。光通过接头耦合到光纤时，没有进入纤芯并在光纤中传播的光会散射到光纤的外层，再进入插芯中，而环氧树脂用来将光纤固定在插芯中。如果光足够强，就可以熔化环氧树脂，使其气化，并在接头表面留下残渣。这样，光纤端面就出现了局部吸收点，造成耦合效率降低，散射增加，进而出现损伤。

与环氧树脂相关的损伤取决于波长，出于以下几个原因。一般而言，短波长的光比长波长的光散射更强。由于短波长单模光纤的MFD较小，且产生更多的散射光，则耦合时的偏移也更大。

为了大程度地减小熔化环氧树脂的风险，可以在光纤端面附近的光纤与插芯之间构建无环氧树脂的气隙光纤接头。我们的高功率多模光纤跳线就使用了这种设计特点的接头。

曲线图展现了带终端的单模石英光纤的大概功率适用水平。每条线展示了考虑具体损伤机制估算的功率水平。大功率适用性受到所有相关损伤机制的低功率水平限制(由实线表示)。

确定具有多种损伤机制的功率适用性

光纤跳线或组件可能受到多种途径的损伤(比如，光纤跳线)，而光纤适用的大功率始终受到与该光纤组件相关的低损伤阈值的限制。

例如，右边曲线图展现了由于光纤端面损伤和光学接头造成的损伤而导致单模光纤跳线功率适用性受到限制的估算值。有终端的光纤在给定波长下适用的总功率受到在任一给定波长下，两种限制之中的较小值限制(由实线表示)。在488 nm左右工作的单模光纤主要受到光纤端面损伤的限制(蓝色实线)，而在1550
nm下工作的光纤受到接头造成的损伤的限制(红色实线)。

对于多模光纤，有效模场由纤芯直径确定，一般要远大于SM光纤的有效模场。因此，其光纤端面上的功率密度更低，较高的光功率(一般上千瓦的数量级)可以无损伤地耦合到光纤中(图中未显示)。而插芯/接头终端的损伤限制保持不变，这样，多模光纤的大适用功率就会受到插芯和接头终端的限制。

请注意，曲线上的值只是在合理的操作和对准步骤几乎不可能造成损伤的情况下粗略估算的功率水平值。值得注意的是，光纤经常在超过上述功率水平的条件下使用。不过，这样的应用一般需要专业用户，并在使用之前以较低的功率进行测试，尽量降低损伤风险。但即使如此，如果在较高的功率水平下使用，则这些光纤元件应该被看作实验室消耗品。

光纤内的损伤阈值

除了空气玻璃界面的损伤机制外，光纤本身的损伤机制也会限制光纤使用的功率水平。这些限制会影响所有的光纤组件，因为它们存在于光纤本身。光纤内的两种损伤包括弯曲损耗和光暗化损伤。

弯曲损耗光在纤芯内传播入射到纤芯包层界面的角度大于临界角会使其无法全反射，光在某个区域就会射出光纤，这时候就会产生弯曲损耗。射出光纤的光一般功率密度较高，会烧坏光纤涂覆层和周围的松套管。

有一种叫做双包层的特种光纤，允许光纤包层(第二层)也和纤芯一样用作波导，从而降低弯折损伤的风险。通过使包层/涂覆层界面的临界角高于纤芯/包层界面的临界角，射出纤芯的光就会被限制在包层内。这些光会在几厘米或者几米的距离而不是光纤内的某个局部点漏出，从而大限度地降低损伤。Thorlabs生产并销售0.22 NA双包层多模光纤，它们能将适用功率提升百万瓦的范围。

光暗化光纤内的第二种损伤机制称为光暗化或负感现象，一般发生在紫外或短波长可见光，尤其是掺锗纤芯的光纤。在这些波长下工作的光纤随着曝光时间增加，衰减也会增加。引起光暗化的原因大部分未可知，但可以采取一些列措施来缓解。例如，研究发现，羟基离子(OH)含量非常低的光纤可以抵抗光暗化，其它掺杂物比如氟，也能减少光暗化。

即使采取了上述措施，所有光纤在用于紫外光或短波长光时还是会有光暗化产生，因此用于这些波长下的光纤应该被看成消耗品。

制备和处理光纤

通用清洁和操作指南建议将这些通用清洁和操作指南用于所有的光纤产品。而对于具体的产品，用户还是应该根据辅助文献或手册中给出的具体指南操作。只有遵守了所有恰当的清洁和操作步骤，损伤阈值的计算才会适用。

安装或集成光纤(有终端的光纤或裸纤)前应该关掉所有光源，以避免聚焦的光束入射在接头或光纤的脆弱部分而造成损伤。

光纤适用的功率直接与光纤/接头端面的质量相关。将光纤连接到光学系统前，一定要检查光纤的末端。端面应该是干净的，没有污垢和其它可能导致耦合光散射的污染物。另外，如果是裸纤，使用前应该剪切，用户应该检查光纤末端，确保切面质量良好。

如果将光纤熔接到光学系统，用户先应该在低功率下验证熔接的质量良好，然后在高功率下使用。熔接质量差，会增加光在熔接界面的散射，从而成为光纤损伤的来源。

对准系统和优化耦合时，用户应该使用低功率；这样可以大程度地减少光纤其他部分(非纤芯)的曝光。如果高功率光束聚焦在包层、涂覆层或接头，有可能产生散射光造成的损伤。

高功率下使用光纤的注意事项一般而言，光纤和光纤元件应该要在安全功率水平限制之内工作，但在理想的条件下(佳的光学对准和非常干净的光纤端面)，光纤元件适用的功率可能会增大。用户先必须在他们的系统内验证光纤的性能和稳定性，然后再提高输入或输出功率，遵守所有所需的安全和操作指导。以下事项是一些有用的建议，有助于考虑在光纤或组件中增大光学功率。

要防止光纤损伤光耦合进光纤的对准步骤也是重要的。在对准过程中，在取得佳耦合前，光很容易就聚焦到光纤某部位而不是纤芯。如果高功率光束聚焦在包层或光纤其它部位时，会发生散射引起损伤

使用光纤熔接机将光纤组件熔接到系统中，可以增大适用的功率，因为它可大程度地减少空气/光纤界面损伤的可能性。用户应该遵守所有恰当的指导来制备，并进行高质量的光纤熔接。熔接质量差可能导致散射，或在熔接界面局部形成高热区域，从而损伤光纤。

连接光纤或组件之后，应该在低功率下使用光源测试并对准系统。然后将系统功率缓慢增加到所希望的输出功率，同时周期性地验证所有组件对准良好，耦合效率相对光学耦合功率没有变化。

由于剧烈弯曲光纤造成的弯曲损耗可能使光从受到应力的区域漏出。在高功率下工作时，大量的光从很小的区域(受到应力的区域)逃出，从而在局部形成产生高热量，进而损伤光纤。请在操作过程中不要破坏或突然弯曲光纤，以尽可能地减少弯曲损耗。

用户应该针对给定的应用选择合适的光纤。例如，大模场光纤可以良好地代替标准的单模光纤在高功率应用中使用，因为前者可以提供更佳的光束质量，更大的MFD，且可以降低空气/光纤界面的功率密度。

阶跃折射率石英单模光纤一般不用于紫外光或高峰值功率脉冲应用，因为这些应用与高空间功率密度相关。

MFD定义

模场直径的定义

模场直径(MFD)是对在单模光纤中传播的光的光束尺寸的一种量度。它与波长、纤芯半径以及纤芯和包层的折射率具有函数关系。虽然光纤中的大部分光被限制在纤芯内传播，但仍有极小部分的光在包层中传播。对于高斯功率分布，MFD是指光功率从峰值水平降到1/e²时的直径。

MFD的测量通过在远场使用变孔径法来完成MFD的测量。在光纤输出的远场处放置一个通光孔径，然后测量强度。在光路中放置连续变小的通光孔径，测量每个通光孔径下的强度水平；然后以功率和孔径半角(或数值孔径)的正弦为坐标作图得到数据。

使用彼得曼第二定义确定MFD，该数学模型没有假设功率分布的特定形状。使用汉克尔变换可以从远场测量值确定近场处的MFD大小。

TEC光纤跳线，980 nm - 1250 nm

在1060 nm下的模场直径典型值。

光纤跳线只有TEC端镀有增透膜。

大衰减为没有终端且没有膨胀的光纤。

由于MFD较大，光纤热膨胀芯端的数值孔径偏小。光纤TEC端的值为计算所得。

TEC光纤跳线，1460 nm - 1620 nm

在1550 nm下的模场直径典型值。

光纤跳线只有TEC端镀有增透膜。

大衰减为没有终端且没有膨胀的光纤。

由于MFD较大，光纤热膨胀芯端的数值孔径偏小。光纤TEC端的值为计算所得。

损伤的光纤端面