单模光纤部分参数（康尼SMF-28）

SMF-28单模光纤示意图

摘要：为了使光纤或耦合仿真结果更具实际指导意义，我们光纤的仿真模型希望接近真实情况。关于纤芯尺寸和模斑直径很容易在大部分光纤产品的data sheet中找到，但是很难查询到纤芯或包层材料折射率的值。本笔记简要说明相关参数含义，结合文献报道给出仿真所需的参数（Corning SMF-28），尤其是纤芯材料折射率、包层材料折射率。

Data sheet部分参数列表：

康尼 SMF-28单模光纤参数（1550nm）		1310nm
纤芯直径	8.2um
包层直径	125.0±0.7um
涂层直径	242±5um
数值孔径NA	0.14
模场直径	9.2±0.4um	10.4±0.5um
传输损耗	0.18dB/km	0.32dB/km
弯曲损耗	0.5dB/圈（10mm半径）
色散	18ps/(nm*km)	接近0
群折射率	1.4696	1.4691
纤芯材料折射率	1.4504(Sellmeier推算)
包层材料折射率	1.4437(数值孔径推算)

光纤仿真必要参数：纤芯直径、包层直径、纤芯材料折射率、包层材料折射率（如果要分析波长响应特性，还需要材料色散特性）。

在文献【1~4】中，提及到康宁SMF-28光纤的纤芯折射率Nco=1.4504，包层折射率Ncl=1.4447，这些文章中提及到推算依据包括：（1）康宁SMF-28纤芯材料是4.5% GeO2参杂氧化硅；(2)数值孔径NA=0.13;(3)利用色散关系Sellmeier是计算折射率[5]；（4）GeO2掺杂氧化硅Sellmeier系数[6]。

1.塞尔迈尔（Sellmeier）公式计算纤芯材料折射率（实际也就是色散关系式）

根据文章【5】中的说明Corning SMF-28采用的4.5% GeO2参杂制备工艺，相关系数有文献【6】给出a1 =0.49211;a2 = 0.62925;a3 = 0.59202;b1 = 0.04807;b2 = 0.11275;b3 = 8.29299。通过上述计算公式及系数，可以得到纤芯折射率Nco=1.4504。可以根据以下网站，直接填写sellmeier系数自动计算折射率，计算结果如图所示：

Sellmeier计算网站:

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

常见材料的sellmeier色散关系式可以通过以下网站查询（如下图所示是硅的sellmeier表达式）

https:///

2.根据数值孔径NA计算包层折射率Ncl

根据上述公式，在NA=0.13情况下，可以计算得到Ncl=1.4446;在NA=0.14情况下，可以计算得到Ncl=1.4437。

关于数值孔径NA：按照几何光学的理解，是指斜入射进入光纤时，能够在纤芯发生内全反射所对应的入射角范围φ1。

光从环境进入光纤示意图

数值孔径公式推导：

表：文献【6】汇总的不同掺杂情况下SiO2的sellmeier系数

模场直径：光纤中光强度降低到轴心处最大光强的1/(e^2)的各点中两点最大距离定义为模场直径。

光纤最小弯曲半径：主要考虑损耗、应力损坏等因素。(标准G.657A2光纤中的最小弯曲半径推荐为7.5mm,而G.652光纤的最小弯曲半径要求为不小于30mm。G.657A2光纤的最小弯曲半径是指:光纤以7.5mm半径绕1圈,在1550nm/1625nm测得的附加衰耗分别不超过0.5dB/1.0dB。）

光纤翘曲度：它是指剥除涂覆层后的裸光纤在不受外力，自然状态下的弯曲半径(R),即光纤的翘曲半径。

光纤低损耗波长：两个低损耗点1310nm，1550nm附近。

参考文献：

【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.