光功率發(fā)射和耦合

光功率發(fā)射和耦合第一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日本章內(nèi)容光源-光纖的耦合光纖-光纖的耦合光纖的連接和光纖連接器第二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日5.1光源至光纖的功率發(fā)射耦合效率：耦合入纖的光功率(PF)與發(fā)射總功率(Ps)之比：問題是如何讓耦合效率最高？第三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日光源的輻射強(qiáng)度與空間角分布輻射強(qiáng)度定義：單位發(fā)射面入射到單位立體角內(nèi)的光功率輻射強(qiáng)度單位：平方厘米、單位球面度的瓦特?cái)?shù)W/(cm2·sr)

光源發(fā)射區(qū)域輻射空間角分布：空間光功率的分布第四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日光源的輸出方向圖：面LED面發(fā)射LED近似為朗伯光源：各個(gè)方向等亮度B0半功率光束角度：2q

=120度面LED的輻角分布：第五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日光源的輸出方向圖：邊LED和LD式中T和L是垂直方向和水平方向的功率分布系數(shù)，一般邊發(fā)光LED的L=1而LD的

L>100；T的值一般較大二者在pn結(jié)平面的水平方向f=0和垂直方向f=p/2分別有不同的輻射角分布：第六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日例半導(dǎo)體激光器在水平方向上(f=0)的半功率光束角度為2q

=10度。因此，根據(jù)可以得到：相反邊LED的L=1，因此其水平半功率寬度為2q

=120度。第七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日功率耦合計(jì)算：面LED對于分布B(As,Ws)對稱的光源，其中As和Ws分別為光源的面積和發(fā)射立體角。光源-光纖的耦合功率由下式?jīng)Q定：第八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日面發(fā)光LED的輸出總功率第九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日面發(fā)光LED的功率耦合—階躍光纖發(fā)光半徑r

小于纖芯半徑a時(shí)：對于階躍光纖，NA是常數(shù)與fs和r無關(guān)，于是：因此：作業(yè)第十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日面LED有一個(gè)半徑為35mm的圓形發(fā)射區(qū)，朗伯輻射方向圖的軸向發(fā)射強(qiáng)度為150W/(cm2·sr)。對于一根纖芯半徑為50mm，NA=0.20的光纖，入纖功率為：如果纖芯半徑為25mm，NA=0.20，入纖功率為：例rs=10,P=0.207對于同一光纖發(fā)光面積越大耦合入纖的功率越多第十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日漸變折射率光纖NA與q無關(guān)但與r有關(guān)。對于r<a的情況，根據(jù)有：面發(fā)光LED的功率耦合—梯度光纖第十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)端面存在反射時(shí)，對于垂直的光纖端面，耦合進(jìn)光纖的功率由于光的反射將降低一個(gè)因子大?。篟為光纖纖芯端面的菲涅爾反射系數(shù)，n和n1分別為外部介質(zhì)和纖芯的折射率?？紤]端面反射的功率耦合第十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日一個(gè)折射率為3.6的GaAs光源耦合進(jìn)折射率為1.48的石英光纖中，如果光纖端面和光源在物理上緊密相接，于是分界面上發(fā)生菲涅爾反射：這相當(dāng)于17.4%的發(fā)射功率反射回光源，與這一R值相對應(yīng)的耦合功率由下式給定：由反射造成的功率損耗為：例第十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日一方面，纖芯半徑為a的階躍光纖中傳播的模式數(shù)目為：另一方面，由一個(gè)特定工作波長的光源激勵起來的每個(gè)模式平均攜帶的光功率為：于是，耦合入纖的功率總和不變：耦合入纖功率與工作波長無關(guān)第十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日光源與多模光纖的額外耦合損耗LED發(fā)射的光耦合入多模光纖之后，由于非傳播模式的能量衰減，將在開始的~50m存在注入模式達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過程。NAoutNAin與軸心夾角大的模式不斷損耗第十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日5.2改善耦合的透鏡結(jié)構(gòu)透鏡耦合一般用于光源發(fā)光面積小于纖芯面積的情況，其作用是：擴(kuò)大光源的發(fā)射面積，使之與纖芯區(qū)域匹配

改變光線的入射角，使之容易耦合入纖第十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日假設(shè)微球的折射率為2.0，曲率半徑為RL。將球面緊貼發(fā)光區(qū)域它可使光源發(fā)射區(qū)域面積可被放大M倍：在使用透鏡的條件下，LED能夠耦合進(jìn)一個(gè)張角為2q的口徑中的光功率PL可以由下式計(jì)算：非成像微球NA第十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日本章內(nèi)容光源-光纖的耦合光纖-光纖的耦合光纖的連接和光纖連接器第十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日多模光纖的連接5.3光纖與光纖的連接單模光纖的連接第二十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日假設(shè)所有模式功率均勻分布，光纖-光纖的功率耦合與兩根光纖共有的模式數(shù)成正比。由此光纖-光纖的耦合效率為：多模光纖的連接其中ME為發(fā)射光纖的模式數(shù)，Mcomm為兩根光纖所共有的模式數(shù)。因此，耦合損耗定義為：第二十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日多模光纖的兩種模式分布對連接的要求接收光纖必須與發(fā)射光纖完全對準(zhǔn)以減少損耗輕微的對準(zhǔn)誤差不會對連接損耗產(chǎn)生顯著影響第二十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日機(jī)械對準(zhǔn)誤差纖芯尺寸細(xì)微，很難實(shí)現(xiàn)完全精確的機(jī)械對準(zhǔn)。由此導(dǎo)致的機(jī)械對準(zhǔn)誤差將成為連接損耗的主要原因。機(jī)械損耗分為三種：

(1)橫向(軸向)誤差

(2)縱向誤差(3)角度誤差第二十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日橫向誤差—階躍光纖階躍光纖的數(shù)值孔徑在端面上為常數(shù)，因而從一根光纖耦合進(jìn)入另一根光纖的光功率正比于兩根光纖公共的區(qū)域面積：進(jìn)一步得到耦合效率：第二十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日光纖尾端面上某點(diǎn)r處的光功率密度是r的函數(shù)：橫向誤差—梯度光纖出射功率r其中p(0)為光纖軸心上的功率密度。p(r)與光纖出射端面的總功率p的關(guān)系為：假設(shè)光纖折射率剖面為拋物線，可以得到P與p(0)的關(guān)系為：第二十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日由于折射率的梯度分布，在A1發(fā)射光纖的數(shù)值孔徑小于接收光纖，在A2發(fā)射光纖的數(shù)值孔徑大于接收光纖。A1或A2的功率可由下式計(jì)算：其中積分限為：橫向誤差—梯度光纖耦合功率第二十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日通過積分可以分別求出兩個(gè)區(qū)域的耦合功率P1和P2為：橫向誤差—梯度光纖因此可以得到接收光纖所耦合的總功率為：當(dāng)橫向?qū)?zhǔn)誤差d<<a

時(shí)，上式近似為：當(dāng)d/a<0.4，上式引入的誤差不到1%。由于橫向誤差帶來的耦合損耗：第二十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日假設(shè)兩根梯度光纖存在著橫向偏移d=0.3a的對準(zhǔn)誤差?？梢缘玫綇牡谝桓饫w中耦合進(jìn)第二根光纖中的光功率比例為：例或者用分貝表示為：第二十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日對階躍光纖，縱向誤差產(chǎn)生的損耗為：縱向誤差qcsx第二十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)兩根光纖軸存在角度對準(zhǔn)誤差時(shí)，將損失掉置于接收光纖的立體接收角之外的光功率。對于兩根具有角度對準(zhǔn)誤差為q

的階躍折射率光纖，在連接處的光功率損耗可以表示為：角度誤差其中第三十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日各種誤差帶來的損耗結(jié)論：橫向?qū)?zhǔn)誤差帶來的損耗最大第三十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日如果發(fā)射纖芯半徑aE與接收aR不相等，但NA與折射率分布相同：如果NA不相等，但纖芯半徑aE與aR與折射率分布相等：如果折射率分布不相等，但NA、纖芯半徑aE與aR與相等：其它相關(guān)損耗第三十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日在單模光纖連接過程中，最嚴(yán)重的也是橫向偏移損耗。對于高斯分布的光束，相同光纖間的橫向連接損耗為：對于角度對準(zhǔn)誤差引起的損耗與波長有關(guān)：單模光纖的連接其中W為模場半徑，G=s/kW2。對于縱向偏差為s，間隙折射率為n3的連接損耗為：第三十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日一根單模光纖的歸一化頻率V=2.40，纖芯折射率n1=1.47,n2=1.465，纖芯尺寸2a=9mm，現(xiàn)在計(jì)算一下當(dāng)橫向偏移d為1mm

(d/a≈22%)，光纖連接時(shí)的插入損耗。

單模光纖的模場半徑W0：于是得到橫向誤差損耗：例當(dāng)波長為1300nm時(shí)，角度對準(zhǔn)誤差為1°時(shí)所引起的損耗：第三十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日本章內(nèi)容光源-光纖的耦合光纖-光纖的耦合光纖的連接和光纖連接器第三十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日5.5光纖連接：永久連接光纖熔接法光纖切割機(jī)第三十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日光纖熔接機(jī)第三十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日V形槽機(jī)械連接法第三十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日彈性管連接第三十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日連接器的設(shè)計(jì)要求：

-(多次連接、拆卸后)保持低耦合損耗 -(對使用技巧要求低)易于安裝 -(溫度、粉塵、濕氣)環(huán)境敏感性低 -低成本和高可靠性 -(無需特殊工具)易于連接5.6光纖連接器：非永久連接第四十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日連接器的類型—按接頭外形分類：FCNTT公司開發(fā)：其外部加強(qiáng)方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣第四十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日連接器的類型—按接頭外形分類：SCNTT公司開發(fā)：外殼呈矩形，緊固方式是采用插拔銷閂式，不需旋轉(zhuǎn)，具有安裝密度高的特點(diǎn)第四十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日連接器的類型—按接頭外形分類：LCBell

Lab開發(fā)：模塊化插孔閂鎖機(jī)理制成插針尺寸小(1.25mm)，可提高光機(jī)架中的接口密度第四十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日連接器剖面第四十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日連接器的類型——按插針端面分類第四十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日單模光纖連接器損耗公式W1和W2分別為發(fā)射光纖和接收光纖的模場半徑此公式考慮了不同模場直徑、橫向、縱向、角度偏差以及端面反射等因素第四十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日連接器回波損耗連接器內(nèi)的反射光構(gòu)成了激光器諧振腔的反饋源，這將影響光頻響應(yīng)、激光器線寬和內(nèi)部噪聲，從而降低系統(tǒng)性能。垂直光纖端面的折射率匹配連接方式hn2n0n1第四十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日折射率介質(zhì)匹配區(qū)域的回波損耗RLIM為：等式中：為單層材料涂層的反射率，并且有：和分別是從涂層到纖芯的反射率和從匹配物質(zhì)到涂層的反射率，而 是涂層產(chǎn)生的相位差。折射率匹配的連接器回波損耗第四十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日垂直端面直接接觸的連接器回波損耗