光功率發(fā)射和耦合PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1光功率發(fā)射和耦合光功率發(fā)射和耦合sFPP 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1頁/共50頁輻射強(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、單位球面度的瓦特數(shù) W/(cm2sr) 光源 發(fā)射區(qū)域輻射空間角分布：空間光功率的分布第2頁/共50頁cos,0BB面發(fā)射LED近似為朗伯光源：各個方向等亮度B0cos dAdA半功率光束角度：2 = 120度面LED的輻角分布：第3頁/共50頁LTBBBcoscoscossin,10202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 =

2、 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 = 0和垂直方向 = p/2 分別有不同的輻射角分布：第4頁/共50頁005 . 015cos10, 51BBBL半導(dǎo)體激光器在水平方向上 ( = 0) 的半功率光束角度為2 = 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2 = 120度。1829962. 0log5 . 0log5coslog5 . 0logL第5頁/共50頁功率耦合計算：面LEDrdrdddBABddAPmrsAssss 020200max,0sin,pp對于分布B(As, Ws)對稱的光源，其中As和Ws分別為光

3、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6頁/共50頁面發(fā)光LED的輸出總功率0220220200020020202000202020sincossincossin,BrBrddBrdrdrdrdddBrdrdddBABddAPssrsrsrsAsssssssspppppppppppp 第7頁/共50頁2022,NABrPsstepLEDp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：rdrdNABrdrdBrdrdddBPmmmrsrsrs 02020020max, 0200202000sinsincosmax,0pppppp對于階躍光纖，NA是常數(shù)與s和

4、r無關(guān)，于是：因此：arNAPraarNAPPsssstepLED,222,作業(yè)第8頁/共50頁面LED有一個半徑為35 mm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/(cm2sr)。對于一根纖芯半徑為50 mm，NA = 0.20的光纖，入纖功率為：mWsrcmWcmNABrNAPPssstepLED725. 020. 0/1500035. 0222220222,pp如果纖芯半徑為25 mm，NA = 0.20，入纖功率為：mWmWmmNAPraPssstepLED37. 0725. 03525)(222,mm例rs = 10, P = 0.207對于同一光纖發(fā)光面積越大耦合入纖

5、的功率越多 第9頁/共50頁assssrgradedLEDarnParnBrrdrnrnBPs22122212)(22121022022202,pp漸變折射率光纖NA與無關(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rdrdNABPsrs 02020pparnnnararnrn212/112/11)1 ()21 (0)/(21)(第10頁/共50頁211nnnnR當(dāng)端面存在反射時，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。考慮端面反射的功率耦合第11頁/共50頁174. 0

6、48. 160. 348. 160. 32211nnnnRemittedcoupledPRP 1dB83. 0)1log(10log10RPPLemittedcoupled一個折射率為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12頁/共50頁22212221nnaMp20BPM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，由一個特定工作波長的光源激勵起來的每個模式平均攜帶的光功率為：于是，耦合入纖的

7、功率總和不變：耦合入纖功率與工作波長無關(guān)0222122BnnaPMMp第13頁/共50頁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50 m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14頁/共50頁5.2 改善耦合的透鏡結(jié)構(gòu)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：(1)擴(kuò)大光源的發(fā)射面積，使之與纖芯區(qū)域匹配 (2)改變光線的入射角，使之容易耦合入纖第15頁/共50頁2sLrRM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

8、耦合進(jìn)一個張角為2的口徑中的光功率PL可以由下式計算：非成像微球22sinssLLPrRPNA第16頁/共50頁第17頁/共50頁多模光纖的連接5.3 光纖與光纖的連接光纖與光纖的連接單模光纖的連接第18頁/共50頁假設(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EcommFMM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：FFLlog10第19頁/共50頁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20頁/共50

9、頁機(jī)械對準(zhǔn)誤差纖芯尺寸細(xì)微，很難實現(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21頁/共50頁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：2/122242arccos2dadadaAcomm進(jìn)一步得到耦合效率：2/122,212arccos2adddadaAcommstepFppp第22頁/共50頁光纖尾端面上某點(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 )0()(0)(22NArNAprp

10、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： p200ardrdrpP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： )0(21022002pardrdarpPapp arararNArNA0)/(1)0()(2第23頁/共50頁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的功率可由下式計算：其中積分限為：橫向誤差梯度光纖耦合功率 rdrdarpPar 11021102addr2arccos,cos211 第24頁/共50頁通過積分可以分別求出兩個區(qū)域的耦合功率P1和P2為：橫向誤

11、差梯度光纖 222/12221256212arccos02adadadadpaPP因此可以得到接收光纖所耦合的總功率為：21PPPT當(dāng)橫向?qū)?zhǔn)誤差 d a 時，上式近似為：adPPTp381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：PPLTFFlog10log10第25頁/共50頁748. 023 . 05315. 0)15. 0(1 )15. 0arccos(2256212arccos222/12222/12ppadadadadPPTdB27. 1log10ppT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

12、光功率比例為： 例或者用分貝表示為： 第26頁/共50頁2tanlog10cFsaaL對階躍光纖，縱向誤差產(chǎn)生的損耗為：縱向誤差csxcsxtan第27頁/共50頁21arcsin1)1 (1arcsin11121coslog102/122/12yyyqpppLFpppp當(dāng)兩根光纖軸存在角度對準(zhǔn)誤差時，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 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 sinsincos1cosccp 2/3223sincoscos ccq sincossinsincos1cos22cccy 其中第28頁/共50頁各種誤差帶來的

13、損耗結(jié)論：橫向?qū)?zhǔn)誤差帶來的損耗最大第29頁/共50頁 ERERERFaaaaaaaL, 0,log102 )0()0(, 0)0()0(,0)0(log10)(2ERERERFNANANANANANANAL ERERREERFL, 0,)2()2(log10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arararNArNA0)/(1)0()(第30頁/共50頁2;explog10WdLlatSM22;explog10pWnLangSM在單模光纖連接過程中

14、，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： )4(64log1024312321; GnnnnLgapSM第31頁/共50頁m95. 4)40. 2(879. 240. 2(619. 165. 05 . 4)879. 2619. 165. 0(62/362/30VVaWdB18. 0)95. 4/1 (explog102;latsmL一根單模光纖的歸一化頻率V = 2.40，纖芯折射率n1 = 1.47, n2 = 1.46

15、5，纖芯尺寸 2a = 9 mm，現(xiàn)在計算一下當(dāng)橫向偏移d為1 mm (d/a 22%)，光纖連接時的插入損耗。 單模光纖的模場半徑W0：于是得到橫向誤差損耗：例dB41. 03 . 10175. 095. 4465. 1explog102;pangsmL當(dāng)波長為1300 nm時，角度對準(zhǔn)誤差為1時所引起的損耗：第32頁/共50頁第33頁/共50頁5.5 光纖連接：永久連接光纖連接：永久連接光纖熔接法光纖切割機(jī)第34頁/共50頁光纖熔接機(jī)第35頁/共50頁V形槽機(jī)械連接法第36頁/共50頁彈性管連接第37頁/共50頁連接器的設(shè)計要求：- (多次連接、拆卸后) 保持低耦合損耗- (對使用技巧要求

16、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：非永久連接光纖連接器：非永久連接第38頁/共50頁NTT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39頁/共50頁NTT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40頁/共50頁Bell Lab開發(fā)：模塊化插孔閂鎖機(jī)理制成插針尺寸小(1.25 mm)，可提高光機(jī)架中的接口密度第41頁/共50頁第42頁/共50頁第43頁/共50頁pmm/2/sin1sin211exp4)(16log10321221212222221431

17、2321;nkWWkWsGkWdFGFGFGqkWqqnnnnLffsm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44頁/共50頁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45頁/共50頁pdnRRLIM14cos12log10cos21cos2212221212221rrrrrrrrR20201nnnnr12122nnnnr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。hn2/4p折射