光功率發(fā)射和耦合

1、第五講第五講 光功率發(fā)射和耦合光功率發(fā)射和耦合本章內(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5.1 光源至光纖的功率發(fā)射光源至光纖的功率發(fā)射sFPP 耦合效率：耦合進(jìn)光纖的光功率(PF)與光源發(fā)射的總功率(Ps)之比：那么，我們關(guān)心的問題是如何讓耦合效率最高。光源的輻射角分布 B能夠耦合入纖的光功率取決于光源的輻射角分布 B的定義：單位發(fā)射面入射到單位立體角內(nèi)的光功率 B的單位：平方厘米、單位球面度的瓦特?cái)?shù) (W/cm2sr) 光源 發(fā)射區(qū)域光源的輸出方向圖：面LEDcoscos,0BdAIAdIB面發(fā)射LED近似為朗伯光源：各個(gè)方向等亮度Icos dAdAdAdAcos半功

2、率光束角度：2 = 120度光源的輸出方向圖：邊LED和LDLTBBBcoscoscossin,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 = 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：例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功

3、率耦合計(jì)算：面LEDrdrdddBABddAPmrsAssss 020200max,0sin,pp對(duì)于分布B(As, s)對(duì)稱的光源，其中As和s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：面發(fā)光LED的輸出總功率0220220200020020202000202020sincossincossin,BrBrddBrdrdrdrdddBrdrdddBABddAPssrsrsrsAsssssssspppppppppppp 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(shí)：rdrdNABrdrdBrdrdddBPmmmrsrs

4、rs 02020020max, 0200202000sinsincosmax,0pppppp對(duì)于階躍光纖，其NA是常數(shù)，即NA與s和r無關(guān)，于是：因此：arNAPraarNAPPsssstepLED,222, LED有一個(gè)半徑為35 mm的圓形發(fā)射區(qū)，并且在給定的驅(qū)動(dòng)電流下，朗伯輻射方向圖的軸向發(fā)射強(qiáng)度為150W/(cm2sr)。對(duì)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：mWmWmmNAPra

5、PssstepLED37. 0725. 03525)(222,mm例對(duì)于同一根光纖發(fā)光面積越大，耦合入纖的功率越多assssrgradedLEDarnParnBrrdrnrnBPs22122212)(22121022022202,pp漸變折射率光纖NA與無關(guān)但與r有關(guān)。對(duì)于r a的情況，根據(jù)有：面發(fā)光LED的功率耦合梯度光纖arararNArNA0)/(1)0()(rdrdNABPsrs 02020pp211nnnnR當(dāng)端面存在反射時(shí)，對(duì)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)因子大小：R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

6、合174. 048. 160. 348. 160. 32211nnnnRemittedcoupledPRP 1dB83. 0)1log(10log10RPPLemittedcoupled 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，于是在光源和光纖頭端的分界面上發(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(duì)應(yīng)的耦合功率由下式給定：由反射造成的功率損耗為：例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(gè)特定工作波長的光源激勵(lì)起來的每個(gè)模式平均攜帶的光功率為

7、：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)0222122BnnaPMMp穩(wěn)態(tài)數(shù)值孔徑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非傳播模式的損耗與軸心夾角大的模式不斷損耗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2sLrRM假設(shè)微球的折射率為2.0，曲率半徑為RL，像距無窮大。它可使光源發(fā)射區(qū)域面積顯著放大，其放大因子為M：在使用透鏡的條件下，LED能

8、夠耦合進(jìn)一個(gè)張角為2的口徑中的光功率PL可以由下式計(jì)算：非成像微球22sinssLLPrRP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多模光纖-多模光纖的兩種連接情況發(fā)射光束充滿接收光纖的數(shù)值孔徑，因此接收光纖必須與發(fā)射光纖完全對(duì)準(zhǔn)以減少損耗接收光纖的輸入數(shù)值孔徑大于發(fā)射光纖

9、的穩(wěn)態(tài)數(shù)值孔徑，因此輕微的對(duì)準(zhǔn)誤差不會(huì)對(duì)連接損耗產(chǎn)生顯著影響機(jī)械對(duì)準(zhǔn)誤差 由于纖芯尺寸細(xì)微，因此很難實(shí)現(xiàn)完全精確的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)。由此導(dǎo)致的機(jī)械對(duì)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 假設(shè)發(fā)射光纖的輸入端面受到均勻照射，那么纖芯所接收的光功率是落入光纖的數(shù)值孔徑

10、以內(nèi)的功率。光纖尾端面上某點(diǎn) r 處的光功率密度為：橫向誤差梯度光纖r )0()(0)(22NArNAprp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 如圖所示，假設(shè)發(fā)射面和接收面的橫向?qū)?zhǔn)偏差為 d 。重疊區(qū)域分為A1和A2。由于折射率剖面的梯度分布，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)值孔徑則大于接收光纖。A1或A2的功率可由下式計(jì)算：其中積分限為：橫向

11、誤差梯度光纖接收纖芯A1發(fā)射纖芯A2da(r, )d/21 rdrdarpPar 11021102addr2arccos,cos211 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 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(shí)，上式近似為：adPPTp381當(dāng) d/a 0.4，上式引入的誤差不到1%。最后，我們可以獲得由于橫向誤差帶來的耦合損耗：PPLTFFlog10log10748. 023 . 05315. 0)15. 0(1 )15. 0arccos(225621

12、2arccos222/12222/12ppadadadadppTdB27. 1log10ppT 假設(shè)兩根梯度光纖存在著橫向偏移d = 0.3a的對(duì)準(zhǔn)誤差。我們可以得到從第一根光纖中耦合進(jìn)第二根光纖中的光功率比例為： 例或者用分貝表示為： 2tanlog10cFsaaL對(duì)階躍光纖，縱向誤差產(chǎn)生的損耗為：縱向誤差csxcsxtan21arcsin1)1 (1arcsin11121coslog102/122/12yyyqpppLFpppp 當(dāng)兩根互連的光纖軸存在角度對(duì)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(duì)于兩根具有角度對(duì)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：

13、角度誤差 sinsincos1cosccp 2/3223sincoscos ccq sincossinsincos1cos22cccy 其中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 ERERERFL, 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，則耦合損耗為：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：光纖相關(guān)損耗2;explog1

14、0WdLlatSM22;explog10pWnLangSM 和多模光纖一樣，在單模光纖連接過程中，最嚴(yán)重的是橫向偏移損耗。對(duì)于高斯分布的光束，相同光纖間的橫向連接損耗為：對(duì)于角度對(duì)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(chǎng)半徑，G = s/kW2。對(duì)于縱向偏差為s，間隙折射率為n3的連接損耗為： )4(64log1024312321; GnnnnLgapSMm95. 4)40. 2(879. 240. 2(619. 165. 05 . 4)879. 2619. 165. 0(62/362/30VVaWdB18. 0)95. 4/1 (explog10;latsmL 一根單模光纖，其

15、歸一化頻率V = 2.40，纖芯折射率n1 = 1.47, n2 = 1.465，纖芯尺寸 2a = 9 mm，現(xiàn)在計(jì)算一下當(dāng)橫向偏移d為1 mm，光纖連接時(shí)的插入損耗。 首先計(jì)算單模光纖的模場(chǎng)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(shí)，角度對(duì)準(zhǔn)誤差為1時(shí)所引起的損耗：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)光纖熔接機(jī)V形槽機(jī)械連接法彈性管連接連接器的設(shè)計(jì)要求：- (多次連接、拆卸后) 保持低耦合損耗

16、- (同一類型的連接器間) 互換性- (對(duì)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：非永久連接光纖連接器：非永久連接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 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)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(1.25 mm)，可提高光機(jī)架中的接口密度連接器剖面連接器的類型按插針端面分類pmm/2/si

17、n1sin211exp4)(16log103212212122222214312321;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(chǎng)半徑此公式考慮了不同模場(chǎng)直徑、橫向、縱向、角度偏差以及端面反射等因素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hn2n0n1pdnRRLIM14cos12log10cos21cos2212221212221rrrrrrrrR20201nnnnr12122nnnnr折射率介質(zhì)匹配區(qū)域的回波損耗RLI