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的光功率 B的單位：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、率耦合計算：面LEDrdrdddBABddAPmrsAssss 020200max,0sin,pp對于分布B(As, s)對稱的光源，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決定：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：rdrdNABrdrdBrdrdddBPmmmrsrs

4、rs 02020020max, 0200202000sinsincosmax,0pppppp對于階躍光纖，其NA是常數(shù)，即NA與s和r無關，于是：因此：arNAPraarNAPPsssstepLED,222, LED有一個半徑為35 mm的圓形發(fā)射區(qū)，并且在給定的驅動電流下，朗伯輻射方向圖的軸向發(fā)射強度為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：mWmWmmNAPra

5、PssstepLED37. 0725. 03525)(222,mm例對于同一根光纖發(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與無關但與r有關。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arararNArNA0)/(1)0()(rdrdNABPsrs 02020pp211nnnnR當端面存在反射時，對于垂直的光纖端面，耦合進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分別為外部介質和纖芯的折射率?？紤]端面反射的功率耦

6、合174. 048. 160. 348. 160. 32211nnnnRemittedcoupledPRP 1dB83. 0)1log(10log10RPPLemittedcoupled 一個折射率為3.6的GaAs光源耦合進折射率為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：這相當于17.4%的發(fā)射功率反射回光源，與這一R值相對應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

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 改善耦合的透鏡結構改善耦合的透鏡結構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22sinssLLPrRP本章內容光源-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)射光纖完全對準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，因此輕微的對準誤差不會對連接損耗產生顯著影響機械對準誤差 由于纖芯尺寸細微，因此很難實現(xiàn)完全精確的機械對準。由此導致的機械對準誤差將成為連接損耗的主要原因。機械損耗分為三種： (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進一步得到耦合效率：2/122,212arccos2adddadaAcommstepFppp 假設發(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、以內的功率。光纖尾端面上某點 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的關系為： p200ardrdrpP假設光纖折射率剖面為拋物線，可以得到P與p(0)的關系為： )0(21022002pardrdarpPapp arararNArNA0)/(1)0()(2 如圖所示，假設發(fā)射面和接收面的橫向對準偏差為 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當橫向對準誤差 d a 時，上式近似為：adPPTp381當 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 假設兩根梯度光纖存在著橫向偏移d = 0.3a的對準誤差。我們可以得到從第一根光纖中耦合進第二根光纖中的光功率比例為： 例或者用分貝表示為： 2tanlog10cFsaaL對階躍光纖，縱向誤差產生的損耗為：縱向誤差csxcsxtan21arcsin1)1 (1arcsin11121coslog102/122/12yyyqpppLFpppp 當兩根互連的光纖軸存在角度對準誤差時，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論：橫向對準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，最嚴重的是橫向偏移損耗。對于高斯分布的光束，相同光纖間的橫向連接損耗為：對于角度對準誤差引起的損耗與波長有關：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; 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)在計算一下當橫向偏移d為1 mm，光纖連接時的插入損耗。 首先計算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當波長為1300 nm時，角度對準誤差為1時所引起的損耗：本章內容光源-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光纖熔接機V形槽機械連接法彈性管連接連接器的設計要求：- (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，具有安裝密度高的特點連接器的類型按接頭外形分類：LCBell Lab開發(fā)：模塊化插孔閂鎖機理制成插針尺寸小(1.25 mm)，可提高光機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連接器回波損耗連接器內的反射光構成了激光器諧振腔的反饋源，這將影響光頻響應、激光器線寬和內部噪聲，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折射率介質匹配區(qū)域的回波損耗RLI