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耦合入纖功率與工作波長無關(guān)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。其中W為模場半徑，G=s/kW2。因此可以得到接收光纖所耦合的總功率為：輻射強(qiáng)度單位：平方厘米、單位球面度的瓦特數(shù)W/(cm2·sr)通過積分可以分別求出兩個區(qū)域的耦合功率P1和P2為：對于r<a的情況，根據(jù)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：相反邊LED的L=1，因此其水平半功率寬度為2q=120度。面發(fā)光LED的功率耦合—階躍光纖光源的輸出方向圖：面LED1光源至光纖的功率發(fā)射光區(qū)域它可使光源發(fā)射區(qū)域2改善耦合的透鏡結(jié)構(gòu)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？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、單位球面度的瓦特數(shù)W/(cm2·sr)

光源發(fā)射區(qū)域輻射空間角分布：空間光功率的分布光源的輸出方向圖：面LED面發(fā)射LED近似為朗伯光源：各個方向等亮度B0半功率光束角度：2q

=120度面LED的輻角分布：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：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。功率耦合計算：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：面發(fā)光LED的輸出總功率面發(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：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)面LED有一個半徑為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的光纖，入纖功率為：如果纖芯半徑為25mm，NA，入纖功率為：例rs=10,P對于同一光纖發(fā)光面積越大耦合入纖的功率越多漸變折射率光纖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，耦合入纖的功率總和不變：耦合入纖功率與工作波長無關(guān)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-(溫度、粉塵、濕氣)環(huán)境敏感性低于是得到橫向誤差損耗：通過積分可以分別求出兩個區(qū)域的耦合功率P1和P2為：一根單模光纖的歸一化頻率V=2.通過積分可以分別求出兩個區(qū)域的耦合功率P1和P2為：耦合入纖功率與工作波長無關(guān)問題是如何讓耦合效率最高？對階躍光纖，縱向誤差產(chǎn)生的損耗為：面發(fā)光LED的功率耦合—階躍光纖功率耦合計算：面LED對階躍光纖，縱向誤差產(chǎn)生的損耗為：6dB(取決于n0和n1)漸變折射率光纖NA與q無關(guān)但與r有關(guān)。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)。對于縱向偏差為s，間隙折射率為n3的連接損耗為：假設(shè)微球的折射率為，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)一個張角為2q的口徑中的光功率PL可以由下式計算：非成像微球NA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：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：光源的輸出方向圖：面LED輻射強(qiáng)度單位：平方厘米、單位球面度的瓦特數(shù)W/(cm2·sr)問題是如何讓耦合效率最高？在使用透鏡的條件下，LED能夠耦合進(jìn)一個張角為2q的口徑中的光功率PL可以由下式計算：光源與多模光纖的額外耦合損耗結(jié)論：橫向?qū)?zhǔn)誤差帶來的損耗最大通過積分可以分別求出兩個區(qū)域的耦合功率P1和P2為：光纖尾端面上某點r處的光功率密度是r的函數(shù)：橫向誤差—梯度光纖耦合功率階躍光纖的數(shù)值孔徑在端面上為常數(shù)，因而從一根光纖耦合進(jìn)25mm)，可提高光機(jī)架中的接口密度25mm)，可提高光機(jī)架中的接口密度假設(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：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。輻射強(qiáng)度定義：單位發(fā)射面入射到單位立體角內(nèi)的光功率光纖尾端面上某點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：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，上式近似為：當(dāng)d/a，上式引入的誤差不到1%。由于橫向誤差帶來的耦合損耗：假設(shè)兩根梯度光纖存在著橫向偏移da的對準(zhǔn)誤差。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：對階躍光纖，縱向誤差產(chǎn)生的損耗為：縱向誤差qcsx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：對于r<a的情況，根據(jù)連接器的設(shè)計要求：

-(多次連接、拆卸后)保持低耦合損耗對于r<a的情況，根據(jù)連接器的類型—按接頭外形分類：SC在單模光纖連接過程中，最嚴(yán)重的也是橫向偏移損耗。相反邊LED的L=1，因此其水平半功率寬度為2q=120度。輻射強(qiáng)度單位：平方厘米、單位球面度的瓦特數(shù)W/(cm2·sr)光纖的連接和光纖連接器在單模光纖連接過程中，最嚴(yán)重的也是橫向偏移損耗。垂直光纖端面的折射率匹配連接方式在使用透鏡的條件下，LED能夠耦合進(jìn)一個張角為2q的口徑中的光功率PL可以由下式計算：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：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：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：其中W為模場半徑，G=s/kW2。一根單模光纖的歸一化頻率V=2.40，纖芯折射率n1=1.47,n2，纖芯尺寸2a=9mm，現(xiàn)在計算一下當(dāng)橫向偏移d為1mm

(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：例當(dāng)波長為1300nm時，角度對準(zhǔn)誤差為1°時所引起的損耗：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)架中的接口密度連接器剖面連接器的類型——按插針端面分類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(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