《光纤光学教学课件》第十九讲

2020/4/30,第七章光纤的连接与耦合,2020/4/30,7.4光纤与光源间的耦合技术,光纤光学用到从闪光灯到大功率激光器的所有光源，几乎无所不包，光源的发光特性是光源与光纤耦合效率的关键因素。,光源影响耦合效率的特性有：,发光面积、辐射角、空间分布、频谱分布。,光源的分类（按空间辐射特性）：,朗伯光源（钨丝灯、卤素灯、LED）,准平行高斯光束光源（固体、气体激光器）,发散型高斯光束光源（LD、超辐射LED）,2020/4/30,光源与光纤的耦合方式,直接耦合：简单、成本低、效率也低,透镜耦合：对光源光束作变换，变换NA、a、消像差。,经变换后，光束特性与光纤相匹配，提高耦合效率。,耦合效率定义：,耦合损耗定义：,2020/4/30,一、光纤与朗伯光源的耦合,朗伯光源：远场辐射图按cosq而变化,ds发出的q方向dW立体角内光强为：,2020/4/30,朗伯光源与光纤的耦合效率：,2020/4/30,说明：,由于光纤的数值孔径及纤芯半径都很小，光纤与朗伯光源直接耦合效率极低，单模60分贝损耗，多模40分贝损耗，在通信及传感系统中用得极少；由透镜变换的特性决定了不可能通过透镜变换来提高耦合效率；实际应用中，由于光纤一般不可能紧贴光源耦合。因此，常利用透镜系统来将光源的发散光束变成会聚光束，以改善光源光纤的耦合。,2020/4/30,2020/4/30,体积小，线性好，功率稳定，寿命长。,光纤与发光二极管之间的耦合：,面发光LED,边发光LED,直接耦合方式，单模光纤与面发光二极管耦合后的光功率可达几微瓦；多模光纤可达几十微瓦。,直接耦合方式，单模光纤与边发光二极管耦合后的光功率可达4060微瓦；多模光纤可达毫瓦。,2020/4/30,二、半导体激光器与光纤耦合,LD输出光束：束腰在端面上的准高斯光束。,特性：近场不对称；远场光斑不对称；具有很大的发散角。因光源的模场半径比光纤的纤芯小得多，可用透镜变换进行耦合！,影响耦合效率的因素：场型失配、场分布的非园对称、模场半径失配、菲涅尔反射损耗、透镜相差损耗。,（1）场型失配损耗,单模光纤高斯场型；LD偏离高斯场型,（2）场的非园对称损耗,2020/4/30,（4）菲涅尔反射损耗,光纤和耦合透镜表面的菲涅尔反射产生，可通过镀减反膜，使剩余反射率低于1，菲涅尔损耗可降低至0.04dB。,2020/4/30,三、常见的几种变换透镜,单透镜：球透镜、平凸透镜、自聚焦透镜（GRIN）复合透镜：半球面GRIN透镜、球透镜GRIN透镜、球透镜SMF的GRIN透镜光纤微透镜（较为实用的一种）直接在光纤端面拉锥的方法：（1）直接在光纤端面拉锥、烧球透镜；（2）在光纤端面拉锥，点高折射率的球透镜。,2020/4/30,2020/4/30,耦合损耗:5dB耦合损耗接近:0dB,光纤微透镜,2020/4/30,2020/4/30,2020/4/30,2020/4/30,2020/4/30,2020/4/30,7.5光纤与光源器件间的耦合技术,光分束器、波分复用器、隔离器/环行器、衰减器、光开关，要应用到光纤线路中，需要与光纤作耦合。,耦合方式：准直聚焦方式,损耗定义：,耦合质量：要求插入损耗尽可能小。,2020/4/30,球透镜系统：,GRIN透镜系统：,平凸GRIN透镜系统：,2020/4/30,8路多层介质膜滤波器DWDM复用/解复用器,2020/4/30,球透镜耦合系统,透镜焦距：,数值孔径：,光纤置于准直透镜的焦点上时，光束发散角和光束的半宽分别为：,2020/4/30,自聚焦透镜耦合系统,当输入光纤置于准直透镜焦点上时，光束发散角与光束半宽为：,2020/4/30,耦合效率：,影响耦合效率的