【光纤耦合理论概述2300字】

参考文献光纤耦合理论概述1.1光纤光纤，又名光导纤维，是一种由玻璃或塑料制作而成的光学材料，一般是圆柱体，可作为光传导工具传播信息或者能量。光纤主要用于传递能量和传递光学信息，是一种介质波导的结构，借由折射率差来把光限制在纤芯内并引导光波沿着光纤轴线方向进行传播。如图9所示是光纤的基本结构，光纤最里面称作光纤纤芯，其折射率为n1，中间一层称为包层，其折射率为n2，为满足传播的全反射条件，包层折射率略小于纤芯的折射率，最外层为涂敷层，起保护内部结构的作用。光纤按照折射率变化来分，可以分为渐变折射率光纤和阶跃折射率光纤；按照传播模式的不同，可以分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的芯径很小，在给定传输波长下只能以单一的模式传输，常用于制备光纤激光器，而多模光纤在给定波长下能同时传输多个模式，常用于制作半导体激光器光纤耦合模块。图1.1光纤基本结构光纤的数值孔径和纤芯直径决定了光纤的基本参数，在耦合模块的设计中，经准直聚焦后的光斑大小应该小于纤芯直径。而数值孔径表示的是光纤的最大接收角，耦合进入光纤的光的入射角应该小于光纤的最大接收角，才能实现较高的耦合输出。光纤的数值孔径（NA）可以表示为：式中，为空气的折射率，表示光纤的最大接收角，和分别是光纤纤芯和光纤包层的折射率。1.2光纤耦合理论光纤的耦合理论主要有波动光学耦合理论和几何光学耦合理论来描述。几何光学耦合理论实际上就是经典光学理论，为实现高效率的光束耦合，准直聚焦后的光束必须满足以下几个条件，一是准直聚焦后的光束发散角必须小于光纤的最大接收角；二是准直聚焦后的光束发散角要满足光纤的全反射条件，即光斑最大直径小于纤芯直径；三是光束的光参数积（即BPP值）要小于光纤的参数积。表达式如下所示：上式中，表示准直聚焦后的光束发散角，表示光纤的最大接收角，表示入射光束的直径，表示光纤的纤芯直径，表示准直后激光的光参数积，表示光纤的光参数积，且有：。波动光学耦合理论是以波动光学理论来讨论光束传输过程中的模式匹配问题，因为多模光纤中模式较多，讨论起来较为繁琐，所以通常在单模光纤中进行讨论。根据耦合光学理论，耦合效率可以表示为：上式中，是光场模式，是光纤模式，是传播系数。是传播距离，若两者模式匹配，则会有较高的耦合效率。1.3光纤耦合损耗分析光纤耦合损耗是指光信号经光纤传输后，由于光纤的吸收、散射等原因引起的光功率减小，是光纤的一种基本特性，是衡量光纤耦合装置是否良好的指标之一。光纤损耗通常取决于波长，但也根据光纤材料或光纤的弯曲程度而改变，常见的有吸收损耗、弯曲损耗以及散射损耗等。吸收损耗是由于光纤材料对特定波长的光具有吸收作用造成的，例如由熔融石英制备而成的光纤，在波长范围1300nm至1550nm的范围内能进行稳定传输，但是在该波长范围外的光就会被吸收造成损耗。因而对于某些特定的工作波长的激光器，对光纤材料的要求也会相应提高。弯曲损耗是由于光纤内部和外部几何形状的变化所引起的损耗，一般分为两种：宏弯损耗与微弯损耗。宏弯损耗一般是指光纤的物理弯曲，比如将光纤卷曲等，这会造成光纤模场与激光光束模场的不匹配，大量的能量会损耗到周边环境中，且有较大的概率造成光纤永久性损伤。微弯损耗通常发生在光纤的内部，即光纤纤芯内部结构的不平整波坏了光束传播全内反射的条件，使得传播的光泄露到光纤外部，微弯损耗通常是在制造光纤时造成的永久性缺陷。散射损耗是指光在遇到介质表面时是由于折射率发生变化引起的损耗，既可由外部的杂质等外部因素引起的折射率变化，也可以是由玻璃材料的密度、温度等引起的内在变化。散射损耗与波长紧密相关，通常呈负相关，波长越短，散射损耗越大。因而储存过程中要尽量避免光纤尖端受到污染，降低散射损耗。1.4常用的光纤耦合方法单管半导体激光器常用的耦合方法通常有直接耦合以及聚焦透镜间接耦合两种方式。直接耦合直接耦合技术是将准直聚焦后的激光光束直接耦合进光纤，包括光纤直接耦合和光纤端面微透镜耦合。光纤直接耦合是把处理好的光纤端面正对着激光器的发光面，并使两者中心轴线重合。若出射激光光束满足激光光斑大小小于光纤的纤芯直径这一条件，激光光束发散角小于光纤的最大接收角，激光光束的光参数积与光纤的光参数积相互匹配，则激光光束能耦合进入光纤内。但是该方法会导致光纤耦合效率十分低。光纤端面微透镜耦合是指通过熔融法或蘸浸法对光纤端面进行处理，处理成微型透镜形状，再将出射激光光束直接耦合进入光纤中，端面微透镜可以有效的降低激光光束快轴发散角的大小以及减小光斑尺寸，这样就可以使半导体激光器输出的激光光束与对应的光纤形成更加理想的耦合效果，提高耦合效率。聚焦透镜间接耦合间接耦合的基本原理是激光光束经过一个透镜耦合系统，与直接耦合相比较，经过聚焦透镜的激光光束拥有更小的光斑尺寸、更小的激光光束发散角，能够与单模光纤更好的匹配。通常使用的聚焦透镜有：柱透镜、球透镜、非球面透镜、自聚焦透镜以及透镜组合系统等。柱透镜耦合的基本原理是降低半导体激光器出射光束快轴方向上的发散角，将椭圆形光束整形成接近圆形，提高与光纤的匹配度，增大耦合效率。柱透镜耦合方式由于其操作简单、材料易得以及成本较低等优点，在对耦合要求较低的系统中应用最为广泛。球面透镜耦合通常情况下都会产生较大的球差，因而采用非球面透镜进行耦合可以避免这一弊端，增大耦合效率，但是非球面的加工十分困难，制作成本较高，该耦合方法仅适用