光功率发射和耦合.ppt

1、在本章中，光源-光纤耦合，光纤-光纤耦合，光纤连接和光纤连接器，5.1从光源到光纤的功率发射，耦合效率：耦合到光纤中的光功率与总传输功率之比：问题是如何最大化耦合效率。光源的辐射强度和空间角度分布，辐射强度定义：从单位发射表面入射到单位立体角的光功率，辐射强度单位：平方厘米，单位球形度的瓦特数，W/(cm2sr)，光源发射区域中辐射的空间角度分布：空间光功率分布，光源的输出模式：表面发光二极管，近似为朗伯光源：在所有方向上亮度B0相等，半功率光束角度：2q=120度，区域发光二极管的角度分布： 光源输出模式：边缘发光二极管和发光二极管，其中t和L是垂直和水平方向上的功率分布系数，边缘发光二极管

2、一般为1，发光二极管为100； 用于LD；t的值通常较大，并且它们在pn结平面的水平方向f=0和垂直方向f=p/2上具有不同的辐射角分布：例如，半导体激光器在水平方向(f=0)上的半功率束角为2q=10度。因此，可以得到L=1的相反的发光二极管，所以它的水平半功率宽度是2q=120度。功率耦合计算：面积发光二极管，对于对称分布的光源B(砷、钨)，其中砷和钨分别是光源的面积和发射立体角。光源与光纤的耦合功率由以下公式确定：面发光二极管的总输出功率，面发光二极管的功率耦合到阶跃光纤。当发射半径R小于纤芯半径A时，对于阶跃光纤，NA是常数，与fs和R无关。因此，在操作中，表面发光二极管具有半径为35

3、毫米的圆形发射区域，兰伯特辐射图的轴向发射强度为150瓦/(厘米2秒)。对于纤芯半径为50毫米且NA=0.20的光纤，入射功率为：如果纤芯半径为25毫米，NA=0.20，入射功率为：例如，rs=10，P=0.20对于相同的光纤，发光面积越大，耦合到光纤中的功率越多。渐变折射率光纤NA与Q无关，但与R有关。在R为A的情况下，根据带面发光二极管的功率耦合渐变光纤，当端面有反射时，对于垂直光纤端面，耦合到光纤中的功率将减少一个因子：R为纤芯端面的菲涅耳反射系数，N和n1分别为外部介质和纤芯的折射率。考虑到端面反射的功率耦合，将折射率为3.6的GaAs光源耦合到折射率为1.48的应时光纤中。如果光纤端

4、面和光源在物理上紧密相连，菲涅耳反射发生在界面上：这相当于17.4%的透射功率被反射回光源，对应于该R值的耦合功率由以下公式给出：反射引起的功率损耗为：例如，一方面，在纤芯半径为A的阶跃光纤中传播的模数为：另一方面， 由具有特定工作波长的光源激发的每个模式所携带的平均光功率为：因此耦合到光纤中的功率之和不变：耦合到光纤中的功率与工作波长无关，并且在发光二极管发射的光耦合到多模光纤中之后，由于非传播模式的能量衰减，光源和多模光纤之间的额外耦合损耗， 在第一个50米处将会有一个注射模式。与轴成大角度的模式会不断丢失。 5.2改进耦合透镜结构。当光源的发光面积小于核心面积时，通常使用透镜耦合。其功能

5、是扩大光源的发射面积，以匹配核心面积，并改变光的入射角，使其可以很容易地耦合到光纤中。，假设微球的折射率为2.0，曲率半径为R1。保持球面靠近发光区域可以将光源发射区域的面积扩大m倍。在使用透镜的情况下，发光二极管可以耦合到开口角为2q的光阑的光功率PL可以由以下公式计算：非成像微球，NA，本章内容，光源-光纤-光纤耦合光纤的耦合因此，耦合损耗定义为：(1)多模光纤两模分布的连接要求；(2)接收光纤必须与发射光纤完全对准，以减少损耗；(3)轻微的对准误差不会对连接损耗产生重大影响；(3)机械对准误差；(3)纤芯尺寸很细，因此很难实现完全和精确的机械对准。由此产生的机械对准误差将是连接丢失的主要

6、原因。机械损耗可分为三种类型：(1)横向(轴向)误差，(2)纵向误差，(3)角度误差，横向误差阶跃光纤，并且阶跃光纤的数值孔径在端面上是恒定的，因此从一根光纤耦合到另一根光纤的光功率与两根光纤的公共面积成正比。此外，获得了耦合效率，并且光纤端面上某一点R处的光功率密度是R的函数。光纤出射端面处的p(r)和总功率P之间的关系是：假设光纤的折射率分布是抛物线，P和p(0)之间的关系可以获得如下：由于折射率的梯度分布， 发射光纤的数值孔径小于A1处的接收光纤的数值孔径，并且大于A2处的接收光纤的数值孔径。 A1或A2的功率可通过以下公式计算：其中积分极限为：横向误差梯度光纤的耦合功率，两个区域的耦合

7、功率P1和P2可计算为：接收光纤耦合的总功率可获得为：当横向对准误差为时，上述公式近似为：当d/a为0.4时，上述公式引入的误差小于1%。由于横向误差引起的耦合损耗，假设两个梯度光纤具有横向偏移d=0.3a的对准误差。可以得到从第一光纤耦合到第二光纤的光功率的比率为：例如，或表示为：以分贝为单位。对于阶跃光纤，由纵向误差引起的损耗为：纵向误差、QC、s。当两个光纤轴之间存在角度对准误差时，放置在接收光纤的立体接收角度之外的光功率将会损失。对于具有角度对准误差q的两步折射率光纤，接头处的光功率损耗可表示为：角度误差，其中由各种误差引起的损耗。结论：如果发射芯径aE不等于接收芯径aR，但NA与折射

8、率分布相同，横向对准误差引起的损耗最大；如果折射率不相等，则纤芯半径等于折射率分布；如果折射率分布不相等，但钠和芯是相等的。对于高斯光束，相同光纤之间的横向连接损耗为：角度对准误差引起的损耗与波长：单模光纤的连接有关，其中w为模场半径，G=s/kW2。对于具有纵向偏差s和间隙折射率n3的连接损耗，归一化频率V=2.40，芯折射率n1=1.47，n2=1.465，芯尺寸2a=9 mm，现在计算横向偏差d为1 mm时的插入损耗(d/a 22%)。单模光纤的模场半径为W0:因此得到横向误差损耗：例如，当波长为1300 nm时，角度对准误差引起的损耗为1:本章内容，光源-光纤耦合光纤-光纤耦合光纤连接

9、和光纤连接器，5.5光纤连接：永久连接，光纤焊接方法，光纤切割机，光纤焊接机，V型槽机械连接方法，弹性管连接。连接器的设计要求：-保持低耦合损耗(多次连接和拆卸后)-易于安装(对使用技能要求低)-低环境敏感性(温度、灰尘和湿气)-低成本和高可靠性-易于连接(无需特殊工具)，5.6光纤连接器：非永久性连接，连接器类型根据连接器形状分类：FC，由NTT公司开发：外部加固方法为金属套管，紧固方法为螺丝扣。连接器的类型按接头形状分类：SC，NTT公司开发：外壳为矩形，紧固方式为插销卡锁式，不需要旋转，具有安装密度高的特点。连接器的类型根据接头形状分类：LC，贝尔实验室开发：模块化插孔闩锁机构使引脚尺寸变小(1.25毫米)。可以提高光学机架中的接口密度。连接器轮廓和连接器类型根据销端面进行分类。单模光纤连接器的损耗公式W1和W2分别是发射光纤和接收光纤的模场半径。该公式考虑了不同模式场直径、横向、纵向和角度偏差以及端面反射等因素。连接器的回波损耗和连接器中的反射光构成了激光谐振腔的反馈源，这将影响光频响应、激光线宽和内部噪声，从而降低系统、h、n2、n0、n1，折射率介质匹配区域的回波损耗RLIM为：等式中：为单层材料涂层的反射率，有：和，分别为涂层对纤芯和匹配物质对涂层的反射率，但相位差由涂层引起。折射率匹配的连接器的回波损耗，以及垂直端面直接接触的连接