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实验9 光源与光纤耦合实验 一、实验目的 1．了解常用的光源与光纤的耦合方法。 2 ．熟悉光路调整的基本过程。 3 ．通过耦合过程熟悉Glens 的特性。 4 ．了解 1dB 容差的基本含义。 5 ．通过实验的比较，体会目前光纤耦合技术的可操作性。 二、实验原理 在光纤线路耦合的实施过程中，存在着两个主要的系统问题：即如何从各种类型的发光 光源将光功率发射到一根特定的光纤中（相对于目前的光源而言），以及如何将光功率从一 根光纤耦合到另外一根光纤中去（相对目前绝大多数光纤器件而言）。对于任一光纤系统而 言，主要的目的为在最低损耗下，引入更多能量进入系统。这样可以使用较低功率的光源， 减少成本和增加可靠度，因为光源是不能工作在接近其最大功率状态的。 光纤系统中，必须考虑光源的辐射空间分布（角分布）、发光面积，光纤的数值孔径、 纤芯尺寸和光纤的折射率剖面等等，使尽可能多的光能量进入光纤当中。对于耦合系统，通 常要求具有以下几个特点： 1．大的 1dB容差。大的容差是工业生产的一个基本条件，容差越大，产量将可能越大， 成本越低 2．弱的光反馈。目前低成本光源一般不配置隔离器，所以对于耦合系统来说，弱的光 反馈意味着光源的稳定性的提高。 3．简单易操作、耦合效率高、稳定。 通常使用的耦合方式主要有以下几种： 1．直接耦合 所谓直接耦合就是把一根端面为平面的光纤直接靠近光源发光面放置，在光纤一定的情况 下，耦合效率与光源种类关系密切。如果光源是半导体激光器，因其发光面积比光纤端面面 积小，只要光源与光纤面靠的足够近，激光器所发出的光就能照到光纤端面上。考虑到光源 光束的发散角和光纤接收角的不匹配程度，一般耦合效率不到 10％，90 ％以上都可能浪费 了。如果光源是发光二极管，则情况更为严重。因为发光二极管的发散角更大，其耦合的效 率基本上由光纤的收光角决定 2．透镜耦合 有如下一些透镜耦合方式： 透镜光纤和热扩散光纤 （1）光纤端面球透镜耦合 俗称透镜光纤，将光纤端面做成一个半球形，例如通过热、火焰、研磨、腐蚀、电弧等 技术把光纤端面处理成球面或者近似球面，使它起到短焦距透镜作用，端面球透镜的作用是 提高光纤的等效收光角，因而耦合效率提高了。这种耦合方法对阶跃型光纤效果较好，对折 射率梯度光纤则差些。 （2 ）圆锥形和楔型透镜耦合。 将光纤的前端用研磨、腐蚀的方法做成逐渐缩小的圆锥形或者楔型，或者用烧融拉细 的方法做成圆锥形，前端半径为 a ，光纤自身半径为 a 。光从前端以θ入射进光纤，经折 1 n - 74 - 射后以ψ 角射向界面 A 点。因界面为斜面，所以ψ ψ 。如果锥面的坡度不大，也就是说 1 2 1 圆锥形的长度 L（a －a ）时，近似有 n 1 Sinψ / Sinψ =a /a n-1 n n n-1 ‘ 可以证明，有圆锥时光纤的接收角θ 与平行光纤时的接收角θ 之间有如下关系: C c ‘ Sinθ / Sinθ = a /a C C n 1 上式表明，有圆锥透镜的光纤的数值孔径是平端光纤的 a /a 倍。 n 1 （3 ）热扩散光纤和倒锥光纤 通过高温热处理可以把光纤的纤芯做成喇叭状，这样可以很大程度的提高光纤的耦合 效率，有兴趣的同学可查阅相关资料（特别是倒锥光纤的耦合效果非常好）。