光功率发射和耦合.pptVIP

在单模光纤连接过程中，最严重的也是横向偏移损耗。对于高斯分布的光束，相同光纤间的横向连接损耗为： 对于角度对准误差引起的损耗与波长有关： 单模光纤的连接 其中W为模场半径，G = s/kW2。 对于纵向偏差为s，间隙折射率为n3的连接损耗为： 一根单模光纤的归一化频率V = 2.40，纤芯折射率n1 = 1.47, n2 = 1.465，纤芯尺寸 2a = 9 mm，现在计算一下当横向偏移d为1 mm (d/a ≈ 22%)，光纤连接时的插入损耗。 单模光纤的模场半径W0： 于是得到横向误差损耗： 例 当波长为1300 nm时，角度对准误差为1°时所引起的损耗： 本章内容 光源-光纤的耦合 光纤-光纤的耦合 光纤的连接和光纤连接器 5.5 光纤连接：永久连接 光纤熔接法 光纤切割机 光纤熔接机 V形槽机械连接法 弹性管连接 连接器的设计要求： - (多次连接、拆卸后) 保持低耦合损耗 - (对使用技巧要求低) 易于安装 - (温度、粉尘、湿气) 环境敏感性低 - 低成本和高可靠性 - (无需特殊工具) 易于连接 5.6 光纤连接器：非永久连接 本章内容 光源-光纤的耦合 光纤-光纤的耦合 光纤的连接和光纤连接器 5.1 光源至光纤的功率发射 耦合效率：耦合入纤的光功率(PF)与发射总功率(Ps)之比： 问题是如何让耦合效率最高？ 光源的辐射强度与空间角分布 辐射强度定义：单位发射面入射到单位立体角内的光功率 辐射强度单位：平方厘米、单位球面度的瓦特数 W/(cm2·sr) 光源 发射区域 辐射空间角分布：空间光功率的分布 光源的输出方向图：面LED 面发射LED近似为朗伯光源：各个方向等亮度B0 半功率光束角度：2q = 120度 面LED的辐角分布： 光源的输出方向图：边LED和LD 式中 T 和 L 是垂直方向和水平方向的功率分布系数，一般边发光 LED 的L = 1 而 LD 的 L 100；T 的值一般较大 二者在pn结平面的水平方向f = 0和垂直方向f = p/2 分别有不同的辐射角分布： 例 半导体激光器在水平方向上 (f = 0) 的半功率光束角度为2q = 10度。因此，根据 可以得到： 相反边LED的L = 1，因此其水平半功率宽度为2q = 120度。 功率耦合计算：面LED 对于分布B(As, Ws)对称的光源，其中As和Ws分别为光源的面积和发射立体角。光源-光纤的耦合功率由下式决定： 面发光LED的输出总功率 面发光LED的功率耦合—阶跃光纤 发光半径 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，于是： 因此： 作业 面LED有一个半径为35 mm的圆形发射区，朗伯辐射方向图的轴向发射强度为150W/(cm2·sr)。对于一根纤芯半径为50 mm，NA = 0.20的光纤，入纤功率为： 如果纤芯半径为25 mm，NA = 0.20，入纤功率为： 例 rs = 10, P = 0.207 对于同一光纤发 光面积越大耦合 入纤的功率越多 渐变折射率光纤NA与q无关但与r有关。对于r a的情况，根据 有： 面发光LED的功率耦合—梯度光纤 当端面存在反射时，对于垂直的光纤端面，耦合进光纤的功率由于光的反射将降低一个因子大小： R为光纤纤芯端面的菲涅尔反射系数，n和n1分别为外部介质和纤芯的折射率。 考虑端面反射的功率耦合 一个折射率为3.6的GaAs光源耦合进折射率为1.48的石英光纤中，如果光纤端面和光源在物理上紧密相接，于是分界面上发生菲涅尔反射： 这相当于17.4%的发射功率反射回光源，与这一R值相对应的耦合功率由下式给定： 由反射造成的功率损耗为： 例 一方面，纤芯半径为a的阶跃光纤中传播的模式数目为： 另一方面，由一个特定工作波长的光源激励起来的每个模式平均携带的光功率为： 于是，耦合入纤的功率总和不变： 耦合入纤功率与工作波长无关 光源与多模光纤的额外耦合损耗 LED发射的光耦合入多模光纤之后，由于非传播模式的能量衰减，将在开始的~50 m存在注入模式达到稳态的过程。 NAout NAin 与轴心夹角大的模式不断损耗 5.2 改善耦合的透镜结构 透镜耦合一般用于光源发光面积小于纤芯面积的情况，其作用是： 扩大光源的发射面积，使之与纤芯区域匹配 改变光线的入射角，使之容易耦合入纤 假设微球的折射率为2.0，曲 率半径为RL。将球面紧贴发 光区域它可使光源发射区域 面积可被放大M倍： 在使用透镜的条件下，LED能够耦合进一个张角为2q的口径中的光功率PL可以由下式计算：