第3章 外界因素引起的光纤系统的损耗

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,19 十一月 2024,第,3,章,外界因素引起的光纤系统的损耗,19 十一月 2024,3.1,引言,上一章（光纤制造、光纤材料）,光纤弯曲产生的损耗,光纤系统耦合产生的损耗,19 十一月 2024,3.2,弯曲引起的光纤损耗,弯曲分类,宏弯,微弯,3.2.1,光纤的宏弯损耗,RR,c,附加损耗很小,RR,c,附加损耗按指数迅速增加,多模损耗,单模损耗,R,c,R,19 十一月 2024,3.2.1,光纤的宏弯损耗,1.,多模损耗,19 十一月 2024,2.,单模损耗,A,B,C,/,um,R,c,/mm,19 十一月 2024,3.2.2,光纤的微弯损耗,1.,多模损耗,（,1,）,k,=,k,c,光纤的微弯损耗最大,（,2,）在,l,=,l,c,，主衰减谱宽为,2,l,c,2,/,L,两侧还有次级大出现,（,3,）光纤的微弯损耗与微弯振幅平方成正比,（,4,）光纤的微弯损耗与微弯总长成正比,19 十一月 2024,2.,单模损耗,19 十一月 2024,3.3,光纤和光源的耦合损耗,光纤与光源连接时，为获得最佳耦合效率，主要考虑两者特征参量相互匹配的问题。,光纤参数：,纤芯直径、数值孔径、截至波长（单模）、偏振特性,光源参数：,发光面积、发光的角分布、光谱特性（单色性）、输出光功率、偏振特性,19 十一月 2024,3.3.1,半导体激光器和光纤的耦合损耗,半导体光源特点,19 十一月 2024,1.,直接耦合的损耗,19 十一月 2024,2.,用透镜耦合的损耗,（,1,）球透镜,图,334,端面球透镜的光路简图 图,335,等效接收角和球半径及光,纤半径的关系,19 十一月 2024,（,2,）柱透镜,利用柱透镜可把半导体激光器发出的光进行,单方向会聚,，使光斑接近圆形以提高耦合效率。也可利用球透镜和柱透镜的组合进一步提高耦合效率。这种耦合方式的缺点是它对激光器、柱透镜、球透镜以及光纤的,相对位置的准确性要求极高,，稍一偏离正确位置，耦合效率就急剧下降，甚至不如直接耦合。,19 十一月 2024,（,3,）凸透镜耦合,凸透镜耦合一般用直径为,35mm,，焦距为,4,一,15mm,的凸透镜,凸透镜耦合的光路简图,19 十一月 2024,（,4,）圆锥形透镜耦合,19 十一月 2024,为了满足激光器长条发光面和圆形光纤的耦合要求，人们还提出了一种,异形透镜的耦合,办法。透镜的,一个端面为长条形,，可与激光器发光面配合，,另一个端面为圆形,，可与光纤连接。,最近由于微电子技术的不断进步，二元光学得以迅速发展。于是有人在研制利用,微型相位光栅以改变半导体激光器输出光波的空间分布,:,由长条形分布改变为圆对称分布，以提高半导体激光器和光纤的耦合效率。预计此法有较好前景。,（,5,）异型透镜,19 十一月 2024,对于单模光纤的耦合，其微型元件的制造、定位、固定以及抗干扰问题都比多模光纤的耦合要困难。因为这时光纤的芯径要小很多。,光源和光纤耦合一些典型的光路简图,19 十一月 2024,3.3.2,半导体发光二极管和光纤的耦合损耗,发光二极管,激光器,自发辐射,受激辐射,发射方向性差,方向性好,均匀面发光,余弦发光,高斯分布,19 十一月 2024,1.,直接耦合的损耗,19 十一月 2024,19 十一月 2024,2.,用透镜耦合的损耗,（,1,）球透镜,（,2,）柱透镜,（,3,）凸透镜耦合,（,4,）圆锥形透镜耦合,（,5,）异型透镜,19 十一月 2024,3.4,多模光纤和多模光纤的直接耦合损耗,3.4.1,轴偏离对耦合损耗的影响,19 十一月 2024,3.4.2,两光纤端面之间的间隙对耦合损耗的影响,19 十一月 2024,3.4.3,两光纤端面之间倾斜对耦合损耗的影响,19 十一月 2024,3.4.4,两光纤端面之间不完整对耦合损耗的影响,端面倾斜,端面弯曲,19 十一月 2024,3.4.5,两光纤种类不同对耦合损耗的影响,光纤芯径不同,19 十一月 2024,折射率不同,19 十一月 2024,3.5,单模光纤和单模光纤的直接耦合损耗,3.5.1,两光纤离轴和轴倾斜对耦合损耗的影响,19 十一月 2024,3.5.2,两纤端面间隙对耦合损耗的影响,19 十一月 2024,3.5.3,两光纤种类不同对耦合损耗的影响,19 十一月 2024,3.6,多模光纤通过透镜耦合,光纤和透镜,耦,合,：,主要应考虑两者数值孔径的匹配以及透镜的像差,单透镜的近轴特性,单透镜的球差,耦合效率,19 十一月 2024,3.6.1,单透镜的近轴特性,1.,变折射率（自聚焦透镜）,2.,球透镜,3.,圆棒状透镜,19 十一月 2024,4.,透镜耦合系统,在光纤和透镜的耦合系统中，考虑到接头的互换，减小装配误差以及中间可插入光学元件,(,诸如偏振器、调制器、光隔离器等,),，均采用平行光结构。这时对于轴上点需考虑,透镜球差,引起的,焦点光斑扩大,。,19 十一月 2024,3.6.2,单透镜的球差,1.,变折射率（自聚焦透镜）,2.,球透镜,3.,圆棒状透镜,19 十一月 2024,例,对于典型的多模光纤，,NA=0.2,，若取,f=3mm,，,n,0,=1.55,19 十一月 2024,3.6.3,耦合效率,SI,GI,