《光纤光学教学课件》第十八讲.ppt

1、 HUST 20122021/7/91第七章光纤的连接与耦合 HUST 20122021/7/927.1 引言光纤系统中光纤需要连接，光纤之间的连接不象金属导线那么简单。要精心设计。光纤需要与光源、探测器以及各种无源器件耦合。光纤间的连接（接续）：光纤间的连接（接续）：1、光纤间连接的判断标准：连接损耗2、引起连接损耗因素及特征3、多模、单模光纤连接损耗的理论分析4、光纤间连接 HUST 20122021/7/93光纤的连接方式光纤端面对接透镜扩束连接固定连接头活动连接头连接质量的衡量标准：连接损耗定义连接损耗：1010logTT：透过率 HUST 20122021/7/94引起光纤连接损耗的

2、因素：内部损耗因子：光纤结构参数的失配外部损耗因子：光纤调整参数的偏离、端面质量端面反射损耗：光纤活动连接中 HUST 20122021/7/95(a)横向偏移 (b)纵向偏移 (c)角向偏移 HUST 20122021/7/96各种光纤连接损耗的特点：（1）内部损耗因子引起的连接是非互易的；（2）横向失准和角向失准对损耗的影响比纵向损耗大的多，且难调准；（3）多模光纤间的a和的偏差会引起较大的损耗，其量级可达0.050.2dB；（4）单模光纤的内部损耗因子归结为唯一的参数：基模的模场半径；单模光纤由于纤径小，对于横向偏移与角向偏移极为敏感。为保证接续损耗低于0.05dB，要求光纤对准调整误差

3、在十分之几微米之内。HUST 20122021/7/97菲涅尔反射损耗dBnnnnnnnncogcogcogcoggap )(4log10)(4log102221021110gn：光纤端面间隙材料折射率 12,coconn：光纤纤芯轴线处的材料折射率 一般 ，因此对于空气间隙（ng=1），有菲涅尔反射引起的总损耗可达0.32dB。如果两端面之间充以纯水（ng=1.33），则可使端面菲涅尔反射损耗下降到0.02dB。因此，在光纤端面之间充以折射率匹配可大大减小菲涅尔反射损耗。nco1.47 HUST 20122021/7/987.2 光纤与光纤之间的连接损耗一、多模光纤连接损耗的理论分析方法：几

4、何光学；特点：简单、直观，易于理解，结论符合实际；基本思想：设发射光纤的端面可视为由无数个小光源构成的面光源。针对接收光纤：R arcsin NA(r)NA(r)nc021(ra)g1/2R：接收孔径角；R的光纤不能被接收 HUST 20122021/7/99点光源透过率：能被接受的功率与点光源总功率之比。)1(1)1(1QNANAQNANAWQWrtRTTRQgg22/TRNANAQ gW：分布函数值下降到最大值的0.1时对应的全宽度；光纤端面接收光功率的分布：201gKrPrPTRaaK/两光纤的纤芯差异 HUST 20122021/7/910总透过率T：能被接收光纤接收的光功率与总发射光

5、功率之比。xKgxxgTRrdrdKrrdrdKrrtPPTTR20/1022002)(1)(1)(其中：1 RTRTTRaaaaaakx 1010logT连接损耗：HUST 20122021/7/911二、单模光纤连接损耗的理论分析由于不满足10a，几何光学方法不适用，可用波动理论来计算分析。设发射光纤中传输的模式场为E，接收光纤传输的模式场为E，则两模式间功率的耦合系数为：AdAEEC*210021其中A是两光纤的重叠区域面积。对单模光纤，仅有LP01基模传输，所以00CC，则光纤的接头损耗为：200lg10C HUST 20122021/7/912场的表达式：光纤内，实际的阶跃单模光纤基

6、模场具有贝塞尔函数分布，临近截止时，近似为高斯函数分布，束腰在光纤的端面，有：200exp2WrWE光纤外，距光纤端面z处的光场为：zRrikzWrzkztizWEg2exp2222212100 HUST 20122021/7/913上式中02ggnK为间隙中的波数；02020/2WnWkzggR为光束的瑞利值；Rzztgz1为附加相位；212201RzzWzW为高斯场在z处的束宽；21zzzzRR为等相位面的曲率半径；HUST 20122021/7/914高斯光束zR的意义：当Rzz，高斯光束为张角极小的准平行光束；当Rzz，W(z)随z的增大而迅速增大；单模光纤：mzR60利用高斯近似，较

7、容易求得接头损耗：dBexp16log10422qpunnqnngcogco式中，22TgWkp 4122GqttGFGFu222sin4/1cossin21 HUST 20122021/7/9152TR2020WW;TgTgWkzGWkrF：光纤倾斜方向与包含光纤纤轴和横向位移的平面之间的夹角；r0：横向偏移量。在其它参数偏差为零，各个单个损耗因子引起的损耗：dB34.4200WWWWrRTr dB11log102200gapgzWkz横向偏移纵向偏移 HUST 20122021/7/916gaptgWktsin234.42角向偏移gapTRRTWWWWW222224lg10模场半径失配其中

8、，4122116lg10gggapnnnn是双向菲涅尔反射损耗。端面倾斜引起的损耗设一根光纤端面的倾斜角为e，另一根光纤端面与光轴垂直，则等可效于一角向偏移egtnn11；对于无折射率匹配接头，et47.0；端面倾斜oo15.0将引起dB2.005.0的连接损耗。gapTRRTWWWWW222224lg10 HUST 20122021/7/9177.3 光纤与光纤之间的固定接头光纤固定接头的基本要求：制作时间短、成本低、稳定插入损耗小应用场合不同，要求不同：长途干线通信系统：损耗低、性能稳定，对时间与成本要求则不高；光纤局部区域网络：距离短、接头多、要求时间快、损耗满足一般要求。光纤固定接头的

9、制作：光纤端面制备光纤对准调节光纤接头焊接固定 HUST 20122021/7/918 HUST 20122021/7/919一、光纤端面制备：光纤端面要求：平整光纤的镜面，且与光纤的纤轴相垂直。光纤端面制备方法：加热法、刻痕拉断法、研磨抛光法 HUST 20122021/7/920研磨抛光法：剥除光纤保护层陶瓷套管加固模具加工研磨抛光光学冷加工技术优点：端面倾角小于1，一次可加工多根光纤。HUST 20122021/7/921二、光纤对准调节：无源对准：依靠光纤或辅助器件的几何尺寸一致性来进行对准。HUST 20122021/7/922有源对准：通过检测光功率的大小来实现对准。有源对准的方法

10、：透射率法：检测输出功率，达到光纤间的最佳耦合；局部损耗法：光纤的接续损耗达到最小。透射法：远端透射监测、本地透射监测 HUST 20122021/7/923远端透射光功率监测法：对准时测到的光功率达到最大。HUST 20122021/7/924本地透射光功率监测法：对准时测到的导模光功率达到最大。HUST 20122021/7/925局部损耗功率监测法：对准时测到的泄漏或辐射模光功率达到最小。HUST 20122021/7/926三、光纤的固定：胶粘法 机械夹持方法 熔焊技术 HUST 20122021/7/927光纤间的熔焊：HUST 20122021/7/928 HUST 2012202

11、1/7/9297.4 光纤活动连接器 HUST 20122021/7/930v按结构的不同可分为按结构的不同可分为FCFC、SCSC、STST、LC LC、MUMU等各种型式；等各种型式；HUST 20122021/7/931v按连接器的插针端面可分为FC、PC(UPC)和APCn球面接触（球面接触（PC）：将装有光纤的插针体端面加工成球面，球面曲率）：将装有光纤的插针体端面加工成球面，球面曲率半径一般为半径一般为25mm60mm。其回波损耗可以达到。其回波损耗可以达到50dB以上。由于球以上。由于球面接触使纤芯之间的间隙接近于面接触使纤芯之间的间隙接近于0，达到，达到“物理接触物理接触”。端

12、面间隙和。端面间隙和多次反射所引起的插入损耗将得以消除，从而使后向反射光大为减少。多次反射所引起的插入损耗将得以消除，从而使后向反射光大为减少。n 斜球面接触（斜球面接触（APC）:先将插针体端面加工成先将插针体端面加工成8 左右的倾角，再按球左右的倾角，再按球面加工的方法抛磨成斜球面。这种方案除了实现光纤端面的物理接触外，面加工的方法抛磨成斜球面。这种方案除了实现光纤端面的物理接触外，还可以将微弱的后向反射光加以旁路，使其难以进入原来的纤芯。回波损还可以将微弱的后向反射光加以旁路，使其难以进入原来的纤芯。回波损耗可以达到耗可以达到60dB甚至甚至70dB以上。以上。HUST 20122021/7/932v也称作插座或法兰盘 HUST 20122021/7/933v各种活动连接的性能插拔次数插拔次数:1000:1000次次;重复性重复性:0.1dB:0.1dB HUST 2012问题？问题？