1、 HUST 20122021/7/91第七章光纤的连接与耦合 HUST 20122021/7/927.4 光纤与光源间的耦合技术光纤光学用到从闪光灯到大功率激光器的所有光源，几乎无所不包，光源的发光特性是光源与光纤耦合效率的关键因素。光源影响耦合效率的特性有：发光面积、辐射角、空间分布、频谱分布。光源的分类（按空间辐射特性）：朗伯光源（钨丝灯、卤素灯、LED）准平行高斯光束光源（固体、气体激光器）发散型高斯光束光源（LD、超辐射LED）HUST 20122021/7/93光源与光纤的耦合方式直接耦合：简单、成本低、效率也低透镜耦合：对光源光束作变换，变换NA、a、消像差。经变换后，光束特性与光
2、纤相匹配，提高耦合效率。耦合效率定义：sfPP耦合损耗定义：sfPP10log10 HUST 20122021/7/94一、光纤与朗伯光源的耦合朗伯光源：远场辐射图按cosq而变化ds发出的q方向dW立体角内光强为：cosdPIdsd2/2 sinddA rd HUST 20122021/7/95朗伯光源与光纤的耦合效率：002sincos2sincosfmfssmsSfSSId dSPPId dS sasinsssmNAnfa02cNAn设面光源可等效于一半径为的圆，发射孔径角可由数值孔径定义；光纤纤芯半径，数值孔径，折射率分布为g型分布。2 ()2 2ffffssssffssa NAga
3、NAa NAga NAga NAa NAg当（当）HUST 20122021/7/96说明：由于光纤的数值孔径及纤芯半径都很小，光纤与朗伯光源直接耦合效率极低，单模60分贝损耗，多模40分贝损耗，在通信及传感系统中用得极少；由透镜变换的特性决定了不可能通过透镜变换来提高耦合效率；实际应用中，由于光纤一般不可能紧贴光源耦合。因此，常利用透镜系统来将光源的发散光束变成会聚光束，以改善光源光纤的耦合。HUST 20122021/7/97 HUST 20122021/7/98体积小，线性好，功率稳定，寿命长。光纤与发光二极管之间的耦合：面发光LED边发光LED直接耦合方式，单模光纤与面发光二极管耦合后
4、的光功率可达几微瓦；多模光纤可达几十微瓦。直接耦合方式，单模光纤与边发光二极管耦合后的光功率可达4060微瓦；多模光纤可达毫瓦。HUST 20122021/7/99二、半导体激光器与光纤耦合LD输出光束：束腰在端面上的准高斯光束。特性：近场不对称；远场光斑不对称；具有很大的发散角。因光源的模场半径比光纤的纤芯小得多，可用透镜变换进行耦合！影响耦合效率的因素：场型失配、场分布的非园对称、模场半径失配、菲涅尔反射损耗、透镜相差损耗。（1）场型失配损耗fs单模光纤高斯场型；LD偏离高斯场型dBfs15.0（2）场的非园对称损耗e221012log10e HUST 20122021/7/910（3）模
5、场半径失配损耗myxeWWW222102log10fefemWWWW单模光纤：mWf4LD：mWe9.0dBm4.7用透镜作变换！（4）菲涅尔反射损耗光纤和耦合透镜表面的菲涅尔反射产生，可通过镀减反膜，使剩余反射率低于1，菲涅尔损耗可降低至0.04dB。HUST 20122021/7/911三、常见的几种变换透镜单透镜：球透镜、平凸透镜、自聚焦透镜（GRIN）复合透镜：半球面GRIN透镜、球透镜 GRIN透镜、球透镜 SMF的GRIN透镜光纤微透镜（较为实用的一种）直接在光纤端面拉锥的方法：（1）直接在光纤端面拉锥、烧球透镜；（2）在光纤端面拉锥，点高折射率的球透镜。HUST 20122021
6、/7/912 HUST 20122021/7/913耦合损耗:5 dB 耦合损耗接近:0dB光纤微透镜 HUST 20122021/7/914设LD与光纤锥端部分分别处于透镜前后焦平面上，且透镜球面半径为lRln，折射率为，设透镜焦距为f，则LD距透镜球面距离1fd，2fndl，透镜对高斯光束的变换 HUST 20122021/7/915微透镜成像矩阵为：010101110110112ffdfndDCBAl由高斯光束传输矩阵可得：DCqBAqqeefc HUST 20122021/7/916efcqq、分别为光纤锥面处与LD输出端面处高斯光束复参数，201201eefcfcWiqWiq可设计光
7、纤微透镜公式：110lllllefcnRnLfnRWWf HUST 20122021/7/917fcW：光纤锥端模场半宽，fcWfW623879.2619.165.0cccVVa（纤芯不拉锥）（纤芯拉锥）ffcccoccaDDankaV；20fcDD、：光纤包层拉锥前后直径；fa：光纤拉锥前纤芯半径。HUST 20122021/7/918图3.19 激光器组件的内部组装图（a）和外形图（b）（a）（b）HUST 20122021/7/9197.5 光纤与光源器件间的耦合技术光分束器、波分复用器、隔离器/环行器、衰减器、光开关，要应用到光纤线路中，需要与光纤作耦合。耦合方式：准直聚焦方式损耗定义
8、：inoutPP10log10耦合质量：要求插入损耗尽可能小。HUST 20122021/7/920球透镜系统：GRIN透镜系统：平凸GRIN透镜系统：HUST 20122021/7/9218 8路多层介质膜滤波器路多层介质膜滤波器DWDMDWDM复用复用/解复用器解复用器SMFSMFLensLensLensLensLens通通道道 1通通道道 7通通道道 5通通道道 3通通道道 8通通道道 6通通道道 2通通道道 4LensLensLensLensMicroPlasma 多多层层介介质质膜膜滤滤波波器器(8 通通道道)HUST 20122021/7/922球透镜耦合系统88.166.1 ,5
9、.225.0lnmm透镜焦距：数值孔径：12lllnRnflnNA112光纤置于准直透镜的焦点上时，光束发散角和光束的半宽分别为：lllfRnnR)1(2)1(2lllfnRnNAW HUST 20122021/7/923自聚焦透镜耦合系统2/LA220nnnNA)(10Anf 220nnnNA当输入光纤置于准直透镜焦点上时，光束发散角与光束半宽为：AnRf0)(0AnNAWf HUST 20122021/7/924耦合效率：影响耦合效率的因素：象差：透镜及光学元件球差、慧差、色差、场曲及畸变调整误差：横向、纵向、角向失准和模场失配耦合效率的分析方法：（1）光线追迹法；（2）模场耦合分析法 HUST 2012问题？问题？
