1、2023年9月20日星期三第第3章章外界因素引起的外界因素引起的光纤系统的损耗光纤系统的损耗2023年9月20日星期三3.1引言引言 上一章上一章（光纤制造、光纤材料）（光纤制造、光纤材料）光纤弯曲产生的损耗光纤弯曲产生的损耗 光纤系统耦合产生的损耗光纤系统耦合产生的损耗2023年9月20日星期三3.2弯曲引起的光纤损耗弯曲引起的光纤损耗 弯曲分类弯曲分类 宏弯宏弯 微弯微弯3.2.1光纤的宏弯损耗光纤的宏弯损耗 RRc 附加损耗很小附加损耗很小 RRc 附加损耗按指数迅速增加附加损耗按指数迅速增加多模损耗多模损耗单模损耗单模损耗Rc R2023年9月20日星期三3.2.1光纤的宏弯损耗光纤的
2、宏弯损耗1.多模损耗多模损耗 1020,2322exp22223vvvevevWVeakTRWWaRT时时，时时，22212022202222220212nnkaVknWknU WaWRc2347.02332 2023年9月20日星期三2.单模损耗单模损耗 22321213213421expnaVnWUWWKUaWAURRAccc 323996.0748.220 ccnR mdBnAmnUccccc/30%3,28.0996.0748.2705.02321411323 误误差差小小于于ABC/umRc/mm2023年9月20日星期三3.2.2光纤的微弯损耗光纤的微弯损耗1.多模损耗多模损耗（1
3、）k=kc,光纤的微弯损耗最大光纤的微弯损耗最大（2）在）在l=lc，主衰减谱宽为，主衰减谱宽为2lc2/L,两侧还有次级大出现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）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）光纤的微弯损耗与微弯总长成正比 为其他值为其他值zLzzkAzfd00sin akLkkLkkLkkLkkLAcccccd/22/2/sin2/2/sin4 2023年9月20日星期三2.单模损耗单模损耗 2220220203222019022102010422.3,/106799.921)(2)(8nksRdRdRRaspkmdBAss
4、pspsnksnkAp 2023年9月20日星期三3.3光纤和光源的耦合损耗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。考虑两者特征参量相互匹配的问题。光纤参数：光纤参数：纤芯直径、数值孔径、截至波长（单纤芯直径、数值孔径、截至波长（单模）、偏振特性模）、偏振特性 光源参数：光源参数：发光面积、发光的角分布、光谱特性发光面积、发光的角分布、光谱特性（单色性）、输出光功率、偏振特性（单色性）、输出光功率、偏振特性2023年9月20日星期三3.3.1半导体激光器和光纤的耦合损耗半导体激光器和光纤的耦合损耗
5、 半导体光源特点半导体光源特点 yyxxyxzzyxzAzyxI0022,2exp)(,000),(2dxdyzyxIP2023年9月20日星期三1.直接耦合的损耗直接耦合的损耗%952exp222exp22%95),(202/tan202000000 dxxdxxPPdxdyzyxIPxxxycy 2023年9月20日星期三2.用透镜耦合的损耗用透镜耦合的损耗（1）球透镜）球透镜 rannrancarcsinarccosarcsinsinarcsin121 图图334端面球透镜的光路简图端面球透镜的光路简图 图图335等效接收角和球半径及光等效接收角和球半径及光 纤半径的关系纤半径的关系20
6、23年9月20日星期三（2）柱透镜）柱透镜 利用柱透镜可把半导体激光器发出的光进行利用柱透镜可把半导体激光器发出的光进行单方单方向会聚向会聚，使光斑接近圆形以提高耦合效率。也可利，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、球透镜以及光纤的以及光纤的相对位置的准确性要求极高相对位置的准确性要求极高，稍一偏离，稍一偏离正确位置，耦合效率就急剧下降，甚至不如直接耦正确位置，耦合效率就急剧下降，甚至不如直接耦合。合。2023年9月20日星期
7、三（3）凸透镜耦合）凸透镜耦合 凸透镜耦合一般用直径为凸透镜耦合一般用直径为35mm，焦距为，焦距为4一一15mm的凸透镜的凸透镜 凸透镜耦合的光路简图凸透镜耦合的光路简图2023年9月20日星期三（4）圆锥形透镜耦合）圆锥形透镜耦合1221sinsinaa 11342312132211sinsinsinsinsinsinsinsinsinsinaaaaaaaaaannnnnncc 2023年9月20日星期三 为了满足激光器长条发光面和圆形光纤的耦合要求，人们为了满足激光器长条发光面和圆形光纤的耦合要求，人们还提出了一种还提出了一种异形透镜的耦合异形透镜的耦合办法。透镜的办法。透镜的一个端面为
8、长一个端面为长条形条形，可与激光器发光面配合，可与激光器发光面配合，另一个端面为圆形另一个端面为圆形，可与，可与光纤连接。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。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微型相位光栅以改变半导体激光器输出光波的空间分布出光波的空间分布:由长条形分布改变为圆对称分布，以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。景。（5）异型透镜）异型透镜2023年9月20日星期三对于单模
9、光纤的耦合，其微型元件的制造、定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。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光源和光纤耦合一些典型的光路简图2023年9月20日星期三3.3.2半导体发光二极管和光纤的耦合损耗半导体发光二极管和光纤的耦合损耗发光二极管发光二极管激光器激光器自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射发射方向性差发射方向性差方向性好方向性好均匀面发光均匀面发光余弦发光余弦发光高斯分布高斯分布2023年9月20日星期三1.直接耦合的损耗直接耦合的损
10、耗EEBAdBAP2002cossin222023年9月20日星期三220max2202sincossin2cossin22)sin2)(/cosNAPPdBAdPBAdBAPrrddArdAddBAdPcEcEEE2023年9月20日星期三2.用透镜耦合的损耗用透镜耦合的损耗（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2023年9月20日星期三3.4多模光纤和多模光纤的直接耦合损耗多模光纤和多模光纤的直接耦合损耗 假设 光功率在截面上分布均匀 光强的角分布和偏振也是均匀的 光纤是均匀折射率分布的多模光纤 为光线入射角10121421116nnNFNNT轴偏离的耦
11、合损耗轴偏离的耦合损耗两光纤端面之间的间隙的耦合损耗两光纤端面之间的间隙的耦合损耗两光纤端面之间倾斜的耦合损耗两光纤端面之间倾斜的耦合损耗两光纤端面之间不完整的耦合损耗两光纤端面之间不完整的耦合损耗两光纤种类不同的耦合损耗两光纤种类不同的耦合损耗2023年9月20日星期三 3.4.1轴偏离对耦合损耗的影响轴偏离对耦合损耗的影响 212421212arccos21116axaxaxNN 2023年9月20日星期三3.4.2两光纤端面之间的间隙对耦合损耗的影响两光纤端面之间的间隙对耦合损耗的影响 21422241116 NazNN2023年9月20日星期三3.4.3两光纤端面之间倾斜对耦合损耗的影
12、响两光纤端面之间倾斜对耦合损耗的影响 2142321116 NNN2023年9月20日星期三3.4.4两光纤端面之间不完整对耦合损耗的影响两光纤端面之间不完整对耦合损耗的影响 2121424211116 NNNN端面倾斜端面倾斜 addNNNN212142512211116 端面弯曲端面弯曲 2023年9月20日星期三3.4.5两光纤种类不同对耦合损耗的影响两光纤种类不同对耦合损耗的影响 011601116422/1426PNNPPNN 光纤芯径不同光纤芯径不同 121aaP2023年9月20日星期三折射率不同折射率不同 7 011601116422/1427qNNqqNN 121 q2023
13、年9月20日星期三3.5单模光纤和单模光纤的直接耦合损耗单模光纤和单模光纤的直接耦合损耗 假设假设 光功率在截面上分布为高斯分布光功率在截面上分布为高斯分布 3.5.1两光纤离轴和轴倾斜对耦合损耗的影响两光纤离轴和轴倾斜对耦合损耗的影响 20220134.4 snsd2023年9月20日星期三3.5.2两纤端面间隙对耦合损耗的影响两纤端面间隙对耦合损耗的影响 2020222222141lg10snkSzzzze 2023年9月20日星期三3.5.3两光纤种类不同对耦合损耗的影响两光纤种类不同对耦合损耗的影响 22212132lg20ssss nmaalsscc 002023年9月20日星期三3
14、.6多模光纤通过透镜耦合多模光纤通过透镜耦合光纤和透镜光纤和透镜耦耦合合：主要应考虑两者数值孔径的匹主要应考虑两者数值孔径的匹配以及透镜的像差配以及透镜的像差 单透镜的近轴特性单透镜的近轴特性单透镜的球差单透镜的球差耦合效率耦合效率2023年9月20日星期三3.6.1单透镜的近轴特性单透镜的近轴特性 1.变折射率（自聚焦透镜）2.球透镜3.圆棒状透镜2023年9月20日星期三4.透镜耦合系统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，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减小装配误差以及中间可插入光学元件(诸如偏振器、诸如偏振器、调制器、光隔
15、离器等调制器、光隔离器等)，均采用平行光结构。这时对于，均采用平行光结构。这时对于轴上点需考虑轴上点需考虑透镜球差透镜球差引起的引起的焦点光斑扩大焦点光斑扩大。2023年9月20日星期三3.6.2单透镜的球差单透镜的球差 1.变折射率（自聚焦透镜）变折射率（自聚焦透镜）2.球透镜球透镜 3.圆棒状透镜圆棒状透镜 320112NAfn 3221141NAfnn 32311NAfnn 2023年9月20日星期三例例 对于典型的多模光纤，对于典型的多模光纤，NA=0.2，若取，若取f=3mm，n0=1.55 mNAfn 16123201 mNAfnn 251141322 mNAfnn 3311323 2023年9月20日星期三3.6.3耦合效率耦合效率 SI GIaaasa2/63.019.010 asa 5.021.010 2023年9月20日星期三第二章、第二章、第三章作业第三章作业 P91 2.1、2.2、2.4 P110 3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9
