《光功率发射和耦合》PPT课件

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1、第五章光功率发射和耦合本章内容光源-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

2、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LE

3、D有一个半径为35mm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50mm，NA=0.20的光纤，入纤功率为：如果纤芯半径为25mm，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

4、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~50m存在注入模式达到稳态的过程。NAoutNAin与轴心夹角大的模式不

5、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：非成像微球NA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多模光纤的连接5.3光纤与光纤的连接单模光纤的连接假设所有模式功率均匀分布，光纤-光纤的功率耦合与两根光纤共有的模式数成正比。由此光纤-光纤的耦合效率为

6、：多模光纤的连接其中ME为发射光纤的模式数，Mcomm为两根光纤所共有的模式数。因此，耦合损耗定义为：多模光纤的两种模式分布对连接的要求接收光纤必须与发射光纤完全对准以减少损耗轻微的对准误差不会对连接损耗产生显著影响机械对准误差纤芯尺寸细微，很难实现完全精确的机械对准。由此导致的机械对准误差将成为连接损耗的主要原因。机械损耗分为三种：(1)横向(轴向)误差(2)纵向误差(3)角度误差横向误差—阶跃光纤阶跃光纤的数值孔径在端面上为常数，因而从一根光纤耦合进入另一根光纤的光功率正比于两根光纤公共的区域面积：进一步得到耦合效率：光纤尾端面上某点r处的光功率密度是r的函数

7、：横向误差—梯度光纤出射功率r其中p(0)为光纤轴心上的功率密度。p(r)与光纤出射端面的总功率p的关系为：假设光纤折射率剖面为抛物线，可以得到P与p(0)的关系为：由于折射率的梯度分布，在A1发射光纤的数值孔径小于接收光纤，在A2发射光纤的数值孔径大于接收光纤。A1或A2的功率可由下式计算：其中积分限为：横向误差—梯度光纤耦合功率通过积分可以分别求出两个区域的耦合功率P1和P2为：横向误差—梯度光纤因此可以得到接收光纤所耦合的总功率为：当横向对准误差d<

8、着横向偏移