锥型塑料光纤的光传输特性及其应用研究

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华侨大学硕士学位论文：锥型塑料光纤的光传输特性及其应用研究
and optical fiber is given. It puts forward some methods to improve beam divergence angle of LED and the coupling efficiency between LED and optical fiber. The experiment shows that tapered plastic optical fiber has good efficiency in improving light coupling efficiency.
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第 1 章 绪论
1.1 塑料光纤及其应用
塑料光纤 （Plastic Optical Fiber,简称为 POF） 也称为聚合物光纤 （Polymer Optical Fiber， 亦简称为 POF） ， 是采用聚合物材料或有机材料制备而成的可传导光功率的传输线。 它具有芯径粗（典型值为 1mm） 、对接容易、价格低、弹性模量低、可挠性好[1]（可承受 6%－13%的可恢复性应变）等优点。它在短距离通信和光纤传感方面具备石英光纤所不具 备的优点，有明显的优势，于是各国的学者对塑料光纤进行了一系列深入的研究，也取 得了相当大的进展[2-5]。 目前对塑料光纤的研究主要集中在以下几个方向：降低损耗、提高带宽、提高耐热 性。
Keywords: plastic optical fiber；tapered fiber；ray tracing method；coupling efficiency；far-field characteristics
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原创性声明
本人声明兹呈交的学位论文是本人在导师指导下完成的研究成果。 论文 写作中不包含其他人已经发表或撰写过的研究内容， 如参考他人或集体的科 研成果，均在论文中以明确的方式说明。本人依法享有和承担由此论文所产 生的权利和责任。
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实验发现，锥形塑料光纤对于提高光束的耦合效率具有良好的效果。
关键词：塑料光纤；锥形光纤；光线追迹法；耦合效率；远场特性
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ABSTRACT
The plastic optical fiber(POF) have many advantage in short distance communication, such as fine flexibility, easy-connecting , low cost and so on. In the field of sensing, compared with the silica optical fiber(SOF), the POFs have higher sensitivity and bigger measurement range. So the plastic optical fiber is being paid more and more attention and it has the quite considerable potential market and the application prospect. This paper studies on the theory of mode coupling and power flow equation of plastic optical fiber waveguide. Ray tracing method of plastic optical fiber is simply introduced and simulated. Based on the ray tracing method of geometric optics, the propagation property of rays in tapered plastic fiber is analyzed and simulated. The meridian ray and the skew ray propagation formula for tapered plastic fiber is derived. The result shows that it is appropriate to use a smaller taper angle when the tapered plastic optical fiber is used as collimation. The experiment of large-core plastic optical fiber thermal pre-elongated taper is introduced. Through experiment repeatedly, the paper proposed the good parameter of plastic optical fiber thermal pre-elongated taper, and gave some test and analysis on the thermal pre-elongated tapered plastic optical fiber. The far-field characteristics when LD goes through telescope system、multi-mode fiber system and tapered plastic optical fiber system are studied. The telescope system has good beam collimation, and the far-field beam appears ring shape for diffraction. Multi-mode fiber system has the characteristic of model dispersion which makes the complex spatial coherence less and the light beam uniformity increased. With both characteristics, tapered plastic optical fiber system makes the light have partial coherence and reduces the beam divergence angle, which makes the light quality the best. Information is carried by light beam from light sources in optical fiber communication. The most common light sources are semiconductor laser and light emitting diode. In the last chapter, the research on coupling between LED
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的波形相对于入射波形出现展宽，其传输带宽仅为几十至上百 MHz ⋅ Km。氟化梯度折射 率分布塑料光纤从选择低色散材料出发，以优化的梯度折射率分布为手段，即可将其折 射率分布指数在 0.85~1.3μm 波长范围内选定为 2.07~2.33，从而起到抑制模间色散，控 制出射光波相对于入射光波展宽的效果，进而可获得高达几百 MHz ⋅ Km 至 10GHz ⋅ Km 的传输带宽。 由于塑料光纤是由塑料材料构成的，故其在高温环境中工作会发生氧化降解。氧化 降解是光纤芯材料中的碳基、双键和铰链互相作用形成的。氧化降解将促使电子跃迁加 快，进而引起光纤损耗增大。为提高塑料光纤的热稳定性，通常的做法是：选用含氟或 硅的塑料来制造塑料光纤或者选取塑料光纤的工作波长大于 660nm 处，以使塑料光纤具 有高的热稳定性。
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1.1.2 塑料光纤的应用
塑料光纤以其柔软易弯曲、芯径大、易耦合、抗电磁干扰/电磁辐射、制造工艺简单 和成本低等优点，广泛应用于短距离、中小容量信息传输系统中，例如短距离高速数字 通信、有线电视、局域网（Local Area Network，简称 LAN） 、室内计算机之间的连接、 传感器、CD 播放机、汽车、飞机信息传输网络、多媒体网络、军事网络等、甚至可以用 于宇航以及导弹的制导。目前，短距离、中小容量系统主要还是采用铜质电缆。随着对 POF 研究的深入，POF 的传输距离不断增加，相关器件的成本不断降低，加上用户对带 宽需求的增长，铜质电缆迟早会被 POF 所代替。 用于局域网 一般局域网数据传输距离在100m甚至65m之内，包括校园网、楼宇
1.1.1 塑料光纤的性能
自 1966 年，英籍华人高锟提出石英光纤[6]可以作为光通信的传输介质以来，光纤的 研究由七十年代起至今经历了 0.85μm 多模光纤、1.31μm 标准单模光纤、1.55μm 色散 位移单模光纤、1.55μm 非零色散位移单模光纤和 1.55μm 大有效面积非零色散位移单 模光纤几大技术与产品的飞跃。石英玻璃光纤性能的研究重点自始至终定位在衰减、色 散（包括偏振模色散） 、非线性效应等，塑料光纤的性能研究重点则是衰减、色散、热稳 定性等。 塑料光纤的衰减主要受限于纤芯及包层材料的吸收损耗和散射损耗。人们通过选用 低折射率和等温压缩率小的塑料材料，通过稳定塑料光纤制造工艺降低结构缺陷（如芯 直径波动，芯包界面缺陷等） ，来使塑料光纤获得小的散射损耗。而塑料材料的吸收损耗 则是由分子键（碳氢键、碳氟键等）伸缩振动吸收和电子跃迁吸收所导致的。 以碳氢键为基本骨架的塑料中，在波长为 650nm 处的衰减系数大约为 100dB/km， 如果用氟原子置换碳氢键中的氢所组成的氟化塑料，不仅本征衰减小，而且色散也减小 了。用氟化塑料制成的梯度折射率塑料光纤，在可见光至红外范围的衰减很小。 用作短距离光传输介质的塑料光纤，按折射率分布可分为两种：阶跃折射率分布塑 料光纤和梯度折射率分布塑料光纤。阶跃折射率分布塑料光纤由于存在模间色散，输出
华侨大学 硕士学位论文 锥型塑料光纤的光传输特性及其应用研究 姓名：连重炎 申请学位级别：硕士 专业：光学 指导教师：庄其仁 20071201
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摘
要
由于塑料光纤（POF）在短距离通信中所显示出来的可挠性好、对接容 易、成本低等优势及其在传感领域较石英光纤（SOF）有灵敏度高、动态测 量范围大等优点，塑料光纤越来越受到人们的重视，具有相当可观的潜在市 场和应用前景。 本论文研究了塑料光纤波导的模式耦合理论与功率流方程， 介绍了塑料 光纤的光线追迹法理论，并对其进行了仿真。利用几何光学中的光线追迹法 分析和仿真了锥形塑料光纤中的光线传输特性。 推导了子午光线和斜光线在 锥形塑料光纤中传输的递推公式。分析结果表明，用锥形塑料光纤作为准直 器，采用小锥角是比较合适的。 介绍了大芯径塑料光纤热预拉锥的实验。通过实验，得到较好的塑料光 纤拉锥工艺参数，并对拉锥后的塑料光纤进行测试分析。实验研究了 LD 输 出激光束经过望远镜系统、 多模光纤系统和锥形塑料光纤系统三种系统后的 光束远场特性。望远镜系统具有良好的光束准直效果，由于衍射，远场光束 呈现环状的光强分布；多模光纤的模间色散特性，使得光束的空间相干度降 低，大大改善了输出光束的均匀性；锥形塑料光纤系统所具有的准直特性和 模间色散特性，使光束具有部分相干性的同时，也减小了光束的发散角，光 束质量最好。 在光纤通信系统中，由光源产生的光束携带信息。半导体激光器和发光 二极管是两种最常用的光源。最后一章，研究了 LED 与光纤的耦合问题， 提出了几种关于改善 LED 光束发散角和提高 LED 与光纤耦合效率的方法。