《光纤光学教学课件》第十八讲

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(a)横向偏移 (b)纵向偏移 (c)角向偏移
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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；
参考信号
LOCK-IN 放大器
探测器 90o GE-APD
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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。
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三、光纤的固定：
• 胶粘法 • 机械夹持方法 • 熔焊技术
金属夹具
光纤
精度玻璃管
精度玻璃棒
光纤
金属夹具 玻璃棒
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研磨抛光法： 剥除光纤保护层
研磨抛光
陶瓷套管加固 光学冷加工技术
模具加工
优点： 端面倾角小于1‘，一次可加工多根光纤。
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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。
R arcsin[NA(r)]
R ：接收孔 径角； R 的光纤 不能被接收
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点光源透过率：能被接受的功率与点光源总功率之比。
t r
1
QWg
WgQ
NAR NAT (Q 1)
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
NAT NAR (Q 1)
Q NAR 2 /NAT 2
expit
kz
z
r2
W 2 z
ik g r 2
2Rz
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上式中
Kg
2ng 0
为间隙中的波数；
zR k g W02 2 ngW02 / 0 为光束的瑞利值 ；
z
tg
1
z zR
为附加相位；
W
z
W02
1
z zR
2 1 2
（3）多模光纤间的a和Δ的偏差会引起较大的损耗，其量级可达 0.05～0.2dB ；
（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在十分之 几微米之内。
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光纤固定接头的制作：
光纤端面制备
光纤对准调节
光纤接头焊接
固定
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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
远端透射光功率监测法：对准时测到的光功率达到最大。
中心室
接头
n
n+1
金属线缆或光缆
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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。
LD （λ=1.55um）
单模光纤
调制器 （f=270Hz）
焊接
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其中，gap
10 lg
16n12 ng2 n1 ng
4 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 t 1 n1 ng e ；
对于无折射率匹配接头， t 0.47 e ；
端面倾斜 0.5o ~ 1o 将引起 0.05 ~ 0.2dB 的连接损耗。
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F r0 k gWT2 ; G z0 k gWT2 ; WR WT 2
：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：
r0
4.34 r0 W
2
WT WR W dB 横 向 偏 移
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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： 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
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x t(r) 1 (Kr) gR
0
2 rdrd
PT
2x 1/ K 1 (Kr) gT 2 rdrd 00
x
k
aR aT
1
aT aR aT aR
连接损耗：
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10log10 T
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二、单模光纤连接损耗的理论分析
由于不满足 0 a 1 ，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：
1
C
1 2
0 0
2
A E E*dA
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 C C00 ，
则光纤的接头损耗为： 10 lg C00 2
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§ 7.2 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：
NA(r) nc0
2[1 ( r )g ]1/2 a
斜球面接触（APC）:先将插针体端面加工成8 °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， 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60dB甚至70dB以上。
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❖也称作插座或法兰盘
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菲涅尔反射损耗
gap
10 log10
4ng nco1 (ng nco1)2
10 log10
4ng nco2 (ng nco2 )2
ng ：光纤端面间隙材料折射率
dB
nco1, nco2 ：光纤纤芯轴线处的材料折射率
一般 nco 1.47 ，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。
Wg ：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：
Pr P0 1 Krg 2
K aR / aT 两光纤的纤芯差异
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总透过率T：能被接收光纤接收的光功率与总发射光功率 之比。
其中：
T PR
2x 0
z0
10 log 1
z0
1 kgW 2
2
gap
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dB 纵 向 偏 移
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t 4.34 k gW 2 2sin t gap 角向偏移
W 1W0lg41W0 lTg2 W W W 4WR2T2WR2 R2WR2 WT2T22 2 ggaapp 模场半径失配
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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： 10log10 T
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T：透过率
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引起光纤连接损耗的因素： 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
第七章光纤的连接与耦合
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§ 7.1 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）： 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
精度玻璃管
金属夹具
光纤
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光纤间的熔焊：
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§ 7.4 光纤活动连接器
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❖按结构的不同可分为FC、SC、ST、 LC 、 MU等各种型式；
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❖按连接器的插针端面可分为FC、PC(UPC)和APC
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 半径一般为25mm~60mm。其回波损耗可以达到50dB以上。由于球 面接触使纤芯之间的间隙接近于0，达到“物理接触”。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。
单模光纤：zR 60m
利用高斯近似，较容易求得接头损耗：
10 log
16nc2o ng2
q nco ng
4
exp
pu q
dB
式中， p kgWT 2 2 q G 2 12 4
u 1F 2 2FGsint cos G 2 1/ 4 sin 2 t
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§ 7.3 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。
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❖各种活动连接的性能
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插拔次数: >1000次; 重复性: <0.1dB
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场的表达式：
光纤内，实际的阶跃单模光纤基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：
E
2 W0
exp
r W0
2
光 纤 外 ， 距 光 纤 端 面 z处 的 光 场 为 ：
E
W2z
0 0
1 2
1 2
为 高 斯 场 在 z处 的 束 宽 ；
Rz z 1 zR z2 为等相位面的曲率半径；
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高 斯 光 束 zR的 意 义 ：
当 z z R ，高斯光束为张角极小的准平行光束； 当 z > > z R ，W(z)随z的增大而迅速增大；