两根光纤接续与靠近时会出现什么问题.docVIP

第四章 两根光纤接续与靠近时会出现什么问题？ 当两根光纤接续或靠近时，介质的性质就不再像上一章中我们讨论的各种理想情况那样具有高度对称性了。当两根光纤接续或纵向折射率变化时，导致电磁场分布也不再是我们前面所讨论的正规模式了，从几何光学角度考虑光线将发生反射和透射，从电磁波理论考虑模场将发生纵向耦合。当两根光纤靠近时，光场的能量将会从一根纤芯通过包层传入另一根纤芯中，即发生横向耦合。除了上述在传播方向和空间位置之间的耦合外，同时也发生着低阶模向高阶模以及导波模向辐射模的耦合。下面一章中我们将讨论光纤连接及模式耦合的一些基本问题。 §1 光纤的连接（焊接、机械连接） 当两根光纤接续时，由于两光纤位置、形状、结构等的差异，造成能量并不能100%地从一根光纤进入另一根光纤，即会出现连接损耗。为了尽量地减小连接损耗，人们发展出光纤焊接和机械连接技术，来实现光纤的连接。由于光纤纵向出现不均匀性将导致模式成为非正规模，关于非正规模的纵向耦合理论分析起来非常复杂且物理含义不明显，因此我们下面主要从几何光学角度定性地讨论光纤连接的一系列问题。 4.1.1 光纤的连接损耗[1]~[4] 光纤的连接质量用连接损耗表征，它的定义式为 （4.1.1） 式中、分别为输入和输出稳态模的功率。目前光纤的损耗已经很小，已达到0.4dB/km以下，所以要求光纤的连接损耗也必须很小。 影响光纤连接损耗的因素有很多，下面将从位置偏离、端面畸变、结构参数失配这三个主要方面来进行分析。在分析过程中，还应注意区分单模与多模光纤。这是因为，多模光纤的模场可以近似的看成是均匀分布，而单模光纤则不行。在下面的分析中我们将单模光纤的模场近似的看作是满足Gauss分布的。 (1)两光纤相对位置偏离引起的损耗 由于光纤具有轴对称性，因此描述两根光纤的位置关系只需横向偏移d、角度偏移、纵向偏移z三个参量即可。下面讨论的三种情况均是当一个参量起作用时，另外两个参量不起作用的情况。 (a)横向偏移引起的连接损耗 如图4.1.1所示，两根光纤保持平行，但分开了距离d的几何偏移称为横向偏移或错位。由几何关系可知，(b)图中重叠部分面积为 （4.1.2） 对于阶跃光纤，其耦合效率等于重叠部分面积与两根光纤各自纤芯面积之比，即 （4.1.3） 由此可得两根光纤的横向偏移引起的错位连接损耗为 （4.1.4） 对于梯度光纤，由于其数值孔径是位置的函数，其耦合效率的计算方法更为复杂。这里不作详细讨论，仅给出其错位连接损耗的计算公式 （4.1.5） 式中d为横向错位，a为纤芯半径。 多模梯度光纤在模式稳态分布时的错位连接损耗可以简化为 （4.1.6） 单模光纤连接时，当传播模场近似于Gauss分布时，错位连接损耗为 （4.1.7） 式中w为模场半径，当归一化频率V在1.2至2.4之间时，可以用近似公式 （4.1.8） 进行计算。 当要求的错位连接损耗时，对于2a=50μm，的多模光纤，横向错位d3μm；而对于2a=10μm，的多模光纤，横向错位d0.8μm。 (b)角度偏移引起的连接损耗 如图4.1.2所示，当两根光纤端面不再平行，而是成某个角度，称为角度偏移，由此引起的损耗称为倾斜损耗。 阶跃多模光纤的倾斜损耗为 （4.1.9） 阶跃多模光纤的倾斜损耗为 （4.1.10） 式中为端面的倾斜角，为纤芯与包层间的相对折射率差，，为纤芯折射率，为周围介质（空气间隙）折射率。 单模光纤的倾斜损耗为 （4.1.11） 式中w为模场半径，为包层折射率。 当要求时，对于多模光纤，单模光纤。 (c)纵向偏移引起的连接损耗 如图4.1.3所示，两根光纤具有相同的轴线但它们的端面有距离为s的几何偏移称为纵向偏移。发射光纤的能量只有部分进入接收光纤，由此引起的损耗称为端面间隙损耗。 对于阶跃多模光纤，端面间隙损耗为 （4.1.12） 对于单模光纤，端面间隙损耗为 （4.1.13） 式中s为端面间隙宽度。 (2)光纤端面畸变引起的损耗 光纤连接处由于端面畸变引起的损耗叫做端面畸变损耗。常见的光纤端面畸变有端面倾斜和端面突出两种，如图4.1.4所示。 对于多模光纤，其端面倾斜引起的连接损耗为 （4.1.14） 式中和分别为两光纤端面法线与轴线的夹角。端面倾突出起的连接损耗为 （4.1.15） 式中和分别为两光纤端面突出的尺寸。 (3)光纤结构参数失配引起的损耗 光纤结构参数包括纤芯直径、数值孔径、折射率分布等因素，当