文档介绍：该【光纤耦合器的计算及制作图文】是由【鼠标】上传分享，文档一共【5】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【光纤耦合器的计算及制作图文】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。光纤藕合器的计算及制作王洪铭〔提要〕可调谐式光纤和合器适l用于要求改变祸合功率的光纤光路上本文介绍这种祸合器的计算方法和制作方法本计算方法基于弱波导场祸合波理论对于不同尺寸及折射率的光纤可以按这一方法算得祸合系数和机合功率值一概述光导纤维已日益广泛地应用于通信侧量等方面在用光纤传输信息时,需要把载有信息的光能从信息源转移输人到光纤上去在接收端需要把传递信息的光能转移输出到接收器这样就需要应用拥合器把光从有源端祸合到邻近的无源端料合器由两根相距很近伪光纤组成光纤内芯间距一般在05~1拜m之间常用的祸合器制作方法有两种商用的是化学腐蚀法,即把两根光纤的外层腐蚀使之变薄然后把它们平行靠近封装在保护套里这种方法宜于大量生产价格低廉但它无法调谐只能有一定的藕合比另一种方法是把光纤粘附在基体上通过机械磨削使外层减薄到所需要程度,然后与另一根经类似处理的光纤祸合用这种方法制作较前者费事但它的好处是可以调谐适合在实验室或其它需要调谐的光路上使用以下将讨论这种调谐式光纤祸合器的计算及制作二藕合器的计算本节讨论单模弱波导的光纤拐合问题当光线在光纤内芯里传播时在内芯和外层分界面上作全反射时有相位差按照G。“hn位移理论可以解释为:全反射时反射光并不是立即发生在人射点上,而是先射出分界面,进入外层然后再转回来沿反射方向走去光在渗漏出去时走的路程(即相应的光程)除以波长就是全反射时的相位差由图1可看出单模光纤中光线电矢量的幅度分布呈高斯型在壁面上电矢量并不是零而是继续按指数衰减规律延伸到外层,形成消逝场如果把另一根光纤放在邻近的地方这另一根光纤就可以从消逝场中感生出电场或者说由于祸合效应可由一个波场感生出另一个波场但是祸合效应只有在满足相位匹配的条件下才能发生根据电磁波理论得出的感生电场或祸合电场的祸合系数c是。=f(久九/,,“,“2)式中:只是波长;h是两光纤的中心距;r是内芯半径;n:九:分别是内芯和外层的折射率上式表明祸合系数是波长间距芯径和折射率等的函数比m`挤,、-,谁k一、~,、众丫移子开彭弄光纤间距魁止豪卜全落二之丛获封污全蛾乡外居胃`%爪n`r②\军梦`现在讨论光线在内芯边界全反射时,芯和外层之间折射率羞很小时的情况令相对折肘率差为△△=(。,一nZ)/nZ(1)对于弱波导其△《1把这种全反射波看做具有线偏振的电磁波动如果这一波动的纵向传播常数刀在以下范围内n:k势刀笋九Zk则把满足这一条件的模称为导波模不同的刀值代表不同模次的导波其中k代表自由空间的波数k=2,/久(2)用u。表示内芯外层的无因次传播参数。=:(k,n:,一刀2)”2(3)。=,(刀2一k2o22)`,2(4)用二次方求和,得归一化频率W为wZ二uZ+妙2(5)或w=:k(nl“一。22)`12叹6)由以上各式导出“`,+△`一)一l(爷)(7)为了避免繁琐的计算对于两个同向祸合波(即满足相位同步的导模如HEI:模),可利用文献〔1〕的图3及公式(22)确定刀代入上式得到。。祸合系数。可以用一秃粉及命斋薪(8)求出式中k0k:分别是O阶阶第二类变型贝塞尔函数一“+k!〔。〕一I!〔V〕`n+v一生子一一卫`-了二、,`马(普xl夕-二匕-十犷(9)2澎k!(n+k)!\2/、霜仇渭吼/其中I,是一阶第一类变型具塞尔函数11〔V〕=乙(V/2)2.+,/kl(k+z)-(10)是欧拉常数,二057721由于(。h/,)>2式中的k。必须采用渐近计算法“。〔·`/·〕、`二·/2·“,“2一“`)l,一不蒜万了喻撬裔一百袋1子器万+…’`’(一{息`一,〔(Zn一I)(2儿一3)…1〕2}箭)(11n!(soh/r))令N一2晚/;(取整数)渐近计算到。一N时为止对于圆弧形设置的光纤设曲率半径为R两光纤偏心度为Y从对称中心。沿z轴的距离为:两光纤位置的几何关系如图2所示按几何关系中心距八为h生〔(h。+:2/R)2+YZ〕,,乞(12)为了提高祸合效应防止空气渗人要在两光纤之间的界面上涂以折射率接近外层的匹配掖从光纤1到光纤2的祸合功率比为PZ/p,=sin,(cL)二(23),式中L是祸合长度祸合系数。是随几何参数而变的所以(·:),。(Z)dZ一丁乞了(14)计算顺序框图及计算结果见图3图中可见对于内芯直径为4群饥外层直径为125户嫩芯折射率为1458外层折射率为1542光纤弯曲曲率半径R为osm的藕合器当光纤间距为03#m时祸合功率比尸:/Pl、10%即光功率可以全部从有源光纤转移到无源光纤士如果继续增加祸合长度光功率又会祸合回到原来的光纤中当间距为。(即在中心处两光纤内芯接触)时祸合功率比可达80%这时如果调整偏心度Y为士2拜m祸合功率比可达到95%偏心度Y>土7群m时祸合功率趋于。用改变偏心度的办法可以改变祸合功率比的大小同样当两光纤中心距或间距增大时祸合功率比迅速减少当间距为09~1召m时祸合功率比减小为50%间距增大到3户m时,祸合效应已很微弱藕合功率比接近于。所以为了得到足够强的祸合功率光纤间距必须簇1召m这就需要在制作时严格控制尺寸三调谐辐合器的制作为使弯曲的光纤经研磨后,外层的尺寸在预期的范围内一般常将光纤埋设在石英块里然后磨削到要求的数值把两块这样的零件放在专门的夹具里就可以制成藕合器整个制作过程大致可以划分为三个阶段,即准备阶段磨削阶段和调整阶段1淮备阶段首先要准备好精密磨床光纤端面制备和光强检验工具精密磨床是为在石英块上精确地开出埋设光纤外层的圆弧形沟槽由上一节知道,为了得到可以控制的祸合比埋设深度必须严格控制应选择适当的薄片砂轮其轴心跳动量要足够小另外要使用能够测量出这种偏差的量具光纤端面的制备是指在切割光纤时保证做到外层和内芯的端面是光滑的平面不允许呈破碎的玻瑰面端面垂直于轴心线光强检验是用激光经聚焦以后入射到光纤端面然后用光功率计测量用来在磨制过程中检验光纤是否受到损伤在调整过程中检定祸合器性能然后把石英块表面开槽测量槽深的变化将欲放置的光纤中段剥去适当长度的保护外皮置人槽中;光纤置入沟槽时确保它均匀地贴在槽底固封可以用环氧树脂lP由!内芯尺寸:4、m,nt=,.485z01}〔汀)偏公度丫二O心楠入卜。琳、介畏数了琳m少。。二4赴川③1淋m最后是检验光纤在这一过程中是否受损伤2磨制阶段检验合格的零件可以磨制分为粗磨细磨和研磨三步粗磨:选用平均粒径较大的三氧化二铝磨料把多余的环氧树脂去掉细磨选用平均粒径较细的磨料磨去多余的石英层根据氏LRD的几何关系,侧量长度L就很容易计算剩余的外层厚度d。细磨以后的外层厚度d。在。5~1产m之间R/日少O无中。距h。二4书m⑤~了从m。了川n了研磨选择粒径极微的磨料或者使用专门的含砂磨带为了使磨削表面不平度小于051召m用专门的夹具保证压力均匀作用到石英块上3调整阶段:把两块准备好的带光纤的石英块对置中间放入折射率匹配液可以由最佳祸合效应实验确定其折射率用专门的夹具夹持两石英块相对移动的调整由差动螺旋千分规操作调整偏心度就可以得到所要求的祸合性能当两光纤中心距较大时祸合器性能曲线上只有一个极大值当光纤中心距较小时它有两个极大值实验结果表明:第二节的计算结果是满意的匹配液厚度对祸合性能也有影响实验时应控制它保持最佳值四结束语1第二节所介绍的基于弱波导消逝场得出的祸合性能计算方法是可用的2按第三节所介绍的方法可以制作出满意的调谐祸合器以适应调谐光纤光路的需要祸合器是光纤光路中的重要部件之一以上所述的理论计算和工艺过程是本文作者在美国访问期间所作做出的样品已于1983年9月开始应用于麻省理工学院光纤陀螺实验室使用证明这些方法是满意的参考文献〔i〕DGlogewea匕盛yGud:ngFber`^ppl,edopt,esvol20No10oet1071[2〕GsehiffneretalDoubleCore510910ModeoptiealFiberasDireetiooalCouplerAppliodph萝s二221一51980〔3〕公HJShawAa生ysofaTu“blosinglMod0Ptiea{FiberCouPlerIEEBJofQuantumEleetroniesVolQE18No4APril生952[4〕MAbramowtz1AStegunHandbookofMthFulet盆。Y石5〕mtteforCalculat,onofMathTablesPublishedforRoyalSociatyUnversityPresCambridge1958〔右」〔美〕田炳耕著裘小农译集成光学和光学波导中新的现象邮电出版社1980年〔7〕T塔米尔主编集成光学仁美〕科学出版社1982年ts〕〔美〕RG汉斯伯格著刘树祀等编译《集成光学导论国防工业出版社198年1〔作者简介」本文作者王洪铭同志1956年毕业于北京肮空学院后任教千该院1982~1984年应邀在美国麻省理工学院宇航系作访问学者编写有《测量和控制系统》《喷气发动机原理》等书曾发表《用激光技术侧量燃油雾化》等论文多篇