999久久久久久久久,毛片**久久久一区,国产亚洲欧美在线,午夜黄色一级片,99热草,久久久亚洲色图,久久99国产精品久久99大师

首頁
產(chǎn)品
新聞動(dòng)態(tài)
榮譽(yù)資質(zhì)
關(guān)于我們
人才招聘
聯(lián)系我們
返回科毅光通信官網(wǎng)頁面頭部

TOP

首頁 > 新聞動(dòng)態(tài)

光纖耦合:從NA,MFD到模式匹配

2025-09-22

光開關(guān)在光纖耦合系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用:工作原理



 什么情況下能用NA準(zhǔn)確估算光纖接收角?

多模光纖的最大接收角一般可用數(shù)值孔徑(NA)較為準(zhǔn)確地估算,但是這種關(guān)系對(duì)單模光纖不適用。

NA和最大接收角(θmax)的關(guān)系可通過幾何光學(xué)計(jì)算得到,公式請(qǐng)見下圖。

微信圖片_2025-09-22_163555_943.png

微信圖片_2025-09-22_155514_846.jpg

如果把入射光看成一條條射線,θmax就表示光纖收集離軸光線的能力:

  • 入射角小于等于θmax的光線(紅色和粉色)在纖芯和包層界面發(fā)生全內(nèi)反射(TIR),將被約束在纖芯中向前傳播;

  • 入射角大于θmax的光線(藍(lán)色)由于折射最終被損耗。



入射角和光纖模式

入射角≤θmax的光線將被耦合到多模光纖某個(gè)導(dǎo)模中。一般而言,入射角越小,被激發(fā)的光纖模式階數(shù)越低。大部分能量集中在中心附近的低階模式中,正入射光線激發(fā)最低階模式。下面是兩種多模光纖傳播示意圖。

圖片1.gif

漸變折射率多模光纖

圖片2.gif

階躍折射率多模光纖

單模光纖不一樣
使用上述公式計(jì)算的NA不是單模光纖的最大入射角,故無法表征單模光纖的光接收能力。單模光纖中只存在由0度入射光激發(fā)的最低階導(dǎo)模,傳播示意圖如下。

圖片3.gif 

使用NA估算單模光纖輸出的發(fā)散角很不準(zhǔn)確。此時(shí)光束因衍射而發(fā)散,幾何光學(xué)不考慮這種效應(yīng),所以需要波動(dòng)光學(xué)。如何使用高斯光束傳播理論計(jì)算單模光纖發(fā)散角請(qǐng)看第3部分。


 為什么MFD是單模光纖耦合的重要參數(shù)?

光束沿單模光纖傳播時(shí)維持接近高斯形的強(qiáng)度輪廓,可用模場直徑(MFD)表征輪廓寬度,即強(qiáng)度降到峰值的1/e2時(shí)所跨的寬度。

經(jīng)驗(yàn)法則:MFD約為纖芯直徑的1.15倍。

入射光越接近高斯光,耦合效率越高。如果入射光為高斯光,并且束腰等于光纖MFD,那么可以達(dá)到很高的耦合效率。在高斯光束公式中用MFD代入束腰直徑可以準(zhǔn)確計(jì)算單模光纖的耦合參數(shù)和發(fā)散角。

確定耦合參數(shù)

單模光纖只有一種導(dǎo)模,可用貝塞爾函數(shù)描述。由于形狀相似,使用高斯函數(shù)可以簡化光纖模式,同時(shí)提供準(zhǔn)確結(jié)果。
下圖中展示了單模光纖的模式強(qiáng)度輪廓,入射光只有與之匹配才能被耦合到導(dǎo)模中。

1758529982756909.jpg

單模光纖耦合

提高單模光纖耦合效率要求入射高斯光束的束腰位于光纖端面,且束腰強(qiáng)度和模式強(qiáng)度匹配重合。如果束腰直徑不等于MFD、光束強(qiáng)度輪廓變化或者偏離,又或者沒有沿光纖軸向入射,這些情況都會(huì)降低耦合效率。詳細(xì)介紹請(qǐng)見第4部分。



 NA能否準(zhǔn)確估算單模光纖輸出的發(fā)散角?
使用NA估算單模光纖的發(fā)散角存在較大誤差,更準(zhǔn)確的方法是使用高斯光束傳播理論。單模光纖的遠(yuǎn)場發(fā)散角的近似計(jì)算公式如下,其結(jié)果是以弧度為單位的發(fā)散角或接收角。

單模光纖的輸出類似高斯光,如用幾何光學(xué)計(jì)算發(fā)散角有較大偏差。幾何光學(xué)計(jì)算的發(fā)散角等于arcsin(NA),只適用于一般的多模光纖。

單模光纖輸出高斯光束,瑞利距離和z點(diǎn)處的光束半徑分別用下面兩個(gè)公式計(jì)算。

微信圖片_2025-09-22_155805_342.png

據(jù)此可以準(zhǔn)確模擬單模光纖輸出光束的發(fā)散角,如下圖所示。
640.png


顯然,根據(jù)幾何光學(xué)理論使用NA計(jì)算發(fā)散角存在很大誤差。此例中NA和MFD分別等于0.13和6.4 μm。工作波長為980 nm,瑞利距離為32.8 μm。

微信圖片_2025-09-22_155818_958.jpg

從圖中可看出,在瑞利距離以內(nèi)時(shí),光束發(fā)散率不是線性的,而在遠(yuǎn)場可看成近似線性。圖中標(biāo)注的兩個(gè)角度值根據(jù)各自曲線的斜率計(jì)算。如果使用上面的遠(yuǎn)場近似公式計(jì)算,結(jié)果轉(zhuǎn)換成角度為5.61°,誤差較小。



 影響單模光纖耦合效率的因素有哪些?

調(diào)節(jié)入射光束的角度、位置和強(qiáng)度輪廓可以提高單模光纖的耦合效率。假設(shè)光纖端面為平面并與軸向垂直,滿足以下條件的光束可以到達(dá)最高耦合效率:

 

  • 高斯強(qiáng)度輪廓

  • 從光纖端面正入射

  • 束腰位于光纖端面

  • 束腰中心對(duì)準(zhǔn)纖芯中心

  • 束腰直徑等于光纖MFD

1758530080397438.jpg

?耦合方式

1022.jpeg

?耦合方式


光源可能限制耦合效率

如果激光器只發(fā)射最低階橫模,那么輸出近似高斯光束,可以高效耦合到單模光纖中。但是多模激光或?qū)拵Ч庠春蛦文9饫w的耦合效率很低,即使聚焦到纖芯區(qū)域,大部分光會(huì)被泄露。這是因?yàn)槎嗄9庠粗挥幸徊糠止馄ヅ鋯文9饫w導(dǎo)模特征,所以多模光源可以用多模光纖提供更高的耦合效率。


 多模光纖的最大接收角是不是固定的?

這個(gè)問題取決于光纖類型。對(duì)于階躍折射率多模光纖,纖芯上每個(gè)點(diǎn)的最大接收角都是一樣的。但是,漸變折射率多模光纖只有纖芯中心處才能提供最大的入射角。距離中心越遠(yuǎn),最大接收角越小,在包層界面附近的最大接收角趨近于0。

 

下圖中比較了兩種多模光纖的不同:左邊為階躍折射率多模光纖,折射率在整個(gè)纖芯上都是恒定的。右邊為漸變折射率多模光纖,折射率隨纖芯位置不同,最大折射率一般在中心位置。

微信圖片_2025-09-22_160132_775.jpg


對(duì)于階躍折射率多模光纖,如果入射光線角度小于等于|θmax|,就能被階躍折射率多模光纖高效耦合。纖芯徑向上每個(gè)點(diǎn)的最大接收角都是一樣的,詳見下圖。

微信圖片_2025-09-22_160214_438.jpg


對(duì)于漸變折射率多模光纖,因?yàn)槔w芯折射率隨徑向距離變化,所以接收角也隨徑向距離變化。纖芯中心處的接收角最大,而包層邊界附近的接收角趨近于零,詳見下圖。

階躍折射率還是漸變折射率?

微信圖片_2025-09-22_160246_814.jpg

階躍折射率多模光纖能接收更多的光。漸變折射率多模光纖中所有導(dǎo)模具有相似的傳播速度,可以降低光束傳播過程中的模式色散。

如果應(yīng)用中要求在多模光纖中耦合盡可能多的光,并且受模式色散影響較小,階躍折射率多模光纖可能是更好的選擇。反之應(yīng)該考慮漸變折射率多模光纖。


選擇合適的光開關(guān)是一項(xiàng)需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應(yīng)商實(shí)力的工作。希望本指南能為您提供清晰的思路。我們建議您在明確自身需求后,詳細(xì)對(duì)比關(guān)鍵參數(shù),并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術(shù)扎實(shí)、質(zhì)量可靠、服務(wù)專業(yè)的合作伙伴。

 

訪問廣西科毅光通信官網(wǎng)www.www.racimosdehumanidad.com瀏覽我們的光開關(guān)產(chǎn)品,或聯(lián)系我們的銷售工程師,獲取專屬的選型建議和報(bào)價(jià)!