第六章-光纤传感器中的耦合

第六章光纤传感器中的耦合在光纤传输与传感技术中,各部件的耦合是系统中的重要环节。光纤之间；光纤、光源之间；光纤、探测器之间；①连接器：用于光纤之间或光纤与某个元件之间的互连。②固定接头：用于两根光纤之间或光纤与某个元器件之间的永久性连接。③耦合器：用在两或多根光纤之间重新分配能量的连接。耦合可分为三类：工程上说§6.1半导体激光器与光纤的耦合一、直接耦合S２c0y00TEM由于光纤只能接收张角内那部分光，故不是所有的光都能耦合进去。•决定2θc的大小的量是光纤的数值孔径，如果光纤的数值孔径N.A.=0.14，则2θc约为16°，•则依半导体激光器的输出特性可知，在平行P-N结方向，2θ∥约为9°，故全部光功率都能进入光纤；光纤的数值孔径在起作用00TEM04509但在垂直于P-N结方向上，2θ⊥≈45°，故这部分光不能全部进入光纤中。直接耦合的理论极限在基横模输出的情况下，垂直于光轴的平面内之光场分布是高斯分布，空间某点光强可表为222exp)(),,(yxyxzAzyxIoxxz式中A(z)是与x、y无关的常数。oyyzωox、ωoy为高斯光束的腰宽，即谐振腔镜面上发光区在x、y方向的宽度，一般ωox≈30μm，ωoy≈0.3μm。①先据上式计算激光器发出的总功率（以Z=S平面为准）dxdyzyxIP),,(0(被积函数为偶函数）dxdyyxsAyx0222exp)(2)(erfBdxesABxxyx022)(22dteAerfAt02222)(它在Z=S面上为常数；(y=ωyt/2，换元)为误差函数。S222exp)(),,(yxyxzAzyxI②包含在2θc张角内的光功率为dxdyyxsAPxyyx0000222exp)(2dyedxesAyyxxyx02020202)(2dteBytoy022022202yBerfoydxesABxxyx022)(22Sc2这一部分光功率还不能完全进入光纤，因为光纤端面上还有反射损耗。一般玻璃的正入射反射损失为4％，现取端面损失为10％，则耦合效率为%90)(2%90000erfyerfppy上面的结果是理想情况下的ηmax，再考虑到激光输出高次模、光纤端面与光轴不垂直等因素，实际达到的耦合效率要小于理想情况。上面的结果是理论值)(0Berfp02ywBerfpoy举例说明一般室温下工作的双异质结半导体激光器，发光区厚度,取mwy3.01.0~0mwy25.008c%20~max所以，对直接耦合来说，激光器功率的80％被浪费掉了。则可据上式求出14.0..AN对于的光纤，m85.0设工作波长为%90)(2%90000erfyerfppy1、端面球透镜耦合将光纤端面做成一个半球形，使它起到端焦距透镜的作用。D.Kato在J.App1.Phys.v44(1973)上发表的这种端面透镜的有效接收角为rdnnrdnc2sincos2sinsinsin1121111二、透镜耦合其中r为球透镜半径，d为纤芯直径，n1、n2为折射率。可以看出，当r→∞时，上式变为平面端面的结果。212221)(nncdrrdnnrdnc2sincos2sinsinsin1121111更精确的研究表明（θc与d/2r有关系，即与曲率半径大小有关）。００.75crd2它可使η实际达到60％。等效接收角存在一个最佳值，它所对应的d/2r为0.75。端面球透镜制造方法：（1）高温烧结：烧后可自然地结成一个球，由于火焰烧制时气体喷射会造成不对称，故常用高压放电火花烧制。（2）还可将平面的光纤伸到低熔点的熔融的玻璃中去，拉出来后自然成为一个小透镜。初级阶段！形成凸球面端面的方法形成凸球面端面的方法很多，为了获得精确曲率半径的球面套管端面，可以在抛光盘薄薄的抛光层下面，垫上一层橡胶，使抛光盘成为弹性盘，如图所示。初步加工把已经初步加工插针套管垂直放置于弹性盘上，就可以得到球面曲率直径为20mm左右的球端面。这样的几何形状对于模场直径9μm左右的单模光纤连接器比较合适。形成凸球面端面的方法橡胶双锥度抛物面透镜光纤准直透镜光纤端面透镜展示锥形抛物面光纤系列金属化透镜光纤金属化透镜光纤是采用精密加工技术在φ125μm光纤端面直接制作出具有不同光学性能的各种光学微透镜。光纤外面镀有镍金镀层，透镜镀有增透膜，主要用于有源器件的光输出、输入耦合，具有耦合效率高，使用简便可靠等特点。锥形球透镜光纤用途：激光器、探测器与光纤耦合特点：针对普通圆形光斑激光器有高耦合效率透镜半径r5≦r≦20[μm]光纤剥出长度Ls5≦Ls≦20[mm]耦合示意透镜半径r：7～8μm(标准)模场直径：MFD3.0±0.5μm或＞2.5μm工作距离：WD≥18μm回波损耗：RL＞40dB（反射衰减）A端头裸纤长：0.2～0.4mm(标准)镀镍层厚度：2～3μm镀金层厚度：0.1～0.2μm镀层拉力10N工作温度：-40～+85℃长焦距透镜光纤外形示意图8°斜面抛磨光纤用途：激光器与光纤的耦合，光纤与光纤的耦合等。特点：高回波损耗纤剥出长度7≦Ls≦20[mm]角度5°,8°,10°公差±1°半导体激光器输出的光斑是一个长椭圆形，如果没法将垂直于p-n结方向的光压缩时，即可达此目的。由激光器发出的张角θ的光，经两次折射后进入光纤，相当于扩大了接收角。RZ2、柱透镜耦合柱透镜这种装置的精确性要求极高如对于N.A=0.06的光纤，可知当Z=0.16R时，垂直方向的接收角可达±42°，则可提高耦合效率。但是，这种装置的精确性要求极高，稍一偏差，耦合效率则急剧下降，甚至不如直接耦合。实际中做成端面柱透镜光纤RZ示意图实际装置楔形柱透镜光纤用途：激光器耦合，适用于980nm泵浦激光器等特点：针对细长形光斑激光器有70%以上高耦合效率透镜半径r：4≦r≦5[μm]光纤剥出长度Ls：5≦Ls≦20[mm]将激光器放在凸透镜的焦点上，使其为平行光，然后再用另一个凸透镜将平行光聚集到光端面上。3、凸透镜耦合前焦平面后焦平面一般由两截组成，每截包含一个透镜，因为中间为平行光，精度要求不高。一般采用直径为6mm的凸透镜，焦距为4－15mm；这种耦合方式精度要求不高，调整组装容易，使用方便。技术细节微调螺丝光纤固定帽凸透镜耦合技术细节螺纹调焦一.引起耦合损失的因素之分析（引自H.Tsuchigaetl,Appl.Optics,Vol.16.）§6.2光纤与光纤的耦合1轴偏离2角度倾斜3光纤种类不同设光纤半径为a,两中心偏离距离为x，即只有相重叠部分方可允许光通过，由此而造成的耦合损失为212142212cos21)1(16axaxaxKKax1、轴偏离其中K=n/n0，n0为中间介质折射率，在匹配液中K=1.0，在空气中K=1.45。由上式可知，只有当x/a0.2时，即两光纤中心偏差小于芯径的1/10时，才能使耦合损失小于1dB。当θ足够小时，耦合损耗为214221)1(16KKK2、角度倾斜式中Δ为内外层折射率之差。可知，欲得到小于1dB的耦合损失，θ须小于5°。(1)纤芯径不同p表示径差因子:121aap01160111642242PKKppKK3、光纤种类不同12a22a设两包层折射率相同，为n2，纤芯折射率分别为n2(1+Δ1),n2(1+Δ2)，则：121q(2)折射率不同01160q111642242qKKqKK121n221n3、光纤种类不同q为度量芯折射率差的因子：将光纤按一定曲率弯曲固定在模具上，用金刚石刀划一刻痕；而后按原有曲率拉断即可得到光亮如镜之端面。1、如何切断光纤二、实际光纤耦合装置这种技术包括在光纤表面刻痕，然后牵拉，直至将它拉断。断面从刻痕的位置开始，若加力的大小控制得当，则断面能达到如镜面般的光洁度。切断光纤实际装置12μm玻璃纤维断面（扫描电镜照片）断面通常由镜面区、模糊区和粗糙区等3个区域组成。镜面区在断面原点附近，它是光学上的光滑面；粗糙区断面有许多岔道，且整个样品被分成3个或更多的小块；模糊区是这两个区域间的过渡地带；断面分析光纤端面检验软件FiberQAEFIPVI系统公司正式发行先进的光纤端面检验软件FiberQAEFI。该软件包可以精确而又可靠地检测并识别所有缺陷，如划痕、屑片、凹点和颗粒等。此程序包含以纤芯、包层和环氧树脂环为重点的的全套度量衡标准。FiberQAEFI能使得用户按照自己的需求规定测试极限值。它内含数据库报表系统，可进行定量评估。埃其特公司：光纤端面检测镜光纤端面检测镜用来检测光纤端面的伤痕或污染，轻巧携带方便。2、光纤的永久性连接光纤的永久性连接最常见的有两类：第一类是用固定连接器实现连接；第二类是熔接法和粘接法。固定连接器法是采用机械的连接具来支撑被连接的光纤，使其保持在固定的位置上。熔接法与粘接法原理上有类似的地方，下面主要是讲熔接法。光纤熔接技术早在70年代初就用镍铬丝通电作为热源，对熔点低(1000℃以下)的多组分多模玻璃光纤进行熔接，连接的损耗约0.5dB。70年代中期开始采用电弧放电法，即利用电弧使两根光纤熔化而连接在一起。光纤位置控制借助于微调装置和显微镜来实现，多模光纤的平均损耗达到0.26dB。其后也有用微等离子喷灯和氢氧微焰灯作热源进行熔接。•将两个处理好的端面对在一起，利用电弧放电产生的热量使两端头熔化而连在一起。（注意：光纤要垂直放，以免熔化时重力造成弯曲。）dB17.014.0电弧放电法mm5.1mm3只要垂直，不对准亦无妨，焊接时光纤熔化的表面张力会起到自然对准的作用。•平均耦合损耗为单模光纤的熔接由于纤芯极细，80年代初开始使用不断调整光纤的相对几何位置，使通过接头处的功率达到最大的方法。采用这种方法要在三个地方(光源处、熔接点处和接收光纤末端处)进行操作与监视，对单模光纤熔接平均损耗达到0.1dB。80年代中期开始使用纤芯直视法，用紫外线或白光照射光纤，由于纤芯与包层折射率差的透视效果产生光线折射，因而从明暗的条纹线可以得到纤芯的位置。此类熔接系统对单模光纤熔接可以得到平均损耗0.08dB的优良结果。调整光纤的相对几何位置预加热熔接法80年代开始用“预加热熔接法”，即通过电弧对光纤端面进行预热整形;然后再在放电的情况下，让两根待连接光纤的其中之一沿轴线向另一根移动，把它们熔合在一起;最后是光纤接头的增强。此后就以此技术为基础发展成为商品光纤熔接机系列。单模光纤熔接的几个步骤对单模光纤进行熔接，主要包括光纤端面制备、纤芯对准、熔接与接头增强等几个步骤。1、光纤端面制备光纤端面制备最方便的方法是使用“钉书机”式光纤切割钳。其结构见图。刀具对光纤划痕之后，稍加力量即可折断，即得到良好的光纤端面。2、纤芯对准是关键内容，要求有非常高的精度。多模光纤可以采用外径对合法，而单模光纤则必须采用芯轴对合(见图)。外径对合可以由