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模耦合损耗_光波技术基础

时间:2021-11-04 百科知识 联系我们
【摘要】:但光波导不可能是无损的,低次模与高次模的模损耗也是不一样的,从而导致模式总体上是从低次模向高次模转换,进而再转换成辐射模,于是整个光波导的损耗增加。这个附加的损耗称为模耦合损耗。由于制造过程中引起的芯包界面的随机起伏,也使模式耦合加剧,故也使耦合损耗增加。光纤在使用过程中受拉、受压,都将因光弹效应产生折射率的纵向不均匀性,产生模耦合损耗。

模耦合损耗_光波技术基础

当光波导出现纵向非均匀性时,就将出现模式耦合现象。理论上,对于一个无损耗的光波导,模式耦合是可逆的,既可以从低次模向高次模或辐射模耦合,也可从高次模向低次模耦合,三者可达平衡。但光波导不可能是无损的,低次模与高次模的模损耗也是不一样的,从而导致模式总体上是从低次模向高次模转换,进而再转换成辐射模,于是整个光波导的损耗增加。这个附加的损耗称为模耦合损耗。

如前所述,引起模式耦合的原因很多,因此模耦合损耗也有多种表现。

(1)弯曲损耗

当光纤弯曲时引起的模式耦合,强烈地依赖于弯曲半径、折射率差和使用的y值。一般,弯曲半径越小,弯曲损耗越大;而V值越大,(注意不要超过单模条件),受弯曲的影响越大。所以有一个临界的弯曲半径,当弯曲半径小于这一半径时,损耗就急剧增加。

弯曲光纤可看成折射率有畸变的直光纤,根据这个观点可得到弯曲损耗的定量解释。弯曲损耗又可细分为过渡弯曲损耗和固定弯曲损耗,过渡弯曲损耗是光纤从直光纤转变成某个曲率半径的光纤,这时发生了曲率半径的突变,导致LP01模的功率转换成高阶模或辐射模。这时的弯曲损耗的平均值为

其中,s0为光纤的模斑半径;n1为芯层折射率;R为曲率半径。真实的光纤损耗是随光纤长度变化的,并在这个平均值两边摆动,但长光纤的弯曲损耗趋于这个极限。在极端情况下(小折射率差的光纤,并使用在超过截止频率时),过渡弯曲损耗很强可达几dB,但在大多数情况,过渡弯曲损耗均在0.5dB以下。

当光纤绕成一个有固定曲率半径的光纤圈时,会产生固定弯曲损耗,它与固定的曲率半径R有关。每单位长度的LP01模式的损耗为

其中,

以及

其中,V和U是归一化频率和芯层的模式参量;a是光纤的芯半径;K1(V)是虚变量的贝塞尔函数;n2和Δn是包层折射率和相对折射率差。将3.4节的式(3.4.74)代入式(5.3.5),可得

当1≤λ/λc≤2时,Ac准确度优于10%,因Ac在指数项外面,所以结果是很好的。

(2)微弯损耗

光纤的微弯可看作光纤在其理想的直的位置附近的微小振荡偏移,它是随机发生的,而且其曲率半径都很小,振荡周期也很小,因而可能发生局部的急剧的弯曲,导致严重的模式耦合,引起微弯损耗。比如,在早期,在低温条件下,因光纤的塑料套层与光纤的温度系数不一致,形变有差异,从而使光纤的微弯变得很剧烈,微弯损耗明显增加。当时微弯损耗曾是光纤的一种重要损耗。

为了计算微弯损耗,需要(或至少按统计观点)对实际光纤的微弯畸变进行描述,这通常是十分困难的。由于微弯是因护套和成缆所引起,一个实际的方法是,假定一个数值孔径为NA和芯半径为am的多模阶跃光纤,它与被测的单模光纤有相同的外径,并处于相同的机械环境,如果它的微弯损耗为αm,那么对应的单模光纤的微弯损耗αs

其中,k为真空中的波数,s0为单模光纤的模斑半径。不过这里的模斑半径和5.3节高斯近似法定义的模斑半径略有不同,它为

其中,et为模式场的表达式。由式(5.3.7)可以看出,微弯损耗并不与折射率分布直接有关,但考虑到数值孔径NA是与折射率差Δn、波长λ以及截止波长λc都有关,所以式(5.3.7)又可改写为

(3)其他模耦合损耗

除了上两种重要的模耦合损耗外,还有芯包界面不规则和应力等因素引起的耦合损耗。由于制造过程中引起的芯包界面的随机起伏,也使模式耦合加剧,故也使耦合损耗增加。光纤在使用过程中受拉、受压,都将因光弹效应产生折射率的纵向不均匀性,产生模耦合损耗。

关于各类模耦合损耗更详细的理论计算,可参阅有关文献,通常必须首先解模式耦合方程,然后将模式耦合方程转化为功率流方程,其过程是很烦琐的。