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光纤连接损耗分析及影响因素

发布时间:2020-11-27 10:39:44 浏览量:777 作者:Wilson

摘要

光纤连接是通讯领域延长数据传输距离最长用到的技术手段之一,任何一个光纤通信系统都要解决光纤与光纤,光纤与光源发射装置、

光纤与接受装置的连接问题。目前最常用到的两种光纤连接方案,一是通过光纤连接器连接、二是热熔接。但是两种连接方案都要考虑

到光纤损耗低问题,并且为了保证信号传输的质量,都需要想办法降低损耗,提高传输效率。

正文


摘要光纤连接是通讯领域延长数据传输距离最常用到的技术手段之一,任何一个光纤通信系统都要解决光纤与光纤,光纤与光源发射

装置、光纤与接受装置的连接问题。目前最常用到的两种光纤连接方案,一是通过光纤连接器连接、二是热熔接。但是两种连接方案都

要考虑到光纤损耗低问题,并且为了保证信号传输的质量,都需要想办法降低损耗,提高传输效率。


一、光纤连接损耗及影响因素

两段光纤相连接必然存在信号损耗的问题,目前通信标准用传输系数T表述传输效率的高低。光纤入射光功率用P1表示,光纤出射光功

率用P2表示,传输系数则可以表示为T=P1/P2表示。相应的连接器耦合损耗L=-10 lg T (dB)。


假设是理想状态下连接耦合,无任何参数失配和连接误差,则L=0 dB,即表示无连接损耗。但是,在实际的操作过程中,很难实现理

想配合。连接损耗难以避免,在实际操作的过程中造成损耗的原因有很多,例如:光纤端面缺陷,机械配合精度,光纤几何特性与波导

特性差异等。

二、光纤连接损耗的类型

1.光纤类型不匹配导致的连接损耗。经验与数据统计表明,若两端光纤的类型不匹配,例如光从芯径Ø 62.5 um的渐变多模光纤传向芯径

为 Ø 50 um 的渐变多模光纤,将会有2 dB的损耗,即损失约36%的光功率。若从芯径Ø 62.5 um的渐变光纤传向芯径为Ø 9 um的单

模光纤,将有约17 dB 损耗,即损失约98%的光功率。


2.光纤几何特性与波导差异导致的连接损耗。比较重要的特性差异因素有两类,即纤芯直径差异与数值孔径差异。(1)纤芯直径差异

对连接损耗的影响。若两段光纤纤芯直径不同,在光纤轴线精确对准的条件,则连接损耗可以近似地由发射与接受纤芯面积的相对差值

决定


图1.光纤纤芯直径差异

例如,对渐变折射率光纤,50 um标准光纤芯径的允许变化值为±3 um。对于最大偏差情况,光从芯径为53 um的光纤中传输到47 

um的光纤中,其相差值为0.21。若光在纤芯中是均匀分布的,则计算损耗约为1 dB;类似地对单模光纤,其模场直径为8.4±0.5 

um,在最大偏差情况下,相对差值亦为0.21,相应的损耗为1 dB。实际上大部分单模光纤接器的损耗的数量级在0.1-0.5 dB。


 

图2.光纤入射角数值孔径

数值孔径差异对连接损耗的影响。若两光纤的数值孔径不同,入射光纤的数值孔径(NA1)大于接受光纤的数值孔径(NA2),则部

分光不能约束在纤芯中,也将产生连接损耗。


3.两光纤连接相对错位对连接损耗的影响。以单模光纤为例进行分析。两光纤连接的相对错位包括:横向偏移,轴向分离(间隔),轴

线倾斜错位,端面不平整。(1)光纤横向偏移损耗,首先进行简化的定性分析,假设光在两相同单模光纤纤芯中是均匀分布的,若两

光纤端面紧靠,但有相对横向偏移量h,则连接损耗应为接受光纤与发射光纤纤芯没有重叠部分的面积决定。如果横向偏移量为纤芯的

10%,则对应的连接损耗约为0.6 dB。一般横向偏移引起的连接损耗在零点几分贝至几个分贝之间。(2)光纤轴向分离(间隔)损

耗。两光纤连接若端面轴向分离(分离间隔为b),则光纤束离开发射光纤端面后,由于其数值孔径的发散角,部分光纤不能照射到接

受光纤纤芯端面上,从而引起耦合损失。当间隔b加大时,连接耦合的损耗也随之增大。


结语:此外在实际的生产以及测试时,还应考虑光纤损耗带来的其他影响,如中继距离的设定,热辐射的产生的能量如何处理等。因

为,光纤产生的热辐射在可见光波段及小功率使用条件下可以近似忽略;但是在中红外波段或者高功率条件下需要特别留意,此时需要

为光纤匹配专门的散热结构,因为热辐射产生的高温会直接融化常规结构的光纤端面。


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