高斯光束的能量耦合

高斯光束的能量耦合 高斯光束的能量耦合 在尾纤为单模光纤的光无源器件中，光束可用高斯近似处理，器件的耦合损耗可用高斯光束之间的耦合效率进行分析。两束高斯光束之间的能量耦合效率，取决于二者的光场叠加比率，可用下式计算。 两束高斯光束之间的耦合，可能存在三种失配模式：径向失配 X、轴向失配 Z 和角向失配 θ，如图 1所示。耦合失配造成光场重叠误差，从而影响耦合效率，根据（1）式计算得到耦合损耗与各种失配量之间的关系如图 2 所示，其中取光束束腰半径分别为 200um 和 5um 作对比，分别对应一般准直器和光纤的模场半径。束腰半径为 200um的高斯光束，对角向失配比较敏感，对径向失配次之，对轴向失配则有较大容差；束腰半径为 5um的高斯光束，对轴向失配比较敏感，对径向失配次之，对角向失配则有较大容差。 为了避免光器件中的反射光对通信系统造成影响，一般将光纤头的端面研磨成一定斜角以减少反射光。此端面斜角的选择依据是在保证回波损耗满足要求的情况下，尽量取小角度以减少对插入损耗的影响。光纤端面研磨成一定斜角之后，回波损耗可视为反射光束与正向传输光束之间的耦合损耗，从图 2（f）可以看到，不同波长的光其回波损耗不同，但并非如图 2（f）所示差异那么大。这是因为，在角向失配量相同情况下，波长越短则耦合损耗越大，光束束腰半径越大则耦合损耗越大，而在光纤中波长越长则模场半径越大，因此两种因素稍微抵消。 以下图光纤作分析，其 1310nm 和 1550nm 的模场直径分别为 9.2um 和10.4um，根据公式（1）计算得到两波长的回波损耗与端面角度关系如图 3 所示。当端面角度为 8 度时，1310nm和 1550nm光的回波损耗分别为 40dB和 36dB，前者约比后者大 4dB；在端面未镀增透膜情况下，只有约 4%的光反射回去， 增加回波损耗 14dB，总回波损耗分别为 54dB和 50dB；镀增透膜之后，剩余反射率<0.25%，增加回波损耗 26dB，总回波损耗分别为 66dB 和 62dB，选择 8 度斜角基本可以保证回波损耗大于 60dB。 当然，以上计算方法可能存在几个 dB 的误差，而且各种单模光纤的模场直径也存在差异，增透膜的实际剩余反射率也不尽相同，因此光纤头的实际回波损耗可能与以上计算结果存在一些差异，但实际证明选择 8 度斜角基本可以保证回波损耗大于 60dB。