Fasergekoppelter Laserbezieht sich auf den Laser, der mit Seltenerdelementen dotierte Glasfasern als Verstärkungsmedium verwendet.

Es gibt zwei Hauptwege für das optische Signal vom Laser, um in die Faser einzutreten: direkte Kopplung und Linsenkopplung, und Linsenkopplung wird in Einzellinsenkopplung und Mehrlinsenkopplung unterteilt. Eine höhere Kopplungseffizienz kann erhalten werden, indem eine Linsenkopplung als eine direkte Kopplung verwendet wird. Der Hauptvorteil der Doppellinsenkopplung besteht darin, dass die Toleranz gestreut werden kann, so dass die Komponenten im Strahlengang einen größeren Verschiebungsraum haben können.

Hier sind fünf praktische Fragen zur Faserkopplung

1. Wann kann NA verwendet werden, um den Faserempfangswinkel genau abzuschätzen?

Der maximale Empfangswinkel einer Multimode-Faser kann anhand der numerischen Apertur (NA) genau abgeschätzt werden, aber diese Beziehung gilt nicht für Singlemode-Fasern.Die Beziehung zwischen NA und dem maximalen Empfangswinkel (θmax) kann durch geometrische Optik berechnet werden. Siehe die folgende Abbildung für die Formel. Wenn das einfallende Licht als Strahl betrachtet wird, stellt θmax die Fähigkeit der Faser dar, außeraxiales Licht zu sammeln: Strahlen (rot und rosa) mit einem Einfallswinkel kleiner oder gleich θmax werden an der Grenzfläche einer Totalreflexion (TIR) ​​unterzogen zwischen dem Kern und dem Mantel und müssen sich zwangsläufig im Kern nach vorne ausbreiten. Strahlen mit einem Einfallswinkel größer als θmax (blau) gehen schließlich aufgrund von Brechung verloren.

Mehrere Einfallswinkel und Fasermodus

Strahlen mit einem Einfallswinkel kleiner oder gleich θmax werden in eine der Führungsmoden der Multimode-Faser gekoppelt. Im Allgemeinen ist die Modenordnung der angeregten Faser umso niedriger, je kleiner der Einfallswinkel ist. Die meiste Energie ist in der Mode niedriger Ordnung nahe der Mitte konzentriert, und die normal einfallenden Strahlen regen die Mode niedrigster Ordnung an. Das Folgende ist ein Diagramm der Ausbreitung von zwei Multimode-Lichtwellenleitern.

Singlemode-Glasfaser ist anders

Die mit der obigen Formel berechnete NA ist nicht der maximale Einfallswinkel einer Singlemode-Faser und kann daher die optische Empfangsfähigkeit einer Singlemode-Faser nicht charakterisieren. In Singlemode-Fasern existiert nur der niedrigste Führungsmodus, der von 0- Grad einfallendem Licht angeregt wird, und das Ausbreitungsdiagramm ist wie folgt.

Es ist nicht genau, den Divergenzwinkel des Singlemode-Faserausgangs von NA zu schätzen. In diesem Fall divergiert der Strahl aufgrund von Beugung, und die geometrische Optik berücksichtigt diesen Effekt nicht, sodass eine Wellenoptik erforderlich ist.

2. Warum ist MFD ein wichtiger Parameter für fasergekoppelte Singlemode-Laser?

Wenn sich der Strahl entlang der Singlemode-Faser ausbreitet, behält er ein Intensitätsprofil nahe der Gaußschen Form bei. Die Breite des Profils kann durch den Modenfelddurchmesser (MFD) charakterisiert werden, dh die Spannweite, wenn die Intensität auf 1/e² des Spitzenwerts abfällt. Faustregel: Die MFD beträgt etwa das 1,15-fache des Durchmessers des Faserkerns.

Je näher das einfallende Licht am Gaußschen Licht liegt, desto höher ist die Kopplungseffizienz. Wenn das einfallende Licht gaußförmig ist und die Strahltaille gleich der Faser-MFD ist, kann eine hohe Kopplungseffizienz erreicht werden. Durch Einsetzen von MFD in den Taillendurchmesser in der Gaußschen Strahlformel können die Kopplungsparameter und der Divergenzwinkel der Singlemode-Faser genau berechnet werden.

Kopplungsparameter bestimmen

Singlemode-Fasern haben nur einen Führungsmodus, der durch die Bessel-Funktion beschrieben werden kann. Aufgrund der ähnlichen Form kann die Verwendung der Gaußschen Funktion das Fasermuster vereinfachen und gleichzeitig genaue Ergebnisse liefern. Die folgende Abbildung zeigt das Modenintensitätsprofil einer Singlemode-Faser, bei der das einfallende Licht nur dann in die Führungsmode eingekoppelt werden kann, wenn es zu dieser passt.

Fasergekoppelter Singlemode-Laser

Um die Kopplungseffizienz einer Einmodenfaser zu verbessern, ist es erforderlich, dass sich die Taille des einfallenden Gaußschen Strahls am Faserende befindet und die Intensität der Taille und die Modenintensität übereinstimmen und zusammenfallen. Wenn der Strahltaillendurchmesser nicht gleich dem MFD ist, sich das Strahlintensitätsprofil ändert oder abweicht oder der Strahl nicht axial entlang der Faser einfällt, verringern diese Bedingungen die Kopplungseffizienz.

3. Kann NA den Divergenzwinkel des Singlemode-Faserausgangs genau abschätzen?

Es gibt einen großen Fehler bei der Schätzung des Divergenzwinkels von Singlemode-Fasern unter Verwendung von NA. Ein genaueres Verfahren besteht darin, die Gaußsche Strahlausbreitungstheorie zu verwenden. Die ungefähre Formel zur Berechnung des Fernfeld-Divergenzwinkels einer Singlemode-Faser lautet wie folgt, und das Ergebnis ist der Divergenzwinkel oder Empfangswinkel im Bogenmaß.

Die Ausgabe von Singlemode-Fasern ähnelt Gaußschem Licht, beispielsweise weist der durch geometrische Optik berechnete Divergenzwinkel eine große Abweichung auf. Der durch geometrische Optik berechnete Divergenzwinkel ist gleich arcsin(NA), was nur auf allgemeine Multimode-Fasern anwendbar ist.

Die Singlemode-Faser gibt einen Gaußschen Strahl aus. Der Rayleigh-Abstand und der Strahlradius am z-Punkt werden jeweils durch die folgenden zwei Formeln berechnet.

Daher kann der Divergenzwinkel des Ausgangsstrahls einer Singlemode-Faser genau simuliert werden, wie in der Abbildung unten gezeigt. Offensichtlich gibt es einen großen Fehler bei der Berechnung der Divergenzwinkel unter Verwendung von NA gemäß der Theorie der geometrischen Optik. In diesem Beispiel sind NA und MFD 0,13 bzw. 6,4 µm. Die Betriebswellenlänge beträgt 980 nm und die Rayleigh-Distanz 32,8 µm.

Wie aus der Figur ersichtlich, ist die Divergenz des Strahls innerhalb der Rayleigh-Distanz nicht linear, kann aber im Fernfeld als annähernd linear angesehen werden. Die beiden in der Abbildung markierten Winkel errechnen sich aus der Steigung ihrer Kurven. Wenn die obige Fernfeld-Näherungsformel zur Berechnung verwendet wird, wird das Ergebnis mit einem kleinen Fehler in einen Winkel von 5,61 Grad umgewandelt.

4. Welche Faktoren beeinflussen die Kopplungseffizienz von Singlemode-Fasern?

Die Kopplungseffizienz von Singlemode-Fasern kann durch Einstellen des Winkels, der Position und des Intensitätsprofils des einfallenden Strahls verbessert werden. Unter der Annahme, dass die Faserendfläche flach und senkrecht zur Achse ist, kann der Strahl die höchste Kopplungseffizienz erreichen, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

•Gaußsches Intensitätsprofil

•Positiver Einfall von der Faserendfläche

•Die Taille befindet sich am Ende der Faser

•Richten Sie die Taillenmitte mit einer Kernmitte aus

•Der Taillendurchmesser entspricht dem Faser-MFD

Lichtquellen können die Kopplungseffizienz einschränken

Wenn der Laser nur die Transversalmode niedrigster Ordnung emittiert, dann ist die Ausgabe ungefähr ein Gaußscher Strahl, der effizient in eine Einmodenfaser eingekoppelt werden kann. Die Kopplungseffizienz von Multimode-Lasern oder Breitbandlichtquellen mit Singlemode-Fasern ist jedoch sehr gering, und das meiste Licht wird austreten, selbst wenn es auf den Kernbereich fokussiert wird. Dies liegt daran, dass nur ein Teil des Lichts der Multimode-Quelle mit dem Singlemode-Faserführungsmuster übereinstimmt, sodass die Multimode-Quelle eine höhere Kopplungseffizienz mit der Multimode-Faser bereitstellen kann.

5. Ist der maximale Empfangswinkel von Multimode-Fasern festgelegt?

Das Problem hängt von der Art der Faser ab. Bei Stufenindex-Multimode-Fasern ist der maximale Empfangswinkel an jedem Punkt des Kerns gleich. Jedoch kann nur die Kernmitte der Gradientenindex-Multimode-Faser den maximalen Einfallswinkel bereitstellen. Je weiter von der Mitte entfernt, desto kleiner ist der maximale Empfangswinkel, und der maximale Empfangswinkel in der Nähe der Mantelgrenzfläche tendiert zu 0.

Kontaktinformationen:

Wenn Sie Ideen haben, sprechen Sie uns gerne an. Egal wo unsere Kunden sind und was unsere Anforderungen sind, wir werden unser Ziel verfolgen, unseren Kunden hohe Qualität, niedrige Preise und den besten Service zu bieten.