1x2多模光纤耦合器
光纤技术及应用 石顺祥 复习资料
介质内的光场则为
且 或
1.3 程函方程与光线方程
1. 局部平面波 细光束在局部范围内可看作平面波
2. 程函方程
•将前式带入麦克斯韦方程，得
E B t
是光程
化简得到：
对比前面平面波关系
r
k r
E0
0H0
k H0 E0
得到
也就有
程函方程
光纤技术及应用
教材：光纤技术及应用 石顺祥 华中科技大学出版社 2009
第1章 光传输的基本理论
1.1 麦克斯韦方程组和波动方程
1.1.1 麦克斯韦方程组和边界条件
1 麦克斯韦方程
E B t
H D J t
D
B 0
物构方程
D εE B μH
或者说信息量是指从N个相等可能事件中选出一个事件所需 要的信息度量或含量，也就是在辩识N个事件中特定的一个事 件的过程中所需要提问"是或否"的最少次数.
香农（C. E. Shannon）信息论应用概率来描述不确定性。 信息是用不确定性的量度定义的.一个消息的可能性愈小，其 信息愈多；而消息的可能性愈大，则其信息愈少.事件出现的 概率小，不确定性越多，信息量就大，反之则少。
信道
发送机 接收机
将电信号转化为合适的传输形态，并加载到载波上
载波源 信道耦合器
放 大
模拟调制格式
（
，还
）
器件：
模拟信号：放大、滤波 数字信号：放大、滤波、门限判决
任何一个比 特时间内判 断是0、1
受信者为人：
声音，可视图像
受信者为其他设备：电形态信号
模拟光纤通信系统中不同参考点处的信号
光纤耦合
设计前的准备Zemax公司感谢Suss MicroOptics SA公司的Reinhard Voelkel博士提供本文使用到的实验数据。
我们同时提供本文的的日文版本本文描述了一种商用的光纤耦合器，系统使用SUSS MicroOptics FC-Q-250微透镜阵列来耦合两根康宁（Corning）SMF-28e光纤。
如下图所示：供应商提供的上述元件的参数如下：单模光纤，康宁SMF-28e数值孔径 0.14纤芯直径8.3μm 模场直径@1.31μm 9.2±0.4μm微透镜阵列，SUSS MicroOptics SMO39920基片材料熔融石英基片厚度 0.9mm内部透过率 >0.99透镜直径240μm 透镜节距250μm 曲率半径330μm 圆锥常数（Conic constant） 0数值孔径 0.17附件中的文件single mode coupler.zmx是整个系统的Zemax文件。
请注意一下几点：物面到透镜的距离和透镜到像面的距离设定为0.1mm，是因为这比较接近实际情况。
后面经过优化过程时候，这个尺寸还会发生变化；透镜到像面的距离使用了Pick-up solve，以确保和前面的物面到透镜的距离之间相等。
既然两组透镜和光纤之间是完全一致的（在制造公差之内），因而整个系统也就应该是空间反演对称和轴对称的（either way round）；两个透镜之间的距离设定为2mm，因为这个是实验中使用的数据。
同样地，这个距离后面也将会被严格的优化；系统孔径光阑设定为根据光阑尺寸浮动（float by stop size），而光阑设定在第一个透镜的后表面。
这就意味着系统的孔径光阑由透镜的实际孔径决定。
因而光纤的模式在这个系统中传输的过程中，就有可能受限于透镜的实际孔径。
在这个例子中，光纤的模式要比透镜的实际孔径小很多。
当心“数值孔径”的多种不同定义。
它有可能指的是边缘光束倾角的正弦值，有可能是光强降低到1/e2时的光束倾角的正弦值（我们将会看到Zemax会在不同的场合使用这两种定义），也有可能定义为光强降到1%峰值强度时光束倾角的正弦值，康宁便使用这种定义。
各种光电耦合器参数
常用参数正向压降VF：二极管通过的正向电流为规定值时，正负极之间所产生的电压降。
正向电流IF：在被测管两端加一定的正向电压时二极管中流过的电流。
反向电流IR：在被测管两端加规定反向工作电压VR时，二极管中流过的电流。
反向击穿电压VBR：：被测管通过的反向电流IR为规定值时，在两极间所产生的电压降。
结电容CJ：在规定偏压下，被测管两端的电容值。
反向击穿电压V(BR)CEO：发光二极管开路，集电极电流IC为规定值，集电极与发射集间的电压降。
输出饱和压降VCE(sat)：发光二极管工作电流IF和集电极电流IC为规定值时，并保持IC/IF≤CTRmin时（CTRmin在被测管技术条件中规定）集电极与发射极之间的电压降。
反向截止电流ICEO：发光二极管开路，集电极至发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流为反向截止电流。
电流传输比CTR：输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR。
脉冲上升时间tr、下降时间tf：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP 的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的10%到90%，所需时间为脉冲上升时间tr。
从输出脉冲后沿幅度的90%到10%，所需时间为脉冲下降时间tf。
传输延迟时间tPHL、tPLH：光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输入脉冲前沿幅度的50%到输出脉冲电平下降到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPHL。
从输入脉冲后沿幅度的50%到输出脉冲电平上升到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPLH。
入出间隔离电容CIO：光耦合器件输入端和输出端之间的电容值。
入出间隔离电阻RIO：半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。
入出间隔离电压VIO：光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。
最大额定值参数名称符号最大额定值单位V反向电压5VRI正向电流50mAV集-发击穿电压100V（BR）CEO I集电极电流30mACMT贮存温度-55～150℃stgT工作温度-55～125℃ambV隔离电压1000VIOP总耗散功率80mWtot推荐工作条件特性符号最小值典型值最大值单位I输入电流1050FV电源电压1560V主要光电特性测试条件(T特性符号11A=25℃±3℃)最小典型最大单位隔离特性隔离电阻RIOVIO=500V1010Ω上升时间tr10μsV开关特性下降时间tfCC=5V，IFP=10mA，RL=360Ωf=10kHz，D：1/2 10μsIV反向电流R0.011.0μALED输入特性VI正向电压FF=10mA1.21.4VCTR电流传输比VCC=5V，IF=10mA，RL=200Ω60180%集-发饱和电压VCE（sat）VCC=5V，IF=10mA，RL=4.7kΩ0.10.4V晶体管输出特性IV集-发截止电流CEOCE=5V，IF=00.011.0μA线性光电耦合器在开关电源中的应用沙占友王彦明王晓群(河北科技大学石家庄)摘要线性光耦合器是目前国际上正推广应用的一种新型光电隔离器件。
光纤耦合与特性测试实验
目录【实验目的】..................................................................................................... - 2 -【实验原理】..................................................................................................... - 2 -【实验设计】..................................................................................................... - 4 -【思考题】......................................................................................................... - 8 -- 1 -【实验目的】1．了解常用的光源与光纤的耦合方法。
2．熟悉光路调整的基本过程，学习不可见光调整光路的办法。
3．通过耦合过程熟悉Glens 的特性。
4．了解1dB 容差的基本含义。
5．通过实验的比较，体会目前光纤耦合技术的可操作性。
【实验原理】在光纤线路耦合的实施过程中，存在着两个主要的系统问题：即如何从各种类型的发光光源将光功率发射到一根特定的光纤中（相对于目前的光源而言），以及如何将光功率从一根光纤耦合到另外一根光纤中去（相对于目前绝大多数光纤器件而言）。
对于任一光纤系统而言，主要的目的是为了在最低损耗下，引入更多能量进入系统。
这样可以使用较低功率的光源，减少成本和增加可靠度，因为光源是不能工作在接近其最大功率状态的。
光学耦合系统的1dB 失调容差定义为当耦合系统与半导体激光器之间出现轴向、横向、侧向和角向偏移，从而使得耦合效率从最大值下降了1dB 时的位置偏移量。
第六章 无源与有源光器件—2
6.2.2
光纤定向耦合器
光纤定向耦合器是作为光纤线路的分路、合路、插入以及节 点互连的一种光耦合器件。在光通信及其他光纤系统中，凡涉及 多个光波信号的分、合及相互耦合时，都需要用到光纤定向耦合 器。本节以光纤传输系统中使用最多的定向耦合元件—四端口X 形定向耦合器为典型进行重点分析，介绍其工作原理、制作方法、 主要性能参数，进而扩展到星形耦合器。 1.X形光纤定向耦合器的工作原理与制作方法 光纤定向耦合器依据工作机理可分为三种类型：部分反射式、 波前分割式和模场耦合式。 模场耦合式光纤定向耦合器的工作机理，是基于光纤倏逝场 耦合的模式理论，即依据光纤中传输模式场分布的相互耦合来 实现光信号的分路与合路。当两光纤的纤芯相距足够近时，两 光纤中传输的模式将通过它们的倏逝场相互耦合，即在一根光 纤中传输的模式场分布会扩展到另一根光纤，使在其中激励起
图6.21
2×2熔锥型光纤定向耦合器结构与分路示意图
在理想情况下，当在端口①输入光功率P1时，在③、④端口 将按设计预定的比例输出光功率P3和P4，而无返回端口②的功率 分量，即P2=0。故为定向耦合器。基于定向耦合器的双向性，当 由其他端口输入时，其特性也将以此类推。由于理想的2×2定向 耦合器可视为一个无源且无插入损耗的器件，它有确定的分光比。 根据耦合波方程，可以求得其功率传输函数由如下矩阵确定
输出端口数目 每个输出端口所占的信号功率比 2 4 5 8 10 15 20 25 50 100 0.5 0.25 0.20 0.125 0.1 0.067 0.05 0.04 0.026.99 9.03 10 11.76 13.01 13.98 16.99 20
表6.2
无附加损耗条件下光耦合器中平均分配信号的损耗规律
2.光耦合器的主要类型 光耦合器的用途很多，制造的器件与材料也各异。根据功能 用途、端口排布规律以及制造的器件与材料、结构特点等，可将 光耦合器大致区分为图6.18所示的主要类型。
单模光纤和多模光纤的区别
单模光纤的英文标识为SF，多模光纤的英文标识为MF。
一、指代不同1、多模光纤：数值孔径为0.2±0.02，芯径/外径为50μm/125μnu其传输参数为带宽和损耗。
2、单模光纤：：中心玻璃芯很细(芯径为9或10μm)，只能传一种模式的光纤。
二、特点不同1、多模光纤：容许不同模式的光于一根光纤上传输，由于多模光纤的芯径较大，故可使用较为廉价的耦合器及接线器，多模光纤的纤芯直径为50μm至100μm。
2、单模光纤：其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。
三、用处不同1、多模光纤：多模光纤中传输的模式多达数百个，各个模式的传播常数和群速率不同，使光纤的带宽窄，色散大，损耗也大，只适于中短距离和小容量的光纤通信系统。
2、单模光纤：可支持更长传输距离，在100Mbps的以太网以至1G千兆网，单模光纤都可支持超过5000m的传输距离。
四、不同的光源单模光纤使用固态激光器作为光源。
以发光二极管为光源的多模光纤。
五、不同的成本单模光纤具有较宽的传输频率带宽和较长的传输距离，但由于需要激光源，因此成本较高。
多模光纤传输速度低，距离短，但成本相对较低。
六、传输方式的数量不同单模光纤的纤芯直径和色散很小，并且仅允许一种模式传输。
多模光纤芯径和色散大，允许上百种模式传输。
七、单模光缆的表面通常印有G652B或G652D或芯号+ B1.x，例如24B1.1，表示有24芯B1.1光纤，即G.652B。
例如48B1.3，表示存在48芯B1.3光纤，即G.2D光纤。
多模光缆通常具有相对较少的芯数。
通常，它们印有芯号+ A1b或A1a（注意，A1a代表50/125多模光纤，A1b代表62.5 / 125多模光纤），或直接印有50/125或62.5 / 125和其他标识，例如MM，OM1，Om2，OM3等。
zemax光纤耦合
设计前的准备Zemax公司感谢Suss MicroOptics SA公司的Reinhard Voelkel博士提供本文使用到的实验数据。
我们同时提供本文的的日文版本本文描述了一种商用的光纤耦合器，系统使用SUSS MicroOptics FC-Q-250微透镜阵列来耦合两根康宁（Corning）SMF-28e光纤。
如下图所示：供应商提供的上述元件的参数如下：单模光纤，康宁SMF-28e数值孔径 0.14纤芯直径8.3μm模场直径@1.31μm 9.2±0.4μm微透镜阵列，SUSS MicroOptics SMO39920基片材料熔融石英基片厚度 0.9mm内部透过率 >0.99透镜直径240μm透镜节距250μm曲率半径330μm圆锥常数（Conic constant） 0数值孔径 0.17附件中的文件single mode coupler.zmx 是整个系统的Zemax文件。
请注意一下几点：物面到透镜的距离和透镜到像面的距离设定为0.1mm，是因为这比较接近实际情况。
后面经过优化过程时候，这个尺寸还会发生变化；透镜到像面的距离使用了Pick-up solve，以确保和前面的物面到透镜的距离之间相等。
既然两组透镜和光纤之间是完全一致的（在制造公差之内），因而整个系统也就应该是空间反演对称和轴对称的（either way round）；两个透镜之间的距离设定为2mm，因为这个是实验中使用的数据。
同样地，这个距离后面也将会被严格的优化；系统孔径光阑设定为根据光阑尺寸浮动（float by stop size），而光阑设定在第一个透镜的后表面。
这就意味着系统的孔径光阑由透镜的实际孔径决定。
因而光纤的模式在这个系统中传输的过程中，就有可能受限于透镜的实际孔径。
在这个例子中，光纤的模式要比透镜的实际孔径小很多。
当心“数值孔径”的多种不同定义。
它有可能指的是边缘光束倾角的正弦值，有可能是光强降低到1/e2时的光束倾角的正弦值（我们将会看到Zemax会在不同的场合使用这两种定义），也有可能定义为光强降到1%峰值强度时光束倾角的正弦值，康宁便使用这种定义。
[整理]zemax光纤耦合.
![[整理]zemax光纤耦合.](https://img.taocdn.com/s3/m/e5d45037b52acfc789ebc94e.png)
设计前的准备Zemax公司感谢Suss MicroOptics SA公司的Reinhard Voelkel博士提供本文使用到的实验数据。
我们同时提供本文的的日文版本本文描述了一种商用的光纤耦合器，系统使用SUSS MicroOptics FC-Q-250微透镜阵列来耦合两根康宁（Corning）SMF-28e光纤。
如下图所示：供应商提供的上述元件的参数如下：单模光纤，康宁SMF-28e数值孔径 0.14纤芯直径8.3μm模场直径@1.31μm 9.2±0.4μm微透镜阵列，SUSS MicroOptics SMO39920基片材料熔融石英基片厚度 0.9mm内部透过率 >0.99透镜直径240μm透镜节距250μm曲率半径330μm圆锥常数（Conic constant） 0数值孔径 0.17附件中的文件single mode coupler.zmx 是整个系统的Zemax文件。
请注意一下几点：物面到透镜的距离和透镜到像面的距离设定为0.1mm，是因为这比较接近实际情况。
后面经过优化过程时候，这个尺寸还会发生变化；透镜到像面的距离使用了Pick-up solve，以确保和前面的物面到透镜的距离之间相等。
既然两组透镜和光纤之间是完全一致的（在制造公差之内），因而整个系统也就应该是空间反演对称和轴对称的（either way round）；两个透镜之间的距离设定为2mm，因为这个是实验中使用的数据。
同样地，这个距离后面也将会被严格的优化；系统孔径光阑设定为根据光阑尺寸浮动（float by stop size），而光阑设定在第一个透镜的后表面。
这就意味着系统的孔径光阑由透镜的实际孔径决定。
因而光纤的模式在这个系统中传输的过程中，就有可能受限于透镜的实际孔径。
在这个例子中，光纤的模式要比透镜的实际孔径小很多。
当心“数值孔径”的多种不同定义。
它有可能指的是边缘光束倾角的正弦值，有可能是光强降低到1/e2时的光束倾角的正弦值（我们将会看到Zemax会在不同的场合使用这两种定义），也有可能定义为光强降到1%峰值强度时光束倾角的正弦值，康宁便使用这种定义。
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Accelink Confidential Page 1 of total 1 page(s) 文件编号：版本：Ver 1.0更新日期：2011-05-28
产品技术文件
光迅文件编号 : 产品名称 :多模耦合器
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文件编号：版本：Ver 1.0更新日期：2011-05-28
目 录 1 DESCRIPTION.................................................................................................................................................3 1.1 Product Function................................................................................................................................3 850nm Wideband Coupler（FTB）................................................................................................................3 1.2 Related Product List:............................................................................................................................3 2 OPTIC SPECIFICATION：............................................................................................................................3 Dimension...............................................................................................................................................................3 3 PIGTAIL AND CONNECTOR........................................................................................................................6 4 OPERATION/STORAGE TEMPERATURE/HUMIDITY..............................................................................6 5 QUALIFICATION.............................................................................................................................................6 Reliability.........................................................................................................................................................6 6 ENVIRONMENTAL SAFETY............................................................................................................................7
文档更改记录 版本及状态 时 间 内 容 批准
V1.0 11-04-28 初稿 V1.0 11-05-28 增加部分常规品号 Accelink Confidential Page 3 of total 3 page(s)
文件编号：版本：Ver 1.0更新日期：2011-05-28
1 DESCRIPTION 1.1 Product Function 850nm Wideband Coupler（FTB） 1.2 Related Product List: Note：SPEC-MMBC-001V10.xls
2 OPTIC SPECIFICATION： NO Parameters Specifications Unit Note Operating Wavelength 850 nm
2.1 Ratio 20/80 & 30/70 & 50/50 2.2 Port 1×2 or 2×2
2.3 Fiber Type 62.5/125um MMF
Ratio TAP(dB) Signal(dB) 20/80 8.4 2.0 30/70 6.5 2.6 50/50 4.2 4.2 NOTE:All the above date are measured without connector and used the Vcsel LightSource.
Dimension A B D F E(Adapter) Package (mm) φ3×48 φ3×55mm 100×80×7.2 100×80×10 130×90×15
Installation (mm) SST TubeSST Tube 60×76.2×4φ3.090×74×4φ3.5 124×84×4φ3.5
C1 C2 G J M Package (mm) 90×16×9
（Plastics）90×16×9
(Metal) 130×90×14 133.5×96×18 150×110×19
Installation (mm) 49.9×9.3×2
φ3 50×9×2φ
3.2 60×87×4φ3.0 128.5×90×4φ3.0 145×105×4φ3.5
LGX 11 12 Package (mm) 129×158×28（1U） 129×158×58
（2U） 482×230×44482×202×88 Accelink Confidential Page 4 of total 4 page(s)
文件编号：版本：Ver 1.0更新日期：2011-05-28
A&B
C D&F&G&J&M
E Accelink Confidential Page 5 of total 5 page(s)
文件编号：版本：Ver 1.0更新日期：2011-05-28
LGX Accelink Confidential Page 6 of total 6 page(s) 文件编号：版本：Ver 1.0更新日期：2011-05-28
11&12
3 PIGTAIL AND CONNECTOR 4 OPERATION/STORAGE TEMPERATURE/HUMIDITY NO PARAMETER SPECIFICATION UNITS NOTE 3.1 Operating temperature -10~70 °C 3.2 Operation Humidity 5-95 %RH 3.3 Storage Temperature -40~85 °C 3.4 Storage Humidity 5-95 %RH
5 QUALIFICATION Reliability Compliant to Telcordia GR-1209/1221
Fiber Type 250um OR 0.9/2.0/3.0mm tuble Fiber Length （customer specify） 1±0.1m（with connector length）
Dimension FC,SC,LC,MU/PC,UPC,APC Accelink Confidential Page 7 of total 7 page(s)
文件编号：版本：Ver 1.0更新日期：2011-05-28
6 ENVIRONMENTAL SAFETY Compliant to ROHS6
WBC -□-□-□-□-□-□-□
Connector：SC，FC，LC,MU/PC,UPC,APC
Wavelength：850:850nm;1310:1310nm Port：12：1×2；22:2×2（仅均分）；2×12：2个1× 2；N×12:N个1×2；N×22:N个2×2（均分）
Package：A,B,C1,C2,D,E,F,G,J,M,LGX,11,12… Fiber Length：00:adapter；1:1m；customer specify
Ratio：20:20/80；30:30/70；50:50/50 Fiber Dia.：00:adapter；025:Ф0.25mm；09:Ф0.9mm ；20:Ф2.0mm；30:Ф3.0mm