光纤耦合之原理淡江大学机械与机电工程学系.docx
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光纤耦合之原理淡江大学机械与机电工程学系
淡江大學機械與機電工程學系
畢業專題論文
指導教授：
吳乾埼博士
光纖耦合的參數研究
專題生：
林弘哲
中華民國100年12月
摘要
光纖通信主要應用原理不外乎利用各種光源發出光信息，由光纖所接收並且傳輸，再由光纖輸出給接收端，達成訊息的傳送，所以其光纖跟光源的耦合，是基本也很重要的問題。
因材質不均勻的散射、結構不完整的散射、或因彎曲破壞臨界角所引起之損耗，還有本質或雜質吸收及非線性效應等影響，都會造成能量損耗，所以本研究利用光學工程軟體，在光源大小與光源數值孔徑為一定值，利用鏡焦距來找出損失能量最小的距離。
目錄
摘要2
目錄3
圖目錄4
表目錄4
第一章緒論5
前言5
研究動機5
研究流程5
第二章光纖耦合之原理5
2.1光纖概論6
2.2光纖原理6
2.3光纖結構和分類7
第三章光纖耦合消耗探討11
3.1光纖耦合消耗11
第四章Lighttools之光纖耦合13
4.1架構步驟13
第五章結論15
參考資料16
圖目錄
圖【一】光的折射定律2
圖【二】光纖基本結構7
圖【三】孔徑繞射後之能量分布12
圖【四】光學透鏡的聚焦12
圖【五】光源波長13
表目錄
表【一】三種光纖的幾何尺寸和典型的性能參數7
表【二】石英光纖和塑膠光纖比較9
表【三】光纖優缺點10
第1章緒論
前言
光纖網路已經是全球未來的趨勢，光纖通信的元件又是以光纖耦合為技術的主流，低投資高價值，全球大力推展下，國內也積極投入發展。
隨著光纖通信的廣泛使用，光纖耦合器的地位和作用越來越重要，並已成為光纖通信不可或缺的一部份，設計損耗小、耦合率高分光比可調可實現特殊耦合的光纖耦合器，已成為光學領域研究的焦點和目標。
研究動機
光纖通訊的原理分幾大類，一是利用傳統核心與被覆蓋之間的材料折射係數的差距，行幾何光學的光全反射原理，將光侷限在核心。
二是利用光子能帶光纖，利用繞射，將光侷限在核心，並在核心之間傳遞能量。
評估一個耦合的好壞，其中一項重要的指標就是損耗。
損耗代表的意思就是從輸入端到輸出端中間到底有多少的能量損失，本研究目的是為了瞭解光纖耦合的種類、運作原理、規格，探討如何降低損耗使耦合趨於完善。
研究流程
本研究一開始先收集有關光纖耦合的文獻資料，從過去資料了解光纖耦合的種類、運作原理、規格，並利用市面上廠商所提供之實際產品規格數值，取其中一種加以分析探討其中的差異性，並依照可能之用途做出結論。
第二章光纖耦合之原理
2.1光纖概論
光導纖維簡作光纖，是一種利用光在玻璃或塑料製成的纖維中全反射原理而達成的光傳導工具，微細的光纖封裝在塑料護套中，使得它能夠彎曲而不至於斷裂，通常，光纖的一端的發射裝置使用發光二極體（lightemittingdiode,LED）或一束雷射將光脈衝傳送至光纖，光纖另一端的接收裝置使用光敏原件檢測脈衝，在日常生活中，由於光在光導纖維的傳導損耗比電在電線傳導的損耗低得多，光纖被用作長距離的信息傳遞，隨著光纖價格日漸降低，光纖也被用於醫療和娛樂的用途。
2.2光纖原理
光在傳播之時，若經兩個不同「介質」的介面，由於介質傳遞光的速度不同，就會產生「折射」，例如插入水中的筷子好像折斷一般。
當光從傳遞速度慢的介質到傳遞速度快的介質時，會有一部分「折射」，一部分「反射」，到了某一角度時會沒有「折射」，此時稱之為「全反射」。
光的反射定律是，光在傳播過程中碰到兩種媒質的交界面時會發生反射，且反射角（θ1′）等於入射角（θ1），如圖【一】所示。
反射光
圖【一】光的折射定律
2.3光纖結構和分類
圖【二】光纖基本結構
一、光纖的種類
按照其橫截面上折射率的分布可分為階躍型光纖和漸變型光纖；按照傳輸模式的多少可分為單模光纖和多模光纖，按照其工作波長可分為短波長（0.8～0.9μm）光纖、長波長（1.0～1.7μm）光纖和超長波長（>2μm）光纖；按照光纖組成的材料划分有石英玻璃光纖、多組份玻璃光纖、氟化物光纖、塑料光纖和液芯光纖，目前通信中普遍使用的是石英玻璃光纖，石英玻璃光纖可分為三種類型：
階躍型多模光纖、漸變型多模光纖和單模光纖，這三種光纖的幾何尺寸和典型的性能參數。
如下表【一】
表【一】三種光纖的幾何尺寸和典型的性能參數
種類
單模光纖
階躍型多模光纖
漸變型多模光纖
尺寸、性能
分項
直徑
纖芯
4-10μm
50μm
50μm
包層
125μm
125μm
125μm
折射率
纖芯
1.45
1.47
1.47軸心處
包層
1.445
1.45
1.45
數值孔徑
0.12-0.18
0.3-0.6
0.18-0.24
衰減系數
1.31μm:
0.5db/km
1.55μm:
0.2db/km
2.5-4db/km
（0.85μm）
2db/km
（1.31μm）
帶寬
100ghz.km
200mhz.km
1ghz.km
應用
長距離
大容量
短距離
小容量
中長距離
中大容量
Ａ、多模光纖:
核心直徑較大的光纖（大於10微米）的物理性質，可用幾何光學的理論來分析。
在一個多模突變光纖內，光線靠著全反射傳導於核心。
當光線遇到核心-包覆邊界時，假若入射角大於臨界角，則光線會被完全反射。
臨界角的角度是由核心折射率與包覆折射率共同決定。
假若入射角小於臨界角，則光線會折射入包覆，無法繼續傳導於核心。
臨界角又決定了光纖的受光角，通常以數值孔徑來表示其大小。
Ｂ、單模光纖
核心直徑小於傳播光波波長約十倍的光纖，不能用幾何光學理論來分析其物理性質。
替而代之，必須改用馬克士威方程式組來分析，想出相關的電磁波波動方程式。
視為光學波導，光纖可以傳播多於一個橫模的光波。
只允許一種橫模傳導的光纖稱為單模光纖。
常見的一種單模光纖，核心直徑大約為8–10微米，專門用於傳導近紅外線。
多模光纖的核心直徑可以小至50微米，或者大至幾百微米。
C、階躍型（本研究以數值孔徑0.3做測試）
光纖的纖芯折射率高於包層折射率，使得輸入的光能在纖芯一包層交介面上不斷產生全反射而前進。
這種光纖纖芯的折射率是均勻的，包層的折射率稍低一些。
光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的，只有一個臺階，所以稱為階躍型折射率多模光纖，簡稱階躍光纖，也稱突變光纖。
這種光纖的傳輸模式很多，各種模式的傳輸路徑不一樣，經傳輸後到達終點的時間也不相同，因而產生時延差，使光脈衝受到展寬。
所以這種光纖的模間色散高，傳輸頻帶不寬，傳輸速率不能太高，用於通信不夠理想，只適用於短途低速通訊，比如：
工控。
但單模光纖由於模間色散很小，所以單模光纖都採用突變型。
這是研究開發較早的一種光纖，現在已逐漸被淘汰了。
D、漸變型光纖
為了解決階躍光纖存在的弊端，人們又研製、開發了漸變折射率多模光纖，簡稱漸變光纖。
光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高次模的光按正弦形式傳播，這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高，現在的多模光纖多為漸變型光纖。
漸變光纖的包層折射率分佈與階躍光纖一樣，為均勻的。
漸變光纖的纖芯折射率中心最大，沿纖芯半徑方向逐漸減小。
由於高次模和低次模的光線分別在不同的折射率層介面上按折射定律產生折射，進入低折射率層中去，因此，光的行進方向與光纖軸方向所形成的角度將逐漸變小。
同樣的過程不斷發生，直至光在某一折射率層產生全反射，使光改變方向，朝中心較高的折射率層行進。
這時，光的行進方向與光纖軸方向所構成的角度，在各折射率層中每折射一次，其值就增大一次，最後達到中心折射率最大的地方。
在這以後。
和上述完全相同的過程不斷重復進行，由此實現了光波的傳輸。
可以看出，光在漸變光纖中會自覺地進行調整，從而最終到達目的地，這叫做自聚焦。
一、材料的種類
簡單分為石英玻璃光纖和塑料光纖兩大類，前者以二氧化矽為主，在添少量金屬離子等，石英光纖具有高透明度低光傳損失，適合長距離的傳送，目前做為區域網路使用，但成本高、口徑小。
塑膠光纖主要以透明度佳的高分子材料為主，成本低、質輕，適合做短距離傳送，以下表【二】
表【二】石英光纖和塑膠光纖比較
種類
石英光纖
塑膠光纖
材料
石英矽玻璃
高分子
密度
大
小
光傳損失
<1db/km
1~1000db/km
孔徑數值
小（0.1~0.25）
大（0.3~0.9）
光傳距離
長
短
材料多樣性
不佳
佳
成本
高
低
石英光纖
1.塑膠包層高純石英光纖
用途：
適用於從紫外到紅外各波長下信號及能量的傳輸
性能：
A.數值孔徑：
0.37～0.39
B.傳輸的功率：
>85W（500mm光纖在1.06mm波長下）
C.芯徑範圍：
200～1000mm
D.允許彎曲直徑：
<40D（D：
光纖芯徑）
2.純石英包層光纖：
用途：
用於各波長下，大功率鐳射的傳輸
性能：
A.數值孔徑:
>0.21
B.傳輸的功率:
>130W（芯徑500mm，波長1.06mm）
C.芯徑範圍:
100～500mm
D.允許彎曲直徑:
>60D（D：
光纖直徑）
E.芯徑：
外徑=1:
1.5
3.紫外傳輸光纖：
用途：
用於紫外區（波長範圍:
200～400nm）能量的傳輸
性能：
A.數值孔徑:
0.10～0.15（石英包層）
0.37～0.39（塑膠包層）
B.透過率:
>90%（波長308nm）
C.芯徑:
50～500mm（石英包層）
100～1000mm（塑膠包層）
光纖優缺點表【三】
優點
缺點
傳輸速度快：
光纖的傳輸速度可以超過2Gbps,為目前傳輸速率最高的媒介。
無電磁干擾：
因為光纖是用光波傳輸訊號,幾乎不受電磁干擾的影響。
傳輸安全性高：
光纖在傳輸時不會有光波訊號散射出來,因此不用擔心被人從散射的能量中盜取資訊
光纖的接頭都得融接,所以架設不易,要分接線路也很麻煩,而且光纖的價格很高,實在不適合一般小型區域網路使用。
光纖彎曲半徑不宜過小，光纖終端處理不易分路耦合操作繁瑣
第三章光纖耦合消耗探討
3.1光纖耦合消耗
光纖為一種圓柱形光波導，主要可分為內徑的纖核（Core）與外徑的纖殼（Cladding）部分，為了增加光纖強度及避免纖殼受到刮傷造成訊號的衰減，還會在纖殼外緣以塑膠披覆作為保護層。
而光波在光纖內，因纖核的折射率略大於纖殼，所以光在纖核射向與纖殼交界面時，只要入射角大於兩介面之臨界角，便在介面間發生全反射，便可將光侷限在光纖的核心中傳輸。
所以為了減少能量的損耗，增加光訊號傳播的距離，還需滿足全反射的條件。
將整理光波與光纖耦合所引發的損耗列舉如下：
a.數值孔徑（NumericalAperture，NA）損耗：
因為光在光纖中傳遞是利用介面全反射的原理，將光侷限在纖核中傳播，若光線在纖核中無法滿足全反射之條件，在傳遞時會發生能量的損耗，即所謂的漏光，而造成能量的損耗。
可利用數值孔徑來描述光纖的接收角，當雷射光聚焦後的收斂角度大於此數值孔徑，則無法滿足光線在纖核的全反射條件，對於階變式折射率光纖（Step-IndexFiber）之數值孔徑為：
其中ni為光纖外介質之折射率，ncore與ncladding分別為纖核與纖殼之折射率，θmax即滿足光纖全反射條件的最大場角。
所以為了提高光纖的耦合效率，則必須讓入射光纖之光波的數值孔徑滿足或是小於光纖的數值孔徑，來達到光的損耗最小。
b.光場面積不匹配損耗：
因為光波經透鏡聚焦後，若聚焦點大於纖核之截面積，則部分能量無法耦合入纖核，即發生損耗。
造成聚焦點與截面積不匹配之原因有
（1）幾何像差；
（2）孔徑繞射。
雖然幾何像差可透過光學設計優化加以消彌，使聚焦光點縮小至可與纖核面積匹配。
但還需考慮因光的波動性所產生的繞射現象，即當光波通過一孔徑大小有限的光學透鏡聚時，產生繞射現象，使得聚焦點為一個具能量分佈的面積，而無法得到理想無限小的聚焦點，當光路系統完全無幾何像差時的聚焦點稱為繞射極限，此為幾何光學無法突破之限制，經過一圓形孔徑的透鏡其繞射極限為：
R=1.22NAλ=×（2.4.2）
R：
Airydisk（聚焦點）直徑，λ：
波長，NA：
透鏡之數值孔徑。
因此，越高數值孔徑之無像差透鏡是具有越小的繞射極限。
圖【三】孔徑繞射後之能量分布圖【四】光學透鏡的聚焦
光纖通訊系統中，光訊號強度衰減主要來自：
耦合損耗（雷射光入射至光纖之損耗以及光纖連接不當之損耗）、光纖本身的吸收或散射衰減以及光纖本身受到彎曲或其它應力所產生的散射損耗。
端面耦合損耗：
光纖的N.A.值能決定入射光能夠耦合進入光纖的比例，因為只有發散角小於光纖接受角以及光束貫徑小於光纖纖心口徑的入射光方能進入光纖中傳播，所以耦合損耗主要發生在光源的發散角大於光纖的N.A.或光源不能有效地對準光纖纖心。
光纖連接損耗：
當通訊系統中的光纖需因為其它原因而做接駁的動作時，常常會因為兩條對接的光纖連接不當而造成大量的損耗，損耗來源有端面不平、對位不準、兩端面距離過大或完全接觸造成彎曲…等，都會造成難以想像的損耗，有時更會使訊號完全無法傳遞到下一條光纖。
由於光纖通訊的訊雜比或訊息量遠比傳統方式來得大，所以通常以dB值來表示損耗
為入射光纖之能量
為出射光纖之能量
光纖內部吸收或散射：
光纖內部損耗主要來自於材質中OH-離子鍵的吸收以及雜質粒子的散射。
，而其損耗大小的表示
L為光纖長度以及彎曲或其它應力造成的損耗。
第四章Lighttools之光纖耦合
4.1架構步驟
1.光源
雷射二極體
能量（watts）
0.1
半徑（mm）
1.5
寬（mm）
0.5
距離（mm）
Z軸-35
圖【五】光源波長
2.分光鏡採用BK7材料
BK7
尺寸（mm）
6
厚度（mm）
6
波松比
0.208
穿透率（nm）
25~632.8
距離（mm）
Z軸-50
3.透鏡
透鏡
直徑（mm）
6
孔徑數值
0.4
厚度（mm）
2.5
4.使用石英光纖
core
clad
半徑（mm）
0.0625
0.0025
長度（mm）
200
200
孔徑數值
0.3
5.在光纖底部放至一個M1分光鏡並且設定完全反射，分光鏡下方放置一個M2分光鏡
6.架構完成
在實驗中我們設定為石英光纖其孔徑數值為0.3，一開始我們使用孔徑數值小於0.3的透鏡做分析，會發現光線經過透鏡反射出來的光源進入光纖內其能量很小，於是我們改用孔徑數值0.4的透鏡重覆之，結果發現反射出來的光源會接近0.3，表示大多數的光會進入光纖管內，於是我們採用此透鏡研究。
光經過分光鏡會分成2路，一個經過透鏡進入光纖館，另一個直接反射到M1，而到M2的光經過全反射會跑回到分光鏡上，觀察在多遠距離經過反射回來後M2的能量要盡量和M1相同。
經過幾次距離的逼近後-15mm會開始損失便小所以由此距離開始紀錄
距離（mm）
反光鏡
-15
（mm）
-15.5
（mm）
-16
（mm）
-16.5
（mm）
-17
（mm）
M1
0.045988
0.045988
0.045988
0.045988
0.045988
M2
0.004576
0.0055569
0.0094622
0.02197
0.044872
第五章結論
由實驗數據可以看出，在-15mm時，能量變動會變小，在往下逐漸放遠，會看到在-17mm時M1、M2的能量近乎相同。
研究中比較困難的是，用0.4的孔徑要剛好聚焦在光纖上真的不好調教。
為了提高光纖的耦合效率，在設計上可採用高數值孔徑之透鏡，但仍需考慮光纖的數值孔徑損耗，並在兩者間找出其平衡點，來達到光的損耗最小。
參考資料
[1]光耦合器的技術特性與應
[2]光纖原理簡介http:
//140.134.32.129/plc/oesys/data/datas/9027.doc
[3]陳華山，國立中山大學光機電研究所碩士論文，耦合器與最佳封裝之研究，民89年6月。
[4]郭建逸，國立中山大學電機工程研究所碩士論文，全光纖式2X2耦合器之分析比較，民95年6月。
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