锥型塑料光纤的光传输特性及其应用研究

论文摘要

由于塑料光纤(POF)在短距离通信中所显示出来的可挠性好、对接容易、成本低等优势及其在传感领域较石英光纤(SOF)有灵敏度高、动态测量范围大等优点,塑料光纤越来越受到人们的重视,具有相当可观的潜在市场和应用前景。本论文研究了塑料光纤波导的模式耦合理论与功率流方程,介绍了塑料光纤的光线追迹法理论,并对其进行了仿真。利用几何光学中的光线追迹法分析和仿真了锥形塑料光纤中的光线传输特性。推导了子午光线和斜光线在锥形塑料光纤中传输的递推公式。分析结果表明,用锥形塑料光纤作为准直器,采用小锥角是比较合适的。介绍了大芯径塑料光纤热预拉锥的实验。通过实验,得到较好的塑料光纤拉锥工艺参数,并对拉锥后的塑料光纤进行测试分析。实验研究了LD输出激光束经过望远镜系统、多模光纤系统和锥形塑料光纤系统三种系统后的光束远场特性。望远镜系统具有良好的光束准直效果,由于衍射,远场光束呈现环状的光强分布;多模光纤的模间色散特性,使得光束的空间相干度降低,大大改善了输出光束的均匀性;锥形塑料光纤系统所具有的准直特性和模间色散特性,使光束具有部分相干性的同时,也减小了光束的发散角,光束质量最好。在光纤通信系统中,由光源产生的光束携带信息。半导体激光器和发光二极管是两种最常用的光源。最后一章,研究了LED与光纤的耦合问题,提出了几种关于改善LED光束发散角和提高LED与光纤耦合效率的方法。实验发现,锥形塑料光纤对于提高光束的耦合效率具有良好的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 塑料光纤及其应用
• 1.1.1 塑料光纤的性能
• 1.1.2 塑料光纤的应用
• 1.2 塑料光纤耦合器的研究进展
• 1.3 本论文的目的、意义和内容
• 第2章 塑料光纤的光传输理论
• 2.1 塑料光纤波导的模式耦合理论
• 2.1.1 麦克斯韦方程的分量形式
• 2.1.2 均匀塑料光纤波导的模式
• 2.2 模式耦合振幅方程
• 2.3 多模塑料光纤的功率流方程
• 2.3.1 功率流方程
• 2.3.2 功率流方程的数值计算
• 2.3.3 数值计算结果
• 2.4 塑料光纤的光线追迹法理论
• 2.4.1 光线追迹法
• 2.4.2 数值仿真结果
• 2.5 本章小结
• 第3章 锥型塑料光纤的光传输特性
• 3.1 锥型塑料光纤的制作
• 3.1.1 实验材料
• 3.1.2 实验装置
• 3.1.3 实验过程及现象
• 3.2 锥型塑料光纤的光传输特性
• 3.2.1 锥型塑料光纤的模式传输特性
• 3.2.2 锥型塑料光纤的功率传输特性
• 3.2.3 锥型塑料光纤的偏振传输特性
• 3.3 本章小结
• 第4章 锥型塑料光纤用于准直平行光束
• 4.1 锥形塑料光纤的光线传输模型
• 4.1.1 子午光线通过锥形塑料光纤的传输
• 4.1.2 斜光线通过锥形塑料光纤的传输
• 4.2 准直平行光束模拟计算结果
• 4.3 本章小结
• 第5章 激光束经锥形光纤输出的远场特性实验
• 5.1 LD 的光输出特性
• 5.1.1 LD 的光束发散角
• 5.1.2 LD 的像散
• 5.2 LD 远距离传输的远场特性实验
• 5.2.1 望远镜系统
• 5.2.2 多模光纤系统
• 5.2.3 锥形塑料光纤系统
• 5.3 本章小结
• 第6章 锥型塑料光纤与LED 的耦合实验
• 6.1 LED 的光输出特性
• 6.1.1 LED 的发光机理
• 6.1.2 LED 的光功率分布
• 6.2 光束发散角的改善
• 6.2.1 利用透镜改善
• 6.2.2 改进LED 的封装方式
• 6.3 入纤功率的提高
• 6.3.1 透镜
• 6.3.2 微透镜光纤
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢