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环形通量简介

日期: 2017-04-28
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在多模光通信系统中,以VCSEL为光源、以多模光纤为光导介质居多。可以通过模拟计算,得出VCSEL和多模光导介质的带宽关系,用于确定和改善多模光导介质的性能。VCSEL的环形通量(Encircled Flux,EF)用于定义VCSEL发射传输的光特征。

VCSEL激射的光斑为圆形光斑,其沿多模光纤传播的近场光强呈圆形状分布,光纤纤芯中心的光强接近等于零。对于一般10Gbps速率的通信系统,小于30%的光能量分布在9um直径的圆圈内,大于86%的光能量分布在38um直接的圆圈内。

环形通量简介

多模光纤中的近场光强分布

把环形通量进行数学量化表达,可以假设VCSEL发射光功率与光纤截面的径向函数关系为S(p),其中变量p代表光纤截面的相对纤芯中点的偏移坐标量,则环形通量:

EF=2πP•S(P)

它表示各径向偏移点上的光功率乘于在该偏移点的圆环面积。

环形通量简介

多模光纤的传输性能主要受限于多模光纤中的差分模式延迟(Differential Mode Delay,DMD)现象。多模光纤在传输过程中,光脉冲会发散展宽,当这种发散严重到一定的程度后,前后脉冲会相互叠加,使得接收探测器无法分辨出每一个光脉冲信号。最主要的原因在于:一是光纤的纤芯折射率分布不完美。多模光纤的DMD是在不同径向位置的入射脉冲的传播时间和光纤模间色散特性的组合效应,虽然对于指数渐变型折射率多模光纤,可以设计出很好的折射率分布函数和控制DMD现象,但DMD现象对光纤的折射率分布十分敏感,一点微小的偏差也会导致较明显的DMD现象。因此,在多模光纤的制作中,必须精准地控制,设计实现最完美的折射率分布值。二是光纤的中心凹陷。光纤的中心凹陷是指在光纤的纤芯中心,折射率分布明显下降的现象,它将影响光纤的传输特性和降低光纤的性能。

因此,精确控制光纤的折射率分布,是十分重要的。通过测量VCSEL光源的环形通量分布情况,可以指导模拟出与之匹配的多模光纤折射率径向分布函数,再根据这一设计的折射率分布值,制作出最完美的多模光纤。

环形通量简介

VCSEL发射特性

环形通量对其他光导介质同样具有指导意义。在光波导或者透镜光学系统中,鉴于VCSEL光源的发射光能量分布特征,可以得出结论:

1. 在光波导或者透镜光路中,光波导和透镜的最中心光功率并非最大值;

2. 小于30%的光能量分布在从纤芯中点径向偏移为18%的光波导或者透镜的传输光束圆内,大于86%的光能量分布在从纤芯中点径向偏移为76%的光束圆内。

以透镜为例,鉴于VCSEL光源的环形通量的上述特征,如果透镜的通光口径小于或者等于VCSEL光斑直径的76%,那么将会产生严重的光串扰。

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