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锥型塑料光纤的光传输特性及其应用研究

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锥形光纤中光波传输特性的蒙特卡罗模拟_孙爱娟

锥形光纤中光波传输特性的蒙特卡罗模拟_孙爱娟
[ 7]
则产生一个新的方向 (相对于前一方向 ), 新的方位
4期
孙爱娟等
锥形光纤中光波传输特性的蒙特卡罗模拟
553
= 2
RAN
2 2 2
个设定值比较 , 如果低于设定值, 则舍弃该光子 ( 3)
-1
如
= [ ( 1+ g ) - ( 1- g ) ( 1- g + 2g
- 2
果光子逃逸出锥形光纤边界也将被舍弃掉, 最后记 录下通过锥形光纤到达探测器的光子权重及其到达 端面的位置
3 结论
本文通过用蒙特卡罗法对锥形光纤中光子流的 传输和光子分布的模拟 , 得到了大量光子通过锥形 光纤后的光子分布图 仿真试验结果表明 : 1) 大量 光子集中在探测器中心 ; 2) 到达探测器某一位置的 光子数随着该位置到探测器中心的距离 x 的增加而 减少; 3) 距离探测器中心较远 的位置, 很少有光子
0 引言
锥形光纤不仅广泛应用于医学 , 近场光学显微 [ 1] 镜以及光孤子通信中 , 而且还可以融合成光锥做 为传像器件
[ 2]
一次 , 权重乘于一个小于 1 的数值 , 当光子到达锥形 光纤边界的时候, 要么逃逸出锥形光纤 , 要么被边界 反射而返回锥形光纤内 经过多次的散射和吸收, 然后跟踪下一个 光子的权重如果小于预先设定的阈值权重或者逃逸 出边界, 则停止对该光子的跟踪 1 . 2 . 1 光子的入射 假定光源是无限细的光束垂直入射到锥形光纤 端面 , 等效于光子一个一个地射入锥形光纤中 入射光子的初始权重 为 1, 并用 ( x , 子的运动方向 , 则初始值为 ( 0 , 0 , 1) 1 . 2 . 2 光子路径 假定散射粒子服从随机分布 , 一个光子产生多 次碰撞之间的 平均距离为 ( 间的距离可以由下式估计 = - lnRAN /

光纤光锥光学特性研究与测试

光纤光锥光学特性研究与测试

第１章绪论１．１光纤光锥光学特性研究的背景及意义１．１．１光纤光锥简介光纤光锥是由成千上万根光学纤维经规则排列、加热、加压融合、扭转、拉锥等一系列工艺制成，其中每一根纤维由高折射率的芯玻璃和低折射率的包皮玻璃构成，入射光依据全反射原理从每根纤维的一端传向另一端。

光纤传像元件包括光纤面板、光纤倒像器、光纤光锥。

光纤光锥是光纤面板的一种特殊形式。

图１．ｉ光纤面板图１．２光纤光锥光纤面板如图１．１所示，由数千万根直径为５～６ｌＪｍ的光导纤维规则排列后，加温、加压熔合而成。

它在光学上具有零厚度，有很高的集光能力和分辨率，可无失真地传递高清晰度图像，是性能优越的光电成像和图像传输器件。

主要用于微光像增强器的输入窗或输出窗和ＣＲＴ象管的显示屏，对改善器件的像质起着无法替代的作用““２Ｍ“¨”。

光纤光锥如图１．２所示，是另一种形式的光纤面板，也是由直径为５～６ｐｍ的光导纤维规则排列，每根纤维均匀拉伸成锥型的图像传输器件。

目前世界上最大的商用光纤光锥直径能达２００ｒａｍ删。

光纤光锥具有将图像放大和缩小特定倍数的作用，可以获得短的物像距。

理论上，光锥的大端和小端的直径之比可以达到４０：１，但由于制造过程中技术的限制，实际的光纤光锥的大端和小端直径比的范围为２：１到１０：１”１。

１．１．２光纤光锥应用目前光纤光锥的主要用途是将图像从像增强器耦合到ＣＣＤ（电荷耦合器件）上或作为图像放大缩小器件。

１）光纤光锥与ＣＣＤ的耦合ＩＣＣＤ图像传感器已经广泛的应用于微光夜视、目标识别及探测、激光制导、机器人视觉以及高分辨率ｘ射线医学成像等领域。

利用光学中继元件，将微光管光纤面板荧光屏输出的图像耦合到ＣＣＤ的光敏面上，如图１．３所示，实现微光摄像和高分辨率成像。

在设计或采用光学中继元件时，必须考虑尽可能的收集从增强器输出的光子能量，并且能够以最小的像差投影到ＣＣＤ的光敏面上。

像增强器和ＣＣＤ耦合的最常用的方法就是利用成像物镜或者是采用光锥作为中继元件吲。

锥形光纤的结构与特性

锥形光纤的结构与特性

薛春荣 1, 2 ,侯海虹 1
(1. 常熟理工学院 ,江苏 常熟 215500; 2. 中科院上海光学精密机械研究所 ,上海 201800)
摘 要 :通过理论分析和仿真试验 ,研究了锥形光纤的几何形状对锥形光纤的传输损耗和耦合 效率的影响 。用几何光学的分析方法 ,说明了光信号在锥形光纤中的传输损耗远低于同类型 的圆柱形光纤 ;仿真试验研究了光源与光纤的相对位置 、锥形光纤的尖端半径 、锥形光纤的锥 角大小对锥形光纤耦合效率的影响 。 关键词 :锥形光纤 ;传输损耗 ;耦合效率 中图分类号 : TN253 文献标识码 : A
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
激 光 与 红 外 No. 9 2007 薛春荣 侯海虹 锥形光纤的结构与特性
率 [ 4 ] 。本文用光学设计仿真软件对锥形光纤进行
了研究 ,力求找到锥形光纤的几何形状与耦合效率
间的关系 , 以便优化锥形光纤的形状 , 提高耦合
效率 。
对锥形光纤仿真研究的原理是光线追迹 ,通过
追踪射入与射出锥形光纤的不同光线的传播路径计
算锥形光纤的耦合效率 。仿真用的光源为方向性
强 、稳定性好的波长为 0. 6328μm 的 He - Ne激光 器 ,光纤参数为 50 /125μm ,锥形光纤的几何结构如
n < 1 = tan (θ- 2α) - tanα
(4)
x1
d
把式 (4)与式 (2)相比较可以看出 ,激光在锥形光纤
中的反射次数少于在圆柱光纤中的反射次数 ,并且 ,
由于反射角的增大 ,在相同的传播距离内 ,激光走过

锥形光纤的结构和传光特性

锥形光纤的结构和传光特性

第四章 锥形光纤的结构和传光特性4.1 锥形光纤的结构通常锥形光纤的加工方法有两种：腐蚀法和融拉法。

前者的特点是光纤包层直径沿传播逐渐减小，而纤芯直径除了在小端附近时逐渐变小，其余部分基本不变。

后者可以看成在锥形区域内包层和纤芯的直径沿纤轴方向均逐渐变小，包层和纤芯的直径之比保持恒定。

我们现在所讨论的是基于后者的锥形光纤。

图4.1.1 锥形光纤的几何剖面图图4.1.1是锥形光纤的几何剖面图。

其中，A 是光锥锥度，l 是光锥长度， 2a 是尖端半径， 1a 是光纤锥的粗端半径。

由锥形光纤几何参数可用下面数学式表示[12]:la 21a tan arc -=α （4.1） 由上式可以看出， 尖端直径越小， A 越小。

l 值越小A 就越大， 锥形变化也就越尖锐。

4.2 本次实验所用到的锥形光纤图4.2.1为本次实验所拉的锥形光纤。

锥形光纤的锥长为1160.02um ，腰宽为22.34um 。

由图可看出，拉成的锥非常完美。

实验中用自制的热拉伸装置把光纤拉成锥形，在拉锥过程中尽量保证两手力道均匀，并且由于实验装置是高压的，要注意实验安全。

锥形光纤顶端锥体的角度，变化范围越大光纤表面越光滑， 锥形锥区越短， 传输效率就越高。

图4.2.1 实验拉成的锥形光纤实物图当光线在锥形光纤传输时，要使入射光线能从锥形光纤的另一端出射，由全反射条件： 211221)](1[)2sin(n n b b -=≤+δϕ （4.2） 上式中，δ为锥形光纤的锥角，1b 是光纤出射端的半径，2b 是光纤入射端的半径。

要使锥形光纤可以传输光，光纤要有一个最小长度，所以实验中不能拉锥过长。

图4.2.2 单模锥形光纤结构示意图4.3 锥形光纤的传光特性由上述我们所讨论锥形光纤结构，光进行传输时，有许多与普通常用光纤不同的特性，同时它与器件耦合时有高的耦合效率、低的传输损耗等优点，这些是研究着们现在所关注的。

θtan 11dc AB n == （4.3.1） 光纤内径为d ；激光光束与光纤轴线的夹角为θ；n 为光在普通光纤中传输时，沿轴向单位长度的反射次数。

塑料光纤传输和通信系统的优势和应用分析

塑料光纤传输和通信系统的优势和应用分析

塑料光纤传输和通信系统的优势和应用分析与电缆相比，作为传输介质，光纤具有很多优点，但是普通通信用的石英光纤连接难度大、成本昂贵、安装维护费用高，不能广泛应用于短距离数据通信或桌面数据连接。

塑料光纤不但具有光纤的优点，而且其直径一般在0.3～3mm，大的直径宜于连接，光的耦合效率也较高，同时还兼有柔软、抗弯曲、耐震动、抗辐射、价格便宜、施工方便等优点，可在一定程度上代替传统的石英光纤及铜缆。

因此塑料光纤通信系统非常适合于短距离（100m左右）、中小容量（几Kb/s至100Mb/s）、低成本（几十元）的桌面数据连接，以及设备之间、设备内部总线的数据连接。

塑料光纤传输系统的优势采用塑料光纤通信系统取代电缆连接后，将会在以下几个方面提高设备的性能。

● 提高设备的抗电磁干扰和抗核辐射能力。

● 无串扰。

使用光缆来传输信号，各路信号之间不会产生串扰。

● 减轻系统的重量。

1500m直径1mm的塑料光纤的重量只有不到2kg。

● 抗雷击能力强。

无金属的光缆本身是很好的绝缘体，即使暴露在室外，也不会引来雷电击坏设备。

塑料光纤通信的系统描述塑料光纤通信系统的基本组成为：光发送器、光接收器、塑料光纤及一些无源器件。

光发送器将电信号（如TTL电平的信号）转化为光信号，光信号被耦合到塑料光纤中，通过塑料光纤传输到光接收器，光接收器将光信号还原为电信号（如TTL电平的信号）。

塑料光纤通信系统侧重于短距离通信，低成本、简单易操作、高可靠性，因此在具体系统实现上，完全不同于石英光纤通信系统。

1 塑料光纤通信收发器塑料光纤收通信发器是塑料光纤通信系统中核心部分，包含光发送器和光接收器。

图1是光发送器结构示意图，发光二极管（LED）是普通显示用的高亮度表面贴装发光二极管，驱动电流小于20mA，中心波长590nm（橙$光）。

之所以选取590nm的发光二极管，是因为这种波长的发光二极管很廉价，而且在590nm波长处，塑料光纤的损耗值相对较低。

圆锥形光纤能量传输特性的研究

圆锥形光纤能量传输特性的研究

圆锥形光纤能量传输特性的研究章玲;曾燕;周爱;王利光;陈国庆【摘要】基于电磁场波动理论,对纳米尺度的圆锥形光纤的特征方程进行了求解.通过该理论计算以及利用COMSOL Muhiphysics进行模拟,得出了锥形光纤圆柱形部分电场和能量的分布与波长的关系,在截止波长以内能量以基模形式在光纤中传输,而随着波长的增大,能量由纤芯向包层溢出越来越明显.对于光纤的圆锥体部分则得出了在波长一定的情况下,其锥长变化对光纤中能量传输的影响,并得到了在同一锥长下不同截面处的能量分布.【期刊名称】《黑龙江大学自然科学学报》【年(卷),期】2014(031)001【总页数】6页(P117-122)【关键词】纳米锥形光纤;传输条件;能量分布【作者】章玲;曾燕;周爱;王利光;陈国庆【作者单位】江南大学理学院,无锡214122;江南大学理学院,无锡214122;哈尔滨工程大学理学院,哈尔滨150001;江南大学理学院,无锡214122;江南大学理学院,无锡214122【正文语种】中文【中图分类】TP2120 引言随着光电子技术飞速发展及光纤的广泛应用，微纳光纤受到越来越多的重视［1］。

而由于锥形微纳光纤的优良独特的性能［1－4］，其应用价值十分可观［5］，但由于尺度微小，光传输和能量分布问题无论是理论上还是实验上都没有完全解决［6－7］，所以对其研究是必要和有意义的。

本文通过对尺度为微纳级的圆锥形光纤的能量分布进行计算模拟和分析，得出了在不同条件下光波在光纤柱体部分及锥体部分传输时的能量变化和分布。

1 模型结构研究的光纤模型为微纳圆锥形光纤，结构如图1所示。

在圆锥光纤部分，光波的传输不同于普通的圆柱形光纤，光线在光纤纤芯和包层界面上的入射角是变化的。

本模型采用的是纤芯直径大小呈线性变化，纤芯折射率设为1.445 7，为了简化计算，而将外层折射率设为1。

图1 圆锥形光纤结构模型Fig．1 Model of conical optical fiber2 计算方法2.1 能量分布在HEvm和EHvm模式下，微纳光纤的特征方程用下式来表述［8］:2.2 归一化频率在微纳光纤中，传输的模场应该满足纤芯与外界环境之间的边界条件，只有在传输模的条件和边界条件都满足的条件下的模式才能传播，而其它的模式会被截止，在这样的情况下引入一个特征参数v。

拉锥光纤的特性和应用研究

loss splicing.
第 iii 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
表
目 录
表 2. 1 不同直径拉锥光纤基模有效折射率 10 阶多项式曲线拟合的各阶系数...... 11 表 2. 2 拉锥光纤的零色散点随光纤直径的变化........................................................ 13 表 3. 1 本文使用的光子晶体光纤的参数及其 SEM 图片..........................................27 表 4. 1 熔接损耗与 PCF3 加热塌缩时间的关系......................................................... 44
44论文论文论文论文国防科学技术大学研究生院硕士学位论文第1页第一章绪论11111111课题背景及意义光纤的拉锥技术是随着光纤的出现而出现的拉制光纤实际上就是一种将较粗的预制棒加热到熔融状态然后将其拉细到常规光纤直径大小的拉锥过程
国防科学技术大学 硕士学位论文 拉锥光纤的特性和应用研究 姓名：奚小明 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：侯静；陈子伦 2010-11
第 i 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
ABSTRACT
As an important post-processing technique of optical fibers, tapering of optical fibers can change the shape and optical characters of fibers and make kinds of fiber devices which are very useful to expand application field of fibers. As a kind of brand-new optical fiber, photonic crystal fiber(PCF) possesses many unique characters that can not find in conventional fibers because of it's flexible structure. The idea of tapering photonic crystal fiber puts this kind of fiber in a larger application platform and enriches fiber tapering theories. In this thesis, we study on tapering of conventional fibers and PCFs and air hole collapsing of PCFs in theoretical and experimental. Also some applications, such as supercontinuum(SC) generation and low loss splicing, are explored using these tapering fibers. 1 Processes and shapes of tapering conventional fibers are studied on. Varying of mode-field diameter(MFD) and controlling of group-velocity dispersion(GVD) are both simulated by numerical methods. Meanwhile, necessary conditions of low loss tapering are studied in three aspects: environments of tapering, controlling of parameters, and shapes of tapering fibers. In experimental, we get low loss tapering optical fibers with different outer diameters using a fusing tapering rig. Fiber microwires and nanowires are also simulated and analyzed. 2. SC generation in tapering conventional optical fibers is reported. By varying the wavelength of femtosecond pumping laser and diameters of tapering fibers, we study on the relationship of SC with these parameters. 3. Tapering and air hole collapsing techniques of photonic crystal fibers are proposed in theoretical. Using “fast and cold” method, we taper PCFs while keeping d/Λ unchanged and collapse air holes using “slow and holt” method while keeping outer diameters unchanged. 4. SC is generated in tapered PCFs. We taper a PCF to adjust its dispersion curve, and then pump this tapered PCF at anomalous dispersion regime with dual-wavelength generated by four-wave mixing effect. SC with more than 600~1700 nm spectrum broad (at 20 dB level) is generated in 1m length PCF. 5. Low loss splicing of small core PCFs and conventional fibers is achieved by removing their mismatch of MFDs with hole collapse method of PCFs. For slight MFD

锥形光纤传输特性的检测与分析

・简报・锥形光纤传输特性的检测与分析3Ξ薛春荣33,祝生祥,李　锐,肖志刚,王晓霞(同济大学Pohl固体物理研究所,上海200092)摘要:在实验上用剪断法测量锥形光纤的传输效率随锥形光纤圆锥角的变化关系,作出传输效率曲线;根据标量波动方程,运用高斯近似法,从理论上说明光信号在锥形光纤中的传输特性和能量损耗,并用具体数据进行半定量计算。

结果表明,锥形光纤顶端锥体的角度及其变化愈大愈光滑,锥形过渡区越短,传输效率就越高。

关键词:锥形光纤;传输效率;锥度;基模中图分类号:TN253 文献标识码:A 文章编号:100520086(2003)0720772203T est for the T ransforming Property of T apered FiberXU E Chun2rong,ZHU Sheng2xiang,L I Rui,XIAO Zhi2gang,WAN G Xiao2xia(Pohl Institute S olid State Physics,Tongji University,Shanghai200092,China)Abstract:Transmission propertie s of tapered fiber were discussed.The transmission efficiency of the ta2pered fiber was measured.The curve of transmission efficiency versus coning angle is given.By the scalarwave equation and Gaussian approximation,transmission propertie s of tapered fiber are analyzed,the powerlosse s caused by taper angle are also calculated.From the experiments and analyse s,it could be come tothe conclusion that the bigger the taper angle,and the higher the transmission efficiency.K ey w ords:tapered fiber;transmission efficiency;conicity;basic mode1　引　言 随着信息技术的发展,光纤在光通信和光探测等领域起着越来越重要的作用,而光纤锥端的光学性质对于光纤的应用至关重要。

锥形光纤的特性与应用


作 为一种 光纤 后 处理技 术 ， 锥形 光 纤 以其独 特 的结构 特 征和 光学 特性 已成 为 近年 来 广泛 研究 和 应 用 的
新 热点 。 其 锥 区 的不 同规 格 （ 拉 锥光纤 长 度 、 锥 腰半径 、 锥 角大 小等 ） 将会 导致 其具有 不 同 的光 学特 性 。 锥形光
谱 产 生 等诸 多领 域 的 应 用 。
关键词 ： 锥形光纤 ； 光纤器件 ； 传感器 ； 超 连 续 谱
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｎ ２ ５ ３ 文 献 标 志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ０ ６ ８ ７ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ２ — ０ ０ ５ ２ — ０ ４
纤 的制作 有 两种方 法 ： 腐 蚀法 和熔融 拉锥 法 ， 后 种方 法应 用较 为普 遍 。熔 融 拉锥法 是通 过对 光纤 局部 加热 至 熔 融状 态 ， 并 在加 热 区两端施 加拉 力使 其变长 变 细并形 成锥 区 。信号 光在锥 区传 输 时 ， 逐渐 变 细 的锥 腰半 径
会 使 传输 光一 部分 渗 透到包 层 中传播 ， 使 得 光功 率在 锥 区重新 分 配 ， 利 用 这个 原理 可 以制作 耦 合器 、 波分 复 用器 和分 束 器等 光纤 器件＿ ｌ Ｊ ： 渗 透到 包层 中的光传 输 易受 外界 环境 的影 响 ， 基 于这个 原 理可 以制 作 各 种传 感 器［ ２ － ７ ］ ： 锥 腰逐 渐 变细将 引起光 纤群 速度 色 散 的改变 、 色 散参 数 的改变 以及 非 线性 系数 增强 ， 这 些特 性 会导 致 脉 冲在锥 区 的展 宽 ， 引起超 连续 谱 的产生 彻。 文 中围绕 锥形 光纤 的特 性和 应用 ， 展示 其独 特 的优势 和在 现代

塑料光纤材料的性能及应用


塑料光纤主要性能指标
连接性
通信塑料光纤多采用直径1mm的光纤，是石英光纤的8～20 倍。粗的塑料光纤的连接比石英光纤要容易得很多。
塑料光纤材料选择原则
光纤波导（折射率波导）结构分布决定了 光纤的传输性能。光纤原材料的选择和制 造工艺是保证生产出高质量光纤的必要条 件。在选择塑料光纤的原材料时，需要考 虑衰减、折射率、成纤能力、物化性能以 及生产成本等因素。
塑料光纤的应用
随着计算机和自动控制技术的高速发展，工业自动化水平 提高到一个崭新的高度。工业自动化根据其特点和使用方 向可分为过程控制自动化、面向生产和制造业的自动化以 及自动化测量系统(工业测量仪表)。这些工业自动化系统 的建立和发展都有一个共同特点，即由直接控制系统向集 散型控制系统发展，而这种集散型控制系统的发展都是以 各种工业网络为基础。通过这些形形色色的工业总线系统， 各种工业设备构成一个既分散又统一的整体。对塑料光纤 来说，工业控制总线系统是其最稳定和最大的市场之一。 通过转换器，POF可以与RS232、RS422、100Mbit／s以太 网、令牌网等标准协议接口相连，从而在恶劣的工业制造 环境中提供稳定、可靠的通信线路，高速传输工业控制信 号和指令，避免了因使用金属电缆线路受电磁干扰而导致 通信中断的危险。
PMMA的物理性能
肖氏硬度：应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而发生 回跳。撞销是一只具有尖端的小锥，尖端上常镶有金刚钻。用测得的撞销回 跳的高度来表示硬度。
PMMA的化学性能
每个MMA单体总共具有8个C-H键，这个化合物的C-H键谐 振吸收是造成PMMA制成的POF衰减的主要原因。实际上， C-H键在627nm和736nm谐振是决定PMMA-POF吸收损耗的 重要原因。最早提出的降低PMMA-POF吸收损耗的方法是， 以不同种的材料置换部分或者全部PMMA中的C-H键。然 而这种仅仅是置换C-H键，而不能够轻松地消除C-H键。 研究发现，采用大原子量的元素置换氢，可以减小谐振吸 收，进而降低吸收损耗。例如，以原子量大的氯置换氢， 形成的C-Cl键减小了谐振，降低了吸收损耗，从而既降低 了衰减，又扩宽了工作的波长范围。
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1
华侨大学硕士学位论文：锥型塑料光纤的光传输特性及其应用研究
的波形相对于入射波形出现展宽，其传输带宽仅为几十至上百 MHz ⋅ Km。氟化梯度折射 率分布塑料光纤从选择低色散材料出发，以优化的梯度折射率分布为手段，即可将其折 射率分布指数在 0.85~1.3μm 波长范围内选定为 2.07~2.33，从而起到抑制模间色散，控 制出射光波相对于入射光波展宽的效果，进而可获得高达几百 MHz ⋅ Km 至 10GHz ⋅ Km 的传输带宽。 由于塑料光纤是由塑料材料构成的，故其在高温环境中工作会发生氧化降解。氧化 降解是光纤芯材料中的碳基、双键和铰链互相作用形成的。氧化降解将促使电子跃迁加 快，进而引起光纤损耗增大。为提高塑料光纤的热稳定性，通常的做法是：选用含氟或 硅的塑料来制造塑料光纤或者选取塑料光纤的工作波长大于 660nm 处，以使塑料光纤具 有高的热稳定性。
1.1.2 塑料光纤的应用
塑料光纤以其柔软易弯曲、芯径大、易耦合、抗电磁干扰/电磁辐射、制造工艺简单 和成本低等优点，广泛应用于短距离、中小容量信息传输系统中，例如短距离高速数字 通信、有线电视、局域网（Local Area Network，简称 LAN） 、室内计算机之间的连接、 传感器、CD 播放机、汽车、飞机信息传输网络、多媒体网络、军事网络等、甚至可以用 于宇航以及导弹的制导。目前，短距离、中小容量系统主要还是采用铜质电缆。随着对 POF 研究的深入，POF 的传输距离不断增加，相关器件的成本不断降低，加上用户对带 宽需求的增长，铜质电缆迟早会被 POF 所代替。 用于局域网 一般局域网数据传输距离在100m甚至65m之内，包括校园网、楼宇
III
华侨大学硕士学位论文：锥型塑料光纤的光传输特性及其应用研究
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。
关键词：塑料光纤；锥形光纤；光线追迹法；耦合效率；远场特性
IV
华侨大学硕士学位论文：锥型塑料光纤的光传输特性及其应用研究
ABSTRACT
The plastic optical fiber(POF) have many advantage in short distance communication, such as fine flexibility, easy-connecting , low cost and so on. In the field of sensing, compared with the silica optical fiber(SOF), the POFs have higher sensitivity and bigger measurement range. So the plastic optical fiber is being paid more and more attention and it has the quite considerable potential market and the application prospect. This paper studies on the theory of mode coupling and power flow equation of plastic optical fiber waveguide. Ray tracing method of plastic optical fiber is simply introduced and simulated. Based on the ray tracing method of geometric optics, the propagation property of rays in tapered plastic fiber is analyzed and simulated. The meridian ray and the skew ray propagation formula for tapered plastic fiber is derived. The result shows that it is appropriate to use a smaller taper angle when the tapered plastic optical fiber is used as collimation. The experiment of large-core plastic optical fiber thermal pre-elongated taper is introduced. Through experiment repeatedly, the paper proposed the good parameter of plastic optical fiber thermal pre-elongated taper, and gave some test and analysis on the thermal pre-elongated tapered plastic optical fiber. The far-field characteristics when LD goes through telescope system、multi-mode fiber system and tapered plastic optical fiber system are studied. The telescope system has good beam collimation, and the far-field beam appears ring shape for diffraction. Multi-mode fiber system has the characteristic of model dispersion which makes the complex spatial coherence less and the light beam uniformity increased. With both characteristics, tapered plastic optical fiber system makes the light have partial coherence and reduces the beam divergence angle, which makes the light quality the best. Information is carried by light beam from light sources in optical fiber communication. The most common light sources are semiconductor laser and light emitting diode. In the last chapter, the research on coupling between LED
Keywords: plastic optical fiber；tapered fiber；ray tracing method；coupling efficiency；far-field characteristics
VI
华侨大学硕士学位论文：锥型声明
本人声明兹呈交的学位论文是本人在导师指导下完成的研究成果。 论文 写作中不包含其他人已经发表或撰写过的研究内容， 如参考他人或集体的科 研成果，均在论文中以明确的方式说明。本人依法享有和承担由此论文所产 生的权利和责任。
塑料光纤 （Plastic Optical Fiber,简称为 POF） 也称为聚合物光纤 （Polymer Optical Fiber， 亦简称为 POF） ， 是采用聚合物材料或有机材料制备而成的可传导光功率的传输线。 它具有芯径粗（典型值为 1mm） 、对接容易、价格低、弹性模量低、可挠性好[1]（可承受 6%－13%的可恢复性应变）等优点。它在短距离通信和光纤传感方面具备石英光纤所不具 备的优点，有明显的优势，于是各国的学者对塑料光纤进行了一系列深入的研究，也取 得了相当大的进展[2-5]。 目前对塑料光纤的研究主要集中在以下几个方向：降低损耗、提高带宽、提高耐热 性。
1.1.1 塑料光纤的性能
自 1966 年，英籍华人高锟提出石英光纤[6]可以作为光通信的传输介质以来，光纤的 研究由七十年代起至今经历了 0.85μm 多模光纤、1.31μm 标准单模光纤、1.55μm 色散 位移单模光纤、1.55μm 非零色散位移单模光纤和 1.55μm 大有效面积非零色散位移单 模光纤几大技术与产品的飞跃。石英玻璃光纤性能的研究重点自始至终定位在衰减、色 散（包括偏振模色散） 、非线性效应等，塑料光纤的性能研究重点则是衰减、色散、热稳 定性等。 塑料光纤的衰减主要受限于纤芯及包层材料的吸收损耗和散射损耗。人们通过选用 低折射率和等温压缩率小的塑料材料，通过稳定塑料光纤制造工艺降低结构缺陷（如芯 直径波动，芯包界面缺陷等） ，来使塑料光纤获得小的散射损耗。而塑料材料的吸收损耗 则是由分子键（碳氢键、碳氟键等）伸缩振动吸收和电子跃迁吸收所导致的。 以碳氢键为基本骨架的塑料中，在波长为 650nm 处的衰减系数大约为 100dB/km， 如果用氟原子置换碳氢键中的氢所组成的氟化塑料，不仅本征衰减小，而且色散也减小 了。用氟化塑料制成的梯度折射率塑料光纤，在可见光至红外范围的衰减很小。 用作短距离光传输介质的塑料光纤，按折射率分布可分为两种：阶跃折射率分布塑 料光纤和梯度折射率分布塑料光纤。阶跃折射率分布塑料光纤由于存在模间色散，输出
华侨大学 硕士学位论文 锥型塑料光纤的光传输特性及其应用研究 姓名：连重炎 申请学位级别：硕士 专业：光学 指导教师：庄其仁 20071201
华侨大学硕士学位论文：锥型塑料光纤的光传输特性及其应用研究
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。