파이버 결합 레이저희토류 원소가 도핑된 유리 섬유를 이득 매질로 사용하는 레이저를 말합니다.

레이저의 광 신호가 광섬유에 들어가는 방법에는 직접 결합과 렌즈 결합의 두 가지 주요 방법이 있으며 렌즈 결합은 단일 렌즈 결합과 다중 렌즈 결합으로 나뉩니다. 직접 결합보다 렌즈 결합을 사용하면 더 높은 결합 효율을 얻을 수 있습니다. 이중 렌즈 커플링의 주요 장점은 공차가 분산되어 광학 경로의 구성 요소가 더 큰 변위 공간을 가질 수 있다는 것입니다.

파이버 커플링에 대한 다섯 가지 실용적인 질문이 있습니다.

1. 광섬유 수신 각도를 정확하게 추정하기 위해 NA를 언제 사용할 수 있습니까?

다중 모드 광섬유의 최대 수신 각도는 개구수(NA)로 정확하게 추정할 수 있지만 이 관계는 단일 모드 광섬유에는 적용되지 않습니다.NA와 최대 수신 각도(θmax) 사이의 관계는 기하 광학으로 계산할 수 있습니다. 수식은 다음 그림을 참조하십시오. 입사광을 광선으로 본다면 θmax는 축외광을 수집하는 섬유의 능력을 나타냅니다. 입사각이 θmax보다 작거나 같은 광선(빨간색과 분홍색)은 인터페이스에서 내부 전반사(TIR)를 겪습니다. 코어와 클래딩 사이에 있으며 코어에서 앞으로 전파됩니다. 입사각이 θmax(파란색)보다 큰 광선은 결국 굴절로 인해 손실됩니다.

다중 입사각 및 섬유 모드

입사각이 θmax 이하인 광선은 다중 모드 광섬유의 가이드 모드 중 하나에 결합됩니다. 일반적으로 입사각이 작을수록 여기된 섬유의 모드 차수가 낮아집니다. 대부분의 에너지는 중심 근처의 저차 모드에 집중되며, 정상적으로 입사되는 광선은 저차 모드를 여기시킵니다. 다음은 두 개의 다중 모드 광섬유의 전파 다이어그램입니다.

단일 모드 섬유는 다릅니다

상기 공식으로 계산된 NA는 단일모드 광섬유의 최대 입사각이 아니므로 단일모드 광섬유의 광수신능력을 특성화할 수 없다. 단일 모드 광섬유에는 0-도의 입사광에 의해 여기된 가장 낮은 가이드 모드만 존재하며 전파 다이어그램은 다음과 같습니다.

NA로 단일 모드 광섬유 출력의 발산 각도를 추정하는 것은 정확하지 않습니다. 이때 빔은 회절로 인해 발산하게 되는데 기하광학에서는 이러한 영향을 고려하지 않기 때문에 파동광학이 필요하다.

2. 단일 모드 파이버 결합 레이저에서 MFD가 중요한 매개변수인 이유는 무엇입니까?

빔이 단일 모드 광섬유를 따라 전파될 때 가우시안 모양에 가까운 강도 프로필을 유지합니다. 프로파일의 폭은 모드 필드 직경(MFD), 즉 강도가 피크 값의 1/e²로 떨어질 때 스팬 폭으로 특징지을 수 있습니다. 경험 법칙: MFD는 광섬유 코어 직경의 약 1.15배입니다.

입사광이 가우스광에 가까울수록 결합 효율이 높아집니다. 입사광이 가우시안이고 빔 웨이스트가 광섬유 MFD와 같으면 높은 결합 효율을 얻을 수 있습니다. Gaussian 빔 공식에서 MFD를 허리 직경에 대입하면 단일 모드 광섬유의 결합 매개변수 및 발산 각도를 정확하게 계산할 수 있습니다.

커플링 매개변수 결정

단일 모드 광섬유에는 Bessel 함수로 설명할 수 있는 가이드 모드가 하나만 있습니다. 모양이 비슷하기 때문에 가우시안 함수를 사용하면 정확한 결과를 제공하면서 섬유 패턴을 단순화할 수 있습니다. 아래 그림은 입사광이 일치하는 경우에만 가이드 모드로 결합될 수 있는 단일 모드 광섬유의 모드 강도 프로필을 보여줍니다.

단일 모드 파이버 결합 레이저

단일 모드 광섬유의 결합 효율을 향상시키기 위해서는 입사 가우시안 빔의 웨이스트가 광섬유 끝에 위치하고 웨이스트의 강도와 모드 강도가 일치하고 일치해야 합니다. 빔 웨이스트 직경이 MFD와 같지 않거나, 빔 강도 프로파일이 변경되거나 편차가 있거나, 빔이 광섬유를 따라 축 방향으로 입사하지 않는 경우 이러한 조건은 결합 효율을 감소시킵니다.

3. NA가 단일 모드 광섬유 출력의 발산 각도를 정확하게 예측할 수 있습니까?

NA를 이용하여 단일모드 광섬유의 발산각을 추정하는데 큰 오차가 있다. 보다 정확한 방법은 가우시안 빔 전파 이론을 사용하는 것입니다. 단일 모드 광섬유의 원거리 발산 각도를 계산하는 대략적인 공식은 다음과 같으며 그 결과는 라디안 단위의 발산 각도 또는 수신 각도입니다.

단일 모드 광섬유의 출력은 가우시안 빛과 유사합니다. 예를 들어 기하학적 광학으로 계산된 발산각은 편차가 큽니다. 기하학적 광학에 의해 계산된 발산각은 arcsin(NA)과 동일하며 일반 다중 모드 광섬유에만 적용됩니다.

단일 모드 광섬유는 가우시안 빔을 출력합니다. Rayleigh 거리와 z 지점에서의 빔 반경은 각각 다음 두 공식으로 계산됩니다.

따라서 단일 모드 광섬유의 출력 빔의 발산 각도는 아래 그림과 같이 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다. 분명히 기하광학이론에 따라 NA를 이용하여 발산각을 계산하는 것은 큰 오차가 있다. 이 예에서 NA와 MFD는 각각 0.13과 6.4 µm입니다. 작동 파장은 980nm이고 Rayleigh 거리는 32.8µm입니다.

그림에서 알 수 있듯이 빔의 발산은 Rayleigh 거리 내에서 선형이 아니지만 원거리장에서는 거의 선형이라고 볼 수 있습니다. 그림에 표시된 두 각도는 곡선의 기울기에서 계산됩니다. 위의 원거리장 근사 공식을 사용하여 계산하면 결과는 약간의 오차가 있는 각도 5.61도 로 변환됩니다.

4. 단일 모드 광섬유의 결합 효율에 영향을 미치는 요인은 무엇입니까?

단일 모드 광섬유의 결합 효율은 입사 빔의 각도, 위치 및 강도 프로파일을 조정하여 향상시킬 수 있습니다. 광섬유 종단면이 평평하고 축에 수직이라고 가정하면 다음 조건이 충족되면 빔이 가장 높은 결합 효율에 도달할 수 있습니다.

•가우시안 강도 프로파일

•광섬유 종단면에서 양의 입사각

•허리는 섬유의 끝부분에 위치

•허리 중심과 코어 중심을 맞춥니다.

•허리 직경은 섬유 MFD와 동일합니다.

광원은 결합 효율을 제한할 수 있습니다.

레이저가 최하위 가로 모드만 방출하는 경우 출력은 대략 단일 모드 광섬유에 효율적으로 결합될 수 있는 가우시안 빔입니다. 그러나 다중 모드 레이저 또는 단일 모드 광섬유를 가진 광대역 광원의 결합 효율은 매우 낮고 대부분의 빛이 코어 영역에 집중되더라도 누출됩니다. 이는 다중 모드 광원의 빛의 일부만이 단일 모드 광섬유 가이드 패턴과 일치하므로 다중 모드 광원이 다중 모드 광섬유와 더 높은 결합 효율을 제공할 수 있기 때문입니다.

5. 다중 모드 광섬유의 최대 수신 각도는 고정되어 있습니까?

문제는 섬유 유형에 따라 다릅니다. 스텝 인덱스 다중 모드 광섬유의 경우 코어의 각 지점의 최대 수신 각도는 동일합니다. 그러나 등급 인덱스 다중 모드 광섬유의 코어 중심만이 최대 입사각을 제공할 수 있습니다. 중심에서 멀어질수록 최대 수신 각도는 작아지고 클래딩 인터페이스 근처의 최대 수신 각도는 0가 되는 경향이 있습니다.

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