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飛宇集團：光纖準直器與單模光纖準直器的計算

發(fā)布日期：2022-05-19 點擊率：43

淺談光纖準直器及單模光纖準直器的計算

首先，本文將介紹光纖準直器的基本作用，之后簡單介紹其組成結(jié)構(gòu)，然后給出光纖準直器比較重要的參數(shù)及影響兩準直器耦合的因素，最后展示單模光纖準直器的計算方法以及計算結(jié)果。

光纖準直器的基本作用

準直器的基本作用

光通信技術(shù)已經(jīng)改變了我們的生活，讓信息飛速地傳播。在光通信網(wǎng)絡(luò)中，波分復用器、光開關(guān)、環(huán)形器和隔離器等模塊應(yīng)用非常廣泛，而在這些器件的光路中，為了保證光束的最大傳輸和耦合效率，對光束的準直特性要求非常高，這樣就引入了光纖準直器。

光纖準直器可將光束準直、擴束，同時也可以將光束聚焦為一定尺寸大小的光斑，從而讓光束更方便地通過特定的光學元件，或者更高效地進行耦合。如圖1，直接從光纖出射的光束相比于經(jīng)過準直器的光束有更大的發(fā)散角，會導致更多的光能量損失，所以不利于傳輸和耦合。而兩端使用光纖準直器后，明顯提升了其傳輸和耦合效率。

圖 1：光纖準直器的準直作用

纖準直器的基本結(jié)構(gòu)

準直器的基本結(jié)構(gòu)

圖 2光纖準直器的基本結(jié)構(gòu)

光纖準直器的基本結(jié)構(gòu)如圖2，其組成部分中：

光纖種類：根據(jù)需求和應(yīng)用場景，可以選擇單模或多模光纖，也可以是保偏光纖，光纖數(shù)目有單纖，雙纖和四纖可選。封裝可使用玻璃管、不銹鋼管、鍍金管等材料。

AR薄膜：端面1、端面2和端面3均鍍制了AR薄膜，AR薄膜的通帶帶寬需覆蓋通過的光束的波長，目的是減少光在各界面間傳輸時，其端面處由于折射率不匹配引起的反射損耗。

空氣間隙：Pigtail和透鏡之間還存在一個空氣間隙，該間隙對于整個準直器來講，是非常重要且敏感的，對于一個材料參數(shù)固定的準直器來說，可以通過使用精確的儀器來調(diào)節(jié)空氣間隙的大小，來調(diào)整最后出射光束的參數(shù)。

透鏡：透鏡是對光束進行變換的關(guān)鍵部位，使用較多的是定折射率透鏡（C－lens）和自聚焦透鏡（G－lens），如圖3所示。從外觀上來看，C－lens的端面一端為球面，而G－lens的一端為平面，正是因為這個原因，G－lens準直器可以將某些光學器件直接粘接在該平面上，從而使得模塊可以更緊湊，這是C－lens不具備的特點。從兩者的原理來說，構(gòu)成C－lens的材料折射率是定值，所以C－lens主要通過球面的曲率對光束進行折射，從而使光束準直或者聚焦。而G－lens的折射率，是以其軸為中心，在徑向上逐漸變化的，折射率變化的快慢程度使用“自聚焦常數(shù)（）”來表征，光束在其中會連續(xù)折射，從而對光束進行變化，這也是G－lens為什么不需要C－lens那樣的球面的原因。

圖 3 C－Lens與G－Lens的外觀比較

準直器的重要參數(shù)及影響兩準直器耦合的因素

接下來我們看一下光纖準直器的重要參數(shù)，如圖4，首先是工作距離（WD），工作距離一般為準直器端面距光束的束腰位置距離的2倍，當兩個相同工作距離的光纖準直器的間距為工作距離時，耦合的效率最高，此時兩個準直器的腰束位置重合。一般的光纖準直器工作距離可從幾毫米至幾百毫米。特殊的可以達到一米甚至更大，不過，工作距離的增加，往往伴隨著準直器尺寸的增加。

束腰位置指的是整個光束中最窄的地方；束腰半徑指的光束在束腰位置處的光斑半徑大小，很明顯，束腰半徑是整個光束中光斑半徑最小的，小的束腰半徑可以實現(xiàn)對光束的聚焦功能。光纖準直器的束腰半徑一般可以做到幾十微米至幾百微米不等，有些特殊用途的準直器可以達到數(shù)毫米。請注意，只有束腰處的光斑半徑才能稱為束腰半徑。

另外，準直器出射的光束的光軸將會與透鏡光軸有一夾角，稱為“點精度”，該夾角一般比較小，為零點幾度左右。

圖 4 準直器的重要參數(shù)

圖 5 耦合時引起損耗的3種位置偏移

圖5顯示的是實際使用兩個光纖準直器耦合時，引起損耗的3種可能。我們以圖中的x－y－z坐標系為參考，首先我們知道兩個相同的準直器腰束位置重合時耦合效果最佳，即如圖4所示，那么兩個準直器的腰束位置偏移基本有如下3種情況：

X0代表在x方向，準直器有一個偏移，記為橫向偏移；

Z0代表在z方向兩個準直器的腰束位置偏離了一段距離，記為軸向偏移；

角度Θ代表，由于x、y、z方向同時有偏移，引起的兩準直器的一個空間角，記為角向偏移。

下面列出了X0 ，Z0和Θ分別對損耗的影響曲線，特別說明，該曲線數(shù)據(jù)并不能代表所有類型的準直器，但具有一定的參考意義：

圖 6 （a）橫向偏移（b）軸向偏移（c）角向偏移

從圖6可以看出，角向偏移引起的損耗最敏感，橫向偏移次之，軸向偏移對損耗則最不敏感。軸向偏移不敏感也同時也啟示我們，當兩個準直器耦合使用時，軸向距離比工作距離大，或小一定長度，其實影響并不大，打個比方：工作距離50mm毫米的準直器，當作60mm的來用，引起的損耗也就是0．025dB的級別，大多數(shù)情況下，這個級別的損耗是可以接受的。角向偏移最敏感同時也警示我們，準直器的匹配位置，除了軸向之外，對其他方位的要求是比較高的，稍稍偏離，就能引起數(shù)十dB的損耗。準直器的重要參數(shù)及影響兩準直器耦合的因

單模光纖準直器的計算機分析過程展示

對于單模光纖準直器，由于其中傳播的光束為高斯光束，技術(shù)人員可以通過構(gòu)造光束的q參數(shù)，結(jié)合圖2中所示的空氣間隙大小和透鏡的光學參數(shù)矩陣，根據(jù)ABCD法則，然后使用計算機來計算圖4中的工作距離和光斑直徑，從而對光纖準直器的性能進行分析。以此實現(xiàn)對光束的“千變?nèi)f化”的拿捏。由于篇幅有限，這里僅給出單模C－lens光纖準直器的計算過程及結(jié)果。

圖7 參數(shù)定義

如圖7，給出了空氣、透鏡和光纖的參數(shù)。并定義了一些參數(shù)。當我們選擇不同的光纖，不同的透鏡時，都需要更新對應(yīng)參數(shù)。

圖 8 模場半徑＆q參數(shù)定義

如圖8，首先根據(jù)光纖的V參數(shù)的單模條件，求出截止波長，然后利用模場半徑的近似解形式，求出模場半徑，該模場半徑便可作為光束在光纖端面上的束腰半徑。圖中還給出了q參數(shù)的定義，其中的“z”代表離參考點的距離，q（z）代表z處的q參數(shù)，R（z）代表z處的光束的曲率半徑，w（z）代表z處的束腰半徑。

注意：q參數(shù)為人為構(gòu)造，因為這樣構(gòu)造才可利用ABCD矩陣法則計算，也就是說，q參數(shù)和ABCD矩陣法則是相輔相成的；并且，q參數(shù)只適用于光束截面能量分布近似為高斯分布的光束，這是其局限性。

圖 9 利用ABCD法則求出射光束的q參數(shù)

如圖9，列出了各光學端面和元件的矩陣，這些矩陣是由折射定律和反射定律，在傍軸近似的條件下得到的。之后，根據(jù)ABCD法則即可計算得到準直器出射光束的q參數(shù)，同樣，該q參數(shù)中包含了光束的束腰、曲率半徑等關(guān)鍵信息。可以參考圖8中的q參數(shù)定義，便可十分方便地從計算得到的q參數(shù)中提出這些參數(shù)，圖10展示了這一過程。

圖 10 從出射的q參數(shù)中提取該位置處的光束半徑

有了上面的理論支撐后，我們可以嘗試改變圖10中的變量，例如改變L1，即空氣間隙的長度，那么出射光束的束腰半徑便會隨之改變，記錄下L1和其對應(yīng)束腰半徑的值，這樣就可以繪制出下面圖11這樣的曲線，該曲線明確的顯示出來了空氣間隙與束腰半徑的關(guān)系，這樣便可十分方便的確定準直器的參數(shù)，例如，從中我們可以看出，該準直器的束腰半徑最大能做到0．18mm左右。