光纖準(zhǔn)直器的分析和比較

文章來(lái)源: /schemes/scheme-27.htm 在自由空間型的光無(wú)源器件（如光隔離器、光環(huán)形器、光開(kāi)關(guān)等）中，輸入和輸出光纖端面必須間隔一定距離，以便在光路中插入一些光學(xué)元件，從而實(shí)現(xiàn)器件功能 。從光纖輸出的高斯光束（實(shí)際為近高斯光束，可以高斯光束近似處理），束腰半徑較小而發(fā)散角較大，兩根光纖之間的直接耦合損耗對(duì)其間距極其敏感，光纖準(zhǔn)直 器扮演這樣一種功能，將從光纖輸出的光準(zhǔn)直為腰斑較大而發(fā)散角較小的光束，以增加對(duì)軸向間距的容差，如圖 4 所示，從圖 2（c）（d）亦可看出準(zhǔn)直器對(duì)軸向容差的改善。光纖準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)光纖準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖 5 所示，因光纖頭端面的 8 度斜角，造成輸出光束與準(zhǔn)直器軸線存在夾角，稱為點(diǎn)精度。圖 6 所示為兩準(zhǔn)直器的理想耦合情況，二者的輸出光場(chǎng)完全重合，其間距為準(zhǔn)直器的工作距離Zw。準(zhǔn)直器輸出高斯光束的束腰距離其端面Zw/2，束腰直徑為 2t，而高斯光束的發(fā)散角與其束腰直徑成反比關(guān)系。到此我們介紹了光纖準(zhǔn)直器的三個(gè)主要參數(shù)：工作距離、點(diǎn)精度和光斑尺寸。光纖準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)方法 光纖準(zhǔn)直器的基本原理是，將光纖端面置于準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)處，使光束 得到準(zhǔn)直，然后在焦點(diǎn)附近輕微調(diào)節(jié)光纖端面位置，得到所需工作距離，因此準(zhǔn)直器的工作距離與光纖頭和透鏡的間距 L相關(guān)。光纖準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)方法是，根據(jù)實(shí)際需求確定準(zhǔn)直器的工作距離，依據(jù)高斯光束傳輸理論，確定光纖頭和透鏡間距 L并計(jì)算光斑尺寸，然后依據(jù)光線理論計(jì)算準(zhǔn)直器的點(diǎn)精度。具體設(shè)計(jì)步驟如下： a) 確定所需工作距離Zw； b) 列出從光纖端面至輸出光束束腰位置的近軸光線傳輸矩陣； 下面以 Grin-Lens準(zhǔn)直器為例：c) 列出輸出光束束腰位置的 q 參數(shù)；高斯光束的傳輸可用 q 參數(shù)及 ABCD法則來(lái)描述，如下圖公式所示：一般考慮光纖端面高斯光束的模場(chǎng)半徑為0且波面曲率半徑為R0，因此光纖端面的q參數(shù)為：根據(jù) ABCD法則，輸出光束束腰位置的 q 參數(shù)為：d) 確定光纖頭與透鏡間距 L； 在輸出光束束腰位置，波面曲率半徑為R3=即 1/q3的實(shí)部為 0縱觀以上推導(dǎo)過(guò)程，q3中只包含一個(gè)變量L。因此可依據(jù)上面的公式確定間距L計(jì)算光斑尺寸和點(diǎn)精度； e)根據(jù)確定的間距L，可由q3計(jì)算光斑尺寸：點(diǎn)精度可用光線追跡的方式計(jì)算。光纖準(zhǔn)直器常用 0.23 節(jié)距的 Grin-Lens，就是為了能夠通過(guò)微調(diào)間隙 L 而得到不同工作距離的光纖準(zhǔn)直器，C-Lens的長(zhǎng)度選擇，也應(yīng)作類似考慮。 光纖準(zhǔn)直器的分析和比較 Grin-Lens 最早用于光纖準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直透鏡，NSG 公司是最早的供應(yīng)者，目前國(guó)內(nèi)的上海中科光纖通訊器件有限公司、西安飛秒光電科技有限公司和西安同維通信技術(shù)有限公司均能供應(yīng) Grin-Lens。CASIX公司的羅勇將 C-Lens引入光纖準(zhǔn)直器，因成本優(yōu)勢(shì)而得到顧客歡迎。 前面已經(jīng)提到，準(zhǔn)直器的工作距離與 光纖頭和透鏡間距 L相關(guān)，增加間距 L可增加工作距離，但是對(duì)一個(gè)確定的準(zhǔn)直透鏡，工作距離不能無(wú)限增加。當(dāng)光纖端面在透鏡焦點(diǎn)附近調(diào)節(jié)時(shí)，光斑尺寸變化較大，然而將光纖端面置于透鏡焦點(diǎn)上 （此時(shí)工作距離接近 0），計(jì)算所得光斑尺寸仍有參考作用，有助于估算確定的透鏡參數(shù)所能得到的光斑尺寸。點(diǎn)精度隨光纖頭位置變化不大，取間距 L等于透鏡焦距所得點(diǎn)精度可作為其他情況的近似。 下面針對(duì) Grin-Lens和 C-Lens，分析工作距離、光斑尺寸和點(diǎn)精度與透鏡參數(shù)的關(guān)系。 a) 工作距離限制 對(duì)（10）式稍作變換，得到一個(gè)關(guān)于 L 的一元二次方程，該方程有解（兩個(gè)解中接近于透鏡焦距的解才是我們所需要的）的條件是滿足系數(shù)條件式其中系數(shù)a、b、c與透鏡參數(shù)相關(guān)且包含工作距離Zw，因此由上式可得到工作距離的限制條件：光斑尺寸 取間距 L等于透鏡焦距，得到光斑尺寸如下：c) 點(diǎn)精度 取間距 L等于透鏡焦距，得到準(zhǔn)直器點(diǎn)精度如下：以上關(guān)于光斑尺寸和點(diǎn)精度的計(jì)算是基于間距L等于透鏡焦距，其結(jié)果僅作為選擇透鏡參數(shù)時(shí)的參考，精確 的計(jì)算可依照上述光纖準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行。 C-Lens 可通過(guò)增大端面曲率半徑來(lái)增加工作距離，比 Grin-Lens 改變參數(shù)相對(duì)容易，因此在長(zhǎng)工作距離應(yīng)用中