波分復用器件自聚焦透鏡耦合系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

1、收稿日期:2002204217.作者簡介:陳矛(19752,男,碩士研究生;武漢,華中科技大學光電子工程系(430074.基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(8632307216206.波分復用器件自聚焦透鏡耦合系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計陳矛吳震華中科技大學光電子工程系曹玉琳華工科技產(chǎn)業(yè)股份有限公司圖像分公司阮玉華中科技大學光電子工程系摘要:利用光纖矩陣方法和高斯光學的耦合損耗理論,對波分復用器件的自聚焦透鏡耦合系統(tǒng)進行了分析,得出了一種優(yōu)化設(shè)計耦合系統(tǒng)的分析和計算方法.結(jié)合計算結(jié)果的曲線,分析了耦合系統(tǒng)中透鏡長度對耦合損耗的影響,提出了通過調(diào)整入射單模光纖與自聚焦透鏡粘接的角度來減小耦合損耗的新方

2、法.關(guān)鍵詞:波分復用器件;自聚焦透鏡;耦合損耗;單模光纖中圖分類號:TN253文獻標識碼:A 文章編號:167124512(20021120053203自聚焦透鏡體積小,重量輕,具有準直和聚焦作用,且耦合效率高.由雙透鏡組成的準直2聚焦耦合系統(tǒng)1中可以有較大間隙以插入濾波片、衰減片等來構(gòu)成多種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的無源器件,所以在光纖通信系統(tǒng)中得到越來越多的應(yīng)用.耦合損耗是波分復用器件的一個重要性能指標,如何分析自聚焦透鏡耦合系統(tǒng)各因素對耦合損耗的影響,以最大限度減小耦合損耗,是波分復用器件研究中的重要問題.文獻2討論了多模光纖中透鏡耦合系統(tǒng)的損耗問題.文獻3雖對單模光纖透鏡耦合系統(tǒng)進行了分析,但

3、只分析了透鏡軸向偏角及側(cè)向位移對損耗的影響.本研究則分析了耦合系統(tǒng)中透鏡長度對耦合損耗的影響,并通過理論分析得到一種通過調(diào)整入射單模光纖與準直透鏡形成的偏斜角來減小耦合損耗的新方法,為波分復用器件中耦合系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù).1耦合損耗的理論分析在對自聚焦透鏡耦合系統(tǒng)進行損耗分析時,較多的是使用光線光學理論,但是這種方法對多模光纖與自聚焦透鏡耦合系統(tǒng)進行分析才比較有效,對單模光纖,因為它的芯徑不大,且光纖中傳輸?shù)氖歉咚构馐?所以用光線理論分析會有較大的誤差.在本研究中,結(jié)合光線理論和高斯光束模斑失配理論4進行分析.在自聚焦透鏡中,透鏡半徑相對于波長非常大,可以用光線光學的矩陣方法進行分析

4、,在透鏡與輸出光纖進行耦合時,利用模斑失配理論計算耦合損耗.透鏡之間為插入窄帶濾波片而有一定的間隙,透鏡本身具有一定的像差,因此為了得到較小的耦合損耗,自聚焦透鏡的長度不能是標準的P/4(P 為節(jié)距5.這里設(shè)準直透鏡比1/4節(jié)距長Z 0,聚焦透鏡比1/4節(jié)距長Z 1,Z i (i =0,1可以為正值也可以為負值.那么由矩陣光學可得到自聚焦透鏡的光線矩陣為:G 0=-sin (g Z 0(1/n 0g cos (g Z 0 -n 0g cos (gZ 0-sin (gZ 0,(1式中,g 是自聚焦透鏡的聚焦系數(shù);n 0是自聚焦透鏡光軸上的折射率.同理也可得到輸出自聚焦透鏡的光線矩陣G 1=-si

5、n (gZ 1(1/n 0g cos (g Z 1-n 0g cos (g Z 1-sin (gZ 1 .(2在自聚焦透鏡之間可以看作是均勻分布的空氣介質(zhì),其光線矩陣為T =1d1,(3式中d 是間距.這樣就由式(1(3可以得到準直耦合系統(tǒng)的光線矩陣M =G 1TG 0=A B CD.(4在單模光纖中光功率分布符合高斯分布,因第30卷第11期華中科技大學學報(自然科學版Vol.30No.112002年11月J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Nature Science Edition Nov.2002此可以把耦合系統(tǒng)的輸入輸出光束看成高斯光束,那么耦合系統(tǒng)輸出

6、端的復曲率參數(shù)q i 為4:1/q i =1/R i -j /(w 2i ,式中,是光波的波長;R i 是曲率半徑;w i 是高斯光束束斑半徑.利用AB CD 定律,可得到q 1與輸入端的復曲率參數(shù)q 0的關(guān)系:q 1=(A q 0+B /(Cq 0+D ,式中A ,B ,C ,D 由式(4得到,這樣就可以由自聚焦透鏡耦合系統(tǒng)的光線矩陣和輸入端面的復曲率參數(shù)得到輸出端的復曲率參數(shù).在對耦合系統(tǒng)做損耗分析時,對輸入光束進行一定的近似是必要的.從單模光纖進入透鏡的高斯光束可以用一光錐表示(如圖1所示,在進行分析時,就只用考慮光錐邊沿的兩條光線, 這兩圖1耦合系統(tǒng)各參數(shù)示意圖條光線與透鏡軸線的夾角近

7、似等于單模光纖的數(shù)值孔徑,角度都以銳角度量,角度的方向規(guī)定是由光線轉(zhuǎn)向軸線,順時針方向旋轉(zhuǎn)形成的角度為正,反之為負,這樣得到它們的光線矩陣分別為:r +w 0N f T,r -w 0-N f T,式中,r 為光纖軸與自聚焦透鏡軸的距離;w 0為單模光纖輸出端處光束束斑半徑;N f 是該處的數(shù)值孔徑.這兩條光線經(jīng)過耦合系統(tǒng)M 后,光線矩陣分別為:r 11T ,r 22T ,式中1和2分別是這兩條光線與透鏡軸線的夾角,則在耦合系統(tǒng)輸出端面得到高斯光束的中心角=(1+2/2.根據(jù)入射高斯光束與單模光纖的耦合效率公式4:0=0exp-222w 20w 21/2(w 20+w 21,(5式中0=4(w

8、0/w 1+w 1/w 02+(w 0w 1/2(1/R 12-1,這樣可以得到耦合損耗L =-4.343(ln 0dB .(62仿真結(jié)果時比1/4節(jié)距長或短,否則損耗很大,如在Z 0=Z 1=0.01mm 的位置,L 就達到0.2423dB .圖2損耗隨Z 0和Z 1變化的曲面圖耦合損耗對準直和聚焦透鏡間的軸向偏角很敏感3,很小的偏斜角就帶來幾個dB 的損耗.在基于濾波片的波分復用器件的制作中,如果裝配精度不高 ,入射單模光纖與透鏡端面會有角向偏斜,如圖3所示.偏斜角對耦合損耗的影響,在類似的耦合系統(tǒng)中尚未見分析討論過,在這里利用前面的方法進行計算和分析.圖3輸入光纖傾斜于透鏡端面示意圖因為

9、輸入光纖相對透鏡端面可能會向上向下偏斜,偏斜角也有正負之分.這里和前面一樣,規(guī)定以銳角度量,由光纖軸線轉(zhuǎn)向透鏡軸線,順時針方向旋轉(zhuǎn)形成的角度為正,反之為負.這樣由輸入光纖發(fā)出的高斯光束形成的光錐的兩條邊沿光線的光線矩陣為:r +w 0N f +T,r -w 0-N f T .45華中科技大學學報(自然科學版第30卷為了得出偏斜角與損耗L 的變化關(guān)系,令Z 0=Z 1=0,d =1mm ,經(jīng)計算得與L 的關(guān)系曲線如圖4.從圖4可以看出, 損耗對角偏斜非圖4偏斜角與損耗L 的關(guān)系曲線常敏感,在=-5°時,損耗值就達到5dB 以上,同時也可以看出,損耗最小值并不是出現(xiàn)在角向偏斜為0時,而是

10、在入射光纖相對透鏡向下偏斜一個角度的情況下.在=0°時,L =0.1954dB ,而在=1°時,L =0.0004dB .這是因為入射單模光纖相對透鏡是偏軸粘接的,這種偏軸方式會增加透鏡輸出端出射光束的中心角,由式(5和式(6可以看出L 會隨著的增加而增大.而通過適量調(diào)整入射單模光纖與準直透鏡端面間的偏斜角度可以壓縮輸出光束的中心角,從而大大減小耦合系統(tǒng)的損耗,這對于在實際器件封裝中通過調(diào)整輸入光纖與透鏡的夾角來減小插入損耗是很有意義的.經(jīng)過上面的分析和討論可知,在波分復用器件自聚焦透鏡耦合系統(tǒng)的設(shè)計中,要綜合考慮準直和聚焦透鏡的長度,并且可以通過調(diào)整入射單模光纖與透鏡的角

11、度來減小系統(tǒng)耦合損耗,從而得到更高的耦合效率.需要說明的是,在上面的計算中沒有考慮透鏡的像差損耗和裝配誤差所帶來的損耗,所以在實際中測得的耦合損耗值可能會比用上面方法計算所得的數(shù)值要稍大一些.盡管如此,利用上述理論和方法得到的結(jié)果與實際仍是很符合的.參考文獻1Tomlinson W J.Application of GRIN 2rod lenses in opti 22Palais J C.Fiber coupling using graded 2index rod lenses.Appl.Opt.,1980,19(12:201120183G ilsdorf R W ,Palais J C.S

12、ingle 2mode fiber coupling ef 24Masatoshi Saruwatari ,K iyoshi Nawata.Semiconductor5Thyagarajan K ,Rohra A ,Ghatak A K.AberrationOptimal design of gradient 2index rod lens coupling systemfor w avelength 2division multi/demultiplexersChen M ao W u Zhen Cao Y uli n R uan Y uAbstract :The coupling syst

13、em of gradient 2index rod lens (GRIN lens for wavelength division multi/de 2multiplexier was analyzed by applying principles of ray matrix and coupling theory of G aussian beam.An analytic method for optimal design and formulas to calculate coupling loss were developed.With the help of curves ,the i

14、nfluence of parameters of coupling system on the coupling loss was analyzed.Coupling loss arose when the separation between the GRIN lens increased.Results showed that when input GRIN lens and output GRIN lens was equal to quarter pitch ,the coupling loss was not the minimum.The influence of angular tilt of input single mode fiber on the GRIN lens was analyzed.A new method to reduce the coupling loss by adjusting the angular tilt was proposed.K ey w ords :w