光纖耦合與特性測試實(shí)驗(yàn)

1、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark1 o Current Document 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?2- HYPERLINK l bookmark9 o Current Document 【實(shí)驗(yàn)原理】 2-【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】 4- HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 【思考題】- 8 -【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私獬Ｓ玫墓庠磁c光纖的耦合方法。熟悉光路調(diào)整的基本過程，學(xué)習(xí)不可見光調(diào)整光路的辦法。通過耦合過程熟悉Glens的特性。了解1 dB容差的基本含義。通過實(shí)驗(yàn)的比較，體會目前光纖耦合技術(shù)的可操作性?！緦?shí)驗(yàn)原理】在光纖線路耦合的實(shí)施過程中

2、，存在著兩個(gè)主要的系統(tǒng)問題：即如何從各種類型的 發(fā)光光源將光功率發(fā)射到一根特定的光纖中（相對于目前的光源而言），以及如何將光 功率從一根光纖耦合到另外一根光纖中去（相對于目前絕大多數(shù)光纖器件而言）。對于 任一光纖系統(tǒng)而言，主要的目的是為了在最低損耗下，引入更多能量進(jìn)入系統(tǒng)。這樣可 以使用較低功率的光源，減少成本和增加可靠度，因?yàn)楣庠词遣荒芄ぷ髟诮咏渥畲蠊?率狀態(tài)的。光學(xué)耦合系統(tǒng)的1dB失調(diào)容差定義為當(dāng)耦合系統(tǒng)與半導(dǎo)體激光器之間出現(xiàn)軸向、橫 向、側(cè)向和角向偏移，從而使得耦合效率從最大值下降了 1dB時(shí)的位置偏移量。1dB失 調(diào)容差對于實(shí)用化的光學(xué)耦合系統(tǒng)來說是一個(gè)重要的衡量指標(biāo).因?yàn)槿魏伟雽?dǎo)體

3、激光器 組件中都存在如何將耦合系統(tǒng)與半導(dǎo)體激光器芯片相對固定（封裝）的問題，不論采用何 種固定方式，都不可避免地存在由于封裝技術(shù)不完善及環(huán)境因素變化而造成的位置失調(diào) 現(xiàn)象。一個(gè)光學(xué)耦合系統(tǒng)具有效大的失調(diào)容差就意味著該系統(tǒng)在封裝時(shí)允許出現(xiàn)較大的 位置失調(diào).因而可以來用結(jié)構(gòu)簡單、定位精度不太高的低成本封裝技術(shù)。光纖系統(tǒng)中，必須考慮光源的輻射空間分布（角分布）、發(fā)光面積，光纖的數(shù)值孔 徑、纖芯尺寸和光纖的折射率剖面等等，使盡可能多的光能量進(jìn)入光纖當(dāng)中。對于耦合 系統(tǒng)，通常要求具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：大的1 dB容差。大的容差是工業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)基本條件，容差越大，才可能產(chǎn)量越大，成本越低。弱的光反饋。目前低成

4、本光源一般不配置隔離器，所以對于耦合系統(tǒng)來說，弱的光反饋意味著光源的穩(wěn)定性的提高。簡單易操作、耦合效率高、穩(wěn)定。通常使用的耦合方式主要有以下幾種：直接耦合：所謂直接耦合就是把一根端面為平面的光纖直接靠近光源發(fā)光面放置，在光纖一定 的情況下，耦合效率與光源種類關(guān)系密切。如果光源是半導(dǎo)體激光器，因其發(fā)光面積比 光纖端面面積小，只要光源與光纖面靠的足夠近，激光器所發(fā)出的光就能照到光纖端面 上?？紤]到光源光束的發(fā)散角和光纖接收角的不匹配程度，一般耦合效率不到10%，90% 以上都可能浪費(fèi)了。如果光源是發(fā)光二極管，則情況更為嚴(yán)重。因?yàn)榘l(fā)光二極管的發(fā)散 角更大，其耦合的效率基本上由光纖的收光角決定，即門=

5、p jp = 0.5 （m + 1）以 + （以/2 ） NA 2其中a為光纖的折射率輪廓因子，m為和光源有關(guān)的參數(shù)，一般LED，m=1，對于LD， m=20。例如，NA=0.14，ne5%。透鏡耦合透鏡耦合方法能否提高耦合效率？可能提高，也可能不提高。這里有一個(gè)耦合效率 的概念。對于朗伯型光源（例如發(fā)光二極管），不管中間加什么樣的光學(xué)系統(tǒng)，它的耦 合效率都不會超過一個(gè)極大值。門 =aS （NA ） /S其中a為系數(shù)。上式表明，當(dāng)發(fā)光面積sf 于光纖霍收面積s時(shí)，加任何光學(xué)系統(tǒng)都 沒有用，最大耦合效率可以用直接耦合的方法得到。當(dāng)發(fā)光面積小于光纖接收面積時(shí)， 加上光學(xué)系統(tǒng)是有用的，可以提高耦合效

6、率，而且發(fā)光面積越小，耦合效率提高的越多， 在這種準(zhǔn)則下，有如下一些透鏡耦合方式：透鏡光纖和熱擴(kuò)散光纖光纖端面球透鏡耦合俗稱透鏡光纖，將光纖端面做成一個(gè)半球形，例如通過熱、火焰、研磨、腐蝕、電 孤等技術(shù)把光纖端面處理成球面或者近似球面，使它起到短焦距透鏡作用，端面球透鏡 的作用是提高光纖的等效收光角，因而耦合效率提高了。這種耦合方法對階躍型光纖效 果較好，對折射率梯度光纖則差些。圓錐形和楔型透鏡耦合。將光纖的前端用研磨、腐蝕的方法做成逐漸縮小的圓錐形或者楔型，或者用燒融拉 細(xì)的方法做成圓錐形，前端半徑為al，光纖自身半徑為an。光從前端以。入射進(jìn)光纖， 經(jīng)折射后以W1角射向界面A點(diǎn)。因界面為斜

7、面，所以巾2 （an-al）時(shí)，近似有 sinw /sinw = a /aSin W n-1/ Sin W n=an/an-1可以證明，有圓錐時(shí)光纖的接收角。c與平行光纖時(shí)的接收角。c之間有如下關(guān)系：sinw /sinw = a /aSin。c/ Sin。c= an/a1上式表明，有圓錐透鏡的光纖的數(shù)值孔徑是平端光纖的a/a倍。 熱擴(kuò)散光纖和倒錐光纖1通過高溫?zé)崽幚砜梢园压饫w的纖芯做成喇叭狀，這樣可以很大程度的提高光纖的耦 合效率，有興趣的同學(xué)可查閱相關(guān)資料（特別是倒錐光纖的耦合效果非常好）。各種透鏡耦合透鏡耦合利用透鏡成像的原理，把光斑匯集在光纖端面，在數(shù)值孔徑以內(nèi)的光能量大部分將 耦合到光

8、纖中去。這種方法常用的透鏡有微球、顯微鏡目鏡等透鏡，原理簡單，但可操 作性，特別是批量生產(chǎn)的可操作性變差（同軸封裝性能差），所以目前在生產(chǎn)中逐漸減 少。柱透鏡耦合半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的光在空間是不對稱的，在平行于pn結(jié)方向上光束比較集中 （2。約為10-20），在垂直于pn結(jié)方向上發(fā)散角較大（2。約為40-60），所以直 接耦合時(shí)效率不高。如果設(shè)法使垂直于pn結(jié)方向上的光束壓縮，整個(gè)光斑從細(xì)長的橢 圓形變?yōu)榻咏鼒A形，然后再與圓形截面的光纖相耦合，這樣耦合效率都會有很大的提高。利用圓柱透鏡可以達(dá)到上述目的。詳細(xì)研究表明，當(dāng)柱透鏡半徑R與光纖半徑相同， 激光器位于光軸上，且鏡面位于z=0.3R時(shí)，可

9、得到最大耦合效率，約為80%。如果激 光器的位置在軸向有偏移，則耦合效率明顯下降。也就是說，這種耦合方式對激光器、 圓柱透鏡及光纖的相對位置的精確性要求很高。glens 和 clens由于透鏡耦合系統(tǒng)需要X、y、氣,0方向的精細(xì)對準(zhǔn)，以保證光路的同軸性。此外， 在Z方向（光纖軸線方向）間距還要適當(dāng)。所以這是一個(gè)五維精細(xì)調(diào)節(jié)和控制問題。這 對于非專業(yè)人員去調(diào)節(jié)是相當(dāng)困難的。另外，外界的擾動(dòng)，（如隨機(jī)震動(dòng)）都可能影響 到光入纖的功率。這些都大大的降低了透鏡耦合系統(tǒng)的1dB容差，使透鏡耦合系統(tǒng)的封 裝變得極其困難，一般透鏡耦合系統(tǒng)的1dB容差僅僅為1-2 um，為了保證封裝后仍然 能夠保持低損耗，這

10、就要求固定透鏡的基座也要有同樣數(shù)量級的加工精度，這就要求采 取特殊的加工手段，限制了透鏡耦合系統(tǒng)的應(yīng)用。glens和clens是目前解決上述問題的重要方案。它的最大優(yōu)勢在于它批量生產(chǎn)中的 可操作性，因?yàn)樗且粋€(gè)圓柱形的產(chǎn)品，可以直接插入一個(gè)精度很高的套筒內(nèi)，就可以 保證其和光路很好的同軸，拓展了 1dB容差，使封裝技術(shù)變得相對簡單容易，耦合過程 中使五維的精細(xì)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變成了一維調(diào)節(jié)，大大的降低了調(diào)整難度，提高了耦合效率。圖 1 glens （左）和 clens （右）glens是直徑13mm，長度幾毫米的小玻璃棒，其折射率沿徑向分布如下式n（r） = n （1 一 Ar 2 / 2）,n0是軸上

11、折射率，A = 2Ala2，A是分?jǐn)?shù)折射率差，a是芯徑。GRIN棒透鏡可以對光束進(jìn)行準(zhǔn)直或聚焦，此處用0.29節(jié)距的棒透鏡對發(fā)散的半導(dǎo) 體光源實(shí)現(xiàn)聚焦，節(jié)距是指光線在梯度折射率介質(zhì)中沿正弦軌跡運(yùn)行一周的長度。能夠 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直的為1/4節(jié)距的GRIN棒透鏡。光纖全息耦合由于光全息片可以將光的波前互相變換，所以可以用來作為一種光纖耦合器。原則 上講，這種耦合方式的耦合效率是非常高的，但是，由于全息片的衍射效率的影響及衰 減損耗，實(shí)際耦合效率與透鏡相比并不優(yōu)越。不過，它的最大優(yōu)點(diǎn)是，可以作為多功能 的光學(xué)元件來應(yīng)用。全息耦合的制作方法在這里就不詳述了，有興趣的同學(xué)可查閱相關(guān) 資料。組合方式把上述提到的

12、方法組合使用，可以大大的提高耦合效率，但調(diào)整起來相對復(fù)雜程度 有所增加，有興趣的同學(xué)可以查閱相關(guān)資料?！緦?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】一.可見LD的光纖耦合（650nm）在確定光軸后，參照上圖所示連接各器件，調(diào)整透鏡與光纖之間的距離，并且調(diào)整 光纖端面的角度，使功率計(jì)上的讀數(shù)最大，并記錄下來。通過實(shí)驗(yàn)分析此耦合系統(tǒng)的1dB 容差（包括橫向位移和縱向位移的1dB容差）。對比10倍和40倍顯微鏡頭的耦合效率和1dB容差。雙波長光源功率計(jì)10倍40倍位移umX/YZX/YZ-10-8-6-4-2-101246810二.紅外激光與光纖的耦合（850nm ）1） 850nm光源通過光跳線輸出接到四維調(diào)整架上，替換可見LD耦

13、合步驟中的半導(dǎo)體 激光器（前提是LD耦合效率已經(jīng)達(dá)到最大），光跳線輸出端面輸出激光。2）850nmLD的光纖耦合。撤掉反射鏡和650nmLD，啟動(dòng)850nmLD，調(diào)整光路，使功 率計(jì)上的讀數(shù)最大（功率計(jì)此時(shí)換到850nm檔，且一般只需做極小的微調(diào)即可）。3）調(diào)節(jié)光纖與透鏡之間的縱、橫向距離，實(shí)驗(yàn)分析此耦合系統(tǒng)的1dB容差。最后通過 記錄表畫出耦合效率趨勢線。850nm光源與光纖耦合的耦合記錄表10倍40倍位移umX/YZX/YZ-12-10-8-6-4-2-10124681012三、光纖與光纖的耦合（同時(shí)模擬了光源與準(zhǔn)直器耦合）在確定光軸后，參照上圖所示連接各器件，調(diào)整兩個(gè)準(zhǔn)直器之間的距離和角

14、度（兩準(zhǔn) 直器之間的距離約為1cm），使功率計(jì)上的讀數(shù)最大，并記錄下來。通過實(shí)驗(yàn)分析此耦 合系統(tǒng)的1dB容差（包括橫向位移、縱向位移和角度的1dB容差）。取波K光源助率時(shí)光纖準(zhǔn)直器耦合記錄表單位（橫向位移為um,軸向?yàn)閙m,角度為）橫-1000-750-500-250-100-50-20-10-5dBm橫51020501002505007501000dBm軸-40-30-20-10-8-6-4-2-1dBm軸1246810203040dBm角-1.8-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.2dBm角0.20.40.60.811.21.41.61.8dBm四、光源與準(zhǔn)直器的耦合

15、（同時(shí)模擬了光源與準(zhǔn)直器耦合）在確定光軸后，參照下圖圖所示連接各器件，調(diào)整光源與準(zhǔn)直器之間的距離和角度， 使功率計(jì)上的讀數(shù)最大，并記錄下來。通過實(shí)驗(yàn)分析此耦合系統(tǒng)的1dB容差（包括橫向 位移、縱向位移和角度的1dB容差）雙波氐光源助率時(shí)【思考題】對于單模光纖，其輸出光束的發(fā)散角大約為8度角，那么對于單模光纖輸出的光如果要重新耦 合到單模光纖中，耦合效率可能有多大呢？哪些因素可能對耦合效率影響較大？各種耦合辦法對提高耦合效率有多大的影響？為什么大的失調(diào)容差（1dB容差）對批量生產(chǎn)有利。思考題參考答案：耦合效率可能接近100%，因?yàn)檫@時(shí)的光斑質(zhì)量是比較理想的單模高斯分布。光源光斑質(zhì)量和光纖的數(shù)值孔

16、徑以及纖芯直徑大小影響較大。各種耦合辦法實(shí)際上調(diào)整到最佳狀態(tài)后，差異很小，基本上對耦合效率影響很小，只是會造成 耦合調(diào)整的難易程度以及1dB容差等的差異。因?yàn)轳詈闲驶旧嫌晒庠吹墓獍哔|(zhì)量和光纖的 參數(shù)決定的。因?yàn)?dB容差越大，說明耦合過程中光纖的固定位置、穩(wěn)定性等都可以很大程度上的放松，可 以使耦合變得比較容易。光纖耦合與特性測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配件清單(GCFC-B)序號名稱型號單位數(shù)量1光功率計(jì)GCA1106臺12雙波長穩(wěn)定光源(650NM,850NM)GCA1103臺13導(dǎo)軌燕尾槽，50cm根14二維調(diào)整平移臺套15導(dǎo)軌滑座燕尾槽個(gè)66角位移臺個(gè)17平面反射鏡個(gè)18四維調(diào)整架個(gè)39顯微物鏡調(diào)整架個(gè)110二維移動(dòng)可倜光闌個(gè)211激光器固定頭(可調(diào))與四維調(diào)整架配合用個(gè)11