光纖準(zhǔn)直器的應(yīng)用

光纖準(zhǔn)直器的應(yīng)用

0光纖準(zhǔn)直器系統(tǒng)無(wú)源纖維設(shè)備是光纖通信系統(tǒng)中的重要設(shè)備。這類器件是消耗光信號(hào)的一定能量以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的連接、能量分波/合波、波分復(fù)用/解復(fù)用、光路轉(zhuǎn)換、能量衰減、反向隔離等功能。光無(wú)源器件是具有上述元器件的統(tǒng)稱。光纖無(wú)源器件在光纖通信系統(tǒng)中地位越來(lái)越高,器件的發(fā)展對(duì)系統(tǒng)的影響也越來(lái)越大。而作為決定光無(wú)源器件性能參數(shù)的重要組件之一的光纖準(zhǔn)直器近年來(lái)也受到越來(lái)越多的關(guān)注。光纖準(zhǔn)直器是光無(wú)源器件中的一個(gè)重要的組件,在光通信系統(tǒng)中有著非常普遍的應(yīng)用。它是由單模尾纖和準(zhǔn)直透鏡(GRINLens或C-Lens)組成,具有低插入損耗,高回波損耗,工作距離長(zhǎng),寬帶寬,高穩(wěn)定性,高可靠性,小光束發(fā)散角,體積小和重量輕等特點(diǎn)?？蓪⒐饫w端面出射的發(fā)散光束變換為平行光束,或者將平行光束會(huì)聚并高效率耦合入光纖,是制作多種光學(xué)器件的基礎(chǔ)器件,因此被廣泛應(yīng)用于光束準(zhǔn)直,光束耦合,光隔離器,光衰減器,光開關(guān),環(huán)行器,MEMS,密集波分復(fù)用器之中,本文的光纖準(zhǔn)直器特指的是新福克斯公司用于第二代光環(huán)行器的保偏雙光纖準(zhǔn)直器。1由光學(xué)恒直器制造的部件1.1透鏡的會(huì)聚能力自聚焦透鏡又稱為漸變折射率透鏡簡(jiǎn)稱格林透鏡,其折射率分布成中心對(duì)稱,并沿徑向梯度變化。自聚焦透鏡因?yàn)轶w積小,光學(xué)成像象差小,易于光纖對(duì)中耦合和連接等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于光纖通信及光纖傳感系統(tǒng)中。在忽略高階小量的條件下,自聚焦透鏡的折射率為平方律分布自聚焦常數(shù)和節(jié)距P是自聚焦透鏡的兩個(gè)重要參數(shù):其中,Δ為相對(duì)折射率差,r為中心距。反映了透鏡對(duì)于光線的會(huì)聚能力。越大則焦距越短,透鏡的會(huì)聚能力就越強(qiáng)。節(jié)距(3)由(3)式可知,P與成反比,也就是說(shuō),越大,自聚焦透鏡對(duì)光線的會(huì)聚能力越強(qiáng),因此光線在自聚焦透鏡中偏折的就越厲害,走完一個(gè)周期的正弦曲線的軸向距離越短。自聚焦透鏡中的光線方程為:式中,r為光線上的點(diǎn)的位置函數(shù);s為沿光線上的弧長(zhǎng)。采用直角坐標(biāo)系,令z軸為光纖軸線,對(duì)于近軸光線,有ds≈dz,則XOZ平面內(nèi)的光線方程為:把式(1)代入式(5),可以得出光線在柱形自聚焦透鏡中的軌跡方程,如式(6)和(7):式中r、P表示軌跡上一點(diǎn)到軸上的距離和該點(diǎn)切線的斜率;ri、Pi表示入射光線在透鏡端面z=0處在以斜率P=Pi入射在r=ri。此式表明給出了光線的初始條件(位置ri和斜率Pi),我們就可以確定光線在自聚焦透鏡中的傳播情形。將式(6)和(7)寫成矩陣形式,可得到光線在格林透鏡中傳輸矩陣為:1.2偏振態(tài)不耦合光纖準(zhǔn)直器可分為普通的光纖準(zhǔn)直器和保偏光纖準(zhǔn)直器,因此光纖按是否具有保偏性可分為一般的光纖和保偏光纖。保偏光纖是利用光纖的非對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)濾掉其中1個(gè)偏振模,只允許1個(gè)偏振模在光纖中傳輸;或是利用光纖的高雙折射特性,使2個(gè)偏振模之間不易耦合,維持偏振態(tài)的穩(wěn)定。一種方法是在光纖中引入很大的雙折射,使2個(gè)偏振態(tài)的傳播常數(shù)相差很大,不易發(fā)生耦合而保偏,成為高雙折射光纖;另一種方法是使光纖中只有1種偏振態(tài)能傳輸,另1種偏振態(tài)被截止掉,稱為單模單偏振光纖。保偏光纖的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中“蝴蝶結(jié)”型和“熊貓”型應(yīng)用較為廣泛。2標(biāo)準(zhǔn)光刻度的設(shè)計(jì)2.1雙芯保偏準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文所設(shè)計(jì)的保偏光纖準(zhǔn)直器用于光環(huán)行器中,為保證保偏雙光纖準(zhǔn)直器中兩路光均以較高的消光比傳輸,必須保證插芯中兩根保偏光纖的慢軸方向互相垂直兩束出射光有為左右其結(jié)構(gòu)如圖2。在實(shí)際制作中,由于兩根光纖相對(duì)位置十分接近,調(diào)節(jié)不太容易。因此通過(guò)調(diào)節(jié)雙芯保偏準(zhǔn)直器中光纖相對(duì)位置,使兩光路的消光比均可以達(dá)到20dB以上。同時(shí)可保證較好的插入損耗均衡性,這為許多更為復(fù)雜的保偏器件的制作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其中雙光纖頭結(jié)構(gòu)如圖3。它要求兩根光纖的慢軸互相垂直,透鏡與毛細(xì)管端面斜角為8°,且端面互相平行,精度要求0.01mm。2.2準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中,由于光纖與準(zhǔn)直器的連結(jié)處存在間隙,光折射率分布不連續(xù),會(huì)產(chǎn)生反射。這種反射通常稱之為前端反射。反射光一般也滿足傳輸條件,它們將返回光源或光纖放大器,嚴(yán)重影響光源或光纖放大器的工作狀態(tài)和穩(wěn)定性,已引起了人們極大的關(guān)注。近年來(lái),在實(shí)用系統(tǒng)中端面采用斜角。這樣,大部分反射光將不再滿足光纖傳輸條件,即使返回光纖,也會(huì)很快逸入包層,不能到達(dá)光源或光纖放大器,大大提高了回波損耗。可達(dá)60dB以上,較好地滿足實(shí)用要求。由于光線在聚焦透鏡中的軌跡是正弦曲線,當(dāng)光源位于端面軸上,在聚焦透鏡的14周期處光線平行出射。因此可以用14周期的自聚焦透鏡來(lái)構(gòu)成出射平行光束的準(zhǔn)直器。插入損耗是光纖準(zhǔn)直器相當(dāng)重要的指標(biāo),定義為其中Ii和I0分別為輸入和輸出總功率。在已知輸入光功率分布的條件下,通過(guò)對(duì)光線的追蹤可以得到輸出光的位置方向(r,P)。對(duì)輸入光的功率分布函數(shù)進(jìn)行條件積分,就可得出不同P0和r0范圍內(nèi)的輸出功率為結(jié)合透鏡的接收條件(即光能在透鏡中傳輸并進(jìn)入光纖繼續(xù)傳輸)可得出積分條件為我們近似認(rèn)為光能在ri,Pi上均勻分布。分別把單模光纖、多模光纖的參數(shù)代入式(9)～(14),可以得出不計(jì)端面反射條件下插入損耗與工作距離之間的關(guān)系曲線,如圖4、5。圖4、5中的曲線A和B分別是傳輸光纖為單模光纖時(shí)垂直端面和斜角為8°的情況;曲線C和D是多模光纖時(shí)垂直端面和斜角為8°的情況。從圖4中可以看出,損耗隨L增大而增加。對(duì)于多模光纖,斜端面對(duì)插入損耗的影響很小,曲線C和D非常相近;對(duì)于單模光纖,采用斜角對(duì)損耗有一定的影響,特別是L較小的情況。這是由于單模光纖的半徑很小,偏離角較大的光將逸出光纖,不能繼續(xù)傳輸,造成損耗。當(dāng)L較大時(shí),損耗主要來(lái)源于傳輸過(guò)程中能量的發(fā)散,因此兩條曲線逐漸接近。對(duì)于多模光纖,由于半徑較大,不存在這一情況。對(duì)于兩種光纖,斜角造成的損耗相對(duì)于其他因素而言都是較小的。當(dāng)自聚焦透鏡端面斜角取8°時(shí),完全可以滿足光纖準(zhǔn)直器大于60dB的回?fù)p耗的要求。所設(shè)計(jì)準(zhǔn)直器的自聚焦透鏡具體參數(shù)如下:A=0.32652;工作波長(zhǎng)λ=1.55μm;自聚焦透鏡類型為:SLW-180,即寬視場(chǎng)型,直徑為1.8mm;中心折射率n0=1.5868+8.14×10-3λ2=1.590188,取自聚焦透鏡長(zhǎng)度為Z=0.23P,楔角α=8°,則焦距為:主距為:,(16)由(15)、(16)式可得裝配間距d0=f-h=0.385mm。3自聚焦學(xué)生的lm-4當(dāng)光入射到自聚焦透鏡時(shí),中心光線與自聚焦透鏡的間距為r0=62.5μm、t0=0。設(shè)出射光束可用矩陣形式表示為,自聚焦透鏡折射率分布nr=n0(1-Ar2/2)。根據(jù)光在自聚焦透鏡中的傳輸矩陣(8)和矩陣光學(xué)知識(shí)可知:由式(17)求得為兩束光夾角的半