信息光学课程设计

1、光纤耦合与特性测试一、实验目的1、了解常用的光源与光纤的耦合方法。2、熟悉光路调整的基本过程，学习不可见光调整光路的办法。3、通过耦合过程熟悉Glens的特性。4、了解1 dB容差的基本含义。5、通过实验的比较，体会目前光纤耦合技术的可操作性。二、实验原理在光纤线路耦合的实施过程中，存在着两个主要的系统问 题：即如何从各种类型的发光光源将光功率发射到一根特定的光 纤中（相对于目前的光源而言），以及如何将光功率从一根光纤 耦合到另外一根光纤中去（相对于目前绝大多数光纤器件而言）。 对于任一光纤系统而言，主要的目的是为了在最低损耗下，引入 更多能量进入系统。这样可以使用较低功率的光源，减少成本和

2、增加可靠度，因为光源是不能工作在接近其最大功率状态的。光学耦合系统的1dB失调容差定义为当耦合系统与半导体激 光器之间出现轴向、横向、侧向和角向偏移，从而使得耦合效率 从最大值下降了 1dB时的位置偏移量。1dB失调容差对于实用化 的光学耦合系统来说是一个重要的衡量指标.因为任何半导体激 光器组件中都存在如何将耦合系统与半导体激光器芯片相对固 定（封装）的问题，不论采用何种固定方式，都不可避免地存在由 于封装技术不完善及环境因素变化而造成的位置失调现象。一个 光学耦合系统具有效大的失调容差就意味着该系统在封装时允 许出现较大的位置失调.因而可以来用结构简单、定位精度不太 高的低成本封装技术。光

3、纤系统中，必须考虑光源的辐射空间分布（角分布）、发 光面积，光纤的数值孔径、纤芯尺寸和光纤的折射率剖面等等， 使尽可能多的光能量进入光纤当中。对于耦合系统，通常要求具 有以下几个特点：大的1dB容差。大的容差是工业生产的一个基本条件， 容差越大，才可能产量越大，成本越低。弱的光反馈。目前低成本光源一般不配置隔离器，所以 对于耦合系统来说，弱的光反馈意味着光源的稳定性的提高。简单易操作、耦合效率高、稳定。通常使用的耦合方式主要有以下几种：（一）直接耦合：所谓直接耦合就是把一根端面为平面的光纤直接靠近光源 发光面放置，在光纤一定的情况下，耦合效率与光源种类关系密 切。如果光源是半导体激光器，因其发

4、光面积比光纤端面面积小， 只要光源与光纤面靠的足够近，激光器所发出的光就能照到光纤 端面上。考虑到光源光束的发散角和光纤接收角的不匹配程度， 一般耦合效率不到10%，90%以上都可能浪费了。如果光源是发 光二极管，则情况更为严重。因为发光二极管的发散角更大，其 耦合的效率基本上由光纤的收光角决定，即门=P jp = 0.5 （m + 1）以 + （以，2 ） NA 2其中a为光纤的折射率轮廓因子，m为和光源有关的参数， 一般 LED，m=1，对于 LD，m=20。例如，NA = 0.14，n5%o（二）透镜耦合透镜耦合方法能否提高耦合效率？可能提高，也可能不提 高。这里有一个耦合效率的概念。对

5、于朗伯型光源（例如发光二 极管），不管中间加什么样的光学系统，它的耦合效率都不会超 过一个极大值。门=aS f （NA ）/Se其中a为系数。上式表明，当发光面积大于光纤接收面积 时，加任何光学系统都没有用，最大耦合效率可以用直接耦合的 方法得到。当发光面积小于光纤接收面积时，加上光学系统是有 用的，可以提高耦合效率，而且发光面积越小，耦合效率提高的 越多，在这种准则下，有如下一些透镜耦合方式：透镜光纤和热扩散光纤光纤端面球透镜耦合俗称透镜光纤，将光纤端面做成一个半球形，例如通过热、 火焰、研磨、腐蚀、电孤等技术把光纤端面处理成球面或者近似 球面，使它起到短焦距透镜作用，端面球透镜的作用是提高

6、光纤 的等效收光角，因而耦合效率提高了。这种耦合方法对阶跃型光 纤效果较好，对折射率梯度光纤则差些。圆锥形和楔型透镜耦合。将光纤的前端用研磨、腐蚀的方法做成逐渐缩小的圆锥形或 者楔型，或者用烧融拉细的方法做成圆锥形，前端半径为al，光 纤自身半径为an。光从前端以。入射进光纤，经折射后以W1角 射向界面A点。因界面为斜面，所以W2 （an-al）时，近似有sinw /sinw = a /aSinWnT/ SinWn二an/an-1可以证明，有圆锥时光纤的接收角Oc与平行光纤时的接收 角Oc之间有如下关系：sinw /sinw = a /aSinOc/ SinOc二 an/al上式表明，有圆锥透

7、镜的光纤的数值孔径是平端光纤的 an/al 倍。热扩散光纤和倒锥光纤通过高温热处理可以把光纤的纤芯做成喇叭状，这样可以很 大程度的提高光纤的耦合效率，有兴趣的同学可查阅相关资料 （特别是倒锥光纤的耦合效果非常好）。（三）各种透镜耦合透镜耦合利用透镜成像的原理，把光斑汇集在光纤端面，在数值孔径 以内的光能量大部分将耦合到光纤中去。这种方法常用的透镜有 微球、显微镜目镜等透镜，原理简单，但可操作性，特别是批量 生产的可操作性变差（同轴封装性能差），所以目前在生产中逐 渐减少。柱透镜耦合半导体激光器所发出的光在空间是不对称的，在平行于pn 结方向上光束比较集中（2O约为10-20），在垂直于pn结方

8、 向上发散角较大（2 0约为40-60），所以直接耦合时效率不高。 如果设法使垂直于pn结方向上的光束压缩，整个光斑从细长的 椭圆形变为接近圆形，然后再与圆形截面的光纤相耦合，这样耦 合效率都会有很大的提高。利用圆柱透镜可以达到上述目的。详细研究表明，当柱透镜 半径R与光纤半径相同，激光器位于光轴上，且镜面位于z=0.3R 时，可得到最大耦合效率，约为80%。如果激光器的位置在轴向 有偏移，则耦合效率明显下降。也就是说，这种耦合方式对激光 器、圆柱透镜及光纤的相对位置的精确性要求很高。glens 和 clens由于透镜耦合系统需要x、y、方向的精细对准，以保证 光路的同轴性。此外，在Z方向（光

9、纤轴线方向）间距还要适当。 所以这是一个五维精细调节和控制问题。这对于非专业人员去调 节是相当困难的。另外，外界的扰动，（如随机震动）都可能影 响到光入纤的功率。这些都大大的降低了透镜耦合系统的1dB容 差，使透镜耦合系统的封装变得极其困难，一般透镜耦合系统的 1dB容差仅仅为1-2 um，为了保证封装后仍然能够保持低损耗， 这就要求固定透镜的基座也要有同样数量级的加工精度，这就要 求采取特殊的加工手段，限制了透镜耦合系统的应用。glens和clens是目前解决上述问题的重要方案。它的最大 优势在于它批量生产中的可操作性，因为它是一个圆柱形的产 品，可以直接插入一个精度很高的套筒内，就可以保证

10、其和光路 很好的同轴，拓展了1 dB容差，使封装技术变得相对简单容易， 耦合过程中使五维的精细调节转变成了一维调节，大大的降低了 调整难度，提高了耦合效率。图 1 glens （左）和 clens （右）glens是直径13mm，长度几毫米的小玻璃棒，其折射率沿 径向分布如下式n(r) = n (1 一 Ar 2 / 2),n0是轴上折射率，A = 2Ala2，A是分数折射率差，a是芯径。GRIN棒透镜可以对光束进行准直或聚焦，此处用0.29节距 的棒透镜对发散的半导体光源实现聚焦，节距是指光线在梯度折 射率介质中沿正弦轨迹运行一周的长度。能够实现准直的为1/4 节距的GRIN棒透镜。（四）光

11、纤全息耦合由于光全息片可以将光的波前互相变换，所以可以用来作为 一种光纤耦合器。原则上讲，这种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响及衰减损耗，实际耦合 效率与透镜相比并不优越。不过，它的最大优点是，可以作为多 功能的光学元件来应用。全息耦合的制作方法在这里就不详述 了，有兴趣的同学可查阅相关资料。五.组合方式把上述提到的方法组合使用，可以大大的提高耦合效率，但 调整起来相对复杂程度有所增加，有兴趣的同学可以查阅相关资 料。光路调整的基本思路：这里介绍一下常用光路调整的基本思路，这个思路是通用 的，不仅仅局限于本实验。当然这个思路仅仅是一些经验积累， 这样调整相对容易

12、方便。（一）确定光轴将光阑放到预计的光轴方向上（导轨上）的不同位置，查看 激光光斑是否始终在同一位置。如果不是，调节激光器的高度和 角度，使在导轨各点，光斑的位置基本相同。此时光源平行于预 计的光轴（导轨）。对于不可见光，可以利用上转换片或热敏纸 辅助确定光轴。（二）调整光路元器件的光轴与光路“重合”在光源输出位置加一光阑，然后依次加入光路设计中的其他 元器件，要求所有元器件的光轴与光路基本重合。方法参照下图 所示，根据元件（例如透镜）反射到光阑的光斑位置，一般如果 将光斑调整到光阑孔内，就认为元件的光轴与光路重合了。需要 注意的是，如果光源没有隔离器，这个光斑是只能调整到孔附近， 不能进入孔

13、内，因为那样意味着光被反射到光源内，可能造成光 源输出功率不稳定。图2光路上的元器件调整同轴的基本示意图如果是不可见光，元件同轴是按照引入的可见光进行调整 的。图3不可见光光路中的元件同轴调整三、实验设计（一）可见LD的光纤耦合（650nm）在确定光轴后，参照上图所示连接各器件，调整透镜与光纤 之间的距离，并且调整光纤端面的角度，使功率计上的读数最大， 并记录下来。通过实验分析此耦合系统的1 dB容差（包括横向位 移和纵向位移的1dB容差）。对比10倍和40倍显微镜头的耦合效率和1dB容差。戚做快光源功宰计10倍40倍位移umX/YZX/YZ（二）红外激光与光纤的耦合（850nm）确定850n

14、mLD的光轴。利用上转换片，采取前后来回移动光 阑的方法确定850nmLD的出射方向和预定的光轴（导轨）平行。双波忙光源标记850nmLD的出射方向（即光轴方向）。在光轴的方向上 放置两个光阑，利用两点确定一条直线的原理，通过红外转换片 确保光线经过两个光阑，850nmLD的出射方向（即光轴方向），固定两个光阑。双波怆光海ssctirijsft出鲫刀尚融光灿力向）使650nmLD可见光光路和850nmLD的光路重合。利用一个反 射镜引入650nmLD可见光光路。利用上一步的两个光阑，调整 650nmLD和反射镜，使650nm红光通过两个光阑，从而确保可见 光和不可见光的光路重合。戒波眨光源利用

15、650nm可见光调整透镜和光纤。将光阑撤掉，换上透镜 和光纤固定装置，通过调整透镜和光纤端面使功率计显示的读数 最大。双成枸此源功翠计850nmLD的光纤耦合。撤掉反射镜和650nmLD,启动850nmLD, 调整光路，使功率计上的读数最大（功率计此时换到850nm档， 且一般只需向后做极小的微调即可）。调节光纤与透镜之间的纵、横向距离，实验分析此耦合系统 的1 dB容差。最后通过记录表画出耦合效率趋势线。（三）光纤与光纤的耦合（同时模拟了光源与准直器耦合）在确定光轴后，参照上图所示连接各器件，调整两个准直器 之间的距离和角度（两准直器之间的距离约为1cm），使功率计上 的读数最大，并记录下来

16、。通过实验分析此耦合系统的1dB容差 （包括横向位移、纵向位移和角度的1 dB容差）。光纤准直器耦合记录表单位（横向位移为um，轴向为mm，角度为）横 -1000750500250Bmd横 50125Bmd轴 -40302010Bmd100502010500 150 25 0050 700086421轴 1246Bmd角 -1.81.6 -1.4 -1.2 -Bmd角 0.20.6 0.8 0Bmd801234_0.80.60.4 -0.21.2 1.4 1.6 1.8 1四、数据及数据处理1、650nm： 10 倍 X/Y-300 -30.36 -200 -31.57 -150 -29.01

17、 -100 -29.47 -80-29.43-50-28.68-30-28.26-10-27.860-27.7710-27.8130-28.3950-29.6280-30.49100-30.24150-28.41200-29.72300-32.052、 650nm： 10 倍 Z-300 -28.02-200 -27.96-150 -27.94-100 -27.9-80-27.89-50-27.87-30-27.86-10-27.840-27.7910-27.8530-27.8750-27.8780-27.88100-27.89150-27.93200-27.95300-28.013、650n

18、m： 40 倍 X/Y-300 -45.76-200 -44.89-150 -45.08-100 -45.52-80-45.39-50-44.12-30-43.49-10-43.370-43.3210-43.3830-43.8850-44.6980-46.67100-47.74150-50.29200-48.87300-55.324、 650nm： 40 倍 Z-300 -43.48-200 -43.45-150 -43.42-100 -43.38-80-43.37-50-43.35-30-43.35-10-43.340-43.3310-43.3430-43.3550-43.3680-43.3

19、8100-43.4150-43.42200-43.45300-43.495、850nm： 10 倍 X/Y-300 -58.62-200 -59.56-150 -60.48-100 -59.96-80-60.32-50-60.11-30-60.18-10-59.70-59.4610-59.5230-59.7450-60.6880-60.72100-60.56150-60.88200-61.46300-61.756： 850nm： 10 倍 Z-300 -59.59-200 -59.56-150 -59.54-100 -59.51-80-59.51-50-59.49-30-59.48-10-59

20、.470-59.4610-59.4730-59.4950-59.4980-59.51100-59.53150-59.54200-59.58300-59.617、850nm： 40 倍 X/Y-300 -65.84-200 -66.01-150 -65.99-100 -65.94-80-65.82-50-65.64-30-65.66-10-65.630-65.2510-65.730-65.7550-65.8580-65.88100-65.94150-66.05200-66.08300-66.12一-票列28、 850nm： 40 倍 Z-300-65.39-200-65.36-150-65.34

21、-100-65.31-80-65.29-50-65.28-30-65.27-10-65.260-65.2510-65.2630-65.2750-65.2780-65.29100-65.3150-65.33200-65.35300-65.49、横向移动-1000-44.28-750-42.23-500-43.35-300-40.52-200-39.91-100-39.15-50-38.87-20-38.13-10-37.8510-39.2320-40.6850-40.35100-40.87200-41.67300-43.54500-44.79750-47.231000-45.6710、轴向移动-10-46.03-8-45.82-6-43.73-4-44.52-3-44.04-2-43.59-1-43.26-0.6-42.43-0.3-41.870.3-42.450.6-42.53-43.11-44.72-44.74-43.566-44.838-45.6310-46.2511、角向移动