光纤准直器的应用

光纤准直器的应用

0光纤准直器系统无源纤维设备是光纤通信系统中的重要设备。这类器件是消耗光信号的一定能量以实现光信号的连接、能量分波/合波、波分复用/解复用、光路转换、能量衰减、反向隔离等功能。光无源器件是具有上述元器件的统称。光纤无源器件在光纤通信系统中地位越来越高,器件的发展对系统的影响也越来越大。而作为决定光无源器件性能参数的重要组件之一的光纤准直器近年来也受到越来越多的关注。光纤准直器是光无源器件中的一个重要的组件,在光通信系统中有着非常普遍的应用。它是由单模尾纤和准直透镜(GRINLens或C-Lens)组成,具有低插入损耗,高回波损耗,工作距离长,宽带宽,高稳定性,高可靠性,小光束发散角,体积小和重量轻等特点。可将光纤端面出射的发散光束变换为平行光束,或者将平行光束会聚并高效率耦合入光纤,是制作多种光学器件的基础器件,因此被广泛应用于光束准直,光束耦合,光隔离器,光衰减器,光开关,环行器,MEMS,密集波分复用器之中,本文的光纤准直器特指的是新福克斯公司用于第二代光环行器的保偏双光纤准直器。1由光学恒直器制造的部件1.1透镜的会聚能力自聚焦透镜又称为渐变折射率透镜简称格林透镜,其折射率分布成中心对称,并沿径向梯度变化。自聚焦透镜因为体积小,光学成像象差小,易于光纤对中耦合和连接等优点,被广泛应用于光纤通信及光纤传感系统中。在忽略高阶小量的条件下,自聚焦透镜的折射率为平方律分布自聚焦常数和节距P是自聚焦透镜的两个重要参数:其中,Δ为相对折射率差,r为中心距。反映了透镜对于光线的会聚能力。越大则焦距越短,透镜的会聚能力就越强。节距(3)由(3)式可知,P与成反比,也就是说,越大,自聚焦透镜对光线的会聚能力越强,因此光线在自聚焦透镜中偏折的就越厉害,走完一个周期的正弦曲线的轴向距离越短。自聚焦透镜中的光线方程为:式中,r为光线上的点的位置函数;s为沿光线上的弧长。采用直角坐标系,令z轴为光纤轴线,对于近轴光线,有ds≈dz,则XOZ平面内的光线方程为:把式(1)代入式(5),可以得出光线在柱形自聚焦透镜中的轨迹方程,如式(6)和(7):式中r、P表示轨迹上一点到轴上的距离和该点切线的斜率;ri、Pi表示入射光线在透镜端面z=0处在以斜率P=Pi入射在r=ri。此式表明给出了光线的初始条件(位置ri和斜率Pi),我们就可以确定光线在自聚焦透镜中的传播情形。将式(6)和(7)写成矩阵形式,可得到光线在格林透镜中传输矩阵为:1.2偏振态不耦合光纤准直器可分为普通的光纤准直器和保偏光纤准直器,因此光纤按是否具有保偏性可分为一般的光纤和保偏光纤。保偏光纤是利用光纤的非对称波导结构滤掉其中1个偏振模,只允许1个偏振模在光纤中传输;或是利用光纤的高双折射特性,使2个偏振模之间不易耦合,维持偏振态的稳定。一种方法是在光纤中引入很大的双折射,使2个偏振态的传播常数相差很大,不易发生耦合而保偏,成为高双折射光纤;另一种方法是使光纤中只有1种偏振态能传输,另1种偏振态被截止掉,称为单模单偏振光纤。保偏光纤的典型结构如图1所示,其中“蝴蝶结”型和“熊猫”型应用较为广泛。2标准光刻度的设计2.1双芯保偏准直器的结构设计本文所设计的保偏光纤准直器用于光环行器中,为保证保偏双光纤准直器中两路光均以较高的消光比传输,必须保证插芯中两根保偏光纤的慢轴方向互相垂直两束出射光有为左右其结构如图2。在实际制作中,由于两根光纤相对位置十分接近,调节不太容易。因此通过调节双芯保偏准直器中光纤相对位置,使两光路的消光比均可以达到20dB以上。同时可保证较好的插入损耗均衡性,这为许多更为复杂的保偏器件的制作打下了坚实的基础。其中双光纤头结构如图3。它要求两根光纤的慢轴互相垂直,透镜与毛细管端面斜角为8°,且端面互相平行,精度要求0.01mm。2.2准直器的设计在实际应用中,由于光纤与准直器的连结处存在间隙,光折射率分布不连续,会产生反射。这种反射通常称之为前端反射。反射光一般也满足传输条件,它们将返回光源或光纤放大器,严重影响光源或光纤放大器的工作状态和稳定性,已引起了人们极大的关注。近年来,在实用系统中端面采用斜角。这样,大部分反射光将不再满足光纤传输条件,即使返回光纤,也会很快逸入包层,不能到达光源或光纤放大器,大大提高了回波损耗。可达60dB以上,较好地满足实用要求。由于光线在聚焦透镜中的轨迹是正弦曲线,当光源位于端面轴上,在聚焦透镜的14周期处光线平行出射。因此可以用14周期的自聚焦透镜来构成出射平行光束的准直器。插入损耗是光纤准直器相当重要的指标,定义为其中Ii和I0分别为输入和输出总功率。在已知输入光功率分布的条件下,通过对光线的追踪可以得到输出光的位置方向(r,P)。对输入光的功率分布函数进行条件积分,就可得出不同P0和r0范围内的输出功率为结合透镜的接收条件(即光能在透镜中传输并进入光纤继续传输)可得出积分条件为我们近似认为光能在ri,Pi上均匀分布。分别把单模光纤、多模光纤的参数代入式(9)～(14),可以得出不计端面反射条件下插入损耗与工作距离之间的关系曲线,如图4、5。图4、5中的曲线A和B分别是传输光纤为单模光纤时垂直端面和斜角为8°的情况;曲线C和D是多模光纤时垂直端面和斜角为8°的情况。从图4中可以看出,损耗随L增大而增加。对于多模光纤,斜端面对插入损耗的影响很小,曲线C和D非常相近;对于单模光纤,采用斜角对损耗有一定的影响,特别是L较小的情况。这是由于单模光纤的半径很小,偏离角较大的光将逸出光纤,不能继续传输,造成损耗。当L较大时,损耗主要来源于传输过程中能量的发散,因此两条曲线逐渐接近。对于多模光纤,由于半径较大,不存在这一情况。对于两种光纤,斜角造成的损耗相对于其他因素而言都是较小的。当自聚焦透镜端面斜角取8°时,完全可以满足光纤准直器大于60dB的回损耗的要求。所设计准直器的自聚焦透镜具体参数如下:A=0.32652;工作波长λ=1.55μm;自聚焦透镜类型为:SLW-180,即宽视场型,直径为1.8mm;中心折射率n0=1.5868+8.14×10-3λ2=1.590188,取自聚焦透镜长度为Z=0.23P,楔角α=8°,则焦距为:主距为:,(16)由(15)、(16)式可得装配间距d0=f-h=0.385mm。3自聚焦学生的lm-4当光入射到自聚焦透镜时,中心光线与自聚焦透镜的间距为r0=62.5μm、t0=0。设出射光束可用矩阵形式表示为,自聚焦透镜折射率分布nr=n0(1-Ar2/2)。根据光在自聚焦透镜中的传输矩阵(8)和矩阵光学知识可知:由式(17)求得为两束光夹角的半