飞宇集团：光纤准直器与单模光纤准直器的计算

2022-05-12 17:07

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浅谈光纤准直器及单模光纤准直器的计算

首先，本文将介绍光纤准直器的基本作用，之后简单介绍其组成结构，然后给出光纤准直器比较重要的参数及影响两准直器耦合的因素，最后展示单模光纤准直器的计算方法以及计算结果。

光纤准直器的基本作用

准直器的基本作用

光通信技术已经改变了我们的生活，让信息飞速地传播。在光通信网络中，波分复用器、光开关、环形器和隔离器等模块应用非常广泛，而在这些器件的光路中，为了保证光束的最大传输和耦合效率，对光束的准直特性要求非常高，这样就引入了光纤准直器。

光纤准直器可将光束准直、扩束，同时也可以将光束聚焦为一定尺寸大小的光斑，从而让光束更方便地通过特定的光学元件，或者更高效地进行耦合。如图1，直接从光纤出射的光束相比于经过准直器的光束有更大的发散角，会导致更多的光能量损失，所以不利于传输和耦合。而两端使用光纤准直器后，明显提升了其传输和耦合效率。

图 1：光纤准直器的准直作用

纤准直器的基本结构

准直器的基本结构

图 2光纤准直器的基本结构

光纤准直器的基本结构如图2，其组成部分中：

光纤种类：根据需求和应用场景，可以选择单模或多模光纤，也可以是保偏光纤，光纤数目有单纤，双纤和四纤可选。封装可使用玻璃管、不锈钢管、镀金管等材料。

AR薄膜：端面1、端面2和端面3均镀制了AR薄膜，AR薄膜的通带带宽需覆盖通过的光束的波长，目的是减少光在各界面间传输时，其端面处由于折射率不匹配引起的反射损耗。

空气间隙：Pigtail和透镜之间还存在一个空气间隙，该间隙对于整个准直器来讲，是非常重要且敏感的，对于一个材料参数固定的准直器来说，可以通过使用精确的仪器来调节空气间隙的大小，来调整最后出射光束的参数。

透镜：透镜是对光束进行变换的关键部位，使用较多的是定折射率透镜（C－lens）和自聚焦透镜（G－lens），如图3所示。从外观上来看，C－lens的端面一端为球面，而G－lens的一端为平面，正是因为这个原因，G－lens准直器可以将某些光学器件直接粘接在该平面上，从而使得模块可以更紧凑，这是C－lens不具备的特点。从两者的原理来说，构成C－lens的材料折射率是定值，所以C－lens主要通过球面的曲率对光束进行折射，从而使光束准直或者聚焦。而G－lens的折射率，是以其轴为中心，在径向上逐渐变化的，折射率变化的快慢程度使用“自聚焦常数（）”来表征，光束在其中会连续折射，从而对光束进行变化，这也是G－lens为什么不需要C－lens那样的球面的原因。

图 3 C－Lens与G－Lens的外观比较

准直器的重要参数及影响两准直器耦合的因素

接下来我们看一下光纤准直器的重要参数，如图4，首先是工作距离（WD），工作距离一般为准直器端面距光束的束腰位置距离的2倍，当两个相同工作距离的光纤准直器的间距为工作距离时，耦合的效率最高，此时两个准直器的腰束位置重合。一般的光纤准直器工作距离可从几毫米至几百毫米。特殊的可以达到一米甚至更大，不过，工作距离的增加，往往伴随着准直器尺寸的增加。

束腰位置指的是整个光束中最窄的地方；束腰半径指的光束在束腰位置处的光斑半径大小，很明显，束腰半径是整个光束中光斑半径最小的，小的束腰半径可以实现对光束的聚焦功能。光纤准直器的束腰半径一般可以做到几十微米至几百微米不等，有些特殊用途的准直器可以达到数毫米。请注意，只有束腰处的光斑半径才能称为束腰半径。

另外，准直器出射的光束的光轴将会与透镜光轴有一夹角，称为“点精度”，该夹角一般比较小，为零点几度左右。

图 4 准直器的重要参数

图 5 耦合时引起损耗的3种位置偏移

图5显示的是实际使用两个光纤准直器耦合时，引起损耗的3种可能。我们以图中的x－y－z坐标系为参考，首先我们知道两个相同的准直器腰束位置重合时耦合效果最佳，即如图4所示，那么两个准直器的腰束位置偏移基本有如下3种情况：

X0代表在x方向，准直器有一个偏移，记为横向偏移；

Z0代表在z方向两个准直器的腰束位置偏离了一段距离，记为轴向偏移；

角度Θ代表，由于x、y、z方向同时有偏移，引起的两准直器的一个空间角，记为角向偏移。

下面列出了X0 ，Z0和Θ分别对损耗的影响曲线，特别说明，该曲线数据并不能代表所有类型的准直器，但具有一定的参考意义：

图 6 （a）横向偏移（b）轴向偏移（c）角向偏移

从图6可以看出，角向偏移引起的损耗最敏感，横向偏移次之，轴向偏移对损耗则最不敏感。轴向偏移不敏感也同时也启示我们，当两个准直器耦合使用时，轴向距离比工作距离大，或小一定长度，其实影响并不大，打个比方：工作距离50mm毫米的准直器，当作60mm的来用，引起的损耗也就是0．025dB的级别，大多数情况下，这个级别的损耗是可以接受的。角向偏移最敏感同时也警示我们，准直器的匹配位置，除了轴向之外，对其他方位的要求是比较高的，稍稍偏离，就能引起数十dB的损耗。准直器的重要参数及影响两准直器耦合的因

单模光纤准直器的计算机分析过程展示

对于单模光纤准直器，由于其中传播的光束为高斯光束，技术人员可以通过构造光束的q参数，结合图2中所示的空气间隙大小和透镜的光学参数矩阵，根据ABCD法则，然后使用计算机来计算图4中的工作距离和光斑直径，从而对光纤准直器的性能进行分析。以此实现对光束的“千变万化”的拿捏。由于篇幅有限，这里仅给出单模C－lens光纤准直器的计算过程及结果。

图7 参数定义

如图7，给出了空气、透镜和光纤的参数。并定义了一些参数。当我们选择不同的光纤，不同的透镜时，都需要更新对应参数。

图 8 模场半径＆q参数定义

如图8，首先根据光纤的V参数的单模条件，求出截止波长，然后利用模场半径的近似解形式，求出模场半径，该模场半径便可作为光束在光纤端面上的束腰半径。图中还给出了q参数的定义，其中的“z”代表离参考点的距离，q（z）代表z处的q参数，R（z）代表z处的光束的曲率半径，w（z）代表z处的束腰半径。

注意：q参数为人为构造，因为这样构造才可利用ABCD矩阵法则计算，也就是说，q参数和ABCD矩阵法则是相辅相成的；并且，q参数只适用于光束截面能量分布近似为高斯分布的光束，这是其局限性。

图 9 利用ABCD法则求出射光束的q参数

如图9，列出了各光学端面和元件的矩阵，这些矩阵是由折射定律和反射定律，在傍轴近似的条件下得到的。之后，根据ABCD法则即可计算得到准直器出射光束的q参数，同样，该q参数中包含了光束的束腰、曲率半径等关键信息。可以参考图8中的q参数定义，便可十分方便地从计算得到的q参数中提出这些参数，图10展示了这一过程。

图 10 从出射的q参数中提取该位置处的光束半径

有了上面的理论支撑后，我们可以尝试改变图10中的变量，例如改变L1，即空气间隙的长度，那么出射光束的束腰半径便会随之改变，记录下L1和其对应束腰半径的值，这样就可以绘制出下面图11这样的曲线，该曲线明确的显示出来了空气间隙与束腰半径的关系，这样便可十分方便的确定准直器的参数，例如，从中我们可以看出，该准直器的束腰半径最大能做到0．18mm左右。