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详解准直器工作距离与腰斑的关系

Flyin飞宇集团2022-05-18 10:31发文

三十多年来,光纤通信已取得了长足发展,光纤以其损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点,已经在传送网领域取代了电缆,而在接入网领域,随着FTTC,FFTTB和FTTH工程的实施,光纤也已成为主要传输媒介。

通常光纤通信系统所用的光源是从激光器发出的激光光束,其特点是场振幅沿径向做高斯函数衰减,具有很好的单色性、方向性以及高强度。根据光波导理论,激光光束在单模光纤中按基模高斯光束进行传播,因此基模高斯光束在介质中的传播特征是设计光通信器件的基础。随着光纤通信的迅速发展,无源器件的需求急剧增加。在光隔离器、光环形器、光开关、光衰减器、光波分复用器等光无源器件的工作过程中,对高斯光束的准直性要求非常高,即要求高斯光束的发散角非常小,从而实现其在光路中最大效率的传输与耦合,使有限的光束能量能得到充分的利用,这样就引入了光纤准直器。它的作用是将光纤中出射的发散光经准直后变成发散角极小的近似平行光束或者将平行光束会聚进入光纤,以此提高光器件的耦合效率。

光纤准直器的基本原理是,将光纤端面置于准直透镜的焦点处,使光束得到准直,然后在焦点附近轻微调节光纤端面位置,得到所需工作距离,因此准直器的工作距离与光纤头和透镜的间距L 相关。光纤准直器的作用是将光纤输出的束腰半径较小而发散角较大的近似高斯光束转化为腰斑较大而发散角较小的光束,以增加对轴向间距的容差从而提高光纤与光纤之间的耦合效率,这样可使两准直器之间保持较长的距离,可以插入光学元件以实现器件性能。如下图所示:

工作距离(Working Distance)和腰斑大小(Beam Diameter)是描述准直器的两项关键参数,其参数定义见下图:

许多客户在描述准直器时常常给出了工作距离,但光斑大小给一个很宽松的范围,甚至没有光斑大小的定义,如下表这样:(光斑大小范围宽松)

实际上一般情况下,在准直器某一个工作距离对应的位置处,随着纤镜距离d1的改变,可以出现两个腰斑,一个腰斑比较大,另一个腰斑比较小,两者应用也不相同:大腰斑做光束准直,常用于波分复用器、隔离器、环形器等无源器件,小腰斑做光束聚焦,常用于提升激光耦合效率。

我们以C-lens准直器为例从理论方面对此种现象做推导:

C-lens准直器的主要组成部分;单纤Pigtail、玻璃管、C-lens,见下图3:

单纤Pigtail是将光纤穿入毛细管中,毛细管和光纤之间使用胶水完全固化,便于后续作业夹持固定。其端面呈8度角,用于提升回波损耗。

光纤使用Corning Clear Curve XB。

C-lens左侧端面匹配单纤Pigtail斜面,也是8度角,其与单纤Pigtail保留一定间隙d1,约为C-lens焦点与斜面端距离。选择市场上常用一款C-lens做计算,材料为N-SF11,其1550nm处折射率Nc=1.7434,球面端曲率半径R=1.419mm,轴线长Z=3.0mm。

空气折射率N=1

定义出射高斯光束光腰距离准直器端面距离为L1,单纤Pigtail与C-lens间距为d1(d1、L1在上图中表示)。

基于高斯光束的传输特性,用ABCD传输矩阵来分析模拟,光束从光纤出射,经过空气间隙d1,C-lens,最终传输到距离准直器端面L1处对应的矩阵组为:

光纤出光的高斯参数设定为:

在输出光束束腰位置,波面曲率半径趋于无穷大时,1/q2实部为0:

根据上式,可以推算腰斑位置L1与纤镜距离d1的关系式:

L1确定后,可推算出射腰斑直径ω与纤镜距离d1的关系:

把两个关系式在一个图表上体现,见下图:

红色曲线为束腰位置L1,分为三个阶段:

阶段一:d1处于0.18~0.25mm,随着d1增加L1在持续增加,从0上升直至无限接近38mm;

阶段二:d1= 0.25mm,L1达到峰值38mm;

阶段三:d1处于0.25~1mm,随着d1增加L1在持续减小,从38下降到0mm;

除了L1达到峰值38mm时,对应唯一d1=0.25mm,当L1介于0~38mm之间时(不包含38mm),此时任一L1值对应两个d1值,同时d1介于0.18~1.0mm时,光腰大小持续递减,即同一个L1值,有两个光腰存在,且d1越大光腰越小。

以上述准直器结构,实际取一组物料,调试结果如下:

当纤镜距离d1=0.19mm,腰斑位置L1=15mm,腰斑直径W=0.38mm

当纤镜距离d1=0.63mm,腰斑位置L1=15mm,腰斑直径W=0.04mm

通过实际调试,再次验证了我们的推论:同一个工作距离可以存在两个大小不同的腰斑。

光斑机及配套软件界面(图5)

飞宇从事准直器生产已有十数年,在准直器调试工序引入了国外进口的高精度光斑机,结合精密调节机台,再加上特有的治具,有效精准控制准直器指定工作距离的腰斑大小,可以完全满足客户的各种准直器需求。

凭借多年的生产技术积累,飞宇目前可以制造各种类型的准直器。包括PM/CWDM/DWDM/FWDM准直器,外径从1.0mm~10mm,工作距离从0~1000mm,光斑大小从20um~6mm,波长范围从700~1700nm,以及其他各种定制化准直器。

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