用于遠距離測速的光纖準直器研究

范 源，吳慎將，李黨娟

(西安工業大學光電工程學院，陜西 西安 710021)

0 引言

光纖器件被廣泛應用于光通信、光纖傳感。在光纖通信及光纖器件生產領域中，光纖準直器作為光纖與光纖耦合的重要器件而備受關注[1-3]。光纖準直器是光無源器件的一個重要組件，在光通信系統中得到普遍應用。它是由單模尾纖和透鏡組成的，具有插入損耗較低、回波損耗高、光束發散角小、輕巧易組裝等特點[4]。光纖準直器將光纖端部的發散光束平行出射，或者將平行光束匯聚入光纖，以提高光纖系統的耦合效率。微球透鏡具有焦距短、像差小的特點[5]。當準直器的準直距離要求小于30 mm 時，C-LENS準直器和常用 G-LENS準直器性能接近。而當準直距離要求大于50 mm時，C-LENS準直器的優勢就變得更加突出[6]。如文獻[7]將GRIN LENS準直透鏡主要用于光纖元器件例如隔離器、環形器中，工作距離最長達30 mm；文獻[8]～文獻[9]采用改進型的C-LENS，通過調節透鏡焦距的大小來改變工作距離，可實現1 m以內的探測[7-9]。綜合上述，有兩種探測更長距離的方法：一是在C-LENS的基礎上加大口徑,以改變工作長度;二是多透鏡的耦合，實現長距離探測。本課題使用的是第一種方法。單透鏡結構簡單、輕便靈巧，易滿足2 m范圍內對光信號的接收。

1 光纖準直系統工作原理

光纖準直器是在高斯光束傳輸理論的基礎上發展起來的。其原理是：光在傳輸到一定距離范圍時近似平行傳輸，距離越遠，光束發散越大。光纖準直器通過壓縮發散角實現光的準直平行出射。目前的光纖準直器口徑小，模式匹配難度大，工作距離較近。當遠距離探測時，返回光束耦合效率很低。要擴大準直距離，就要擴大準直鏡口徑、降低傳輸的能量損耗、提高與光纖的匹配系數。在高斯光束中，其傳輸的最大平行范圍定義為束腰半徑。該值大小與光斑大小有關，且反比于光源發散角。所以必須代入透鏡參數，利用幾何法來計算長距離準直系統的工作距離。

圖1 高斯光束場振幅分布圖

高斯光束寬度沿z軸的強度變化如圖2所示。

圖2 高斯光束寬度沿z軸強度變化圖

光斑半徑隨z軸的變化規律為：

(1)

在激光應用中，高斯光束總要通過各種光學元件。只要光學元件的數值孔徑半徑大于1.5倍光纖數值孔徑，即可保證高斯光束的絕大部分功率能夠有效透過。

根據透鏡的參數，采用幾何光學的方法計算該準直器的束腰半徑和所需的工作距離。具體設計步驟如下。

準直器的最大工作距離與高斯光束的共焦參數息息相關。該參數與束腰半徑成正比，與波長成反比。

要擴大光斑尺寸，則需要選擇大口徑透鏡。根據瑞利長度可知，定義瑞麗長度的2倍(即準直透鏡出射面到束腰位置處的長度)為準直器的工作距離Zmax，則：

(2)

通過調節光纖端面與平凸透鏡的平面端的后截距,在束腰位置得到合適的光斑。通過瑞利長度公式，求出準直器的工作距離。

2 光纖準直器的整體設計

本文設計的光纖準直系統分為四個部分：光纖頭、ZEMAX準直透鏡、金屬管、外套管。長距離光纖準直器結構如圖3所示。

圖3 長距離光纖準直器結構圖

2.1 光纖頭

光纖頭采用美國康寧公司生產的SMF-28TM單模光纖。其規格為9 μm/125 μm ,保護套?3 mm。

2.2 ZEMAX準直透鏡仿真

光纖準直器出射光束具有一個較小的發散角,近似于準平行光束。本文根據實際所需的工作距離，通過建模，驗證單模光纖準直器在ZEMAX中能夠實現的2 m范圍內的準直。采用Thorlabs公司的平凸準直透鏡(材料為N-BK7，直徑為?16 mm，焦距f=25 mm，數值孔徑NA=0.12)進行建模仿真。在序列模式下,輸入透鏡參數,中心波長選擇1 550 nm,優化函數選擇RMS+Wavefront,對透鏡工作距離進行優化。優化結果表明，模擬的光線彌散光斑都在規定的圈內。從點列圖也可以看出，光傳輸方向的三個傳輸位置處的截面圓斑半徑，即在束腰位置1.1 m處的光斑大小；束腰半徑為850 μm左右。

2.3 金屬管

金屬管用來固定光學透鏡，采用ND353膠把透鏡固定在玻璃管。金屬管結構如圖4 所示。

圖4 金屬管結構圖

2.4 外套管

外套管主要用于防止ND353膠流入光路，污染光纖頭。所以外套管設計成臺階的結構，能夠確保膠體在光路里不會流到通光孔徑而揮發。上端口有螺紋孔，用來調節光纖頭與透鏡之間的距離，以獲取光束準直出射;采用光學儀器特種細牙螺紋，螺距是0.5 mm，通過透鏡的金屬管兩端的兩個卡槽來固定旋轉調節光纖頭與透鏡之間的距離，旋轉一圈為一個螺距，保證光纖頭位于透鏡一倍焦距處，達到平行出射的目的。

3 光纖與透鏡的裝配耦合

光纖準直器的裝配主要有預裝、調節、套管、測試四個步驟。

3.1 預裝

預裝分為透鏡預裝、透鏡點膠、透鏡烘烤三個環節。該環節需要透鏡、光纖頭、紫外光光源、紫外光防護罩、指鑷、烤箱、點膠棒、透鏡夾具、膠帶架、棉簽、無塵紙、酒精、UV305膠、ND353膠、光功率計等。

①透鏡預裝。首先，檢查鏡面，使用儀器顯微鏡，去除鏡面污跡；其次，使用酒精棉，擦洗透鏡。

②透鏡點膠。洗凈透鏡，將玻璃管套入透鏡，在透鏡長度的三分之二處進行點膠；活動透鏡，旋轉至透鏡漏出玻璃管1.2 mm附近；此時，在交界處用UV紫外膠點膠(UV305)，用紫外光照射20 s以上。

③透鏡烘烤。將預裝好的透鏡和玻璃管放置在烘烤箱中的烤架上，豎直放置，平端面朝上；按照恒溫箱烘烤表進行溫度設定；固化3 h后，從烤箱中取出準直器，在顯微鏡下仔細檢查是否進膠。

3.2 調節

插入損耗檢測如圖5所示。

圖5 插入損耗檢測圖

將帶尾纖的光纖頭接入外套管，同時在接口處點入353ND膠，靜置一段時間方可固定。將預裝好尾纖的準直器固定在調整架上進行調整，將平面鏡放在距離準直器的最遠端(A)和最近端(B)處，并且在A、B兩點都將數值調節到最小值為止。數值要求：A、B兩點的插入損耗差值小于0.2 dB。

調整后參數滿足要求，將尾纖拉出距斜面三分之一的位置，點353ND膠；再將尾纖推入玻璃圓管中，用干棉簽將溢出的膠擦拭干凈進行調節，直到將在A、B兩點上的插損調到原數值為止；在尾纖和玻璃圓管交接處涂一圈UV305膠，并用紫外光照射固化；最后將裝配好的準直器懸掛在夾具上放入烤箱。

3.3 套管

①對預裝好的準直器點膠。在洗凈的準直器玻璃圓管上靠近自聚焦透鏡的一邊，均勻地涂抹一圈ND353膠。將金屬鍍金管從透鏡端旋轉進入，確保ND353膠均勻涂抹在鍍金管和玻璃管之間，并使鍍金管和玻璃管的前端平齊。將溢出的353ND膠用棉簽擦拭干凈。

②對金屬鍍金管點膠。在顯微鏡下仔細檢查測試好的準直器是否有進膠的情況。將353ND膠均勻涂抹在清潔好的金屬鍍金管內。將涂好膠的金屬鍍金管置于85 ℃的熱盤上加熱2 min。

③將套好管的準直器直角平面向上懸掛在點膠架上放入烤箱，在85 ℃下烘烤1 h。

需要注意的是：準直器裝配時，將透鏡插入玻璃套管的內孔并通過膠水連接、固定，透鏡與玻璃套管之間應保留合理的間隙，以保證透鏡的正常插入以及膠水對透鏡和玻璃套管的正常連接固化。如果間隙過小，會造成透鏡插入困難、膠水難以進入透鏡和玻璃套管或進入量少，從而無法起到連接固定作用；而在溫度變化的情況下，因透鏡和玻璃套管膨脹收縮不一致，容易導致相互擠壓，從而造成產品開裂。為了避免此問題，對組合透鏡進行重新設計，根據實際尺寸來確定玻璃套管大小。

3.4 測試

①將任意兩個未套管的準直器放在調整架上，按圖6所示的插回損檢測光路接線。調節五維調節架，將插入損耗調到最小。如滿足測試要求，則將RL端放入功率計，繞光源線和準直器2線分別讀取系統值和器件值。

②將準直器2接光源，將RL端放入功率計，繞光源線和準直器1線分別讀取系統值和器件值。

圖6 插回損檢測光路圖

3.5 驗證準直器準直特性分析

設計兩套準直器，在光學試驗導軌平臺上搭建準直器測量試驗，所用儀器是兩通道的光纖功率放大器和1 550 nm波長、輸出功率20 mW的半導體激光器。通過五維調節架來調節準直，一般將光纖頭置于透鏡焦點處，微調光纖頭與透鏡之間的距離，來獲取所需的工作距離。準直器通過光纖輸入1 550 nm波長的激光光束，通過另一個后端接入光纖功率放大計的準直器來接收出射光束。通過五維調節架來調節和測試準直器光耦合的最大效率,使之大于50%，視為合格，并在2 m處測量光功率，保證后期彈丸速度信號的提取。

在遠訊公司的上述測試條件下，最終測得數據如下。

①出光參數：束腰位置1.1 m，束腰處光斑直徑為847 μm。

②透鏡參數：平凸透鏡，焦距為25 mm,直徑為16 mm,中心厚度為4 mm。

③插入損耗為0.02 dB。

④回撥損耗為17 dB。

采用Thorlabs公司生產的掃描狹縫式的光束質量分析儀，經過上述調節與裝配后的準直器在測量導軌上1.1 m處測得光斑大小為847 μm左右，與 ZEMAX模擬和優化準直透鏡在1.1 m處的光斑大小基本吻合，能夠驗證本文所設計的準直器的可行性。

4 結束語

本文基于高斯光束原理，在 ZEMAX 軟件中進行遠距離光纖準直器設計并仿真,并對仿真與試驗結果進行對比。 仿真結果與試驗結果接近,進一步驗證了準直器的可行性。利用光學仿真軟件 ZEMAX 優化所需工作距離，同時,為測試光纖準直器的準直度及耦合效率提供了理論依據。長距離接收光信號試驗證明，該準直器基本滿足10～1 500 mm長度范圍的探測要求，為光纖準直器的長距離測量提供了技術參考。