基于非球面透鏡的光纖耦合系統(tǒng)設(shè)計

陳海濤，楊華軍，黃小平，程曉洪

(1．宜賓學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，四川省高校計算物理重點實驗室四川宜賓644000;2．電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，四川成都610054)

1 引言

作為一種保密性強且使用靈活的高帶寬的通信方式，空間光通信引起人們越來越多的關(guān)注［1－5］。有效將激光耦合進(jìn)單模光纖是自由空間光通信的關(guān)鍵技術(shù)。這就需要在光纖耦合系統(tǒng)設(shè)計和運行中盡可能提高耦合效率和獲得理想的信噪比。但是，由于存在著許多因素影響到光纖耦合的耦合效率［2，5］。因此，將激光耦合進(jìn)單模光纖最大的挑戰(zhàn)就是如何優(yōu)化設(shè)計耦合系統(tǒng)從而有效提高耦合效率。

本文首先對空間光通信中耦合系統(tǒng)耦合效率進(jìn)行了討論，然后設(shè)計了非球面透鏡作為系統(tǒng)的耦合透鏡，并采用精密光纖支架對耦合光纖進(jìn)行準(zhǔn)確定位使耦合光聚焦在光纖端面上。最后對所設(shè)計的光纖耦合系統(tǒng)的效率進(jìn)行了實驗測量和討論。

2 光纖耦合系統(tǒng)的耦合效率

空間光通信中所用的光纖耦合器原理如圖1所示。平行光束經(jīng)過焦距為f的薄透鏡A聚焦在接收孔徑平面上A點。單模光纖端面位于透鏡焦平面xOy上。

圖1激光到單模光纖耦合器

光纖耦合器的耦合效率定義為有效耦合進(jìn)單模光纖的光功率Pc與到達(dá)接收孔徑平面的光功率Pa之比，即:

根據(jù)Parseval-Plancherel原理，該耦合效率也可以表示為［6－7］:

其中，EA接收孔徑平面的入射光場;UA是傳播到接收孔徑平面的光纖本征模。在平面波入射情形下，式(2)可以寫為［7］:

其中，β=πRrw0/(λf)為耦合參數(shù);Rr是接受孔徑的半徑;w0為單模激光的光腰半徑;λ為光波長。由式(3)可見:耦合效率先是隨著β的增大而增大，并在β=1．1209時達(dá)到最大值81．45%;隨后，隨著β的增大，耦合效率反而減小。

3 消球差非球面透鏡設(shè)計

雖然光纖耦合系統(tǒng)的耦合效率理論上可以達(dá)到81．45%，但是實際上由于許多因素的影響，導(dǎo)致耦合效率很低。其中，耦合透鏡的球差對耦合效率的影響不容忽視。透鏡球差是光束入射在一般透鏡上產(chǎn)生的一種光效應(yīng)，表現(xiàn)為離主光軸不同距離的平行光軸的光線，并不能嚴(yán)格匯聚于光軸上同一點。不過，球差的大小跟透鏡的形狀有關(guān)。因此，可選用非球面透鏡并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計從而使球差達(dá)到最小，以此來改進(jìn)聚焦光斑的質(zhì)量，達(dá)到改進(jìn)耦合效率的目的。

非球面透鏡如圖2(a)所示，透鏡的一個表面為非球面另一個表面為平面，n1是透鏡材料的折射率。主光軸上一個點光源O發(fā)出球面光束，照射到透鏡的前表面并發(fā)生折射，其中θ和θ'分別代表入射角和折射角。假定通過球面上任一點(x，y)的光線的光程都相等，等于旁軸光線的光程，即:

對式(4)進(jìn)行整理得:

這就是消球差非球面透鏡的數(shù)學(xué)表達(dá)式。對于實際透鏡材料，選取折射率n1=1．517，透鏡的焦距取作f=15．29 mm。在此情形下，非球面透鏡方程(5)可以表示為:

從公式(6)和圖2(b)可以看出，所設(shè)計的消球差透鏡為平凸透鏡，它的通光孔徑為5．30 cm，透鏡的外徑為6．50 cm，透鏡的中央厚度為2．20 cm。

圖2 非球面消球差透鏡原理圖

4 光纖耦合器的組成及實驗測試

要使通過透鏡的光束準(zhǔn)確聚焦在光纖端面上，還需要考慮光纖的橫向偏移、軸向偏移和端面偏轉(zhuǎn)對耦合效率的影響［8］。為了有效減小光纖端面偏移或者偏轉(zhuǎn)的影響，采用四維精密光纖支架，不僅可以實現(xiàn)對光纖端面進(jìn)行準(zhǔn)確固定，還可以在系統(tǒng)實驗或者運行過程中，通過一邊觀察光功率計或者CCD顯示器，一邊對光纖位置進(jìn)行四維微調(diào)，以取得最佳的耦合效果。設(shè)計制作的光纖耦合器如圖3(a)所示，單模光纖直徑采用纖芯直徑9μm。由于光纖直徑比較小，嘗試環(huán)境的細(xì)微變化可能會顯著影響實驗結(jié)果，因此對耦合的測試環(huán)境要求比較高。盡可能保持實驗環(huán)境的溫度不變，并且將光學(xué)系統(tǒng)安裝在防震動光學(xué)平臺上(如圖3(b)所示)，避免由于震動而造成聚焦光束不能準(zhǔn)確耦合到光纖端面上。

圖3 光纖耦合器和耦合實驗裝置

雖然同一個透鏡對于不同波長的激光的折射率不同，例如使用透鏡材料對于波長1550 nm和632．8 nm光 的 折 射 率 分 別 為 1．500223 和1．514664，這會導(dǎo)致光束焦點偏移23μm。根據(jù)耦合效率公式［8］:

由于光波長不同，引起的耦合效率的波動非常小以致可以忽略不計。雖然光通信常采用波長1550 nm的激光，但該頻率的光為不可見光，給測試工作帶來困難。因此，實驗測試采用波長的可見光進(jìn)行。兩個光功率計分別測試耦合的入射光功率和出射光功率。實驗結(jié)果如表1所示。由此可見，耦合系統(tǒng)的耦合效率大約為60%。

表1 光纖耦合系統(tǒng)耦合效率測試數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

為了提高空間光耦合到單模光纖的耦合效率，我們設(shè)計了非球面耦合透鏡來降低耦合損失，并采用了精密光纖支架對光纖端面進(jìn)行準(zhǔn)確定位。實驗測試顯示系統(tǒng)的耦合效率達(dá)到η=60%。本研究結(jié)果有助于改進(jìn)空間光通信的耦合效率，提高空間光通信質(zhì)量。

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