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(yè)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(chǎn)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(tǒng)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(fā)散角小、輕巧易組裝等特點[4]。光纖準直器將光纖端部的發(fā)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(tǒng)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(yōu)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(huán)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(diào)節(jié)透鏡焦距的大小來改變工作距離，可實現(xiàn)1 m以內(nèi)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(xiàn)長距離探測。本課題使用的是第一種方法。單透鏡結(jié)構簡單、輕便靈巧，易滿足2 m范圍內(nèi)對光信號的接收。

1 光纖準直系統(tǒng)工作原理

光纖準直器是在高斯光束傳輸理論的基礎上發(fā)展起來的。其原理是：光在傳輸?shù)揭欢ň嚯x范圍時近似平行傳輸，距離越遠，光束發(fā)散越大。光纖準直器通過壓縮發(fā)散角實現(xiàn)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?shù)哪芰繐p耗、提高與光纖的匹配系數(shù)。在高斯光束中，其傳輸?shù)淖畲笃叫蟹秶x為束腰半徑。該值大小與光斑大小有關，且反比于光源發(fā)散角。所以必須代入透鏡參數(shù)，利用幾何法來計算長距離準直系統(tǒng)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(guī)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(shù)值孔徑半徑大于1.5倍光纖數(shù)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(jù)透鏡的參數(shù)，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(shù)息息相關。該參數(shù)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(jù)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(diào)節(jié)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(tǒng)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(jié)構如圖3所示。

圖3 長距離光纖準直器結(jié)構圖

2.1 光纖頭

光纖頭采用美國康寧公司生產(chǎn)的SMF-28TM單模光纖。其規(guī)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(fā)散角,近似于準平行光束。本文根據(jù)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?qū)崿F(xiàn)的2 m范圍內(nèi)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(shù)值孔徑NA=0.12)進行建模仿真。在序列模式下,輸入透鏡參數(shù),中心波長選擇1 550 nm,優(yōu)化函數(shù)選擇RMS+Wavefront,對透鏡工作距離進行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明，模擬的光線彌散光斑都在規(guī)定的圈內(nèi)。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(jié)構如圖4 所示。

圖4 金屬管結(jié)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(jié)構，能夠確保膠體在光路里不會流到通光孔徑而揮發(fā)。上端口有螺紋孔，用來調(diào)節(jié)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(zhuǎn)調(diào)節(jié)光纖頭與透鏡之間的距離，旋轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)、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(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)

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(diào)整架上進行調(diào)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(shù)值調(diào)節(jié)到最小值為止。數(shù)值要求：A、B兩點的插入損耗差值小于0.2 dB。

調(diào)整后參數(shù)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(diào)節(jié)，直到將在A、B兩點上的插損調(diào)到原數(shù)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(zhuǎn)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(nèi)。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(nèi)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(chǎn)品開裂。為了避免此問題，對組合透鏡進行重新設計，根據(jù)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(diào)整架上，按圖6所示的插回損檢測光路接線。調(diào)節(jié)五維調(diào)節(jié)架，將插入損耗調(diào)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(tǒng)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(tǒng)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(diào)節(jié)架來調(diào)節(jié)準直，一般將光纖頭置于透鏡焦點處，微調(diào)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(diào)節(jié)架來調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)如下。

①出光參數(shù)：束腰位置1.1 m，束腰處光斑直徑為847 μm。

②透鏡參數(shù)：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(chǎn)的掃描狹縫式的光束質(zhì)量分析儀，經(jīng)過上述調(diào)節(jié)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(yōu)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(jié)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(jié)果進行對比。 仿真結(jié)果與試驗結(jié)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(yōu)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(jù)。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。