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    基于光纖旋轉(zhuǎn)連接器的光纖耦合效率研究

    2022-11-26 03:42:22宋巍謝友金李治國(guó)郝偉閆佩佩李昕孫傳東
    光子學(xué)報(bào) 2022年11期
    關(guān)鍵詞:插入損耗光束折射率

    宋巍,謝友金,李治國(guó),郝偉,閆佩佩,李昕,孫傳東

    (1 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,西安 710119)(2 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所中國(guó)科學(xué)院空間精密測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710119)(3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

    0 引言

    光纖通信具有更高的帶寬、大容量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需頻譜許可和良好的保密性,被認(rèn)為是工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)療設(shè)備等的關(guān)鍵技術(shù),逐漸被廣泛使用[1-5]。光纖旋轉(zhuǎn)連接器是利用光纖通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)靜止平臺(tái)和相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)間信號(hào)傳輸功能的重要設(shè)備,其原理為從靜止端(或旋轉(zhuǎn)端)光纖發(fā)出的光束進(jìn)入漸變折射率透鏡(Gradient-index Lens,G-Lens)準(zhǔn)直后成為空間準(zhǔn)直光束,再傳輸至旋轉(zhuǎn)端(或靜止端)漸變折射率透鏡,耦合至光纖中實(shí)現(xiàn)光信號(hào)傳輸。因此,光纖耦合效率是光纖旋轉(zhuǎn)連接器的重要參數(shù)。

    光纖耦合效率自光纖技術(shù)發(fā)展以來(lái),被國(guó)內(nèi)外多家高校、研究所以及企業(yè)廣泛研究。PALAIS J C等[6-7]研究了基于漸變折射率透鏡的單模和多模光纖耦合問(wèn)題,分析了橫向誤差、縱向誤差和角度誤差引起的功率損耗。YUAN S等[8]利用高斯場(chǎng)分布推導(dǎo)出兩個(gè)單模光纖(Single-mode Optical Fiber,SMF)準(zhǔn)直器之間耦合損耗的一般公式,基于此公式推導(dǎo)了單模準(zhǔn)直器高斯光斑尺寸失配引起的耦合損耗公式,分析了不同誤差對(duì)漸變折射率準(zhǔn)直器耦合效率的影響。王馳等[9-10]利用高斯光束復(fù)參數(shù)矩陣變換方法推導(dǎo)了漸變折射率透鏡光學(xué)特征參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。CUSWORTH S D等[11]將用于漸變折射率透鏡軸向和徑向偏移損失的幾何光學(xué)模型,推廣到角度傾斜失準(zhǔn)損失的情況下。梁驍?shù)龋?2]在幾何光學(xué)和高斯光束理論的基礎(chǔ)上,運(yùn)用矩陣光學(xué)與高斯光束耦合理論,分析了基于漸變折射率透鏡準(zhǔn)直器的插入損耗和回波損耗等特性,采用衰減基準(zhǔn)測(cè)試方法對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。千應(yīng)慶等[13]建立了一種光纖準(zhǔn)直器和耦合效率理論模型,對(duì)光纖旋轉(zhuǎn)連接器耦合誤差進(jìn)行分析,得到了誤差對(duì)光路傳輸損耗的影響規(guī)律。魏莉等提出了一種基于G-Lens的高速單通道單模光纖旋轉(zhuǎn)連接器的結(jié)構(gòu),對(duì)光纖旋轉(zhuǎn)連接器中光信號(hào)傳輸時(shí)的損耗進(jìn)行分析研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,單通道單模光纖旋轉(zhuǎn)連接器在8000 r/min的高轉(zhuǎn)速下工作,插入損耗為19.6 dB。

    綜上可知,對(duì)于漸變折射率透鏡與光纖耦合分析較多,但對(duì)于存在誤差情況下,相關(guān)提升耦合效率的方法研究較少。目前光纖旋轉(zhuǎn)連接器耦合過(guò)程存在的間隙誤差對(duì)插入損耗影響程度不清楚。同時(shí),加工和裝配過(guò)程中位置誤差無(wú)法避免,利用結(jié)構(gòu)微調(diào)較為復(fù)雜。光纖旋轉(zhuǎn)連接器中光纖與透鏡的間隙以及透鏡間的位置關(guān)系極大地影響著性能指標(biāo)。并且,隨著光纖旋轉(zhuǎn)連接器的廣泛應(yīng)用,對(duì)其低損耗、高可靠等性能提出了更高的要求,因此本文重點(diǎn)介紹基于單通道光纖旋轉(zhuǎn)連接器的間隙誤差和位置誤差的補(bǔ)償方法。本文以單通道單模光纖旋轉(zhuǎn)連接器為研究對(duì)象,光纖旋轉(zhuǎn)連接器利用兩個(gè)G-Lens準(zhǔn)直器實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的光信號(hào)傳輸,對(duì)單模光纖出射光束進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直,放寬了光學(xué)器件的加工和裝配誤差。本文理論分析了G-Lens和光纖存在的位置誤差以及G-Lens準(zhǔn)直器間的位置誤差對(duì)耦合效率的影響,并完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;從方法上提出修正光纖與G-Lens位置誤差的方法和基于楔形棱鏡和平板玻璃的光束指向調(diào)整法。本文研究對(duì)于低損耗單通道單模光纖旋轉(zhuǎn)連接器具有參考意義。

    1 系統(tǒng)模型

    本文研究的單通道單模光纖旋轉(zhuǎn)連接器,是由兩個(gè)G-Lens準(zhǔn)直器組成的信號(hào)傳輸裝置。該連接器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、能源和醫(yī)療裝備等領(lǐng)域[14]。其工作原理為,激光光束從單模光纖傳輸?shù)紾-Lens后準(zhǔn)直光束,隨后被準(zhǔn)直的激光光束進(jìn)入空氣中傳輸,被相同參數(shù)的準(zhǔn)直器接收后耦合至光纖中,如圖1所示。在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中,其中一個(gè)由單模光纖和G-Lens組成的準(zhǔn)直器沿著光軸旋轉(zhuǎn),這是與空間光-光纖耦合不同的地方。在這個(gè)耦合模型中,單模光纖纖芯與漸變折射率透鏡之間的距離L1和L′1以及G-Lens1和G-Lens2相對(duì)位置關(guān)系是關(guān)注的重點(diǎn)。

    圖1 高斯光束在兩個(gè)G-Lens準(zhǔn)直器間的耦合模型Fig.1 Coupling model of two G-lenses with Gaussian beam

    1.1 漸變折射率透鏡傳輸理論

    本文采用徑向分布漸變折射率透鏡,其折射率分布沿著透鏡徑向呈拋物線型分布,其折射率分布表示為

    式中,n0是G-Lens的中心折射率,g是漸變折射率梯度常數(shù),r是到中心軸的距離。

    通常,在準(zhǔn)直器中G-Lens與單模光纖存在一定的空氣間隙,如圖1所示,從單模光纖輸出的近似高斯光束束腰為ω0,通過(guò)空氣(折射率n2=1),然后進(jìn)入折射率分布由式(1)表示的G-Lens1,經(jīng)過(guò)G-Lens1準(zhǔn)直后進(jìn)入有同樣折射率分布的G-Lens2,耦合至單模光纖。經(jīng)過(guò)G-Lens1準(zhǔn)直的光束在距離透鏡端面L3處,得到束腰為ωT的高斯光束。L1表示從單模光纖到G-Lens端面的距離,L2表示G-Lens的長(zhǎng)度,L3表示G-Lens端面到束腰的距離。根據(jù)光學(xué)傳輸矩陣[15]可將高斯光束在間隙(面1到面2之間)的傳輸矩陣表示為

    根據(jù)漸變折射率透鏡的梯度常數(shù)g和透鏡長(zhǎng)度L2,將G-Lens傳輸矩陣表示為

    從光纖出射的光束經(jīng)過(guò)G-Lens的傳輸矩陣M表示為

    高斯光束參數(shù)q(z)表示為

    式中,R(z)是高斯光束等相位面曲率半徑,ω是束腰大小,λ是波長(zhǎng),n是介質(zhì)的折射率。同時(shí),利用ABCD矩陣法,可得面2處高斯光束參數(shù)q(2)的表達(dá)式為

    根據(jù)入射面1的初始條件n=n2,ω=ω0,R(1)→∞,代入式(5)可得

    在面4的高斯光束參數(shù)q(4)利用高斯光束參數(shù)q(z)的變化規(guī)律可得

    由于面4處為束腰位置,等相面曲率半徑為∞,結(jié)合高斯光束參數(shù)定義可知

    變換可得

    1.2 誤差分析理論

    本節(jié)理論分析了誤差對(duì)光纖旋轉(zhuǎn)連接器插入損耗的影響,這里所說(shuō)的誤差包含光纖與G-Lens透鏡間的間隙誤差、G-Lens透鏡間的軸向、徑向和角度三種誤差。光線在存在一定誤差情況下的傳輸過(guò)程及參數(shù)定義如圖2所示。

    圖2 光纖旋轉(zhuǎn)連接器存在誤差情況下的傳輸過(guò)程Fig.2 Transmission with errors in fiber optic rotary joints

    如圖3所示,按照G-Lens透鏡設(shè)計(jì),高斯光束束腰在透鏡出射端面上,為了更好地描述高斯光束在G-Lens中的傳播,假定兩個(gè)坐標(biāo)系(x,y,z)和(x′,y′,z′),坐標(biāo)原點(diǎn)均設(shè)置在光軸與G-Lens出射面交點(diǎn)處。

    圖3 高斯光束在G-Lens中傳輸路徑Fig.3 Transmission path of Gaussian beam between G-Lenses

    從單模光纖出射的光束經(jīng)過(guò)G-Lens1準(zhǔn)直后,高斯光束束腰位置在出射端面上,束腰大小為ω1,高斯光束電場(chǎng)復(fù)振幅的x方向分量可以表示為[16-17]

    式中,E1是(x,y,z)在坐標(biāo)(0,0,0)處的振幅,

    在耦合損耗的分析中,由于損耗是兩個(gè)G-Lens透鏡失配引起的,有必要考慮接收端的復(fù)振幅。同理,可得接收端的高斯光束電場(chǎng)復(fù)振幅的x方向分量,可以表示為

    式中,E2是(x′,y′,z′)在坐標(biāo)(0,0,0)處的振幅,且E1=E2,ω1和ω2是束腰半徑(ω1=ω2),

    在G-Lens2端面進(jìn)行光束耦合,耦合系數(shù)η表達(dá)式為[8]

    根據(jù)圖2,對(duì)(x,y,z)和(x′,y′,z′)這兩個(gè)坐標(biāo)變換,變換公式為

    考慮傳輸中角度誤差θ很小(一般θ<0.3°),可以認(rèn)為cosθ≈1。將式(25)~(28)代入式(13)中,可得

    對(duì)于接收端的高斯光束電場(chǎng)復(fù)振幅,當(dāng)z′=0時(shí),將式(20)~(23)代入(21)可得

    由于系統(tǒng)的耦合效率T和插入損耗I可表示為

    結(jié)合式(24)、(29)~(31)可得

    如圖4所示,對(duì)于軸向誤差、徑向誤差和角度誤差分別進(jìn)行表示。根據(jù)式(32)和式(33)推導(dǎo)出這三種誤差條件下引起的插入損耗。

    圖4 兩個(gè)G-Lens軸向誤差、徑向誤差、角度誤差示意圖Fig.4 Separation misalignment,lateral offsets,angular tilt misalignment between two GRIN lenses

    當(dāng)只存在軸向誤差Z0時(shí),角度誤差θ和徑向誤差X0均為0值,其引起的插入損耗Ia可以表示為

    當(dāng)存在徑向誤差X0時(shí),角度誤差θ為0值,軸向誤差仍為Z0,其引起的插入損耗Ib可以表示為

    當(dāng)存在角度誤差θ時(shí),徑向誤差X0為0值,徑向誤差仍為Z0,其引起的插入損耗Ic表示為

    2 仿真分析

    2.1 光纖與G-Lens位置誤差

    首先,將兩個(gè)參數(shù)相同的G-Lens準(zhǔn)直器對(duì)準(zhǔn),如圖5所示,兩個(gè)透鏡間的間距為d,SMF-1和G-Lens1、SMF-2和G-Lens2之間的距離分別為d1、d2,G-Lens相關(guān)參數(shù)如表1所示。

    圖5 兩個(gè)G-Lens準(zhǔn)直器的光線追跡Fig.5 Ray tracing in two G-Lens collimators

    表1 GRIN lens-1和GRIN lens-2的參數(shù)列表Table 1 Parameters of GRIN lens-1 and GRIN lens-2

    由圖5和表1可知,SMF-1、SMF-2與G-Lens的初始距離d1=d2=0.258 mm,兩個(gè)準(zhǔn)直器間的距離為5 mm,在不改變d的條件下,d1從0值以每次0.05 mm遞增至0.45 mm,得到改變d1后的插入損耗變化值,如圖6(a)所示,當(dāng)d1在0.258 mm附近時(shí),系統(tǒng)插入損耗較小,隨著誤差的增大(d1增大或減?。迦霌p耗逐漸增大。本文探究一種補(bǔ)償d1誤差的方法,根據(jù)理論分析可知,試圖改變距離d2,達(dá)到減小系統(tǒng)插入損耗的效果。因此,在不同距離d1處,改變距離d2,得到不同位置處的插入損耗曲線,如圖6(b)所示。由圖6(b)可以看出,改變距離d2在一定程度上影響了系統(tǒng)的插入損耗。d1=d2=0.258 mm并不是系統(tǒng)插入損耗最小的唯一值,在不同距離d1條件下,會(huì)有一個(gè)距離d2與之匹配使得插入損耗減小至0.2 dB左右。為研究低插入損耗下距離d1、d2關(guān)系,給出d1+d2的曲線圖以及d1+d2=0.43和d1+d2=0.53的直線圖,得到圖6(c)。由圖6(c)分析可知,當(dāng)d1與d2之和處于0.43~0.53之間時(shí),可獲得較低的插入損耗。因此,通過(guò)調(diào)節(jié)距離d2,可以彌補(bǔ)d1距離誤差帶來(lái)的影響。這為光纖與G-Lens存在位置誤差提供了一種補(bǔ)償方法,后續(xù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性。

    圖6 不同d1、d2位置處插入損耗曲線Fig.6 Insertion loss curves at different d1 and d2

    2.2 G-Lens間誤差分析及補(bǔ)償方法

    利用表1參數(shù),對(duì)兩個(gè)G-Lens準(zhǔn)直器的軸向誤差、徑向誤差和角度誤差進(jìn)行分析。如圖4(a)和圖5所示,在保證d1與d2不變的情況下,改變距離d,得到軸向誤差對(duì)系統(tǒng)插入損耗的影響,如圖7(a)所示。同樣,如圖4(b)所示,在保證距離d不變的條件下,改變兩個(gè)G-Lens準(zhǔn)直器之間的徑向距離X0,得到圖7(b)所示的徑向誤差對(duì)插入損耗影響的曲線。如圖4(c)所示,在保證距離d不變的條件下,改變兩個(gè)G-Lens準(zhǔn)直器光軸之間的角度關(guān)系θ,得到圖7(c)所示的角度誤差對(duì)插入損耗的影響。

    圖7 不同誤差下插入損耗Fig.7 Insertion loss curves under different errors

    從圖7(a)可知,當(dāng)軸向誤差從0 mm增大至14 mm時(shí),插入損耗增大量約為0.02 dB,由此可見(jiàn)軸向誤差對(duì)插入損耗的影響較小。從圖7(b)可知,當(dāng)徑向誤差從0 mm增大至0.25 mm時(shí),插入損耗增大量約為9 dB,徑向誤差對(duì)插入損耗的影響較大,這是由于在存在徑向誤差的條件下,出射端的G-Lens透鏡的光束并沒(méi)有完全進(jìn)入接收端的G-Lens透鏡。從圖7(c)可知,當(dāng)角度誤差從0°變化至±0.2°時(shí),插入損耗增大量約為6.5 dB,由此可見(jiàn)微小的角度變化對(duì)插入損耗的影響較大。因此,需要更加關(guān)注徑向誤差和角度誤差對(duì)插入損耗的影響。

    位置誤差在加工、裝調(diào)中是無(wú)法避免的,為了降低系統(tǒng)的插入損耗,本文提出了一種運(yùn)用基于楔形棱鏡和平板玻璃的光束指向法,對(duì)傳輸光線調(diào)整,使得更多的光束傳輸至接收光纖中,提升系統(tǒng)的耦合效率,如圖8所示。

    圖8 光束指向法原理示意圖Fig.8 Schematic of the principle of beam steering technology

    光束指向法的原理為通過(guò)旋轉(zhuǎn)兩個(gè)楔形棱鏡實(shí)現(xiàn)光束指向,讓光束可以小角度偏轉(zhuǎn),再通過(guò)平板玻璃對(duì)光束傳播的光軸微調(diào),使得盡可能多的光束通過(guò)接收端的G-Lens耦合至單模光纖中。本文考慮同時(shí)存在徑向誤差X0和角度誤差θ,仿真分析可得優(yōu)化前后的插入損耗的變化曲線,如圖9所示。當(dāng)角度誤差θ分別為0°和0.1°,工作距離為26.5 mm時(shí),插入損耗隨著徑向誤差X0的增大逐漸增大,通過(guò)本文所述的光束指向法調(diào)節(jié)后,可以使插入損耗穩(wěn)定在0.7 dB左右,說(shuō)明了該種方法有效,可以很好解決位置誤差對(duì)插入損耗的影響。需要說(shuō)明的是,本文中運(yùn)用到主要光學(xué)元件如表2所示。

    圖9 優(yōu)化前后插入損耗變化Fig.9 Insertion loss change diagram after optimization

    表2 光束指向法中主要光學(xué)元件Table 2 Main optical components in beam steering technology

    引入多個(gè)光學(xué)調(diào)整元件表面會(huì)引入附加的反射導(dǎo)致插入損耗增大,如圖9所示,優(yōu)化后的插入損耗為0.7 dB,小于無(wú)任何位置誤差時(shí)的插入損耗值0.32 dB。這是因?yàn)闊o(wú)任何誤差下的系統(tǒng)不添加多個(gè)光學(xué)調(diào)整元器件,但這種情況是非常理想的。當(dāng)只存在角度誤差0.1°時(shí),不添加光學(xué)調(diào)整元器件的系統(tǒng)插入損耗為1.84 dB,大于優(yōu)化后的插入損耗。總體來(lái)看,引入楔形棱鏡和平板玻璃后的優(yōu)化對(duì)于存在位置誤差條件下的插入損耗具有明顯提升,并且插入損耗0.7 dB滿(mǎn)足系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

    3 實(shí)驗(yàn)

    實(shí)驗(yàn)步驟示意圖如10(a)所示,LS是激光光源,F(xiàn)AS是高精度光纖對(duì)準(zhǔn)臺(tái),I/R是插損回?fù)p儀,BM是雙目顯微鏡。將單模光纖和G-Lens放置在高精度光纖對(duì)準(zhǔn)臺(tái)上,按照表1中的參數(shù)調(diào)整光纖和G-Lens透鏡位置,調(diào)節(jié)至最佳耦合位置時(shí),測(cè)量波長(zhǎng)為1550 nm時(shí)的插入損耗,此時(shí)可認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)的初始狀態(tài)。由于光纖與透鏡沒(méi)有固定,實(shí)驗(yàn)中高精度光纖對(duì)準(zhǔn)臺(tái)調(diào)節(jié)光纖與透鏡距離時(shí)需要雙目顯微鏡觀察光纖移動(dòng)。

    圖10 實(shí)驗(yàn)方案Fig.10 Experiment scheme

    其次,移動(dòng)單模光纖SMF-1與G-Lens1透鏡端面貼合,通過(guò)高精度光纖對(duì)準(zhǔn)臺(tái)改變SMF-1與G-Lens1之間的距離d1,距離d1從0值以每次0.05 mm遞增直到0.45 mm為止,保持距離d2不變,記錄數(shù)據(jù),與圖6(a)中的數(shù)據(jù)對(duì)比得到圖11,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)相差較小。在以上的基礎(chǔ)上,當(dāng)距離d1改變后改變距離d2,得到優(yōu)化后的插入損耗值。本次實(shí)驗(yàn)選取了距離d1分別位于0、0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm位置處,改變距離d2后觀察插入損耗的變化值,即可得到不同距離d1,d2位置處的插入損耗值,與仿真數(shù)據(jù)相對(duì)比,整理數(shù)據(jù)后得到圖12。

    圖11 插入損耗隨距離d1變化實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比Fig.11 Insertion loss of measurement and simulation with changing d1

    圖12 G-Lens1和G-Lens2在不同位置的插入損耗Fig.12 Insertion loss of G-Lens1 and G-Lens2 at different positions

    最后,將光纖與G-Lens透鏡之間的距離d1、d2通過(guò)高精度光纖對(duì)準(zhǔn)臺(tái)調(diào)整至初始狀態(tài)(即d1=d2=0.258 mm),兩個(gè)G-Lens透鏡之間距離d為5 mm,在此初始狀態(tài)基礎(chǔ)上完成軸向誤差和徑向誤差下的插入損耗實(shí)驗(yàn)。根據(jù)第二節(jié)的要求,將徑向誤差X0從0 mm增大至0.25 mm,得到圖13(a)。在工作距離d為5 mm的基礎(chǔ)上,軸向誤差從0 mm增加至14 mm,得到不同工作距離下的插入損耗值,與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比,得到圖13(b)。

    圖13 軸向誤差和徑向誤差對(duì)插入損耗影響Fig.13 Insertion loss influenced by lateral offsets and separation misalignment

    4 結(jié)論

    本文構(gòu)建了基于光纖旋轉(zhuǎn)連接器的光束傳輸模型,分析了G-Lens和光纖存在的位置誤差以及G-Lens準(zhǔn)直器間的位置誤差對(duì)耦合效率的影響,分析表明G-Lens和光纖存在的位置誤差和G-Lens準(zhǔn)直器間的角度誤差、徑向誤差對(duì)插入損耗的影響較大。利用ZEMAX軟件對(duì)存在不同誤差時(shí)的光纖旋轉(zhuǎn)連接器插入損耗進(jìn)行了仿真分析,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了分析的準(zhǔn)確性。針對(duì)G-Lens和光纖存在的位置誤差,提出了修正光纖與G-Lens位置誤差的方法,當(dāng)G-Lens和光纖間的距離與初始距離差值為0.25 mm時(shí),可以通過(guò)這種方法改善系統(tǒng)插入損耗至0.3 dB以下。針對(duì)G-Lens準(zhǔn)直器間的位置誤差,提出了基于楔形棱鏡和平板玻璃的光束指向調(diào)整法,當(dāng)存在微小角度誤差和徑向誤差時(shí),通過(guò)楔形棱鏡和平板玻璃改變光束位置,使得系統(tǒng)插入損耗降低。本文以存在角度誤差θ=0.1°,徑向誤差X0范圍為-0.25~0.25 mm,利用光束指向調(diào)整法可以使得系統(tǒng)插入損耗降低至0.7 dB左右,較好地彌補(bǔ)了位置誤差對(duì)系統(tǒng)插入損耗的影響。

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