詳解準(zhǔn)直器工作距離與腰斑的關(guān)系

  ICC訊 三十多年來，光纖通信已取得了長足發(fā)展，光纖以其損耗低、帶寬大、易于升級(jí)擴(kuò)容和成本低的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在傳送網(wǎng)領(lǐng)域取代了電纜，而在接入網(wǎng)領(lǐng)域，隨著FTTC，F(xiàn)FTTB和FTTH工程的實(shí)施，光纖也已成為主要傳輸媒介。

  通常光纖通信系統(tǒng)所用的光源是從激光器發(fā)出的激光光束，其特點(diǎn)是場振幅沿徑向做高斯函數(shù)衰減，具有很好的單色性、方向性以及高強(qiáng)度。根據(jù)光波導(dǎo)理論，激光光束在單模光纖中按基模高斯光束進(jìn)行傳播，因此基模高斯光束在介質(zhì)中的傳播特征是設(shè)計(jì)光通信器件的基礎(chǔ)。隨著光纖通信的迅速發(fā)展，無源器件的需求急劇增加。在光隔離器、光環(huán)形器、光開關(guān)、光衰減器、光波分復(fù)用器等光無源器件的工作過程中，對(duì)高斯光束的準(zhǔn)直性要求非常高，即要求高斯光束的發(fā)散角非常小，從而實(shí)現(xiàn)其在光路中最大效率的傳輸與耦合，使有限的光束能量能得到充分的利用，這樣就引入了光纖準(zhǔn)直器。它的作用是將光纖中出射的發(fā)散光經(jīng)準(zhǔn)直后變成發(fā)散角極小的近似平行光束或者將平行光束會(huì)聚進(jìn)入光纖，以此提高光器件的耦合效率。

  光纖準(zhǔn)直器的基本原理是，將光纖端面置于準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)處，使光束得到準(zhǔn)直，然后在焦點(diǎn)附近輕微調(diào)節(jié)光纖端面位置，得到所需工作距離，因此準(zhǔn)直器的工作距離與光纖頭和透鏡的間距L 相關(guān)。光纖準(zhǔn)直器的作用是將光纖輸出的束腰半徑較小而發(fā)散角較大的近似高斯光束轉(zhuǎn)化為腰斑較大而發(fā)散角較小的光束，以增加對(duì)軸向間距的容差從而提高光纖與光纖之間的耦合效率，這樣可使兩準(zhǔn)直器之間保持較長的距離，可以插入光學(xué)元件以實(shí)現(xiàn)器件性能。如下圖所示：

  工作距離(Working Distance)和腰斑大小(Beam Diameter)是描述準(zhǔn)直器的兩項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，其參數(shù)定義見下圖：

  許多客戶在描述準(zhǔn)直器時(shí)常常給出了工作距離，但光斑大小給一個(gè)很寬松的范圍，甚至沒有光斑大小的定義，如下表這樣：（光斑大小范圍寬松）

  實(shí)際上一般情況下，在準(zhǔn)直器某一個(gè)工作距離對(duì)應(yīng)的位置處，隨著纖鏡距離d1的改變，可以出現(xiàn)兩個(gè)腰斑，一個(gè)腰斑比較大，另一個(gè)腰斑比較小，兩者應(yīng)用也不相同：大腰斑做光束準(zhǔn)直，常用于波分復(fù)用器、隔離器、環(huán)形器等無源器件，小腰斑做光束聚焦，常用于提升激光耦合效率。

  我們以C-lens準(zhǔn)直器為例從理論方面對(duì)此種現(xiàn)象做推導(dǎo)：

  C-lens準(zhǔn)直器的主要組成部分；單纖Pigtail、玻璃管、C-lens，見下圖3：

  單纖Pigtail是將光纖穿入毛細(xì)管中，毛細(xì)管和光纖之間使用膠水完全固化，便于后續(xù)作業(yè)夾持固定。其端面呈8度角，用于提升回波損耗。

  光纖使用Corning Clear Curve XB。

  C-lens左側(cè)端面匹配單纖Pigtail斜面，也是8度角，其與單纖Pigtail保留一定間隙d1，約為C-lens焦點(diǎn)與斜面端距離。選擇市場上常用一款C-lens做計(jì)算，材料為N-SF11，其1550nm處折射率Nc=1.7434，球面端曲率半徑R=1.419mm，軸線長Z=3.0mm。

  空氣折射率N=1

  定義出射高斯光束光腰距離準(zhǔn)直器端面距離為L1，單纖Pigtail與C-lens間距為d1(d1、L1在上圖中表示)。

  基于高斯光束的傳輸特性，用ABCD傳輸矩陣來分析模擬，光束從光纖出射，經(jīng)過空氣間隙d1，C-lens，最終傳輸?shù)骄嚯x準(zhǔn)直器端面L1處對(duì)應(yīng)的矩陣組為：

  光纖出光的高斯參數(shù)設(shè)定為：

  在輸出光束束腰位置，波面曲率半徑趨于無窮大時(shí)，1/q2實(shí)部為0：

  根據(jù)上式，可以推算腰斑位置L1與纖鏡距離d1的關(guān)系式：

  L1確定后，可推算出射腰斑直徑ω與纖鏡距離d1的關(guān)系：

  把兩個(gè)關(guān)系式在一個(gè)圖表上體現(xiàn)，見下圖：

  紅色曲線為束腰位置L1，分為三個(gè)階段：

  階段一：d1處于0.18~0.25mm，隨著d1增加L1在持續(xù)增加，從0上升直至無限接近38mm；

  階段二：d1= 0.25mm，L1達(dá)到峰值38mm；

  階段三：d1處于0.25~1mm，隨著d1增加L1在持續(xù)減小，從38下降到0mm；

  除了L1達(dá)到峰值38mm時(shí)，對(duì)應(yīng)唯一d1=0.25mm，當(dāng)L1介于0~38mm之間時(shí)(不包含38mm)，此時(shí)任一L1值對(duì)應(yīng)兩個(gè)d1值，同時(shí)d1介于0.18~1.0mm時(shí)，光腰大小持續(xù)遞減，即同一個(gè)L1值，有兩個(gè)光腰存在，且d1越大光腰越小。

  以上述準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)，實(shí)際取一組物料，調(diào)試結(jié)果如下：

  當(dāng)纖鏡距離d1=0.19mm，腰斑位置L1=15mm，腰斑直徑W=0.38mm

  當(dāng)纖鏡距離d1=0.63mm，腰斑位置L1=15mm，腰斑直徑W=0.04mm

  通過實(shí)際調(diào)試，再次驗(yàn)證了我們的推論：同一個(gè)工作距離可以存在兩個(gè)大小不同的腰斑。

光斑機(jī)及配套軟件界面（圖5）

  飛宇從事準(zhǔn)直器生產(chǎn)已有十?dāng)?shù)年，在準(zhǔn)直器調(diào)試工序引入了國外進(jìn)口的高精度光斑機(jī)，結(jié)合精密調(diào)節(jié)機(jī)臺(tái)，再加上特有的治具，有效精準(zhǔn)控制準(zhǔn)直器指定工作距離的腰斑大小，可以完全滿足客戶的各種準(zhǔn)直器需求。

  憑借多年的生產(chǎn)技術(shù)積累，飛宇目前可以制造各種類型的準(zhǔn)直器。包括PM/CWDM/DWDM/FWDM準(zhǔn)直器，外徑從1.0mm~10mm，工作距離從0~1000mm,光斑大小從20um~6mm，波長范圍從700~1700nm,以及其他各種定制化準(zhǔn)直器。