1、光纖耦合與特性測試一、實驗目的1、了解常用的光源與光纖的耦合方法。2、熟悉光路調(diào)整的基本過程，學習不可見光調(diào)整光路的辦法。3、通過耦合過程熟悉Glens的特性。4、了解1 dB容差的基本含義。5、通過實驗的比較，體會目前光纖耦合技術(shù)的可操作性。二、實驗原理在光纖線路耦合的實施過程中，存在著兩個主要的系統(tǒng)問 題：即如何從各種類型的發(fā)光光源將光功率發(fā)射到一根特定的光 纖中（相對于目前的光源而言），以及如何將光功率從一根光纖 耦合到另外一根光纖中去（相對于目前絕大多數(shù)光纖器件而言）。 對于任一光纖系統(tǒng)而言，主要的目的是為了在最低損耗下，引入 更多能量進入系統(tǒng)。這樣可以使用較低功率的光源，減少成本和

2、增加可靠度，因為光源是不能工作在接近其最大功率狀態(tài)的。光學耦合系統(tǒng)的1dB失調(diào)容差定義為當耦合系統(tǒng)與半導體激 光器之間出現(xiàn)軸向、橫向、側(cè)向和角向偏移，從而使得耦合效率 從最大值下降了 1dB時的位置偏移量。1dB失調(diào)容差對于實用化 的光學耦合系統(tǒng)來說是一個重要的衡量指標.因為任何半導體激 光器組件中都存在如何將耦合系統(tǒng)與半導體激光器芯片相對固 定（封裝）的問題，不論采用何種固定方式，都不可避免地存在由 于封裝技術(shù)不完善及環(huán)境因素變化而造成的位置失調(diào)現(xiàn)象。一個 光學耦合系統(tǒng)具有效大的失調(diào)容差就意味著該系統(tǒng)在封裝時允 許出現(xiàn)較大的位置失調(diào).因而可以來用結(jié)構(gòu)簡單、定位精度不太 高的低成本封裝技術(shù)。光

3、纖系統(tǒng)中，必須考慮光源的輻射空間分布（角分布）、發(fā) 光面積，光纖的數(shù)值孔徑、纖芯尺寸和光纖的折射率剖面等等， 使盡可能多的光能量進入光纖當中。對于耦合系統(tǒng)，通常要求具 有以下幾個特點：大的1dB容差。大的容差是工業(yè)生產(chǎn)的一個基本條件， 容差越大，才可能產(chǎn)量越大，成本越低。弱的光反饋。目前低成本光源一般不配置隔離器，所以 對于耦合系統(tǒng)來說，弱的光反饋意味著光源的穩(wěn)定性的提高。簡單易操作、耦合效率高、穩(wěn)定。通常使用的耦合方式主要有以下幾種：（一）直接耦合：所謂直接耦合就是把一根端面為平面的光纖直接靠近光源 發(fā)光面放置，在光纖一定的情況下，耦合效率與光源種類關(guān)系密 切。如果光源是半導體激光器，因其發(fā)

4、光面積比光纖端面面積小， 只要光源與光纖面靠的足夠近，激光器所發(fā)出的光就能照到光纖 端面上?？紤]到光源光束的發(fā)散角和光纖接收角的不匹配程度， 一般耦合效率不到10%，90%以上都可能浪費了。如果光源是發(fā) 光二極管，則情況更為嚴重。因為發(fā)光二極管的發(fā)散角更大，其 耦合的效率基本上由光纖的收光角決定，即門=P jp = 0.5 （m + 1）以 + （以，2 ） NA 2其中a為光纖的折射率輪廓因子，m為和光源有關(guān)的參數(shù)， 一般 LED，m=1，對于 LD，m=20。例如，NA = 0.14，n5%o（二）透鏡耦合透鏡耦合方法能否提高耦合效率？可能提高，也可能不提 高。這里有一個耦合效率的概念。對

5、于朗伯型光源（例如發(fā)光二 極管），不管中間加什么樣的光學系統(tǒng)，它的耦合效率都不會超 過一個極大值。門=aS f （NA ）/Se其中a為系數(shù)。上式表明，當發(fā)光面積大于光纖接收面積 時，加任何光學系統(tǒng)都沒有用，最大耦合效率可以用直接耦合的 方法得到。當發(fā)光面積小于光纖接收面積時，加上光學系統(tǒng)是有 用的，可以提高耦合效率，而且發(fā)光面積越小，耦合效率提高的 越多，在這種準則下，有如下一些透鏡耦合方式：透鏡光纖和熱擴散光纖光纖端面球透鏡耦合俗稱透鏡光纖，將光纖端面做成一個半球形，例如通過熱、 火焰、研磨、腐蝕、電孤等技術(shù)把光纖端面處理成球面或者近似 球面，使它起到短焦距透鏡作用，端面球透鏡的作用是提高

6、光纖 的等效收光角，因而耦合效率提高了。這種耦合方法對階躍型光 纖效果較好，對折射率梯度光纖則差些。圓錐形和楔型透鏡耦合。將光纖的前端用研磨、腐蝕的方法做成逐漸縮小的圓錐形或 者楔型，或者用燒融拉細的方法做成圓錐形，前端半徑為al，光 纖自身半徑為an。光從前端以。入射進光纖，經(jīng)折射后以W1角 射向界面A點。因界面為斜面，所以W2 （an-al）時，近似有sinw /sinw = a /aSinWnT/ SinWn二an/an-1可以證明，有圓錐時光纖的接收角Oc與平行光纖時的接收 角Oc之間有如下關(guān)系：sinw /sinw = a /aSinOc/ SinOc二 an/al上式表明，有圓錐透

7、鏡的光纖的數(shù)值孔徑是平端光纖的 an/al 倍。熱擴散光纖和倒錐光纖通過高溫熱處理可以把光纖的纖芯做成喇叭狀，這樣可以很 大程度的提高光纖的耦合效率，有興趣的同學可查閱相關(guān)資料 （特別是倒錐光纖的耦合效果非常好）。（三）各種透鏡耦合透鏡耦合利用透鏡成像的原理，把光斑匯集在光纖端面，在數(shù)值孔徑 以內(nèi)的光能量大部分將耦合到光纖中去。這種方法常用的透鏡有 微球、顯微鏡目鏡等透鏡，原理簡單，但可操作性，特別是批量 生產(chǎn)的可操作性變差（同軸封裝性能差），所以目前在生產(chǎn)中逐 漸減少。柱透鏡耦合半導體激光器所發(fā)出的光在空間是不對稱的，在平行于pn 結(jié)方向上光束比較集中（2O約為10-20），在垂直于pn結(jié)方

8、 向上發(fā)散角較大（2 0約為40-60），所以直接耦合時效率不高。 如果設(shè)法使垂直于pn結(jié)方向上的光束壓縮，整個光斑從細長的 橢圓形變?yōu)榻咏鼒A形，然后再與圓形截面的光纖相耦合，這樣耦 合效率都會有很大的提高。利用圓柱透鏡可以達到上述目的。詳細研究表明，當柱透鏡 半徑R與光纖半徑相同，激光器位于光軸上，且鏡面位于z=0.3R 時，可得到最大耦合效率，約為80%。如果激光器的位置在軸向 有偏移，則耦合效率明顯下降。也就是說，這種耦合方式對激光 器、圓柱透鏡及光纖的相對位置的精確性要求很高。glens 和 clens由于透鏡耦合系統(tǒng)需要x、y、方向的精細對準，以保證 光路的同軸性。此外，在Z方向（光

9、纖軸線方向）間距還要適當。 所以這是一個五維精細調(diào)節(jié)和控制問題。這對于非專業(yè)人員去調(diào) 節(jié)是相當困難的。另外，外界的擾動，（如隨機震動）都可能影 響到光入纖的功率。這些都大大的降低了透鏡耦合系統(tǒng)的1dB容 差，使透鏡耦合系統(tǒng)的封裝變得極其困難，一般透鏡耦合系統(tǒng)的 1dB容差僅僅為1-2 um，為了保證封裝后仍然能夠保持低損耗， 這就要求固定透鏡的基座也要有同樣數(shù)量級的加工精度，這就要 求采取特殊的加工手段，限制了透鏡耦合系統(tǒng)的應(yīng)用。glens和clens是目前解決上述問題的重要方案。它的最大 優(yōu)勢在于它批量生產(chǎn)中的可操作性，因為它是一個圓柱形的產(chǎn) 品，可以直接插入一個精度很高的套筒內(nèi)，就可以保證

10、其和光路 很好的同軸，拓展了1 dB容差，使封裝技術(shù)變得相對簡單容易， 耦合過程中使五維的精細調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變成了一維調(diào)節(jié)，大大的降低了 調(diào)整難度，提高了耦合效率。圖 1 glens （左）和 clens （右）glens是直徑13mm，長度幾毫米的小玻璃棒，其折射率沿 徑向分布如下式n(r) = n (1 一 Ar 2 / 2),n0是軸上折射率，A = 2Ala2，A是分數(shù)折射率差，a是芯徑。GRIN棒透鏡可以對光束進行準直或聚焦，此處用0.29節(jié)距 的棒透鏡對發(fā)散的半導體光源實現(xiàn)聚焦，節(jié)距是指光線在梯度折 射率介質(zhì)中沿正弦軌跡運行一周的長度。能夠?qū)崿F(xiàn)準直的為1/4 節(jié)距的GRIN棒透鏡。（四）光

11、纖全息耦合由于光全息片可以將光的波前互相變換，所以可以用來作為 一種光纖耦合器。原則上講，這種耦合方式的耦合效率是非常高 的，但是，由于全息片的衍射效率的影響及衰減損耗，實際耦合 效率與透鏡相比并不優(yōu)越。不過，它的最大優(yōu)點是，可以作為多 功能的光學元件來應(yīng)用。全息耦合的制作方法在這里就不詳述 了，有興趣的同學可查閱相關(guān)資料。五.組合方式把上述提到的方法組合使用，可以大大的提高耦合效率，但 調(diào)整起來相對復雜程度有所增加，有興趣的同學可以查閱相關(guān)資 料。光路調(diào)整的基本思路：這里介紹一下常用光路調(diào)整的基本思路，這個思路是通用 的，不僅僅局限于本實驗。當然這個思路僅僅是一些經(jīng)驗積累， 這樣調(diào)整相對容易

12、方便。（一）確定光軸將光闌放到預計的光軸方向上（導軌上）的不同位置，查看 激光光斑是否始終在同一位置。如果不是，調(diào)節(jié)激光器的高度和 角度，使在導軌各點，光斑的位置基本相同。此時光源平行于預 計的光軸（導軌）。對于不可見光，可以利用上轉(zhuǎn)換片或熱敏紙 輔助確定光軸。（二）調(diào)整光路元器件的光軸與光路“重合”在光源輸出位置加一光闌，然后依次加入光路設(shè)計中的其他 元器件，要求所有元器件的光軸與光路基本重合。方法參照下圖 所示，根據(jù)元件（例如透鏡）反射到光闌的光斑位置，一般如果 將光斑調(diào)整到光闌孔內(nèi)，就認為元件的光軸與光路重合了。需要 注意的是，如果光源沒有隔離器，這個光斑是只能調(diào)整到孔附近， 不能進入孔

13、內(nèi)，因為那樣意味著光被反射到光源內(nèi)，可能造成光 源輸出功率不穩(wěn)定。圖2光路上的元器件調(diào)整同軸的基本示意圖如果是不可見光，元件同軸是按照引入的可見光進行調(diào)整 的。圖3不可見光光路中的元件同軸調(diào)整三、實驗設(shè)計（一）可見LD的光纖耦合（650nm）在確定光軸后，參照上圖所示連接各器件，調(diào)整透鏡與光纖 之間的距離，并且調(diào)整光纖端面的角度，使功率計上的讀數(shù)最大， 并記錄下來。通過實驗分析此耦合系統(tǒng)的1 dB容差（包括橫向位 移和縱向位移的1dB容差）。對比10倍和40倍顯微鏡頭的耦合效率和1dB容差。戚做快光源功宰計10倍40倍位移umX/YZX/YZ（二）紅外激光與光纖的耦合（850nm）確定850n

14、mLD的光軸。利用上轉(zhuǎn)換片，采取前后來回移動光 闌的方法確定850nmLD的出射方向和預定的光軸（導軌）平行。雙波忙光源標記850nmLD的出射方向（即光軸方向）。在光軸的方向上 放置兩個光闌，利用兩點確定一條直線的原理，通過紅外轉(zhuǎn)換片 確保光線經(jīng)過兩個光闌，850nmLD的出射方向（即光軸方向），固定兩個光闌。雙波愴光海ssctirijsft出鯽刀尚融光燦力向）使650nmLD可見光光路和850nmLD的光路重合。利用一個反 射鏡引入650nmLD可見光光路。利用上一步的兩個光闌，調(diào)整 650nmLD和反射鏡，使650nm紅光通過兩個光闌，從而確?？梢?光和不可見光的光路重合。戒波眨光源利用

15、650nm可見光調(diào)整透鏡和光纖。將光闌撤掉，換上透鏡 和光纖固定裝置，通過調(diào)整透鏡和光纖端面使功率計顯示的讀數(shù) 最大。雙成枸此源功翠計850nmLD的光纖耦合。撤掉反射鏡和650nmLD,啟動850nmLD, 調(diào)整光路，使功率計上的讀數(shù)最大（功率計此時換到850nm檔， 且一般只需向后做極小的微調(diào)即可）。調(diào)節(jié)光纖與透鏡之間的縱、橫向距離，實驗分析此耦合系統(tǒng) 的1 dB容差。最后通過記錄表畫出耦合效率趨勢線。（三）光纖與光纖的耦合（同時模擬了光源與準直器耦合）在確定光軸后，參照上圖所示連接各器件，調(diào)整兩個準直器 之間的距離和角度（兩準直器之間的距離約為1cm），使功率計上 的讀數(shù)最大，并記錄下來

16、。通過實驗分析此耦合系統(tǒng)的1dB容差 （包括橫向位移、縱向位移和角度的1 dB容差）。光纖準直器耦合記錄表單位（橫向位移為um，軸向為mm，角度為）橫 -1000750500250Bmd橫 50125Bmd軸 -40302010Bmd100502010500 150 25 0050 700086421軸 1246Bmd角 -1.81.6 -1.4 -1.2 -Bmd角 0.20.6 0.8 0Bmd801234_0.80.60.4 -0.21.2 1.4 1.6 1.8 1四、數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理1、650nm： 10 倍 X/Y-300 -30.36 -200 -31.57 -150 -29.01

17、 -100 -29.47 -80-29.43-50-28.68-30-28.26-10-27.860-27.7710-27.8130-28.3950-29.6280-30.49100-30.24150-28.41200-29.72300-32.052、 650nm： 10 倍 Z-300 -28.02-200 -27.96-150 -27.94-100 -27.9-80-27.89-50-27.87-30-27.86-10-27.840-27.7910-27.8530-27.8750-27.8780-27.88100-27.89150-27.93200-27.95300-28.013、650n

18、m： 40 倍 X/Y-300 -45.76-200 -44.89-150 -45.08-100 -45.52-80-45.39-50-44.12-30-43.49-10-43.370-43.3210-43.3830-43.8850-44.6980-46.67100-47.74150-50.29200-48.87300-55.324、 650nm： 40 倍 Z-300 -43.48-200 -43.45-150 -43.42-100 -43.38-80-43.37-50-43.35-30-43.35-10-43.340-43.3310-43.3430-43.3550-43.3680-43.3

19、8100-43.4150-43.42200-43.45300-43.495、850nm： 10 倍 X/Y-300 -58.62-200 -59.56-150 -60.48-100 -59.96-80-60.32-50-60.11-30-60.18-10-59.70-59.4610-59.5230-59.7450-60.6880-60.72100-60.56150-60.88200-61.46300-61.756： 850nm： 10 倍 Z-300 -59.59-200 -59.56-150 -59.54-100 -59.51-80-59.51-50-59.49-30-59.48-10-59

20、.470-59.4610-59.4730-59.4950-59.4980-59.51100-59.53150-59.54200-59.58300-59.617、850nm： 40 倍 X/Y-300 -65.84-200 -66.01-150 -65.99-100 -65.94-80-65.82-50-65.64-30-65.66-10-65.630-65.2510-65.730-65.7550-65.8580-65.88100-65.94150-66.05200-66.08300-66.12一-票列28、 850nm： 40 倍 Z-300-65.39-200-65.36-150-65.34

21、-100-65.31-80-65.29-50-65.28-30-65.27-10-65.260-65.2510-65.2630-65.2750-65.2780-65.29100-65.3150-65.33200-65.35300-65.49、橫向移動-1000-44.28-750-42.23-500-43.35-300-40.52-200-39.91-100-39.15-50-38.87-20-38.13-10-37.8510-39.2320-40.6850-40.35100-40.87200-41.67300-43.54500-44.79750-47.231000-45.6710、軸向移動-10-46.03-8-45.82-6-43.73-4-44.52-3-44.04-2-43.59-1-43.26-0.6-42.43-0.3-41.870.3-42.450.6-42.53-43.11-44.72-44.74-43.566-44.838-45.6310-46.2511、角向移動