光纤准直器的结构与参数
高斯光束和准直器简介
光传输方向
q2
q3
w02
z2
参数说明： q0 – 光纤端面q值；q1 – c-lens平面前表面q值； q2 – c-lens球面后表面q值；q3 –出射光束腰处q值； W01 /w02 – 入/出射光束腰； L – c-lens 的长度； R – c-lens 的曲率半径；n – c-lens的折射率； 取原点在光纤端面，光传输方向为正方向； 准直器的工作距离为2z2。
z
1
2
1
z
2
2 0
Lateral shift misalignment
e
r 0
2
r
Waist mismatch misalignment
41222 12 22
2
光无源器件中高斯光束耦合损耗分析
LOS1 Sl0og
无源器件上。
基模高斯光束的一般表达式
Z轴方向传播的基模高斯光束均可表示为如下的一般形式:
其中,
(r,z) c e2 r(2z)ikz2R r(2z)arczzt0g (z)
k 2
z0
2 0
(z) 0
1
z z0
较少发生 较少发生
Waist mismatch misalignment
TEC器件，如WDIH59,WTIH59
• 各种失配带来的耦合损耗的典型值
Δ(α) = 0.01 degree, W0 = 225um, λ =1.55um
0.0275dB
Δ(z) = 10mm,W0 = 225um, λ = 1.55um Δ (L) = 0.02mm, W0=225um, λ = 1.55um
光纤准直器的内部结构
光纤准直器的内部结构1. 引言光纤准直器是一种用于调整光线方向的光学元件，广泛应用于光通信、激光加工、医疗设备等领域。
它可以将光线从一个光纤引导到另一个光纤，同时保持光线的传输效率。
本文将详细介绍光纤准直器的内部结构，包括光纤对准机构、透镜组件和光纤固定装置等。
2. 光纤对准机构光纤对准机构是光纤准直器的核心组成部分，它主要用于实现光纤的精确对准。
光纤对准机构通常采用微调节机构，包括X轴和Y轴的微动平台、压力调节装置和光纤夹持装置等。
•微动平台：光纤准直器的微动平台用于控制光纤在X轴和Y轴方向的移动。
它通常由两个可调节的平台组成，每个平台上固定有一个光纤夹持装置。
通过微动平台的微调，可以实现光纤的精确对准。
•压力调节装置：压力调节装置用于控制光纤夹持装置对光纤的夹持力度。
合适的夹持力度可以保证光纤的稳定固定，并且不会对光纤造成损伤。
•光纤夹持装置：光纤夹持装置是用于固定光纤的装置，通常采用V型槽结构。
光纤通过夹持装置后，可以在微动平台上进行精确的移动和对准。
3. 透镜组件透镜组件是光纤准直器中的另一个重要部分，它用于调整光线的传输方向和聚焦效果。
透镜组件通常包括凸透镜和凹透镜。
•凸透镜：凸透镜是一种中央厚边薄的透镜，其曲率半径大于透镜厚度。
凸透镜可以将光线向光轴方向聚焦，从而实现光纤之间的光耦合。
•凹透镜：凹透镜是一种中央薄边厚的透镜，其曲率半径小于透镜厚度。
凹透镜可以将光线向光轴方向发散，用于调整光线的传输方向。
透镜组件通常由多个透镜组成，通过调整透镜的位置和焦距，可以实现光纤之间的光耦合和光线的准直。
4. 光纤固定装置光纤固定装置用于固定光纤，保证光纤在光纤准直器中的稳定性和可靠性。
光纤固定装置通常包括光纤固定座、固定螺丝和固定螺母等。
•光纤固定座：光纤固定座是用于固定光纤的座位，通常采用金属材料制成。
光纤通过光纤固定座后，可以在光纤准直器中保持稳定的位置。
•固定螺丝和固定螺母：固定螺丝和固定螺母用于夹紧光纤固定座，保证光纤的稳定固定。
用于远距离测速的光纤准直器研究
用于远距离测速的光纤准直器研究范源;吴慎将;李党娟【摘要】为了在空气炮内弹道测速中提高光纤准直器的工作距离,对光纤准直器结构进行改进,以实现远距离探测.列举了几种常见的准直透镜.从高斯光束原理以及可实现光学探测工作距离的角度出发,在C-LENS透镜原理基础上,提出了直径为16 mm的空气炮弹丸测速装置,并设计了长距离光纤准直器.在ZEMAX软件中对准直器进行仿真,利用优化函数求出透镜最大工作距离,并通过光束质量分析仪检测准直器性能指标.仿真结果进一步验证了准直器的可行性.通过在导轨上进行长距离返回光耦合效率试验,证明了该设计基本满足10～1500 mm的探测要求,为光纤准直器的长距离测量提供了技术参考.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2018(039)009【总页数】4页(P1-4)【关键词】光纤准直器;光束质量分析仪;传感器;透镜;高斯分布;ZEMAX软件仿真【作者】范源;吴慎将;李党娟【作者单位】西安工业大学光电工程学院,陕西西安 710021;西安工业大学光电工程学院,陕西西安 710021;西安工业大学光电工程学院,陕西西安 710021【正文语种】中文【中图分类】TH741;TP270 引言光纤器件被广泛应用于光通信、光纤传感。
在光纤通信及光纤器件生产领域中，光纤准直器作为光纤与光纤耦合的重要器件而备受关注[1-3]。
光纤准直器是光无源器件的一个重要组件，在光通信系统中得到普遍应用。
它是由单模尾纤和透镜组成的，具有插入损耗较低、回波损耗高、光束发散角小、轻巧易组装等特点[4]。
光纤准直器将光纤端部的发散光束平行出射，或者将平行光束汇聚入光纤，以提高光纤系统的耦合效率。
微球透镜具有焦距短、像差小的特点[5]。
当准直器的准直距离要求小于30 mm 时，C-LENS准直器和常用 G-LENS准直器性能接近。
而当准直距离要求大于50 mm时，C-LENS准直器的优势就变得更加突出[6]。
光纤准直器原理
3)而且， q 1 q 0 l ， q 2 q 3 l w /2， q 0 i2w01if 1， q 3 i2w 022if 2。
一 . 模型光纤准直器通过透镜能实现将从发散角较大 (束腰小) 的光束转换为发散角 较小(束腰大)的光束，从而以较低损耗耦合进入其他光学器件。
在这里，我们 将从光纤中的出射光束认为是基模高斯光束；光纤准直器基本模型如下：其中， q i ( i=0,1,2,3 )为高斯光束的 q 参数，q 参数定义为：图 1 中， q i (i=0,1,2,3 )分别表示光纤端面，透镜入射面，透镜出射面，和出 射光束的束腰处的 q 参数，而w 01和 w 02分别表示透镜变换前后的束腰； l 表示光 纤端面与透镜间隔， l w 为准直器的设计工作距离。
二 . 理论分析根据 ABCD 理论，高斯光束 q 参数经透镜变换后，Aq 1 B q2Cq 1 D ，光纤准直器原理曾孝奇11 qz Rz i w 2z ，1)2， w z w 0 12w2)这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小：AD BC w 02 w 012Cl D 2 Cf 1工作距离：2l 2 Al B Cl D ACf 12，（5）l w 22 2 ，（ 5）wCl D 2 Cf 1 2方程（ 5）是关于 l 的二次方程，为使得 l 有实根，方程（ 5）的判别式应该不小 于零，从而我们可以得到：AD BC 2ACf 1，w 2 ，C 2 f 1方程（ 6）表示准直器的工作距离有上限，就是一个最大工作距离 2D l wmax AD BC 2ACf 1 / C 2 f 1 。
此时，我们得到： l f 1 D。
C 分析：不论对于何种透镜， 准直器的出射光斑和工作距离都取决于透镜的传 输矩阵 ABCD ；对于给定的透镜，它们还跟入射光斑大小和光纤端面与透镜间的 距离 l 有关， 也就是说，对于给定的入射光束和给定的透镜， 我们可以通过在透 镜焦距附近改变 l 来实现不同的工作距离。
光纤准直器的分析和比较
文章来源: /schemes/scheme-27.htm在自由空间型的光无源器件（如光隔离器、光环形器、光开关等）中，输入和输出光纤端面必须间隔一定距离，以便在光路中插入一些光学元件，从而实现器件功能。
从光纤输出的高斯光束（实际为近高斯光束，可以高斯光束近似处理），束腰半径较小而发散角较大，两根光纤之间的直接耦合损耗对其间距极其敏感，光纤准直器扮演这样一种功能，将从光纤输出的光准直为腰斑较大而发散角较小的光束，以增加对轴向间距的容差，如图 4 所示，从图 2（c）（d）亦可看出准直器对轴向容差的改善。
光纤准直器的结构和参数光纤准直器的结构参数如图 5 所示，因光纤头端面的 8 度斜角，造成输出光束与准直器轴线存在夹角θ，称为点精度。
图 6 所示为两准直器的理想耦合情况，二者的输出光场完全重合，其间距为准直器的工作距离Zw。
准直器输出高斯光束的束腰距离其端面Zw/2，束腰直径为2ωt，而高斯光束的发散角与其束腰直径成反比关系。
到此我们介绍了光纤准直器的三个主要参数：工作距离、点精度和光斑尺寸。
光纤准直器的设计方法光纤准直器的基本原理是，将光纤端面置于准直透镜的焦点处，使光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤端面位置，得到所需工作距离，因此准直器的工作距离与光纤头和透镜的间距 L相关。
光纤准直器的设计方法是，根据实际需求确定准直器的工作距离，依据高斯光束传输理论，确定光纤头和透镜间距 L并计算光斑尺寸，然后依据光线理论计算准直器的点精度。
具体设计步骤如下：a) 确定所需工作距离Zw；b) 列出从光纤端面至输出光束束腰位置的近轴光线传输矩阵；下面以 Grin-Lens准直器为例：c) 列出输出光束束腰位置的 q 参数；高斯光束的传输可用 q 参数及 ABCD法则来描述，如下图公式所示：一般考虑光纤端面高斯光束的模场半径为ω0且波面曲率半径为R0＝∞，因此光纤端面的q参数为：根据 ABCD法则，输出光束束腰位置的 q 参数为：d) 确定光纤头与透镜间距 L；在输出光束束腰位置，波面曲率半径为R3=∞即 1/q3的实部为 0纵观以上推导过程，q3中只包含一个变量L。
光纤准直器原理
(5)一. 模型光纤准直器通过透镜能实现将从发散角较大（束腰小）的光束转换为发散角较小（束腰 大）的光束，从而以较低损耗耦合进入其他光学器件。
在这里，我们将从光纤中的出射光束 认为是基模高斯光束；光纤准直器基本模型如下：图1光纤准直器原理示意图其中，q i （i=0,1,2,3）为高斯光束的q 参数，q 参数定义为：i i；（i ）q zR z1 2 ?w z丄2 22f“ z 上 w 0R zz， w z Wo .〔 一 ， f7（2）z\ f图1中，qi （i=0,1,2,3）分别表示光纤端面，透镜入射面，透镜出射面，和出射光束的束腰处的q 参数，而w oi 和W 02分别表示透镜变换前后的束腰；I 表示光纤端面与透镜间隔，l w 为 准直器的设计工作距离。
二. 理论分析根据ABCD 理论，高斯光束q 参数经透镜变换后,工作距离:2Al B Cl D ACf i光纤准直器原理曾孝奇q 2Aq iCq i(3)2而且，q i q o 1， q 2 q 3 I w /2，q oi if i ，q 32• W 02i -if 2。
这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小:W 02(4)W oi2 严，Cf i Cl D 2(5)方程（5）是关于I 的二次方程，为使得I 有实根，方程（5）的判别式应该不小于零，从而 我们可以得到：AD BC 2ACf iC 2f i方程（6）表示准直器的工作距离有上限，就是一个最大工作距离 I wmax AD BC 2ACf i /C 2f i o 此时，我们得至U ： I f 1 -。
C分析：不论对于何种透镜，准直器的出射光斑和工作距离都取决于透镜的传输矩阵ABCD ;对于给定的透镜，它们还跟入射光斑大小和光纤端面与透镜间的距离 I 有关，也就 是说，对于给定的入射光束和给定的透镜，我们可以通过在透镜焦距附近改变 I 来实现不同 的工作距离。
在实际制作准直器当中，我们正是通过这种方法来实现不同的工作距离的。
光纤准直器
光纤准直器
光纤准直器 （collimator ）是由尾纤与自聚焦透镜精确定位而成。
它可以将光纤内的传输的光转变成准直光(平行光)，或将外界平行(近似平行)光耦合至单模或者多模光纤内。
特点应用
●低损耗
●低偏振敏感 ●抗环境变化●光纤通信系统 ●局域网
●CATV
●光纤传感器 ●测量仪器
光纤准直器是隔离器和波分复用器等在线光无源器件的基本元件，具有低插损和高回损特性，深圳兴博科技可为客户定制和批量供应各类光纤准直器，先进和高质量的镀膜还能保证准直器可以承受高功率。
性能参数
参数单位数值
工作波长nm1310,1550 or 1310/1550
工作波长范围 nm+/-40
工作距离mm5或者用户指定
典型插损dB0.16
最大插损dB0.2
最小回损dB60
最大PDL dB0.02
可承受拉力N5
光纤类型 SMF-28e或者多模光纤
工作温度 ℃ -5 to +70
储存温度 ℃-40 to +85
结构示意图
实物图。
光纤准直器参数
光纤准直器参数
光纤准直器是一种重要的光学器件，用于将光纤输出的光束准直成一束平行光。
其参数对于保证系统的稳定性和性能具有重要意义。
1. 波长范围：光纤准直器的波长范围是指其可以使用的光波长范围。
不同的准直器有不同的波长范围，需根据实际需求选择。
2. 输出光斑形状：光纤准直器的输出光斑形状应该尽可能接近于一个理想的平行光束，以提高系统的传输效率和稳定性。
3. 插入损耗：插入损耗是指光纤准直器插入系统后引起的光功率损失。
准直器的插入损耗应尽可能小，以保证系统的传输效率。
4. 回波损耗：回波损耗是指光纤准直器对反射光的抑制能力。
准直器的回波损耗应尽可能大，以减少反射光对系统的影响。
5. 机械结构：光纤准直器的机械结构应稳定可靠，能够承受一定的机械应力和热应力，以确保长期使用的稳定性和可靠性。
6. 环境适应性：光纤准直器应能够在一定的温度、湿度、气压等环境下稳定工作，以保证系统的可靠性和稳定性。
7. 兼容性：光纤准直器应能够与各种不同类型的光纤、透镜等光学器件配合使用，以实现系统的集成和优化。
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•光纤准直器是光无源器件中的一个重要的组件，在光通信系统中有着非常普遍的应用。
它是由单模尾纤和准直透镜组成，具有低插入损耗，高回波损耗，工作距离长，宽带宽，高
稳定性，高可靠性，小光束发散角，体积小和重量轻等特点。
可将光纤端面出射的发散光束变换为平行光束，或者将平行光束会聚并高效率耦合入光纤，是制作多种光学器件的基础器件，因此被广泛应用于光束准直，光束耦合，光隔离器，光衰减器，光开关，环行器，
ＭＭ，密集波分复用器ＥＳ之中。
目录
•光纤准直器的装配
光纤准直器的结构与参数
•光纤准直器的结构参数如图5 所示，因光纤头端面的8 度斜角，造成输出光束与准直器轴线存在夹角θ，称为点精度。
图6 所示为两准直器的理想耦合情况，二者的输出光场完全重合，其间距为准直器的工作距离Zw。
准直器输出高斯光束的束腰距离其端面Zw/2，束腰直径为2ωt，而高斯光束的发散角与其束腰直径成反比关系。
到此我们介绍了光纤准直器的三个主要参数：工作距离、点精度和光斑尺寸。
光纤准直器的原理
•光纤准直器的基本原理是，将光纤端面置于准直透镜的焦点处，使光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤端面位置，得到所需工作距离，因此准直器的工作距离与光纤头和透镜的间距L相关。
光纤准直器的设计方法是，根据实际需求确定准直器的工作距离，依据高斯光束传输理论，确定光纤头和透镜间距L并计算光斑尺寸，然后依据光线理论计算准直器的点精度。
光纤准直器的优点
•低插损、高回损、尺寸小
工作距离长、宽带宽
高稳定性、高可靠性
光纤准直器的装配
•(1)采用斜端面插针耦合,可大大提高光纤准直器的回波损耗,当斜面倾角为8°01%增透膜时,光纤准直器的时,光纤准直器的自聚焦透镜后端面镀反射率为0.回波损耗可达
60dB。
采用斜端面插针耦合,主要是为了满足器件高回波损耗的求,角度越大,准直器的回波损耗越大。
但插针的端面角度越大,准直器的插入损耗就会越大(要求是:插入损耗越小越好,回波损耗越大越好),这和准直器要求的低插入损耗矛盾,对于准直器插入损耗而言,透镜和毛细管是垂直端面最为理想。
因此本文采用8°是针对环行器在这种互相制约关系下的一个折中。
视应用场合不同其端面斜角可做成6°、8°、9°、11°或任何角度。
(2)透镜与光纤毛细管端面的间隙也主要是和器件高回波损耗有关,为了达到器件高回
波损耗的要求,其间隙一般大于200μm,当间隙大于200μm,器件的回波损耗值近似达到理论上最大值。
但透镜和毛细管端面的间隙越大,同时会造成准直器的插入损耗增大,这又是一对矛盾,根据准直器图纸的精度要求,其间隙是0.385mm,这同时能满足高回波损耗的距离要求,也能使其插入损耗达到要求。
准直器的插入损耗和回波损耗相比较而言,回波损耗更容易保证,因此在准直器装配时,以其插入损耗为检测依据,就是这个道理。