激光与光纤耦合技术

《光纤通信》课程论文
激光与光纤耦合原理与损耗分析
摘要：
本文首先对激光与光纤的耦合方式进行了介绍，对一些耦合方式做了较为详细的分 析，并给出了理论表达式与计算结果。其后对耦合的三种机械损耗进行了分析与计算，并 给出了分析结果。
关键词：
激光 光纤 耦合方式 损耗分析
1 激光与光纤的耦合条件
在激光与光纤耦合时，想要得到较高的耦合效率，即把激光完全耦合进光纤，不但要 求激光束直径要小于光纤的纤芯直径，而且激光束的发散角也要小于光纤的孔径角，满足 激光在光纤中传输的全反射条件。 Dlaser < Dcore θlaser < 2arcsin(NA) Dlaser 和 Dcore 分别为激光光斑直径和纤芯直径, θlaser 为激光发散全角。 (1.1) (1.2)
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2 激光与光纤的耦合方式
按照激光器和光纤之间是否存在其它光学器件，可以将耦合系统分为两种：直接耦合 系统和间接耦合系统。直接耦合包括光纤直接耦合和光纤微透镜直接耦合两种；间接耦合 系统又可分为单透镜耦合系统和透镜组耦合系统。 2.1 直接耦合 这种方式是早期激光光纤耦合的方式，主要用在小功率激光的传输领域。该方式的结 构简单，只需要将激光的光轴与光纤的轴线重合即可，但是这种结构无法保证激光光轴与 光纤轴线的精确对准，并且存在着耦合效率太低的缺点，目前仅在激光的传输领域还有应 用。 1、光纤的直接耦合 光纤直接耦合就是将激光器发出的激光直接照射到平面端面的光纤上进行耦合，如图 2.1 所示。
图 2.5 截顶抛物面微透镜光纤耦合原理图
截顶抛物面微透镜光纤与平端光纤相比，能更为有效地压缩光束的远场发散角， 大幅度的提高耦合效率。此外，截顶抛物面微透镜光纤加工工艺简单，成本低廉，具 有很大的应用前景。 2.2 间接耦合 1、柱透镜耦合 柱透镜可以利用其特殊的结构，可以将在其径向方向上的光线发散角进行有效地压 缩。这种耦合方式主要取决于透镜的尺寸、透镜与激光的距离，同时也与透镜的折射率有 关。在其他条件不变的情况下，透镜半径减小，可是耦合效率增大。这是因为较小的透镜 半径可以使激光束汇聚成较小的模场半径的光束，从而与光纤的模场半径相匹配。 以半导体激光器为例，半导体激光器发出的光在平行于 p-n 结方向的发散角约为 10o ， 垂直于 p-n 结方向的发散角约为 40o 。将柱透镜(通常为一段去掉包层的光纤)沿平行于 p-n 结方向放置于 LD 前，如图 2.6 所示。
(a) 化学腐蚀法加工的圆锥形微透镜
(b)拉丝法加工的圆锥形微透镜 图 2.4 圆锥形微透镜光纤耦合原理图
由图可看出γ2 < γ。如果锥形长度 l >>(an -al)时，则近似地有 :
sin γ n −1 an sin γ 1 a1 sin γ 2 a2 = = = , ...... sin γ 2 a2 sin γ 3 a3 sin γ n an −1
图 2.7 等效接收角与光纤孔径角的关系曲线
柱透镜耦合要求所选用的柱透镜直径要和光纤纤芯直径相当，而且要求激光器、柱透 镜、光纤三者的相对位置要极其精确，才能获得较高的耦合效率。 2、自聚焦透镜耦合 自聚焦透镜是一种与常规透镜不同的小型透镜， 实际上是一段梯度光纤， 故又称 GRIN 透镜。自聚焦透镜的聚光能力是依靠折射率的渐变分布实现的，透镜的焦距由透镜的长度 决定。因此，自聚焦透镜的加工简单，其端面只需研磨成平面，外形尺寸较小，且数值孔
BBP = Dcore arcsin( NA) 2
（1.4）
我们可以利用式(1.1)—(1.4)来对光纤的纤芯直径和数值孔径进行选择，从而实现激光 与光纤的高效藕合，保证较高的光束质量。此外，由于激光器在高泵浦运转时，热效应问 题在所难免，这将导致输出激光光束质量(尤其是发散角)的变化。因此，在选择光纤时要 综合考虑光束质量变化对耦合条件的影响。
（2.6）
自聚焦透镜的焦距 f 为 :
8
f =
1 n0 g sin( gL)
（2.7）
L 为透镜长度， g 为聚焦常数。 当自聚焦光纤长度 L 为四分之一正弦波周期的奇数倍时(正弦波周期 f=1/n0 g，透镜的 聚焦能力最强;当 L 为四分之一正弦波周期的偶数倍时, 自聚焦光纤焦距为无穷大，没有聚 焦作用。 3、组合透镜耦合 最初的组合透镜耦合系统都是由多片常规透镜组合而成，由于进行了消球差和光束整 形设计，可以获得较低的耦合损耗。但其受到光学加工水平的限制，外形尺寸较大，无法 满足微型化的要求。当前的组合透镜一般由微球透镜和自聚焦透镜组合而成。为了进一步 降低耦合损耗，可将自聚焦透镜直接连在光纤端面，构成虚光纤结构。这种结构可以大大 提高 1dB 失调容差，并获得较低的耦合损耗。未加增透膜的情况下，耦合损耗达到 3dB， 加增透膜情况下，达到 2dB。几种典型系统结构如图 2.9 所示。
图 1. 1 光纤耦合的耦合条件
激光束的光束参数乘积（BBP）定义为：
BBP = Dlaser θlaser 4
(1.3)
根据赫姆霍兹不变量，在没有像差和光阑的情况下，对于一束激光来说光束参数乘积 是一个固定值，即光束参数乘积不会因为光学系统的改变而改变。从公式(1.1)、(1.2)、(1.3) 可以推出:
图 2. 9 几种组合透镜式光学耦合系统示意图
(2.2)
圆锥形微透镜光纤的数值孔径和平端光纤数值孔径之间满足下列关系 : sin θ c' sin γ 1 sin γ 1 sin γ 2 sin γ 3 sin γ n −1 = = ...... sin θ c sin γ n sin γ 2 sin γ 3 sin γ 4 sin γ n
图 2.2 球透镜端面光纤耦合
r 和 a 分别为球透镜的半径和光纤芯芯直径，θc 为光纤临界接收角，则可推出球透镜端面 耦合的等效接收角为 :
n a a = θ c n1 sin arc sin( ) + ars sin( 2 ) − arc sin( ) 2r 2r n1
来自百度文库
图 2.8 自聚焦透镜的成像原理图
h 为自聚焦透镜主平面所在位置与光纤端面的距离，
g h = tan( ) / n1 g 2
（2.5）
Ll 和 L2 分别为物和像离两端面的距离，两者满足：
L1 = 1 n0 L2 g cos( gL) + sin( gL) n0 g n0 L2 g sin( gL) + cos( gL)
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径较大，适用于狭小空间。理想情况下，自聚焦透镜的折射率分布是双曲正割型，因而可 以完全消除透镜的球差。 但由于制造工艺的影响， 很难形成理想的双曲正割型折射率分布， 而平端自聚焦透镜的球差仍很严重，会聚光斑较大，采用这种自聚焦透镜的耦合系统的耦 合损耗大于 3dB。作为改进，将前端研磨成球面的平凸自聚焦透镜系统可以提高透镜的数 值孔径，并补偿折射率分布，从而使耦合损耗降低到 2dB。若对前端的形状进行优化，可 以得到 ldB 的耦合损耗。但由于平凸自聚焦透镜系统的优化需要精密的测量手段和复杂的 计算，透镜的光学加工需要小曲率球面的精密研磨，这使制造难度和成本增加，因而不适 用于批量生产。 自聚焦透镜耦合就是首先让激光进入一段自聚焦光纤 (GRIN lens)， 即折射率参数为 2 的梯度型折射率光纤，光束强烈的聚焦后，再耦合进光纤中进行传输。自聚焦光纤的折射 率在径向的分布符合下式 :
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此外，光纤端面的反射，激光器发光面不在光纤的光轴上，光纤端面处理得不平整， 光纤端面和光纤光轴不垂直，激光器发光面距离光纤端面太近所产生的光干涉现象等，都 会影响耦合效率。此外，对于光纤的出射端面，应进行平整处理或将光纤浸入与纤芯折射 率相同的溶液中，以避免在精确测量时所带来的反射损失以及测量误差。 2、光纤微透镜直接耦合 (l)球透镜端面耦合 这种方法是指将光纤端面加工成球面，形成一个微透镜对光束进行耦合，从而增加光 纤的数值孔径角。图 2.2 表示球透镜端面光纤耦合光线传播原理图。
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图 2.6 柱透镜光纤耦合原理图
R 为柱透镜半径， z 为激光器到柱透镜的距离。柱透镜径向方向上的光线经过在柱透镜侧 壁上的两次折射后，被强烈的压缩，满足光纤的数值孔径角，极大地提高了耦合效率。如 通过使用柱透镜将激光与数值孔径为 0.06(孔径角为 2o )的光纤来进行耦合。通过控制柱透 镜半径 R 和激光器到柱透镜的距离 z，来扩大光纤的等效接收角。由图 2.7 柱透镜耦合等 效接收角可看出，当 z/R=0.16 时，发散角在 42o 之内的光束均能耦合进光纤中。
r 2 1 2 2 n( r ) n 1 − ∆( ) n 1− g r = = 1 a 2
(2.4)
其中 r 是径向坐标， a 是光纤纤芯半径， ∆ n 是纤芯中最大和最小折射率的差值。 g= 2∆n / a 称为聚焦常数。图 2.8 为自聚焦透镜的成像原理图。
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=
a an a2 a2 = ...... n a1 a3 an −1 a1
(2.3)
上式说明，圆锥形微透镜光纤的数值孔径比平端光纤增加了 an /a1 倍。 (3)截顶抛物面微透镜耦合 我们知道从抛物面焦点发出的光线经抛物面反射后为平行光。截顶抛物面微透镜正是 应用这一原理，将光纤端面加工成抛物面形状，同时将光纤端面研磨至抛物面焦点之外， 且垂直于光纤轴线来制作而成的。如考虑半导体激光器与截顶抛物面微透镜光纤耦合，将 LD 发光面放置于抛物面焦点处，则光纤折射进光纤后，经抛物面反射，变为平行光，相 当于扩大了光纤的接收角，实现了高效耦合。耦合系统光路图如下 :
图 2.1 半导体激光与光纤直接耦合原理图
影响直接耦合的耦合效率主要因素是 :光纤端面处激光光斑大小和光纤纤芯总面积的 匹配以及激光发散角和光纤孔径角的匹配。例如，将半导体激光器发出的激光耦合进数值 孔径 NA=0.22、纤芯直径为 600μ m 的多模光纤中。根据数值孔径和孔径角的关系，光纤 的孔径角 2θc 约为 250。激光二极管的有源区尺寸约 150μm，小于光纤纤芯面积，满足耦 合条件。而激光二极管的发散角在平行于 p-n 结方向，发散角 2θ ⊥ 约为 40o 左右，在垂直于 p-n 结方向，光源的发散角 2θ ⊥ 约为 10o 左右。根据耦合条件的角度关系，只要合理的放置 激光二极管的位置，其平行于 p-n 结方向的光功率都能耦合进光纤;但对于垂直于 p-n 结方 向的光只有一部分能耦合进光纤。对于大多数固体激光器发 出的激光，其发散角一般都 很小，均小于光纤的数值孔径角，但是光斑却远大于纤芯端面面积，因此需要聚焦光斑。
(2.1)
其中 n1 为光纤纤芯折射率，n2 为光纤包层的折射率。若 r=∞时，式 (2.1)就化简成了
sin = θc
(n
2 1
2 2 − n2 ) ，即平面端面光纤的数值孔径角。图 2.3 为 nl=1.471， n2=1.457 时，利用
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式 (2.1)，对球透镜端面耦合的等效接收角进行计算，求得的光纤参数 a/2r 与等效接收角 θc 的关系，如图 2.3 所示。
图 2.3 球透镜端面耦合中光纤参数与等效接收角关系
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由图可看出，通过控制球透镜半径与光纤纤芯直径的比值，可以明显扩大光纤的等效 数值孔径角。制作光纤端面球透镜时，通常使用火焰烧制法和球透镜粘贴法。前者在制作 时，由于火焰有一定的气流喷射，这将对烧制出的球透镜对称性有较大影响。为此，可以 改用高压电容充放电火花的方法来烧制。后者是将去掉包层且加工好的平面端面光纤放入 较其熔点低、熔融的玻璃中，然后将其拉出，依靠表面张力形成球面透镜。 (2)圆锥形微透镜耦合 圆锥形微透镜耦合就是通过化学腐蚀或者拉丝的方法，将光纤的一段加工成类似圆锥 状来进行激光与光纤的耦合。两种方法加工的光纤外形如图分别为 2.4(a)和(b)。以拉丝的 方法制作的圆锥形光纤为例， 分析其特性。 圆锥形微透镜光纤的前端半径为 al ， 光纤本身(末 端)的半径为 an 。光以θ角入射进光纤，在光纤中的传播路径如图 2.4(b)所示。