基于非球面透镜的光纤耦合系统设计_陈海涛

（ 1． 宜宾学院物理与电子工程学院 ， 四川省高校计算物理重点实验室 四川 宜宾 644000 ； 2． 电子科技大学物理电子学院， 四川 成都 610054 ）
摘
要：有效将激光耦合进单模光纤是自由空间光通信的关键技术 。 为了改善聚焦光束质量 和降低耦合损耗， 首先设计了消球差非球面透镜， 并采用精密光纤支架对耦合光纤进行准确定
激光与红外
No． 1
2013
陈海涛等
基于非球面透镜的光纤耦合系统设计
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光纤耦合器的耦合效率定义为有效耦合进单模 光纤的光功率 P c 与到达接收孔径平面的光功率 P a 之比， 即： Pc （ 1） η= Pa Plancherel 原理， 根据 Parseval该耦合效率也可 ［6 － 7 ］ ： 以表示为 η=
空间光通信中所用的光纤耦合器原理如图 1 所 。 示 平行光束经过焦距为 f 的薄透镜 A 聚焦在接收 孔径平面上 A 点。 单模光纤端面位于透镜焦平面 xOy 上。
图1
激光到单模光纤耦合器
基金项目：国家自然科学基金项目 （ No． 11004024 ） ； 四川省教育 厅基金项目（ No． 10Zc031 ） ； 宜宾学院基金项目（ No． 2010Z07 ） 资助。 作者简介：陈海涛（ 1972 － ） ， 男， 副教授， 硕士， 主要从事激光与 mail： chqcht@ sina． com 通信以及奇点光学研究工作。E0503 收稿日期：2012-
1
引
言
2
光纤耦合系统的耦合效率
作为一种保密性强且使用灵活的高带宽的通信 ［1 － 5 ］ 。 空间光通信引起人们越来越多的关注 方式， 有效将激光耦合进单模光纤是自由空间光通信的关 键技术。这就需要在光纤耦合系统设计和运行中尽 由 可能提高耦合效率和获得理想的信噪比。 但是， 于存在着许多因素影响到光纤耦合的耦合效 ［2 ， 5 ］ 。因此， 将激光耦合进单模光纤最大的挑战 率 就是如 何 优 化 设 计 耦 合 系 统 从 而 有 效 提 高 耦 合 效率。 本文首先对空间光通信中耦合系统耦合效率进 行了讨论， 然后设计了非球面透镜作为系统的耦合 透镜， 并采用精密光纤支架对耦合光纤进行准确定 位使耦合光聚焦在光纤端面上。最后对所设计的光 纤耦合系统的效率进行了实验测量和讨论 。
（ b） 设计的平凸透镜 图2 非球面消球差透镜原理图
4
光纤耦合器的组成及实验测试 要使通过透镜的光束准确聚焦在光纤端面上， 还需要考虑光纤的横向偏移、 轴向偏移和端面偏转 ［8 ］ 。 为了有效减小光纤端面偏 对耦合效率的影响 移或者偏转的影响， 采用四维精密光纤支架， 不仅可 还可以在系统实 以实现对光纤端面进行准确固定， 验或者运 行 过 程 中， 通过一边观察光功率计或者 CCD 显示器， 一边对光纤位置进行四维微调， 以取 。 得最佳的耦合效果 设计制作的光纤耦合器如图 3 （ a） 所示， 单模光纤直径采用纤芯直径 9 μm。 由于 尝试环境的细微变化可能会显著 光纤直径比较小， 影响实验结果， 因此对耦合的测试环境要求比较高。 尽可能保持实验环境的温度不变， 并且将光学系统安 （ 3 （ b ） 所示） ， 装在防震动光学平台上 如图 避免由于 震动而造成聚焦光束不能准确耦合到光纤端面上。
η Δz ≈0 ． 8145exp －
(
λ Δz 8 π2 w 4 0
2
2
)
（ 7）
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（ a） 光纤耦合器
这就是消球差非球面透镜的数学表达式 。对于 实际透镜材料， 选取折射率 n1 = 1 ． 517 ， 透镜的焦距 非球面透镜方程 取作 f = 15 ． 29 mm。 在此情形下， （ 5 ） 可以表示为： y2 = 1 ． 3013 x2 + 15 ． 8097 x （ 6） 从公式（ 6 ） 和图 2 （ b ） 可以看出， 所设计的消球 它的通光孔径为 5． 30 cm， 透镜 差透镜为平凸透镜，
的外径为 6． 50 cm， 透镜的中央厚度为 2． 20 cm。
E* A U A ds 2 E A d s · U A
2
（ a） 非球面透镜光路图
2
ds
（ 2）
E A 接收孔径平面的入射光场； U A 是传播到接 其中， 收孔径平面的光纤本征模。 在平面波入射情形下， ［7 ］ 式（ 2 ） 可以写为 ： 2 2［ 1 － exp（ － β2） ］ （ 3） η= 2 β 其中， β = πR r w0 / （ λf） 为耦合参数； R r 是接受孔径的 半径； w0 为单模激光的光腰半径； λ 为光波长。 由 式（ 3 ） 可见： 耦合效率先是随着 β 的增大而增大， 并 随着 β 在 β = 1 ． 1209 时达到最大值 81 ． 45 % ； 随后， ， 。 的增大 耦合效率反而减小 3 消球差非球面透镜设计 虽然光纤耦合系统的耦合效率理论上可以达到 81． 45% ， 但是实际上由于许多因素的影响， 导致耦 耦合透镜的球差对耦合效率的影 合效率很低。其中， 响不容忽视。透镜球差是光束入射在一般透镜上产 表现为离主光轴不同距离的平行光 生的一种光效应， 并不能严格汇聚于光轴上同一点。不过， 轴的光线， 球差的大小跟透镜的形状有关。因此， 可选用非球面 以此来改 透镜并进行优化设计从而使球差达到最小， 进聚焦光斑的质量， 达到改进耦合效率的目的。 非球面透镜如图 2 （ a） 所示， 透镜的一个表面为 n1 是 透 镜 材 料 的 折 射 非球面另一个表 面 为 平 面， 率。主光轴上一个点光源 O 发出球面光束， 照射到 其中 θ 和 θ' 分别代表入 透镜的前表面并发生折射， y ） 的光 射角和折射角。假定通过球面上任一点 （ x， 等于旁轴光线的光程， 即： 线的光程都相等， f + n1 d = n1 （ d － x ） + 槡 （ f + x ） 2 + y2 对式（ 4 ） 进行整理得： 2 2 y2 = （ n2 1 － 1 ） ·x + 2 （ n1 － 1 ） f ·x （ 4） （ 5）
（ b） 耦合实验装置 图3 光纤耦合器和耦合实验装置
虽然同一个透镜对于不同波长的激光的折射率
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激光与红外
第 43 卷 free space transmission over 1． 2 km using an EDFA preamplifier with 100 GHz channel spacing ［J］ ． Opt Ex2000 ， 7 ： 280 － 284． press，
位使耦合光聚焦在光纤端面上。实验表明， 该耦合系统的耦合效率达到 60% 以上。 关键词：光通信； 耦合效率； 消球差透镜 中图分类号：TN929． 11 文献标识码：A DOI： 10． 3969 / j． issn． 10015078． 2013． 01． 016
Design of optical fiber coupling system with an aspherical lens
第 43 卷
第1 期
激光与红外 LASER ＆ INFRARED
Vol． 43 ， No． 1 January， 2013
2013 年 1 月
5078 （ 2013 ） 01007603 文章编号：1001-
·光学技术·
来自百度文库
基于非球面透镜的光纤耦合系统设计
1， 2 2 2 1 陈海涛 ， 杨华军 ， 黄小平 ， 程晓洪
不同， 例 如 使 用 透 镜 材 料 对 于 波 长 1550 nm 和 632． 8 nm 光 的 折 射 率 分 别 为 1． 500223 和 1． 514664 ，这会导致光束焦点偏移 23 μm。 根据耦 合效率公式
［8 ］
：
［ 2］ M Toyoshima． Maximum fiber coupling efficiency and op-
2 CHEN Haitao1， ， YANG Huajun2 ， HUANG Xiaoping2 ， CHENG Xiaohong1
（ 1． School of Physics and Electrical Engineering， Computational Physics Key Laboratory of Sichuan Province， Yibin University， Yibin 644000 ， China； 2． School of Physical Electronics， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054 ， China） Abstract ： Effectively coupling the coherent laser into singlemode fiber is a key technology for freespace optical comwe analyze how to mitigate the efficiency degradation due to lens spherical aberration and fimunication． In this paper， ber position deviation． Firstly， an aspherical lens was designed to improve the focused spot quality and thereby decrease the coupling loss． Then， a precision fiber holder was adopted to precisely fix the fiber position and make the focal plane of the light coincided with the endface of the fiber． The measured coupling efficiency of 60% is achieved in the experiment． Key words： optical communication； coupling efficiency； aplanatic lens