光纤传感测量中耦合系统的设计

76J o u r n a l o fM e a s u r e m e n t S c i e n c e a n d I n s t r u m e n t a t i o n V o l.10N o.1,M a r.2019
D e s i g no f c o u p l i n g s y s t e mi n f i b e r o p t i c s e n s i n g m e a s u r e m e n t
Y A N G R u i-f e n g1,2,G A IT i n g1,2,G U OC h e n-x i a1,2,HU C h e n-h a o1,2,L A N G G u o-w e i1,2
(1.S c h o o l o f I n s t r u m e n t a n dE l e c t r o n i c s,N o r t hU n i v e r s i t y o f C h i n a,T a i y u a n030051,C h i n a;
2.A u t o m a t i cT e s tE q u i p m e n t a n dS y s t e m E n g i n e e r i n g R e s e a r c hC e n t e r o f S h a n x iP r o v i n c e,T a i y u a n030051,C h i n a)
A b s t r a c t:A c c o r d i n g t o t h e p r i n c i p l e o f c h o o s i n g t h e l i g h t s o u r c e i n t h e f i b e r o p t i c s e n s i n g m e a s u r e m e n t,s e m i c o n d u c t o r l a s e r i s u s e da s t h e l i g h t s o u r c eo f f i b e ro p t i cs e n s o ra n ds i n g l e-m o d e f i b e r i su s e da s t h e t a i l f i b e ro f l i g h t s o u r c e.
B a s e do no p t i c a l d e s i g n s o f t w a r eZ e m a x s p u r en o n-s e q u e n t i a l c o m p o n e n t s,ac o u p l i n g s y s t e mo f s e m i c o n d u c t o r l a s e ra n ds i n g l e-m o d e f i b e r i s d e s i g n e d.B y a n a l y z i n g t h e b e a mc h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s e m i c o n d u c t o r l a s e r a n d t h e c o u p l e dm o d e t h e o r y o f s e m i c o n d u c t o r l a s e r a n ds i n g l e-m o d e f i b e r,t h e c o m b i n e d l e n s c o n s i s t s o f a b a l l l e n s a n d a c o l l i m a t i n g l e n s f o r t h e p u r p o s e o f i m p r o v i n g t h e c o u p l i n g e f f i c i e n c y a n da d j u s t i n g t o l e r a n c e.T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o wt h a t t h e c o u p l i n g e f f i c i e n c y c a nr e a c ha b o u t78%b y u s i n g o n e m i l l i o n r a y t r a c e s o n n o n-s e q u e n t i a l c o m p o n e n t s,w h i l e t h e e x p e r i m e n t a l t e s t r e s u l t i s69.11%,a c c o r d i n g l y,t h e r e a s o n s f o r t h e d i f f e r e n c eb e t w e e n t h e e x p e r i m e n t a n d t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s a r e a n a l y z e d.
K e y w o r d s:s e m i c o n d u c t o r l a s e r;f i b e r c o u p l e;Z e m a x;c o u p l i n g e f f i c i e n c y
C L Dn u m b e r:T N248.4
D o c u m e n t c o d e:A
A r t i c l e I D:1674-8042(2019)01-0076-05d o i:10.3969/j.i s s n.1674-8042.2019.01.011
0I n t r o d u c t i o n
T h e l i g h t s o u r c e i s a n i m p o r t a n t p a r t o f f i b e r o p t i c s e n s i n g m e a s u r e m e n t s y s t e m.T oa g r e a t e x t e n t,i t s t y p e a n d p e r f o r m a n c e d e t e r m i n e t h e m e a s u r i n g a c c u r a c y o f a s e n s o r s y s t e m.T h e p r i m a r y p r i n c i p l e o f s e l e c t i n g a l i g h t s o u r c e f o r a r e f l e c t i v e i n t e n s i t y m o d u l a t i o n f i b e ro p t i c s e n s o r(R I M-F O S)i s t h a t t h e o u t p u t p o w e r s h o u l db e s t a b l e.I n a d d i t i o n,t h e l i g h t s o u r c e s h o u l d b e e a s i l y c o u p l e d w i t h f i b e r[1].
C o n s i d e r i n g t h e s t r u c t u r e o f t h e R I M-F O S, s e m i c o n d u c t o r l a s e ru s u a l l y i su s e da s l i g h ts o u r c e. T o o b t a i nab e t t e rl a t e r a lr e s o l u t i o n,w e g e n e r a l l y s e l e c ts i n g l e-m o d ef i b e ra st a i lf i b e r.B u tt h ec o r e d i a m e t e r o f s i n g l e-m o d e f i b e r i ss m a l l,t h e r e f o r e t h e c o u p l i n g b e t w e e nl a s e ra n df i b e r p l a y sak e y r o l e i n f i b e r o p t i c s e n s i n g m e a s u r e m e n t s y s t e m.
A t p r e s e n t,s e m i c o n d u c t o r l a s e r a n d f i b e r c o u p l i n g t e c h n o l o g y h a sb e e n d e v e l o p e dt oac e r t a i n m a t u r e s t a g e[2-4].E s p e c i a l l y,i n t h e c o u p l i n g o f s e m i c o n d u c t o rl a s e r w i t h m u l t i-m o d e o p t i c f i b e r, m a n y e f f e c t i v em e t h o d sw i t hh i g hc o u p l i n g e f f i c i e n c y h a v eb e e n p r o p o s e d,s u c h a st h ec o u p l i n g s y s t e m d e s i g n e d b y S h i,e ta l.b a s e d o n Z e m a x,w h o s e e f f i c i e n c y i s a b o u t68%[5];a s e m i c o n d u c t o rl a s e r w i t ht r e n c h s t r u c t u r e p r o p o s e d b y C u i,e ta l.t o s t a b i l i z e t h e c o u p l i n g e f f i c i e n c y a n d r a i s e i t t o
97.7%[6].B u tt h ec o r ed i a m e t e ro fas i n g l e-m o d e
f i b e r i sa p p r o x i m a t e l y e q u a l t ot h ed i m e n s i o no f t h e a c t i v e l a y e r l i
g
h t e m
i t t i n g e n d o f s e m i c o n d u c t o r l a s e r,w i t h m i c r o m e t e rs c a l e.T h e r e f o r e,d i f f e r e n t f r o mt h em u l t i-m o d e f i b e r c o u p l i n g s y s t e m,t h e l a s e r l i g h t-e m i t t i n g f a c e t c a n n o t b e a p p r o x i m a t e d a s a p o i n t s o u r c e[7].T h e m a
j o rf a c t o r sa f f e c t i n g t h ec o u p l i n g e f f i c i e n c y b e t w e e n s e m i c o n d u c t o rl a s e ra n d s i n g l e-m o d e f i b e r i n c l u d em o d e f i e l dm i s m a t c hb e t w e e n l a s e r a n df i b e r,n o n-c i r c u l a rs y m m e t r y o fo u t p u tb e a m, m i s m a t c ho fm o d e-f i e l d-h a l f-w i d t h,F r e s n e l r e f l e c t i o n o ns u r f a c ea n da b e r r a t i o no f t h ec o u p l i n g l e n s[8].A v a r i e t y o fe f f i c i e n tc o u p l i n g m e t h o d sh i t h e r t o h a v e b e e n p r o p o s e d,w h i c hc a nb es u m m e du p i n t ot w o t y p e s:a c o u p l i n g s y s t e mc o m p o s e do f d i s c r e t em i c r o o p t i c a l e l e m e n t so r m i c r o-l e n s e so nt h ef i b e r se n d f a c e[9-11].T h eu l t i m a t ea i m o ft h e s e m e t h o d si st o c o u p l et h e e l l i p t i c a l m o d e f i e l d o fl a s e ri n t o t h e c i r c u l a rm o d ef i e l do fs i n g l e-m o d ef i b e ra s m u c ha s p o s s i b l e.A m o n g t h e s em e t h o d s,t h eb a l l l e n s i s t h e s i m p l e s t t ob ee a s i l y m a n u f a c t u r e db e c a u s ei t so w n
R e c e i v e dd a t e:2018-09-12
F o u n d a t i o n i t e m s:Y o u t h S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y R e s e a r c hF o u n d a t i o n o f S h a n x i P r o v i n c e(N o.2015021104);P r o g r a m s f o r S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y
D e v e l o p m e n t o f S h a n x i P r o v i n c e(N o.201703D121028-2)
C o r r e s p o n d i n g a u t h o r:Y A N G R u i-f e n g(y a n g r u i f e n g@n u c.e d u.c n)
c i r c u l a rs y m m e t r y m a k e si t m u c h e a s i e rt os e tu p
t h a no t h e rl e n s e sa n dt h e nt h e b a l ll e n sc o u p l i n g b e c o m e so n eo f t h e m o s tc o m m o n m e t h o d so fm o d e f i e l d c o u p l i n g b e t w e e n l a s e r a n d s i n g
l e -m o d e f i b e r [12-13]
.T h i s p a p e r p r e s e n t s a c o m b i n e d l e n s c o u p l i n g s y s t e m.A f t e ra d d e dac o l l i m a t i n g l e n st o c o l l i m a t et h el a s e rb e a m ,t h eb a l l l e n sf o c u s e st h e b e a mi n t o a s i n g
l e -m o d e f i b e r .B a s e do nZ e m a x p u r e n o n -s e q u e n t i a lc o m p o n e n t s ,t h ec o u p l i n g e f f i c i e n c y
b y s
i m u l a t i o n c a n r e a c ha b o u t 78%.1 F i b e r c o u p l e dm o d e f i e l d t h e o r y
I nt h e o r y ,t h e m a x i m u m c o u p l i n g e f f i c i e n c i e so f s e m i c o n d u c t o r l a s e r a n ds i n g l e -m o d e f i b e rd e p e n do n t h e i rm o d em a t c h i n g
.T h em o d e f i e l dd i s t r i b u t i o no f s i n g l e -m o d e f i b e r i s c i r c u l a r a n d s y
m m e t r i c a l ,a n d i t s d i s t r i b u t i o n c a n b e d e d u c e d t o b e a G a u s s i a n
d i s t r i b u t i o n u s i n g
e l e c t r o m a g n e t i c t h e o r y [14]
.
T h e r e f o r e ,s i n g
l e -m o d ef i b e r e n d f a c e m o d ef i e l d d i s t r i b u t i o ne x p
r e s s i o n i s ψ
f (x ,y )=2π1
ωf
e x p -x 2+y 2
ω2
f
,(1)ωf =a
(0.65+1.619V -
23+2.879V -6),(2
)w h e r e V =k 0a n 21-n 2
2;ωf i
s t h em o d e f i e l dr a d i u s o f t h es i n g
l e -m o d e f i b e r ;V i s t h en o r m a l i z e dc u t o f f f r e q u e n c y ;n 1i st h ec o r er e f r a c t i v e i n d e x ;n 2i
st h e c l a d d i n g r e f r a c t i v e i n d e x ;a n d k 0i
s t h ew a v e v e c t o r i n t h e v a c u u m. T h e m o d ef i e l dd i s t r i b u t i o no f t h es e m i c o n d u c t o r l a s e ri s m o r ec o m p l i c a t e d a n dc a n b e d i v i d e di n t o n e a r -f i e l dd i s t r i b u t i o na n df a r -f i e l d d i s t r i b u t i o n .I n
t h e d e s i g
n o f s e m i c o n d u c t o r l a s e r s t r u c t u r e ,t h e a s y m m e t r y o f t h ec r o s s -s e c t i o no fs o u r c el a y e r m a y
c a u s e t h e a s y m m e t r y o f f a r -f i e l ds p o t ,s o t h eo u t p
u t b e a mc a nb e a p p r o x i m a t e d a s ab u n d l e o f a s y
m m e t r i c G a u s s i a nb e a m s [15
].A ss h o w ni n F i g .1,t h el i g h t f i e l d o f s e m i c o n d u c t o rl a s e r h a s a n e l l i p t i c a la n d s y m m e t r i c d i s t r i b u t i o n a n d i t s d i v e r g e n c e a n g l e p e r p e n d i c u l a r t o t h e p -n j u n c t i o n p l a n e i s l a r g e r t h a n t h a t p a r a l l e l t o t h e p -n j u n c t i o n p l a n e .
A c c o r d i n g t oe l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y ,t h eo u t p
u t l a s e r b e a mc a nb ea p p
r o x i m a t e da saG a u s s i a nb e a m w i t hab e a m w a i s t p o s i t i o na t t h e l a s e r e n d f a c e ,a n d
t h em o d e f i e l dd i s t r i b u t i o n i s e x p
r e s s e d a s ψ
o (x ,y )=2
π
1ω0x ω0y
e x p -x 2ω20x +y
2ω2
0y ,(
3)ψ
o (x ,y ,z )=2
π
1ωz x ωz y
e x p -x 2ω2z x +y
2
ω2
z y ˑ
e x p -i k z +x 22R z x +y 22R z y
+i 2(φz x +φz y )
,(4)w h e r e ωz x =ω0x
1+
z
f o
x
2
;f
0x =πω2
0x
λ
;R z
x =z +f
2
0x z
.F i g
.1 F a r -f i e l dd i s t r i b u t i o no f s e m i c o n d u c t o r l a s e r E q .(3)r e p
r e s e n t st h e n e a r -f i e l d d i s t r i b u t i o n o f s e m i c o n d u c t o r l a s e r ;ω0x a n d ω0y
r e s p e c t i v e l y r e p
r e s e n tt h e b e a m w a i s t r a d i ii n t h e x a n d y d i r e c t i o n so f t h ec a v i t y .E q .(4)r e p
r e s e n t st h ef a r -f i e l dd i s t r i b u t i o no f s e m i c o n d u c t o r l a s e r ;ωz x a n d ωz y
r e s p e c t i v e l y r e p r e s e n t t h ew a i s t r a d i i i nt h e x a n d y d i r e c t i o n so ft h el i g h ta f t e rt r a n s m i t t i n g z d
i s t a n c e a l o n g t h e z -a x i s ;R z x a n d R z y r
e s p e c t i v e l y r e p r e s e n t t h ew a v e
f r o n t c u r v a t u r e r a d i i o f t h e l i
g
h t
i n t h e x a n d y d i r e c t i o n s a f t e r t r a n s m i t t i n g z d i s t a n c e a l o n g t h e z -a x i s ;φz x a n d φz y r e p r e s e n t t h ea d d i t i o n a l p h a s es h i f t o f t h e l i g
h t i n t h e x a n d y d i r e c t i o n s a f t e r t r a n s m i t t i n g z d i s t a n c e a l o n g t h e z -a x i s ;f 0x
r e p r e s e n t s t h e c o n f o c a l p a r a m e t e r o fG a u s s i a nb e a m ;a n d λr e p r e s e n t st h e w a v e l e n g t h o fs e m i c o n d u c t o r l a s e r . B a s e do nt h e m o d ef i e l dd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n so f
s i n g
l e -m o d e f i b e r a n d s e m i c o n d u c t o r l a s e r ,t h e c o u p l i n g e f f i c i e n c y b e t w e e nf i b e ra n dl a s e rc a n b e o b t a i n e db y c a l c u l a t i n g t h eo v e r l a p i n t e g
r a lo fm o d e f i e l d a s [1
6
]η=ηT ηC =
|∬
ψ*
z ψf
d A |2
ʏ+ɕ-ɕ
ψf ψ*
f
d A ʏ
+ɕ-ɕ
ψz ψ*z
d A
,
(5
)w h e r e ηT i
s t h es y s t e mt r a n s m i s s i o nr a t e ,c a l c u l a t e d a s1.A c t u a l l y ,i nt h ec o u p l i n g p
r o c e s s ,s i n c et h e o p t i c f i b e re n df a c eh a sac e r t a i na n g
l eo rr a d i u so f c u r v a t u r e a f t e r p r o c e s s i n g ,a na n g
u l a r f u n c t i o na n d a c u r v a t u r er a d i u sf u n c t i o n n e e dt o b ea d d e di nt h e c a l c u l a t i o n t o o b t a i n a m o r e a c c u r a t e c a l c u l a t i o n r e s u l t .
7
7 Y A N G R u i -f e n g ,e t a l ./D e s i g no f c o u p l i n g s y s t e mi n f i b e r o p t i c s e n s i n g m
e a s u r e m e n t
2 C o u p l i n g s y s t e md e s i g
n A c c o r d i n g t of i b e r -c o u p l e d m o d e f i e l dt h e o r y ,t h e c o u p l i n g b e t w e e n s e m i c o n d u c t o rl a s e r a n d s i n g l e -m o d e f i b e r i sa ne s s e n t i a lm o d e f i e l d m a t c h i n g .D u e t o t h e e l l i p t i c a lG a u s s i a nd i s t r i b u t i o no f t h e o u t g o i n g
l a s e r f i e l do ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e r ,i ft h ed i r e c t
c o u p l i n g m e t h o
d i s a d o p
t e d ,t h em o d e f i e l dm i s m a t c h b e t w e e nt h e m w i l ll e a dt oo n l y a
b o u t10%o ft h e
c o u p l i n g e f f i c i e n c y .T h e r e f o r e ,t h eo u t p u t l i g
h t f i e l d o f t h e s e m i c o n d u c t o r l a s e r s h o u l db e s h a p
e d t om a t c h t h e m o d e
f i e l d o ft h es i n g
l e -m o d ef i b e r ,s oa st o r e d u c e t h el o s sc a u s e db y t h ec o u p l i n g b e t w e e nt h e l a s e r a n d t h e o p t i c f i b e r . O p t i c f i b e r a n d s e m i c o n d u c t o r l a s e r c o u p l i n g t e c h n o l o g y c a n b e d i v i d e d i n t o t h r e e c a t e g
o r i e s a c c o r d i n g t o t h e s t r u c t u r e s :s i n g l e -l e n s c o u p l i n g
,c o m b i n a t i o n l e n sc o u p l i n g a n do p t i c f i b e rm i c r o -l e n s c o u p l i n g .D u et ot h el i m i t a t i o n o ft h e s i n g
l e -l e n s o p t i c c h a r a c t e r i s t i c s ,t h e s i n g l e -l e n s c o u p l i n g m e t h o d i ss i m p l e i ns t r u c t u r e ,b u t i th a sar e l a t i v e l y s
m a l l t o l e r a n c ea n di sd i f f i c u l tt o b ec a l i b r a t e d .F o rt h e
c o u p l i n g m e t h o
d o f o p
t i c f i b e r m i c r o -l e n s ,i ti s r e l a t i v e l y d
i f f i c u l tt o b e p r o c e s s e d .T h e r e f o r e ,t h e c o m b i n a t i o n l e n s c o u p l i n g m e t h o d i s a d o p t e d t o i m p r o v et h e c o u p l i n g e f f i c i e n c y a n d t o a d j u s tt h e t o l e r a n c e .S e m i c o n d u c t o r l a s e r a n ds i n g l e -m o d e f i b e r c o u p l i n g s c h e m a t i c i s s h o w n i nF i g
.2
.F i g .2 P r i n c i p l e o f c o u p l i n g s y
s t e m T h eo p t i c a ld e s i g
ns o f t w a r eZ e m a x w a su s e dt o s i m u l a t et h ec o u p l i n g s y s t e m.A s s u m i n g t h a tb o t h t h ef a s ta n dt h es l o w a x i sd i v e r g e n c ea n g l e sr e a c h t h e i r m a x i m u m ,t h e s p
e c i
f i c p a r a m e t e r s o f t h e s i m u l a t i o na r ea sf o l l o w s :t h ec e n t e rw a v e l e n g
t ho f t h es e m i c o n d u c t o rl a s e ri s1550μm ,t h e p o w e ri s 1W ,t h e d i v e r g e n c e a n g l e o f t h e f a s t a x i s (p e r p e n d i c u l a r t o t h e j u n c t i o n p l a n e )i s l e s s t h a n 35ʎ,t h e d i v e r g e n c e a n g l e o f t h e s l o wa x i s (p
a r a l l e l t o t h e j
u n c t i o n p l a n e )i s l e s s t h a n18ʎ,t h e f i b e rm o d e f i e l d d i a m e t e r i s9μm a n dt h ee f f e c t i v e g r o u p r e f r a c t i v e i n d e x i s 1.467.T h e3Dl a y o u t o f c o u p l i n g s y s t e mi s s h o w n i nF i g
.3
.F i g .3 3Dl a y o u t o f c o u p l i n g s y s t e md e s i g
n T h e c o u p l i n g s y s t e mc o n s i s t so f ac o l l i m a t i n g l
e n s a n d a b a l ll e n s .T h e s e m i c o n d u c t o r l a s e r e m i t s
c o l l i m a t e
d l i g h t t h r o u g ha c o l l i m a t i n g l
e n s ,a n d t h e n t h e l i g h t i s
f o c u s e d i n t o a s i n
g l e -m o d e f i b e r t
h r o u g
h a b a l l l e n s .T h e l e n s e s a r em a d eo fB K 7m a t e r i a l ,a n d
e a c h g l a s s i s c o a t e dw i t ha n t i -r e
f l e c t i v e c o a t i n
g .T
h e d e f a u l tf
i b e r c l a d d i n g p r o p e r t y i s a b s o r b .T h e d e t e c t o r i s p l a c e da t t h ee n do f t h eo p t i cf i b e rw i t h z =5μmf r o mt h ee x i t e n do f t h e l i g h t s o u r c e .T h e s i z eo f t h e d e t e c t o r i s 10μmˑ10μma n d t h e p r o p e r t y
i s a b s o r b .B y Z e m a xn o n -s e q u e n t i a lr a y t r a c i n g
,t h e c o r r e s p o n d i n g s p o tm a p s i n t h e t w od e t e c t o r s a r e s h o w n i nF i g s .4a n d 5,r e s p e c t i v e l y
.F i g .4 S p o tm a p o
f d e t e c t o r
1F i g .5 S p o tm a p o
f d e t e c t o r 2 I t c a nb e s e e n f r o mF i
g s .4a n d 5t
h a t t h e e x
i t s p
o t o f t h es e m i c o n d u c t o r l a s e rh a sa ne l l i p t i c a lG a u s s i a n d i s t r i b u t i o nw i t ha l i g h t s o u r c e e n e r g y o f 0.998Wa t 8
7J o u r n a l o fM e a s u r e m e n t S c i e n c e a n d I n s t r u m e n t a t i o n
V o l .10N o .1,M a r .2019
s o u r c e.W h e n t h e o u t p u t b e a m o f t h e c o u p l i n g s y s t e me n t e r st h eo p t i cf i b e r,t h ee n e r g yg a i n e db y t h e d e t e c t o r i s0.784W.T h es p o t a r e a i so b v i o u s l y r e d u c e d a n d t h e d i s t r i b u t i o n i s c i r c u l a r l y s y m m e t r i c a l,w h i c h m a t c h e st h e m o d ef i e l d o ft h e s i n g l e-m o d ef i b e r.T h ec o u p l i n g e f f i c i e n c y o b t a i n e d b y t h ef i b e rc o u p l i n g f o r m u l ai s78.4%.A st h e d i v e r g e n c e a n g l eo f t h ea c t u a lv a l u e i s l e s s t h a nt h e d e s i g n v a l u e,s o t h e s y s t e m c o u p l i n g e f f i c i e n c y s h o u l db e g r e a t e r t h a n78.4%.3A n a l y s i s o f e x p e r i m e n t a l r e s u l t s
W h e nt h e w o r k i n g c u r r e n to ft h es e m i c o n d u c t o r l a s e ri sc h a n g e d a tr o o m t e m p e r a t u r e,t h e o u t p u t l i g h t p o w e r s o f t h e l a s e r b e f o r e a n da f t e r s h a p i n g a r e m e a s u r e d,s o d o e st h e o u t p u tl i g h t p o w e r o ft h e t r a n s m i s s i o n f i b e r c o u p l e dw i t ht h e l a s e r.A c c o r d i n g t ot h e s et e s td a t a,t h ec o u p l i n g e f f i c i e n c y c a n b e c a l c u l a t e d,a s s h o w n i nT a b l e1.
T a b l e1O u t p u t p o w e r s o f s e m i c o n d u c t o r l a s e r b e f o r e a n da f t e r c o u p l i n g a n d c o u p l i n g e f f i c i e n c y a t d i f f e r e n tw o r k i n g c u r r e n t s
W o r k i n g c u r r e n t
(m A)P r e-s h a p i n gp o w e r
(mW)
S h a p e d p o w e r
(mW)
F i b e r o u t p u t p o w e r
(mW)
C o u p l i n g e f f i c i e n c y
(%)
O v e r a l l c o u p l i n g
e f f i c i e n c y(%)
102.311.741.6175.3269.70 204.553.393.1374.5168.79 306.725.024.5974.7068.30 408.916.686.2474.9770.03 5010.908.217.5975.3269.63 6012.979.718.9374.8768.85 61.813.269.849.0874.2168.48
I t c a n b e f o u n d f r o m T a b l e1t h a t w h e n t h e w o r k i n g c u r r e n t r e a c h e s a m a x i m u m v a l u e o f 61.8m A,t h ea c t u a lo u t p u t p o w e ra f t e rc o u p l i n g i s 9.08mW,a n dt h eo v e r a l l c o u p l i n g e f f i c i e n c y i s68. 48%.F i g.6s h o w s t h e s e m i c o n d u c t o r l a s e r P-I c u r v e a n d o v e r a l l c o u p l i n g e f f i c i e n c y c u r v e f r o m a n e x p e r i m e n t a l t e s t .
F i g.6S e m i c o n d u c t o rl a s e r P-I c u r v ea n do v e r a l lc o u p l i n g e f f i c i e n c y c u r v e f r o ma n e x p e r i m e n t a l t e s t
T h e o v e r a l l c o u p l i n g e f f i c i e n c y i s m o r e t h a n 68.30%i n t h e a c t u a l t e s t,b u t t h e c o u p l i n g e f f i c i e n c y o ft h et h e o r e t i c a ls i m u l a t i o ni s78.4%.T h e r ei s c e r t a i na g a p b e t w e e nt h es i m u l a t i o nv a l u ea n dt h e
a c t u a l v a l u e.T h em a i ne r r o r s a r e a s f o l l o w s:
1)O p t i c f i b e re r r o r.T h e p r o p a g a t i o nl o s so f t h e
b e a mi n t h eo p t i
c f i b e r i sn o t c o n s i
d
e r e dw h e nu s i n g Z e m a x
f o r s i m u l a t i o n.T h e f i b e r u s e d i n t h e e x p e r i m e n th a sac e r t a i nt r a n s m i t t a n c e,w i t h i nt h e r a n
g eo f90%-99%.T
h e r e f o r e,s o m eo f t h e l
i g h t e n e r g y w i l l b e l o s t d u r i n g t h e a c t u a l t r a n s m i s s i o n.
2)C o u p l i n g e r r o r.T h e r e a r em a n y o p t i c a l s u r f a c e s
i n t h ee x p e r i m e n t,a n dt h e p r o c e s s i n g e r r o ra n dt h e r e l a t i v e p o s i t i o ne r r o rb e t w e e ne a c ho p t i c a le l e m e n t w i l l r e d u c e t h e c o u p l i n g e f f i c i e n c y.
3)S h a p i n g e r r o r.D u et ot h e d e v i a t i o n o ft h e s h a p i n g a n da d j u s t m e n to ft h es h a p i n g d e v i c e,t h e q u a l i t y o f t h es h a p e db e a m h a ss o m ed i f f e r e n c e st o t h et h e o r e t i c a ls i m u l a t i o n.F o re x a m p l e,t h eb e a m d i v e r g e n c ea n g l e m a y b e s l i g h t l y l a r g e rt h a n t h e s i m u l a t i o n v a l u e,t h u st h i s w i l la f f e c tt h e a c t u a l c o u p l i n g e f f i c i e n c y.
4C o n c l u s i o n
A i m i n g a t t h e p r o b l e m o f l i g h t s o u r c ec o u p l i n g i n f i b e r o p t i c s e n s i n g m e a s u r e m e n t,t h i s p a p e r e s t a b l i s h e st h ec o u p l e d m o d ef i e l dt h e o r y m o d e lo f s e m i c o n d u c t o r l a s e r a n ds i n g l e-m o d e f i b e r,d e s i g n s a c o u p l i n g s y s t e m t o i m p r o v e c o u p l i n g e f f i c i e n c y, a d j u s t t o l e r a n c e,a n dr e d u c e t h e l o s so f l i g h ts o u r c e p o w e ri n f i b e r o p t i c s e n s i n g m e a s u r e m e n t.T h e s y s t e m u s e s a c o m b i n a t i o n l e n s c o n s i s t i n g o f a c o l l i m a t i n g l e n s a n d a b a l l l e n s.A n db a s e d o nZ e m a x p u r en o n-s e q u e n c e,t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ec o u p l i n g e f f i c i e n c y c a nr e a c h a b o u t78%.T h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h eo v e r a l la v e r a g e c o u p l i n g e f f i c i e n c y i s69.11%.T h i si sb e c a u s et h e o p t i c a l f i b e r t r a n s m i s s i o n l o s s a n d t h e e r r o r c a u s e d i n t h e p r o c e s s o fe n c a p s u l a t i o n w i l l m a k et h e a c t u a l c o u p l i n g e f f i c i e n c y d e v i a t e f r o mt h e t h e o r e t i c a l d e s i g n v a l u e.
97
Y A N G R u i-f e n g,e t a l./D e s i g no f c o u p l i n g s y s t e mi n f i b e r o p t i c s e n s i n g m e a s u r e m e n t
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光纤传感测量中耦合系统的设计
杨瑞峰1,2,盖婷1,2,郭晨霞1,2,胡晨昊1,2,郎国伟1,2
(1.中北大学仪器与电子学院,山西太原030051;
2.山西省自动化检测设备与系统工程技术研究中心,山西太原030051)
摘要:根据光纤传感测量中光源的选取原则,将半导体激光器作为光纤传感器的光源并选取单模光纤作
为尾纤,基于光学设计软件Z e m a x纯非序列光学系统,设计了一种半导体激光器与单模光纤的耦合系统㊂
通过分析半导体激光器的光束特性及半导体激光器与单模光纤的耦合模场理论,由一个球透镜和一个准直
透镜构成组合透镜耦合方式,达到提高耦合效率和容忍度的目的㊂设计时在非序列光学系统下进行了百万
次光线追迹,仿真得到所设计系统的耦合效率为78%左右,而实验测试结果为69.11%,由此对误差产生的
原因进行了分析㊂
关键词:半导体激光器;光纤耦合;Z e m a x;耦合效率
引用格式: Y A N G R u i-f e n g,G A IT i n g,G U O C h e n-x i a,e ta l.D e s i g no fc o u p l i n g s y s t e mi nf i b e ro p t i c s e n s i n g m e a s u r e m e n t.J o u r n a l o fM e a s u r e m e n tS c i e n c ea n dI n s t r u m e n t a t i o n,2019,10(1):76-
80.[d o i:10.3969/j.i s s n.1674-8042.2019.01.011]
08J o u r n a l o fM e a s u r e m e n t S c i e n c e a n d I n s t r u m e n t a t i o n V o l.10N o.1,M a r.2019。