光纤陀螺用光收发组件的 SLD准直系统设计

曹 洁 马迎建 冯丽爽 周 震

(北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院,北京 100191)

光纤陀螺用光收发组件的 SLD准直系统设计

曹 洁 马迎建 冯丽爽 周 震

(北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院,北京 100191)

在光纤陀螺向高精度和小型化的方向发展的背景下,针对光纤陀螺用光收发组件对器件小型化、易集成的特殊要求和超辐射发光二极管 SLD(Super-Luminescent Diode)出射光束的特点,提出利用双焦距双柱透镜准直整形系统对 SLD光束进行准直、整形.根据椭圆高斯光束的特性,利用几何光学法和矩阵光学法,分别对该双柱透镜的重要结构参数(曲率、柱透镜厚度)进行了详细的计算及分析,并且利用矩阵光学法得出系统的光线传输矩阵,对该双柱透镜的结构参数进行优化设计.利用 CODEⅤ光学仿真软件对优化后的系统进行仿真,得出准直整形后光束在 xOz平面和 yOz平面内的发散角仿真值均低于 0.05mrad,且光斑为圆形.

光收发组件;超辐射发光二极管;准直;整形;柱透镜

光收发组件所用的超辐射发光二极管 SLD(Super-Lum inescentDiode)光源具有以下主要特点:①在垂直于结平面方向和平行于结平面方向上的光束发散角不同;②光斑是椭圆形的.

针对光收发组件对器件小型化、易集成的特殊要求和 SLD出射光束的特点,本文所设计的SLD准直整形系统,具有体积小、双焦距、结构一体化的特点.国内、外有许多文献也对 SLD光束的准直系统设计进行了研究[2-3],但是其结构大多是分离的,不易集成,而且体积较大.目前,如何获得高光束质量的准直效果也一直是国际研究的热点和难点,本文利用几何光学法和矩阵光学法,分别对该准直透镜的重要结构参数(曲率、透镜厚度)进行了详细的计算及分析,并且利用矩阵光学法得出系统的光线传输矩阵,对该透镜的结构参数进行优化设计.经仿真后得到了高质量的SLD光束,能很好地提高光收发组件的耦合效率,为提高光收发组件技术指标奠定了重要的基础.

1 双焦距双柱透镜准直整形系统

根据 SLD的主要特点和椭圆高斯光束可以分离为两个垂直平面内独立的一维高斯光束,本方案设计了一个双焦距双柱透镜准直整形系统,分别在两平面内对具有不同发散角的 SLD光束进行准直整形,整体方案设计图如图 1所示.

图1 双焦距双柱透镜准直整形系统示意图

该系统由一个两个端面为两个柱透镜的长方体构成,其结构使得这两个柱透镜能够很好地保证他们的垂直度.图 1中第 1柱透镜主要对 yOz平面方向发散角较大的光束进行准直,第 2柱透镜主要对 xOz平面方向发散角较小的光束进行准直.

2 设计原理

SLD实际输出的光束具有椭圆高斯光束的特点,其长半轴和短半轴随 z变化.ωx(z)和ωy(z)沿光轴(z轴)的传播规律[4]为

式中,ω0x和 ω0y分别为光束在 xOz平面和 yOz平面内的束腰半径;2a为两束腰间的距离.根据ωx(z)和 ωy(z)沿光轴 (z轴 )的传播规律,有可能存在两处圆形光斑的地方,假设两处出现圆形光斑的位置分别为 z1和 z2处,连立等式(1)和式(2)得到一个关于 z的一元二次方程,如式(3)所示:

求解式(3)得呈圆形光斑的位置:

本系统采用的 SLD光源工作波长为1.31μm,取快、慢轴方向上发散角半角分别为15°和 6°,a=44μm,根据高斯光束的远场发散角θB=λ/πω0的定义,可求得光束在 xOz平面和 yOz平面内的束腰半径分别为 ω0x=3.986μm和ω0y=1.594μm.将上述参数值代入式(4),即可得到两处圆形光斑的位置 z1=60.2μm,z2=149.3μm,相应的两处圆形光斑的半径分别为 ω1=7.45μm和 ω2=16.12μm.

3.炒：体现出原料的本身颜色，以自然色和接近自然色为主。严禁使用色素及任何食品添加剂等。青绿、金黄、酱红、枣红等几色能够增进食欲但关键要新鲜。

因此,通过以上分析可以确定出该双柱透镜结构参数的设计方案:①根据 z1和 z2的值确定双柱透镜的放置位置;②根据圆形光斑的大小,确定双柱透镜两个半圆柱透镜的曲率和厚度.

2.1 利用几何法确定结构参数

经过分析可知 z2处更满足放置双柱透镜的要求.几何法的工作原理如图 2所示.得第 1柱透镜的焦距为fy=z2=149.3μm,第2柱透镜的焦距为fx=z2+2a=237.3μm,假设透镜所用材料为普通玻璃,根据透镜的曲率半径与焦距之间的关系,可通过计算后得到这两个半圆柱透镜的曲率半径R1,R2分别为 R1=fy(n-1)=74.65μm,R2=fx(n-1)=118.65μm.

图2 几何分析法工作原理图

2.2 利用矩阵法优化设计结构参数

理论上,基模高斯光束相当于具有复数波面曲率半径的均匀球面波,将描述实数曲率球面波曲率半径 R(z)变换规律的 ABCD法则,应用于复曲率半径的变换,得到如下公式[4]:

因此,根据式(6)得出的结论,可知基模高斯光束经过任何一个透镜系统后的高斯光束参数.

本方案的 yOz平面内的透镜系统见图 3,坐标原点 O设在 yOz平面内的束腰处,光学变换的入射参考面选择在变换前的光束束腰处,光学变换的出射参考面选择在变换后的光束束腰处.

图3 矩阵分析法 yOz平面内工作原理图

图3中,n1表示第 1柱透镜折射率,c1,c2分别表示第 1柱透镜两个面的曲率,zy0表示束腰到第1柱透镜前表面的距离,zy表示第 1柱透镜厚度,zf1表示第 1柱透镜出射光束束腰处,得光线传输矩阵为

根据图 3中的定义可知:R1=∞,R2=∞,ω1=ω0y,ω2=ωy(z2).

可将式(5)、式(6)化简,并将 A,B,C,D的值代入式(5)和式(6),求解方程组,即可求得第 1柱透镜的曲率、厚度值,该方程组的解如图 4所示.

可得方程组的一个解为

因此,R1=59.9μm.

同理,xOz平面内透镜系统如图 5所示.

图5中,n2表示第 2柱透镜折射率,c3,c4分别表示第 2柱透镜两个面的曲率,zx0表示束腰到第2柱透镜前表面的距离,zx表示第 2柱透镜厚度,zf2表示第 2柱透镜出射光束束腰处.得光线传输矩阵为

图4 第1柱透镜的曲率和厚度关系曲线图

图5 矩阵分析法 xOz平面内工作原理图

根据图 5中的定义可知:R1=∞,R2=∞,ω1=ω0x,ω2=ωx(z2),同理 yOz平面内求解方法求解方程组,即可得第 2柱透镜的曲率、厚度值,该方程组的解如图 6所示.可得方程组的一个解为 c4=0.008019μm-1,zx=128.7μm,可得 R2=124.7μm.

图6 第 2柱透镜的曲率和厚度关系曲线图

3 光学仿真软件模拟结果及分析

上述两种计算方法都可实现对双柱透镜参数的分析,表 1为通过计算得到的理论数值对比.

表 1 几何法与矩阵法计算结果对比 μm

由表 1可知,两种分析方法的计算结果相近似,从而互相验证了其结论的正确性.利用矩阵法进行优化设计后,得到了透镜的曲率半径值和厚度值.将这两个柱透镜的结构参数值,使用 CODEⅤ光学仿真软件进行仿真,所得该准直整形系统的光线传输准直特性如图 7所示.

图7 准直整形系统yOz,xOz平面仿真图

准直整形后光束在 xOz平面和 yOz平面内的发散角仿真值均低于 0.05mrad,且具有双焦距.

4 结 论

本双焦距双柱透镜准直整形系统具有体积小、易集成和结构一体化的特点,满足光纤陀螺用光收发组件的应用要求.

文中分别利用几何法和矩阵法确定了该系统柱透镜的结构参数,并利用矩阵法得到该系统的光线传输矩阵,对柱透镜的结构参数进行优化设计.利用 CODEⅤ光学仿真软件对优化后的系统进行仿真分析,得出经该系统准直整形后光束在xOz平面和 yOz平面内的发散角仿真值均低于0.05mrad,且光斑为圆形,验证了双焦距双柱透镜准直整形系统改善 SLD光束质量的准确性和可行性.

References)

[1]张桂才.光纤陀螺原理与技术[M].北京:国防工业出版社,2008 Zhang Guicai.The principles and technologies of fiber-optic gyroscope[M].Beijing:National Defense Industry Press,2008(in Chinese)

[2]张靳,黄磊,王东生,等.光学组合半导体激光器中反射镜调整的矩阵方法[J].激光技术,2006,30(5):548-551 Zhang Jin,Huang Lei,Wang Dongsheng,et al.Matrixmethod of reflector alignment in optical combination sem icondu-ctor lasers[J].Laser Technology,2006,30(5):548-551(in Chinese)

[3]Bonora S.Compact Beam-shaping system for high-power semiconductor laser bars[J].JOptics A:Pure and Applied Optics,2007,9:380-386

[4]阎吉祥.矩阵光学[M].北京:兵器工业出版社,1995 Yan Jixiang.Matrix optics[M].Beijing:Weapon Industry Press,1995(in Chinese)

(编 辑 :张 嵘)

SLD collimation system design for free-space optical transceiver module of fiber optic gyroscope

Cao Jie Ma Yingjian Feng Lishuang Zhou Zhen

(School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

With the development of highly accurate and compact fiberoptic gyroscope,based on the special demands of compactification and integration to the transceiver moduleused in the fiberoptic gyroscope and the characteristic of superluminescentdiode(SLD)beam,an array of asymmetrical cylindrical lens collimation optical system was proposed,which could be used to form collimating and spherical the beam.The collimation optical system was thoroughly studied.The configuration parameters(i.e.curvature,thickness)were minutely calculated using the analytical method of both the geometry and matrix optics.Furthermore,in the use of the analytical method of matrix optics the optical transm is sionmatrixes were deduced to op tim ize the configuration parameters of cylindrical lens.The system was simulated in CODEⅤsoftw are and the conclusion was elicited.Theoretically,the radiation angle of SLD beam can be compressed under 0.05 mrad.

transceivers;super-luminescent diode;collimators;beam shaping;cylind rical lens

TN 248

A

1001-5965(2010)05-0627-04

2009-06-10

曹 洁(1985-),女,江苏无锡人,硕士生,caojie022@tom.com.