用于远距离测速的光纤准直器研究

范 源，吴慎将，李党娟

(西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021)

0 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]。如文献[7]将GRIN LENS准直透镜主要用于光纤元器件例如隔离器、环形器中，工作距离最长达30 mm；文献[8]～文献[9]采用改进型的C-LENS，通过调节透镜焦距的大小来改变工作距离，可实现1 m以内的探测[7-9]。综合上述，有两种探测更长距离的方法：一是在C-LENS的基础上加大口径,以改变工作长度;二是多透镜的耦合，实现长距离探测。本课题使用的是第一种方法。单透镜结构简单、轻便灵巧，易满足2 m范围内对光信号的接收。

1 光纤准直系统工作原理

光纤准直器是在高斯光束传输理论的基础上发展起来的。其原理是：光在传输到一定距离范围时近似平行传输，距离越远，光束发散越大。光纤准直器通过压缩发散角实现光的准直平行出射。目前的光纤准直器口径小，模式匹配难度大，工作距离较近。当远距离探测时，返回光束耦合效率很低。要扩大准直距离，就要扩大准直镜口径、降低传输的能量损耗、提高与光纤的匹配系数。在高斯光束中，其传输的最大平行范围定义为束腰半径。该值大小与光斑大小有关，且反比于光源发散角。所以必须代入透镜参数，利用几何法来计算长距离准直系统的工作距离。

图1 高斯光束场振幅分布图

高斯光束宽度沿z轴的强度变化如图2所示。

图2 高斯光束宽度沿z轴强度变化图

光斑半径随z轴的变化规律为：

(1)

在激光应用中，高斯光束总要通过各种光学元件。只要光学元件的数值孔径半径大于1.5倍光纤数值孔径，即可保证高斯光束的绝大部分功率能够有效透过。

根据透镜的参数，采用几何光学的方法计算该准直器的束腰半径和所需的工作距离。具体设计步骤如下。

准直器的最大工作距离与高斯光束的共焦参数息息相关。该参数与束腰半径成正比，与波长成反比。

要扩大光斑尺寸，则需要选择大口径透镜。根据瑞利长度可知，定义瑞丽长度的2倍(即准直透镜出射面到束腰位置处的长度)为准直器的工作距离Zmax，则：

(2)

通过调节光纤端面与平凸透镜的平面端的后截距,在束腰位置得到合适的光斑。通过瑞利长度公式，求出准直器的工作距离。

2 光纤准直器的整体设计

本文设计的光纤准直系统分为四个部分：光纤头、ZEMAX准直透镜、金属管、外套管。长距离光纤准直器结构如图3所示。

图3 长距离光纤准直器结构图

2.1 光纤头

光纤头采用美国康宁公司生产的SMF-28TM单模光纤。其规格为9 μm/125 μm ,保护套Ø3 mm。

2.2 ZEMAX准直透镜仿真

光纤准直器出射光束具有一个较小的发散角,近似于准平行光束。本文根据实际所需的工作距离，通过建模，验证单模光纤准直器在ZEMAX中能够实现的2 m范围内的准直。采用Thorlabs公司的平凸准直透镜(材料为N-BK7，直径为Ø16 mm，焦距f=25 mm，数值孔径NA=0.12)进行建模仿真。在序列模式下,输入透镜参数,中心波长选择1 550 nm,优化函数选择RMS+Wavefront,对透镜工作距离进行优化。优化结果表明，模拟的光线弥散光斑都在规定的圈内。从点列图也可以看出，光传输方向的三个传输位置处的截面圆斑半径，即在束腰位置1.1 m处的光斑大小；束腰半径为850 μm左右。

2.3 金属管

金属管用来固定光学透镜，采用ND353胶把透镜固定在玻璃管。金属管结构如图4 所示。

图4 金属管结构图

2.4 外套管

外套管主要用于防止ND353胶流入光路，污染光纤头。所以外套管设计成台阶的结构，能够确保胶体在光路里不会流到通光孔径而挥发。上端口有螺纹孔，用来调节光纤头与透镜之间的距离，以获取光束准直出射;采用光学仪器特种细牙螺纹，螺距是0.5 mm，通过透镜的金属管两端的两个卡槽来固定旋转调节光纤头与透镜之间的距离，旋转一圈为一个螺距，保证光纤头位于透镜一倍焦距处，达到平行出射的目的。

3 光纤与透镜的装配耦合

光纤准直器的装配主要有预装、调节、套管、测试四个步骤。

3.1 预装

预装分为透镜预装、透镜点胶、透镜烘烤三个环节。该环节需要透镜、光纤头、紫外光光源、紫外光防护罩、指镊、烤箱、点胶棒、透镜夹具、胶带架、棉签、无尘纸、酒精、UV305胶、ND353胶、光功率计等。

①透镜预装。首先，检查镜面，使用仪器显微镜，去除镜面污迹；其次，使用酒精棉，擦洗透镜。

②透镜点胶。洗净透镜，将玻璃管套入透镜，在透镜长度的三分之二处进行点胶；活动透镜，旋转至透镜漏出玻璃管1.2 mm附近；此时，在交界处用UV紫外胶点胶(UV305)，用紫外光照射20 s以上。

③透镜烘烤。将预装好的透镜和玻璃管放置在烘烤箱中的烤架上，竖直放置，平端面朝上；按照恒温箱烘烤表进行温度设定；固化3 h后，从烤箱中取出准直器，在显微镜下仔细检查是否进胶。

3.2 调节

插入损耗检测如图5所示。

图5 插入损耗检测图

将带尾纤的光纤头接入外套管，同时在接口处点入353ND胶，静置一段时间方可固定。将预装好尾纤的准直器固定在调整架上进行调整，将平面镜放在距离准直器的最远端(A)和最近端(B)处，并且在A、B两点都将数值调节到最小值为止。数值要求：A、B两点的插入损耗差值小于0.2 dB。

调整后参数满足要求，将尾纤拉出距斜面三分之一的位置，点353ND胶；再将尾纤推入玻璃圆管中，用干棉签将溢出的胶擦拭干净进行调节，直到将在A、B两点上的插损调到原数值为止；在尾纤和玻璃圆管交接处涂一圈UV305胶，并用紫外光照射固化；最后将装配好的准直器悬挂在夹具上放入烤箱。

3.3 套管

①对预装好的准直器点胶。在洗净的准直器玻璃圆管上靠近自聚焦透镜的一边，均匀地涂抹一圈ND353胶。将金属镀金管从透镜端旋转进入，确保ND353胶均匀涂抹在镀金管和玻璃管之间，并使镀金管和玻璃管的前端平齐。将溢出的353ND胶用棉签擦拭干净。

②对金属镀金管点胶。在显微镜下仔细检查测试好的准直器是否有进胶的情况。将353ND胶均匀涂抹在清洁好的金属镀金管内。将涂好胶的金属镀金管置于85 ℃的热盘上加热2 min。

③将套好管的准直器直角平面向上悬挂在点胶架上放入烤箱，在85 ℃下烘烤1 h。

需要注意的是：准直器装配时，将透镜插入玻璃套管的内孔并通过胶水连接、固定，透镜与玻璃套管之间应保留合理的间隙，以保证透镜的正常插入以及胶水对透镜和玻璃套管的正常连接固化。如果间隙过小，会造成透镜插入困难、胶水难以进入透镜和玻璃套管或进入量少，从而无法起到连接固定作用；而在温度变化的情况下，因透镜和玻璃套管膨胀收缩不一致，容易导致相互挤压，从而造成产品开裂。为了避免此问题，对组合透镜进行重新设计，根据实际尺寸来确定玻璃套管大小。

3.4 测试

①将任意两个未套管的准直器放在调整架上，按图6所示的插回损检测光路接线。调节五维调节架，将插入损耗调到最小。如满足测试要求，则将RL端放入功率计，绕光源线和准直器2线分别读取系统值和器件值。

②将准直器2接光源，将RL端放入功率计，绕光源线和准直器1线分别读取系统值和器件值。

图6 插回损检测光路图

3.5 验证准直器准直特性分析

设计两套准直器，在光学试验导轨平台上搭建准直器测量试验，所用仪器是两通道的光纤功率放大器和1 550 nm波长、输出功率20 mW的半导体激光器。通过五维调节架来调节准直，一般将光纤头置于透镜焦点处，微调光纤头与透镜之间的距离，来获取所需的工作距离。准直器通过光纤输入1 550 nm波长的激光光束，通过另一个后端接入光纤功率放大计的准直器来接收出射光束。通过五维调节架来调节和测试准直器光耦合的最大效率,使之大于50%，视为合格，并在2 m处测量光功率，保证后期弹丸速度信号的提取。

在远讯公司的上述测试条件下，最终测得数据如下。

①出光参数：束腰位置1.1 m，束腰处光斑直径为847 μm。

②透镜参数：平凸透镜，焦距为25 mm,直径为16 mm,中心厚度为4 mm。

③插入损耗为0.02 dB。

④回拨损耗为17 dB。

采用Thorlabs公司生产的扫描狭缝式的光束质量分析仪，经过上述调节与装配后的准直器在测量导轨上1.1 m处测得光斑大小为847 μm左右，与 ZEMAX模拟和优化准直透镜在1.1 m处的光斑大小基本吻合，能够验证本文所设计的准直器的可行性。

4 结束语

本文基于高斯光束原理，在 ZEMAX 软件中进行远距离光纤准直器设计并仿真,并对仿真与试验结果进行对比。 仿真结果与试验结果接近,进一步验证了准直器的可行性。利用光学仿真软件 ZEMAX 优化所需工作距离，同时,为测试光纤准直器的准直度及耦合效率提供了理论依据。长距离接收光信号试验证明，该准直器基本满足10～1 500 mm长度范围的探测要求，为光纤准直器的长距离测量提供了技术参考。