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新型三件套准直器的设计及优势
2006年6月16日 11:30  来源:光纤新闻网  作者:于海珍,肖石林,张明
  一、引言

  光纤准直器是光纤通信系统的最基本光学器件,其作用是把光纤中发散的光束变成准直光,使其以非常小的损耗耦合到光纤中。  
许多无源器件都是在一对准直器之间插入光学元件制作而成的。

  常规的准直器结构为两件套式,即由光纤头和一个起准直作用的透镜组成,目前准直透镜主要有两种:自聚焦透镜和C透镜。

  随着通讯网络的不断发展,现在对支撑光通讯网络的媒质——各种器件提出了许多新的要求,对于光的偶合和准直方面也出现了一些更高的要求。比如目前很多应用都需要大工作距离、大光斑。特别对大容量的矩阵光开关来说,例如1024*1024MEMS,由于在传输过程中相互偶合的次数特别多、相互传输的距离特别长,有时会达到1000mm。常规的准直器工作距离达到1000mm时损耗会达到15dB左右,这对于光通讯来说是很难接受的。常规0.23p的自聚焦透镜准直器,其最大工作距离仅70mm左右,理论上可将节长缩短来增加工作距离,如将节长缩短为0.05p,其最大工作距离也仅约400mm,且此时透镜太短难以加工,插损等指标也较差。常规C透镜准直器的最大工作距离约300mm左右,如果要达到大工作距离、大光斑的要求,如工作距离500mm、光斑0.5mm,理论上一个长度约9.7mm、曲率半径约4.2mm的C透镜可以满足此要求,但实际做出来的参数会很差,因为透镜较长不利于加工及准直器的装配;另外光束到达透镜球面时偏离中心的距离较大,偏离旁轴成像条件,使得出射光的椭圆度增加,从而插损和指向精度也增大;再者,采用长透镜温度性能也不稳定。若将光纤头和透镜间的距离拉得很长如3mm,理论上4.7mm长的C透镜也可以满足以上要求,但此时光在光纤头与透镜间的空气中会发散得很厉害,插损将很大,指向精度及光斑等指标也会很差。实际上根据经验,光纤头与透镜之间的距离通常仅为0.1~0.3mm。看来常规的自聚焦透镜或C透镜准直器都难以达到工作距离大于500mm这个要求,更别说1000mm了。

  二、三件套准直器的设计及优势

  本文从原理上介绍了一种新型的三件套式准直器,可以满足现在光无源、有源器件或系统对长工作距离、大光斑、高指向精度、低插损的准直器的要求。

  1、三件套准直器的结构:

  核心部分由一个光纤头、一个玻璃棒及一个C-lens构成,如下图。当然要最终做成准直器,外面还需玻璃套管及金属套管进行封装。



  与常规两件套准直器比较,可知该三件套准直器只是在光纤头与C透镜间多了一个玻璃棒。

  2、三件套准直器的理论分析

  设三件套准直器中玻璃棒的长度、折射率分别为L1、n1(玻璃棒的折射率均匀分布,在光学性质上相当于一段长度为n1*L1的空气隙);C透镜的长度、折射率、曲率半径分别为L2、n2、r2。结合高斯光束和几何光学的知识进行理论分析计算,并且做了一些简化,将 c-lens、玻璃棒均视为直角面,因为这不会影响出射光束的位置及大小。可得:




  通常情况下,C透镜材料选取SF11(折射率为1.744742);玻璃棒材料选取K2材料(折射率为1.485295),因为k2的材料质地硬,且在通光性方面具有很好的透射性。

  假设光纤头与玻璃棒、玻璃棒与透镜间的间隙均为0.15mm,玻璃棒的长度取4mm。根据前面的公式(2),当要求工作距离500mm、光斑0.5mm时,r2=4.23mm,L2=4.6mm。这样C透镜的长度就短多了,光束到达透镜球面时偏离轴心的距离也将小很多,所以插损、指向精度等指标比等价的两件套准直器好多了,能够达到使用要求。实验表明确实如此。相应于更大工作距离、更大光斑的要求,三件套准直器将更加适用、优势更加明显。

  以下为长工作距离、大光斑应用中,某些公司所做的两件套与三件套准直器的一些实验数据,以供比较和参考。

 
 [关键词]:准直器 自聚焦透镜 C透镜  发表评论    【推荐】 【打印

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