光纤耦合与特性测试实验

目录【实验目的】..................................................................................................... - 2 -【实验原理】..................................................................................................... - 2 -【实验设计】..................................................................................................... - 4 -【思考题】......................................................................................................... - 8 -- 1 -【实验目的】1．了解常用的光源与光纤的耦合方法。

2．熟悉光路调整的基本过程，学习不可见光调整光路的办法。

3．通过耦合过程熟悉Glens 的特性。

4．了解1dB 容差的基本含义。

5．通过实验的比较，体会目前光纤耦合技术的可操作性。

【实验原理】在光纤线路耦合的实施过程中，存在着两个主要的系统问题：即如何从各种类型的发光光源将光功率发射到一根特定的光纤中（相对于目前的光源而言），以及如何将光功率从一根光纤耦合到另外一根光纤中去（相对于目前绝大多数光纤器件而言）。

对于任一光纤系统而言，主要的目的是为了在最低损耗下，引入更多能量进入系统。

这样可以使用较低功率的光源，减少成本和增加可靠度，因为光源是不能工作在接近其最大功率状态的。

光学耦合系统的1dB 失调容差定义为当耦合系统与半导体激光器之间出现轴向、横向、侧向和角向偏移，从而使得耦合效率从最大值下降了1dB 时的位置偏移量。

1dB 失调容差对于实用化的光学耦合系统来说是一个重要的衡量指标．因为任何半导体激光器组件中都存在如何将耦合系统与半导体激光器芯片相对固定(封装)的问题，不论采用何种固定方式，都不可避免地存在由于封装技术不完善及环境因素变化而造成的位置失调现象。

一个光学耦合系统具有效大的失调容差就意味着该系统在封装时允许出现较大的位置失调．因而可以来用结构简单、定位精度不太高的低成本封装技术。

光纤系统中，必须考虑光源的辐射空间分布（角分布）、发光面积，光纤的数值孔径、纤芯尺寸和光纤的折射率剖面等等，使尽可能多的光能量进入光纤当中。

对于耦合系统，通常要求具有以下几个特点：1. 大的1dB 容差。

大的容差是工业生产的一个基本条件，容差越大，才可能产量越大，成本越低。

2. 弱的光反馈。

目前低成本光源一般不配置隔离器，所以对于耦合系统来说，弱的光反馈意味着光源的稳定性的提高。

3. 简单易操作、耦合效率高、稳定。

通常使用的耦合方式主要有以下几种： 一．直接耦合：所谓直接耦合就是把一根端面为平面的光纤直接靠近光源发光面放置，在光纤一定的情况下，耦合效率与光源种类关系密切。

如果光源是半导体激光器，因其发光面积比光纤端面面积小，只要光源与光纤面靠的足够近，激光器所发出的光就能照到光纤端面上。

考虑到光源光束的发散角和光纤接收角的不匹配程度，一般耦合效率不到10％，90％以上都可能浪费了。

如果光源是发光二极管，则情况更为严重。

因为发光二极管的发散角更大，其耦合的效率基本上由光纤的收光角决定，即()()20.512f s P P m NA ηαα==++⎡⎤⎣⎦其中α为光纤的折射率轮廓因子，m 为和光源有关的参数，一般LED ， m=1，对于LD ，m=20。

例如，NA ＝0.14，η≈5％。

二．透镜耦合透镜耦合方法能否提高耦合效率？可能提高，也可能不提高。

这里有一个耦合效率的概念。

对于朗伯型光源（例如发光二极管），不管中间加什么样的光学系统，它的耦合效率都不会超过一个极大值。

max aS ()f E NA S η= 其中a 为系数。

上式表明，当发光面积E S 大于光纤接收面积f S 时，加任何光学系统都没有用，最大耦合效率可以用直接耦合的方法得到。

当发光面积小于光纤接收面积时，加上光学系统是有用的，可以提高耦合效率，而且发光面积越小，耦合效率提高的越多，在这种准则下，有如下一些透镜耦合方式： 透镜光纤和热扩散光纤 1．光纤端面球透镜耦合俗称透镜光纤，将光纤端面做成一个半球形，例如通过热、火焰、研磨、腐蚀、电弧等技术把光纤端面处理成球面或者近似球面，使它起到短焦距透镜作用，端面球透镜的作用是提高光纤的等效收光角，因而耦合效率提高了。

这种耦合方法对阶跃型光纤效果较好，对折射率梯度光纤则差些。

2． 圆锥形和楔型透镜耦合。

将光纤的前端用研磨、腐蚀的方法做成逐渐缩小的圆锥形或者楔型，或者用烧融拉细的方法做成圆锥形，前端半径为a1，光纤自身半径为an 。

光从前端以θ入射进光纤，经折射后以ψ1角射向界面A 点。

因界面为斜面，所以ψ2<ψ1。

如果锥面的坡度不大，也就是说圆锥形的长度L>>（an －a1）时，近似有 1n n-1sin /sin a /a n n ψψ-= Sin ψn-1/ Sin ψn=an/an-1可以证明，有圆锥时光纤的接收角θc 与平行光纤时的接收角θc 之间有如下关系: 1n n-1sin /sin a /a n n ψψ-= Sin θc/ Sin θc= an/a1上式表明，有圆锥透镜的光纤的数值孔径是平端光纤的a n /a 1倍。

3．热扩散光纤和倒锥光纤通过高温热处理可以把光纤的纤芯做成喇叭状，这样可以很大程度的提高光纤的耦合效率，有兴趣的同学可查阅相关资料（特别是倒锥光纤的耦合效果非常好）。

三．各种透镜耦合 1． 透镜耦合利用透镜成像的原理，把光斑汇集在光纤端面，在数值孔径以内的光能量大部分将耦合到光纤中去。

这种方法常用的透镜有微球、显微镜目镜等透镜，原理简单，但可操作性，特别是批量生产的可操作性变差（同轴封装性能差），所以目前在生产中逐渐减少。

2． 柱透镜耦合半导体激光器所发出的光在空间是不对称的，在平行于pn 结方向上光束比较集中（2θ约为10º－20º），在垂直于pn 结方向上发散角较大（2θ约为40º－60º），所以直接耦合时效率不高。

如果设法使垂直于pn 结方向上的光束压缩，整个光斑从细长的椭圆形变为接近圆形，然后再与圆形截面的光纤相耦合，这样耦合效率都会有很大的提高。

利用圆柱透镜可以达到上述目的。

详细研究表明，当柱透镜半径R 与光纤半径相同，激光器位于光轴上，且镜面位于z=0.3R 时，可得到最大耦合效率，约为80％。

如果激光器的位置在轴向有偏移，则耦合效率明显下降。

也就是说，这种耦合方式对激光器、圆柱透镜及光纤的相对位置的精确性要求很高。

3． glens 和clens由于透镜耦合系统需要x 、y 、y x θθ,方向的精细对准，以保证光路的同轴性。

此外，在Z 方向（光纤轴线方向）间距还要适当。

所以这是一个五维精细调节和控制问题。

这对于非专业人员去调节是相当困难的。

另外，外界的扰动，（如随机震动）都可能影响到光入纤的功率。

这些都大大的降低了透镜耦合系统的1dB 容差，使透镜耦合系统的封装变得极其困难，一般透镜耦合系统的1dB 容差仅仅为1-2μm ，为了保证封装后仍然能够保持低损耗，这就要求固定透镜的基座也要有同样数量级的加工精度，这就要求采取特殊的加工手段，限制了透镜耦合系统的应用。

glens 和clens 是目前解决上述问题的重要方案。

它的最大优势在于它批量生产中的可操作性，因为它是一个圆柱形的产品，可以直接插入一个精度很高的套筒内，就可以保证其和光路很好的同轴，拓展了1dB 容差，使封装技术变得相对简单容易，耦合过程中使五维的精细调节转变成了一维调节，大大的降低了调整难度，提高了耦合效率。

图1 glens （左）和clens （右）glens 是直径1~3mm ，长度几毫米的小玻璃棒，其折射率沿径向分布如下式),2/1()(20Ar n r n -=0n 是轴上折射率，2/2a A ∆=，∆是分数折射率差，a 是芯径。

GRIN 棒透镜可以对光束进行准直或聚焦，此处用0.29节距的棒透镜对发散的半导体光源实现聚焦，节距是指光线在梯度折射率介质中沿正弦轨迹运行一周的长度。

能够实现准直的为1/4节距的GRIN 棒透镜。

四．光纤全息耦合由于光全息片可以将光的波前互相变换，所以可以用来作为一种光纤耦合器。

原则上讲，这种耦合方式的耦合效率是非常高的，但是，由于全息片的衍射效率的影响及衰减损耗，实际耦合效率与透镜相比并不优越。

不过，它的最大优点是，可以作为多功能的光学元件来应用。

全息耦合的制作方法在这里就不详述了，有兴趣的同学可查阅相关资料。

五．组合方式把上述提到的方法组合使用，可以大大的提高耦合效率，但调整起来相对复杂程度有所增加，有兴趣的同学可以查阅相关资料。

【实验设计】一.可见LD 的光纤耦合（650nm ）在确定光轴后，参照上图所示连接各器件，调整透镜与光纤之间的距离，并且调整光纤端面的角度，使功率计上的读数最大，并记录下来。

通过实验分析此耦合系统的1dB 容差（包括横向位移和纵向位移的1dB 容差）。

对比10倍和40倍显微镜头的耦合效率和1dB 容差。

10倍40倍位移um X/Y Z X/Y Z-10-8-6-4-2-11246810二.红外激光与光纤的耦合（850nm）1）850nm光源通过光跳线输出接到四维调整架上，替换可见LD耦合步骤中的半导体激光器（前提是LD耦合效率已经达到最大），光跳线输出端面输出激光。

2）850nmLD的光纤耦合。

撤掉反射镜和650nmLD，启动850nmLD，调整光路，使功率计上的读数最大（功率计此时换到850nm档，且一般只需做极小的微调即可）。

3）调节光纤与透镜之间的纵、横向距离，实验分析此耦合系统的1dB容差。

最后通过记录表画出耦合效率趋势线。

850nm光源与光纤耦合的耦合记录表10倍40倍位移um X/Y Z X/Y Z-12-10-8-6-4-2-1124681012三、光纤与光纤的耦合（同时模拟了光源与准直器耦合）在确定光轴后，参照上图所示连接各器件，调整两个准直器之间的距离和角度(两准直器之间的距离约为1cm)，使功率计上的读数最大，并记录下来。

通过实验分析此耦合系统的1dB容差（包括横向位移、纵向位移和角度的1dB容差）。

光纤准直器耦合记录表横-1000 -750 -500 -250 -100 -50 -20 -10 -5dBm横 5 10 20 50 100 250 500 750 1000dBm轴-40 -30 -20 -10 -8 -6 -4 -2 -1dBm轴 1 2 4 6 8 10 20 30 40dBm角-1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2dBm角0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8dBm四、光源与准直器的耦合（同时模拟了光源与准直器耦合）在确定光轴后，参照下图图所示连接各器件，调整光源与准直器之间的距离和角度，使功率计上的读数最大，并记录下来。