光纤耦合与特性测试

一、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。

二、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

??Pf2Ps?0.5?m?1???????2???NA

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?aSf(NA)SE

其中a为系数。上式表明，当发光面积 大于光纤接收面积 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

sin?n?1/sin?n?an/an-1

Sinψn-1/ Sinψn=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:

sin?n?1/sin?n?an/an-1

Sinθc/ Sinθc= 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an/a1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。

glens和clens

由于透镜耦合系统需要x、y、 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

n(r)?n0(1?Ar2/2),

n0是轴上折射率， A?2?/a2，? 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。

光路调整的基本思路：

这里介绍一下常用光路调整的基本思路，这个思路是通用的，不仅仅局限于本实验。当然这个思路仅仅是一些经验积累，这样调整相对容易方便。

（一）确定光轴

将光阑放到预计的光轴方向上（导轨上）的不同位置，查看激光光斑是否始终在同一位置。如果不是，调节激光器的高度和角度，使在导轨各点，光斑的位置基本相同。此时光源平行于预计的光轴（导轨）。对于不可见光，可以利用上转换片或热敏纸辅助确定光轴。

（二） 调整光路元器件的光轴与光路“重合”

在光源输出位置加一光阑，然后依次加入光路设计中的其他元器件，要求所有元器件的光轴与光路基本重合。方法参照下图所示，根据元件（例如透镜）反射到光阑的光斑位置，一般如果将光斑调整到光阑孔内，就认为元件的光轴与光路重合了。需要注意的是，如果光源没有隔离器，这个光斑是只能调整到孔附近，不能进入孔内，因为那样意味着光被反射到光源内，可能造成光源输出功率不稳定。

图2 光路上的元器件调整同轴的基本示意图

如果是不可见光，元件同轴是按照引入的可见光进行调整的。

图3不可见光光路中的元件同轴调整 三、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。

位移um

10倍 X/Y Z 40倍 X/Y Z

-10 -8 -6 -4 -2 -1 0 1 2 4 6 8 10

（二）红外激光与光纤的耦合 （850nm）

确定850nmLD的光轴。利用上转换片，采取前后来回移动光阑的方法确定850nmLD的出射方向和预定的光轴（导轨）平行。

标记850nmLD的出射方向（即光轴方向）。在光轴的方向上放置两个光阑，利用两点确定一条直线的原理，通过红外转换片确保光线经过两个光阑，850nmLD的出射方向（即光轴方向），固

定两个光阑。

使650nmLD可见光光路和850nmLD的光路重合。利用一个反射镜引入650nmLD可见光光路。利用上一步的两个光阑，调整650nmLD和反射镜，使650nm红光通过两个光阑，从而确保可见光和不可见光的光路重合。

利用650nm可见光调整透镜和光纤。将光阑撤掉，换上透镜和光纤固定装置，通过调整透镜和光纤端面使功率计显示的读数最大。

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，且一般只需向后做极小的微调即可）。

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 位移X/Y Z um -12 -10 -8 -6 -4 -2 -1 0 1 2 4 6 8 10 12

40倍 X/Y Z

（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

单位（横向位移为um，轴向为mm，角度为°） 横---------1000 750 500 250 100 50 20 10 5 d Bm 横dBm 轴----40 30 20 10 8 d Bm

5 0 10 20 500 150 -6 200 -4 550 -2 7000 -1 1 -

轴dBm 1 2 4 6 8 0 -10 -20 -30 -4 -角----1.8 1.6 1.4 1.2 1 d Bm 角0000.2 .4 .6 .8 d Bm 四、数据及数据处理 1、650nm：10倍 X/Y -300 -30.36 -200 -31.57 -150 -29.01 -100 -29.47 -80 -29.43 -50 -28.68 -30 -28.26 -10 -27.86 0 -27.77 10 -27.81 30 -28.39 50 -29.62 80 -30.49 100 -30.24 150 -28.41 200 -29.72 300 -32.05

0.8 0.6 0.4 0.2 1 1111.2 .4 .6 .8

2、650nm：10倍 Z

-300 -28.02 -200 -27.96 -150 -27.94 -100 -27.9 -80 -27.89 -50 -27.87 -30 -27.86 -10 -27.84 0 -27.79 10 -27.85 30 -27.87 50 -27.87 80 -27.88 100 -27.89 150 -27.93 200 -27.95 300 -28.01

3、650nm：40倍 X/Y

-300 -45.76 -200 -44.89 -150 -45.08 -100 -45.52 -80 -45.39 -50 -44.12 -30 -43.49 -10 -43.37 0 -43.32 10 -43.38 30 -43.88 50 -44.69 80 -46.67 100 -47.74 150 -50.29 200 -48.87 300 -55.32

4、650nm：40倍 Z

-300 -43.48 -200 -43.45 -150 -43.42 -100 -43.38 -80 -43.37 -50 -43.35 -30 -43.35 -10 -43.34 0 -43.33 10 -43.34 30 -43.35 50 -43.36 80 -43.38 100 -43.4 150 -43.42 200 -43.45 300 -43.49

5、850nm：10倍 X/Y

-300 -58.62 -200 -59.56 -150 -60.48 -100 -59.96 -80 -60.32 -50 -60.11 -30 -60.18 -10 -59.7 0 -59.46 10 -59.52 30 -59.74 50 -60.68 80 -60.72 100 -60.56 150 -60.88 200 -61.46 300 -61.75

6：850nm：10倍 Z

-300 -59.59 -200 -59.56 -150 -59.54 -100 -59.51 -80 -59.51 -50 -59.49 -30 -59.48 -10 -59.47 0 -59.46 10 -59.47 30 -59.49 50 -59.49 80 -59.51 100 -59.53 150 -59.54 200 -59.58 300 -59.61

7、850nm：40倍 X/Y

-300 -65.84 -200 -66.01 -150 -65.99 -100 -65.94 -80 -65.82 -50 -65.64 -30 -65.66 -10 -65.63 0 -65.25 10 -65.7 30 -65.75 50 -65.85 80 -65.88 100 -65.94 150 -66.05 200 -66.08 300 -66.12

8、850nm：40倍 Z

-300 -65.39 -200 -65.36 -150 -65.34 -100 -65.31 -80 -65.29 -50 -65.28 -30 -65.27 -10 -65.26 0 -65.25 10 -65.26 30 -65.27 50 -65.27 80 -65.29 100 -65.3 150 -65.33 200 -65.35 300 -65.4

9、横向移动 -1000 -44.28 -750 -42.23 -500 -43.35 -300 -40.52 -200 -39.91 -100 -39.15 -50 -38.87 -20 -38.13 -10 -37.85 10 -39.23 20 -40.68 50 -40.35 100 -40.87 200 -41.67 300 -43.54 500 -44.79 750 -47.23 1000 -45.67

10、轴向移动

-10 -46.03 -8 -45.82 -6 -43.73 -4 -44.52 -3 -44.04 -2 -43.59 -1 -43.26 -0.6 -42.43 -0.3 -41.87 0.3 -42.45 0.6 -42.53 1 -43.11 2 -44.72 3 -44.74 4 -43.56 6 -44.83 8 -45.63 10 -46.25

11、角向移动 -1.8 -62.31 -1.6 -62.47 -1.4 -62.13 -1.2 -59.38 -1 -54.23 -0.8 -50.45 -0.6 -49.87 -0.4 -47.35 -0.2 -42.04 0.2 -42.53 0.4 -45.68 0.6 -51.97 0.8 -53.43 1 -56.65 1.2 -59.72 1.4 -61.55 1.6 -61.87 1.8 -61.92

五、数据分析

（1）可见LD的光纤耦合（650nm）

在X/Y方向上，10倍显微镜头的1dB容差比40倍时的大 在Z方向上，40倍显微镜镜头的1dB容差比10倍时的大 （2）红外激光与光纤的耦合（850nm）

在X/Y和Z轴方向上，10倍显微镜的耦合效率都比40倍的显微镜的耦合效率大。

（3）光纤与光纤的耦合 横向位移1dB容差：320.9um 轴向位移1dB容差：0.36mm 角度的1dB容差：0.12°

六、思考题

1. 对于单模光纤，其输出光束的发散角大约为±8度角，那么对于单模光纤输出的光如果要重新耦合到单模光纤中，耦合效率可能有多大呢？

答：耦合效率可能接近100%，因为这时的光斑质量是比较理想的单模高斯分布。

2. 哪些因素可能对耦合效率影响较大？

答：光源光斑质量和光纤的数值孔径以及纤芯直径大小影响较大。

3. 各种耦合办法对提高耦合效率有多大的影响？

答：各种耦合办法实际上调整到最佳状态后，差异很小，基本上对耦合效率影响很小，只是会造成耦合调整的难易程度以及1db容差等的差异。因为耦合效率基本上由光源的光斑质量和光纤的参数决定的。

4. 为什么大的失调容差（1dB容差）对批量生产有利。 答：因为1dB容差越大，说明耦合过程中光纤的固定位置、稳定性等都可以很大程度的放松，可以使耦合变得比较容易。