（物理电子学专业论文）光学环行器的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 光学环行器是一种多端1 3 输入输出的非互易性光学无源器件，它使光信号只能 沿规定的端口顺序传输。随着光纤通信技术的不断发展，它的应用日益广泛，已成 ，1 一 为现在及未来的光纤通信系统中的重要器件之一。) 本文系统介绍了一种新颖的高隔 离度偏振无关的三端口光学环行器的设计和研制。 论文主要内容分为以下五个部分： 第章介绍光学环行器的概念、基本类型和主要应用。简述其研究进展和发展 方向，并概括了全文的主要研究内容。) ， 第二章从理论上分析了双芯准直器的耦合特性，由此提出了一种利用双芯准直 器特性实现的三端1 3 环行器。f 并给出了其光路计算的公式，从原理上分析了影响其 。 插入损耗和隔离度性能的因素抛一设计思想同时可以用于实现一种四端1 3 环行器， 本章最后给出了这种四端口环行器的设计方案。 第三章介绍了此三端口光学环行器的具体研制方法，包括光学元件的选材和机 械结构的设计方案的比较、光路调试监测和测量的方法、重要元件的检测方法以及 ， 整个器件的加工流程a ) 。并对最终成品所需达到的质量认证标准进行了总结。 第四章重点介绍了光无源器件的偏振模色散指标及其测量方法，从原理和实验 上对波长扫描极值数计算法和波长扫描傅立叶变换法这两种测量方法进行了比较，) “ 讨论了影响测量精度的因素。最后，介绍了自行研制的偏振模色散自动测试软件的 主要框架和流程图。 第五章对全文的工作进行总结。 关键词：光无源器件光学环行器双芯准直器偏振模色散测量 熊妒 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a lc i r c u l a t o ri sak i n do fn o n r e c i p r o c a lf u n c t i o n a lo p t i c a lp a s s i v ed e v i c ew i t h m u l t i p l ep o r t s o p t i c a ls i g n a li n c i d e n ti n t ot h i sd e v i c ec a no n l yb et r a n s m i t t e du n d e rt h e d e s i g n e d o r d e ro fp o r t s w i t hf u r t h e r d e v e l o p m e n t o fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yo p t i c a lc i r c u l a t o rw i l lh a v em o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n s i th a sa l r e a d yb e c o m e a l l i m p o r t a n t d e v i c ei n o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a n o v e l t h r e e - p o r t h i g h - i s o l a t i o np o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n to p t i c a lc i r c u l a t o r , i t sd e s i g na n dr e s e a r c ha r e r e p o r t e di nt h i st h e s i s t h em a i nc o n t e n to f t h i st h e s i si sc o m p o s e do f f i v ep a r t sa sf b l l o w s ： t h e c o n c e p t ，t y p e sa n dm a i na p p l i c a t i o n so f o p t i c a lc i r c u l a t o r a r ep r e s e n t e df i r s t l yi n c h a p t e r o n e a g e n e r a l o v e r v i e wo fr e s e a r c h p r o g r e s s e s a n df u r t h e r d e v e l o p i n g d i r e c t i o n sa r ei n t r o d u c e d i n c h a p t e rt w o ，t h ec o u p l i n g c h a r a c t e ro fd u a l f i b e rc o l l i m a t o ri s a n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y u n d e r t h i st h e o r e t i c a l a n a l y s e ，at h r e e p o r to p t i c a l c i r c u l a t o r u s i n g a d u a l f i b e rc o l l i m a t o ri s p u tf o r w a r d t h ec a l c u l a t i o n f o r m u l a so fo p t i c a lc i r c u i ta r e i n t r o d u c e di nt h i sc h a p t e r t h ef a c t st oi n f l u e n c et h ei n s e r t i o nl o s sa n di s o l a t i o nc h a r a c t e r s a r ea l s od i s c u s s e df r o mt h e o r e t i c a lp o i n to fv i e w t h i sd e s i g ni d e ac a nb ef u r t h e ru t i l i z e d i nak i n do ff o u r p o r tc i r c u l a t o r a tt h ee n do ft h i s c h a p t e r , t h ed e s i g na p p r o a c ho ft h i s f o u r p o r tc i r c u l a t o ri sp u tf o r w a r d i nc h a p t e rt h r e e ，t h ed e t a i l e dr e s e a r c hp r o c e s si s i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h eo p t i c a l c o m p o n e n t s c h o i c e ，t h ec o m p a r i s o no fs e v e r a lm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea p p r o a c h e s ，h o wt o a d j u s ta n dm e a s u r e ，t h et e s tm e t h o d so fk e yc o m p o n e n t sa n dt h em a n u f a c t u r ep r o g r e s so f t h ew h o l ed e v i c e f i n a l l yt h ea u t h o r i t a t i v eq u a l i t yt e s ts t a n d a r d ，b e l l c o r es t a n d a r d ，f o r o p t i c a lc i r c u l a t o ri si n t r o d u c e d p o l a r i z a t i o n m o d e d i s p e r s i o n ( p m d ) o fp a s s i v eo p t i c a l d e v i c e si s p a r t i c u l a r l y i i 华中科技大学硕士学位论文 f i n g e r e d o u tt od i s c u s si n c h a p t e rf o u r f i r s t l y t h ed e f i n i t i o no fp m di s g i v e n w a v e l e n g t hs c a n n i n ge x t r e m u mc o u n t i n g ( w s e c ) a n dw a v e l e n g t hs c a n n i n gf a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ( w s f f t ) a st w om e t h o d sf o rm e a s u r i n gp m d a r ec o m p a r e df r o mat h e o r e t i c a l a n da ne x p e r i m e n t a lp o i n to fv i e w s o m ef a c t sb r i n gu n f a v o r a b l er e s u l t so nt h e m e a s u r i n g a c c u r a c ya r ea l s od i s c u s s e d t h em a i ns c h e m eo ft h ew h o l ea u t o m a t i cm e a s u r i n gs y s t e m a n dt h ef l o wc h a r to f t h es o f t w a r ea r ei n t r o d u c e da tt h ee n d c h a p t e r f i v ei st h es u m m a r yo f t h ew h o l et h e s i s k e y w o r d s ：o p t i c a l p a s s i v ed e v i c e s o p t i c a lc i r c u l a t o r d u a l f i b e rc o l l i m a t o r p m dm e a s u r e m e n t 1 i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪言 由于光缆较之电缆有重量轻、体积小、材料成本低廉，而信息传输容量大，且 能实现无电连接、抗电磁干扰等无可比拟的优点，光纤通信已成为取代电缆通信的 必然趋势【1 l 。加之近年来计算机网络技术的飞速发展，数据通信业务的急剧增多， 世界通信系统传输容量需求每九个月翻一番，这使得光纤通信技术不断取得突破， 尤其是d w d m ( 密集波分复用) 技术和光纤放大器的发展使光纤通信系统的容量和 传输距离在不断的增大。目前t b p s 速率量级的系统已经成功的完成了近万公里距离 稳定传输的试验。同时，随着通信需求的进一步增大，波分复用技术应用领域还将 逐步向城域网和接入网延伸。全波段( 从1 3 1 0 r i m 到1 6 1 0 n m 带宽) 的c w d m ( 粗波分 复用) 系统目前已经成为一种为接入网和局域网日益增长的带宽要求所提供的经济 的解决方案。 系统与器件的发展是相辅相成的，器件的高性能是确保系统高性能的基础，高 容量高稳定性的通信系统也对器件提出越来越高的要求。光通信器件可根据其是否 需要电支持分为无源和有源两大类。近几年来世界各国都在研究和开发所谓的全光 网络，即希望在整个传输系统中全部采用光信号，取消光电转换步骤，尽量使用光 学手段实现对信号的处理，这对光通信器件尤其是无源器件提出了相当高的要求。 光学环行器正是一种典型的光无源器件，它在光纤通信系统中有着广泛的应用。下 面将对光学环行器进行深入的介绍。 光学环行器是一种多端口输入输出的非互易性器件，它的作用是使光信号只能 沿规定的端口顺序传输。一个典型的4 端口光学环行器原理见图1 1 ，当光信号从指 定的端口输入时，在器件中只能沿规定的顺序传播( a b c d a ) ，当光信号的传 图1 1 光学环行器原理图 华中科技大学硕士学位论文 i i 输顺序变更时( 例如b a 或d - * b 等等) ，其损耗很大，可实现信号的隔离【2 】。由 于多数应用中并不需要这种顺序传播构成一个闭合的回路，即无须使d 最终与a 导 通，这样的环行器称为准光学环行器，通常所说的环行器大部分也就是这种准光学 环行器。光学环行器的这种非互易特性，和光学隔离器类似，主要是利用磁光材料 的法拉第效应来实现的。随着光纤通信技术的不断发展，它已成为现在及未来的光 纤通信系统中的重要器件之一。 1 2 光学环行器的应用 由于光学环行器的这种顺序传输特性，它可用于将同一根光纤中正向传输和反 向传输的光信号分开。应用于光纤通信、光纤传感以及光纤测试系统之中时，往往 使系统结构简化。光学环行器已成为一个基本的结构模块，实现一些特殊的用途。 以下是其在光通信系统中的几种典型应用： i 2 1与光纤布拉格光栅( f b g ) 组合应用 光纤光栅是通过紫外光在高掺锗或普通氢载光纤上按一定的掩膜刻制光栅的器 件，它可以提供非常窄的频率间隔，具有理想的滤光特性、环境稳定性好、便于设 计制造、成本低，可制成信道间隔非常小的带通、带阻滤波器，尤其在带宽间隔小 九l九2 图1 2 1 基于f b g 的解复用器 于1 0 0 g h z 时较薄膜干涉滤波器更易制作，在d w d m 通信系统中有着大量应用前 景。由于光纤光栅将其所对应波长的光按原路返回，因此需要通过光学环行器将反 射回的光信号提取出来，图1 2 1 是一种由环行器和光纤光栅所组成的解复用器。与 之类似的应用还有上下路复用器( 0 a d m ) 和利用啁啾光纤光栅做成的色散补偿器 等。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 _ 2 与光纤放大器的组合应用 光纤放大器的出现是光通信发展史上的一个里程碑，光信号的增益与放大器中光纤 的长度成正比，要得到足够大的增益需要光信号通过相当长的一段增益介质。如果让 被放大光信号通过光纤放大器后折返，可使其两次通过增益介质从而减小了放大器的 总长度，这一设想已经在掺铒光纤放大器( e d f a ) 中得到了应用。如图1 2 2 所示，将 e d f a 与一环行器耦合，使光信号通过e d f a 放大后再其输出端由高反膜反射再次反向 通过增益介质，相当于将增益介质的长度增加一倍，这一方法极大的提高了e d f a 的 泵浦效率，降低了所需的泵浦能量。 图1 2 2 输入输出共端e d f a 镜 1 2 3 光纤传输系统中的应用 将光学环行器应用到光收发模块中，可实现在一根光纤中利用同一波长的双向 传输。图1 2 3 所示的是一单波长双向同步通信系统，连接收发器和传输光纤的光学 环行器将输出和接收的光信号分离，实现了仅用一个信道的全双工传输。 此外，光学环行器还可在光时域反射仪( o t d r ) 和光纤陀螺( s a g n a c 干涉仪) 中作耦合器，都很好的提高了系统性能。 图1 2 3 单波长高效、双向同步通信系统 华中科技大学硕士学位论文 1 2 4 与其他无源器件构成的集成器件 随着近几年光学无源器件的发展，产生了一些新的集成器件，例如w d m 解复 用器和隔离器的集成器件，十分方便的完成了将e d f a 中的泵浦光和信号光耦合的 功能。环行器与一些其他光无源器件的集成也实现了一些新的功能。图1 2 4 是一种 集环行器与偏振光分束器( p b s ) 功能于一体的器件，从端口i 入射的光束将分解为两 图1 2 4 环行器和p b s 的集成器件 偏振态相互垂直的线偏振光，分别从端口2 和端口3 出射；而由端口2 和端口3 分 别入射的两束同上述偏振方向相同的线偏振光将合为一束从端口4 出射。实际上这 一个器件同时完成了一对偏振分柬器- ( p b s ) 和偏振合束器( p b c ) 组合的功能，为某些 特殊的应用提供了方便的解决方法。此外，目前也有环行器与光开关等其他器件集 成于一个单一模块中的种种设想，这些新的器件往往可以根据实际需要实现一些特 殊的功能。 1 3 国内外的研究状况 光学环行器的研究起源于二十世纪七十年代，最早的光学环行器是偏振相关的 3 1 ，由于需要保证输入输出的均为偏振光，其用途受到极大的限制，在此不作具体 介绍。1 9 7 9 年t m a t s u m o t o 等人首次提出了偏振无关光学环行器【4 1 ，在此基础上人 们不断改进，提出了多种方案。目前，光学环行器的研究方向主要有两个：一是用 分立元件组成的块状光学环行器( b u l k o p t i c a lc i r c u l a t o r ) 5 1 ，另一个是波导型光学 环行器( w a v e g u i d et y p eo p t i c a lc i r c u l a t o r ) 【6 j 。前者在过去的十年里发展迅速，目 前已经比较成熟，世界上的许多光器件公司已生产出了性能良好的产品，见表1 3 1 。 而后者尚还处于实验阶段，许多性能指标还无法达到块状光学环行器的水平，还有 待技术上的突破。下面分别介绍这两种环行器的具体发展情况。 华中科技大学硕士学位论文 表1 3 1 部分公司光学环行器关键指标一览 隔离度串音返回损p d lp m d波长范围 公司名称 插入损耗( d b l ( d b )( d b )耗( d b ) ( d b )( p s ) ( n m ) 1 5 2 5 1 5 6 5 n e wf o c u s 4 0 5 0 5 0郢7郢15 0 0 5 1 5 6 5 1 6 0 5 1 5 2 5 1 5 6 5 n o r t e l 4 0 5 5 5 0 s o 9 ( 0 6 t y p ) ! 抑1 5：抑0 5 1 5 7 0 1 6 0 5 1 丑8 ( 0 6 t y o ) 1 31 0 a ：3 0 o p l i n k 4 0 - 5 0三5 0 5 0三- d 1三抑1 茎1 0 ( 0 8 t y p ) 1 5 5 0 士3 0 s u p e r l i g h t w a v e 4 5 5 0 5 01 1 05 0 1 5郢1 武汉邮科院兰1 4 5 兰5 02 5 55 1 0如1三r o 11 5 3 0 1 5 7 0 1 3 1 块状光学环行器 块状光学环行器中的核心器件是法拉第旋转器，它是不同结构光学环行器中都 不可或缺的。其原理都是利用法拉第旋转器的非互易特性，使沿相反方向通过它的 偏振光偏振态改变，沿不同的路径传播。多年来，研究者们不断提高环行器的性能 主要是从两个方面入手，一是力求提高各分立器件的特性，例如提高偏振分光器的 消光比、旋光器的旋转精度等；二是改进整个器件的结构，通过各分立器件间的配 合来寻求突破，而基本原理还是一致的。 t a k a om a t s u m o t o 在早期作了大量的工作【4 1 【7 】【8 j ，他设计了多种结构偏振无关的光 学环行器。图1 1 3 1 是其中一种典型结构它由偏振分光镜( p b s ) 、磁致旋光晶体( f r ) 、 天然旋光晶体( a r ) 以及直角棱镜组成。从左向右通光时，磁致旋光晶体与天然旋光 晶体旋光方向相同，且都为4 5 0 ，因此偏振面被旋转9 0 0 ；反向时，磁致旋光晶体与 图1 3 1 早期单级偏振无关光学环行器 华中科技大学硕士学位论文 天然旋光晶体光方向相反，因此偏振面不发生旋转。这种环行器的隔离度偏低，一 般在2 0 3 0 之间。其主要原因是仅采用了单级磁致旋光晶体，同时对偏振分光镜的 依赖过高所至。偏振分光棱镜是利用多层介质膜分光的，多层介质膜满足布儒斯特 条件。由于镀膜技术中尚还存在着些难以克服的困难，使其消光比难以得到提高， 从而直接影响了隔离度。 图13 2 提高隔离度的改进方法一 y o h j if u j i i 在随后的几年里基于上述结构作了两大改进，也开发了几种有着新型 结构和功能的光学环行器【9 】_ 【l3 1 。改进之是采用了消光比高的偏振分光器，图1 3 2 就是在图1 3 1 的结构中在每个端口添加了一个薄的双折射晶体波片( b p ) ，由其先 将入射光分成偏振态相互垂直的线偏振光，并使它们发生一小段空间走离，然后进 入偏振分光镜( p s b ) ，由于双折射晶体具有高达4 0 d b 的消光比，从而提高了整个 环行器的隔离度。改进之二在于用双级结构替代了单级结构，所谓双级结构是指在 光路中两次用到磁光晶体，进行双重选择以达到更高的隔离度，这种在旋光系统中 采用两块磁光晶体的思想早在研究隔离器时得到了认可。图1 3 3 是一个结构紧凑的 双级准光学环行器，其中b c l 、b c 2 为两块双折射晶体，用来分离正向和反向的光。 五角棱镜的使用为装配带来的极大的便利，因为加工棱镜的角度误差可以很小，同 时可使在装配时的角度误差对光路的改变方向不产生影响，这一结构的特性指标也 优于上述两种结构。 6 华中科技大学硕士学位论文 图1 3 3 提高隔离度的改进方法二 与此同时，k m a s a f u m i 1 4 1 和m k o g a 15 】【1 7 】在t m a t s u m o t o 的指导下也做了进一 步的研究。m k o g a 综合分析以往的光学环行器，将它们的结构分解为三大功能：分 光合光( d & m ) 、偏振态转换( p & o ) 和光束环路部件( b c c ) 。图1 3 4 是他所设计的 ( 卫 5 5 6 d b 。使用这种反 射式结构也比较容易的实现端口数目的增加而扩展成为更多端口的环行器，但是加 工的难度高是目前限制其发展的主要原因。因为准直器安放在同一侧，同时要求准 直器的间距尽量的小，给光路的调试带来很大的困难。为此，不少公司投入研制高 性能的阵列准直器，但是目前阵列准直器的加工难度也非常大，集成度难以提高， 光束平行度也不够理想。因此这种反射式的光学环行器还未能形成较成熟的产品。 1 3 2 波导型光学环行器 近年来，波导型光学环行器的研究日益受到重视，虽然块状型已经实现了十分 优良的特性，但是波导型器件由于其明显的低成本和高集成度的优势，对未来的光 电器件产业有着很大的吸引力。波导型光学环行器将无须使用透镜而非常容易的实 现与光纤和其他光波导器件的耦合。 目前研究的波导型光学环行器主要还是基于磁光介质的非互易特性，早期的研 究成果均是偏振相关的，输入输出必须是t m 模。这样的波导型光学环行器又可分 为两类，一是直接耦合型，由t m i z u m o t o 在1 9 8 6 年提出，主要是根据不同传输方 向的光通过非互易介质时的相位变化不同，因此也称相位漂移型，它仅达到了3 d b 的隔离度，主要难度集中在调节波导的长度。另一种是y 形分支型【2 ”，如图1 3 9 所示，主要利用不同方向通过非互易波导的模传输常数的差异实现，这种类型对磁 光材料的要求非常高，而且模式耦合效率不高也直接影响隔离特性。 端口3 端口1 口4 口2 图1 3 9y 分支型光波导环行器 偏振无关的波导型光学环行器在近两年来才有所突破，困难主要集中在波导偏 振分光器的实现。用波导实现偏振分光可以粗略的分为两种1 2 4 1 ；一是利用模式演化 1 0 华中科技大学硕士学位论文 效应，m k a g a m i 等人提出了无须用到非互易波导介质而仅仅利用高阶模场和低阶模 场耦合特性的差异实现了环行器的功能25 1 ，但是这一现象也同时伴随着传输模分布 的改变和不低于3 d b 的附加损耗。图1 3 1 0 是基于这一原理的一种三端口环行器， 更多端口数可以通过调整波导的弯曲角度实现这种环行器的。一种是基于干涉。这 两种类型的波导器件都还处于发展初期，难以使隔离度达到使用要求。后者在最近 图1 3 1 0 三端口互易介质光学环行器结构简图 段时间的进展较快，n 。s u g i m o t o 等人设计的由两个波导法拉第旋光器，两个薄膜 l 2 波片和两个平坦光路型3 d b 耦合器组成的非互易m a e h z e h n d e r 干涉器，如图 1 _ 3 1 1 所示，实现了在1 5 5 u r n 波段3 0 3 3 d b 的插入损耗和1 4 0 2 3 7 d b 的隔离度。 这是目前最佳结果的报道【2 6 1 。 端口1 端口3 图1 3 11 非互易、t a c h z e h n d e r 干涉器 端口4 端口2 华中科技大学硕士学位论文 随着平面光波道的计算机模拟仿真技术和加工工艺的提高，人们也开始尝试更 多特殊的波导结构，试图仅仅通过这种特殊结构中的模场耦合特性而不用到磁光材 料的法拉第效应实现环行器的功能。 综上所述，块状光学环行器更加符合目前大规模生产的条件，如何进一步减小 整个器件的插入损耗，提高隔离度，减化结构，提高生产效率和成品率是当前需要 研究的课题。而波导型光学环行器仍将是研究的热点，集多种功能器件于一体的波 导器件将是未来光通信产品的主流。 1 4 论文主要内容 光学环行器是一种重要的光无源器件，本论文在理论研究、计算和设计的基础 上研制了一种新型三端口光学环行器，并尝试改进器件的制作与封装工艺，其研究 内容是在福州康顺光通信公司的协助下完成的。 论文主要内容分为以下五个部分： 第一章介绍光学环行器的概念、基本类型和主要应用。简述其研究进展和发展 方向，并概括了全文的主要研究内容。 第二章从理论上分析了双芯准直器的耦合特性，提出了一种利用双芯准直器特 性实现的三端口环行器。并给出了其光路计算的公式，从原理上分析了影响其插入 损耗和隔离度性能的因素。 第三章介绍了此三端口光学环行器的具体研制方法，包括光学元件的选材和机 械结构的设计方案的比较、光路调试监测和测量的方法、重要元件的检测方法以及 整个器件的加工流程。并对最终成品所需达到的质量认证标准进行了总结。 第四章重点介绍了环行器的偏振模色散指标及其测量方法，从原理和实验上对 波长扫描极值数计算法和波长扫描傅立叶变换法这两种测量方法进行了比较，讨论 了影响测量精度的因素，并介绍了自行研制的偏振模色散自动测试软件的主要框架 和流程图。 第五章对全文的工作进行总结。 华中科技大学硕士学位论文 2 三端口环行器的理论研究及计算 2 1 双芯准直器的理论计算 在上一章中，我们提到o p l i n k 和k a l f a 两公司在m k o g a 所设计的环行器的基 础上采用双芯准直器取得了很好的效果。由于这些设计已经得到了专利的保护，我 在反复研究和试验后，发现了一种更为简洁的利用双芯准直器实现的新型三端口环 行器的方法。以下将对此方案进行详细的分析，首先让我们研究一下双芯准直器的 特性。 准直器是目前常用光无源器件中必不可少的元件，其目的是将由光纤出射的光 束准直为很小发散角的高斯光束，以便实现低损耗的耦合。常用的光纤准直器主要 有两种，一种采用自聚焦透镜( g r a d e d i n d e xl e n s ，简称g r i n 透镜) 进行准直【2 7 】【2 9 1 ， 另一种采用平凸透镜f 简称c 透镜) 进行准直。 2 1 1g r i n 透镜的相关计算 g r i n 透镜的的折射率不是均匀的，而是沿其中轴线向外渐变分布的，其基本 参数有中心折射率、聚焦常数4 ( 单位为m m 。) 、节距尸( 单位为m m ) 和半径r ( 单 位为m m ) 。中心折射率即中轴线上的折射率，自聚焦透镜的折射率分布近似为平方 律分布口o 】： 砸) 铀( 1 - 2 ) 当透镜半径为，相对折射率差为，即： a ：n ( r ) - n o ( 2 1 2 ) n 0 可以推导出： 打* u r 五r ( 2 1 3 ) 聚焦常数4 反映了透镜对于光线的汇聚能力。4 越大则焦距越短，透镜的会 聚作用就越强。 华中科技大学硕士学位论文 由于g r i n 透镜的折射率分布为平方律分布，通过求解光线方程可以发现由自 aa a 呵可 一尸_ ， r 图2 1 1 节距尸示意图 聚焦透镜轴上点a 发出的光线在自聚焦透镜中的轨迹为正弦曲线，相关的报道已有 很多，在此不再赘述。如图2 1 1 所示，定义该正弦函数的周期为g r i n 透镜的节距 p ，该长度取决于聚焦常数，有： 一 p = ；兰( 2 1 4 1 4 a 通常在光纤准直器上用到的自聚焦透镜有o 2 1 p 、o 2 3 p 、0 2 4 8 p 、0 2 5 p 等，根 据不同的需要而选取。 从g 6 5 2 单模光纤出射的光束可以被近似为一基模高斯光束，用高斯光束传输 矩阵的方法对其进行计算分析可以方便我们的研究。考虑到自聚焦透镜两端面的折 射效应，假设两端均为空气( n k l ) ，上述自聚焦透镜光线传输矩阵为口1 】： l。c打os(-。,i-a。忆z)n-南。忆sin(x)-azll 砘打s i n ( v ) 。c 。s 忆) j ( 2 t 5 ) 图2 1 2 ( a ) 和( b ) 所示为一平行型双芯准直器的俯视和侧视图，由插于一双孔毛 细管内的两根光纤和自聚焦透镜构成。为了提高准直器的回波损耗，将光纤头的端 面和自聚焦透镜的端面都磨了一个8 0 的楔角，所谓平行型是指双光纤对称放置于楔 形透镜的对称面两侧，均落于对称面上的放置方法称为垂直型。平行型的特点在于 由两根光纤出射的光束一致性好，有相同的工作距离，并且与楔形透镜共享对称面。 垂直型的特点是两出射光束的工作距离有较大的差别，用于某些特殊的场合。在此 我们选用平行型双芯准直器。 华中科技大学硕士学位论文 g r i n 透镜 l j 图2 1 2 平行型自聚焦透镜双芯准直器 设单模光纤纤芯的折射率为伽其中的模场半径为6 ) 0 ，光纤头和透镜的楔角a = 8 0 ，光纤头到透镜端面的距离为d o ，自聚焦透镜对称轴上的长度为岛，光束在自 聚焦透镜中行径的轴向长度为工。从光纤头出射光可认为是一束腰在出射面的高斯 光束，并认为其束腰半径即为光纤中模场半径u o ， 则在其束腰处的g 参数为： 经自聚焦透镜准直输出的传输矩阵为： ( 矧d o l c 岫o s ( f h - l 压- ) ，蓑心 ( 2 1 6 ) =丽aoqo+boql ( 2 1 8 ) 2 瓦i 了瓦 湛) 计算得到最终出射光束的模场半径。j 和波振面半径r ，以此确定所用自聚焦 透镜的工作距离2 z ，其中z 为： 华中科技大学硕士学位论文 z ：生 ( 2 1 9 ) + f 竺1 刀叫l 对于所需的特定工作距离，通过改变而值获得。 从侧视图中我们看到，由于楔角c 的存在，光束从光纤的出射角t 。t 有： t d = a r c s i n ( n ，s i n ( a ) ) 一口 ( 2 1 1 0 ) 有： o _ = t a n ( t 。1 )( 2 1 1 1 ) d o + r c t a n ( a ) 、。 式中惭为光束中心线入射至自聚焦透镜的位置到其对称轴的距离，e h ( 2 1 1 ) 式 可得该入射点处所对应的折射率为： n ( r c l ) = ( 1 一爿r c i 2 )( 2 1 1 2 ) 在此我们可以通过折射定律计算光线入射自聚焦透镜后的切线方向，由此反推， 假如自聚焦透镜的楔角为0 。时，入射光的入射角幻为： 如= 蔫挚川( 2 1 1 3 ， 再由无楔角自聚焦透镜的传输矩阵计算得到光线的最终出射位置和出射角为： 卧陋甜圈 。， 在此，需将 l = l o r l t a n ( a ) ( 2 1 1 5 ) 代入式( 2 1 7 ) 中得到式( 2 1 1 4 ) q b 的传输矩阵。实际制作中我们采用了4 = 0 3 2 6 6 的0 2 3 p 的自聚焦透镜，同时我们根据需要选取特定的工作距离，将此数值 代入得到如= 0 4 9 。由此可见，在竖直方向上从两光纤中出射的光线均有一微小的 倾斜角。 在水平方向上，由于将两光纤紧靠着排列在对称轴两侧，其离轴距离r o 即为光 纤的半径，在此我们近似认为光从光纤中出射后进入一长度为工d 的无楔角自聚焦透 镜，将l = l 。代入式( 2 1 7 ) 中，可得到： 1 6 华中科技大学硕士学位论文 乏驯： 陀1 1 6 ) 其中，t o = 0 。，进而得到两光束的夹角为2 t 厂3 6 9 。 以上计算中我们在侧视和俯视两种情况下均作了一定的近似，实际光线应该是 么篓彩 弓 7 图2 i 3 出射光线立体角 x 一个在侧视图和俯视图中投影近似为幻和2 ，的立体角。如图2 1 3 ，当两相交赢线 的夹角在x y 和x z 平面的投影分别为2 如和如时，立体角芦为： 卢= 2 a r c t a n t a n ( t 1 ) c o s ( t 。3 ) j( 2 1 1 7 ) 代入数值发现，由于幻非常小，p = 3 6 8 9 9 。2 f j ，因此可将幻的影响忽略。 以上计算给出了由自聚焦准直器制成的双芯准直器两光束的出射夹角，在实验 中我们发现，以上计算所得的夹角有时候与实际测量得到的大小存在一定的偏差， 这一方面是由于计算中的近似带来的理论误差，另一方面是加工和装配所产生。经 过大量测量后发现相同型号的材料制成的准直器，其夹角偏差最大达到了0 0 8 0 ， 上述理论计算值在此偏差范围以内。因此用此方法计算是可行的，解决实际制作中 的角度偏差还需要做进一步的修正工作。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2 c 透镜的相关计算 在光纤准直器中用c 透镜来替代g r i n 透镜的想法在几年前就已经得到了很好 的验证。所谓的c 透镜就是普通的平凸透镜，通过球面折射的原理实现光束的准直。 因此，我们只需将c 透镜的传输矩阵替换以上计算中g r i n 透镜的传输矩阵即可。 f 一o - 一一 图2 1 4 平凸透镜 f 一一一 图2 1 4 所示为一平凸厚透镜，其折射率为厚度为t c 。设第一面为凸面，即 r ， o ，r 2 = o 。此时焦距和主平面位置的位置分别为： 厂一严告( 2 1 1 8 ) ：堡( 2 1 1 9 ) 门 ，h = 0( 2 1 2 0 ) 容易得到其传输矩阵为： 1 一生 f 1 一n t r ， f 2 1 2 1 ) 将式( 2 1 2 1 ) 代入式( 2 1 7 ) 并由以上计算可以方便的得到双芯c 透镜准直器两出 射光束夹角。由这种方法计算的结果和实际情况十分接近，但是由于c 透镜加工和 准直器装配过程中的不准确因素带来的每个准直器之间的个体差异，导致了实际夹 角的不一致性，通过测量发现该误差范围也约为- 4 - 0 0 8 0 。 ，旦 厂 华中科技大学硕士学位论文 2 2 新型光学环行器的设计 鉴于以上对双芯准直器的分析，在利用双芯准直器时必须设计相应的光路来匹 配两束出射光束的夹角。在上一章( 见图1 3 6 ) 中我们看到o p l i i l l ( 和k a l f a 两公司分 别用姒核棱镜和渥拉斯顿棱镜与一个双折射晶块实现了光束环路功能，同时实现了 角度匹配。在此基础上，本文提出了一种更为简单的楔形棱镜对结构实现了同样的 功能。这种棱镜的结构如图2 2 1 所示，它与渥拉斯顿棱镜相似，由两块楔形单轴双 图2 2 1 楔形棱镜对立体图 折射晶体粘结而成，其中晶块i 的光轴与两晶体的粘结面平行，晶块i i 光轴与入射 面平行且与水平方向成口角( 见图2 2 2 ) ，因此可以起到偏振分光的作用。由于两晶 体的光轴相互垂直，则从右端入射的一束普通光线，经过晶体1 1 分为两束偏振态相 互垂直的线偏光1 3 ”，然后由于它们各自的偏振态在两块晶体中的折射率不同，发生 如图2 2 2 所示的折射现象，使最终出射光线夹角正好与所用双芯准直器匹配，能同 时耦合进入两条光纤中。设两晶体的两个通光面和底面的夹角从左至右分别为a ，、 卢，、p 、口，设计中令芦，_ p = 口，那么从右至左入射的一束任意偏振态的水 平光束( 方向角庐= o ) 在经过晶体i i 的右端面后分为两束偏振态相互垂直的线偏振光 1 和2 ，先考查光束l ，在晶体i i 中其偏振态垂直于光轴，是寻常光( o 光) ，对应的 折射率为n o ，而当通过粘结面进入晶体i 后，由于其偏振态平行与晶体i 的光轴而 变为非常光( e 光) ，对应的折射率为n e ，由折射定律可以计算得到其最终出射角西，： 1 9 华中科技大学硕士学位论文 图22 2 楔形棱镜对侧视图 = a r c s i n ”。s i n 丌一口，一一a r c s i n ( 薏s i n ( z - a - f l - a r c s i n c 。s a ”，l ，1 l ，+ 口，一号 ( 2 2 1 ) 对于光束2 ，其偏振态在入射面内，因此在晶体i i 中为e 光而在晶体i 中为0 光。由折射定律计算得到光束2 在进入晶体i i 后的波矢量与光轴的夹角为庐t ，由方 程组( 2 2 2 ) 可求得： n ( 识) 2 丽丽覆n o n 丽g ( ：2 ：) 丹( 吮) s i n ( 痧k 十口。一口一要) = c o s ( c 。) t a r i 丸= 与t a n 丸 ( 2 2 3 ) 可得光束2 与光轴的夹角西。同时，可以求得光束2 的出射角西2 为： 珐一n 卜n 卜，母一( 等s i n