SLED中熔锥形透镜光纤耦合设计.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved SL ED中熔锥形透镜光纤耦合设计 宋家军 刘 军 光纤通信技术和网络国家重点实验室 武汉光迅科技股份有限公司 湖北 武汉 430074 摘要 文章提出一种熔锥形透镜光纤的设计方法 与常用的圆锥形保偏单模光纤相比 熔锥形透镜光纤与超辐射发光二极管 SL ED 管芯的耦合效率可由原来的45 提高到60 工作距离由7 m达到超过15 m 且前者的耦合容差远远大于后者 对于新设计的熔锥形透镜光纤 文章还给出了偏移和偏心与耦合效率的关系曲线图 关键词 超辐射发光二极管 熔锥形透镜光纤 光纤耦合 耦合容差 中图分类号 TN253 文献标识码 A 文章编号 100528788 2008 0420041203 Design of fused2cone lensed fiber coupling with superluminescent emitting diode Song Jiajun Liu Jun SKL of OCTN Accelink Technologies Co Ltd Wuhan 430074 China Abstract A design method for fused2cone lensed fibers is presented in this paper Compared with the commonly used cone PM monomode fiber its coupling efficiency with the Super2Luminescent Emitting Diode SLED chip increases from the original 45 to 60 the working distance from 7 m to over 15 m and its coupling tolerance is far bigger than the latter In addi2 tion for this newly designed lensed fiber the graph of coupling efficiency vs offset and eccentricity is given Key words SL ED fused2cone lensed fiber fiber coupling coupling tolerance 超辐射发光二极管 Super2Luminescent Emit2 ting Diode SL ED 是一种介于半导体激光器 LD 与发光二极管 L ED 之间的半导体发光器件 兼有 LD功率大 耦合效率高和L ED频谱宽的优点 是 最近十几年发展起来的一种新型光电器件 主要应 用于光纤陀螺 光纤传感 通信测试仪表和光相干层 析系统等领域 出纤功率是SLED的一个重要参数 随着对高 功率SL ED的需求越来越紧迫 SLED芯片与光纤 的耦合效率成为一个重要的研究课题 目前国内外 报道的与芯片耦合的方式有很多种 其中应用最广 泛的是使用透镜光纤耦合 透镜光纤是在光纤上利 用熔拉 抛磨和刻蚀等特殊工艺制作微透镜 微透镜 的类型也越来越多 在综合考虑加工成本 耦合效 率 耦合容差和工作距离等多个因素的情况下 本文 提出一种与SL ED管芯耦合的熔锥形透镜光纤 1 SL ED管芯与熔锥形透镜光纤 SLED管芯是先利用材料生长工艺生长出多层 半导体材料 然后再依靠光刻 腐蚀和溅射等一系列 工艺制作出来的 其功能就是进行光 电转换 从光纤端面返回的反射光进入管芯后 不仅会 对管芯发光的P2I曲线造成影响 还会产生较大的 纹波 因此可将管芯做成斜腔 以避免更多的反射 光返回管芯中 如图1所示 管芯介质的折射率为 2 3 从斜腔射出的高斯光束的中心光线仍然与光 纤同轴 图1 斜腔SL ED管芯与 透镜光纤的耦合 SLED管芯发光面 的尺寸很小 一般水平 方向有十几个微米 竖 直方向只有几个微米 其 半 峰 全 宽 Full WidthHalfMagni2 tude FWHM 发散角 一般为 水平20 40 竖直30 60 而普通单模光纤的数值孔径 NA 只 有0 12 0 17 与管芯直接耦合时损耗很大 若采 用圆锥形透镜光纤耦合 耦合损耗会小很多 约3 5 dB 但工作距离很短 仅7 m 且透镜光纤的尖端很 容易碰到斜腔管芯而损坏管芯 为了既获得高的耦 合效率和大的工作距离 15 m 又能有大的轴 向容差 可采用熔锥形透镜光纤 熔锥形透镜光纤就是在平整光洁的单模光纤前 熔接一定长度的圆锥形渐变折射率多模光纤 渐变 型多模光纤有较大的NA 一般为0 2 0 3 其等 同于自聚焦透镜 当长度与节距成一定比例时 可以 收稿日期 2008201230 作者简介 宋家军 19822 男 湖北云梦人 硕士 主要从事光器件方面的研究工作 14 2008年 第4期 总第148期 光 通 信 研 究 STUDY ON OPTICAL COMMUNICATIONS 2008 Sum No 148 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 起到压缩发散角或光斑的作用 熔锥形透镜光纤与 发射光斑椭圆率较小的SLED管芯耦合 可以取得 很好的效果 2 耦合模型建立及理论分析 先将多模光纤磨锥角 冷抛磨曲率 平整切割特 定长度 然后再用熔接机使其与保偏单模光纤熔接 制作出熔锥形透镜光纤 如图2所示 根据矩阵光 学中的变换矩阵原理 将熔锥形透镜光纤划分为3 个区间 1 2区间为凸透镜区域 2 3区间为锥形区 域 3 4区间为平面型自聚焦光纤区域 图2 熔锥形透镜光纤 凸透镜的传输矩阵为 M12 10 01 10 d n1 1 01 1 d n 1 d n 1 式中 d R 1 sin 为透镜的厚度 R为透镜的曲 率半径 2 为锥形的锥角 n为渐变折射率型凸透镜 内的等效折射率 n n0 R 为微透镜凸面的光 焦度 n0为轴心折射率 且n0 1 自聚焦光纤的折射率沿径向分布如下式 n r n01 Ar2 2 式中 r表示光纤纤芯横截面上距离圆心的径向尺 寸 A 2 a2 n20 n2a n 2 0是分数折射率差 na表示光纤包层的折射率 a是光纤纤芯半径 0 r a 锥形自聚焦光纤中光纤的路径方程为 x 表示 从光纤横截面上到光轴的径向距离 x z x20 sin2i A sin A n20 Ax 2 0 sin 2 iz arctan x0A sini 3 式中 x0为入射光纤落在图2中第2面 光纤横截 面 上的径向距离 i为入射角 它与SLED管芯的 发散角以及熔锥形光纤的锥角有关 平端自聚焦光纤的传输矩阵为 M34 cos AL sin AL n0 A n0Asin AL cos AL 4 式中 L为渐变折射率型多模光纤的长度 管芯上边缘光线入射到光纤上的高度设为h 若0 rcos 则光线经过2 3变换后再进 入3 4继续传输 若管芯发出的近似高斯分布的光场经过熔锥形 多模光纤变换后的场函数为EL x y 它可由高斯 光束传播的ABCD矩阵求出 而单模光纤的固有场 分布为EF x y 由耦合的模场理论可知 耦合效 率计算如下 EL x y E3F x y dxdy 2 EL x y E3L x y dxdy EF x y E3F x y dxdy 5 3 熔锥形透镜光纤耦合设计 选取管芯的竖直和水平FWHM发散角分别为 30 24 发出的光场近似为高斯分布 中心波长 C为1 440 nm 束腰位于发光端面 由 0 0 187 C sin 2 可计算出竖直和水平方向的 束腰半径分别为 1 04 m 1 3 m 我们采用烽火通信科技股份有限公司提供的 50 125 m多模光纤 其中a 25 m n0 1 461 na 1 444 于是 0 023 节距p 2 A 2 a 2 732 5 m NA n02 0 22 采用的 保偏单模光纤的芯径为8 3 m 1 440 nm下模场直 径约为10 m NA 0 14 为了使SLED与保偏单模光纤有更高的耦合效 率 需要对多模光纤进行设计 也就是分别对其球面 半径R 长度L和锥角2 进行优化 由于所使用的 多模光纤芯径为50 m 远大于管芯的中心波长 1 44 m 因此可利用几何光学中的光纤追迹法计 算出射光功率 使用光学设计软件ZEMAX中的 NSC建模 24 光通信研究2008年 第4期 总第148期 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 可分别考察R L和2 对耦合效率和工作距离 的影响 取2 80 选定3个显著的R值 改变L 模拟结果如图3所示 图3 2 80 3个特定R下耦合效率和工作距离随L变化的曲线 由图3可见 相同L下 R增大 耦合效率降低 但工作距离会增大 轴向的容差也会增大 相同R 下 随着L的增大 耦合效率先增大再减小 而工作 距离则先减小再增大 通过优化设计 在兼顾 耦合效率和工作距离的情况 下 取定R 14 m L 400 m 然后改变2 可得 出耦合效率和工作距离相应 变化的曲线图 如图4所示 图4 R 14 m L 400 m 耦合效率和工作距离随2 变化的曲线 由图4可知 当R和L一定时 随着锥角的增 大 耦合效率先增大再减小 而工作距离则一直减 小 当2 110 时 耦合损耗为0 86 dB 工作距离 超过15 m 为最优化设计 4 耦合容差分析 选定R 14 m L 400 m 2 110 分别 考察横纵向位移 偏心和轴向位移对耦合效率的影 响 结果见图5和图6 图5 横纵向位移和偏心与耦合效率的关系 图6 轴向位移与耦合效率的关系 与SLED管芯耦合 普通单模光纤横向或纵向 错位0 3 m时 光功率下降一半以上 而熔锥形多 模光纤此时容许的横纵向错位为1 2 m 由于熔锥 形多模光纤的数值孔径大于单模光纤 故而其偏心 容差也大于单模光纤 可见 与单模光纤相比 熔锥 形多模光纤耦合更易于机械调节定位 可提高耦合 速度 实现高效量产 5 实验分析 将实际SL ED管芯置于特定支架上 加一定大 小的驱动电流使其发光 在精密的五维微调架上放 置圆锥形保偏单模透镜光纤 R 8 m 2 80 最小耦合损耗为3 5dB 将单模光纤换成按设计加 下转第62页 34 宋家军 等 SLED中熔锥形透镜光纤耦合设计 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 证成功 测试结果证明了客户端与服务器之间实现 双向身份认证的能力 下一步要做的是继续完成密 文隐写系统的测试 4 结束语 本文改进了应用于SIP的HTTP摘要认证的 应用层安全机制 对接收到的SIP消息进行解析的 同时进行一定程度的检测 筛选掉可能存在的非法 SIP消息 对SIP认证头域进行相应扩展 实现服务 器端与客户端的双向身份认证和摘要消息的3DES 加密 这一方案具有较高的加密比特强度 保证了 应用层的安全性能 将消息摘要的密文转换为具有 自然语言统计特性的文本 降低了被破译的可能 参考文献 1 IETF RFC326122002 SIP Session Initiation Protocol S 2 陆立 张鹏生 张华 等 NGN协议原理与应用 M 北京 机械工业出版社 2004 12186 3 李士达 胡玥 王兴秋 等 一种基于ECC的SIP认证 方案的提出与实现 J 计算机应用 2007 27 2 3112 313 4 王宇飞 一种基于HTTP摘要认证的SIP安全通信系 统的实现 D 成都 电子科技大学 2005 10260 5 Dimitris Geneiatakis Georgios Kambourakis Tasos Dagiuklas et al A Framework for Detecting Mal2 formed Messages in SIP Networks J IEEE LAN2 MAN 2005 9 125 6 张岩 SIP协议及其安全机制的研究与实现 D 南 京 东南大学 2006 78279 7 夏智娟 SIP协议的研究与实现 D 南京 南京理工 大学 2005 18227 8 代秀娇 数据密码编码技术在网络通信中的研究及其 应用 D 广州 中山大学 2005 32251 9 任宣映 汉韩语言比较及基于规则的汉韩机器翻译系 统研究 D 北京 清华大学 2004 60263 上接第43页 工的熔锥形透镜光纤 R 14 m L 400 m 2 110 耦合损耗可调节到2 2 dB 且工作距离 和耦合容差明显增大 另外 采用不同参数的熔锥形透镜光纤与同一 SL ED管芯进行耦合 得到的R L和2 与耦合效率 的曲线与模拟的结果吻合 并且耦合容差实验结果 也同模拟分析的现象基本一致 6 结束语 实验结果与理论计算的0 86 dB耦合损耗相比 仍存在差异 主要原因有以下几个方面 1 没有考 虑光在多模光纤和单模光纤中传输时引起的损耗 2 没有考虑菲涅耳反射损耗 3 将SLED输出 光场当作理想的高斯光束分布 4 由于SL ED发 光面束腰相对于多模纤芯很小 故对其作了高斯点 光源的近似 5 测试时单模光纤尾端装FC APC 连接头 引入了新的损耗 虽然选用熔锥形透镜光纤时引入了一个新熔接 面 会增大系统的纹波 但可以通过在光纤端面镀精 密高抗反膜加以抑制 也可以适当增大磨球半径 增 大工作距离以减小反射光 参考文献 1 Wagner R E Tomlinson W