【《光纤耦合系统的简介综述》6800字】

1绪论光纤耦合系统的简介综述目录TOC\o"1-3"\h\u7331光纤耦合系统的简介综述 1651.1光纤耦合技术的分类 158531.2光纤的分类 4196031.3光线在光纤中的传输 5176611.3.1阶跃光纤中的光线轨迹以及导模传输条件 5154991.3.2光线传播的相位匹配条件 6274431.4.梯度光纤的传播条件 7143901.5梯度折射率透镜的分类 8152091.5.1轴向梯度折射率透镜 8213831.5.2径向梯度折射率透镜 9175901.5.3球型梯度折射率透镜 11103701.5.4自聚焦透镜的光学参数 121.1光纤耦合技术的分类光纤耦合技术有着了很长的发展经历，以往的耦合方法多是直接耦合，耦合效率低且不易控制；而如今随着光通信器件的发展，光纤耦合方式也随之变得多种多样，可以根据实际情况的需求，来选择合理的光纤耦合方式。目前，常用的耦合技术可以分为光线直接耦合法和利用光学器件连接的间接耦合法。而光纤耦合的间接耦合按结构类型可分为两大类：一是采用分立的小型光学元件的器件组合来作为耦合系统的连接器件，即在光纤与光纤之间插入光学元件的方法,如插入透镜、楔形镜等；二是采用在光纤端面制作微透镜的耦合系统，这种微透镜式的器件通常和光纤端面高度集成化，不可随意拆卸。两种方法的目的都是尽可能降低光纤光场的振幅分布和相位分布的畸变，实现光纤光场的振幅分布和相位分布能够尽可能的达到最大的模式匹配度。其中微透镜式的系统有着诸多的优点：体积小、易于集成封装和加工制作，缺点是制造要求的精度比较高，对制作设备和人工操作以及制作环境也有很高的要求。第一种耦合系统内部各光学元件之间与耦合系统以及光纤是分立的，此时对高斯光源、光学耦合系统和光纤之间的共轴程度有着极高的要求。如果各个分立光学器件的光轴重合程度不符合要求，耦合效率将会降到很低的程度。光能量的损耗极大，光信息的传播距离不稳定，从而导致光纤通信中的丢包和失真等情况。因此在对微透镜系统进行设计的时候，为了保证各个组件之间较高的共轴性，通常采用一些形状特殊、加工精度较高的支承件固定各光学元件，这就使成本较高，并且整体尺寸较大;为减小体积，系统中光学元件的尺寸一般在毫米量级，因而加工困难，价格昂贵。然而这类耦合系统的一个突出优点是通过精确设计和加工,可以最大限度的减低反射损耗、消除像差影响、改善光束非圆对称性，从而实现高效率耦合REF_Ref30112\r\h[9]。这里我们主要主要讨论第一类分离透镜耦合的方法。分离透镜耦合法是指光纤耦合系统内部的各个光学元器件之间相互独立，集成性较低，耦合系统与光纤也是分立的。如果采用分离透镜这样的耦合系统，那么光纤与光线之间以及光纤与耦合系统中的各个元器件之间必须要达到非常高的共轴准直。因此在对这样的耦合系统进行装配的同时，为了保证较高的共轴性，通常可以采用一些形状特殊、加工精度较高的支承件固定各种光学元器件。不过利用这种方法来制造光学元器件的成本非常高，不能普遍应用于光学器件之制造领域，并且组合器件耦合系统的体积通常比较大。为减小体积，要保证各个分立元器件的尺寸在毫米或者微米量级，因而加工难度大，价格昂贵。但是，这类耦合系统有一个突出优点就是通过精确设计和加工可以最大限度地减少反射以及衍射损耗、消除轴向像差和球差的影响、保证光束的共圆对称性，从而得到较高的耦合效率REF_Ref30331\r\h[10]。而分离透镜耦合系统有几种比较常见的分光元件:球透镜、薄透镜、自聚焦透镜、楔形镜、锥形镜等。(1)球透镜耦合球透镜耦合是利用球透镜的特点来作为光纤连接器件的耦合方法。因为球透镜本身的球对称性，其相较于其他形状的透镜来说，只需要将球透镜的球心放到指定位置，装配过程更加简单快捷。球透镜的球差与透镜的焦距成正比，而球透镜的球差会影响光线的成像质量和耦合效率。所以为了减小球差的影响，这种耦合系统中所采用的球透镜一般具有短焦距、折射率高的特点。这种耦合方式的耦合效率不仅和球透镜本身的参数有关，还取决于光纤到透镜表面的距离。（2）自聚焦透镜耦合自聚焦透镜利用了其介质折射率沿梯度分布的特点，近轴光线在自聚焦透镜的光线轨迹近似于周期性的正弦曲线，这个周期被称为自聚焦透镜的节距。自聚焦透镜的焦距与其节距有关系。平端自聚焦透镜球差较严重，会聚光斑较大REF_Ref30733\r\h[2]。因此通常将自聚焦透镜与光纤连接的前端面制成球面，以抵消透镜的球差。利用这样的处理方式，光纤耦合过程的总损耗会降低20%左右。自聚焦透镜本身体积小、数值孔径较大、损耗低，但由于其折射率分布需要精密测量和复杂计算，对于烧制工艺要求极高，透镜的加工过程需要对曲率球面进行精密研磨，增大了制作难度和成本。但自聚焦透镜一般呈圆柱形，相对透镜来说，自聚焦透镜的固定更为简单，配件的契合度更好，自聚焦透镜的特点使得其在光纤通信领域的作用是球透镜所不能达到的REF_Ref30664\r\h[3]。（3）组合透镜耦合现在的光纤耦合系统通常并不是由单个透镜作为光纤之间的连接配件，而是利用柱透镜、球透镜、自聚焦透镜及锥形透镜等多种光学元器件相互组合来提高整体的耦合效率REF_Ref30455\r\h[11]。利用这样的组合方式，可以满足实际情况下不同的需求。但虽然组合透镜耦合这种方法可将耦合效率大幅度提高，但装配过程中确需要用专用的精密夹具来做精密的调整，以达到所有透镜共轴的要求。这样就大大增加了工作的难度，整个耦合系统的体积也会增大，而且最后组装完成的耦合系统还要经过调试和封装才能投入使用。与普通的透镜相比，自聚焦透镜有其独特的优点:体积很小，可使光学系统的结构微型化;端面比较平整光滑，利于光学加工;透镜的焦距会随着其长度改变而改变，光学性能十分优秀。例如，只需调整折射率分布的梯度系数和透镜的长度就可以将透镜的焦距缩小到一个很短的距离，普通透镜则没有这样的特性；它还具有独特的成像性质，一个自聚焦透镜可以代替一些透镜元件组合作为成像元件使用，而且成像的共轭距离还十分短;它的像差可以通过改变透镜材料组分及离子交换工艺来控制。另外，自聚焦透镜还可用于弯曲传像，这在许多医用内窥镜系统应用十分广泛。现如今梯度折射率透镜的主要制备方法有离子交换法、化学气相沉积法、分子填充法、光刻-离子交换法REF_Ref31422\r\h[12]等，现在最常使用离子交换法来制备梯度折射率透镜。但这种技术也存在局限性，例如：通常只能制造小尺寸的透镜；扩散深度小；折射率分布控制困难；封装较为繁琐等等。随着技术设备的革新，近年来又出现了一些新的制造方法，光共聚法，悬浮共聚法。扩散化学反应法和沉淀共聚法等方法，每种方法都可以制作变折射率介质，但都有各自的局限，我们可以按照实际需求和已有设备选择适合的制造方法REF_Ref30556\r\h[13]。总的来说，离子交换法仍是最经济最实用最广泛的制造技术。1.2光纤的分类光纤是指能够传输光波的圆柱形介质光波导，主要由折射率较高的芯层和折射率较低的包层组成，在实际使用时还会有涂敷层、缓冲层、套塑层等起保护作用的外层结构，其横截面半径极小，约为十几到上百微米，长度从几米到上千千米不等。按照芯层折射率分布的不同，可以将光纤分为阶跃光纤和梯度光纤REF_Ref24783\r\h[4]。阶跃光纤的折射率是分层均匀分布的，所以也被称为包层光纤，其折射率分层均匀分布，芯层折射率为，包层折射率为，包层折射率<。阶跃折射率光纤的折射率分布可以表示为REF_Ref25684\r\h[5]：其中a是光纤芯层的半径，r是观测点到光纤光轴的垂直距离。而梯度折射率光纤也被称为渐变光纤，芯层折射率在垂直于光轴的子午面按一定规律均匀变化，折射率分布可表示为：式中，f(r)为折射率分布函数，根据光纤类型的不同具有不同的表达形式，当r<a时，其值在0到1之间单调变化，且有f（0）=0，f（1)=1;Δ为相对折射率差，也被称为光纤的结构参数，是评价光纤质量的重要参数，它的定义为：对于阶跃光纤而言,和n2分别为芯层和包层的折射率;对于梯度光纤，n1是指芯轴（r=0）处的折射率，n2为包层折射率。由于n1和n2的区别的大小十分接近，因此在做计算时有如下近似：光纤的色散质量和损耗大小与光纤的结构参数密不可分。1.3光线在光纤中的传输1.3.1阶跃光纤中的光线轨迹以及导模传输条件光纤在阶跃光纤芯层内沿直线传播，在芯层和包层之间的交界面发生全反射，光线完全的耦合进光纤内部，此时光线将会沿着折线轨迹向光纤的另一端传输，这就是光纤的导模REF_Ref25684\r\h[5]，如果光纤在到达芯层和包层的分界面时没有满足全反射条件，部分光线能量溢出到包层，那么光线就不能在光纤芯层稳定传输，此时的传输模式为辐射模。对于光纤而言，芯层为光密介质，包层为光疏介质，所以当光纤的入射角度满足一定条件时，会发生全反射现象，由折射定律可知：入射角大于全反射临界角时，此时折射角的正弦值大于1，余弦值应为虚数，光疏介质中的光波迅速衰减，此时光线将会被限制在光线的芯层传输，光线的能量被集中在芯层，达到稳定传输的目的，光纤的子午剖面图如图1.1所示。发生全反射现象时的最小入射角被称之为全反射角，定义为：图1.1光线在光纤子午面的传播示意图由此可见，光线想要在光纤中稳定传输，那么对于光线入射光纤端面的角度有所要求，光线1的入射角大于传输介质的全反射角，光束在分界面产生全反射，光线在光纤芯层稳定传输，这就是入射光线必须满足的全反射角条件；光线2的入射角小于介质的全反射角，光束在分界面产生折射，光线会逸散到包层，光线不能稳定传输，所以我们定义光线能够满足全反射角条件的最大端面入射角的正弦值为：这个值为称为光纤的数值孔径，它时评判光纤优劣很重要的变量，反映了在光纤之中能够稳定传播的光线必须满足的入射角条件。一般来说，数值孔径越大，光线所能耦合的能量就越多，决定了光线入射耦合效率的大小。由于不同的斜光线的数值孔径大小不尽相同，所以我们一般以子午光线为准来定义光纤的数值孔径。从数值孔径的定义式可以看出，数值孔径的大小只和光纤芯层和包层的折射率平方差值有关，和光纤的直径、长度、温度等无关，是光纤的固有属性，光纤的结构参数越大，光纤的数值孔径也就越大，这说明从光源到光纤有更大立体角的光纤能够在光纤之中稳定传输，进而得到更高的耦合效率REF_Ref26030\r\h[6]。1.3.2光线传播的相位匹配条件实际上，入射光纤的光纤满足全反射只是光线传输能够满足导模的一个必要条件，不是所有满足全反射角条件的光线都能形成导模，还需要满足相位匹配条件。光线在传播过程中的相位变化主要来自于两个因素：一个是传输路径上的相位延迟，一个是因为界面全反射所引入的相移。如下图，光线从A点到B点的相位差应该为2的整数倍：（1.1）其中m取正整数，这就是光线的导模传播条件，色散方程，从式1.1可以看出光线的波数是离散的，即对光线的传输波长有要求REF_Ref26135\r\h[7]。1.4.梯度光纤的传播条件由于梯度折射率光纤的折射率沿径向是梯度分布的，因此光线的传播轨迹不是直线，而是有规律的曲线，而且光线并不是在芯层和包层的分界面才发生偏折，而是缓慢改变方向至偏折的。梯度光纤中的光纤可以分为子午光线和斜光线两类，子午光线的轨迹类似正弦曲线，在光纤端面的投影是一条直线，而斜光线是在空间中不断螺旋前进的曲线，在光线端面的投影是不规律的曲线。由于斜光线的轨迹较为复杂，在此只讨论子午光线的传播情况，按照光线方程的一般形式有：将其放在柱坐标系中讨论：r为径向坐标，z为轴向坐标，有因为芯层折射率与其他坐标无关，只与径向标有关，既有：所以光线方程可以化简并表示为三个分量方程：利用各个位置矢量的关系化简得到：其中为传播常数，v为方位角模数，由上式可以解出传播常数，一种光线轨迹对应一种传输模式，每种传播模式都有特定的传播常数，由传播常数又可解得光线要稳定传播的波长。对于梯度光纤数值孔径的求解可以采用极限和近似的思想导出，我们仍以子午面内的光线为基准，可以将光纤的子午面细分成许多的薄层，此时每一层的折射率可以看作恒定的常数，每一层介质的折射率按照梯度分布，沿径向向外逐层减少，我们在每层都使用一次斯奈尔定律：其中为光纤入射光纤端面位置里芯轴的距离，a为光线在光纤中发生偏折点的半径。又因为光线能够稳定传输的条件要求转折点必须在芯层内，所以。由此可得对于梯度光纤的数值孔径有：由该式可以看出梯度光纤的数值孔径不仅与光纤的折射率分布有关，还与光线在光纤端面的入射位置有关。在实际应用中，为了得到一个统一的标准，通常取为0，此时，，称为标称数值孔径REF_Ref25684\r\h[5]。1.5梯度折射率透镜的分类由于梯度折射率光学玻璃材料具有特殊的光学特性，因此在微小光学、光纤通信、光纤传感和空间光子学研究领域具有不可替代的优势。梯度折射率材料(GRIN)按照折射率分布的方向分类，主要分为径向、轴向和球面梯度折射率透镜3种REF_Ref31866\r\h[14]。1.5.1轴向梯度折射率透镜对于轴向梯度折射率透镜而言，沿光轴方向（z方向）的折射率按梯度分布，而在垂直于光轴的方向上折射率为常数,示意图如图1.2所示。图1.2轴向梯度折射率透镜示意图轴向梯度折射率分布的表达式为：N(z)=沿坐标方向折射率增大时或玻璃表面折射率小而内部折射率大时，称为正折射率梯度。反之则称逆折射率梯度。若将轴向梯度折射率透镜的两个表面磨成曲面，适当选择折射率分布和曲面的曲率，则可校正单透镜的球差。在许多光学系统中，轴向梯度折射率透镜可在保证成像质量的同时，减少系统光学元件的数量。口腔内窥镜作为近年来国际上开发的最新诊疗设备，就是将轴向自聚焦透镜作为成像元件，除此之外，目前美国陆军M-19望远镜中使用的就是轴向梯度折射率透镜REF_Ref31866\r\h[14]。1.5.2径向梯度折射率透镜径向梯度折射率透镜的折射率在垂直于光轴方向的平面变化，且关于光轴对称分布，在光轴方向折射率不发生变化，示意图如图1.3所示。图1.3径向梯度折射率透镜示意图径向梯度折射率分布透镜的折射率分布表达式为：一般情况下略去四次及以上的高次项，只保留平方项及一下项，此时的折射率成二次分布，习惯上将上式改写为：A就是径向梯度折射率透镜的聚焦常数，为芯轴轴上的折射率。径向梯度折射率透镜在光学成像领域应用广泛。这种透镜由于其光线传输轨迹的特性，也被称之为自聚焦透镜，它与一般的球透镜或是薄透镜的光路有着明显区别。折射率分布的细而长的变折射率光纤也是光波的良好载体,在光线通信中有着不可替代的作用。自聚焦透镜具有导光、准直和成像的作用,是重要的微小光学器件,在内窥镜系统、光信息处理、传感系统、光学透镜以及光通信器件等方面有广阔的应用前景。例如在光通信系统中主要用于光纤准直器、光开关以及光隔离器、光波分复用器等微光学被动组件中。图1.4.1阶跃型透镜的光线传播轨迹与折射率分布示意图图1.4.2渐变型透镜的光线传播轨迹与折射率分布示意图1.5.3球型梯度折射率透镜如果透镜的折射率分布满足如下形式：即折射率分布具有对原点的球面对称形式，则它属于球面梯度折射率透镜，球型梯度折射率透镜示意图如图1.5所示。球面梯度透镜的折射率分布对原点具有球面对称形式，而球面GRIN透镜因其对球心呈球对称形式且无光轴存在，因此利用它可完全消除径向GRIN透镜中离轴空间光线(斜光线)产生的像差。利用离子交换法制得的球面梯度透镜阵列已广泛用于用于集成光学和微小光学等REF_Ref32555\r\h[15]领域。图1.5球型梯度折射率透镜示意图梯度折射率透镜通常有更好的聚焦效果，如图1.6所示：图1.6梯度折射率透镜聚焦效果图球面梯度折射率透镜具有几何形状高度对称:外形易加工；使用时调整方面；不存在斜光线；成像像差小、耦合率高；焦距短；成本低等优点,是最简单、最经济的微小光学器件,梯度折射率透镜在微型光学系统和空间光学等领域中具有广阔的应用前景。其中，径向梯度折射率透镜应用最为广泛REF_Ref32555\r\h[15]。1.5.4自聚焦透镜的光学参数各种梯度折射率透镜有着不同的功用，其中径向梯度折射率透镜应用最为广泛。径向梯度折射率透镜的介质折射率在垂直于光轴的界面有着抛物线一般的分布，这令两个端面为平面的单个径向GRIN棒透镜就具有聚焦成像的能力