光纤准直器原理

光纤准直器原理 曾孝奇

一. 模型

光纤准直器通过透镜能实现将从发散角较大（束腰小）的光束转换为发散角较小（束腰大）的光束，从而以较低损耗耦合进入其他光学器件。在这里，我们将从光纤中的出射光束认为是基模高斯光束；光纤准直器基本模型如下：

图1 光纤准直器原理示意图

其中，i q （i=0,1,2,3）为高斯光束的q 参数，q 参数定义为：

()()()

z w i z R z q 211πλ-=， （1） ()z f z z R 2

+=，()201???? ??+=f z w z w ，λπ2

0w f =； （2） 图1中，i q （i=0,1,2,3）分别表示光纤端面，透镜入射面，透镜出射面，和出射光束的束腰处的q 参数，而01w 和02w 分别表示透镜变换前后的束腰；l 表示光纤端面与透镜间隔，l w 为准直器的设计工作距离。

二. 理论分析

根据ABCD 理论，高斯光束q 参数经透镜变换后，

D

Cq B Aq q ++=112， （3）

而且，l q q +=01，2/32w l q q -=，12010if w i q ==λπ，22023if w i q ==λ

π。 这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小： ()()2120102Cf D Cl BC AD w w ++-=， （4）

工作距离：

()()()()2

12212Cf D Cl ACf D Cl B Al l w +++++-=， （5） 方程（5）是关于l 的二次方程，为使得l 有实根，方程（5）的判别式应该不小于零，从而我们可以得到：

1

212f C ACf BC AD l w --≤， （6） 方程（6）表示准直器的工作距离有上限，就是一个最大工作距离

()()121max /2f C ACf BC AD l w --=。此时，我们得到：C

D f l -=1。 分析：不论对于何种透镜，准直器的出射光斑和工作距离都取决于透镜的传输矩阵ABCD ；对于给定的透镜，它们还跟入射光斑大小和光纤端面与透镜间的距离l 有关，也就是说，对于给定的入射光束和给定的透镜，我们可以通过在透镜焦距附近改变l 来实现不同的工作距离。在实际制作准直器当中，我们正是通过这种方法来实现不同的工作距离的。

进一步地，如果我们需要定量计算准直器的出射束腰和工作距离，需要具体知道不同透镜的ABCD 系数。对于G Lens （自聚焦透镜，通常为0.23P ），它的ABCD 矩阵为：

()()()()

??????????-=??????L A L A A n L A A n L A D C B A o o cos sin sin 1cos ， （7）

其中，0n 透镜的透镜的轴线折射率，L 为透镜的中心厚度，A 为透镜的聚焦常数。由于G Lens 的ABCD 系数取决于0n ，L 和A ，因而，适当选择这些参数，同样能改变准直器的出射光斑大小和工作距离。

对于 C lens(厚透镜)，它的传输矩阵为：

()??????????-+-=??????nR L n R

n n L D C B A 1111。 （8） 三．实例分析

本小组采用C lens 已制作的一些准直器，C lens 参数如下：

曲率半径R=1.2mm ，透镜长度L=2.5mm ，C lens 采用SF11材料，在1550nm 处折射率n=1.744742。另外，从单模光纤SMF28出射的光斑半径为μm 501=w 。这样，根据以上理论分析，我们容易得到出射光在不同位置的光斑大小，并且，我们将理论计算值与Beamscan 得到的测量值比较，如下表：

表1 已制作C lens 准直器beamscan 数据与理论计算值比较

说明：产生“两个焦点”原因在于对于给定的工作距离l w方程（5）关于l的解有两个，一个近，一个远，实际中，应取离透镜近的才能获得发散角小的光束。在实际制作准直器中应当注意这个问题。

上面提到，对于给定的透镜，准直器出射光束大小和工作距离取决于光纤端面与透镜间的距离l，我们可以从下图定性了解这种变化关系。

图2 工作距离l w与l的关系。

图3 出射光斑大小与工作距离l w的关系。其中，近场距离为7mm，

远场距离为110mm。

图4 出射光发散角与工作距离l w的关系。

从图2，我们可以看到，随着l的增加，工作距离l w先增后减，当l=0.2306mm 时，工作距离l w=54.44mm为最大值。该最大值由透镜决定的，无论怎样改变l，工作距离也不可能超过它，因此在实际制作准直器中应当考虑这个问题。从方程

（6） 和（8），我们也可以得到C lens 准直器的最大工作距离的表达式：

()()

22012

22012max 1121-≈-+-=n w R n R n w R l w πλπλ。 （9） 在这里，由于R~mm ， n-1~1，在估算C lens 准直器最大工作距离时我们可以省略掉1

2-n R 项。从方程（9），我们可以看到，C lens 准直器的最大工作距离是由它的曲率半径决定的，它跟曲率半径的平方成正比，因此我们可以容易选用大的曲率半径的C lens 获得较大的工作距离，这也是C lens 区别于G lens 的一个地方。例如，如果我们选用曲率半径R=1.8mm 的 C lens ，我们可以得到最大工作距离是120mm 的准直器。

当工作距离在最大值以时，有两个不同的l 同时能满足工作距离的要求，一个近，一个远，就如我们上面计算看到的，例如，当l w =25mm, l =0.1897, 0.4056mm 。为获得发散角小的光束，我们应当取l <=0.2306mm ，这个问题在实际制作准直器中同样应当考虑到，当l <=0.2306mm 时，l w 的变化随l 变化很敏感，例如，当l =0.1773mm, l w =1mm ，当l =0.1870mm ，l w =20mm ，这意味中我们在制作准直器中调节l 要很缓慢。图3和图4分析了不同工作距离对出射光束的影响。从图3，我们可以看到，在最大工作距离，近场光斑在300μm 附近变化，远场光斑在700μm 附近变化；近场光斑和束腰大小随着工作距离的增加而减小，而远场光斑随工作距离增加先减小，在45mm 附近有稍稍增加。从图4，在最大工作距离，随着工作距离的增加，光束的发散角从 6.2mrad (0.3552°)单调增加至7.4mrad （0.4240°），这说明，工作距离越小，所获得光束准直效果越好。

四．总结

本文简要分析了准直器的工作原理，并定量分析了影响出射光束腰大小和工作距离的因素，对于给定的透镜，我们可以通过改变光纤端面与透镜距离来实现工作距离的调节。同时，我们将理论结果分析了几个实际的C lens准直器，分析表明，理论结果与beamscan测量值符合得较好。除此，我们还分析了l对工作距离的影响，不同工作距离对出射光束大小的影响。

光纤准直器的结构与参数

?光纤准直器是光无源器件中的一个重要的组件，在光通信系统中有着非常普遍的应用。 它是由单模尾纤和准直透镜组成，具有低插入损耗，高回波损耗，工作距离长，宽带宽，高 稳定性，高可靠性，小光束发散角，体积小和重量轻等特点。可将光纤端面出射的发散光束变换为平行光束，或者将平行光束会聚并高效率耦合入光纤，是制作多种光学器件的基础器件，因此被广泛应用于光束准直，光束耦合，光隔离器，光衰减器，光开关，环行器， ＭＭ，密集波分复用器ＥＳ之中。 目录 ?光纤准直器的结构与参数 ?光纤准直器的原理 ?光纤准直器的优点 ?光纤准直器的装配 光纤准直器的结构与参数 ?光纤准直器的结构参数如图5 所示，因光纤头端面的8 度斜角，造成输出光束与准直器轴线存在夹角θ，称为点精度。图6 所示为两准直器的理想耦合情况，二者的输出光场完全重合，其间距为准直器的工作距离Zw。准直器输出高斯光束的束腰距离其端面Zw/2，束腰直径为2ωt，而高斯光束的发散角与其束腰直径成反比关系。到此我们介绍了光纤准直器的三个主要参数：工作距离、点精度和光斑尺寸。 光纤准直器的原理 ?光纤准直器的基本原理是，将光纤端面置于准直透镜的焦点处，使光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤端面位置，得到所需工作距离，因此准直器的工作距离与光纤头和透镜的间距L相关。光纤准直器的设计方法是，根据实际需求确定准直器的工作距离，依据高斯光束传输理论，确定光纤头和透镜间距L并计算光斑尺寸，然后依据光线理论计算准直器的点精度。 光纤准直器的优点 ?低插损、高回损、尺寸小 工作距离长、宽带宽

高稳定性、高可靠性 光纤准直器的装配 (1)采用斜端面插针耦合,可大大提高光纤准直器的回波损耗,当斜面倾角为8°01%增 透膜时,光纤准直器的时,光纤准直器的自聚焦透镜后端面镀反射率为0.回波损耗可达 60dB。采用斜端面插针耦合,主要是为了满足器件高回波损耗的求,角度越大,准直器的回波损耗越大。但插针的端面角度越大,准直器的插入损耗就会越大(要求是:插入损耗越小越好,回波损耗越大越好),这和准直器要求的低插入损耗矛盾,对于准直器插入损耗而言,透镜和毛细管是垂直端面最为理想。因此本文采用8°是针对环行器在这种互相制约关系下的一个折中。视应用场合不同其端面斜角可做成6°、8°、9°、11°或任何角度。 (2)透镜与光纤毛细管端面的间隙也主要是和器件高回波损耗有关,为了达到器件高回 波损耗的要求,其间隙一般大于200μm,当间隙大于200μm,器件的回波损耗值近似达到理论上最大值。但透镜和毛细管端面的间隙越大,同时会造成准直器的插入损耗增大,这又是一对矛盾,根据准直器图纸的精度要求,其间隙是0.385mm,这同时能满足高回波损耗的距离要求,也能使其插入损耗达到要求。准直器的插入损耗和回波损耗相比较而言,回波损耗更容易保证,因此在准直器装配时,以其插入损耗为检测依据,就是这个道理。

光纤准直器原理

光纤准直器原理 曾孝奇 一. 模型 光纤准直器通过透镜能实现将从发散角较大（束腰小）的光束转换为发散角较小（束腰大）的光束，从而以较低损耗耦合进入其他光学器件。在这里，我们将从光纤中的出射光束认为是基模高斯光束；光纤准直器基本模型如下： 图1 光纤准直器原理示意图 其中，i q （i=0,1,2,3）为高斯光束的q 参数，q 参数定义为： ()()() z w i z R z q 211πλ-=， （1） ()z f z z R 2 +=，()2 01??? ? ??+=f z w z w ，λπ2 0w f =； （2） 图1中，i q （i=0,1,2,3）分别表示光纤端面，透镜入射面，透镜出射面，和出射光束的束腰处的q 参数，而01w 和02w 分别表示透镜变换前后的束腰；l 表示光纤端面与透镜间隔，l w 为准直器的设计工作距离。 二. 理论分析 根据ABCD 理论，高斯光束q 参数经透镜变换后， D Cq B Aq q ++= 112， （3） 而且，l q q +=01，2/32w l q q -=，12 010if w i q ==λπ，22 023if w i q ==λ π。

这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小： () () 2 12 01 02Cf D Cl BC AD w w ++-=， （4） 工作距离： ()()()()2 12212 Cf D Cl ACf D Cl B Al l w +++++-=， （5） 方程（5）是关于l 的二次方程，为使得l 有实根，方程（5）的判别式应该不小于零，从而我们可以得到： 1 2 1 2f C ACf BC AD l w --≤ ， （6） 方程（6）表示准直器的工作距离有上限，就是一个最大工作距离 ()() 121max /2f C ACf BC AD l w --=。此时，我们得到：C D f l - =1。 分析：不论对于何种透镜，准直器的出射光斑和工作距离都取决于透镜的传输矩阵ABCD ；对于给定的透镜，它们还跟入射光斑大小和光纤端面与透镜间的距离l 有关，也就是说，对于给定的入射光束和给定的透镜，我们可以通过在透镜焦距附近改变l 来实现不同的工作距离。在实际制作准直器当中，我们正是通过这种方法来实现不同的工作距离的。 进一步地，如果我们需要定量计算准直器的出射束腰和工作距离，需要具体知道不同透镜的ABCD 系数。对于G Lens （自聚焦透镜，通常为0.23P ），它的ABCD 矩阵为： () () () () ?? ? ? ???? ?? -=??????L A L A A n L A A n L A D C B A o o cos sin sin 1 cos ， （7） 其中，0n 透镜的透镜的轴线折射率，L 为透镜的中心厚度，A 为透镜的聚焦常数。由于G Lens 的ABCD 系数取决于0n ，L 和A ，因而，适当选择这些参数，同样能改变准直器的出射光斑大小和工作距离。 对于 C lens(厚透镜)，它的传输矩阵为：

光纤准直器原理

3) 而且， q 1 q 0 l ， q 2 q 3 l w /2， q 0 i 2 w01 if 1， q 3 i 2 w 02 2 if 2。 一 . 模型 光纤准直器通过透镜能实现将从发散角较大 (束腰小) 的光束转换为发散角 较小(束腰大)的光束，从而以较低损耗耦合进入其他光学器件。在这里，我们 将从光纤中的出射光束认为是基模高斯光束；光纤准直器基本模型如下： 其中， q i ( i=0,1,2,3 )为高斯光束的 q 参数，q 参数定义为： 图 1 中， q i (i=0,1,2,3 )分别表示光纤端面，透镜入射面，透镜出射面，和出 射光束的束腰处的 q 参数，而w 01和 w 02分别表示透镜变换前后的束腰； l 表示光 纤端面与透镜间隔， l w 为准直器的设计工作距离。 二 . 理论分析 根据 ABCD 理论，高斯光束 q 参数经透镜变换后， Aq 1 B q2 Cq 1 D ， 光纤准直器原理 曾孝奇 11 qz Rz i w 2z ， 1) 2 ， w z w 0 1 2 w 2)

这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小： AD BC w 02 w 01 2 Cl D 2 Cf 1 工作距离： 2 l 2 Al B Cl D ACf 12 ， （ 5） l w 2 2 2 ， （ 5） w Cl D 2 Cf 1 2 方程（ 5）是关于 l 的二次方程，为使得 l 有实根，方程（ 5）的判别式应该不小 于零，从而我们可以得到： AD BC 2ACf 1 ， w 2 ， C 2 f 1 方程（ 6）表示准直器的工作距离有上限，就是一个最大工作距离 2D l wmax AD BC 2ACf 1 / C 2 f 1 。此时，我们得到： l f 1 D 。 C 分析：不论对于何 种透镜， 准直器的出射光斑和工作距离都取决于透镜的传 输矩阵 ABCD ；对于给定的透镜，它们还跟入射光斑大小和光纤端面与透镜间的 距离 l 有关， 也就是说，对于给定的入射光束和给定的透镜， 我们可以通过在透 镜焦距附近改变 l 来实现不同的工作距离。 在实际制作准直器当中， 我们正是通 过这种方法来实现不同的工作距离的。 进一步地， 如果我们需要定量计算准直器的出射束腰和工作距离， 需要具体 知道不同透镜的 ABCD 系数。对于 G Lens （自聚焦透镜，通常为 0.23P ），它的 ABCD 矩阵为： 1 cos AL 1 sin AL n o A ， （ 7） n o Asin AL cos AL 其中，n 0 透镜的透镜的轴线折射率， L 为透镜的中心厚度， A 为透镜的聚焦常数。 由于G Lens 的ABCD 系数取决于 n 0，L 和 A ，因而，适当选择这些参数，同样能 改变准直器的出射光斑大小和工作距离。 对于 C lens （ 厚透镜 ） ，它的传输矩阵为： 4） 6） C A D B

光纤准直器的分析和比较

文章来源: https://www.sodocs.net/doc/9a5237382.html,/schemes/scheme-27.htm 在自由空间型的光无源器件（如光隔离器、光环形器、光开关等）中，输入和输出光纤端面必须间隔一定距离，以便在光路中插入一些光学元件，从而实现器件功能。从光纤输出的高斯光束（实际为近高斯光束，可以高斯光束近似处理），束腰半径较小而发散角较大，两根光纤之间的直接耦合损耗对其间距极其敏感，光纤准直器扮演这样一种功能，将从光纤输出的光准直为腰斑较大而发散角较小的光束，以增加对轴向间距的容差，如图 4 所示，从图 2（c）（d）亦可看出准直器对轴向容差的改善。 光纤准直器的结构和参数 光纤准直器的结构参数如图 5 所示，因光纤头端面的 8 度斜角，造成输出光束与准直器轴线存在夹角θ，称为点精度。图 6 所示为两准直器的理想耦合情况，二者的输出光场完全重合，其间距为准直器的工作距离Zw。准直器输出高斯光束的束腰距离其端面Zw/2，束腰直径为 2ωt，而高斯光束的发散角与其束腰直径成反比关系。到此我们介绍了光纤准直器的三个主要参数：工作距离、点精度和光斑尺寸。 光纤准直器的设计方法 光纤准直器的基本原理是，将光纤端面置于准直透镜的焦点处，使光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤端面位置，得到所需工作距离，因此准直器的工作距离与光纤头和透镜的间距 L相关。光纤准直器的设计方法是，根据实际需求确定准直器的工作距离，依据高斯光束传输理论，确定光纤头和透镜间距 L并计算光斑尺寸，然后依据光线理论计算准直器的点精度。具体设计步骤如下： a) 确定所需工作距离Zw； b) 列出从光纤端面至输出光束束腰位置的近轴光线传输矩阵； 下面以 Grin-Lens准直器为例：

光纤准直器原理

(5) 一. 模型 光纤准直器通过透镜能实现将从发散角较大（束腰小）的光束转换为发散角较小（束腰 大）的光束，从而以较低损耗耦合进入其他光学器件。在这里，我们将从光纤中的出射光束 认为是基模高斯光束；光纤准直器基本模型如下： 图1光纤准直器原理示意图 其中，q i （i=0,1,2,3）为高斯光束的q 参数，q 参数定义为： i i ； （i ） q z R z 1 2 ? w z 丄2 2 2 f “ z 上 w 0 R z z ， w z Wo .〔 一 ， f 7 （2） z \ f 图1中，q i （i=0,1,2,3）分别表示光纤端面，透镜入射面，透镜出射面，和出射光束的束腰 处的q 参数，而w oi 和W 02分别表示透镜变换前后的束腰；I 表示光纤端面与透镜间隔，l w 为 准直器的设计工作距离。 二. 理论分析 根据ABCD 理论，高斯光束q 参数经透镜变换后, 工作距离: 2 Al B Cl D ACf i 光纤准直器原理 曾孝奇 q 2 Aq i Cq i (3) 2 而且， q i q o 1 ， q 2 q 3 I w /2 ， q o i if i ， q 3 2 ? W 02 i - if 2。 这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小: W 02 (4) W oi

2 严， Cf i Cl D 2 (5)

方程（5）是关于I 的二次方程，为使得I 有实根，方程（5）的判别式应该不小于零，从而 我们可以得到： AD BC 2ACf i C 2f i 方程（6）表示准直器的工作距离有上限，就是一个最大工作距离 I wmax AD BC 2ACf i /C 2f i o 此时，我们得至U ： I f 1 -。 C 分析：不论对于何种透镜，准直器的出射光斑和工作距离都取决于透镜的传输矩阵 ABCD ;对于给定的透镜，它们还跟入射光斑大小和光纤端面与透镜间的距离 I 有关，也就 是说，对于 给定的入射光束和给定的透镜，我们可以通过在透镜焦距附近改变 I 来实现不同 的工作距离。在实际制作准直器当中，我们正是通过这种方法来实现不同的工作距离的。 进一步地，如果我们需要定量计算准直器的出射束腰和工作距离，需要具体知道不同透 镜的ABCD 系数。对于G Lens （自聚焦透镜，通常为0.23P ）,它的ABCD 矩阵为： A C B cos JAL — si n VAL D n -A ， (7) n o J A s in UAL cos JAL 其中，n 。透镜的透镜的轴线折射 率， L 为透镜的中心厚度，、A 为透镜的聚焦常数。由于G Lens 的ABCD 系数取决于n o ，L 和.A ，因而，适当选择这些参数，同样能改变准直器的出射光 斑大小和工作距离。 对于C Iens （厚透镜），它的传输矩阵为： A C 三. 实例分析 本小组采用C lens 已制作的一些准直器， 曲率半径R=1.2mm ,透镜长度L=2.5mm ，C lens 采用SF11材料，在1550nm 处折射率 n=1.744742另外，从单模光纤SMF28出射的光斑半径为 w °1 5 口m 。这样，根据以上理论 分析，我们容易得到出射光在不同位置的光斑大小，并且，我们将理论计算值与 Beamsca n 得到的测量值比较，如下表： (6) 门 o (8) C lens 参数如下:

光纤准直器的应用和发展趋势

光纤准直器的应用和发展趋势 发表时间：2019-09-03T16:54:29.790Z 来源：《科学与技术》2019年第07期作者：程义[导读] 本文的研究主要结合了光纤准直器的概念以及具体的设计结构，分析光纤准直器的应用及发展前景。 光库科技股份有限公司广东省珠海市 519080 摘要：光纤通信已经成为了当今社会不可缺少的神经系统，在光纤通信高速发展的今天，光纤准直器被广泛的运用在光通信系统之中。本文的研究主要结合了光纤准直器的概念以及具体的设计结构，分析光纤准直器的应用及发展前景。 关键词：光前准直器；应用；发展趋势；价值引言：光纤准直器是光纤通信系统中重要的器件之一，主要的作用是消耗光源信号的能量，实现信号的连接。光纤准直器具有使用价值的光纤无源器件，在光纤通讯过程中的应用广泛，应用的范围较大。光纤通信目前正在朝向大容量、高速率的方向发展，而光纤准直器正是光纤通信发展的元件之一，因此光纤准直器的重要性日益突出，而光纤准直器也成为了光纤器械中的重要组成器件之一可以有效促进 光纤传感、光纤通讯领域的快速发展。 1.光纤准直器及发展 光纤准直器作为光纤通信系统中的重要组成部分，其在光通信系统中具有广泛的应用。光纤准直器的存在可以促进光纤的耦合，通过压缩发散角实现光的准直平行出射，促使光耦合。光纤准直器将自由空间的激光耦合到单模和多模。光纤准直器的体积小，重量轻，光纤准直器还可以有效的将光源元件端面发射，被广泛的应用在光波分复用器、光隔离器和光环形器等多种器件的应用之中。光纤准直器主要是结合自聚焦透镜（或者Clens）的工作原理而形成的。光纤准直器通过透镜就会转化为平行光线，在激光应用中，高斯光束需要通过各种光学元件，光纤准直器就是发散的高斯光束透过透镜（自聚焦透镜、Clens、非球面透镜等），形成准直的高斯光束。光纤准直器作为基本的光学器件，也是光纤通信系统中重要的元件之一，作用和用途就是对于光纤传输的光准直来提高光束间的耦合性。本文的研究主要是结合光纤准直器的相关理论和具体组成部分，分析光纤准直器的使用价值和应用原理。从发展前景的角度来看，2018年全球应用于光通信的光纤准直器透镜组件的消费值达到3.43亿美元，年增幅19.34%。目前单个透镜光纤准直器组件在整体市场中的占主导地位，准直器透镜广泛应用于光子产品中，但他们这份市场研究专注于应用在光通信器件中的微型准直器透镜组件。光准直器透镜成为了光器件行业增长的一个关键指标。 2.光纤准直器的结构 2.1准直器的结构 光纤准直器的基本结构包括pigtail、透镜和外封。根据pigtail的尾纤数量分为单线光纤准直器、双线光纤准直器、四线光纤准直器、阵列光纤准直器等。根据光纤的类别，光纤准直器可分为普通的光纤准直器、保偏光纤准直器和特种光纤准直器。 保偏双线光纤准直器是应用于光环行器中的基本元件，为了确保准直器中双光纤准直器中两路光均以较高的消光比传输，首先要保证光纤的插芯方向是相互垂直的慢轴方向处于一定的角度范围，具体的结构在制作过程中，需要将两根光纤的位置相互对接进行调节，通过来调节来确保光纤准直器中两根光纤的位置，促使两个两根光纤之间的消光比可以达到一定范围，保证具体的元件插入时损耗，均衡元件插入时损耗的均衡值，为更复杂的器件做出保障。 2.2斜端面透镜设计和理论分析 在实际应用中，由于光纤准直器的连接处存在相应的信息光的透射率，相对来就会产生反射，通常情况下，这种反射光也会满足于相应的传输条件，它们将返回光线，不断地放大，严重影响的种子光源或光纤放大器的稳定工作。近几年来光纤准直器的应用实用系统中端面采用斜角（一般角度设计在8度），这样可以在一定程度上确保光纤传输的条件，同时由于大部分的光线在反射的过程中并不能满足光纤传输的要求。因此，通过光纤准直器的应用，很大程度提高回波的损耗（回波损耗一般都在60dB以上），较好地满足器件的使用价值。 3.光纤准直器的应用 光纤准直器的光纤器械被广泛的应用在光通信和光纤传感之中，而光纤准直器也是作为光纤器件之一，应用在光通信系统上。对于光纤准直器是制作光隔离器、光开光、光环形器、光探测器、光衰器件的主要原件。（光纤准直器在插入损耗和回拨损耗的过程中是通过自透镜的损耗来改善透镜的性能通常情况下可以通过二次离子交换法的应用来加强自聚焦透镜性能的完善，促使光纤准直器器械的使用价值不断提升。此句完成不是光纤准直器的应用，这个是介绍自聚焦透镜） 3.1 小型化光纤准直器 正常的光纤准直器外径在2.8mm左右，mini的光纤准直器外径可以做到1.3-1.4mm。有一类产品是基于光纤熔接玻璃棒的结构，尺寸可以做到更小，甚至等同于光纤的大小，外径可以到125μm或者250μm。从而极大地缩小光学元件的尺寸，使其为未来的5G甚至更快的网速提供基础。 3.2 高功率光纤准直器 一般通信的功率大约在mW级，但是准直器同样可以做到十W、百W甚至几百W。这些高功率的光纤准直器，主要用于工业的切割和激光武器中。 3.3 特殊光斑光纤准直器 特殊光斑准直器分为大光斑准直器和小光斑准直器。大光斑准直器由于其发三角非常小，准直距离非常长，可以用于三维距离探测、远距离通讯等。小光斑准直由于其光斑极小，一般在十几μm甚至几μm，其能量密度非常高，可以用于光纤传感、超快激光、激光切割等。 结束语 综上所述，光纤准直器的工作原理是在结合高斯光束原理基础上进行的，可以有效的促使光纤准直器被运用在光纤通信系统、激光系统和传感系统之中。光纤准直器的应用可以有助于促进光纤系统的完善，有助于光线的长距离接收。我们通过从实用的角度上探讨了光纤准直器的应用，同时结合具体的光纤准直器工作原理，分析了光纤准直器的实用性，目前由于光纤准直器应用得不断发展，所以光纤准直器在光学系统中具有广泛的使用价值。

光纤准直器原理

光纤准直器原理 曾孝奇 一. 模型 光纤准直器通过透镜能实现将从发散角较大（束腰小）的光束转换为发散角较小（束腰大）的光束，从而以较低损耗耦合进入其他光学器件。在这里，我们将从光纤中的出射光束认为是基模高斯光束；光纤准直器基本模型如下： 图1 光纤准直器原理示意图 其中，i q （i=0,1,2,3）为高斯光束的q 参数，q 参数定义为： ()()() z w i z R z q 211πλ-=， （1） ()z f z z R 2 +=，()201???? ??+=f z w z w ，λπ2 0w f =； （2） 图1中，i q （i=0,1,2,3）分别表示光纤端面，透镜入射面，透镜出射面，和出射光束的束腰处的q 参数，而01w 和02w 分别表示透镜变换前后的束腰；l 表示光纤端面与透镜间隔，l w 为准直器的设计工作距离。 二. 理论分析 根据ABCD 理论，高斯光束q 参数经透镜变换后， D Cq B Aq q ++=112， （3） 而且，l q q +=01，2/32w l q q -=，12010if w i q ==λπ，22023if w i q ==λ π。

这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小： ()()2120102Cf D Cl BC AD w w ++-=， （4） 工作距离： ()()()()2 12212Cf D Cl ACf D Cl B Al l w +++++-=， （5） 方程（5）是关于l 的二次方程，为使得l 有实根，方程（5）的判别式应该不小于零，从而我们可以得到： 1 212f C ACf BC AD l w --≤， （6） 方程（6）表示准直器的工作距离有上限，就是一个最大工作距离 ()()121max /2f C ACf BC AD l w --=。此时，我们得到：C D f l -=1。 分析：不论对于何种透镜，准直器的出射光斑和工作距离都取决于透镜的传输矩阵ABCD ；对于给定的透镜，它们还跟入射光斑大小和光纤端面与透镜间的距离l 有关，也就是说，对于给定的入射光束和给定的透镜，我们可以通过在透镜焦距附近改变l 来实现不同的工作距离。在实际制作准直器当中，我们正是通过这种方法来实现不同的工作距离的。 进一步地，如果我们需要定量计算准直器的出射束腰和工作距离，需要具体知道不同透镜的ABCD 系数。对于G Lens （自聚焦透镜，通常为0.23P ），它的ABCD 矩阵为： ()()()() ??????????-=??????L A L A A n L A A n L A D C B A o o cos sin sin 1cos ， （7） 其中，0n 透镜的透镜的轴线折射率，L 为透镜的中心厚度，A 为透镜的聚焦常数。由于G Lens 的ABCD 系数取决于0n ，L 和A ，因而，适当选择这些参数，同样能改变准直器的出射光斑大小和工作距离。 对于 C lens(厚透镜)，它的传输矩阵为：

光纤准直器原理

光纤准直器原理 曾孝奇 一. 模型 光纤准直器通过透镜能实现将从发散角较大（束腰小）的光束转换为发散角较小（束腰大）的光束，从而以较低损耗耦合进入其他光学器件。在这里，我们将从光纤中的出射光束认为是基模高斯光束；光纤准直器基本模型如下： 图1 光纤准直器原理示意图 其中，i q （i=0,1,2,3）为高斯光束的q 参数，q 参数定义为： ()()() z w i z R z q 211πλ-=， （1） ()z f z z R 2 +=，()201???? ??+=f z w z w ，λπ2 0w f =； （2） 图1中，i q （i=0,1,2,3）分别表示光纤端面，透镜入射面，透镜出射面，和出射光束的束腰处的q 参数，而01w 和02w 分别表示透镜变换前后的束腰；l 表示光纤端面与透镜间隔，l w 为准直器的设计工作距离。 二. 理论分析 根据ABCD 理论，高斯光束q 参数经透镜变换后， D Cq B Aq q ++=112， （3）

而且，l q q +=01，2/32w l q q -=，12010if w i q ==λπ，22023if w i q ==λ π。 这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小： ()()2120102Cf D Cl BC AD w w ++-=， （4） 工作距离： ()()()()2 12212Cf D Cl ACf D Cl B Al l w +++++-=， （5） 方程（5）是关于l 的二次方程，为使得l 有实根，方程（5）的判别式应该不小于零，从而我们可以得到： 1 212f C ACf BC AD l w --≤， （6） 方程（6）表示准直器的工作距离有上限，就是一个最大工作距离 ()()121max /2f C ACf BC AD l w --=。此时，我们得到：C D f l -=1。 分析：不论对于何种透镜，准直器的出射光斑和工作距离都取决于透镜的传输矩阵ABCD ；对于给定的透镜，它们还跟入射光斑大小和光纤端面与透镜间的距离l 有关，也就是说，对于给定的入射光束和给定的透镜，我们可以通过在透镜焦距附近改变l 来实现不同的工作距离。在实际制作准直器当中，我们正是通过这种方法来实现不同的工作距离的。 进一步地，如果我们需要定量计算准直器的出射束腰和工作距离，需要具体知道不同透镜的ABCD 系数。对于G Lens （自聚焦透镜，通常为0.23P ），它的ABCD 矩阵为： ()()()() ??????????-=??????L A L A A n L A A n L A D C B A o o cos sin sin 1cos ， （7）

光纤准直器原理

光纤准直器原理 曾孝奇 一.模型 光纤准直器通过透镜能实现将从发散角较大（束腰小）的光束转换为发散角较小（束腰大）的光束，从而以较低损耗耦合进入其他光学器件。在这里，我们将从光纤中的出射光束认为是基模高斯光束；光纤准直器基本模型如下： 图1 光纤准直器原理示意图 其中，（i=0,1,2,3）为高斯光束的q参数，q参数定义为： ，（1） ，，；（2）图1中，（i=0,1,2,3）分别表示光纤端面，透镜入射面，透镜出射面，和出射光束的束腰处的q参数，而和分别表示透镜变换前后的束腰；l表示光纤端面与透镜间隔，l w为准直器的设计工作距离。 二.理论分析 根据ABCD理论，高斯光束q参数经透镜变换后，

，（3）而且，，，，。 这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小： ，（4）工作距离： ，（5）方程（5）是关于l的二次方程，为使得l有实根，方程（5）的判别式应该不小于零，从而我们可以得到： ，（6）方程（6）表示准直器的工作距离有上限，就是一个最大工作距离 。此时，我们得到：。 分析：不论对于何种透镜，准直器的出射光斑和工作距离都取决于透镜的传输矩阵ABCD；对于给定的透镜，它们还跟入射光斑大小和光纤端面与透镜间的距离l有关，也就是说，对于给定的入射光束和给定的透镜，我们可以通过在透镜焦距附近改变l来实现不同的工作距离。在实际制作准直器当中，我们正是通过这种方法来实现不同的工作距离的。 进一步地，如果我们需要定量计算准直器的出射束腰和工作距离，需要具体知道不同透镜的ABCD系数。对于G Lens（自聚焦透镜，通常为0.23P），它的ABCD矩阵为：

，（7） 其中，透镜的透镜的轴线折射率，L为透镜的中心厚度，为透镜的聚焦常数。由于G Lens的ABCD系数取决于，L和，因而，适当选择这些参数，同样能改变准直器的出射光斑大小和工作距离。 对于C lens(厚透镜)，它的传输矩阵为： 。（8） 三．实例分析 本小组采用C lens已制作的一些准直器，C lens参数如下： 曲率半径R=1.2mm，透镜长度L=2.5mm，C lens采用SF11材料，在1550nm处折射率n=1.744742。另外，从单模光纤SMF28出射的光斑半径为。这样，根据以上理论分析，我们容易得到出射光在不同位置的光斑大小，并且，我们将理论计算值与Beamscan得到的测量值比较，如下表： 表1 已制作C lens准直器beamscan数据与理论计算值比较 良好(第一焦点) 32m m 近场（7mm）远场（110mm） 测量值与理论 值相对误差 (*100) beamscan测 量 305.3/293.2 702.4/693.6 -3.31 2 2.376