光纤阵列 Fiber arrays

2022-12-01 10:23:27 浏览:585

定义

一维或二维光纤阵列。

光纤阵列(或光纤阵列或光纤阵列单元)是光纤的一维或二维阵列。 通常,这样的阵列仅针对光纤束的最末端形成,而不是在整个光纤长度上形成。 这种阵列的目的通常是将光从某个源阵列耦合到光纤,或者从光纤耦合到其他组件,例如光子集成电路上的平面波导阵列。 下面将解释各种其他应用。

光纤阵列 Fiber arrays

图1:线性阵列的光纤可以通过V形槽阵列精确定位。

线性光纤阵列通常是通过将单个光纤放入在某些固体表面上制成的V形槽中而形成的(见图1)。 例如,可以通过玻璃或聚合物片或金属板上的精确孔阵列来实现二维阵列中光纤的定位。 不同类型的 2D 矩阵是可能的,但简单的方形晶格是最常见的。 几乎总是形成一个简单且非常规则的结构,尽管更复杂和更不规则的模式是可能的。 例如,存在具有多组光纤的光纤阵列,即某些光纤之间的间距增加。 然而,真正不规则的结构被称为光纤束。 一个也可能在末端有一个完全规则的阵列,用作接口,而在其他部分,光纤形成一个不规则的束。

通常,光纤间距会尽可能小,但在某些情况下,某些应用会使用间距大得多的光纤阵列。

技术细节

光纤阵列参数

光纤阵列的关键参数如下:

  • 光纤 数量及其类型(基材)
  • 它们的间距和(对于 2D)使用的晶格类型
  • 磁芯直径和数值孔径,或其他指定折射率曲线的方法,从而决定模态结构

其他详细信息涉及:

  • 极化处理;对于保偏光纤,还包括快轴或慢轴到阵列的方向
  • 非垂直抛光光纤端部的端面角
  • 光纤芯定位精度
  • 使用端盖、模式转换器等
  • 包装类型

由于有大量的可变参数,光纤阵列通常需要作为定制光学器件,为特定应用量身定制。

二手光纤 

光纤阵列大多由二氧化硅光纤 制成,适用于从近红外到紫外线的各种光谱区域。 但是,它们也可以由某些特种光纤制成。 根据应用的不同,使用单模光纤和多模光纤。 在某些情况下,使用保偏光纤(例如PANDA型)。

光纤直径

在某些情况下,通过排列许多原始尺寸的光纤来形成光纤阵列,例如标准包层直径为125μm。 如果省略或去除光纤涂层(像往常一样),这将导致相同大小的最小可能纤芯间距(假设光纤芯居中,并且不使用多芯光纤)。

对于某些应用,例如与光子集成电路的耦合,需要更小的光纤和/或更小的芯间距。 在这种情况下,可以直接使用相应较小的光纤 ,也可以使用锥形光纤 ,通过拉伸光纤同时将其加热到玻璃软化温度而产生。 有时,需要应用额外的模径转换器来耦合到尺寸相当小的波导模式。 在其他情况下,应用不同形状的无芯端盖(例如矩形或圆形横截面)。

光纤端;包装

正确的封装通常是光纤阵列成功应用的关键。

仔细制造光纤阵列通常很重要,这样光纤末端在所有尺寸上都对齐。 此外,输入端或输出端通常需要封装,以便可以方便安全地处理整个光纤阵列。 例如,光纤阵列的末端可以是一块具有合适形状的光学玻璃材料,可能具有有助于对齐的特征,类似于光纤连接器。 特别是对于 2D 阵列,也可以在它们周围使用金属法兰。

可以使用裸光纤端,或者应用增透膜,这大大减少了寄生反射,从而减少了耦合损耗。

光纤阵列的切割和熔接

对于批量生产,不希望单独切割每根涉及的光纤。 因此,已经开发出可应用于整个阵列的基于激光的切割工艺[5]

光纤末端通常垂直切割,但在某些情况下,它们需要与光纤轴成一定角度进行抛光。 通常,人们不会单独抛光光纤,而是在将它们刚性嵌入某些玻璃结构后将它们一起抛光。

还可以将熔接不仅应用于单根光纤,还可以应用于整个光纤阵列[1]。 已经开发了这样的过程,例如使用一氧化碳2激光器用于软化光纤末端。 由此产生的熔接损耗可能相当低,至少对于多模光纤而言。

耦合到透镜阵列

特别是当光纤的输出被发送到自由空间时,它通常与透镜阵列(或微透镜阵列)准直。 显然,光纤间距需要与透镜间距精确匹配,而正确的对准至关重要,因为它对产生的光束方向和准直程度有很大的影响。

光纤阵列的应用

光纤阵列具有相当多样化的应用。 以下各节给出了一些典型示例。

耦合到光子集成电路

光纤与光子集成电路的耦合是一个涉及精确定位和模式适应的微妙问题。

光子集成电路和光电子学中的类似器件需要与外界接口,主要是光纤。 通常,输入和输出远远不止一个;电路上的多个波导引导多个信号,到达芯片边缘的信号需要耦合到光纤。 这自然会导致使用光纤阵列。 在这种情况下,必须采取特殊的预防措施,以允许芯片波导和光纤之间的有效耦合,其中前者的模径(例如<1μm)通常比后者(通常为几微米)小得多。 通常,需要专用的模尺寸转换器。

由于尺寸小,需要光纤芯相对于波导的高精度定位。 这只能通过主动对准来实现,即在对准过程中测量变速器,通常是通过自动控制。

数据/电信应用

通常,需要分离一个数据信号以将其分配到多个输出。 一个典型的例子是有线电视,其中同一组电视节目被广播给多方。 信号分割(通常在光纤放大器之后)通常由平面波导电路完成,其输出需要耦合到光纤。 光纤阵列是将光纤耦合到分路器的自然解决方案。

在用于网络路由的光纤交换机和波分复用中也会遇到类似的方面,其中线性阵列的每根光纤可能与不同的中心波长相关联。

光纤阵列在电信领域具有相当多样化的应用。

在光纤通信中,数据可以通过单根光纤以极高的比特率发送,并且可能同时在两个方向上发送。 然而,有时需要使用多根光纤。 然后,希望通过使用基于光纤阵列的接口(光纤连接器)来简化连接。 在一个连接过程中为所有相关光纤建立连接的同时,还可以确保不会无意中交换光纤。

电信领域的另一个应用是使用1D或2D光纤阵列以及采用MEMS技术制造的微透镜阵列和可移动镜阵列灵活路由数据信号。 这种紧凑型设备可以用作灵活快速的光交叉连接开关。

这些技术不仅与电信提供商相关,而且在工厂自动化、基础设施监控、光纤传感等领域也相关。

天文望远镜

在天文望远镜中,有时使用光纤将光从望远镜传输到其他设备进行进一步分析,例如用于高分辨率光谱分析。 在这里,光纤阵列允许人们同时将这种技术应用于多个观察方向。

耦合到半导体激光管阵列或VCSEL阵列

半导体激光管阵列,也称为二极管条,包含一个规则的激光发射器阵列。 可以将这样的设备耦合到光纤阵列,这样每个图像的辐射就会进入一根光纤[6]。 类似的技术可以应用于VCSEL阵列[7]

光束组合

线性光纤阵列特别适用于光谱束组合。 例如,可以用阵列的每根光纤实现一个光纤激光器,并将它们的光束与衍射光栅组合在一起,如图2所示。

光纤阵列 Fiber arrays

图2:光谱光束与光纤激光器相结合。 左侧的发射器阵列为每个波长槽包含一根光纤。 所有波长分量完全叠加在输出中。

相干光束组合也可以与2D光纤阵列结合合适的透镜阵列进行光准直[8,9]。 在这里,每根光纤都馈入光纤放大器的单频和稳相输出。 所有组件的精确定位对于获得高光束质量的输出至关重要。

激光材料加工

通过使用一种并行化,可以以大大提高的处理速度执行各种激光材料加工技术,其中同时照射样品上的多个点,每个点都来自阵列中的一根光纤的辐射。 对于尺寸有限的阵列,整个辐射可以用单个光学器件组处理。 这种技术可以通过一维或二维阵列来实现。

参考文献

[1] E. Egashira and M. Kobayashi, “Optical fiber splicing with a low-power CO(2) laser”, Appl. Opt. 16 (6), 1636 (1977), doi:10.1364/AO.16.001636
[2] M. Kawazu and Y. Ogura, “Application of gradient-index fiber arrays to copying machines”, Appl. Opt. 19 (7), 1105 (1980), doi:10.1364/AO.19.001105
[3] E. J. Murphy et al., “Permanent attachment of single-mode fiber arrays to waveguides”, J. Lightwave Technol. 3 (4), 795 (1985), doi:10.1109/JLT.1985.1074268
[4] A. A. Bernussi, L. Grave de Peralta and H. Temkin, “High-precision characterization of single-mode optical fiber arrays”, J. Lightwave Technol. 21 (6), 1557 (2003), doi:10.1109/JLT.2003.812157
[5] G. Van Steenberge et al., “Laser cleaving of glass fibers and glass fiber arrays”, J. Lightwave Technol. 23 (2), 609 (2005), doi:10.1109/JLT.2004.841258
[6] G. Niu et al., “Fiber optic coupling of high power laser diode array”, Chinese Opt. Lett. 5 (S1), S148 (2007)
[7] J. K. Kim et al., “Arrayed multimode fiber to VCSEL coupling for short range communications using hybrid polymer-fiber lens”, IEEE Photon. Technol. Lett. 19 (13), 951 (2007), doi:10.1109/LPT.2007.898790
[8] C. Bellanger et al., “Design of a fiber-collimated array for beam combining”, Opt. Engineering 50 (2), 025005 (2011), doi:10.1117/1.3537968
[9] I. Fsaifes et al., “Coherent beam combining of 61 femtosecond fiber amplifiers”, Opt. Express 28 (14), 20152 (2020), doi:10.1364/OE.394031

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