光纤发射系统 Fiber launch systems

2022-12-01 10:01:25 浏览:276

定义

用于将光发射到光纤中的光学系统。

光纤中一个常见而重要的任务是将光发射到光纤中,即将光注入光纤芯中,使其大部分沿着光纤引导。

高效发射的条件

为了高效发射,光照射在光纤上应该主要是光纤引导模式的叠加。 在单模光纤的情况下,发射是最困难的,对于给定波长,每个传播方向仅表现出单一的空间模式。 在这种情况下,必须在光纤端产生一个焦点,其横向强度分布类似于光纤模式的横向强度分布,并且具有平坦的波前。多模光纤使发射变得更加容易,特别是如果它们具有大量模式。 因此,可能没有必要将光束焦点精确地放在光纤端。

光纤发射系统 Fiber launch systems

图1:透镜可以将光聚焦到光纤末端,使大部分光线进入光纤芯。

特别是单模光纤通常具有相当小的光纤芯,显然需要击中才能发射光。 典型的磁芯直径只有几微米, 还有具有单模传播的大模面积光纤,其中横向对准要求不那么严格,而角度公差相应更严格。 总体而言,发射光不一定比小芯单模光纤更容易 - 特别是对于为小芯光纤设计的光机制,可能无法提供足够精确的角度对准。

光纤发射系统的元件

本质上,光纤发射系统(也称为光纤耦合阶段)由聚焦透镜和光学机械元件组成,用于固定裸光纤端或包含光纤的光纤连接器(例如FC / PC连接器)。 此外,它还具有用于微调输入光束和/或聚焦透镜的控制装置。

如果插入裸光纤,通常用一些夹子将其固定在 V 形槽中。 在插入光纤之前,通常需要将涂层从其末端剥离一定长度,例如上述V形槽的长度。 如果是连接器光纤,当然应该注意光纤正确安装在连接器中。

一些光纤发射系统配备了固定聚焦透镜,而其他光纤发射系统可以容纳不同的透镜(例如GRIN透镜或显微镜物镜),以获得更高的灵活性,例如,为了处理具有明显不同模场直径的光纤和/或不同光束半径的输入光束,或在不同的波长区域工作。

为了获得最佳发射效率,应避免镜头产生过多的光学像差。 例如,对于宽带光,可以使用消色差透镜(见图1)。 球差的校正与单模光纤有关,特别是那些具有小模场直径的光纤。 人们有时会使用显微镜物镜来进行这种校正,尽管这些物镜并没有真正针对该应用进行优化。

在使用单模光纤时,高质量的光机械尤为重要。

如上所述,在使用单模光纤时,光学力学的高精度(最好是亚微米精度)尤为重要。 平移阶段应表现出平稳的连续运动,在几毫米内具有低蠕变。 理想情况下,它们无需润滑剂即可工作,以实现长期可靠性。 除了精度,长期稳定性也很重要;这不仅取决于所用光机械组件的质量,还取决于机械设计。

使用的光学器件与光纤准直器基本相同,但必须更精细地对准特征才能进行光纤发射。 通常,一个将有两个垂直线性平移阶段,带有用于光纤端横向位置的千分尺螺钉和一个或两个用于角度调整的附加控件。 一个旋转自由度(绕垂直轴旋转)只能由输入光束的对齐来覆盖。

一些光纤发射系统可配备电动机械驱动器。 这可能很方便,例如,如果启动设置不容易访问。 此外,它可以作为自动对齐的基础(见下文)。

进入保偏光纤

将光发射到保持偏振的光纤中没有本质区别,但通常人们希望发射线偏振光,偏振轴与光纤的双折射轴之一对齐。 在某些情况下,需要围绕其轴旋转光纤以满足该条件。 因此,有一些光纤发射系统能够旋转光纤端或光纤连接器。

启动程序

固定光纤端

光纤发射首先要小心地将光纤端固定在发射系统中或连接光纤连接器。 理想情况下,应使用光纤显微镜检查裂解的纤维端是否完整且干净。

使用角裂光纤更加困难。 应该知道,最佳发射需要偏离光纤轴的输入光束方向,并且围绕光纤轴的任何旋转当然都会改变所需的输入光束方向。 在困难的情况下,首先从另一端发射一些可见光可能会有所帮助,以便对齐倾斜的一端,使提到的可见光与输入光束很好地重叠。

准备输入光束

适当的输入光束半径可能很重要!

接下来,准直的输入光束应具有适当的光束半径并大致对齐,可能使用光束孔径等辅助部件。 制备具有适当光束半径的光束对于单模光纤尤为重要。 如果需要高发射效率,则应根据光纤模式半径和所用镜头的焦距计算光束半径。 或者,可以测量通过光纤和所用透镜发送光时获得的准直光束的半径,这次用作准直透镜。

在对准操作期间,应避免过多的光输入功率,因为这些功率可能导致损坏,例如光纤涂层。

监控发射效率

人们需要适当地监测发射光的成功。

此外,应在光纤端安装合适的光电探测器,以便可以监测注入的光功率。 如果光纤足够长,通常应该只正确发射到达探测器的光,而不是例如光纤包层;通常,熔覆模式具有很大的传播损耗。 对于初始对准阶段,使用具有高灵敏度的检测器可能会有所帮助,可能使用比最终阶段高得多的信号放大。 显然,应该注意没有杂散光可以到达探测器,模拟通过光纤的传输。

对于活性纤维(稀土掺杂光纤),也可以在发射泵浦光时监测侧面的荧光。 后一种技术还有助于确保将光注入掺杂的纤芯而不是光纤包层 - 特别是在双包层光纤的情况下。

如果探测器的反应相对较快,则比热功率计更快,这将很有帮助。 一个方便的解决方案是将光电二极管与示波器结合使用。

可能有必要测量绝对发射效率,以判断发射是否完全成功。

对齐程序

优化控件对比仅转动单个旋钮更有效。

然后可以使用对齐控件,直到可以检测到一些发射的光,然后通过微调控件来系统地优化传输。 人们通常使用一对控制螺钉,而不是一个接一个地优化控制螺钉 - 例如,用于水平面中的横向位置和光束角度的控制螺钉。 在这里,随后设置一个螺钉的不同位置,并通过优化另一个螺钉来检查实现了多少传输。

故障排除

如果无法达到令人满意的发射效率,则应检查各种细节,例如光束质量是否因光学元件脏污而恶化,以及光纤端是否高质量和清洁。

当反复使用这种设置进行发射时,当然建议记录某个入射光功率的可实现的探测器信号。 此外,我可以在适当的位置安装光束孔径,以便更轻松地找到正确的输入光束方向。

自动优化和稳定系统

有一些光纤发射解决方案可以自动优化对准,以至少两个自由度高效发射,并提供发射效率的长期稳定性。

例如,这样的系统可以具有机电系统,用于围绕其标称位置快速旋转聚焦透镜的位置。 同时,用探测器监测光通量。 根据观察到的探测器信号及其相对于镜头卡口驱动信号的相位的安装,电子设备可以评估任何定位误差并随后纠正它们。

自动发射系统可能相当有用,尽管它们当然会增加成本并且需要额外的准备工作,例如连接合适的探测器。 此外,当然,它们仅在连续输入灯可用的情况下才能工作。

作          者: 泮桥成像光电商城

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