新型三件套準(zhǔn)直器的設(shè)計及優(yōu)勢

作者：于海珍  肖石林  張明

關(guān)鍵詞：準(zhǔn)直器  自聚焦透鏡  C透鏡  玻璃棒  工作距離  光斑  插損  指向精度

一、引言
光纖準(zhǔn)直器是光纖通信系統(tǒng)的最基本光學(xué)器件，其作用是把光纖中發(fā)散的光束變成準(zhǔn)直光，使其以非常小的損耗耦合到光纖中。許多無源器件都是在一對準(zhǔn)直器之間插入光學(xué)元件制作而成的。常規(guī)的準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)為兩件套式，即由光纖頭和一個起準(zhǔn)直作用的透鏡組成，目前準(zhǔn)直透鏡主要有兩種：自聚焦透鏡和C透鏡。

隨著通訊網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在對支撐光通訊網(wǎng)絡(luò)的媒質(zhì)——各種器件提出了許多新的要求，對于光的偶合和準(zhǔn)直方面也出現(xiàn)了一些更高的要求。比如目前很多應(yīng)用都需要大工作距離、大光斑。特別對大容量的矩陣光開關(guān)來說，例如1024*1024MEMS，由于在傳輸過程中相互偶合的次數(shù)特別多、相互傳輸?shù)木嚯x特別長，有時會達到1000mm。常規(guī)的準(zhǔn)直器工作距離達到1000mm時損耗會達到15dB左右，這對于光通訊來說是很難接受的。常規(guī)0.23p的自聚焦透鏡準(zhǔn)直器，其最大工作距離僅70mm左右，理論上可將節(jié)長縮短來增加工作距離，如將節(jié)長縮短為0.05p，其最大工作距離也僅約400mm，且此時透鏡太短難以加工，插損等指標(biāo)也較差。常規(guī)C透鏡準(zhǔn)直器的最大工作距離約300mm左右，如果要達到大工作距離、大光斑的要求，如工作距離500mm、光斑0.5mm，理論上一個長度約9.7mm、曲率半徑約4.2mm的C透鏡可以滿足此要求，但實際做出來的參數(shù)會很差，因為透鏡較長不利于加工及準(zhǔn)直器的裝配；另外光束到達透鏡球面時偏離中心的距離較大，偏離旁軸成像條件，使得出射光的橢圓度增加，從而插損和指向精度也增大；再者，采用長透鏡溫度性能也不穩(wěn)定。若將光纖頭和透鏡間的距離拉得很長如3mm，理論上4.7mm長的C透鏡也可以滿足以上要求，但此時光在光纖頭與透鏡間的空氣中會發(fā)散得很厲害，插損將很大，指向精度及光斑等指標(biāo)也會很差。實際上根據(jù)經(jīng)驗，光纖頭與透鏡之間的距離通常僅為0.1~0.3mm�？磥沓Ｒ�(guī)的自聚焦透鏡或C透鏡準(zhǔn)直器都難以達到工作距離大于500mm這個要求，更別說1000mm了。

二、三件套準(zhǔn)直器的設(shè)計及優(yōu)勢
本文從原理上介紹了一種新型的三件套式準(zhǔn)直器，可以滿足現(xiàn)在光無源、有源器件或系統(tǒng)對長工作距離、大光斑、高指向精度、低插損的準(zhǔn)直器的要求。

1、三件套準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)：
核心部分由一個光纖頭、一個玻璃棒及一個C-lens構(gòu)成，如下圖。當(dāng)然要最終做成準(zhǔn)直器，外面還需玻璃套管及金屬套管進行封裝。

與常規(guī)兩件套準(zhǔn)直器比較，可知該三件套準(zhǔn)直器只是在光纖頭與C透鏡間多了一個玻璃棒。

2、三件套準(zhǔn)直器的理論分析
設(shè)三件套準(zhǔn)直器中玻璃棒的長度、折射率分別為L1、n1（玻璃棒的折射率均勻分布，在光學(xué)性質(zhì)上相當(dāng)于一段長度為n1*L1的空氣隙）；C透鏡的長度、折射率、曲率半徑分別為L2、n2、r2。結(jié)合高斯光束和幾何光學(xué)的知識進行理論分析計算，并且做了一些簡化，將 c-lens、玻璃棒均視為直角面，因為這不會影響出射光束的位置及大小�？傻茫�

 通常情況下，C透鏡材料選取SF11（折射率為1.744742）；玻璃棒材料選取K2材料（折射率為1.485295），因為k2的材料質(zhì)地硬，且在通光性方面具有很好的透射性。

假設(shè)光纖頭與玻璃棒、玻璃棒與透鏡間的間隙均為0.15mm，玻璃棒的長度取4mm。根據(jù)前面的公式（2），當(dāng)要求工作距離500mm、光斑0.5mm時，r2=4.23mm，L2=4.6mm。這樣C透鏡的長度就短多了，光束到達透鏡球面時偏離軸心的距離也將小很多，所以插損、指向精度等指標(biāo)比等價的兩件套準(zhǔn)直器好多了，能夠達到使用要求。實驗表明確實如此。相應(yīng)于更大工作距離、更大光斑的要求，三件套準(zhǔn)直器將更加適用、優(yōu)勢更加明顯。

以下為長工作距離、大光斑應(yīng)用中，某些公司所做的兩件套與三件套準(zhǔn)直器的一些實驗數(shù)據(jù)，以供比較和參考。
 

  參考文獻

[1]. 《Matrix Analysis》, Roger A.Horm & Charles R.Johnson, Cambridge University Press
[2]. 《光學(xué)》，趙凱華，鐘錫華，北京大學(xué)出版社
[3]. 《現(xiàn)代通信光電子學(xué)》，亞里夫（陳鶴鳴等譯），電子工業(yè)出版社

作者簡介
于海珍：女，上海交通大學(xué)，電子與通信工程專業(yè)，碩士。
工作單位：艾維思通訊技術(shù)（上海）有限公司，供應(yīng)鏈光無源器件工程師。

肖石林：男,上海交通大學(xué),教授,博士生導(dǎo)師.專業(yè)特長：光通信網(wǎng)絡(luò)與器件, 光電子技術(shù), 光電傳感技術(shù)。

張明：男,上海交通大學(xué),電子與通信工程專業(yè),碩士,專業(yè)特長：光通信網(wǎng)絡(luò)與器件,全光網(wǎng)絡(luò)與全光通信及全光接入技術(shù)。