高斯光束和准直器简介.ppt

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1、基模高斯光束和准直器简介基模高斯光束和准直器简介摘要摘要基模高斯光束基模高斯光束高斯光束传输（准直器）高斯光束传输（准直器）高斯光束的准直高斯光束的准直高斯光束耦合高斯光束耦合基模高斯光束基模高斯光束为什么是基模高斯光束为什么是基模高斯光束?从单模光纤中出来的光场我们可以近似认为是基模高从单模光纤中出来的光场我们可以近似认为是基模高斯光束，束腰的位位置在光纤端面。斯光束，束腰的位位置在光纤端面。经过准直器后出来的光场也是基模高斯光束。经过准直器后出来的光场也是基模高斯光束。基模高斯光束分析方法可以应用到几乎所有的基模高斯光束分析方法可以应用到几乎所有的单模单模光光无源器件上。无源器件上。z1z

2、2w01w02光传输方向基模高斯光束的一般表达式基模高斯光束的一般表达式Z轴方向传播的基模高斯光束均可表示为如下的一般形式轴方向传播的基模高斯光束均可表示为如下的一般形式:其中其中,基模高斯光束示意图基模高斯光束示意图高斯光束应用中的几个重要的参数高斯光束应用中的几个重要的参数束腰束腰W0，指的是高斯光束的最小光斑（1/e2，即13.5%光强 处，半径），一旦高斯光束的束腰的大小和位置确定下来后，整个高斯光束的结构也就确定下来了。通常情况下，我们在实际应用中更多的需要考虑的是1%光斑大小，例如，例如，如何确定光学零件的有效通光孔径要求？反射镜或者棱镜的大小等等。远场发散角束腰远场发散角束腰th

3、eta，当Z远大于Z0时，W(z)W(z)近似线性的增加，我们可以得到，近似线性的增加，我们可以得到，瑞利长度瑞利长度Z0基模高斯光束的几个重要的参数基模高斯光束的几个重要的参数q参数参数 主要用来研究高斯光束传输很显然，知道q(z)后，可相应得到R(z)和W(z),特别地，高斯光束传输高斯光束传输伴轴子午光学系统的变换矩阵伴轴子午光学系统的变换矩阵任一伴轴子午光线可由两个坐标参数表征为矢量 一个是光线离轴线的距离r，另一个是光线与轴线的夹角theta，我们规定光线出射方向在轴线上方时,theta为正，反之为负。称矩阵M为介质的光线变换矩阵。rM伴轴子午光学系统的变换矩阵伴轴子午光学系统的变换

4、矩阵若光线连续通过变换矩阵为M1,M2Mn的光学系统则，即整个光学系统的变换矩阵M=Mn*M2*M1典型光学系统的变换矩阵典型光学系统的变换矩阵q参数的变换规律参数的变换规律ABCD公式公式基模高斯光束经过任意光学系统服从所谓的ABCD公式：其中为光学系统对伴轴光线的变换矩阵。高斯光束的准直高斯光束的准直高斯光束的准直高斯光束的准直准直器简介准直器简介直接从普通单模光纤出射的高斯光束，由于其束腰太小，因此瑞利距离太短，发散角太大，在应用中，我们通常需要将其准直。目前主要采用的准直方法为加透镜，主要有C-lens，G-lens。高斯光束的准直可用q传输理论进行简单的分析，理论与实验测量的结果吻合

5、的很好。将以c-lens为例，简单介绍准直器的原理。准直器的准直器的q传输图示（传输图示（c-lens）参数说明：参数说明：q0 光纤端面q值；q1 c-lens平面前表面q值；q2 c-lens球面后表面q值；q3 出射光束腰处q值；W01/w02 入/出射光束腰；L c-lens 的长度；R c-lens 的曲率半径；n c-lens的折射率；取原点在光纤端面，光传输方向为正方向；准直器的工作距离为2z2。q0q1 q2z1z2w01w02光传输方向 q3准直器的准直器的q传输计算实例（传输计算实例（c-lens）通过q传输理论，我们可以简单的得到准直器的出射光束腰大小及工作距离与输入光束

6、腰，位置的关系。选择合适的准直器工作距离和束腰是器件设计的一项重要工作。根据q传输ABCD公式，有*C-lens 的变换矩阵的变换矩阵M准直器出射光束腰，工作距离通用公式准直器出射光束腰，工作距离通用公式简单计算可得：典型的准直器典型的准直器z2-z1,w02-z1计算曲线计算曲线SMF28 光纤，光纤，L3.85*R1.8 c-lens如何控制准直器的出射光束腰大小，位置？如何控制准直器的出射光束腰大小，位置？准直器的设计决定了出射光束腰大小，位置的可调节范围。准直器的设计决定了出射光束腰大小，位置的可调节范围。增大/减小入射光束腰w01,出射光束腰减小/增大，工作距离可调范围减小/增大；增

7、大/减小c-lens的曲率半径R,出射光束腰增大/减小，工作距离可调范围增大/减小；可通过设计透镜长度控制后截距的大小，适应不同器件的需要；改变透镜的折射率特性可改变出射光的特性，目前c-lens的材料业界已基本统一为SF11。可通过调节准直器的后截距调节准直器的工作距离和束腰大小。可通过调节准直器的后截距调节准直器的工作距离和束腰大小。目前准直器的调节方法可分为master法和反射法；反射法对准直器的束腰控制方法有两种：单点反射和两点反射；高斯光束耦合高斯光束耦合两种光无源器件的制作工艺两种光无源器件的制作工艺 公司目前存在两种无源器件的制作工艺，一种是焊接工艺，另一种是全胶工艺。这两种工艺

8、最直观的区别是所用的调节架是不一样的，注意观察一下，主要有两个区别：1、全胶用的调节架是三维的，焊接用的调节架是五维的；2、全胶用的调节架调节精度是0.5um的，焊接用的是10um为什么会有这些区别？为什么会有这些区别？需要从基模高斯光束的耦合来解释。需要从基模高斯光束的耦合来解释。高斯光束的四种耦合失配及其效率高斯光束的四种耦合失配及其效率Angular misalignmentDisplacement misalignmentLateral shift misalignmentWaist mismatch misalignment光无源器件中高斯光束耦合损耗分析光无源器件中高斯光束耦合损耗

9、分析各种耦合失配一般是同时发生的；例如振动，冲击，受潮各种耦合失配一般是同时发生的；例如振动，冲击，受潮调节过程中常出现的失配现象；调节过程中常出现的失配现象；各种失配带来的耦合损耗的典型值各种失配带来的耦合损耗的典型值Angular misalignment双路器件，如circulator,dual-isolator,pmbc,etc.Displacement misalignment较少发生Lateral shift misalignment较少发生Waist mismatch misalignmentTEC器件，如WDIH59,WTIH59()=0.01 degree,W0=225um,

10、=1.55um0.0275dB(z)=10mm,W0=225um,=1.55um0.01dB(L)=0.02mm,W0=225um,=1.55um0.0344dBW1=225um W2=200um,=1.55um0.06dB实际焊接工艺失配分析实际焊接工艺失配分析switch准直器焊接工艺图示：准直器焊接工艺图示：我们考虑高低温对准直器耦合造成的失配：lateral shift misalignment:焊锡的CTE约为30*10-6/degree,高低温50度的变化带来的线膨胀量差极限值为70*0.6mm*30*10-6=1.26um带来的插损可以忽略不计；Angular misalignm

11、ent:角度的变化主要由准直器绕封边的旋转引起，焊锡1.26um的变化可以带来多大的角度变化呢？实际封边距焊孔的距离为2.8mm，因此角度变化为1.26um/2.8mm*180/pi=0.025 Degree!，由此带来的损耗为0.10dB（此处用的是G-lens)。结论结论焊接工艺主要的耦合损耗来源是角度失配；改善器焊接工艺主要的耦合损耗来源是角度失配；改善器件的件的TDL，提高器件的稳定性应主要从减小角度适提高器件的稳定性应主要从减小角度适配入手。主要包括两方面：配入手。主要包括两方面：1，增大出射光的发散角，增大出射光的发散角（TEC光纤，小透镜）；光纤，小透镜）；2，增大焊孔和封边的距离，减小准直器和焊管的间，增大焊孔和封边的距离，减小准直器和焊管的间隙。隙。