光纤准直器结构研究与设计

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1、第15卷第2期长春大学学报VOI.15NO.22005年4月JOURNALOFCHANGCHUNUNIVERSITYApr.2005$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$文章编号：1009-390（72005）02-0008-04光纤准直器结构研究与设计丁原1，王智2，杨文波3（1.长春大学机械工程学院，吉林长春130022；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130022；3.中国北车集团长春机车车辆有限责任公司机修分厂

2、，吉林长春130052）摘要：从理论上对自聚焦透镜进行了分析，并论述了光在自聚焦透镜中的传播规律。进而提出了光纤准直器的设计结构，并通过实验验证，利用这种方法设计的光纤准直器具有低的插入损耗和高的回波损耗，能成功用于光环行器中。关键词：自聚焦透镜；光纤准直器；光环行器中图分类号：TH741.1+4文献标识码：A!引言透镜，其折射率分布成中心对称，并沿径向梯度变化。自聚焦透镜因为体积小，光学成像象差小，易光纤无源器件是光纤通信系统中的重要器件。于光纤对中耦合和连接等优点，被广泛应用于光纤这类器件是消耗光信号的一定能量以实现光信

3、号的通信及光纤传感系统中。连接、能量分波/合波、波分复用/解复用、光路转换、在忽略高阶小量的条件下，自聚焦透镜的折射能量衰减、反向隔离等功能。光无源器件是具有上述率为平方律分布元器件的统称。光纤无源器件在光纤通信系统中地（1-Ar2位越来越高，器件的发展对系统的影响也越来越大。nr=n0/2），（1）而作为决定光无源器件性能参数的重要组件之一的自聚焦常数!A和节距P是自聚焦透镜的两个重光纤准直器近年来也受到越来越多的关注。要参数：光纤准直器是光无源器件中的一个重要的组件，!A"!2!/r（mm-1），（2）在光通信系统中有着

4、非常普遍的应用。它是由单模其中，!为相对折射率差，r为中心距。!A反尾纤和准直透镜（GRINLens或C-Lens）组成，具有映了透镜对于光线的会聚能力。!A越大则焦距越低插入损耗，高回波损耗，工作距离长，宽带宽，短，透镜的会聚能力就越强。节距p=2!/!A。（3）高稳定性，高可靠性，小光束发散角，体积小和重由（3）式可知，P与!A成反比，也就是说，量轻等特点。可将光纤端面出射的发散光束变换为!A越大，自聚焦透镜对光线的会聚能力越强，因此平行光束，或者将平行光束会聚并高效率耦合入光光线在自聚焦透镜中偏折的就越厉害，走完一个周

5、纤，是制作多种光学器件的基础器件，因此被广泛期的正弦曲线的轴向距离越短。应用于光束准直，光束耦合，光隔离器，光衰减器，自聚焦透镜中的光线方程为：光开关，环行器，MEMS，密集波分复用器之中，本文的光纤准直器特指的是新福克斯公司用于第二代d=[n(dr)]=#n.（4）dsds光环行器的保偏双光纤准直器。式中，r为光线上的点的位置函数；s为沿光线"光纤准直器的组成部件上的弧长。采用直角坐标系，令z轴为光纤轴线，［"］对于近轴光线，有ds"dz，则XZ平面内的光线"#"自聚焦透镜方程为：自聚焦透镜又称为渐变折射率透镜，简称格林收

6、稿日期：2004-11-01作者简介：丁原（1973-），男，河北省洛阳市人，长春大学机械工程学院讲师，博士生，主要从事计算机辅助工程的研究。第2期丁原等：光纤准直器结构研究与设计9d2r!n!ndr中光纤相对位置，使两光路的消光比均可以达到n=-，（5）dz2!r!zdz20dB以上。同时可保证较好的插入损耗均衡性，这把式（l）代入式（5），可以得出光线在柱形自为许多更为复杂的保偏器件的制作打下了坚实的基聚焦透镜中的轨迹方程，如式（6）和（7）：础。r=ricOS（!Az）+PiSin（!Az）/!A，（6）P=-ri!A

7、Sin（!Az）+PicOS（!Az），（7）式中r、P表示轨迹上一点到轴上的距离和该点切线的斜率；ri、Pi表示入射光线在透镜端面z=0处在以斜率P=Pi入射在r=ri。此式表明给出了光线的初始条件（位置ri和斜率Pi），我们就可以确定光线在自聚焦透镜中的传播情形。将式（6）和（7）写成矩阵形式，可得到光线在格林透镜中传输矩阵为：图2保偏双光纤准直器结构示意图cOS!AZSin（!AZ）/!A[].（8）其中双光纤头结构如图3。它要求两根光纤的-!ASin（!AZ）cOS!AZ慢轴互相垂直，透镜与毛细管端面斜角为8，且端［

8、2］1.2光纤面互相平行，精度要求0.0lmm。光纤准直器可分为普通的光纤准直器和保偏光纤准直器，因此光纤按是否具有保偏性可分为一般的光纤和保偏光纤。保偏光纤是利用光纤的非对称波导结构滤掉其中l个偏振模，只允许l个偏振模在光纤中传输；或是利用光纤的高双折射特性，使2个偏振模之间不易耦合，维