新型三件套准直器的设计及优势

作者：于海珍  肖石林  张明

关键词：准直器  自聚焦透镜  C透镜  玻璃棒  工作距离  光斑  插损  指向精度

一、引言
光纤准直器是光纤通信系统的最基本光学器件，其作用是把光纤中发散的光束变成准直光，使其以非常小的损耗耦合到光纤中。许多无源器件都是在一对准直器之间插入光学元件制作而成的。常规的准直器结构为两件套式，即由光纤头和一个起准直作用的透镜组成，目前准直透镜主要有两种：自聚焦透镜和C透镜。

随着通讯网络的不断发展，现在对支撑光通讯网络的媒质——各种器件提出了许多新的要求，对于光的偶合和准直方面也出现了一些更高的要求。比如目前很多应用都需要大工作距离、大光斑。特别对大容量的矩阵光开关来说，例如1024*1024MEMS，由于在传输过程中相互偶合的次数特别多、相互传输的距离特别长，有时会达到1000mm。常规的准直器工作距离达到1000mm时损耗会达到15dB左右，这对于光通讯来说是很难接受的。常规0.23p的自聚焦透镜准直器，其最大工作距离仅70mm左右，理论上可将节长缩短来增加工作距离，如将节长缩短为0.05p，其最大工作距离也仅约400mm，且此时透镜太短难以加工，插损等指标也较差。常规C透镜准直器的最大工作距离约300mm左右，如果要达到大工作距离、大光斑的要求，如工作距离500mm、光斑0.5mm，理论上一个长度约9.7mm、曲率半径约4.2mm的C透镜可以满足此要求，但实际做出来的参数会很差，因为透镜较长不利于加工及准直器的装配；另外光束到达透镜球面时偏离中心的距离较大，偏离旁轴成像条件，使得出射光的椭圆度增加，从而插损和指向精度也增大；再者，采用长透镜温度性能也不稳定。若将光纤头和透镜间的距离拉得很长如3mm，理论上4.7mm长的C透镜也可以满足以上要求，但此时光在光纤头与透镜间的空气中会发散得很厉害，插损将很大，指向精度及光斑等指标也会很差。实际上根据经验，光纤头与透镜之间的距离通常仅为0.1~0.3mm。看来常规的自聚焦透镜或C透镜准直器都难以达到工作距离大于500mm这个要求，更别说1000mm了。

二、三件套准直器的设计及优势
本文从原理上介绍了一种新型的三件套式准直器，可以满足现在光无源、有源器件或系统对长工作距离、大光斑、高指向精度、低插损的准直器的要求。

1、三件套准直器的结构：
核心部分由一个光纤头、一个玻璃棒及一个C-lens构成，如下图。当然要最终做成准直器，外面还需玻璃套管及金属套管进行封装。

与常规两件套准直器比较，可知该三件套准直器只是在光纤头与C透镜间多了一个玻璃棒。

2、三件套准直器的理论分析
设三件套准直器中玻璃棒的长度、折射率分别为L1、n1（玻璃棒的折射率均匀分布，在光学性质上相当于一段长度为n1*L1的空气隙）；C透镜的长度、折射率、曲率半径分别为L2、n2、r2。结合高斯光束和几何光学的知识进行理论分析计算，并且做了一些简化，将 c-lens、玻璃棒均视为直角面，因为这不会影响出射光束的位置及大小。可得：

 通常情况下，C透镜材料选取SF11（折射率为1.744742）；玻璃棒材料选取K2材料（折射率为1.485295），因为k2的材料质地硬，且在通光性方面具有很好的透射性。

假设光纤头与玻璃棒、玻璃棒与透镜间的间隙均为0.15mm，玻璃棒的长度取4mm。根据前面的公式（2），当要求工作距离500mm、光斑0.5mm时，r2=4.23mm，L2=4.6mm。这样C透镜的长度就短多了，光束到达透镜球面时偏离轴心的距离也将小很多，所以插损、指向精度等指标比等价的两件套准直器好多了，能够达到使用要求。实验表明确实如此。相应于更大工作距离、更大光斑的要求，三件套准直器将更加适用、优势更加明显。

以下为长工作距离、大光斑应用中，某些公司所做的两件套与三件套准直器的一些实验数据，以供比较和参考。
 

  参考文献

[1]. 《Matrix Analysis》, Roger A.Horm & Charles R.Johnson, Cambridge University Press
[2]. 《光学》，赵凯华，钟锡华，北京大学出版社
[3]. 《现代通信光电子学》，亚里夫（陈鹤鸣等译），电子工业出版社

作者简介
于海珍：女，上海交通大学，电子与通信工程专业，硕士。
工作单位：艾维思通讯技术（上海）有限公司，供应链光无源器件工程师。

肖石林：男,上海交通大学,教授,博士生导师.专业特长：光通信网络与器件, 光电子技术, 光电传感技术。

张明：男,上海交通大学,电子与通信工程专业,硕士,专业特长：光通信网络与器件,全光网络与全光通信及全光接入技术。