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多模光纤到单模光纤耦合效率的研究分析


第 18 卷

第 10 期

电子设计工程

Vol.18

No.10

Electronic Design Engineering

2010 年 10 月 Oct. 2010

多模光纤到单模光纤耦合效率的研究分析
何景秋,

叶玉堂, 王昱琳, 胥 嫏, 谢 煜
(电子科技大学 光电信息学院, 四川 成都 610054 ) 摘要: 由于多模光纤的纤芯直径远大于单模光纤的纤 芯 直径 , 且 多 模光 纤 的 数值 孔 径 也大 于 单 模光 纤 的 数值 孔 径 , 因此多单模转换效率极低。 为了提高多模光纤到单模光纤的耦合效率,采用自聚焦透镜对从 多 模 光纤 出 射 的光 束 进 行汇聚,使其半径大小尽量与单模光纤的芯径大小相匹配,然后再利用球透镜来减小被汇聚 过 的 光束 的 发 散角 ,在 不 考虑各种连接损耗的前 提 下 ,通过 ZEMAX 来 求 解多 模 光 纤到 单 模 光纤 的 耦 合效 率 。 采 用这 种 新 型组 合 透 镜耦 合 的 方法可以极大提高多单模耦合的耦合效率,其最高耦合效率可达到 38.7% 。 因此,这种组合透镜法是可行的。 关键词: 单模光纤;多模光纤;自聚焦透镜;球透镜;光纤耦合;耦合效率 中图分类号:TN253 文献标识码:A 文章编号 : 1674-6236 (2010 )10-0109-03

Analysis on coupling efficiency of multi-mode fiber to single-mode fiber
HE Jing-qiu , YE Yu-tang , WANG Yu-lin , XU Lang , XIE Yu
(Department of Optoelectronic Information , University of Electronic Science and Technology of China ,

Chengdu 610054 ,China ) Abstract: A s the multi-mode fiber core diameter is much larger than single-mode fiber core diameter and the numerical aperture of multi-mode fiber is also larger than the numerical aperture of the single-mode fiber. Therefore , the coupling efficiency of multi-mode fiber to single-mode fiber is very low. In this paper , self-focusing lens was used to aggregate the beam of light which from the multi-mode fiber , and ball lens was used to reduce the divergence of the gathered beam. Without considering the premise of the connection loss , ZEMAX was used to calculate the coupling efficiency of multimode fiber to single-mode fiber. This new combination of lens-coupling method greatly improves the coupling efficiency , the maximum coupling efficiency can reach 38.7%. Therefore , this method is feasible. Key words : single-mode fiber ; multi-mode fiber ; self-focusing lens ; ball lens ; fiber coupling ; coupling efficiency

光 纤 通 信 由 于 具 有 宽 频 带 、低 损 耗 等 优 点 ,已 成 为 现 代 通信 的骨 干 和 支柱 ,全 世 界 60% 的 数 据 传输 都 是 通过 光 纤 系 统,已经建成 40 Gb 网络。 而光纤耦合技术是光通信、光传感 以及 光 集 成领 域 中 的关 键 技 术 ,在 未 来 的光 网 络 中 占 重 要 的 地 位 ,因 此研 究 光 纤耦 合 理 论是 很 有 必要 的 。 单 模 光 纤 到 多 模 光 纤 的耦 合 已 达到 了 一 个较 成 熟 阶段 ,而 多 模光 纤 到 单 模 光纤的耦合由于纤芯和数值孔径的不匹配导致这还是一个 相当难以解决的问题, 因此采用自聚焦透镜加球透镜组合 法,来进行多模光纤到单模光纤耦合的设计和研究 [1-2]。

满足 发 散 角小 于 arcsin (NA 多 )的 光线 才 能 一直 通 过 全反 射 传 输,而发散角大于 arcsin (NA 多 )的光线则会被损耗及吸收。 光束 在 单模 光 纤 中传 输 如 图 2 所 示 。 基 本 原 理 :所 有 满 足 发 散角 小 于 arcsin (NA 单 ) 的光 线 才 能一 直 通 过 全 反 射 传 输,而发散角大于 arcsin (NA 单 )的光线则会被损耗及吸收 [3]。

Fig. 2

图 2 光束在单模光纤中传输 Beam transmission in a single-mode optical fiber

1

基本原理
光束在多模光纤中传输的基本原理如图 1 所示。 所有

一般多模光纤的芯径 在 100 μm 左 右, 单 模 光 纤的 芯 径 在 10 μm 左右,多模光纤的纤芯 直 径 远大 于 单 模光 纤 的 纤芯 直 径 ,因 此 要 是 多 模 到 单 模 光 纤 之 间 没 有 耦 合 器 件 ,多 模 光 纤 出 来的 光 只 有极 小 的 一部 分 才 会进 入 单 模光 纤 。 另 外 ,多 模 光 纤 出 射 光 束 的 发 散 角 是 小 于 arcsin (NA 多 )的 ,但 是 在 单 模 光 纤 中能 传 输 的光 的 发 散角 只 能 是小 于 arcsin (NA 单 )的 光 线 ,也 就 是 说 从 多 模 光 纤 出 射 的 那 部 分 大 于 arcsin (NA 单 )的

图1

光束在多模光纤中传输

Fig. 1

Beam transmission in a multi-mode optical fiber

收稿日期:2010-03-25

稿件编号:201003115

作者简介:何景秋(1984 —),男,浙江湖州人,硕士研究生。 研究方向:光电器件,光学设计。

-109-

《电子设计工程》2010 年第 10 期
光线 即 使 进入 单 模 光纤 ,也 将 因为 通 过 折射 出 光 纤 而 全 部 被 损 耗 掉 。 如果 采 用 多模 光 纤 到单 模 光 纤直 接 对 接 ,其 耦 合 效 率通过模拟仿真,只有 0.1% 。 因 此 ,为 了 提 高 多 模 光 纤 到 单 模 光 纤 的 耦 合 效 率 ,需 要 考 虑 以 下 2 点 : 1 )减 小 多 模 光 纤 出 射 光 束 的 束 腰 半 径 ; 2 )减 小多模光纤出射光束的发散角。 也 有 2 种 方 法 :1 )直 接 电 弧 抛 光 、整 形 ;2 )把 锥 端 处 理 后 ,浸 入 熔 融 的高 折 射 率玻 璃 中 ,控制 浸 入 深度 、时 间 长短 ,从 而 得 到不同大小及形状的锥端高折射率微透镜。 锥端球面透镜耦 合效率一般可达 30%~40% ,最大可达 50% 左右。 但是此方法 的制作工艺复杂,成本较高。

3

设计原理
由上 述 分析 及 参 考几 种 耦 合方 式 ,要 提高 多 模 光 纤 到 单

2

光纤耦合方法
光纤 耦 合技 术 经 历了 很 长 的发 展 阶 段 ,现 主 要 采 用 分 离

模光 纤 的 耦合 效 率 ,须做 到 减 小多 模 光 纤出 射 光 束 的 束 腰 半 径 以 及 发散 角 。 因 此,图 3 为 在 多模 光 纤 的出 射 端 加 上 一 个 自 聚 焦 透 镜 ,起 到 减 小 束 腰 半 径 的 作 用 ,然 后 在 减 小 了 束 腰 半 径 的 基 础 上 ,加 入 一 个 球 透 镜 ,再 来 减 小 进 入 单 模 光 纤 光 束的发散角。

透镜耦合法和光纤直接耦合法。

2.1

分离透镜耦合法 耦合系统内部各光学元件之间以及耦合系统与光纤是

分立的。 比较常见的几种由分光元件构成的光学耦合系统 有:球透镜耦合、自聚焦透镜耦合和组合透镜耦合。

1 )球透 镜 耦合

由 单 个球 透 镜 构成 的 耦 合 系 统 ,球 透 镜

本身的圆对称性使其装配要比其他透镜方便。 单个球透镜的 球 差 与 透 镜 的 焦 距 成 正 比 ,因 此 ,减 小 球 差 来 提 高 耦 合 效 率 是这种耦合方法的关键。

2 )自 聚 焦 透 镜 耦 合

利用离子交换技术在圆柱状玻璃
图3 多模光纤到单模光纤耦合的系统结构图

基 棒 内产 生 径 向的 折 射 率分 布 制 成的 ,它 的 聚光 能 力 是 依 靠 折 射率 的 渐 变分 布 来 实现 的 ,焦 距由 透 镜 长度 决 定 。 平 端 自 聚 焦透 镜 球 差较 严 重 ,会聚 光 斑 较大 ,可 把 前端 研 磨 成 球 面 , 补偿透镜的球差,耦合损耗可降为 1 dB 左右。
Fig. 3 Structure of coupler which from multi-mode fiber to single-mode fiber

3 )组合 透 镜耦 合

在 许多 光 纤 耦合 系 统 中 ,常 利 用 柱 透

3.1

自聚焦透镜汇聚作用的分析及计算 选用自聚焦透镜来减小束腰半径而不选其他一般的普

镜 、球 透 镜 、自 聚 焦 透 镜 及 锥 形 光 纤 等 相 互 组 合 来 提 高 耦 合 效率。 其组合方式较多。 利用组合透镜可将耦合效率大幅度 提 高 ,但 装 配 时 需 要 用 专 用 精 密 夹 具 来 精 密 调 整 ,增 加 了 工 作难度,并且封装阶段要求较高。

通透镜来减小束腰半径。 一般的透镜在减小束腰半径的同时 会 使 得 发 散 角 变 大 ,而 为 了 提 高 耦 合 效 率 ,是 要 同 时 减 小 束 腰 半 径 和发 散 角 。 自聚 焦 透 镜又 称 梯 度折 射 率 透镜 ,由 于 自 聚 焦 透 镜的 折 射 率沿 半 径 方向 按 一 定规 律 渐 变 , 可 使 球 差 、 像 散 等 同时 得 到 校正 ,这 是 普通 透 镜 无法 做 到 的 。 在 这 个 系 统 中 ,自 聚焦 透 镜 起着 减 小 束腰 宽 度 的作 用 。 同 一 般 的 透 镜 相 比 ,它 在减 小 束 腰半 径 引 起的 增 大 发散 角 大 小相 比 于 一 般 透 镜 引起 的 增 大发 散 角 要小 得 多 ,如图 4 所 示 。 这 样 就 满 足 了这个耦合系统的两点要求。

2.2

光纤直接耦合法 光纤直接耦合包括平端光纤直接耦合和对光纤进行加

工耦合的方法,如在光纤端面制造球形、锥形等。 这种耦合系 统 灵 活 方 便 ,易 于 集 成 封 装 和 加 工 制 作 ,因 而 得 到 广 泛 的 应 用 。 比 较 常见 的 几 种光 纤 直 接耦 合 方 法有 :平 端 光 纤 直 接 耦 合、球形端面光纤直接耦合、锥端球面透镜直接耦合。

1 )平 端 光 纤 直 接 耦 合

指把端面已处理的平头多模光

纤直接对向单模光纤的端面。 影响耦合效率的主要因素是光 源的发光面积和光纤芯径总面积的匹配以及光源发散角和 光 纤 数值 孔 径 角的 匹 配 。 两光 纤 之 间存 在 严 重的 模 失 配 ,采 用平端光纤直接耦合,损耗将会很大,耦合方式效率较低。

2 )球 形 端 面 光 纤 直 接 耦 合

获得球形光纤端面的方法
图 4 光束在普通透镜和在自聚焦透镜中的传输 Fig. 4 Beam transimission in an ordinary lens and in a self-focusing lens

有 很 多种 ,一 种 比较 简 单 的方 案 是 在光 纤 端 面上 制 造 一 个 树 脂 的半 球 透 镜;另 一 种 更实 用 的 方案 是 在 光纤 的 端 面 烧 制 出 特殊形状的端球。 采用球形光纤端面不仅可以提高光纤与光 纤之间的耦合效率,而且利于实验光路调试。

3 )锥端 球 面透 镜 直 接耦 合

在 目前 所 有 的 耦 合 方 法 中 ,

自聚焦透镜的折射率为:

锥 端 球面 微 透 镜应 用 最 广 ,其 制 作 方法 是 先 将光 纤 端 部 制 成 锥形,以减小端面半径,然后在锥端形成微透镜。 形成微透镜

n2(r )=n02(1-Ar2)
其中, n0 为透镜轴线的折射率。

(1 )

-110-

何景秋,等
焦点为: 垂轴放大率为:

多模光纤到单模光纤耦合效率的研究分析
(2 )

lF = cot ( 姨 A L ) n0 姨 A

3.2

球透镜对发散角的汇聚作用的分析及计算 图 5 为光束在球透镜中的传 输 ,假设 入 射 角为 θ ,经 球 透

镜 后 的 出 射 角 为 β1 ,球 透 镜 的 折 射 率 为 n1,球 透 镜 的 半 径 为 (3 ) (4 ) (5 ) 其中,A=D=sin-1

m= [n0 姨 A lsin ( 姨 A l )+cos ( 姨 A l )]-1
角放大率为:r =n0 姨 A lsin ( 姨 A l )+cos 姨 A l 数值孔径为:NA 多 =n0 姨2△

r ,经过自聚焦系统 后 ,出 射端 面 到 柱透 镜 表 面的 距 离 为 Z ,那
么图 5 中的各角关系为 :

β1 =θ+2 (B-A ) z+r sinθ sinA ,B=C=sin-1 r n′

(8 ) (9 )

其中,△ 为相对折射率差。 也就是说,当从多模光纤出射的那 部分发散角小于 arcsin (NAm)的光束全部进入自聚焦透 镜 ,由 于自 聚 焦 透镜 的 数 值孔 径 一 般大 于 多 模光 纤 的 数值 孔 径 ,所 以从多模光纤出射的光差不多全部都能进入自聚焦透镜。 假 设从 多 模 光纤 出 射 光的 光 斑 半 径 为 R ,经 过 自 聚 焦 透 镜 折 射 后的出射光束的光斑半径为 R′ ,那么

R′=Rcos ( 姨 A l )-NAs[lcos ( 姨 A l )-sin 姨 A L ] n0 姨 A

(6 )

图5

光束在球透镜中的传输

Fig. 5

Beam in a ball lens

其中 ,NAs 是 光 源输 出 张 角对 应 的 数值 孔 径 ,L 是多 模 光 纤 端 面到自聚焦透镜端面的距离, 而 l 是自聚焦透镜出 射 之 后光 束距离出射端面的距离 [6-7]。 同时假设出射之后发散角的角度 为 θ′ 那么

因为球透镜的折射率要比空气的大, 所以 B<A ,β1<θ ,从 而起到了减小发散角的作用。

4
r0 姨 A sin ( 姨 A L )}
(7 )

数值计算及仿真
假定采用的是芯径 R 多 微米、数值孔 径 NA 多 的 多模 光 纤 ,

θ′= arcsin{NAs [ln0 姨 A sin ( 姨 A L )+cos ( 姨 A L )]由上 面 两 个公 式 可 以看 出 R′ 和 θ′ 的大 小 和 L 与 l 有 关 ,

R 单 微米 、数 值 孔径 NA 单 的 单 模光 纤 ,光 束采 用 一 般 的 高 斯 光
束 ,多 模 光纤 出 射 端面 到 自 聚焦 透 镜 接收 端 面 直 接 的 距 离为

A 为 常数 ,n0 为 常 数, 那 么 就 是 说 多 模 光 纤 出 射 端 面 到 自 聚
焦透镜的距离 L 和自聚焦透镜到下个球透镜端面之间的距 离 l 直接决定了球透镜接受端面光束的半径大小和发 散 角的 大小。

L,自聚焦透镜到球透镜之间的距离为 l,采用一般的工作波长
为 1 550 nm 的自聚焦透镜 GL-W-18-025-1310-AR2-8。 由上 面 对自 聚 焦 透镜 和 球 透镜 的 分 析及 计 算 ,可 以 得 出 耦合效率为:

μ=

R单· 单 NA

2



姨A L R多 cos ( 姨 A l )-NAs lcos ( 姨 A l )-sin n0 姨 A



姨θ 姨

2

(10 )
-1 -1 sinA z+r sinθ ) -sin n′ r

· θ+2 (sin



其中 ,θ 为 从 自 聚 焦 透 镜 出 射 光 束 的 发 散 角 ,z 为 自 聚 焦 透 镜 到球透镜的端面距离。通过推倒,得出当 L=

综上 所 述,多 模 光 纤到 单 模 光纤 的 耦 合由 于 需 要 两 者 做 到数 值 孔 径的 匹 配 ,所以 采 用 自聚 焦 透 镜加 球 透 镜 的 办 法 来 提高两者的耦合效率。 在不考虑各种损耗的前提下, 通过

1 + A R ,z= 姨 姨A

R 多 [sin ( 姨 A L )+cos ( 姨 A L )]-r0 sin ( 姨 A L ),球 透 镜 的 端 面
和 单 模光 纤 端 面几 乎 重 合时 ,单 模 光纤 能 够 接收 并 传 输 最 大 量的光,即从多模光纤到单模光纤的耦合效率达到最高。 采 用 芯 径 为 100 μm 、数 值 孔 径 为 0.3 的 多 模 光 纤 ,芯 径 为 10 μm 、 数 值 孔 径 为 0.1 的 单 模 光 纤 ,GL -W -18 -025 -

ZEMAX 模拟 仿 真 , 可得 到 多 模光 纤 到 单 模 光 纤 的 耦 合 效 率
能达到 38.7% 。 因此采用自聚焦透镜加球透镜的这种方法是 可行的。 参考文献:

[1] Faria J B.A theoretical analysis of the bifurcated fiber bundle displacement sensor[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement ,1998 ,47 (3 ):742-747. [2] Gisin N , Passy R ,Perny B. Optical fiber characterization by simultaneous measurement of the transmitted and refracted near field [J]. Journal of Lightwave Technology , 1993 , 11
(11 ):1875-1883.

1310-AR2-8 型 号 的 自 聚 焦 透 镜 , 半 径 为 0.3 mm 、折 射 率 为 1.48 的 球 透 镜 ,经 过 ZEMAX 仿 真 计 算 ,选 取 合 适 的 距 离 ,耦
合效率 η=38.7% 。

5





当然以上的耦合效率是没有考虑各种损耗情况下的耦 合效率。 在实际装配中,光纤对准精度要求很高,但是通过损 耗分析,可以得出尽量减小纵向偏离来达到最小的损耗。

[3] Anderson W T ,Philen D L. Spot size measurements for single-mode fibers-a comparison of four
(下转第 114 页)

-111-

《电子设计工程》2010 年第 10 期
2.2
多 session 并发运行的实现 在编写一个进销存系统中发现需要让多个用户可以同 时 进入 一 个 php 应用 程 序 ,原来 所 设 计静 态 的 唯 一 的 session

3





研究 构 建个 人 网 站 的 后 台 技 术 , 应 用 改 良 的 MD5 算 法 确保了网站前台登录时的安全性,引入 session 机制有效防止 了非 法 入侵 者 直 接绕 过 登 录界 面 进 入后 台 操 作的 危 害 ,从 而 保障了个人网站安全性。 参考文献:

ID 导致数据混乱。 因此必须动态生成一个唯一的 session ID 。
采 用 php 文 件 名 + 时 间 戳 来 生 成 唯 一 的 session ID ,这 样 每 个

session 就不再混乱。 其源代码如下: if ( empty ($mysessionname ) ) { $micro = microtime (); $micro = str_replace (" " ,"" , $micro ); // strip out the blanks $micro = str_replace ("." ,"" , $micro ); // strip out the periods $mysessionname = "po_maint" . $micro ; } session_name ($mysessionname ); session_start ();
用 mysessionname 为 页 面 间 唯 一 的 sessionname 传 递 变 量 ,Mysessionname 不能 为 session 的 内部 变 量 名 ,因 为 在 ses-

[1] 邹 天 思 .PHP 网 络 编 程 标 准 教 程 [M]. 北 京 : 人 民 邮 电 出 版
社,2009 :219-221.

[2] 宫 垂 刚 . PHP 实 例 精 通 [M]. 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 , 2009 : 81-84 ,112-113 ,154. [3] 贺 民 . PHP 专 业 项 目 实 例 开 发 [M]. 北 京 :中 国 水 利 水 电 出
版社,2003 :220-221.

[4] 冯 燕 奎 .PHP4.0 与 MySQL 动 态 网 站 编 程 [M]. 北 京 :清 华 大
学出版社,2006 :78-139.

[5] 武欣 .PHP 和 MySQL Web 开发 [M]. 北京:机械 工 业 出版 社 , 2009 :100-190. [6] 魏 红 国 .PHP+MySQL 动 态 网 站 开 发 [M]. 南 京 :东 南 大 学 出
版社,2008 :120-170.

sion 开 始 之 前 就 已 经 存 在 了 ,Mysessionname 也 不 能 用 cookie
方 式 存放 ,这 是 因为 多 个 session 肯定 会 覆 盖掉 原 先 的 cookie 文件,因此可以用隐含表单的域来保存。

[7] 刘 彦 博 . 高 性 能 网 站 建 设 指 南 [M]. 北 京 :电 子 工 业 出 版 社 , 2008 :56-150.

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
(上接第 111 页)

techniques[J]. Journal of Lightwave Technology ,1983 ,1 (1 ): 20-26. [4] 林学煌 . 光无源器件 [M]. 北京:人民邮电出版,1998. [5] 齐 晓 玲 . 光 通 信 元 器 件 中 光 耦 合 的 研 究 [D]. 广 州 : 中 山 大
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[6] Graves J E , Drenker S. Advancing free-space optical com-

""""""""""""""""""""""""""""""""""
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恩智 浦 半导 体 NXP Semiconductors N.V. (NASDAQ :NXPI )宣 布推 出 用 于车 载 网 络的 CAN/LIN 系 统 基 础 芯 片 (SBC )换 代 产 品 UJA107xA 系列。 该系列芯片增强了 EMC (电磁兼容)性能,可满足奥迪、宝马、戴姆勒、福特、保时捷、雷 诺、丰 田 和 大众 等 全 球 OEM 汽车制造商的严格要求。

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