光纤耦合装置的公差分析

摘要

在现代光学中，光纤存在于各种光学系统中，能够将多少光耦合到光纤中一直是人们关注的问题。耦合效率对系统的对准十分敏感，特别是对于芯径相对较小的单模光纤。在本例中，我们选择了一个设计良好的光纤耦合透镜，并根据光纤末端位置的偏移和耦合透镜的倾斜等不同的容差因素来评估耦合效率。

建模任务

耦合效率与光纤末端位置偏移

耦合效率与耦合透镜倾斜

走进VirtualLab Fusion

VirtualLab Fusion的工作流程

 设置输入高斯场

- 基本光源建模 [教学视频]

 从Zemax文件加载光纤耦合透镜

- 从Zemax导入光学系统 [用例]

找出最佳工作距离

- 将光耦合成单模光纤的最佳工作距离 [用例]

或者在VirtualLab中优化您自己的透镜

- 光线耦合透镜的参数优化 [用例]

 使用Parameter Run扫描所关注的公差因素

- Parameter Run的使用文件 [用例]

VirtualLab Fusion技术

文件信息

基于zemax的激光合束过程分析

系统里的透镜包括FAC/SAC及球面聚焦镜都是采用市面上标准的透镜，在典型的光纤耦合14针蝶形封装中，最多需要三个独立的透镜才能提供有效且稳定的耦合。大多数高端激光二极管使用两个交叉的柱面方形微透镜来补偿激光二极管快轴和慢轴的发散角之间的差异。第一透镜，称为快轴准直FAC透镜，必须具有较大的数值孔径，由于发散角的缘故，典型焦距约为500μm，由于发散孔径的尺寸小，发散角通常约为25度。取决于单模或多模二极管的使用，慢轴的发散角比其快轴低3至5倍。因此，要使光束圆化，慢轴准直SAC透镜必须具有比FAC透镜更长的焦距。根据二极管子底座的尺寸，这些元件可以轻松占据平台可用空间的三分之一，这进一步说明了使用方形微光学元件而非圆形光学元件的重要性。光束经过准直后，需要使用第三块方形透镜（通常是非球面透镜）将光耦合到光纤中。就像在准直步骤中监控光束轮廓和发散角一样，光纤耦合过程也会受到主动监控，以确保最大输出功率。对于某些单模光纤耦合激光器，也可以观察到偏振消光比。对于使用低功率激光器的价格敏感的激光二极管系统，通常使用单个球面或非球面透镜，而不是一对柱面FAC和SAC透镜。

(1)柱面透镜的选择和光路的安装应遵循以下规则：

θ_1/θ_2=f_1/f_2

(2)激光二极管可以近似为一个点光源，得到准直输出，两个圆柱体与光源的间距等于两者的焦距

(3)两柱面主平面间距应等于f2-f1焦距之差，两透镜实际间距等于BFL2-BFL1。与球面透镜一样，柱面镜的凸面应朝向准直射光束，以尽可能减少。

d_1=2f_1 (tan⁡( θ_2∕2))

d_2=2f_2 (tan⁡( θ_1∕2))

由于激光二极管输出光束发散较快，我们需要仔细确认每个圆柱上的光斑尺寸不超过镜头的有效光孔径。因为圆柱的距离等于它的焦距，所以每个圆柱的最大光斑宽度应遵循

D_1=2f_1 (tan⁡( θ_2∕2))

D_2=2f_2 (tan⁡( θ_1∕2))

采用的是平凸柱透镜形式，根据平凸透镜焦距计算公式

f_m=r/(n-1)（m=1,2；n为折射率，r为平凸透镜的曲率半径）

图1 柱面FAC和SAC透镜配对形式

图2 二极管相关参数

两个柱透镜的参数

图3柱透镜参数

柱透镜选型：根据索雷博公司柱面镜的产品手册，先选择慢轴SAC透镜作为参考透镜，选择型号为LJ1918L1-B或LJ1918L2-B，Focal Length=5.79mm，Length=6.0/8.0mm，Height=4.0mm，Radius=3mm，Center Thickness=2.8mm，Edge Thickness=2.0mm，Back Focal Length=4.0mm。根据上式（1）~（5）求解相应的快轴FAC透镜相关参数。

图4 柱透镜结构示意图

聚焦镜的计算方式

聚焦镜的本质是准直透镜反着使用！根据公式（5）平凸透镜计算焦距。

图5 光纤与聚焦镜的关系

图6 聚焦镜结构示意图

f_m=r/(n-1)，聚焦镜玻璃为H-LAF10，相应的折射率和阿贝数为1.787和47.5，计算相应的焦距为4mm

图7 准直镜的示意图

图8 聚焦镜结构图

图9 激光合束结构图

最后，有相关需求欢迎通过公众号“320科技工作室”与我们联络。

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