Технология связи космических световодов

1. Основные принципы

Передача световых лучей в оптических волокнах ограничена числовой апертурой оптического волокна.Числовая апертура оптического волокна выражается как:

  Пропускание световых лучей в системе линз ограничено числовой апертурой линзы.Числовая апертура линзы равна:

n1,n2 – показатель преломления сердцевины и оболочки волокна,Д - светосила объектива,ж — фокусное расстояние линзы. Лазерный луч фокусируется через линзу связи, и его распределение в фокальной плоскости остается гауссовым.В соответствии с характеристиками пространственного пропускания луча размер модового поля пятна в фокальной плоскости выражается как:

Следовательно, числовая апертура соединительной линзы и числовая апертура оптического волокна должны быть полностью согласованы для достижения идеального соединения пространственного луча с оптическим волокном.

Рисунок 1. Основная принципиальная схема пространственной связи света с оптическим волокном.

Основной принцип соединения волокон показан на рисунке 1. В космической оптической связи после того, как полученный лазерный луч сформирован системой формирования, его можно рассматривать как квазипараллельный луч.Пройдя через фокусирующую линзу, луч Фурье Получено на фокусирующей поверхности Трансформированное распределение поля моды диска Эйри. Основным принципом связи является согласование мод, то есть согласование между полем мод диска Эйри и полем мод одномодового волокна. Поскольку поле моды универсального оптического волокна согласовано, относительную апертуру соединительной линзы можно контролировать и регулировать для согласования сфокусированного светового пятна с полем моды оптического волокна для достижения высокоэффективной связи оптического волокна.

2. Эффективность соединения волокон

Эффективность связи η определяется как отношение оптической мощности  P _{, введенной} в волокно, к оптической мощности P , полученной в плоскости фокусировки :

Согласно теореме Парсеваля ^[2] эффективность связи, рассчитанная на поверхности входного зрачка и фокальной плоскости, эквивалентна. Поскольку расчет на поверхности входного зрачка относительно прост, η, рассчитанный на поверхности входного зрачка , равен: 

Где E _i — световое поле на поверхности входного зрачка, E _f — эквивалентное модовое поле модового поля одномодового волокна на поверхности входного зрачка, а распределение имеет форму Гаусса:

В формуле f — фокусное расстояние оптической системы, а w ₀ — радиус поля моды одномодового оптического волокна. Объединив два приведенных выше уравнения, мы можем получить

Где D — диаметр луча, мы получили выражение эффективности связи коллимированного луча, подключенного к одномодовому волокну в идеальных условиях.

Нашей заботой всегда было то, как достичь максимальной эффективности связи.При соединении луча в свободном пространстве с одномодовым волокном, хотя и будут неизбежны потери на отражение, рассеяние и поглощение, самые большие потери возникают из-за рассогласования, или, другими словами, Ни один рабочий режим не соответствует оптоволоконному коллиматору.

Во-первых, давайте сначала разберемся с распространением луча оптоволоконного коллиматора (соединительной головки). Вообще говоря, пространственный свет, который нам нужен, представляет собой стандартный гауссовский луч или квазигауссовский луч, поэтому при фактическом использовании волоконного коллиматора особое внимание необходимо уделять размеру перетяжки луча (или пятна перетяжки) гауссова пучка. луч, то есть минимальный диаметр луча (или радиус). После выхода из коллиматора луч слегка сходится к перетяжке луча, а затем с той же скоростью расходится, а после достижения определенной точки скорость расхождения увеличивается. Поскольку гауссов луч сам по себе обладает такими свойствами, мы определяем длину Рэлея: луч начинается от положения перетяжки луча до луча вдоль направления движения.2 Удвойте расстояние при опоясывании . В пределах длины Рэлея мы предполагаем, что луч представляет собой параллельный свет без угла расхождения.

Рисунок 2. Иллюстрация конструкции перетяжного пятна (перетяжки луча) оптоволоконного коллиматора / соединительной головки.

Как показано на рисунке выше, поскольку связанный луч является гауссовским лучом, принцип конструкции волоконного коллиматора / соединительной головки соответствует правилам передачи гауссова луча. Это приводит к проектированию различных положений перетяжки луча: некоторые положения перетяжки луча расположены на собирающей линзе, некоторые - далеко от собирающей линзы, но все они находятся в пределах длины Рэлея. (Как правило, на оптоволоконных коллиматорах / соединительных головках указывается положение перетяжки луча)

После краткого понимания волоконных коллиматоров / соединительных головок мы можем перейти к следующему шагу: объединению пространственного света в оптические волокна.

Рис. 3. Принципиальная схема линзы, изменяющей положение и размер пятна перетяжки гауссова луча.

Теперь мы знаем положение проектируемой перетяжки луча и размер коллиматора / соединительной головки, а благодаря характеристикам гауссовых пучков мы можем использовать линзы для достижения пространственного совпадения различных гауссовских пучков - то есть положения и размеры перетяжек пятна пространственно совпадают. (Это означает, что диаметр двух лучей света в одном и том же месте одинаков, независимо от того, как далеко он передается). Наша цель очень ясна ниже: соединить космический свет с спроектированным поясным пятном и положением волоконного коллиматора / соединительной головки в пространстве с помощью трансформации линзы, чтобы достичь теоретической эффективности соединения волоконного коллиматора / соединительной головки.

Экспериментальные этапы :

(1) Определите размер и положение перетяжки пространственного луча, которую необходимо соединить. Для подтверждения можно использовать метод лезвия, метод подбора изображения ПЗС и т. д.

(2) Подтвердите расчетную точку перетяжки и положение оптоволоконного коллиматора / соединительной головки.

(3) Путем расчета и выбора соответствующей комбинации линз ( преобразование матрицы ABCD ) размер и положение пространственного гауссова луча и расчетная перетяжка луча (точка талии) волоконного коллиматора / соединительной головки совпадают друг с другом для достижения высокой связи. эффективность.

       Примечание. Если размер коллимированного луча, который необходимо соединить, составляет порядка миллиметров и высокая эффективность связи не требуется, группу линз можно использовать для непосредственного расширения (или сжатия) луча до расчетного выходного размера волоконный коллиматор и точная настройка оси Z. Прецизионный микрометр поступательного крепления обеспечивает высокую эффективность связи, которую можно поддерживать на уровне выше 75% . Если вы стремитесь к высокой эффективности связи, вам необходимо выбрать подходящую группу линз с помощью преобразования матрицы ABCD .

Рекомендации:

[1] Рао Юньцзян. Волоконно-оптическая технология. Пекин: Science Press , 2006, 52-58.

[2] Рюилье К. Исследование ухудшения связи света в одномодовых волокнах. Материалы SPIE.

3. Руководство по покупке оптического устройства:

Оптические компоненты, которые вам необходимо приобрести отдельно: два зеркала, две линзы и оптоволоконный коллиматор (наружный цилиндрический диаметр 11 мм). Во-первых, подтвердите длину волны вашего лазера. Оптические устройства имеют разные коэффициенты пропускания лазера для разных длин волн из-за разных вариантов покрытия. Чтобы избежать ненужных потерь, вам необходимо выбирать устройства для покрытия, соответствующие диапазону длин волн. Во-вторых, подтвердите диаметр луча и выходной диаметр приобретенного вами оптоволоконного коллиматора. Соотношение между ними должно соответствовать соотношению фокусных расстояний части группы линз. При использовании поместите две линзы в конфокальное положение, чтобы существенно изменить луч к оптоволоконному коллиматору.Дизайн выпрямителя точно настраивается с помощью MFT ( крепление для перемещения по оси Z ) для достижения более высокой эффективности связи.

4. Как использовать:

1.  Установите деталь грубой регулировки, чтобы обеспечить коллимацию падающего света, стараясь при этом удерживать луч в центре оптического элемента.
2.  Дальнейшая регулировка с помощью 30-миллиметровой коаксиальной пластины для выравнивания системы.
3.  Установите соответствующую деталь, чтобы балка не отклонялась.
4.  Установите соединительную часть. Во-первых, проверьте, находится ли луч точно в центре волоконного коллиматора. Во-вторых, убедитесь, что форма выходного светового пятна круглая. Если оба варианта удовлетворены, вставьте волокно и проверьте его на выходной конец волокна.
5.  Сначала отрегулируйте две рамы зеркал детали грубой регулировки, чтобы обеспечить максимальную эффективность их соединения. В это время грубо отрегулируйте MFT ( каждая регулировка требует повторной калибровки рамы зеркала ) и найдите подходящее положение для ее фиксации, а затем выполните точную настройку MFT для достижения более высокой эффективности соединения.