第15卷第6期2004年6月光电子激光JournalofOptoelectronicsLaserVol.15No.6Jun.2004简报自聚焦透镜装配误差对光信号耦合效率的影响*贾大功**,张以谟,井文才,唐峰,张尹馨(天津大学精密仪器与光电子工程学院,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300072摘要:旋转连接器内信号传输过程中,自聚焦透镜装配误差将引起信号传输系统额外耦合损耗。通过自聚焦透镜和光电探测器耦合系统,研究、测试了自聚焦透镜装配引起的轴向距离、角度偏差和离轴偏差对信号传输系统耦合效率的影响。试验结果表明,为了保证自聚焦透镜与光电探测器之间的耦合效率达90%以上,轴向距离应控制在0~15mm内,离轴偏差应在0.5mm,角度偏差在-2~+2。关键词:自聚焦透镜;离轴偏差;轴向距离;角度偏差;耦合效率中图分类号:TN203文献标识码:A文章编号:1005-0086(200406-0753-03EffectofGRINLensMisalignmentonCouplingEfficiencyofOpticalSignalsJIADa-gong**,ZHANGY-imo,JINGWen-cai,TANGFeng,ZHANGYin-xin(SchoolofPrecisionInstrument&Opto-electronicsEngineering,TianjinUniversity,KeyLaboratoryofOpto-electronicsInformationandTechnicalScience,EMC,Tianjin300072,ChinaAbstract:Duringsignaltransmissionofopticalrotaryjoint,theexcesslossofsignalcouplingsystemisduetomisalignmentofGRINlens.TheeffectofGRINlendmisalignment,endseparation,lateraldisplacementandangularmisalignmentoncouplingefficiencyofopticalsignaltransmittingsystemistestedandinvestigatedbycouplingbetweentheGRINlensanddetector.TheresultindicatedthatinordertoensurecouplingefficiencyofGRINlensanddetectorupto90%,enddisplacementshouldbelessthan15mm,lateraldisplacementmustbewithin0.5mmandangularmisalignementshouldvaryform-2to+2.Keywords:GRINlens;lateraldisplacement;endseparation;angularmisalignment;couplingefficiency1引言在光纤旋转连接器中为减小单模光纤耦合造成较大回波损耗,通常用自聚焦透镜代替光纤耦合光信号[12]。在有源光纤旋转连接器中,自聚焦透镜的装配误差引起的额外耦合损耗将影响系统的信号传输。自聚焦透镜与光探测器之间的装配误差包括轴向距离、角度偏差和离轴偏差。本文对此进行了分析与测试。2自聚焦透镜与光探测器的耦合自聚焦透镜具有准直和聚焦作用,且耦合效率高。自聚焦透镜中,光线轨迹为[3]r2n0r2=cosAZsinAZ/n0A-n0AsinAZcosAZr1n0r1(1式中:r为自聚焦棒光纤的纤芯半径;n0为自聚焦透镜的中心折射率;A为自聚焦透镜的聚焦常数;Z为自聚焦棒的长度。从式(1可以看到,自聚焦棒中光线轨迹类似正弦曲线。1/4节距自聚焦棒与探测器耦合时,明显减少耦合损耗值,提高耦合效率。入射光子驱动探测器内载流子流动,产生电流。光子在光敏面上产生的光电流为[4]Ip=ehfpr(1-e-sw(1-Rf(2收稿日期:2003-09-08修订日期:2004-03-25*基金项目:国家自然科学基金资助项目(60377031;天津市自然科学基金资助项目(023602411**E-mail:pouljiann@163.com式中:Ip是探测器产生的光电流;e为电子电荷;h为普朗克常量;hf是频率为f的光子能量;pr是入射的光功率;s(是半导体材料在波长处的吸收系数;w是损耗区的宽度值;Rf为光电二极管入射面的反射率。从式(2可以了解到,光电流与入射光功率成线性关系。自聚焦透镜与探测器耦合时,自聚焦透镜与探测器的轴向距离使出射光束在空气中的损耗增加,光束扩大,光敏面处的pr减小,造成额外耦合损耗;离轴偏差和角度偏差使自聚焦透镜在探测器光敏面处的像偏离光轴与光轴成一定偏角,入射到光敏面上的光能变少,从而耦合损耗值增加。为了测试有源光纤旋转连接器中自聚焦透镜的装配误差对光信号传输系统耦合损耗的影响,在搭建的平台上测试了轴向距离、离轴偏差和角度偏差各自作用时,探测器的光电流的变化。试验装置如图1所示。图1自聚焦透镜装配误差与光强关系的测试装置Fig.1OpticalpowerversusGRINlensmisalignmentmeasurementsetup自聚焦透镜和探测器的位置由五维调整架来控制,调整2台调整架的位置便可模拟出自聚焦透镜轴向距离和离轴偏差,至于角度偏差,需要在调整架上放置1个360角度旋转后...