Breve análisis del principio de funcionamiento del colimador de fibra óptica
Definición:
Un dispositivo que colima la luz que sale de una fibra óptica, o emite luz colimada en una fibra óptica.
A menudo, es necesario convertir la luz de salida de fibras ópticas en un haz colimado en el espacio libre. En teoría, el uso de una lente colimante (como se muestra en la Figura 1) puede satisfacer este requisito. Sin embargo, la lente requiere que la distancia entre el puerto de fibra óptica y éste sea fija, aproximadamente igual a su distancia focal. En la práctica, el uso de un colimador de fibra es más conveniente. Existen dos tipos diferentes de colimadores de fibra:
Un tipo es un colimador que puede estar directamente en contacto con fibras ópticas desnudas. Este es el método más barato y sencillo, pero este colimador generalmente está conectado permanentemente a la fibra óptica.
Hay una sección transversal mecánica entre otro tipo de colimador de fibra y conector óptico, tal como tipo FC o SMA; Normalmente no se utiliza para fibra óptica desnuda. Este colimador puede instalarse o retirarse fácilmente de cables de fibra óptica con conectores.
El mismo dispositivo también puede emitir haces colimados en fibras ópticas o usarse para el acoplamiento de fibra a fibra: primero, se usa un primer colimador para colimar la luz emitida desde la primera fibra, y luego se usa otro colimador para enfocar el haz colimado en la segunda fibra. En términos generales, los conectores de fibra óptica pueden verse como la sección transversal natural entre la fibra óptica y la óptica de espacio libre.
Figura 1
Figura 1: Una lente puede colimar la luz de salida de una fibra o emitir un haz colimado en la fibra.
Otra aplicación es combinar un espejo que mira hacia atrás con componentes ópticos adicionales. Por ejemplo, se puede insertar un rotador de Faraday para obtener un reflector de Faraday de fibra, o se puede insertar una placa de cuarto de onda para obtener un reflector de placa de mitad de onda. En algunos otros casos, se pueden usar filtros de fibra o absorbentes de saturación.
catálogo
El tamaño de la viga colimada
Tipo de lente utilizado
Pérdida de inserción
El propósito de inclinar los puertos de fibra óptica
Tamaño de la viga colimada
El radio de haz del haz colimado obtenido en diferentes situaciones es diferente. A veces, el diámetro del haz es equivalente al diámetro de la fibra, por ejemplo, 125 μm; En este punto, la longitud de Rayleigh es inferior a 1 cm. En algunos casos, se requiere un diámetro de viga de varios milímetros o incluso más grande.
La fibra de modo único es un caso relativamente simple de calcular. En este punto, se puede utilizar la siguiente fórmula para calcular con precisión el radio del haz:
Aquí, se supone que la forma del haz del modo de fibra es aproximadamente gaussiana, por lo que se puede usar la fórmula correspondiente al medio ángulo θ de la fibra del ángulo de divergencia del haz.
Suponiendo que la distancia entre el puerto de fibra óptica y la lente es aproximadamente igual a la distancia focal f. Si la distancia es demasiado pequeña, el haz divergerá, mientras que si la distancia es demasiado grande, el haz convergerá al punto focal a una cierta distancia. Normalmente es mejor tener una distancia ligeramente mayor, donde el foco del haz puede obtenerse dentro de la distancia de trabajo. Cuanto más larga sea la distancia focal, menos importante será la posición delantera hacia atrás.
Cuanto más pequeño es el tamaño del modo de fibra, mayor es el ángulo de divergencia del haz obtenido, por lo que el haz colimado obtenido con una distancia focal dada es mayor. Cuanto más corta sea la longitud de onda, menor será el tamaño del patrón obtenido y mayor será el haz de salida. Cuando la longitud de onda es lo suficientemente corta, este efecto se vuelve más pronunciado cuando la fibra entra en la región multimodo. Debido a las razones anteriores, el haz guía visible del haz infrarrojo no puede proporcionar el tamaño preciso del haz infrarrojo. Además, la posición precisa de la fibra requerida para la colimación depende de la longitud de onda, especialmente cuando no se usan prismas acromáticos.
El ángulo de divergencia (es decir, tamaño del haz colimado) del haz de salida de fibra multimodo está relacionado con las condiciones de emisión de luz, especialmente con la fibra (por ejemplo, flexión). En términos generales, su ángulo de divergencia de haz es mayor que el de la fibra de modo único.
Los colimadores de fibra óptica se pueden usar para diferentes tamaños de haz colimados, correspondientes a diferentes distancias focales. Cuanto mayor sea el tamaño de la viga colimada, más largo y mayor será el diámetro del dispositivo.
Algunos colimadores de fibra tienen tornillos de ajuste para controlar la dirección de la viga (combinado con el ajuste del ángulo), o para ajustar las posiciones delantera y trasera (ajustando el foco o la distancia de trabajo). Para los colimadores sin tornillos de ajuste, se requieren dispositivos optomecánicos adicionales para colocar los colimadores.
Tipo de lente utilizado
Las lentes comunes incluyen:
Lente GRIN: pequeño en tamaño y bajo en costo, ampliamente utilizado en fibras ópticas de comunicación, adecuado para escenas con diámetros de puntos dentro de unos pocos milímetros;
Lentes esféricas/no esféricas: adecuadas para aplicaciones con grandes puntos de luz y largas distancias de trabajo (como la comunicación óptica en espacio libre), proporcionando longitudes Rayleigh más largas y buena calidad del frente de onda;
Lente acromática: utilizada en sistemas de banda ancha para suprimir la desviación de colimación causada por la aberración cromática;
Lente no esférica: adecuada para fibras ópticas de apertura numérica grande, puede suprimir eficazmente las aberraciones y mejorar la calidad del haz.
Pérdida de inserción
La pérdida de inserción de un colimador de fibra única es generalmente muy pequeña, al nivel de 0,2 dB o incluso inferior. Está relacionado con muchos factores, como los recubrimientos antirreflectantes y la suciedad en las lentes. Sin embargo, cuando se utiliza fibra desnuda o fibra con conectores, los factores anteriores no tendrán un impacto.
La pérdida de inserción de un par de acopladores usados para el acoplamiento entre fibras ópticas será mayor que la suma de las pérdidas de inserción de dos dispositivos. Especialmente en el caso de fibras de modo único, es muy importante lograr una buena coincidencia de modo. Por supuesto, el colimador debe tener vigas colimadas del mismo tamaño. Según las posiciones específicas delantera y trasera de las fibras ópticas en el colimador, la situación ideal es que la distancia entre los colimadores no sea cero. En este caso, también se pueden insertar otros componentes ópticos tales como filtros ópticos o polarizadores.
El propósito de inclinar los puertos de fibra óptica
Los puertos de fibra óptica inclinados se usan comúnmente para suprimir la luz reflejada de nuevo en el núcleo de fibra desde la cara extrema de la fibra, es decir, para maximizar la pérdida de retorno. Sin embargo, los puertos inclinados también pueden reflejar el haz de salida.
Algunos conectores de fibra óptica tienen interfaces de fibra óptica inclinadas, que se pueden compensar usando accesorios de fibra óptica inclinados. De lo contrario, el haz de luz emitido por la fibra óptica será dirigido hacia la lente en un cierto ángulo. Después de pasar a través de la lente, la dirección del haz está en la misma dirección que la fibra (asumiendo posiciones frontales y laterales precisas), pero habrá un cierto desplazamiento con respecto al centro de la lente. Esto también aumentará la pérdida de inserción y reducirá la calidad del haz si se producen reflejos, dispersión, etc. en los bordes.