光纤阵列准直器设计及其发散角测量

刘若仙; 赵士元; 谷一英; 谢日凡; 赵明山

doi:10.37188/OPE.20233101.0089

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

光纤阵列准直器设计及其发散角测量

现代应用光学 | 更新时间：2023-02-07

- 光纤阵列准直器设计及其发散角测量
- Design of fiber array collimator and measurement of its divergence angle
- 光学精密工程 2023年31卷第1期页码：89-98
- 作者机构：
  
  1.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024
  2.大连理工大学光电工程与仪器科学学院，辽宁大连 116024
  3.辽宁省先进光电子技术重点实验室，辽宁大连 116024
- 作者简介：
  
  [ "刘若仙（1994-），女，博士研究生，2019年于大连理工大学获得硕士学位，主要从事光机系统设计与光电测量仪器方面的研究。E-mail： liuruoxian@mail.dlut.edu.cn" ]
  [ "赵士元（1992-），男，博士，讲师，2015年、2021年于哈尔滨工业大学分别获得学士和博士学位，主要从事精密光学仪器与测量方面的研究。E-mail： zhaoshiyuan@dlut.edu.cn" ]
  [ "赵明山（1960-），男，教授，博士生导师，1981年于曲阜师范大学获得学士学位，1986年于北京师范大学获得硕士学位，2003年于比利时根特大学获得博士学位，现为“辽宁省先进光电子技术重点实验室”主任，大连理工大学光子技术研究中心主任，主要从事信息光电子技术领域的研究与教学工作。E-mail： mszhao@dlut.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  中央高校基本科研业务经费资助项目(DUT21RC（3）085);国家重点研发计划资助项目(2019YFB2203201)
- DOI：10.37188/OPE.20233101.0089
  中图分类号： TN929.11
- 收稿日期：2022-08-07，
  
  修回日期：2022-09-11，
  
  纸质出版日期：2023-01-10
- 稿件说明：
移动端阅览
刘若仙,赵士元,谷一英等.光纤阵列准直器设计及其发散角测量[J].光学精密工程,2023,31(01):89-98.

LIU Ruoxian,ZHAO Shiyuan,GU Yiying,et al.Design of fiber array collimator and measurement of its divergence angle[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(01):89-98.
刘若仙,赵士元,谷一英等.光纤阵列准直器设计及其发散角测量[J].光学精密工程,2023,31(01):89-98. DOI： 10.37188/OPE.20233101.0089.

LIU Ruoxian,ZHAO Shiyuan,GU Yiying,et al.Design of fiber array collimator and measurement of its divergence angle[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(01):89-98. DOI： 10.37188/OPE.20233101.0089.

摘要

传统基于单个固定折射率透镜和渐变式折射率透镜制备光纤阵列准直器的方法，存在阵元数扩展困难、封装工艺复杂且集成化困难等缺点。利用光学微透镜易阵列化且阵元特性一致性好等优点，提出了基于平凸微透镜阵列制备光纤阵列准直器的方法。根据高斯光学和矩阵光学理论，对光纤阵列准直器的准直特性进行了理论分析和仿真，确定了光纤阵列准直器的相关设计参数，据此加工制备了四阵元一维排布光纤阵列准直器，其阵元间距为250 μm。通过远场光斑法对光纤阵列准直器的主要性能参数远场发散角进行了测量，并采用蒙特卡洛法对测量不确定度进行了分析与评定。光纤阵列准直器各通道远场发散角的测量值分别为0.69°，0.67°，0.71°，0.68°，测量扩展不确定度为0.02°，该测量结果在设计容差（0.68±0.03）°之内。该光纤阵列准直器具有良好的准直特性，能够满足光纤通信系统中光纤阵列准直器小型化和集成化的需求。

Abstract

The optical fiber array collimator is a major component in optical fiber communication systems， and its development is gradually moving toward array and integration. The traditional method of constructing a fiber array collimator is based on single-fixed and graded index lenses. It has disadvantages， such as difficulties in integrating and expanding the number of array elements and a complex packaging process. In this paper， a method of fabricating a fiber array collimator based on a plano-convex microlens array is proposed. The method utilizes the advantages of easy arraying of optical microlenses and good uniformity of array element characteristics. The theories of Gaussian and matrix optics were applied to analyze and simulate the collimation characteristics and determine the relevant design parameters of the fiber array collimator. A fiber array collimator with an array pitch of 250 μm is fabricated in this study. The far-field divergence angle is the main performance parameter measured using the far-field spot method. The measurement uncertainty is analyzed and evaluated using the Monte Carlo method. The measured values of far-field divergence angles of each channel in the fiber array collimator are 0.69°， 0.67°， 0.71°， and 0.68°， respectively， and the measurement expansion uncertainty is 0.02°， which is within the design tolerance limit of （0.68±0.03）°. The optical fiber collimator has good collimation characteristics and can meet the requirements of miniaturization and integration in the field of optical communication.

关键词

Keywords

references

LEE S S . Highly scalable 2-D fiber collimator array based on an array of through-holes in silicon ［J］. IEEE Photonics Technology Letters ， 2003 ， 15 （ 11 ）： 1555 - 1557 . doi: 10.1109/lpt.2003.818637 http://dx.doi.org/10.1109/lpt.2003.818637

袁志林，杨睿，杨柳，等 . 基于单准直透镜的阵列准直器研究［J］. 物理学报， 2012 ， 61 （ 18 ）： 184217 . doi: 10.7498/aps.61.184217 http://dx.doi.org/10.7498/aps.61.184217

YUAN ZH L ， YANG R ， YANG L ， et al . Study of collimator array based on single collimating lens ［J］. Acta Physica Sinica ， 2012 ， 61 （ 18 ）： 184217 . （in Chinese） . doi: 10.7498/aps.61.184217 http://dx.doi.org/10.7498/aps.61.184217

ZABOUB M ， GUESSOUM A ， DEMAGH N E ， et al . Fabrication of polymer microlenses on single mode optical fibers for light coupling ［J］. Optics Communications ， 2016 ， 366 ： 122 - 126 . doi: 10.1016/j.optcom.2015.12.010 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2015.12.010

向金山，陈波，黄河振 . 菲涅尔型阵列光纤准直器的研究［J］. 光电工程， 2002 ， 29 （ 3 ）： 20 - 23， 31 . doi: 10.3969/j.issn.1003-501X.2002.03.006 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1003-501X.2002.03.006

XIANG J SH ， CHEN B ， HUANG H ZH . A study on optic fiber collimator with Fresnel lens array ［J］. Opto-Electronic Engineering ， 2002 ， 29 （ 3 ）： 20 - 23， 31 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1003-501X.2002.03.006 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1003-501X.2002.03.006

王之岳，陈灶灶，朱利民，等 . 微透镜阵列单点金刚石车削补偿技术［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 7 ）： 813 - 820 . doi: 10.37188/OPE.20223007.0813 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223007.0813

WANG ZH Y ， CHEN Z Z ， ZHU L M ， et al . Single point diamond turning and compensation for micro-lens array ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 7 ）： 813 - 820 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223007.0813 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223007.0813

刘向阳 . 光刻胶热熔法制备的非球面微透镜的设计方法［J］. 光学学报， 2019 ， 39 （ 2 ）： 65 - 70 . doi: 10.3788/aos201939.0208001 http://dx.doi.org/10.3788/aos201939.0208001

LIU X Y . Design of aspheric microlens made by photoresist reflow method ［J］. Acta Optica Sinica ， 2019 ， 39 （ 2 ）： 65 - 70 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos201939.0208001 http://dx.doi.org/10.3788/aos201939.0208001

孟繁斐，步敬 . 集成成像系统中高填充率微透镜阵列的设计与加工［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 8 ）： 2130 - 2138 . doi: 10.3788/ope.20172508.2130 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172508.2130

MENG F F ， BU J . Design and fabrication for micro-lens array with high fill factor in integral imaging system ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 8 ）： 2130 - 2138 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20172508.2130 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172508.2130

周炳琨 . 激光原理［M］. 4版 . 北京：国防工业出版社， 2000 .

ZHOU B K . Laser Principle ［M］. 4th ed . Beijing ： National Defense Industry Press ， 2000 . （in Chinese）

阎吉祥，魏光辉 . 矩阵光学［M］. 北京：兵器工业出版社， 1995 .

YAN J X ， WEI G H . Matrix Optics ［M］. Beijing ： The Publishing House of Ordnance Industry ， 1995 . （in Chinese）

龚文杰 . C-Lens准直器特性的研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2006 .

GONG W J . Study on the Properties of C-Lens Collimator ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2006 . （in Chinese）

谢晋，冯彦科，程剑，等 . 光纤石英玻璃基板微V槽阵列的精密磨削［J］. 光学精密工程， 2015 ， 23 （ 8 ）： 2243 - 2249 . doi: 10.3788/ope.20152308.2243 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20152308.2243

XIE J ， FENG Y K ， CHENG J ， et al . Precision grinding of micro V-groove array on optical fiber quartz glass substrate ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2015 ， 23 （ 8 ）： 2243 - 2249 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20152308.2243 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20152308.2243

梁静秋，侯凤杰 . 采用硅V型槽的一维光纤阵列的研制［J］. 光学精密工程， 2007 ， 15 （ 1 ）： 89 - 94 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2007.01.015 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2007.01.015

LIANG J Q ， HOU F J . One-dimension optical fiber array with silicon V-grooves ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2007 ， 15 （ 1 ）： 89 - 94 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2007.01.015 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2007.01.015

柯义 . 高精度激光光束质量测量系统设计与实验研究［D］. 武汉：华中科技大学， 2015 . doi: 10.1364/ao.54.004876 http://dx.doi.org/10.1364/ao.54.004876

KE Y . Measurement System Design and Experimental Research with High Accuracy for Laser Beam Quality ［D］. Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2015 . （in Chinese） . doi: 10.1364/ao.54.004876 http://dx.doi.org/10.1364/ao.54.004876

罗宽 . 激光光束特性参数测量技术研究［D］. 长春：长春理工大学， 2015 . doi: 10.25103/jestr.095.05 http://dx.doi.org/10.25103/jestr.095.05

LUO K . Research on Measurement Technology of Laser Beam Characteristic Parameters ［D］. Changchun ： Changchun University of Science and Technology ， 2015 . （in Chinese） . doi: 10.25103/jestr.095.05 http://dx.doi.org/10.25103/jestr.095.05

朱敏 . 激光束参数测量方法研究［J］. 光电对抗与无源干扰， 1994 ， 9 （ 2 ）： 16 - 22 .

ZHU M . Research on measurement method of laser beam parameters ［J］. Electro-Optics ＆ Passive Countermeasures ， 1994 ， 9 （ 2 ）： 16 - 22 . （in Chinese）

靳浩元，刘军 . 测量不确定度的评定方法及应用研究［J］. 计量科学与技术， 2021 ， 65 （ 5 ）： 124 - 131 . doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2020.9002 http://dx.doi.org/10.12338/j.issn.2096-9015.2020.9002

JIN H Y ， LIU J . The evaluation method and application research of measurement uncertainty ［J］. Metrology Science and Technology ， 2021 ， 65 （ 5 ）： 124 - 131 . （in Chinese） . doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2020.9002 http://dx.doi.org/10.12338/j.issn.2096-9015.2020.9002

陈怀艳，曹芸，韩洁 . 基于蒙特卡罗法的测量不确定度评定［J］. 电子测量与仪器学报， 2011 ， 25 （ 4 ）： 301 - 308 . doi: 10.3724/sp.j.1187.2011.00301 http://dx.doi.org/10.3724/sp.j.1187.2011.00301

CHEN H Y ， CAO Y ， HAN J . Evaluation of uncertainty in measurement based on a Monte Carlo method ［J］. Journal of Electronic Measurement and Instrument ， 2011 ， 25 （ 4 ）： 301 - 308 . （in Chinese） . doi: 10.3724/sp.j.1187.2011.00301 http://dx.doi.org/10.3724/sp.j.1187.2011.00301

浏览量

923

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

用于InGaAs单光子探测器的微透镜阵列及表征

基于卷积神经网络判定方法的激光微透镜阵列微米级加工工艺

光刻胶掩膜材料超光滑表面切削

双频激光干涉三自由度微振动测量系统