光耦合器（精选四篇）
光耦合器 篇1
工业通信设计工程师需要通过通信现场总线发送高速数据, 同时避免损坏敏感的控制器、模数转换器或传感器。现有的解决方案是使用两个单通道光耦合器, 或是磁性和电容性耦合等其它技术, 但是这类方法不能达到所需要的可靠隔离水平和抗电磁干扰水平。为帮助设计人员应对挑战, 飞兆半导体公司 (Fairchild Semiconductor) 开发出业界首款全双工、双向逻辑门光耦合器FOD8012, 它具有高抗噪能力和经验证的可靠光隔离性能, 适用于工业现场总线通信、可编程逻辑控制、伺服控制, 以及逆变器、工厂自动化、过程控制和测试测量等应用。
FOD8012支持系统之间的数字信号隔离通信, 不会与接地环路或危险电压导电。不同于提供低于0.1 mm光隔离间隙的同类器件, FOD8012具有最低的光隔离间隙能够实现经验证的可靠光隔离。FOD8012高速逻辑门光耦合器具有高集成度, 以双向配置方式集成了2个光耦合通道, 并采用紧凑的8脚小型封装。每个光耦合器通道由一个高速AIGaAs LED组成, 通过一个与CMOS检测器IC耦合的CMOS缓冲器IC驱动。
此外, FOD8012具有-40～+110℃的宽工业级温度范围, 使用3.3 V或5 V电源电压来实现逻辑电平转换。该器件的高隔离电压性能通过了UL1577和IEC60747-5-2认证, 具有更高的可靠性。FOD8012采用专有Optoplanar共面封装技术而获得同级最佳的抗噪能力, Optoplanar技术可确保达到高于0.4 mm的安全隔离厚度, 实现达到UL1577和IEC60747-5-2认证标准的可靠高压隔离。
光耦合器 篇2
设计了一基于等离子体与光催化耦合技术的气态污染物去除装置,介绍了污染物的净化流程设计、脉冲电晕等离子体专用电源、等离子发生器和负载型光催化剂以及等离子与光催化有效耦合形式的设计.检验和实验结果表明,该装置符合国家规定的电器性能指标.对典型的.气态有机污染物有较高的出去率(80%～100%),对气体中的除尘率可达96.9%,对微生物的杀灭率达100%.
作 者：侯立安 吴祖国 王佑君 HOU Li-An WU Zu-Guo WANG You-Jun 作者单位：侯立安,HOU Li-An(第二炮兵工程设计研究院,北京,100011)
吴祖国,王佑君,WU Zu-Guo,WANG You-Jun(第二炮兵工程学院,陕西,西安,710025)
光耦合器 篇3
光耦合器是一类独特的半导体器件。这类新型的光敏半导体器件虽然早在1966年就问世了，但在近十几年才获得长足发展和广泛应用。
1.1 光耦合器的基本结构与工作原理
光耦合器也称为光电耦合器，它主要由发光器件和光接收器件组成，如图1所示。光发送器件与光接收器件之间保持一个合适的距离，组装在同一个密闭的封装内，彼此用透明绝缘体隔离。在应用中把发光器件的引脚作为输入端，而把光接收器件的引脚作为输出端。常用的发光器件是红外LED，光接收器件有光敏二极管、光敏三极管、光控晶闸管等。当在输入端加电信号时，发光器件就会发光，光接收器件在受到光照射后因光敏效应而产生电流并从输出端输出。因此，光耦合器是以光为媒介传输电信号的电—光—电转换器件。由于这类器件的输入与输出之间是互相绝缘的，因此人们常将这类器件称为光电隔离器。光隔离型器件以在电路之间传送信息为目的，可实现电路间的电气隔离并消除噪声的影响。还有一类光传感型的光耦合器被用作检测物体的位置或存在。
1.2 光耦合器的分类与封装
按用途不同，光耦合器可分为光隔离型和光传感型两类。
按输入信号的性质不同，光耦合器可分为直流输入光耦合器和交流输入光耦合器两种类型。直流输入光耦合器中的发光器件只有一个红外LED，而交流输入光耦合器中的发光器件含有两个反并联在一起的LED，并且一个LED的极性与另一个LED的极性相反，如图2所示。
按光接收器件(即光敏元器件)的种类不同，光耦合器可分为光敏电阻型、光电池型、光敏二极管型、光敏晶体管型、达林顿型、结型场效应管（JFET）型、光控晶闸管型、集成电路型等若干类，典型电路形式如图3所示。
具体到某一类型的光耦合器，其电路形式并不只是一种，例如光敏晶体管型光耦合器，除图3(d)所示以外，还有其他一些电路形式，如图4所示。每一种电路形式的器件往往又含有几十种甚至数百种型号。
光耦合器至少需要4个引脚，有单列直插式、双列直插式(DIP)和表面贴装等多种封装形式，图5所示为摩托罗拉公司的部分光耦合器产品的外形。
1.3 光耦合器的特点
光耦合器的主要特点如下：
(1)光耦合器以光为媒介对电信号进行单向传输，光强度取决于激励电流的大小，而光敏接收器件的输出电流取决于红外LED的发光强度，在信号传输过程中输入与输出之间在电气和磁场上被完全绝缘和隔离，其绝缘电阻一般都大于1010Ω，耐压都能高于AC 7500V(峰值)。
(2)在信号单向传输过程中，不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响到输入端，并且其共模抑制比非常大，因此具有非常强的抗干扰能力并能消除噪声。
(3)能传输模拟和数字信号，容易与逻辑电路匹配。
(4)信号传输失真小，响应速度快，时间常数通常在μs甚至在ns数量级。
(5)体积小，无触点，寿命长，可靠性高。
1.4 光耦合器的主要参数
(1)输入参数
光耦合器的输入参数是指输入侧发光器件的参数，一般就是红外LED的参数，主要有正向电流IF和正向电压降UF。绝大多数光耦合器中的LED工作电流为10~20mA，在额定电流IF下的正向电压降UF≤2V，并且多数器件的UF约为1.5V。
(2)输出参数
光耦合器的输出参数与输出侧采用的光敏器件有关，以普通光敏晶体管型光耦合器为例，其主要输出参数有：
①光电流。在输入侧通以一定的工作电流(如10mA)，使LED发光(红外光)，在输出侧接上一定的负载并加上一定的电压(如10V)时，输出侧所产生的电流即为光电流，其值大于几个mA。若输入侧不通电，在输出侧流出的漏电流称为暗电流，其值一般不到1mA。
②饱和压降。在输入侧一定的注入电流(如IF=20mA)下，输出侧加上一定的电压(如10V)，调节负载电阻，使输出电流为一定值(如IC=2mA)时两个输出端之间的电压降称为饱和电压降[UCE（sat）]，其值一般低于0.4V。
③电流传输比。在光耦合器输出电压(UCE)保持恒定时，光敏晶体管集电极电流与LED的注入电流之比(即IC/IF)称为电流传输比(CTR)。无基极连接晶体管输出的光耦合器，CTR值有的仅为20%(如MOC8111)，有的达160%~256%(如MOC8140)。
④输入与输出间绝缘电阻。光耦合器中LED与光敏晶体管之间的隔离电阻即为绝缘电阻，其值一般大于1010Ω
⑤输入与输出间绝缘电压。光耦合器输入端与输出端之间的击穿电压值称为绝缘电压，通常用交流峰值电压表示[如8kVac(pk)]。器件的绝缘电阻越大，其电压隔离能力也就越强。
⑥响应时间。光耦合器的响应时间包括上升时间tr、存储时间ts、下降时间tf和延迟时间td，有的器件只提供tr与tf参数(其值均小于5μs)。
光敏晶体管输出型光耦合器的其他参数还有共模抑制比、输入与输出间电容、最高工作频率及光敏晶体管的击穿电压等。
1.5 光耦合器的应用与检测
由于光耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰能力强、无触点、无噪声、输入与输出间在电气上完全隔离等特点，故其可以取代继电器、变压器、斩波器等，用于隔离电路、开关电路、D/A转换电路、逻辑电路以及长线传输、高压控制、负载接口、电平匹配、线性放大等单元电路中。
(1)作为固体继电器和变压器使用
光耦合器作为固体继电器使用，具有体积小、耦合紧密、驱动功率小，动作速度快和温度范围宽等优点。图6所示为一个光耦合器用作固体继电器的实际电路。图中的光耦合器电流传输比为20%，驱动电流为8~20mA，其作用是实现电—光—电转换。由于光耦合器不存在一般电磁继电器常见的实际触点，因此不会出现接触不良和燃弧打火等现象，也不会因受外力或机械冲击而引起误动作。
(2)用于开关电源电路
在彩色电视机、监视器、计算机等的开关电源中，从高频变压器二次侧到一次侧的反馈环路中，都广泛使用了光耦合器来实现反馈信号的传输和电气隔离。表1所列为家用电器中常用的光耦合器。
图7所示为一种采用光电隔离反馈放大器TPS5904的开关电源DC/DC变换器电路。采用8引脚DIP封装，内部不仅集成了GaAs发光二极管和光敏晶体管，而且还内置了TL431三端精密基准稳压器。TL431是一个可作为误差参考放大器使用的三端器件，在TPS5904④脚(FB脚)上的内部基准电压为2.5(1±0.01)V。砷化镓LED的发射波长是940nm，正向压降UF=1.2V；TPS5904的输入电流 Iin≤50mA，输入电压Uin≤37V；光敏晶体管无光照时的暗电流ICED≤100μA，击穿电压BUCED≥35V，BUCBO≤7V，最大集电极电流ICM=50mA，饱和压降UCE(sat)≤0.2V；光电隔离器电流传输比CTR=100%~400%，直流隔离电压为3.5kV，交流峰值绝缘电压为7.5kV(1min)。
当开关电源输出电压升高或降低时，TPS5904将输出电压取样信号放大并反馈到PWM控制器IC，通过控制PWM驱动信号和MOSFET的占空因数，最终使输出电压保持稳定。
(3)用于晶闸管驱动电路
图8所示为由单向晶闸管型光耦合器构成的半波高压小功率开关电路。当红外发光二极管通过约10mA的电流时，光耦合器内的光控晶闸管可在交流电压的正半周导通接通负载；如果切断输入电流，在交流电过零时将使光控晶闸管关断，负载不工作。光控晶闸管阳极与阴极(即④、⑤脚)间的最高电压为600V，通过的最大电流为200mA。
图9所示为采用双向晶闸管型光耦合器的大功率高压开关电路。当5～15mA的输入电流通过MOC3061的LED时，光控双向晶闸管在交流电过零时导通，于是触发外部的大功率双向晶闸管，使交流负载通电工作。R4、C1组成缓冲网络，用作吸收噪声。
2 固态继电器(SSR)
2.1 固态继电器的组成及工作原理
固态继电器(Solid State Relay，SSR)是一种由半导体器件组成的无触点电子开关。不同类型的SSR，其内部电路和封装形式也就不同。但是，大多数SSR为四端器件，其中两端为输入控制端，另外两端为输出受控端。按输入电压和输出电压的类别不同，SSR的输入和输出电路可分为直流、交流或交直流几种形式。
图10所示为一种SSR的内部电路组成。无论何种类型的SSR，几乎全部都有一个光耦合器触发前置级电路。事实上，光耦合器就是一种SSR，只是大多数光耦合器驱动负载的电流较小，主要用于信号隔离传输。这里所讲的SSR，可视为是一种输出功率较大的光耦合器。
像JGG型这类SSR的内部电路稍显复杂一些，如图11所示。图中，①、②脚为两个DC输入端，③、④脚为两个AC输出端。JGG型SSR的③、④端分为动合型和动断型两类。JGG型SSR的输入端控制电压为1～150V，控制电流为1～500μA；输出端额定AC电压为220(1±20%)V(50Hz)，输出端额定工作电流为1，3，5，8，12，16，25A和40A。
有一种采用6引脚DIP或SO封装的结构最简单的SSR，含有两个光电MOSFET，被称为光电MOS型SSR。图12所示是这种SSR在直流工作时的电路。输出在直流模式工作，当红外LED发光时，两个并联的N沟道光电MOSFET都被触发导通，负载RL得电工作。当红外LED熄灭时，两个光电MOSFET都截止，RL失电。光电MOSFET的导通电阻RDS(ON)可低至几个毫欧，工作在直流时两个MOSFET的总电阻为RDS(ON)/2。
图13所示为光电MOS型SSR工作于交流电路。在交流下工作时，两个MOSFET是串联的，总导通电阻为2RDS(ON)。
2.2 固态继电器的主要参数
(1)输入参数
① 输入电压范围(V)。在规定的环境温度下，施加在输入端，使输出端维持导通状态的电压范围。一般情况下直流输入型有3～32V DC恒流输入型和3~14V DC、10～40V DC阻性输入型。交流输入有90～280V AC输入型等。输入电压的下限即为保证接通电压，输入电压的上限即为反极性电压(仅适用于直流输入)。
② 保证接通电压(V)。在规定的环境温度下，施加于输入端，当输入在该值或该值之上时能保证输出端处于导通状态的电压。
③ 保证关断电压(V)。在规定的环境温度下，施加于输入端，当输入在该值或该值以下时能保证输出端处于关断状态的电压。
④ 输入电流(mA)。在规定的环境温度下，施加规定的输入电压于固体继电器输入端，流入其输入回路的电流值。
⑤ 反极性电压(仅适用于直流输入)(V)。在规定的环境温度下，能够加在固体继电器输入端上而不致造成固体继电器永久损坏的最大允许反向电压。该值一般确定为输入电压的上限值。
⑥ 最小输入阻抗(Ω)。在给定电压下的最小阻抗。作为输入电流的替代或补充，它确定输入功率要求。
(2)输出参数
① 输出电压范围(V)。在规定的环境温度下，施加于输出端的电压范围，在该范围固体继电器继续处于关断或切换状态，换句话说就是执行规定的状态。线路的频率值或包括在内，或单独指明(交流)。
② 最大负载电流(A)。在规定的环境温度下，固体继电器的最大稳态负载电流能力，它还受散热器和环境温度条件的散热限制。
③ 最小负载电流(mA)。固体继电器执行规定工作所必需的最小负载电流。它一般与最大负载电流一并作为“工作电流范围”列出。
④ 最大过流(A)。在规定持续时间不允许流过的最大瞬时电流；持续时间的典型值为交流电的一个周期(10ms)，通常规定为峰值以及电流对时间的曲线。
⑤ 最大浪涌电流(非重复性)(A)。在规定持续时间不允许流过的最大瞬时电流，通常以1s的有效值来表述。
⑥ 功耗(在额定电流下)(W)。主要由于输出半导体有效电压降(功耗)而产生的最大平均耗。
⑦ 最大过零导通电压也称过零电压(URMS)。在施加导通控制信号之后，在每一后续半周即要导通之前，跨于输出端两端所呈现的最大(峰值)断态电压。
⑧ 最大重复性导通电压峰值(URMS)。在施加导通控制信号半周之后，在每一后续半周即要导通之前，跨于输出端两端所呈现的最大(峰值)断态电压。这一参数对具有或不具有“零导通”特点的固体继电器同样适用。
⑨ 最小断态du/dt(静态)(V/μs)。在没有施加导通控制信号时，固体继电器输出端(交流)能够承受不致导通的电压上升率。通常表达为最大额定电压下的最小电压上升率。
⑩ 瞬态过压(V)。固体继电器在维持其关断状态的同时，能够承受而不致造成损坏或失误的允许施加电压的最大偏离。超过该瞬态电压可以使固体继电器导通，若满足电流条件则是非破坏性的。瞬态持续时间一般不做规定，可以在几秒的数量级，受内部偏置网络功耗或电容器额定值的限制。
11 最大通态电压降(V)。在规定的环境温度下，输出端满负载电流跨于输出端两端所呈现的最大(峰值)电压降。
12 输出端漏电流(mA)。在输入端没有施加导通控制信号的情况下，流过输出端之间的最大(有效值)断态漏电流。通常是指整个温度范围内在最大的输出额定电压下的值。该值主要是输出端缓冲器产生。
13 导通时间(ms)。从施加于动合型固体继电器输入端电压达到保证接通电压开始至输出端电压达到其电压最终变化的90%为止的时间间隔。
14 关断时间(ms)。从切除动合型固体继电器输入端电压达到保证关断电压开始至输出端电压达到其电压最终变化的90%为止的时间间隔。
15 电气系统峰值(V)。在规定的环境条件下，固体继电器输入端开路，在输出端的额定输出电压之上叠加特定波形和能量的电压，试验1min，试验后固体继电器仍符合规定。
(3)常规参数
①绝缘电阻(MΩ)。固体继电器输入端与输出端及输入端、输出端散热底板之间施加500V DC的电压时测得的电阻值。注意：不允许测量同一输入(或输出)电路引出端之间的绝缘电阻，测量之前应先将它们短路。
②介质耐压(V)。固体继电器输入端与输出端及输入端、输出端散热底板之间能承受的最大电压值。注意：不允许测量同一输入(或输出)电路引出端之间的介质耐压，测量之前应先将它们短路。
③环境温度范围。固体继电器正常工作时周围空气温度极限，通常给出工作和储存两种条件下的温度值，最大温度还受散热器和功率因数的限制。
2.3 固态继电器的特点
传统继电器是机电式(也称为电磁式)继电器，它是以通电线圈产生的磁场吸引两导体来实现开关通断的。机电式继电器虽然具有导通电阻较小、产品成熟、价格低廉等优点，但也存在若干致命的缺点，如线圈产生的磁场会对其他元器件产生EMI和RFI；通电时簧片会在开关瞬间产生“火花”，有可能将触点烧毁等。
与电磁式继电器相比，SSR具有以下特点：
(1)SSR无可动部件，无触点，使用寿命长，可靠性高。
(2)SSR不产生“火花”，可用于对防火有严格要求的场所。
(3)SSR隔离性能好，不产生干扰和串扰，抗干扰能力强，可用于通信等需防干扰的一些领域。
(4)SSR驱动功率小，功耗低。例如有些光电MOS型SSR，MOSFET的导通电阻仅约为3mΩ，漏电流仅约为30pA，红外LED供电电流可小到0.3mA。
(5)SSR开关速度快，有些SSR的转换时间仅约为0.1ms。
(6)SSR体积小，质量轻，例如CPC103N系列小型SSR，尺寸仅为3.8mm×4.09mm×2mm(引线长2.0mm)，为同性能机电式继电器尺寸的15%。SE系列SSR的质量仅为4g。
(7)SSR集成化/片式化，能与逻辑电路兼容，为计算机提供直接接口。
2.4 固态继电器的应用电路
SSR在工业自动化控制、通信、电力、航空航天、照明控制及各种信息电子产品等领域和控制场合有着广泛的应用。
图14所示为一种SSR作为开关的路灯或航标灯自动控制电路。由于白天非密封型光敏电阻RH受光照呈现低电阻值，晶体管VT截止，SSR输入电路不导通，SSR不工作。夜晚RH因无较强光线照射呈现较高的电阻值，晶体管VT因得到偏置而导通，SSR被触发，输出电路导通，灯被点亮。
扩束光纤与宽波导光栅的光耦合特性 篇4
随着光通信网络技术和波分复用技术的发展,对光电子器件的集成度要求越来越高,利用集成光电子技术研制出体积小、损耗低、使用方便的光电子器件成为光通信领域的研究热点。波导光栅耦合器就是一种基于集成技术的光电子器件,具有体积小、移动方便和便于集成等优点,在大规模集成光路中有着非常广阔的应用前景。
波导光栅耦合器在用作输入耦合器和输出耦合器时,均要与光纤耦合。波导光栅与光纤的耦合问题国外做了大量的研究[1,2,3],一般情况下的波导光栅宽度在10μm左右,适于与单模光纤耦合,缺点是光纤在波导光栅表面的位置容差很小,因此增加了器件封装成本。宽波导光栅耦合器可以增加封装的容差,近年来引起了广泛关注。最近采用TEC光纤(热扩芯光纤)与20μm宽的波导光栅耦合已有报道[4],这种20μm宽的波导耦合器对于提高器件封装的容差很有效。参考文献[3]报道了实际研制成功的30μm宽、适用于1.31μm波长的波导光栅耦合器,并探讨了其与束腰半径为16μm的自由空间高斯光束的耦合,但是报道中并未提出获得束腰半径为16μm自由空间高斯光束的具体方案。为了实现和30μm及以上宽度的波导光栅耦合,TEC光纤是一种可考虑的方案。然而商用的TEC光纤的输出光束模场直径一般在20~30μm之间,要获得更宽模场半径的TEC光纤,制作时就必须延长加热时间和更严格地控制加热温度[5],制作工艺更加复杂;另一方面如果长时间加热,TEC光纤横截面的几何结构将受到影响。同时,TEC光纤输出的光束也未进行准直,所以输出的光束质量不佳。以上原因必将导致与TEC光纤相匹配的波导光栅宽度受到限制。
为了使用30μm及以上宽度的波导耦合器,必须考虑设计和加工特种光纤。目前,运用微光学技术已可以设计并加工扩束光纤(Expand Core Fiber,ECF),其结构一般是一段无芯光纤熔接一段自聚焦光纤,再从无芯光纤尾部熔接单模光纤。其输出光束的光斑直径可达58μm,在理论上两个同种扩束光纤在空气中可以相互耦合的最大距离为4 350μm,光斑的直径变化范围从3.1μm到85μm[6]。因此可以根据波导光栅的实际宽度设计出相应的扩束光纤,实现与30μm宽度波导光栅的光耦合。而且,扩束光纤中的自聚焦光纤可对高斯光束起到准直的效果,输出的高斯光束在空间传输距离将更远。此外扩束光纤加工工艺相对简单,易于大规模生产。
迄今为止,尚未见到将扩束光纤应用到与波导光栅耦合的报道。本文中首先介绍高斯光束与波导光栅的光耦合理论,得出高斯光束与波导光栅光耦合计算公式以及最佳耦合时入射高斯光束的条件。同时利用矩阵光学和高斯光学理论研究扩束光纤的基模耦合损耗,建立扩束光纤与波导光栅耦合模型,用之研究且设计出适于与30μm宽波导光栅耦合的扩束光纤,分析了所设计的光纤的结构参数对光耦合效率的影响,讨论了扩束光纤的结构容差,为加工提供了依据。最后分析了扩束光纤输出高斯光束、单模光纤输出高斯光束以及束腰半径为16μm的自由空间高斯光束分别投射在30μm宽波导光栅表面时,三种高斯光束的位置变化对光栅耦合效率的影响。结果发现:采用所设计的扩束光纤与波导光栅的光耦合效率,与束腰半径16μm的自由空间高斯光束与波导光栅的光耦合效率非常接近。而与单模光纤和波导光栅耦合相比较,我们所设计的扩束光纤的输出光束具有更大的位置容差,且光耦合效率更高。
1 高斯光束与波导光栅耦合理论
周期性波导光栅耦合器的光耦合效率分析一直是集成光学的重点研究课题,严格的耦合模理论和传输线理论相结合的分析方法被普遍采用。另有双向BPM(Bi-directional beam propagation method)、CAMFR(Cavity modeling framework)、FDTD(Finite difference time domain technique)等分析方法[2]。多数方法中把射入光栅的光束看作平面波的叠加,但这与激光器实际输出的高斯光束不符,另外也没有考虑到在光栅表面光束位置对光耦合效率的影响,因此物理模型与实际情况存在差距。D.Pascal等人的研究工作考虑了高斯光束的束腰以及在光栅表面光束的位置对波导光栅耦合效率的影响,该理论模型得出的模拟结果与实验结果更吻合[7]。本节首先基于参考文献[7]的理论模型得出高斯光束与波导光栅耦合器的耦合效率计算公式。
波导光栅的耦合效率主要受以下两个因素影响:一是波导光栅的结构,包括光栅的周期、刻蚀深度、槽型以及波导层和掩埋层的厚度;二是高斯光束参数,包括束腰大小、在波导光栅上光束的位置以及光束对波导光栅的入射角。本文以参考文献[3]中提出的30μm宽波导光栅耦合器为研究对象,重点研究高斯光束参数对波导光栅的耦合效率的影响。扩束光纤与波导光栅的耦合如图1所示,其参数如下[3]:入射光束与光栅表面法线方向夹角θin为13°(在xoz面内光纤输出光束与x轴夹角),光栅周期为500 nm,光栅长100μm(沿z方向),宽30μm(垂直于xoz面向内),刻蚀的槽宽250 nm,槽深为30 nm,氧化硅层厚度为700 nm,硅波导层为200 nm。对于给定结构的波导光栅,我们可以认为光栅结构对耦合效率的影响是一个常数,从而便于研究高斯光束参数对其与波导光栅耦合的影响。
以波导光栅耦合器作为输入耦合器,光束沿着z方向耦合进光栅。光栅耦合器的耦合效率η定义为实际耦合进波导光栅中的光强Pin占入射高斯光束功率Pinc的比例[3,7]:
其中:t为光栅结构对耦合效率的影响因子(在本文中为一常数);zC表示在光栅表面上高斯光束中心到光栅右边缘的距离;W2=W1/cosθin表示入射到光栅表面的高斯光束光斑的半径,1W为扩束光纤输出高斯光束的束腰半径,θin为入射高斯光束与光栅表面法线方向的夹角,选定该角时候必须满足光栅衍射条件[2];|r(zC,W2)|函数是高斯光束影响光耦合效率因子,表示波导光栅的光耦合效率与高斯光束束腰以及光束中心位置之间的关系,可表示为[7,8]
其中:Einc为输出高斯光束的振幅;LC为光栅的耦合长度,它与光栅的结构相关;其他参数含义同式(1)。
在光栅结构参数一定的条件下(t为小于1的常量),根据式(2)可得高斯光束与波导光栅最佳耦合时光束满足的条件[3]:
参考文献[3]中给定了光栅的耦合长度CL为12μm。当满足式(3)和式(4)两个条件时,束腰半径为16μm的高斯光束以13°角入射30μm宽光栅,并且光束在光栅表面光斑中心距离光栅末端12μm处,根据式(1)和式(2)可得光栅的耦合效率理论值可达80%以上。
2 扩束光纤与波导光栅光耦合模型
根据参考文献[3]得知要与30μm宽波导光栅耦合并获得高的耦合效率,需要束腰半径为16μm高质量高斯光束,而单模光纤输出光束的束腰半径只有4.8μm,无法直接使用,所以要设计扩束光纤。然而扩束光纤的使用不可避免地带入附加损耗,直接影响扩束光纤与波导光栅耦合的总效率。本节将运用矩阵光学和高斯光学理论分析并设计合适的扩束光纤。其结构如图2所示:第1段是标准单模光纤(SMF);第2段是长为ls(μm)的无芯光纤,其折射率ns为1.447,包层直径D为125μm;第3段是长为lz(μm)的渐变折射率光纤,折射率分布满足n(r)2=n021(-g2r2)(0
我们把扩束光纤看作一个三个光学元件复合的光学系统,高斯光束从光纤位置面1输入、从位置面6输出。其光学矩阵依次为M1,M2和M3:
利用矩阵光学原理得出扩束光纤的ABCD矩阵为M=M3⋅M2⋅M1,所以M矩阵的ABCD元素为
在标准单模光纤输出平面处的高斯光束束腰半径为W0=4.8μm,通过我们所设计的扩束光纤后,输出高斯光束束腰半径变为W1,根据高斯光束q参数的ABCD变换可以得出输出高斯光束的束腰为
其中α=λ/(πW02ns)。假定扩束光纤输出高斯光束的束腰正好在扩束光纤的末端,扩束光纤的自聚焦常数g与芯径R之间的关系为
其中:Δ为光纤的相对折射率差,根据已知的g常数,可知纤芯半径R为28.56μm。
为了建立扩束光纤与波导光栅的光耦合模型,首先分析扩束光纤的自身耦合损耗。本文讨论的扩束光纤拟采取熔接技术制成,三段光纤之间的连接损耗都在0.1 d B以下[9],可以忽略高斯光束在无芯光纤中的传输损耗。同时自聚焦光纤能激发出的高阶模数量很少,基模占有的比重较大,相当于一个GRIN透镜,对高斯光束起到准直作用。所以不考虑模式色散的影响,只研究自聚焦光纤的基模耦合损耗,将其作为扩束光纤的耦合损耗。设单模光纤的输出高斯光束表示为ψ0,束腰半径为W0,通过一段均匀折射率的无芯光纤后高斯光束变为ψ1:
其中:sW为通过无芯光纤后高斯光束的束腰半径。根据参考文献[10]可知自聚焦光纤内的基模表示为
式中:ξ=(2π/λ)gns,g为自聚焦常数;基模的模场半径为W00=2/ξ。此时可以把高斯光束ψ1作为自聚焦光纤的输入场,可知自聚焦光纤的基模耦合损耗η0为
由此根据式(1)和式(12)可以得出扩束光纤和波导光栅的光耦合模型公式,总耦合效率为
为了设计扩束光纤的结构,主要研究其输出光束的束腰对光耦合效率的影响。根据最佳光耦合条件式(3),首先固定光纤的位置使得zC为12μm,这样就排除了光束位置变化对光耦合效率的影响。根据前面建立的模型可知:无芯光纤长度ls和自聚焦光纤长度lz是决定扩束光纤输出光束束腰的两个重要的结构参数,进而根据式(7)和式(13)建立总耦合效率ηECF与ls以及lz之间的函数关系,可以确定扩束光纤的结构。如图3所示,扩束光纤与波导光栅的耦合效率的峰值变化具有周期性,这是因为光在自聚焦光纤中传输具有周期性变化的特点,自聚焦光纤的节距为
根据式(8)和式(14),可计算出节距为977μm,它表明了自聚焦光纤的长度可具有多个极大值。如图3所示,可以得到扩束光纤与波导光栅的最大耦合效率为72.93%。此时我们选择合适的扩束光纤结构参数ls=81μm,lz=152μm,再利用矩阵光学可以求得扩束光纤输出光束束腰W1为10.8μm,扩束光纤的基模损耗为0.09 d B。
3 结构容差和位置容差
我们已经建立了扩束光纤与波导光栅的光耦合模型,也确定了扩束光纤结构。由模型可知:ls、lz以及zC三个参数的变化直接影响扩束光纤和波导光栅光耦合的效率。所以有必要讨论扩束光纤的结构容差以及扩束光纤输出高斯光束在波导光栅表面的位置容差。本文中定义当耦合效率降低到最大耦合效率一半时所对应的横轴宽度为容差。
首先固定光纤位置使得zC为12μm,同时以13°角斜射入光栅,根据式(1)、式(7)和式(13)可得到ls和lz分别对波导光栅光耦合效率的影响如图4所示。图4(a)是在自聚焦光纤的lz为152μm情况下,无芯光纤的长度对光栅耦合效率的影响:当ls=81μm时,光耦合效率达到最大值72.93%,此时无芯光纤ls的结构容差为104μm。图4(b)是在ls为81μm时,lz变化对光耦合效率的影响,可知:光耦合效率随着自聚焦光纤长度的变化呈现周期性改变,周期为半个节距长;自聚焦光纤的结构容差为230μm;当lz=152μm时,光栅耦合效率第一次达到最大。
接下来研究高斯光束位置变化对光耦合效率的影响。将标准单模光纤的输出光束、16μm束腰的自由空间高斯光束以及所设计扩束光纤的输出光束分别与30μm宽波导光栅的耦合情况相比较,根据式(1)和式(13)得出如图5所示的曲线关系。可知当zC为9.5μm时最大光耦合效率ηECF达到75.4%,说明对于该扩束光纤而言,zC=9.5μm是高斯光束在光栅表面的最优化位置,这也表明入射到光栅表面的高斯光束的束腰与光束在光栅表面的中心位置之间存在着相互制约关系。与之相比16μm束腰的自由空间高斯光束在zC为12μm时光耦合效率达到80.1%。说明了所设计的扩束光纤可以取代16μm束腰的自由空间高斯光束,同时还可以看出:对于射入波导光栅的高斯光束而言,当高斯光束的中心距离光栅边缘的长度与光栅耦合长度LC接近时,光耦合效率可达最大,这一点验证了高斯光束与波导光栅最佳耦合条件式(4)。此外,从图5中还可以发现扩束光纤输出的高斯光束的位置容差比标准单模光纤要大约6μm。
4 结论
本文基于高斯光束与波导光栅的光耦合模型,运用矩阵光学和高斯光学理论分析了扩束光纤耦合损耗,建立了扩束光纤与波导光栅之间的耦合关系。设计了一种基于微光学技术的扩束光纤,其输出高斯光束的束腰半径为10.8μm,与参考文献[3]中给定的30μm宽波导光栅耦合时可得到最佳耦合效果。此外,还分析了扩束光纤两个结构参数对总耦合效率的影响及结构容差。最后讨论了高斯光束的位置与波导光栅耦合效率之间的关系,比较了所设计扩束光纤输出光束、标准单模光纤输出光束和束腰半径16μm的自由空间高斯光束分别与30μm宽波导光栅耦合的情况。结果表明:所设计扩束光纤输出的光束比单模光纤输出的光束在光栅表面位置容差要大约6μm;与束腰半径16μm的自由空间高斯光束相比较耦合效率相差不大。以上这些理论结果可为实现扩束光纤与30μm及以上宽度波导光栅的耦合封装提供理论依据。
摘要：为了研究光纤与宽波导光栅的有效耦合,基于高斯光束与波导光栅的光耦合理论,以30μm宽波导光栅为研究对象,利用矩阵光学和高斯光束理论分析和设计了一种扩束光纤,并通过分析其耦合损耗,建立了扩束光纤与波导光栅耦合模型。优化所设计扩束光纤的结构参数后,得到束腰半径为10.8μm的输出光束。最后分析了扩束光纤的结构容差,并讨论了所设计扩束光纤的输出光束、单模光纤的输出光束以及束腰半径为16μm的自由空间高斯光束各自在光栅表面的位置变化对光栅耦合效率的影响。可知扩束光纤输出的光束与单模光纤输出的光束相比具有较大的位置容差,与束腰半径为16μm的自由空间高斯光束相比,光耦合效率基本相同。
关键词：集成光学,宽波导光栅,扩束光纤,高斯光束
参考文献
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