空间散射光到单模光纤的耦合

空间散射光到单模光纤的耦合

李 卡，谭中伟 （北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室，北京100044）

【摘 要】摘 要：空间散射光到光纤的耦合在许多领域都得到广泛的应用。然而，当被测物体较大时，如何有效地将空间散射光有效地耦合到光纤的研究还较少。耦合效率和接收视场是空间散射光耦合到光纤接收装置的两个重要的特性参数。文中通过理论分析和软件仿真，分析了在径向移动、轴线移动和不同入射角的情况下，改写耦合效率的变换，比较了在满足一定的耦合效率时，光纤接收装置的几种透镜耦合方式接收视场的大小。最后，通过实验对仿真内容进行了验证。

【期刊名称】红外与激光工程 【年(卷),期】2016(045)001 【总页数】7

【关键词】光纤光学；耦合效率；单透镜耦合；透镜组耦合

0 引言

由于光纤具有体积小、重量轻，便于采用相关检测提高其灵敏度等优点，且拥有高灵敏度和高放大倍数的放大器，使得光纤能够改善空间光接收装置的性能。随着光纤技术的发展，空间光-光纤的耦合技术如今被广泛应用于各个方面，如拾光型器光纤传感[1]、生物光子学[2-3]、天文学[4]和激光雷达[5-6]等领域，改善接收系统的耦合性能可以在很大程度上优化整个系统。由于单模光纤的性能好，而且大部分光器件都是基于单模光纤的，因此将空间光耦合到单模光纤中便于实现高灵敏度的相干接收、低噪声的光放大以及高性能的光滤波。但是，

单模光纤的模场直径和数值孔径都很小，很难将空间光直接耦合到单模光纤中，需要考虑的问题主要包括耦合效率[4,7]和接收视场。目前的研究主要集中在激光器等光源输出光束以及准直光束的耦合，空间散射光到光纤的耦合相关研究较少。虽然这种耦合的讯号很大，但对于某些应用，如激光雷达、光谱成像、光学相干断层成像术等技术其被检测的就是散射光。如果将光纤技术应用到这些领域，就需要考虑空间散射光到单模光纤的耦合问题。

将空间光耦合进光纤的方法可以分为直接耦合和透镜耦合，直接耦合的效率很低，因此大多采用透镜耦合。文中对透镜耦合效率影响因素进行了分析，比较单透镜和透镜组耦合结构，利用ZEMAX软件进行仿真实验，并主要讨论在满足一定的耦合效率，光纤接收装置耦合空间散射光时，其接收视场或发散角的大小。

1 理论分析

空间散射光耦合到光纤的基本结构如图1所示，主要的损耗包括散射损耗、空间损耗和耦合损耗三部分。光在反射过程中会不可避免地引入能量损耗，根据被测物不同，物体表面的散射效率也有较大差别，这种差别主要由材料性质和表面光滑程度决定，因此一旦选定了被测物体，这部分损耗就确定了。空间损耗是由于接收装置的有限孔径决定的，而对于散射光而言，由于光被散射到各个方向，当距离较大时空间中的损耗会非常大。

这两种损耗从光源到透镜的部分可以由激光雷达方程来计算：

式中：PR为接收激光功率；PT为发射激光功率；GT为发射天线增益；为目标散射截面；D为接收孔径；R为激光雷达到达目标的距离；为单程大气传输系数；Ac为接收器光学系统效率；Sys为激光雷达的发射器光学系统效率。

除此之外，就是单模光纤的耦合损耗。将光束耦合进单模光纤，除了应尽量满足在光纤端面激光束腰小于光纤半径外，还应满足远场发散角的条件：≤2arcsinNA。根据该条件，会聚透镜与光纤端面的距离l应满足：

式中：r为会聚透镜的半径；NA为单模光纤的数值孔径。然而在实际耦合中，由于透镜不可避免地存在像差，因此汇聚光斑的尺寸必然会大于光纤的纤芯。为了提高系统的耦合效率，应尽量减小汇聚光斑的尺寸。而且，当被测物体较大时，光斑的尺寸很难被汇聚的很小，因此，需要考虑如何增大接收视场。 光纤耦合效率被定义为耦合进光纤的光功率与耦合系统接收平面上接收的光功率之比，可表示为：

式中：Ei,b为光纤端面的光场；Ef,b为单模光纤的电磁场，积分遍及焦平面。由公式（3）可以看出，Ei,b和Ef,b越匹配，光纤的耦合效率越大，这种匹配包括振幅匹配和相位匹配；其中振幅匹配由会聚光斑的大小来体现，而相位匹配则由系统的像差来体现。在理想情况下，即系统不存在像差时，就不存在相位失配问题。此时光纤的耦合效率可以看作光纤端面的光斑与单模光纤尺寸的匹配问题，耦合效率的高低取决于二者的匹配程度[8]。

常用的透镜耦合方式有单透镜耦合和透镜组耦合两种。单透镜耦合方式损耗小，结构简单，但是视场较小；透镜组耦合方式可以通过合理选择各透镜的焦距得到较大的视场，但是这样会使得系统的耦合效率降低。为了便于分析，通过径向移动点光源来计算在一定的耦合效率范围内，可以用光纤接收的被测物体的最大有效半径，从而获得光纤耦合装置最大接收视场。

2 单透镜耦合系统

耦合系统将点光源所发出的发散球面波变为会聚于一点的会聚球面波，由于孔