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2.4 光纤传感常用光学器件

2.4.1 光栅加工器件

2.4.1.1 光纤天窗剥离机

光纤天窗剥离机用于剥离聚酰亚胺涂覆层的光纤。聚酰亚胺涂覆层耐高温、耐化学腐蚀,因此难以实现既不留下残留又不损伤光纤的剥离效果。与使用热硫酸的传统化学剥离法不同,光纤天窗剥离机使用机械刀片反复剥离,轻柔地剥去涂覆层,从而提供一种既干净又安全的解决方案。剥离机两端的旋转筒用于拉紧光纤。剥离机可以剥离出长度为1~50mm的天窗区域,能够处理包层直径为8~400μm、涂覆层直径为100~250μm、400μm或500μm的光纤。剥离完成后,一般使用超声波清洗机清洁光纤。

2.4.1.2 超声波清洗机

超声波光纤清洗机用于批量处理裸纤,一般可以调节清洗强度和清洗时长,便于重复清洗参数。使用步骤为:将浸入夹具倾斜,使光纤浸入溶剂箱,启动超声波清洁过程;完成所选的清洁过程之后,超声波停止搅动;利用浸入夹具侧面的滚花调节器,可以在0.5in(12.7mm)的范围内调节溶剂箱上方光纤夹持的高度;滚花调节器也可以反转,以拆卸裸纤夹持槽,并将其切换为其他光纤夹持槽。

2.4.1.3 光纤熔接机

光纤熔接工作台将所有熔接过程集成到了单个系统中,可用于快速高效、一致地进行光纤熔接。利用加热丝熔融技术,可方便可靠地制造高强度、低损耗的熔接光纤,用于生产和研发。熔接机一般具有真实纤芯成像技术,它是一个高放大倍率、高分辨率的光学成像系统,可探测和显示光纤的内部纤芯结构。该技术提供快速精确的纤芯对准和熔接损耗计算。

2.4.2 光纤跳线

2.4.2.1 光纤跳线

单模光纤跳线用来做从设备到光纤布线链路的跳接线,有较厚的保护层,一般用在光端机和终端盒之间的连接,应用在光纤通信系统、光纤接入网、光纤数据传输以及局域网等领域。光纤跳线见图2.10。

2.4.2.2 光纤回射器

图2.10 光纤跳线

光纤回射器用于将通过接头输入的光从光纤中向后反射。它们可以用于产生一个光纤干涉仪或用于构建一个低功率光纤激光器。这些回射器适用于准确测量发射机、放大器和其他器件的后向反射。光纤回射器有单模(SM)、保偏(PM)或多模(MM)光纤等几种。光纤插芯的一端有一层保护层的银膜,可以在450nm到光纤波长上限的范围内提供高反射率。

2.4.2.3 全光纤部分反射器

全光纤部分反射器用于反射部分输入光,即一部分光反射回到输入端,而另一部分则透射到输出端。通过分离输入光,然后利用里面镀的反射膜,将光引回输入端,这些反射器可以连接到其他光纤跳线,完全实现全光纤操作。与单模光纤环形器一起使用时,这些反射器可以作为全光纤分束装置,非常适合往返延迟计时等应用。这些反射器的单模波长范围为1 450~1 650nm,反射率为67:33或10:90。反射率(R:T)是指反射光与透射光之比,不包括由于吸收而在装置中损失的光。白色端口用作输入端;需要注意的是,这些部分反射器不能反方向使用。

2.4.3 光纤光机设备

2.4.3.1 光纤准直器

光纤法珀微定位器小巧、超稳定、使用方便,具有结构紧凑、可重复使用、高分辨对准机制、高热稳定性、平移锁定机制等特点,非常适合长期或短期光纤耦合与准直。每个光纤法珀光纤准直器都包括一个消色差或非球面透镜,有效焦距范围为2.0~18.4mm,带有各类光纤插口。对于需要兼容短有效焦距(≤7.5mm)的应用,存在带有插口的光纤法珀准直器,可与各类光纤接头一起使用。光纤法珀光纤准直器的5轴调整与短焦距相结合,所以对轴外输入的灵敏度可忽略不计。为了使最大理论耦合效率较高,建议将光纤法珀光纤准直器与镀增透膜的单模、多模和保偏光纤跳线一起用于耦合和准直光,因为这些跳线可以减少高功率光源的背反射,光纤法珀光纤准直器可以在很大的波长范围内准直光,且焦距偏移非常小,因此如果光源波长改变,可减少重新对准的需要。消色差和类非球面光纤法珀光纤准直器的有效焦距一般为4.5~15mm。在接头和光纤保持不动时,光纤法珀光纤准直器内置的透镜具有5个对准自由度: X Y 方向的线性对准、俯仰和偏转角度对准、同时使用俯仰和偏转调节 Z 轴。非球面透镜在 X Y Z 方向的行程范围为毫米级,每转分辨率为百微米级。 X Y Z 方向的对准完成后,拧紧外壳侧面的锁定螺丝,固定X和Y的位置,调节器上的锁环可以锁定俯仰/偏转位置,如图2.11所示。

图2.11 光纤准直器

2.4.3.2 光纤接头转接件

光纤接头转接件可以将大多数带接头的光纤接在SM螺纹、C-Mount螺纹或者无螺纹组件上。这些转接件常用于组装自由空间单模、多模光纤耦合器和准直器或其他自由空间耦合器,也可用于不透光的SM螺纹光电探测器或功率计探头。

2.4.3.3 光纤匹配套管

光纤匹配套管可以连接末端带工业标准的FC/PC、FC/APC、SMA和ST接头的光纤,如图2.12所示。匹配套管可以很好地对准所连光纤末端的纤芯,并通过光学接触(SMA匹配套管除外,它们是空气间隔的)最大程度地减少了背向反射。光纤匹配套管一般预先安装在单孔、双孔或四孔L形支架中,兼容具有标准1/4in-20(M6)螺纹的光机械产品,如光学平台、面包板和接杆组件等。单孔L形支架的结构最为紧凑,可以通过标准的光机械件安装匹配套管。相比之下,双孔和四孔L形支架则可以组合带有多个输出端的光纤耦合器件,比如耦合器、环形器和波分复用器(WDM)。

图2.12 光纤匹配套管

2.4.3.4 光纤压块

通用光纤压块便于将玻璃或塑料光纤集成到光机械接杆组件或SM螺纹组件中。精密V形槽和橡胶垫设计用于无损压紧在单模或多模光纤的缓冲层上。主体安装座中磁体和压臂中磁性钢制固定螺丝的组合,提供了动态调整压紧力的方法:将磁性固定螺丝移动至更靠近主体的位置,可增加压紧力;相反地,调节固定螺丝远离磁铁,可减小压紧力。光纤压块常与非球面透镜一起使用,搭建可提供近衍射极限性能的光纤输出准直器。

2.4.4 光纤组件

2.4.4.1 波分复用器

波分复用器(WDM)也称为波长组合器或分离器,用来组合或分立信号。常见的波分复用器包括可见光/近红外或红外的双波长WDM、三波长WDM和保偏WDM。红外波分复用器是组合泵浦和信号功率、组合或分离远程通信信号的理想解决方案。可见光/近红外波分复用器一般用于彩色显示器、传感器和显微镜。

2.4.4.2 光纤模场适配器

光纤模场适配器能够有效扩展单模光纤的模场,以匹配较大光纤的模场。这些装置是双向的,因此可以反向使用,输出端用作输入端时可以压缩模场。两根不对称几何结构的光纤进行标准熔接会产生高插入损耗,并降低光束质量,模场适配器在两根光纤之间使用绝热锥体逐渐扩展或压缩模场。因此,模场适配器接入光束传播系统或其他高功率装备时,可以实现最大信号传输和最佳M2光束质量。

2.4.4.3 光纤环形器

光纤环形器是不可逆的单向三端口器件,可以用在很多光学装置和无数应用中。单模光学环形器的中心波长目前一般有1 064nm、1 310nm(O带)、1 550nm(C带)。光学环形器可类比于电子环形器,两者功能相似。光学环形器是三端口器件,光只能沿一个方向传播。从端口1输入的信号从端口2低损耗输出,从端口2输入的信号从端口3低损耗输出;从端口2输入的信号将在端口1产生很大损耗,从端口3输入的信号将在端口2和1产生很大损耗。光学环形器是不可逆光学器件,当光反向传输时并不会得到相反的结果。由于高隔离度和低插入损耗,光纤环形器广泛用在先进通信系统中,例如分叉复用器、双向泵浦系统和色散补偿器件。图2.13描绘利用环形器和光纤布拉格光栅(FBG)从DWDM系统中分离光信道。DWDM输入信号从器件的端口1耦合,FBG器件连接在端口2上。FBG中反射的单波长重新从端口2进入环形器,然后转到端口3。其余信号透过FBG从顶部光纤输出。

图2.13 光纤环形器原理图

环形器还可以用于单根光纤双向发送光信号。光纤两端各接一个环形器,每个环形器在一个方向加入信号,在另一个方向消除信号。

2.4.4.4 光纤法拉第镜

光纤法拉第镜带有光纤尾纤,能将光相对入射光偏振态,以90°的正交偏振方向进行反射。它可以加强对诸如光纤传感器、掺铒光纤放大器和可调谐光纤激光器等系统设计的控制。法拉第镜的中心波长一般有1 310nm或1 550nm可选。插入损耗一般小于1dB,反射损耗一般大于40dB,可以提供高信噪比,因而非常适用于光纤干涉仪,让光通过法拉第旋转镜就可以实现偏振态的旋转。法拉第旋转元件由铋铁石榴石(BIG)薄膜构成,周围有稀土磁铁产生的外部磁场。单次通过法拉第旋转镜会使光的偏振方向旋转45°±1°。在法拉第旋转镜后放置一面平面镜,以入射角度将光反射回去,光再次穿过法拉第旋转镜,重新进入输入光纤的光的偏振方向旋转了90°,或正交于入射偏振方向。

此外,法拉第镜能最大限度地减小光纤中由热扰动和机械扰动引起的偏振态的变化。这是因为光进入和射出法拉第旋转镜(也就是带尾纤的单模光纤)时,穿过的是同一根光纤。光纤回波阶段,对偏振态造成的任意扰动都会平复。这样,法拉第旋转镜就恰当地补偿了光纤造成的偏振态变化,且无须使用保偏光纤,但反射光偏振方向会与入射光偏振方向垂直。光纤法拉第镜原理如图2.14所示。

图2.14光纤法拉第镜原理图,展现了光从光纤输入透过法拉第旋转元件(上图)和从反射镜反射出去(下图)时偏振态的旋转

2.4.4.5 偏振无关光纤光隔离器

后向反射光或信号会引起光源的强度噪声或损伤激光器,光纤隔离器可以保护光源不受后向反射信号的影响。光纤隔离器又称作法拉第隔离器,是一个磁光器件,选择性透过向前传输的光,而吸收或偏置反向传输的光,如图2.15所示。

光纤光隔离器的工作模分正向模式与反向模式。正向模式针对偏振无关光纤隔离器,入射光首先被双折射晶体分成两束光,法拉第旋光器和半波片旋转两束光的偏振方向,随后两束光通过对准的第二个双折射晶体后再次合并。在双级隔离器中,光线在到达输出准直透镜之前,会通过额外的法拉第旋转器、半波片和双折射光束偏移器,这样可实现比单级隔离器更大的隔离。反向模式针对背向反射光,背向反射光首先通过第二个双折射晶体后分成两束光,偏振方向与正向模式光对齐。由于法拉第旋光器是不可逆的旋光器,因此它将抵消反向模式由半波片产生的偏振旋转。当光通过第一个双折射晶体后,会偏离准直透镜,并入射在隔离器的外壳壁上被吸收,从而防止反向模式的光进入输入光纤中。

图2.15 偏振无关光纤光隔离器原理图

2.4.4.6 光纤衰减器

光纤衰减器是能降低光信号能量的一种光器件,用于对输入光功率的衰减,避免了由于输入光功率超强而使光接收机产生失真。光纤衰减器作为一种光无源器件,用于光通信系统中的调试光功率性能、光纤仪表的定标校正和光纤信号衰减。产品使用的是掺有金属离子的衰减光纤,能把光功率调整到所需要的水平。 2RRYnze6VykPpWeBO1d2Z433ZJfZ0cvjqHllYv3lBLZqvaobLk4tJa8RVGWCx0zF

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