锥形光纤在空间光通信耦合系统中的应用

1 引 言

激光通信具有通信频带宽、抗干扰能力强、光学增益大、体积小等优点[1-2]，目前朝着高速、高容、长距离的方向发展。基于激光通信的自由空间光通信(Free Space Optical Communication， FSOC)被应用在星-地光通信、建筑间光纤通信链路替代、军事高速率移动通信链路等，近些年来受到了广泛的研究[3-4]。

典型的空间光通信系统包括光发射系统、空间信道、光接收系统和光捕跟系统(APT)等。其中APT系统用于实现空间光对准，是建立光链路的核心。空间光耦合系统的目的是为了将信号光尽可能地耦合进接收端光器件，属于APT子系统。当接收端望远镜完成粗瞄建链后，如何将动态空间光耦合进入后端光纤实现高、稳定的耦合效率是一个难题。为了解决这个问题，快速转向镜(FSM)、压电陶瓷(PZT)等结合传感器(如波前传感器、位置传感器等)被用来实现光束和光纤的耦合，构成光学自适应系统[5-6]。而FSOC接收端的光电子器件一般为单模传输[7]，把光束耦合进模场直径约为9 μm左右的单模光纤(Single Mode Fiber， SMF)会导致该系统光耦合效率的位移容差极小，在通信过程中，激光收发组件的视角偏离、转台振动、大气湍流[8-9]等因素，严重影响了接收端空间光-光纤耦合效率，从而影响了通信质量。

多模光纤(Multi-Mode Fiber， MMF)由于模场直径大，可以有效提高光纤接收光的范围，但由于其存在较多的模式色散，难以实现长距离传输，同时还存在和后端单模器件匹配的问题。而锥形光纤的特点是其芯径与包层等比例减小，锥区芯径甚至可达到1 μm以下，此时处于微纳量级的锥形光纤具有良好的非线性效应且对一些物理量极其敏感，因此被广泛应用于光纤传感、超低阈值激光器、光纤参量振荡器、微腔实验、光纤耦合和超连续谱等领域[10-16]。

在锥形光纤研究方面，1987年J.D.Love等[17]在理论上研究了锥形光纤滤除高阶模的特性。Gang Yun等[18]将锥形光纤用于空间光耦合，指出锥形光纤具有低损传输和提高接收光角度容差的特性。Yi Yang等[19]使用有限元仿真软件得到锥形光纤的传输效率可达95%左右，说明锥形光纤具有低损耗传输特性。最近，Q.G.Hu等[20]等优化锥形光纤的几何尺寸，实验上将锥形光纤的空间光耦合效率提高至55%。闫亚东等[21]设计的干涉仪系统接收端采用锥形光纤，保证了靶面运动过程中信号光的有效耦合。

本文基于仿真结果，熔融拉锥法制备了低损锥形光纤，研究了锥形光纤和双锥形光纤模式的传输特性，对比分析了SMF、不同芯径MMF、锥形光纤和多/单模熔接光纤的空间光耦合特性以及耦合效率对入射光的横向偏移量容差特性。

2 锥形光纤模场分析实验

2.1 模场分析实验系统

锥形光纤模场分析示意图如图1所示。光源输出1 550 nm光由SMF输出至熔接机一端，另一端是实验中待测的光纤(实验一：SMF；实验二：MMF；实验三：锥形光纤；实验四：双锥形光纤)。通过多模光纤和单模光纤错位熔接激发出高阶模在光纤内传输，输出端通过显微物镜扩束至近红外相机，通过模场分析仪分析输出模场。

图1 模场分析实验示意图

Fig.1 Schematic diagram of mode field analysis experiment

2.2 实验结果分析

基于图1所示的实验装置，分别测试了SMF、MMF、锥形光纤、双锥形光纤出射的模场，实验中，待测光纤端面位于显微物镜前，实验光纤的长度控制在30 cm左右。实验结果如图2所示。实验一中SMF(图2(a))出射端的模场呈基模分布，作为对比实验。实验二中MMF(图2(b))出射端出现多模分布，证明多模光纤和单模光纤熔接激发出了高阶模。实验三将实验二中的MMF通过熔融拉锥法制备成锥形光纤，其模场如图2(c)所示。测试中锥区位于显微物镜前，对比SMF的模场，可以得到大部分高阶模已被滤除，虽然相比基模分布而言存在一些散斑，但足以证明锥形光纤具有较好的滤波特性。最后，双锥形光纤出射端模场呈现多种模式分布，如图2(d)所示，其外部浅蓝色的区域为光纤包层模。

(a)单模光纤(a)SMF

(b)多模光纤(b)MMF

(c)锥形光纤(c)Tapered fiber

(d)双锥形光纤(d)Double tapered fiber

图2 出射模场

Fig.2 Mode fields

为了进一步研究双锥形光纤内光模场的传输特性和输出的稳态场，实验中使用宝石刀对双锥形光纤进行逐段切割(如图3所示)，并观察其出射模场。在双锥形光纤的未拉锥区，本文取两段不同位置处的出射模场，它呈现强度较对称的多模分布，模式分配达到稳态。而锥区部分呈现强度不对称的多模分布，反映了一些高阶模被滤除的现象。在锥腰部分，大部分高阶模式被滤除，呈现出基模的分布。这是由于当入射光从未拉锥区入射锥形光纤到达锥腰部分时，大部分高阶模被滤除，而从锥腰到另一端未拉锥区出射时，由于该光纤归一化传播常数V增大，可以传输的高阶模式数量增多，重新激发出高阶模，从而在出射端模场呈现多模分布。

图3 双锥形光纤模场的传输特性

Fig.3 Transmission characteristics of double tapered fiber

3 空间光-光纤耦合实验

3.1 理论模型分析

对于自由空间光接收端耦合部分，使用大芯径的MMF进行光耦合以达到大范围空间光接收时，需要考虑后端单模器件模场失配导致的损耗，这里使用多/单模熔接模型来表示。

多/单模熔接模型是将MMF与SMF连接，主要损耗来源于模场直径不同导致的约10 dB的耦合损耗和手动熔接损耗。如图4所示，基于BPM算法，在Rsoft软件中对多/单模熔接模型建模，并仿真其基模传输时模场和归一化功率的分布特点，可以清楚看出损耗主要来源于熔接点处。

(a)多/单模熔接模型

(a)Multi/single fused fiber

(b)基模传输特性及归一化功率分布

(b) Transmission characteristics of basic mode and normalized power distribution

图4 多/单模光纤仿真分析

Fig.4 Simulation analysis of multi/single fused fiber

锥形光纤模型是将用于光耦合的MMF熔融拉锥至纤芯9 μm左右，借助锥形光纤的滤波特性和低损耗传输特性，将出射的基模光耦合进SMF内。使用Rsoft软件对锥形光纤建模，并分析其基模传输特性和归一化功率分布，如图5所示。当锥形光纤的几何参数满足一定条件时[20]，模场被较好地束缚在纤芯内，从仿真结果来看，传输效率可达到99%。

(a)锥形光纤模型

(a)Tapered fiber

(b)基模传输特性及归一化功率分布

(b) Transmission characteristics of basic mode and normalized power distribution

图5 锥形光纤仿真分析

Fig.5 Simulation analysis of tapered fiber

3.2 耦合特性与传输特性

测试多/单模熔接模型和锥形光纤模型，用于空间光耦合实验系统。如图6所示，信标光发出的650 nm激光通过显微物镜(需考虑数值孔径、等效焦距的设计)聚焦至光纤端面，光纤固定在光纤夹持架上，光纤尾端通过光纤适配器连接光功率计。尾部光纤使用弯曲的方法滤出包层模和辐射模。确定光斑在显微物镜焦点附近时，光源更换为1 550 nm通信光，通过调节三维精密调整架使光功率计中示数达到最大值，该位置为光纤最大耦合效率点。在更高的实验要求下，建议采用五维精密调整架，会得到更好的耦合效果。

图6 空间光耦合实验系统

Fig.6 Optical coupling experiment system

实验中，光源为DFB可调功率光源，用于输出1 550 nm通信光。显微镜为OLYMPUS的Plan N 10×型消色差显微物镜，焦距为10 mm，数值孔径为0.3。三维精密调整架为THORLABS的Nanomax 300，精调步长为1 μm，行程为4 mm。多模光纤有两种，芯径分别为100 μm和62.5 μm，控制光纤总长为35 cm左右。实验中，通过熔融拉锥法制备满足“低损”条件的锥形光纤，制备完成后在显微镜下观察并测量其几何尺寸。

图7 显微物镜耦合效率实验结果

Fig.7 Coupling efficiency of microscopic objective

显微物镜的耦合效率可以表示为显微物镜像方空间功率与光源输出功率之比，即P1=Plens/PDFB1550。实验中光源输出功率在0～30 mW 变化，用光功率计测量透镜像方空间的光功率，实验结果如图7所示，图像斜率代表显微物镜的耦合效率，P1=10%。该显微物镜耦合效率较低的原因是本显微物镜对1 550 nm激光的透射率较低，通过对显微物镜镀1 550 nm高透膜可以提高透镜的耦合效率。但本项工作更关注锥形光纤是否能够提高从MMF到SMF的传输效率，因此这一点并不影响后面的测试。

图8(a)为SMF、62.5 μm芯径的MMF和100 μm芯径的MMF的空间光耦合实验结果。空间光-光纤的耦合效率定义为：P2=Ptap input/Plens，即光纤入射端光功率与显微物镜像方空间光功率之比。由实验结果可以看出，耦合效率具有稳定性，且芯径越大，耦合效率越高，这是因为大芯径光纤的接收光面积更大。

(a)普通光纤

(a)Common fiber

(b)两种光纤结构

(b)Multi-mode and tapered fibers

图8 耦合效率实验结果

Fig.8 Coupling efficiency of different types of fibers

接下来，将芯径为62.5 μm和100 μm的MMF分别进行熔接SMF处理(对应多/单模熔接模型)和熔融拉锥(对应锥形光纤)处理，实验测出其耦合效率如图8(b)所示，锥形光纤的耦合效率(40%，25%)明显高于多/单模熔接模型所测的耦合效率(10%，6%)。同时，相比于处理前(图8(a))，两种MMF表现出不同程度的耦合效率下降，未处理前两种MMF的耦合效率差为Δ1=20%，拉锥处理后为Δ2=15%，而多/单模熔接模型差仅为Δ3=4%，这是因为处理方法不同，光纤损耗不同，从而光纤传输效率(定义为P3=Ptap input/Pfiber output，即光纤入射端功率与光纤出射端功率之比)不同。

图9给出了两种光纤结构的传输效率。可以明显看出，锥形光纤的传输效率(70%，68%)远远高于多/单模熔接模型的传输效率(19%，17%)，两种处理方法的传输效率不仅对功率变化不敏感，而且对光纤芯径也不敏感。以上证明了锥形光纤低损传输的优良特性。

实验中锥形光纤的传输效率为70%，低于仿真结果99%和Yi Yang等人[19]的理论仿真结果95%，这与锥形光纤制备工艺(锥形光纤母线不为直线、制备过程中对光纤的损伤、端面切割不平)、锥形光纤包层与纤芯不等比例缩小、光纤适配器连接损耗和光功率计测量局限性有关。

图9 两种方法传输效率实验结果

Fig.9 Transmission efficiency of MMF taper and MMF coupled with SMF

3.3 横向偏移量容差

实验中调试达到最佳耦合点后，使用三维精密位移台产生横向偏移，测试了横向偏移量分别对9 μm芯径的SMF(图10(a))、62.5 μm芯径的MMF(图10(b))以及100 μm芯径的MMF(图10(c))耦合效率的影响。随着芯径的增大，光纤耦合效率对横向偏离量的容差增大，说明大芯径光纤有利于空间光耦合。

(a)单模光纤

(a)SMF

(b)芯径62.5 μm的多模光纤

(b)Multi-mode fiber with diameter of 62.5 μm

(c)芯径100 μm的多模光纤

(c)Multi-mode fiber with diameter of 100 μm

图10 横向偏移量对普通光纤耦合效率的影响

Fig.10 Influence of lateral offset on common fiber’s coupling efficiency

实验中将两种MMF(芯径为100 μm、芯径为62.5 μm)分别经过熔融拉锥处理和熔接SMF处理。实验结果如图11所示，拉锥处理后的锥形光纤(图11(a)、(c))相比未处理前(图10(c)、(b))，其耦合效率对横向偏移量容差增大，说明锥形光纤可以增大耦合效率的横向容差，进而增大了接收光的范围，有利于空间光耦合。熔接SMF处理后的光纤(图11(b)、(d))相比未处理前(图10(c)、(b))，其耦合效率对横向偏移量容差减小，说明多/单模熔接模型使接收光范围减小，不利于空间光耦合。不同芯径光纤拉锥处理时(图11(a)、(c))，芯径越大，其耦合效率的横向偏移容差越大，同样的结论也适用于多/单模熔接模型(图11(b)、(d))。

(a)芯径100 μm 的锥形光纤

(a)Tapered fiber with diameter of 100 μm

(b)芯径100 μm的多/单模熔接光纤

(b) Multi/single-mode fused fiber with diameter of 100 μm

(c)芯径62.5 μm的锥形光纤

(c)Tapered fiber with diameter of 62.5 μm

(d)芯径62.5 μm的多/单模熔接光纤

(d)Multi/single mode fused fiber with diameter of 62.5 μm

图11 横向偏移量的耦合效率影响

Fig.11 Influence of lateral offset on coupling efficiency of tapered and fused fibers

4 结 论

锥形光纤目前在光纤传感等方面具有广泛应用，本文基于仿真结果，在实验上熔融拉锥法制备了传输效率为70%的低损传输锥形光纤，研究了锥形光纤和双锥形光纤的出射模场，验证了锥形光纤的滤波特性。接着搭建空间光-光纤耦合系统，研究了SMF、62.5 μm芯径的MMF和100 μm芯径的MMF的光耦合效率，说明大芯径光纤更利于光耦合。其次，研究了多/单模熔接模型和锥形光纤的耦合效率和传输效率，验证了锥形光纤的低损传输特性。最后，研究了横向偏移量容差对以上两种光纤结构的空间光耦合效率的影响，相比普通光纤，锥形光纤具有提高横向偏移容差的优点，这非常有利于光耦合。因此，在空间光耦合系统中接收端采用锥形光纤，再结合光学自适应系统，就可以达到较高且稳定的耦合效率。