如何调到最高的单模光纤耦合效率

JGong

  将自由空间光束耦合到单模光纤中时，虽然不可避免有反射、散射和吸收损耗，但是最大的损耗来源经常是因为没有对准。介绍一种对准和稳定光束的技巧，以此实现尽可能高的单模光纤耦合效率。
  光线准直器基础：准直器在实际使用中需要关注束腰，即最小光束直径。光束从准直器输出后轻微汇聚到束腰，然后以相同速度发散，达到某一点后发散速度加快。为了表示一束光能在多远范围内保持相似的直径，我们可以计算瑞利距离：光从束腰变大到1.41倍束腰所走的距离。
  需要注意的是，准直器具有不同的设计。如图，有些准直器的束腰紧靠输出端口，所以最多能在一倍瑞利距离内保持相似的光束直径。如图，有些准直器把束腰推到更远的地方，所以最多能在两倍瑞利距离内保持相似的光束直径。因此，束腰位置和准直距离是您在实际应用中需要权衡考虑的因素。
  实验装置：实验中使用两组相同的光机械安装两个TC12FC-633准直器，确保光束高度相同而且位于同一排螺纹孔上。第一根单模光纤通过第一个准直器输出一段自由空间光束，随后进入第二个准直器并耦合到第二根光纤中(此处先用多模光纤对准再换上单模光纤)，光纤另一端连接探头测量耦合功率。
  下面是实验中提到的几个小技巧：1.尽量使用最少的调节自由度。因为这样随时间运动和漂移的因素更少，所以能简化对准过程并提高稳定性。我们这里使用KM100光学调整架，通过调节俯仰和偏转两轴逐步提高耦合效率。2.实验最开始寻找最高的耦合功率时，需要调过一段较长的行程，确保不只是偶然碰到一个局部最大值。3.先用更容易耦合的多模光纤对准后再换上单模光纤，这时比较接近最佳对准点，方便后续调节并提高耦合功率。此处用多模光纤调到的最高耦合效率是91%，换上单模光纤后是86%。4.单模光纤跳线使用黄色护套，多模使用橙色护套。另外，第二根单模光纤跳线有一端是APC接头，APC是Angled Physical Contact的缩写，这种接头能够防止界面上的菲涅尔反射回到系统中造成不稳定。5.光纤接头要确保清洁，有时候可能把大量时间浪费在对准装置上，最后却因为一个脏的接头无法达到最高耦合效率。6.接头护套漏光说明有光进入了包层，所以也可以借助这个指示对准光纤：漏光越少，耦合越好。
  单模光纤耦合的关键操作：对准多模光纤后换上单模光纤，然后先用一个调整架调到最高功率，接下来就是这个实验教学的精华所在。这里可以采用两种操作方法。第一种方法是先从一侧调偏，然后从另一侧补偿并调到最大值，反复这样操作逐步提高耦合功率。第二种方法是两侧都调偏，先旋转一侧的旋钮经过最大值，然后从另一侧再次经过最大值，反复这样操作也能逐步提高耦合功率。如果中途调多了就朝反方向调节，采用相同的操作方法。调完一轴后调另一轴，反复在两轴之间调节，直到尽可能高的耦合功率，或者至少能满足应用需求。
  参考视频：光纤准直器用于单模光纤的对准和耦合-哔哩哔哩 https://b23.tv/LoblrhD