基于光纤端帽的红外宽波段耦合光学系统设计

新一代红外对抗技术中，需要将红外高峰值功率激光耦合进红外传能光纤中进行传输。针对红外宽波段、高峰值功率激光进行光纤耦合时存在的问题，设计了一种光纤端帽参与聚焦的消色差耦合光学系统，能够对高峰值功率的2.1～4.6μm红外激光进行光纤耦合，并且光纤端帽可以提高光纤端面的损伤阈值。然后，对消色差耦合光学系统进行了详细设计，并选择了最佳三片式消色差玻璃组合ZNS/MGF2/IRG206进行设计，最终在耦合系统焦距为35 mm时，该系统对2.1～4.6μm波段的耦合效率达到92.74%。进一步分析可知，耦合光学系统最佳的焦距范围在35～47 mm，以及焦距在40 mm时，光纤对准最大容差为60μm。     

紫外-可见光谱水质检测系统的多束LED光纤耦合研究

针对紫外-可见光谱水质检测系统单个LED光源输出功率低、光束质量差的问题,提出了一种多束紫外LED光源与光纤合束耦合的结构设计方案.运用ZEMAX光学分析软件开展了仿真设计研究,针对紫外LED光源与光纤耦合发散角较大的问题,设计了非球面准直透镜,准直后发散角为0.403 mrad;针对光束尺寸与光纤的匹配问题,进行了消色差双分离聚焦耦合透镜的设计.实验结果表明,合束LED光束汇聚的弥散斑的RMS尺寸为186.412 μm,GEO点尺寸为290.071 μm,光束中95％以上的能量集中在300μm以内,实现了多束LED光源与光纤的高效耦合.     

鼻咽癌药物我成像定位仪的光学设计

对药物荧光鼻咽癌定位的光学系统进行理论分析，给出了该系统的光学设计方法和设计结果。光学系统设计包括，激光器出射光束与光纤高效率耦合技术，同光轴非接触两光纤间的光束耦合技术以及获得较好的像清晰度和衬度的技术。     

地面景物模拟器的光学系统设计

为了使CCD立体相机与干涉成像光谱仪在发射前能够快速检测图像质量,设计并研制了一种应用于CCD立体相机与干涉成像光谱仪共用的地面景物模拟器光学系统.介绍了地检景物模拟器的光学系统方案,根据实际使用要求,确定了地面景物模拟器光学系统的设计参数.该系统焦距为150 mm,视场角为10°,空间分辨率为36lp/mm,光谱适应范围为0.48 ～0.96 μm.设计结果表明,地面景物模拟器光学系统对被检CCD立体相机与干涉成像光谱仪的图像质量几乎没有影响.其奈奎斯特空间频率上的MTF与CCD立体相机和干涉成像光谱仪的MTF值几乎一样.为验证光学成像探测系统CCD立体相机与干涉成像光谱仪的光机及电子学系统的状态是否正常提供了依据.     

远程激光拉曼光谱探测系统前置光学系统设计

为实现远程物质高空间分辨力的拉曼光谱探测,设计了共孔径远程激光拉曼光谱探测系统的前置光学系统。光学系统采用共孔径结构,实现了激光发射系统、拉曼光收集系统及微区成像系统的共孔径、共光轴。设计的光学系统能够对激光进行聚焦以缩小激光光斑尺寸,使系统具有优于0.125 mrad的空间分辨率。该拉曼光收集透镜有效通光口径为50 mm,拉曼散射光在耦合透镜焦平面上的像高小于25m,可以与50m狭缝宽度的光谱仪进行空间光耦合,也可使用50m芯径的光纤来耦合光学系统与光谱仪。该系统可用于远距离物质的激光聚焦、拉曼光谱探测及微区成像。     

基于ZEMAX单模大光束光纤准直透镜信号耦合分析

针对光纤连接器核心部件之一光纤准直透镜信号精密耦合问题,采用双合透镜设计了一种单模大光束光纤连接器.通过分析双合透镜特性、光纤准直器阵列中的多光学器件耦合机理和准直透镜间的3种耦合偏差引起的传输损耗,推导出该耦合系统的传输损耗公式.基于MATLAB分析得到:角向失配对准直器的耦合损耗影响最大,轴向失配影响最小.利用光学仿真软件ZEMAX在序列和混合模式下对连接器进行模拟,用Origin绘制出不同失配情况下信号耦合效率曲线,结果表明单模光纤芯径为12 μm时,耦合效率达到92.42％.最后通过光学平台搭建实验系统,验证了仿真结果的准确性.     

基于端面耦合的InP基激光器/硅光波导混合集成技术研究

针对硅光子集成回路缺少实用化光源的问题,提出了一种1.55μm波段InP基FP激光器芯片、InP基PIN光电探测器芯片与硅光波导芯片集成模块的设计与制备方法。使用CMOS工艺兼容的硅光无源器件制备工艺,设计并制备了倒拉锥型端面耦合器,与锥形透镜光纤耦合效率为36.7%。采用微组装对准技术将激光器芯片与硅波导芯片耦合、UV固化胶固化后耦合效率为35.8%,1 dB耦合对准容差横向为1.2μm,纵向为0.95μm。     

InGaAs光纤探测器封装及耦合效率影响因素研究

设计了InGaAs探测器芯片与多模石英光纤的耦合结构,测试了芯片耦合前后的性能变化,并分析了影响耦合效率的因素。结果表明,石英光纤与InGaAs探测器芯片可以较好地耦合。在0．9-1．7um波段,当采用与芯片尺径相当的100um光纤进行无透镜直接耦合时,耦合效率可达30％以上;当采用芯径为500岫的光纤耦合时,耦合效率可达55％以上。多模石英光纤出射端的光强呈高斯分布。随着光纤端面与芯片表面的间距偏差的增加,高斯分布曲线的半宽值增大,光束逐渐发散。芯片与光纤的对准偏差对耦合效率的影响很大,其中对横向偏移量的依赖性最强。     

2.79μm Cr,Er∶YSGG激光光纤耦合的实验探究

采用传能光纤替代导光臂传输激光能量能够极大地改善医用手柄的灵活性、降低系统复杂程度、提高激光传输效率.设计研制了2.79 μm Er,Cr∶ YSGG激光器及其光纤耦合系统.分析了激光器谐振腔输出镜对输出高斯光束参数的影响,设计弯月型透镜作为激光器谐振腔输出镜减小激光光束发散角,并选择合适的耦合单透镜,满足了数值孔径为0.29、芯径为400 μm的ZBLAN玻璃光纤耦合条件.实验结果表明,在弯月型透镜作为激光输出镜,耦合透镜焦距为20 mm时,可实现激光传输耦合效率高达83％,最大传输功率6W,满足了激光医疗仪器的临床应用需求.     

基于偏振复用技术的激光二极管光纤耦合方法

光纤耦合输出的高功率激光二极管(LD)模块作为光纤激光器的抽运源已经得到了广泛应用。为了进一步提高光纤耦合激光二极管输出功率,提出了利用激光二极管输出光束的线偏振特性,采用偏振复用技术,将两只高功率激光二极管输出光束经准直、复合、聚焦的光纤耦合方法。利用光线追迹法,分析了圆柱透镜对激光二极管发散光束的准直特性,并讨论了柱透镜的安装距离对准直性能的影响。根据激光二极管和光纤的相关参数设计了聚焦透镜组。采用这种方法将两只输出波长为980 nm的高功率激光二极管输出光束耦合进数值孔径0.22,芯径100μm的多模光纤中,当工作电流为4.5 A时,光纤激光连续输出功率为6.36 W,耦合效率大于78%。     

浅析光纤传输在视频监控的应用

光纤传输系统通常是以光纤作为传输介质的传输系统,实际上光只是载波.该系统主要有一个光发射端机、光纤传输、光接收端机等组成.前端摄像机是通过一小段同轴电缆连接到光发射端机的,光接收端机也是通过一小段同轴电缆连接到监视器的,而光发射端机与光接收端机之间则是通过光纤连接器连接的光纤光缆,最终组成监控系统.     

Monolithically integrated laser/rear-facet monitor arrays withV-groove for passive optical fiber alignment

An InGaAsP/InP laser monolithically integrated with a rear facet monitor and a fiber V-groove has been demonstrated for the first time. The integrated device incorporates an etched-facet laser fabricated using an in situ, multistep, reactive ion etch process. The integrated V-groove, which is etched directly into the InP substrate, is designed to enable passive alignment of an optical fiber to the active region of the laser. Passive coupling efficiencies of 18% and 8% have been obtained using cleaved multimode and single mode fibers, respectively. Responsivities of the rear facet monitor were as high as 0.49 A/W     

长工作距的3D变倍外视镜光学系统设计

针对现有显微外科手术中内窥镜工作距离短、不能实现光学变倍、无法获得立体图像的问题,提出了长工作距、可变档变倍的双光路3D外视镜光学系统设计方案,其中单条光路由前后两组变焦系统组成,前变焦组子系统采用光学补偿的三组元式结构,其作用是实现工作距离、物方视场可变的同时保持出射光线平行;后变焦组子系统采用机械补偿的四组元式结构,其作用是接收前组子系统的平行光并保持像面位置及像高不变,组合而成的整体光学系统共有三个运动组元,通过三组联动的形式可达到变倍效果,该方案类比于筒长无限的显微镜,中间光路平行使得安装方便且可灵活插入分光器件,并推导了前变焦组子系统焦距与物方工作距离的关系方程,依据选定像元数为1920×1200、像元尺寸为4.8 μm×4.8 μm的高清CMOS,优化设计了物方分辨率为6.8~31.8 μm、物方视场范围为Φ15~Φ70 mm、工作距为180~380 mm、整体缩小倍率1/β可实现分别为1.36×、2.36×,3.36×、4.36×、5.36×以及6.36×的六个档位变化的3D外视镜光学系统。通过给定合理的公差范围,仿真结果表明,六档倍率情况下的光学系统调制函数在105 lp/mm空间频率处优于0.15概率达到90%以上,变倍凸轮曲线平滑无拐点,可满足显微外科手术要求。     

大模场双包层光纤熔接的功率对准技术研究

为了提高高功率光纤激光器中大模场双包层光纤的熔接质量,采用NUFERN 20/400μm双包层光纤搭建了光功率对准系统,对大模场双包层光纤中存在包层光以及纤芯中只有基模和存在高阶模时光纤径向偏移与耦合效率的关系进行了理论分析和实验验证。结果表明,大模场双包层光纤中包层光和纤芯中高阶模的存在使耦合效率对径向偏移变化的敏感度降低,滤除包层光和高阶模后耦合效率随光纤径向偏移量呈高斯型变化; 使用光功率对准系统搭建千瓦级双端抽运激光系统,最大输出功率约1170W,光光转换效率约73%,光束质量约1.22,实现了千瓦级准单模输出。光功率对准技术能够实现待熔光纤的精确对准,对高功率光纤激光器输出性能的提升有重要意义。     

MEMS integrated submount alignment for optoelectronics

One of the most expensive and time-consuming production processes for single-mode fiber-optic components is the alignment of the photonic chip or waveguide to the fiber. The alignment equipment is capital intensive and usually requires trained technicians to achieve desired results. Current technology requires active alignment since tolerances are only /spl sim/0.2/spl mu/m or less for a typical laser diode. This is accomplished using piezoelectric actuated stages and active optical feedback. Joining technologies such as soldering, epoxy bonding, or laser welding may contribute significant postbond shift, and final coupling efficiencies are often less than 80%. This paper presents a method of adaptive optical alignment to freeze in place directly on an optical submount using a microelectromechanical system (MEMS) shape memory alloy (SMA) actuation technology. Postbond shift is eliminated since the phase change is the alignment actuation. This technology is not limited to optical alignment but can be applied to a variety of MEMS actuations, including nano-actuation and nano-alignment for biomedical applications. Experimental proof-of-concept results are discussed, and a simple analytical model is proposed to predict the stress strain behavior of the optical submount. Optical coupling efficiencies and alignment times are compared with traditional processes. The feasibility of this technique in high-volume production is discussed.     

Methods for passive fiber chip coupling of integrated opticaldevices

A useful technique for high precision passive coupling of single mode optical fibers to integrated optical devices is crucial for cost effective packaging especially in multiport devices like switches (N×N) and other WDM components. These devices were fabricated on two different material bases, silicon on insulator (SOI) and polymers. In both cases the waveguides are based on the oversized rib waveguide concept and utilize silicon as a substrate. Two possible fabrication processes for this passive fiber chip coupling IN or ON silicon are presented and compared. The first approach involves a technology similar to flip chip fabrication using a sub- and superstrate, that allows separate processing of v-grooves for fiber alignment and the integrated optical devices. The self aligned mounting of the chip is achieved by a v-shaped rib-groove combination created by wet chemical etching, where the rib is the exact negative of the groove so that the flip chip is put on precisely defined crystal planes rather than on sensitive edges, which would be the case when using rectangular alignment ribs. The second approach utilizes the same chip for waveguides and fiber alignment structures which makes it possible to define both in the same lithographic step and thereby eliminating any vertical displacement. Processing difficulties arise primarily from completely different processing requirements of fiber aligning v-grooves and integrated waveguides. The need to define patterns of the size of only several microns (μm) in the proximity to deep grooves makes the use of an electrophoretic photoresist necessary that is deposited via galvanic means on the extremely nonplanar surface. Both processes allow for fiber chip alignment precisions in the sub-μm range which was also experimentally verified with coupling losses as low as 0.7 dB per end-face. The fabrication processes along with experimental and theoretical results are presented     

折/衍混合多光谱红外成像光谱仪离轴系统设计

采用二元光学透镜作为分光元件的多光谱成像光谱仪,由于焦距随波长的变化改变了系统的F数,因此改变了系统的放大率,从而引起光谱图像的像元配准误差。为改进基于二元光学透镜的多光谱成像光谱仪的性能,首次提出将离轴三反射镜系统与具有二元光学透镜的变焦距系统相结合的新技术方案。设计了由三片二次非球面生成的无中心遮拦的前置望远镜,该望远镜不仅有利于提高多光谱成像光谱仪的集光能力,且有利于系统的小型轻量化。同时设计了含二元光学透镜的三片型变焦距组件,用来消除多光谱成像光谱仪的像元配准误差。整个多光谱成像光谱仪系统仅有6个单片,非常简单。另外,该系统在空间频率为20 c/mm时MTF超过0.3,充分满足红外焦平面探测器对多光谱成像系统分辨率的要求,像面尺寸为7.2 mm。适用于探测单元尺寸为25μm、规格为128×128元的红外焦平面探测器。     

基于石墨烯的光缆监测和追踪方案研究

本文介绍了一种基于石墨烯监测、追踪的新型光缆接头盒,在传统光缆接头盒中仅增加了由光耦合部分和电处理部分组成的集成芯片：光耦合部分通过石墨烯与D形光纤的强相互作用实现每根光纤的信号耦合与转换,电处理部分通过电信号接收模块、中心控制模块、信息处理与存储模块、鉴权模块、收发天线模块和传感模块等对电信号进行处理和监控,最终达到对传输线路(包括管道、杆塔等)光缆中光纤的精细监测、上报和追踪。