上海昊量光電的AUT-FiberLock空間光-單模光纖主動耦合穩(wěn)定系統(tǒng)是一套將空間光主動耦合鎖定進(jìn)單模光纖的簡單裝置的圆」呐。空間光-單模
光纖耦合穩(wěn)定系統(tǒng)簡化了初始耦合，并且優(yōu)化了耦合效率越妈，主動補(bǔ)償機(jī)械漂移季俩。
上海昊量光電的AUT-FiberLock空間光-單模光纖主動耦合穩(wěn)定系統(tǒng)是一套將空間光主動耦合鎖定進(jìn)單模光纖的簡單裝置梅掠。此裝置簡化了初始耦合酌住，并且優(yōu)化了耦合效率店归，主動補(bǔ)償機(jī)械漂移酪我。
1 光纖耦合原理
當(dāng)激光束從單模光纖出射消痛，它會形成一個錐形發(fā)散，就需要使用準(zhǔn)直透鏡產(chǎn)生準(zhǔn)直光束輸出都哭。相反的秩伞，如果要把光束耦合進(jìn)單模光纖，也必須借助一個聚焦透鏡生成類似的錐形光纱新。根據(jù)光纖的特性，光強(qiáng)最大的最理想的光錐的幾何結(jié)構(gòu)是固定的穆趴。因此要達(dá)到理想的耦合效率脸爱，入射光束必須與理想光錐最大化重合。在(X; Y; Z)的坐標(biāo)系中未妹，其中z軸就相當(dāng)于光纖的光軸簿废，光錐的重疊將由六個自由度進(jìn)行表示：
光錐的收斂角
束腰在Z軸向上的位置量
束腰在X，Y軸向上的位置量
光錐在X络它，Y軸向上的旋轉(zhuǎn)量
理想對準(zhǔn)耦合的光學(xué)結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1：
圖1:光纖耦合誤差的不同種類
收斂角是由光束直徑與聚焦透鏡的焦距決定的族檬，束腰在Z軸向上的位置可通過改變光纖纖芯頭與透鏡距離來解決。圖1d描述了這兩個自由度誤差化戳。
為了控制其余四個自由度，我們需要一個特殊的光纖座用來傾斜迂烁，翻轉(zhuǎn)，移動光纖頭递鹉。透鏡和光纖架必須固定其一盟步，改變?nèi)肷涔馐奈恢煤徒嵌龋ㄈ鐖D1b和1c）。不管怎樣躏结，必須保證亞微米精度却盘，也就是說需要高精度機(jī)械鏡架與光纖調(diào)整架。此外媳拴，這些組件必須具有高度的穩(wěn)定性黄橘，以減小熱膨脹造成的漂移與耦合效率下降。
今天塞关，空間光-單模光纖耦合在光學(xué)實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，但長時間保持最佳的耦合效果與耦合效率仍是一個巨大的挑戰(zhàn)子巾。
2 主動光纖耦合
當(dāng)被動的穩(wěn)定不可持續(xù)帆赢，就需要使用主動穩(wěn)定的方式來滿足性能需求小压。這種主動穩(wěn)定裝置包括一個致動器，例如壓電掃描反射鏡椰于，和一個反饋信號怠益。
如圖2所示， 上海昊量光電FiberLock使用了一個放置在聚焦透鏡前的含單反射的致動器瘾婿。傾斜這個反射鏡就能改變光束腰的X或Y方向的位置蜻牢。反饋信號來自光纖或內(nèi)置在光纖Tap的激光強(qiáng)度測量裝置偏陪。
圖2 FiberLock控制器連接一個主動壓電掃描鏡和光纖后的強(qiáng)度信號抢呆，組成一個反饋回路。
這個簡單裝置有三個作用：
1.它幫助了光束到光纖的初始耦合
2.它極大簡化了耦合效率的優(yōu)化過程
3.它保持了耦合穩(wěn)定竹挡，補(bǔ)償了光束和光纖調(diào)整架的漂移
實(shí)際上镀娶，F(xiàn)iberLock甚至能夠彌補(bǔ)激光器的強(qiáng)度噪聲，2.4有詳細(xì)描述梯码。
2.1 初始耦合
當(dāng)?shù)谝淮务詈线M(jìn)光纖時，不得不盲目的掃描對準(zhǔn)不同的自由度好啰。僅當(dāng)探測到耦合進(jìn)的一定的光通量轩娶，我們才會有開始優(yōu)化的反饋信號。
圖3致動器的角度掃描提供耦合效率的三維可視化圖像
使用一個活動壓電驅(qū)動反射鏡框往，足夠快的盲目掃描實(shí)時顯示耦合效率與反射鏡位置的對應(yīng)三維圖像鳄抒，如圖3所示。由于致動器的掃描范圍比光纖內(nèi)徑高1或2個數(shù)量級椰弊，所以初始的粗對準(zhǔn)就變得非常簡單许溅。另一方面，我們獲得了光束輪廓上和影響耦合效率的裝置配件上的信息秉版。
2.2 穩(wěn)定
一旦找到最大的耦合效率，F(xiàn)iberLock就可以鎖定在這一最大效率點(diǎn)上清焕。在鎖定模式下并蝗，活動反射鏡在光束的x和y位置添加了小幅調(diào)制，光纖后的強(qiáng)度輸出提供了必要的反饋：如果調(diào)制表現(xiàn)在的強(qiáng)度上秸妥，說明束腰沒有準(zhǔn)直在光纖纖芯上滚停，主動反射鏡就會糾正它。一旦光束射入光纖中心粥惧，輸出強(qiáng)度的調(diào)制就消失了键畴。（一個一維鎖相調(diào)節(jié)器總是會引起輸出信號的調(diào)制，然而影晓，二維情況下镰吵，無調(diào)制輸出是可行的。）
光纖尖端位置或入射光束的任何漂移現(xiàn)在都能完美補(bǔ)償疤祭。即使鎖定點(diǎn)消失了盼产， FiberLock的搜索模式也可以快速掃描致動器的范圍，恢復(fù)到鎖定模式的強(qiáng)度峰值上勺馆。打開自動重鎖功能戏售，這種掃描就會自動啟動。
2.3 優(yōu)化鎖定
在典型的光學(xué)裝置中草穆，在調(diào)節(jié)六個自由度同時進(jìn)行獨(dú)立的光纖耦合優(yōu)化是不可能的灌灾。例如，聚焦可以通過移動z軸上的聚焦透鏡來調(diào)節(jié)悲柱，然而即使再高精度的滑軌也會受限于加工精度，不能完美對準(zhǔn)光軸豌鸡。結(jié)果嘿般，透鏡也會在X和Y方向上移動，這就會產(chǎn)生束腰位置的偏移涯冠。正是這種交叉相關(guān)性炉奴，導(dǎo)致無法進(jìn)行每個自由度的獨(dú)立優(yōu)化，它們總會對其它自由度的優(yōu)化產(chǎn)生干擾蛇更，不得不反復(fù)進(jìn)行瞻赶，這就使光纖耦合優(yōu)化非常困難，也會花費(fèi)更多時間派任。
圖4 光學(xué)裝置：活動反射鏡架控制束腰的位置砸逊。其它參數(shù)可以手動調(diào)整。
由于FiberLock僅能穩(wěn)定兩個自由度痹兜，仍然需要手動優(yōu)化（如圖4）。但當(dāng)開啟FiberLock后颤诀，手動調(diào)節(jié)就變得極其簡單：首先，需要調(diào)節(jié)的變量大大減少对湃；其次崖叫，有缺陷的光機(jī)械引入的交叉相關(guān)性也被大量移除。例如拍柒，如果光纖尖端沿z軸移動心傀，X和Y方向上的漂移就被自動補(bǔ)償?shù)簦敵瞿芰考兇庵伙@示我們關(guān)心的效果拆讯。
FiberLock的調(diào)節(jié)器很容易快速跟隨手動調(diào)整脂男，使所有余下的自由度都能夠獨(dú)立，快速宰翅，方便的優(yōu)化弃甥。
2.4 穩(wěn)功率模式
FiberLock控制耦合效率的能力帶來了一個有趣的可能性：如果我們的目標(biāo)是保持耦合進(jìn)光纖的功率恒定，而不是最大值汁讼，F(xiàn)iberLock可以擔(dān)當(dāng)一個“Noise Eater”淆攻。例如，如果激光有強(qiáng)度波動嘿架，F(xiàn)iberLock可以通過主動調(diào)諧耦合效率進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)償瓶珊。用這種方法，一個FiberLock和單模光纖的組合可以看做模式清潔器耸彪。光束輪廓的畸變伞芹，強(qiáng)度噪聲蝉娜，指向波動都能被濾除唱较，當(dāng)然代價是損失一部分功率。
2.5 總結(jié)
本質(zhì)上蜀肘，主動光纖耦合與手動對準(zhǔn)原理是相同的：光纖輸出作為調(diào)節(jié)光機(jī)械的反饋信號绊汹。然而，F(xiàn)iberLock能夠更快西乖，更可靠，特別是更連續(xù)坛增。一旦鎖定获雕，耦合將永遠(yuǎn)保持穩(wěn)定。對于持續(xù)數(shù)天運(yùn)行不加干涉的光學(xué)實(shí)驗(yàn)以及非手動的光纖耦合激光的工業(yè)應(yīng)用都是極其重要的收捣。此外届案，在需要頻繁更換光學(xué)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用中，F(xiàn)iberLock的掃描與搜索功能是非常有價值的罢艾。
FiberLock可以不連接電腦楣颠，只依靠控制器上簡單有效的用戶面板操作。當(dāng)然可視化操作和高級參數(shù)調(diào)整需要連接電腦咐蚯。最后童漩，通過對準(zhǔn)一個光學(xué)元件優(yōu)化一些高質(zhì)量信號的需要會更加普遍春锋，還有半導(dǎo)體激光器的生產(chǎn)中定位透鏡位置變化及光參量放大器中的光束對準(zhǔn)矫膨。
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