一、光纤准直器原理

 

光纤准直器(Fiber Collimator，FC)是光纤通信中的一种常见的无源光学器件。光纤准直器既可以将光纤输出光束转变成自由空间的准直光束(平行光束)，也可以将自由空间的平行光束耦合进单模光纤中。存在两种不同类型的光纤准直器：第一类为与裸露光纤直接接触的准直器，但是这种准直器通常永久连接在光纤上；第二类为与光纤连接器之间存在机械截面的准直器，例如FC/PC、FC/APC、SMA光纤接头，这种准直器可以很方便地从接头的光纤上安装或者去除。

 

二、关键参数计算

 

模场直径(Mode Field Diameter，MFD)一般是指光强降低到轴心线处最大光强的$1/e^2$的各点中两点最大距离，用来表示在单模光纤的纤芯区域基模光的分布状态。基模在纤芯区域轴心线处光强最大，并且随着偏离轴心线的距离增大而逐渐减小。

 

在使用光纤准直器对光纤输出光束进行准直时，需要考虑以下参数：发散角、输出光束直径和最大束腰距离。

 

1、发散角(Divergence Angle，用度表示)可以根据以下公式近似计算

$\theta \approx \frac{MFD}{f}\frac{180}{\pi }$

其中，MFD为模场直径，f为准直器的焦距。

该公式适用于单模光纤，但它会小于多模光纤的发散角，因为多模光纤出射的光具有非高斯强度分布。

 

2、输出光束直径(Output Beam Diameter)可以根据以下公式近似计算

$d\approx \frac{4\lambda f}{\pi ·MFD}$

其中，λ为所用光的波长，f为准直器的焦距，MFD为模场直径。

 

3、最大束腰距离(Maximum Waist Distance)是指由于实际传输中由于发散角的存在，为了维持输出光束准直，束腰距离透镜最远的距离，可以根据以下公式近似计算

$z_{max}\approx f+\frac{2\lambda f^2}{\pi {\left(MFD\right)}^2}$

其中，f为准直器的焦距，λ为所用光的波长，MFD为模场直径。