【实验目的】

利用光纤及自发光端面光斑分析系统，对多模光纤跳线SMA905连接器插芯输出端面经放大后的出射光斑进行测量与分析。

 

【系统组成】

1. 相机式光斑分析仪

2. 95mm平场复消色差物镜（20x，NA=0.45）

3. K9平凸透镜（f=200mm，安装于透镜套筒内）

4. 手动XY水平位移台和旋转位移台

5. 标准SMA905石英多模光纤（或其他发光面光斑模场直径不小于1um的样品）

6. 405nm LD光源及空间光耦合系统

7. 可调光学调整架、光学导轨及各类光机件

 

【原理概述】

光纤及自发光端面光斑分析系统从原理上，可以简单的理解为：由无限远光学系统为基础的放大成像系统+光斑分析仪。在物镜的工作距离上的待测样品发光面的光斑，在经由95mm无限远矫正平场复消色差设计的物镜和筒镜（f=200 平凸透镜）所组成的光学系统放大成像后，由安装在筒镜焦平面上的光斑分析仪对放大后光斑的各项参数进行测量分析。

 

图1 有限远与无限远光学系统

 

如图1所示，分别为基于单片透镜的有限远光学系统，以及由无限远矫正的物镜(Objective)与管镜(Tube Lens)共同组成的无限远光学系统的基本光路结构。在有限远光学系统中，当物距固定时，像平面位置随之确定。物点发出的光线经透镜会聚，在后方的像平面上形成倒立的实像。而在无限远光学系统中，位于物镜工作距离上的物点所发出的光束，经无限远校正物镜后，被准直为平行光。需注意的是，不同高度的物点所经过物镜后所产生的平行光具有不同的传播方向，即各物点在经过物镜后的光束之间是具有一定夹角的；这些平行光束随后由管镜会聚，并最终在像平面处形成倒立的实像。也可以从信息传递的角度理解：无限远校正物镜将物点的高度信息编码为光束的角度信息，再由管镜将该角度信息解码还原为像平面上的的位置信息。

 

※ 在理论上，无限远光学系统中物镜与管镜的间距可以为“无限远”。在这个“无限远”的空间内，插入平行平板类的光学器件、增大或减小物镜与筒镜之间的物理距离这类操作，都不会改变像平面与筒镜之间的相对位置，也不会改变成像的放大倍率。但是，在实际应用中若物镜和筒镜两者的间距过大，则可能会引入额外的像差，影响对样品发光面光斑的成像质量和光斑分析仪的检测效果。为能精确测量样品发光面的放大后的光斑，本系统会根据实际光路需求（如插入吸收型中性密度滤光片等光学元件），合理控制物镜与管镜之间的距离，以兼顾成像之间与系统整体的灵活性。

 

在物镜与管镜的选型方面，为实现最优测量性能，本系统推荐采用由 Dimension-Labs 提供的无限远校正平场复消色差物镜。该系列物镜具备宽波段复消色差设计与平场成像设计，可消除色差、球差及场曲这类单色像差，确保经系统放大成像后的光斑样貌是清晰且真实的。同时，由 Dimension-Labs 提供的95mm平场复消色差物镜搭配焦距为 200 mm 的管镜，可实现物镜标定的放大倍率。确保物镜与筒镜间的组合恰当，可保证系统的放大倍率稳定、成像质量一致、测量结果准确、节省调试光路中因不必要的麻烦所带来的时间成本，适用于对光斑样貌、模场直径有精确测量需求的应用场景。

 

图2 基于光纤及自发光端面光斑分析系统光路图

 

在本次实验中，光纤及自发光端面光斑分析系统的光路结构如图2中所示。系统光路主要由以下部分构成：待测样品的发光面（ Device Under Test(DUT)，待测样品可为光纤、光子集成电路PIC、分布式反馈激光器DFB等多种类型的样品）、95mm平场复消色差物镜（20×，NA=0.45）、K9平凸透镜（200 mm焦距以匹配物镜）、透镜套筒（消除杂散光）和BeamHere光斑分析仪。

 

在系统搭建并调试的过程中，需要进行以下步骤：

 1. 调整系统光轴，确保各光学元件是共轴的；

 2. 调节样品位置，使其发光面位于物镜所标定的工作距离上；

 3. 调整平凸透镜位置，使其焦平面对准光斑分析仪的靶面，以此确保成像质量与光斑测量数据的准确性。

 

 

图3 基于光纤及自发光端面光斑分析系统搭建的光纤出光面测试光路

 

实验光路如图3所示。本次实验的系统采用405nm激光模组作为光源，通过手动调整可调光学安装调整架，将平凸透镜聚焦后的光源光束耦合进入多模光纤。使用BeamHere通用软件实时观察测量的光斑形态，通过微调位移台和调整架的角度和滑轨的轴向距离，将光纤端面调整定位至物镜的工作距离上，使在BeamHere通用软件内显示的光斑为最清晰的状态，从而实现对多模光纤跳线SMA905连接器插芯输出端面经放大后的出射光斑进行测量与分析。

 

可通过以下方式减少放大成像与光斑测量过程中系统存在的误差：

• 采用Dimension-labs 提供的高性能消色差放大物镜和光学镜片等光学组件，可保证系统成像分辨率，消除成像过程中的像差，优化整体光斑测量结果；
• 采用Dimension-labs 提供的高精度位移组件，可消除系统误差和偶然误差对测试结果带来的影响；
• 通过设计重复实验并取平均值，减少误差带来的影响。

 

【实验数据】

图4 BeamHere通用软件测量结果

 

放大后的多模光纤发光面光斑形貌如图4左侧所示。软件右侧参数同步展示测量分析后的参数，需要关注的参数包括：

• X/Y轴方向光束宽度（基于4σ准则）
• 光斑直径（与X/Y轴方向光束宽度同时关联）
• 椭圆度（光斑近似后长轴与短轴参数的比值）
• 离心率及朝向角等参数

同时该系统重复测量精度优秀，可稳定实现对模场直径为um级的样品发光面光斑，提供稳定可靠的测量。