光纤阵列在光电技术中的应用及技术细节

本文介绍了光纤阵列的结构、技术参数以及在各种光电应用中的重要作用，包括与光子集成电路、数据/电信应用、天文望远镜、激光器阵列耦合以及光束合成等方面的应用。

目录

1. 光纤阵列概述
2. 技术细节
3. 使用的光纤类型
4. 光纤直径
5. 光纤端头与封装
6. 切割与熔接
7. 与透镜阵列耦合
8. 应用领域

光纤阵列概述

光纤阵列，也称为光纤光学阵列或光纤阵列单元，是一维或二维的光纤排列。这种阵列通常只形成在一束光纤的末端，而非整个光纤长度。光纤阵列的主要目的是将光源阵列的光耦合到光纤中，或者将光纤中的光耦合到其他组件，例如耦合到光子集成电路上的平面波导阵列。下面将详细说明其他各种应用。

技术细节

光纤阵列的参数

光纤阵列的关键参数包括：

• 光纤数量及其类型（基础材料）
• 光纤间距及（对于二维阵列）所使用的格子类型
• 核心直径和数值孔径，或其他指定折射率剖面的方式，这决定了模式结构

额外的细节还包括：

• 偏振处理；对于保偏光纤，还包括快/慢轴相对于阵列的方向
• 非垂直抛光光纤端面的角度
• 光纤核心定位精度
• 使用端帽、模式转换器等
• 封装类型

由于可变参数众多，光纤阵列通常需要作为定制光学元件，为特定应用量身定制。

使用的光纤类型

光纤阵列大多由硅光纤制成，适用于从近红外到紫外线的各种光谱区域。但是，也可以使用特殊的光纤。根据应用的不同，既可以使用单模光纤，也可以使用多模光纤。在某些情况下，会使用保偏光纤（例如PANDA型）。

光纤直径

在某些情况下，光纤阵列是通过按原始大小排列多根光纤形成的，例如，标准包层直径为125μm。如果省略或移除光纤涂层（通常情况下），这将导致最小可能的核心间距与此相同（假设光纤核心居中，且未使用多核心光纤）。

对于某些应用，例如与光子集成电路耦合，需要更小的光纤和/或更小的核心间距。在这种情况下，可以直接使用相应更小的光纤，或者使用锥形光纤，通过加热至玻璃软化温度时拉伸光纤来制造。有时，需要额外应用模式尺寸转换器以与尺寸较小的波导模式耦合。在其他情况下，会应用不同形状（例如矩形或圆形截面）的无芯端帽。

光纤端头与封装

通常需要仔细制造光纤阵列，以确保光纤端头在所有维度上都良好对齐。此外，输入或输出端通常需要进行封装，以便整个光纤阵列可以方便且安全地处理。例如，光纤阵列的端部可以是带有适当形状的光学玻璃材料块，可能具有助于对准的特征，类似于光纤连接器。特别是对于二维阵列，还可以使用金属法兰围绕它们。

可以使用裸露的光纤端头，或者选择应用抗反射涂层，这可以大大减少寄生反射，从而也减少耦合损失。

切割与熔接

在批量生产中，单独切割每根涉及的光纤是不可取的。因此，已经开发了基于激光的切割工艺，可以应用于整个阵列。

光纤端头通常垂直切割，但在某些情况下需要以一定角度抛光光纤轴。通常，不会单独抛光光纤，而是在将它们刚性嵌入某种玻璃结构后一起抛光。

也可以将熔接应用不仅于单根光纤，还于整个光纤阵列。例如，已经开发了使用CO2激光软化光纤端头的工艺。至少对于多模光纤来说，由此产生的熔接损耗可以非常低。

与透镜阵列耦合

特别是当光纤的输出发送到自由空间时，通常会使用透镜阵列（或微透镜阵列）进行准直。显然，光纤间距需要与透镜间距精确匹配，且精确对准至关重要，因为它对最终的光束方向和准直程度有很大影响。

应用领域

与光子集成电路耦合

光子集成电路和类似的光电子设备需要与外界接口连接——通常是与光纤光学。通常，不仅仅是单个输入和输出；多个信号在电路上的多个波导中传导，这些信号到达芯片边缘时需要耦合到光纤中。这自然导致了光纤阵列的使用。在这种情况下，必须采取特殊预防措施，以实现芯片波导和光纤之间的高效耦合，其中前者通常具有远小于后者（通常为几微米）的模式直径。通常，需要专门的模式尺寸转换器。

由于尺寸小，需要高精度的光纤核心相对于波导的定位。这可能只能通过主动对准来实现，即在对准过程中测量传输，通常伴随自动控制。

数据/电信应用

通常需要分割一个数据信号，以便将其分发到多个输出。一个典型的例子是有线电视，其中相同的电视节目集合广播给多方。信号分割（通常在光纤放大器之后）通常是通过平面波导电路完成的，其输出需要耦合到光纤。光纤阵列则是将光纤耦合到分路器的自然解决方案。

在光纤光学开关的网络路由以及波分复用的背景下，也会遇到类似的情况，其中线性阵列的每根光纤可能与不同的中心波长相关联。在光纤通信中，数据可以通过单根光纤以极高的比特率发送，并且潜在地同时双向传输。尽管如此，有时仍然需要使用多根光纤。然后，使用基于光纤阵列的接口（光纤连接器）简化连接变得理想。在建立所有相关光纤的连接过程中，也确保不会意外交换光纤。

天文望远镜

在天文望远镜中，有时使用光纤将光从望远镜传输到其他设备进行进一步分析，例如进行高分辨率光谱分析。此时，光纤阵列允许同时对多个观测方向应用此类技术。

与激光二极管阵列或VCSEL阵列耦合

激光二极管阵列，也称为二极管条，包含一个规则的激光发射器阵列。可以将这种设备与光纤阵列耦合，使得每个发射器的辐射都进入一个光纤。类似的技术也可以应用于VCSEL阵列。

光束合成

线性光纤阵列特别适合用于光谱光束合成。例如，可以用阵列中的每根光纤实现一个光纤激光器，并通过衍射光栅合并它们的光束。

也可以与适当的透镜阵列结合使用二维光纤阵列进行相干光束合成。在这里，每根光纤都被单频和相位稳定的光纤放大器输出馈入。所有组件的非常精确的定位对于获得高质量输出光束至关重要。

激光材料加工

通过使用一种并行化技术，可以使用光纤阵列大大提高激光材料加工的速度，同时在样品上多个点进行辐照，每个点都使用来自阵列中一个光纤的辐射。对于尺寸有限的阵列，可以使用单套光学系统处理整个辐射。这种技术可以使用一维或二维阵列实现。