Fibra Óptica Pasiva: Colimador de Fibra Óptica

Tipos de lentes

 

Se pueden utilizar diferentes tipos de lentes en los colimadores: incluyen lentes de fibra, lentes esféricas, lentes asféricas, singletes y dobletes esféricos, lentes GRIN (GRaded INdex), objetivos de microscopio y lentes cilíndricas. Para las fibras de telecomunicaciones estándar y, de hecho, para muchas otras, se utilizan principalmente lentes GRIN (lentes de índice graduado), ya que son relativamente baratas y pequeñas. Sin embargo, son menos adecuados para diámetros de viga más grandes, p. de más de unos pocos milímetros. En tales casos, se tiende a utilizar lentes singlete o doblete convencionales, que pueden ser de tipo esférico o, a veces, asférico. Esto es necesario, por ejemplo, cuando es necesario transmitir un haz colimado a una gran distancia, como en las comunicaciones ópticas en el espacio libre, donde se requiere una longitud de Rayleigh larga.

 

Tamaño del haz colimado

 

El radio del haz colimado obtenido depende de las circunstancias. En algunos casos, el diámetro del haz es tan pequeño como el diámetro de la fibra, p. 125 µm; la longitud de Rayleigh puede ser entonces inferior a 1 cm. En otros casos, se necesitan diámetros de haz de varios milímetros o incluso más. Para los cálculos, el caso más sencillo es el de una fibra monomodo. Aquí, el radio del haz se puede calcular con bastante precisión utilizando la siguiente ecuación:

 

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Esto supone que el perfil del haz del modo de fibra tiene una forma aproximadamente gaussiana, de modo que podemos aplicar la fórmula correspondiente para el medio ángulo de divergencia del haz θfibra. También se supone que la distancia entre el extremo de la fibra y la lente está cerca de la distancia focal f de la lente. Si la distancia es demasiado pequeña, el haz divergirá y, para distancias demasiado grandes, convergerá hacia un foco situado a cierta distancia. Puede resultar útil adentrarse ligeramente en este último régimen, en el que se alcanza un foco de haz (con un diámetro de haz ligeramente inferior al del colimador) a una distancia de trabajo adecuada. Cuanto mayor sea la distancia focal, menos crítico será el posicionamiento longitudinal. ¡Un tamaño de modo de fibra más pequeño a menudo conduce a un haz colimado más grande! Tenga en cuenta que un tamaño de modo más pequeño de la fibra implica una divergencia del haz mayor y, por lo tanto, un haz colimado más grande para una distancia focal determinada. Esto también significa que una longitud de onda más corta, que normalmente conduce a un tamaño de modo más pequeño, conduce a un haz de salida más grande. Esto es aún más cierto si la fibra entra en el régimen multimodo para longitudes de onda suficientemente cortas. Por tales razones, un haz piloto visible para un haz infrarrojo, por ejemplo, puede no mostrar con precisión el tamaño del haz infrarrojo. Además, la posición correcta de la fibra para la colimación puede depender de la longitud de onda, especialmente si no se utiliza ninguna lente acromática (ver más abajo). Para las fibras multimodo, la divergencia del haz en la salida (y por tanto el tamaño del haz colimado) depende de las condiciones de lanzamiento y posiblemente incluso del estado (por ejemplo, curvatura) de la fibra. Generalmente, el ángulo de divergencia del haz será mayor que el estimado para la fibra monomodo, posiblemente incluso mucho mayor. Si bien las lentes GRIN son perfectas para dispositivos de telecomunicaciones pequeños, no son adecuadas para generar grandes haces ópticos como los utilizados en aplicaciones de comunicación Free Space Optic (FSO), donde el tamaño del haz puede variar desde unos pocos milímetros hasta decenas de milímetros. Para tamaños de haz de 1 mm a 5 mm, las lentes asféricas son ideales en gran parte debido a su excelente capacidad para corregir la aberración esférica. Para tamaños de haz mayores a unos pocos milímetros, un singlete o doblete esférico puede ser una mejor opción ya que están fácilmente disponibles y son de bajo costo.

 

Aproximación teórica del ángulo de divergencia

 

Los extremos de fibra en ángulo se utilizan a menudo para suprimir las retrorreflexiones desde la cara del extremo de la fibra hacia el núcleo, es decir, para maximizar la pérdida de retorno. Desafortunadamente, el ángulo provoca cierta desviación del haz de salida. Las fibras monomodo suelen pulirse en un ángulo de 8 grados para reducir la retrorreflexión (aumentar la pérdida de retorno). El precio a pagar es que el haz está ligeramente descentrado. Sin embargo, es posible corregir esto con accesorios de alineación y casquillos de fibra especialmente diseñados. Casi todas las fibras multimodo se pulen a 0 grados debido al hecho de que los requisitos de pérdida de retorno del sistema son mucho menores. Este ángulo de divergencia es fácil de aproximar teóricamente utilizando la fórmula que se muestra a continuación, siempre que la luz que emerge de la fibra tenga un perfil de intensidad gaussiano. Esto funciona bien para fibras monomodo, pero subestimará el ángulo de divergencia para fibras multimodo donde la luz que emerge de la fibra tiene un perfil de intensidad no gaussiano. El ángulo de divergencia (en grados) θ ≈ (D/f)(180/3.1415927) donde D y f deben estar en las mismas unidades. θ es el ángulo de divergencia, D es el diámetro del campo modal (MFD) y f es la longitud focal del colimador. Ejemplo de cálculo: cuando se utiliza el colimador SF220SMA-A para colimar luz de 515 nm que emerge de una fibra de 460 HP con un diámetro de campo modal (D) de 3,5 µm y una distancia focal (f) de aproximadamente 11,0 mm (no exacta ya que la longitud de onda de diseño es 543 nm), el ángulo de divergencia viene dado aproximadamente por θ ≈ (0,00