福津光電：單斜面光纖金屬反射膜
光纖在線編輯部 2023-11-06 14:47:28 文章來源：本站消息 版權所有,未經許可嚴禁轉載.
導讀：端面研磨成不同的角度斜面，改變透射光路和反射光路，從而增大了光纖頭的回損，本文就列舉出不同光纖端面角度，各種反射膜材料的對比。
11/06/2023，光纖在線訊，單斜面光纖主要的作用是，通過改變光纖端面的角度，來改變透射光路和反射光路。
斜8度單斜面：可以有效防止回返光打到芯片。
圖1：斜8度單斜面光纖示意圖
不過需要注意的是，把單模光纖端面磨成斜8度時，會導致入射光軸與光纖光軸不同軸，這時需要將芯片傾斜3.64°來擺放，來校正不同軸問題。具體由折射率計算公式推導而得：
n1sinθ1=n2sinθ2
sinθ1=1.45*sin8=0.2018
θ1=11.64°
圖2：斜8度單斜面光纖-光路示意圖
從上方公式可計算出，入射光夾角=11.64°。芯片傾斜角=11.64-8=3.64°。
斜45度單斜面：可以使光路發生90度轉向。
圖3：斜45度單斜面光纖示意圖
但是我們在實際應用中，發現斜45度單斜面出射的光路會有兩條，這是什么回事呢？
圖4：斜45度單斜面光纖未鍍鋁膜-光路示意圖
要理解這個現象，我們需要先知道全反射臨界角公式：sinC = n2 / n1（n2出射折射率，n1入射折射率），我們以出射介質是空氣為例；sinC=1/1.145,C=43.6°，這么看來，45°的入射角大于43.6°的全反射臨界角了，會發生全反射。
圖5：斜45度單斜面光纖-理論光路示意圖
但是不要忘了，激光在光纖中傳播的路徑不是直的，是帶有一定角度的，這個角度取決于光纖的NA，這就意味著有一部分光的入射角要小于43.6°，這部分光會發生折射（透射）。當然還有一種情況就是出射折射率發生變化，例如，需要把光纖頭放到水中，水的折射率大概是1.33，我們帶入公式發現，如果要發生全反射，入射角大于66.5°的才發生全反射。
圖6：斜45度單斜面光纖-實際應用光路示意圖
這時就需要我們在斜面上鍍一層反射膜，這層反射膜，要對光的入射角度不敏感，對出射介質折射率不敏感，鍍上這層反射膜后，光纖端面只會有一束反射光。
這種對光的入射角度不敏感，對出射介質折射率不敏感的反射膜，就是金屬反射膜，金屬反射膜，是一種全波段反射膜，從400nm到2000nm以上，都是高反射的。
圖7：單斜面光纖鍍鋁膜-光路示意圖
各反射膜材料的特性。
圖8：金屬反射率曲線示意圖
下面我們列出了金、銀、鋁三種金屬反射膜，0度入射和40度入射時的反射率曲線對比，從反射率曲線看，銀反射膜，反射率最好，金反射膜其次，鋁較差。
銀反射膜：在可見光到紅外區都有很高的反射率，而且對傾斜入射的光，引起的偏振效應最小，但是銀與玻璃的黏附性很差，且容易受到硫化物影響失去光澤，所以銀膜一般適用于短期高反射率，或內反的使用的場景。
金反射膜：在紅外區有較高反射率，同時對傾斜入射光的偏振效果也較小，金和玻璃的黏附性較差，需要先在玻璃表面鍍一層鉻作為襯底，再加上沉積過程，輔之以離子源轟擊，能顯著提升金膜與基體的附著力，金膜比較軟，容易損壞，所以常常在其外表面鍍一層保護膜，鍍了保護膜后，反射率會有所下降，保護膜的折射率越高，反射率下降得越多，所以保護膜材料的選擇也很重要，金反射膜一般應用于紅外波段反射鏡。
鋁反射膜：鋁是唯一一種可以從紫外到紅外都具有較高反射率的材料，鋁和玻璃基體的附著力相對較好，不過金屬鋁比較活躍，雖然金屬鋁被氧化后形成的氧化鋁可以很好保護鋁膜繼續氧化，但是金屬鋁膜一般比較薄只有幾百個納米，很容易全部氧化，而且有的金屬鋁膜做外反使用，如果外表面被氧化，反射率會直線下降，所以金屬鋁膜外表面一般也要鍍一層保護膜。
銀、金、鋁膜特性各異，但是金屬鋁是最便宜的，且各方面性能比較均衡，所以金屬鋁反射膜是應用最廣泛的。
金屬鋁反射膜鍍膜加工注意事項
單斜面加工工藝中，斜面研磨角度公差、端面光潔度、反射膜牢固度、鍍膜區域控制，這些參數都非常重要。
角度公差：要考慮研磨夾具，轉動角度誤差，研磨夾具與磨盤夾角誤差，光纖自身彈性彎曲造成的誤差。
端面光潔度：通過研磨拋光工藝把端面研磨拋光平整光滑，再通過端面清潔工藝把端面臟污清潔干凈，鍍膜機臺的穩定性也會影響到端面光潔度，比如真空度反彈，就會使得鍍膜面發霧，反射率會大打折扣。
反射膜牢固度：有一個好的端面光潔度是膜層牢固度的基礎，加上穩定的鍍膜工藝，才能保證膜層的牢固度。
鍍膜區域控制：光纖的斜面鍍金屬反射膜，需要控制金屬膜不能鍍到光纖側面，不然反射光路會被擋住，所以需要控制好鍍膜工藝，和鍍膜工裝的設計，才能減少光纖側面漏膜發生。
圖9：金屬反射率曲線示意圖
單斜面光纖反射輸出光斑的特性：
我們從側面光路圖和正面光路圖，可以看到，通過斜面反射的光，經過光纖側面出射，平行于光纖側面方向，光路是緩慢發散的，垂直于光纖側面方向，光路是先有一個匯聚再進行比較快速的發散。
圖10：單斜面光纖-幾何光路示意圖
我們經過對比單模光纖smf-28e和多模光纖105/125發現，單模光纖經過斜面反射后的光斑，保持有高斯分布的特性，且光斑能量分布接近圓形。多模光纖的反射光斑，保持多模特性，光斑能量部分呈長橢圓形。
圖11：單模多模單斜面光纖-光斑對比示意圖
斜8度單斜面：可以有效防止回返光打到芯片。
圖1：斜8度單斜面光纖示意圖
不過需要注意的是，把單模光纖端面磨成斜8度時，會導致入射光軸與光纖光軸不同軸，這時需要將芯片傾斜3.64°來擺放，來校正不同軸問題。具體由折射率計算公式推導而得：
n1sinθ1=n2sinθ2
sinθ1=1.45*sin8=0.2018
θ1=11.64°
圖2：斜8度單斜面光纖-光路示意圖
從上方公式可計算出，入射光夾角=11.64°。芯片傾斜角=11.64-8=3.64°。
斜45度單斜面：可以使光路發生90度轉向。
圖3：斜45度單斜面光纖示意圖
但是我們在實際應用中，發現斜45度單斜面出射的光路會有兩條，這是什么回事呢？
圖4：斜45度單斜面光纖未鍍鋁膜-光路示意圖
要理解這個現象，我們需要先知道全反射臨界角公式：sinC = n2 / n1（n2出射折射率，n1入射折射率），我們以出射介質是空氣為例；sinC=1/1.145,C=43.6°，這么看來，45°的入射角大于43.6°的全反射臨界角了，會發生全反射。
圖5：斜45度單斜面光纖-理論光路示意圖
但是不要忘了，激光在光纖中傳播的路徑不是直的，是帶有一定角度的，這個角度取決于光纖的NA，這就意味著有一部分光的入射角要小于43.6°，這部分光會發生折射（透射）。當然還有一種情況就是出射折射率發生變化，例如，需要把光纖頭放到水中，水的折射率大概是1.33，我們帶入公式發現，如果要發生全反射，入射角大于66.5°的才發生全反射。
圖6：斜45度單斜面光纖-實際應用光路示意圖
這時就需要我們在斜面上鍍一層反射膜，這層反射膜，要對光的入射角度不敏感，對出射介質折射率不敏感，鍍上這層反射膜后，光纖端面只會有一束反射光。
這種對光的入射角度不敏感，對出射介質折射率不敏感的反射膜，就是金屬反射膜，金屬反射膜，是一種全波段反射膜，從400nm到2000nm以上，都是高反射的。
圖7：單斜面光纖鍍鋁膜-光路示意圖
各反射膜材料的特性。
圖8：金屬反射率曲線示意圖
下面我們列出了金、銀、鋁三種金屬反射膜，0度入射和40度入射時的反射率曲線對比，從反射率曲線看，銀反射膜，反射率最好，金反射膜其次，鋁較差。
銀反射膜：在可見光到紅外區都有很高的反射率，而且對傾斜入射的光，引起的偏振效應最小，但是銀與玻璃的黏附性很差，且容易受到硫化物影響失去光澤，所以銀膜一般適用于短期高反射率，或內反的使用的場景。
金反射膜：在紅外區有較高反射率，同時對傾斜入射光的偏振效果也較小，金和玻璃的黏附性較差，需要先在玻璃表面鍍一層鉻作為襯底，再加上沉積過程，輔之以離子源轟擊，能顯著提升金膜與基體的附著力，金膜比較軟，容易損壞，所以常常在其外表面鍍一層保護膜，鍍了保護膜后，反射率會有所下降，保護膜的折射率越高，反射率下降得越多，所以保護膜材料的選擇也很重要，金反射膜一般應用于紅外波段反射鏡。
鋁反射膜：鋁是唯一一種可以從紫外到紅外都具有較高反射率的材料，鋁和玻璃基體的附著力相對較好，不過金屬鋁比較活躍，雖然金屬鋁被氧化后形成的氧化鋁可以很好保護鋁膜繼續氧化，但是金屬鋁膜一般比較薄只有幾百個納米，很容易全部氧化，而且有的金屬鋁膜做外反使用，如果外表面被氧化，反射率會直線下降，所以金屬鋁膜外表面一般也要鍍一層保護膜。
銀、金、鋁膜特性各異，但是金屬鋁是最便宜的，且各方面性能比較均衡，所以金屬鋁反射膜是應用最廣泛的。
金屬鋁反射膜鍍膜加工注意事項
單斜面加工工藝中，斜面研磨角度公差、端面光潔度、反射膜牢固度、鍍膜區域控制，這些參數都非常重要。
角度公差：要考慮研磨夾具，轉動角度誤差，研磨夾具與磨盤夾角誤差，光纖自身彈性彎曲造成的誤差。
端面光潔度：通過研磨拋光工藝把端面研磨拋光平整光滑，再通過端面清潔工藝把端面臟污清潔干凈，鍍膜機臺的穩定性也會影響到端面光潔度，比如真空度反彈，就會使得鍍膜面發霧，反射率會大打折扣。
反射膜牢固度：有一個好的端面光潔度是膜層牢固度的基礎，加上穩定的鍍膜工藝，才能保證膜層的牢固度。
鍍膜區域控制：光纖的斜面鍍金屬反射膜，需要控制金屬膜不能鍍到光纖側面，不然反射光路會被擋住，所以需要控制好鍍膜工藝，和鍍膜工裝的設計，才能減少光纖側面漏膜發生。
圖9：金屬反射率曲線示意圖
單斜面光纖反射輸出光斑的特性：
我們從側面光路圖和正面光路圖，可以看到，通過斜面反射的光，經過光纖側面出射，平行于光纖側面方向，光路是緩慢發散的，垂直于光纖側面方向，光路是先有一個匯聚再進行比較快速的發散。
圖10：單斜面光纖-幾何光路示意圖
我們經過對比單模光纖smf-28e和多模光纖105/125發現，單模光纖經過斜面反射后的光斑，保持有高斯分布的特性，且光斑能量分布接近圓形。多模光纖的反射光斑，保持多模特性，光斑能量部分呈長橢圓形。
圖11：單模多模單斜面光纖-光斑對比示意圖
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