福津光电：单斜面光纤金属反射膜
光纤在线编辑部 2023-11-06 14:47:28 文章来源：本站消息 版权所有,未经许可严禁转载.
导读：端面研磨成不同的角度斜面，改变透射光路和反射光路，从而增大了光纤头的回损，本文就列举出不同光纤端面角度，各种反射膜材料的对比。
11/06/2023，光纤在线讯，单斜面光纤主要的作用是，通过改变光纤端面的角度，来改变透射光路和反射光路。
斜8度单斜面：可以有效防止回返光打到芯片。
图1：斜8度单斜面光纤示意图
不过需要注意的是，把单模光纤端面磨成斜8度时，会导致入射光轴与光纤光轴不同轴，这时需要将芯片倾斜3.64°来摆放，来校正不同轴问题。具体由折射率计算公式推导而得：
n1sinθ1=n2sinθ2
sinθ1=1.45*sin8=0.2018
θ1=11.64°
图2：斜8度单斜面光纤-光路示意图
从上方公式可计算出，入射光夹角=11.64°。芯片倾斜角=11.64-8=3.64°。
斜45度单斜面：可以使光路发生90度转向。
图3：斜45度单斜面光纤示意图
但是我们在实际应用中，发现斜45度单斜面出射的光路会有两条，这是什么回事呢？
图4：斜45度单斜面光纤未镀铝膜-光路示意图
要理解这个现象，我们需要先知道全反射临界角公式：sinC = n2 / n1（n2出射折射率，n1入射折射率），我们以出射介质是空气为例；sinC=1/1.145,C=43.6°，这么看来，45°的入射角大于43.6°的全反射临界角了，会发生全反射。
图5：斜45度单斜面光纤-理论光路示意图
但是不要忘了，激光在光纤中传播的路径不是直的，是带有一定角度的，这个角度取决于光纤的NA，这就意味着有一部分光的入射角要小于43.6°，这部分光会发生折射（透射）。当然还有一种情况就是出射折射率发生变化，例如，需要把光纤头放到水中，水的折射率大概是1.33，我们带入公式发现，如果要发生全反射，入射角大于66.5°的才发生全反射。
图6：斜45度单斜面光纤-实际应用光路示意图
这时就需要我们在斜面上镀一层反射膜，这层反射膜，要对光的入射角度不敏感，对出射介质折射率不敏感，镀上这层反射膜后，光纤端面只会有一束反射光。
这种对光的入射角度不敏感，对出射介质折射率不敏感的反射膜，就是金属反射膜，金属反射膜，是一种全波段反射膜，从400nm到2000nm以上，都是高反射的。
图7：单斜面光纤镀铝膜-光路示意图
各反射膜材料的特性。
图8：金属反射率曲线示意图
下面我们列出了金、银、铝三种金属反射膜，0度入射和40度入射时的反射率曲线对比，从反射率曲线看，银反射膜，反射率最好，金反射膜其次，铝较差。
银反射膜：在可见光到红外区都有很高的反射率，而且对倾斜入射的光，引起的偏振效应最小，但是银与玻璃的黏附性很差，且容易受到硫化物影响失去光泽，所以银膜一般适用于短期高反射率，或内反的使用的场景。
金反射膜：在红外区有较高反射率，同时对倾斜入射光的偏振效果也较小，金和玻璃的黏附性较差，需要先在玻璃表面镀一层铬作为衬底，再加上沉积过程，辅之以离子源轰击，能显著提升金膜与基体的附着力，金膜比较软，容易损坏，所以常常在其外表面镀一层保护膜，镀了保护膜后，反射率会有所下降，保护膜的折射率越高，反射率下降得越多，所以保护膜材料的选择也很重要，金反射膜一般应用于红外波段反射镜。
铝反射膜：铝是唯一一种可以从紫外到红外都具有较高反射率的材料，铝和玻璃基体的附着力相对较好，不过金属铝比较活跃，虽然金属铝被氧化后形成的氧化铝可以很好保护铝膜继续氧化，但是金属铝膜一般比较薄只有几百个纳米，很容易全部氧化，而且有的金属铝膜做外反使用，如果外表面被氧化，反射率会直线下降，所以金属铝膜外表面一般也要镀一层保护膜。
银、金、铝膜特性各异，但是金属铝是最便宜的，且各方面性能比较均衡，所以金属铝反射膜是应用最广泛的。
金属铝反射膜镀膜加工注意事项
单斜面加工工艺中，斜面研磨角度公差、端面光洁度、反射膜牢固度、镀膜区域控制，这些参数都非常重要。
角度公差：要考虑研磨夹具，转动角度误差，研磨夹具与磨盘夹角误差，光纤自身弹性弯曲造成的误差。
端面光洁度：通过研磨抛光工艺把端面研磨抛光平整光滑，再通过端面清洁工艺把端面脏污清洁干净，镀膜机台的稳定性也会影响到端面光洁度，比如真空度反弹，就会使得镀膜面发雾，反射率会大打折扣。
反射膜牢固度：有一个好的端面光洁度是膜层牢固度的基础，加上稳定的镀膜工艺，才能保证膜层的牢固度。
镀膜区域控制：光纤的斜面镀金属反射膜，需要控制金属膜不能镀到光纤侧面，不然反射光路会被挡住，所以需要控制好镀膜工艺，和镀膜工装的设计，才能减少光纤侧面漏膜发生。
图9：金属反射率曲线示意图
单斜面光纤反射输出光斑的特性：
我们从侧面光路图和正面光路图，可以看到，通过斜面反射的光，经过光纤侧面出射，平行于光纤侧面方向，光路是缓慢发散的，垂直于光纤侧面方向，光路是先有一个汇聚再进行比较快速的发散。
图10：单斜面光纤-几何光路示意图
我们经过对比单模光纤smf-28e和多模光纤105/125发现，单模光纤经过斜面反射后的光斑，保持有高斯分布的特性，且光斑能量分布接近圆形。多模光纤的反射光斑，保持多模特性，光斑能量部分呈长椭圆形。
图11：单模多模单斜面光纤-光斑对比示意图
斜8度单斜面：可以有效防止回返光打到芯片。
图1：斜8度单斜面光纤示意图
不过需要注意的是，把单模光纤端面磨成斜8度时，会导致入射光轴与光纤光轴不同轴，这时需要将芯片倾斜3.64°来摆放，来校正不同轴问题。具体由折射率计算公式推导而得：
n1sinθ1=n2sinθ2
sinθ1=1.45*sin8=0.2018
θ1=11.64°
图2：斜8度单斜面光纤-光路示意图
从上方公式可计算出，入射光夹角=11.64°。芯片倾斜角=11.64-8=3.64°。
斜45度单斜面：可以使光路发生90度转向。
图3：斜45度单斜面光纤示意图
但是我们在实际应用中，发现斜45度单斜面出射的光路会有两条，这是什么回事呢？
图4：斜45度单斜面光纤未镀铝膜-光路示意图
要理解这个现象，我们需要先知道全反射临界角公式：sinC = n2 / n1（n2出射折射率，n1入射折射率），我们以出射介质是空气为例；sinC=1/1.145,C=43.6°，这么看来，45°的入射角大于43.6°的全反射临界角了，会发生全反射。
图5：斜45度单斜面光纤-理论光路示意图
但是不要忘了，激光在光纤中传播的路径不是直的，是带有一定角度的，这个角度取决于光纤的NA，这就意味着有一部分光的入射角要小于43.6°，这部分光会发生折射（透射）。当然还有一种情况就是出射折射率发生变化，例如，需要把光纤头放到水中，水的折射率大概是1.33，我们带入公式发现，如果要发生全反射，入射角大于66.5°的才发生全反射。
图6：斜45度单斜面光纤-实际应用光路示意图
这时就需要我们在斜面上镀一层反射膜，这层反射膜，要对光的入射角度不敏感，对出射介质折射率不敏感，镀上这层反射膜后，光纤端面只会有一束反射光。
这种对光的入射角度不敏感，对出射介质折射率不敏感的反射膜，就是金属反射膜，金属反射膜，是一种全波段反射膜，从400nm到2000nm以上，都是高反射的。
图7：单斜面光纤镀铝膜-光路示意图
各反射膜材料的特性。
图8：金属反射率曲线示意图
下面我们列出了金、银、铝三种金属反射膜，0度入射和40度入射时的反射率曲线对比，从反射率曲线看，银反射膜，反射率最好，金反射膜其次，铝较差。
银反射膜：在可见光到红外区都有很高的反射率，而且对倾斜入射的光，引起的偏振效应最小，但是银与玻璃的黏附性很差，且容易受到硫化物影响失去光泽，所以银膜一般适用于短期高反射率，或内反的使用的场景。
金反射膜：在红外区有较高反射率，同时对倾斜入射光的偏振效果也较小，金和玻璃的黏附性较差，需要先在玻璃表面镀一层铬作为衬底，再加上沉积过程，辅之以离子源轰击，能显著提升金膜与基体的附着力，金膜比较软，容易损坏，所以常常在其外表面镀一层保护膜，镀了保护膜后，反射率会有所下降，保护膜的折射率越高，反射率下降得越多，所以保护膜材料的选择也很重要，金反射膜一般应用于红外波段反射镜。
铝反射膜：铝是唯一一种可以从紫外到红外都具有较高反射率的材料，铝和玻璃基体的附着力相对较好，不过金属铝比较活跃，虽然金属铝被氧化后形成的氧化铝可以很好保护铝膜继续氧化，但是金属铝膜一般比较薄只有几百个纳米，很容易全部氧化，而且有的金属铝膜做外反使用，如果外表面被氧化，反射率会直线下降，所以金属铝膜外表面一般也要镀一层保护膜。
银、金、铝膜特性各异，但是金属铝是最便宜的，且各方面性能比较均衡，所以金属铝反射膜是应用最广泛的。
金属铝反射膜镀膜加工注意事项
单斜面加工工艺中，斜面研磨角度公差、端面光洁度、反射膜牢固度、镀膜区域控制，这些参数都非常重要。
角度公差：要考虑研磨夹具，转动角度误差，研磨夹具与磨盘夹角误差，光纤自身弹性弯曲造成的误差。
端面光洁度：通过研磨抛光工艺把端面研磨抛光平整光滑，再通过端面清洁工艺把端面脏污清洁干净，镀膜机台的稳定性也会影响到端面光洁度，比如真空度反弹，就会使得镀膜面发雾，反射率会大打折扣。
反射膜牢固度：有一个好的端面光洁度是膜层牢固度的基础，加上稳定的镀膜工艺，才能保证膜层的牢固度。
镀膜区域控制：光纤的斜面镀金属反射膜，需要控制金属膜不能镀到光纤侧面，不然反射光路会被挡住，所以需要控制好镀膜工艺，和镀膜工装的设计，才能减少光纤侧面漏膜发生。
图9：金属反射率曲线示意图
单斜面光纤反射输出光斑的特性：
我们从侧面光路图和正面光路图，可以看到，通过斜面反射的光，经过光纤侧面出射，平行于光纤侧面方向，光路是缓慢发散的，垂直于光纤侧面方向，光路是先有一个汇聚再进行比较快速的发散。
图10：单斜面光纤-几何光路示意图
我们经过对比单模光纤smf-28e和多模光纤105/125发现，单模光纤经过斜面反射后的光斑，保持有高斯分布的特性，且光斑能量分布接近圆形。多模光纤的反射光斑，保持多模特性，光斑能量部分呈长椭圆形。
图11：单模多模单斜面光纤-光斑对比示意图
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