CN109459824B

CN109459824B - 能够提高单模光纤空间光耦合效率的两级空间光耦合装置

Info

Publication number: CN109459824B
Application number: CN201811337276.3A
Authority: CN
Inventors: 倪小龙; 陈纯毅; 于信; 姚海峰; 刘智
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2038-11-12
Also published as: CN109459824A

Abstract

能够提高单模光纤空间光耦合效率的两级空间光耦合装置属于自由空间光通信技术领域。现有技术耦合效率低。本发明沿光入射方向初级汇聚透镜、多模光纤、大数值孔径变折射率透镜、小数值孔径变折射率透镜依次同轴排列；初级汇聚透镜、多模光纤、大数值孔径变折射率透镜的数值孔径相等或者依次增大；多模光纤的入射端面位于初级汇聚透镜像方焦点，出射端面位于大数值孔径变折射率透镜物方焦点；大数值孔径变折射率透镜的出射镜面与小数值孔径变折射率透镜的入射镜面相抵；大数值孔径变折射率透镜的折射率递减速率高于小数值孔径变折射率透镜；多模光纤的多模插芯、大数值孔径变折射率透镜、小数值孔径变折射率透镜的外径相同，与套管内壁静配合。

Description

能够提高单模光纤空间光耦合效率的两级空间光耦合装置

技术领域

本发明涉及一种能够提高单模光纤空间光耦合效率的两级空间光耦合装置，属于自由空间光通信技术领域。

背景技术

自由空间光通信(Free Space Optical Communication，FSOC)是一种以光为信号载体，在自由空间实现语音、图像等数据信息无线传输的通信技术。具有通信速率高、通信容量大、抗干扰能力强、抗截获能力强、体积小、重量轻以及功耗低的优点，具有广泛的应用前景。为了更好的提升自由空间光通信性能和设计灵活性，降低自由空间光通信系统的体积和重量，在空间光通信系统中越来越多地采用了很多成熟的光纤通信的现有技术和设备。这也引入了一个新的问题，如何将更多的光耦合到单模光纤中，也就是如何提高耦合效率，这成为自由空间光通信领域的关键技术之一。

分离透镜耦合法是一种现有单模光纤空间光耦合方法，该方法的特点是光纤与组成光纤耦合系统的各光学元件彼此相互独立。单透镜耦合方法是一种常见的分离透镜耦合法，光纤端面位于单透镜焦点上，单透镜将光汇聚到光纤端面上，实现光耦合。但是，单透镜本身必然会存在多种像差，如球差等，耦合效率势必降低，即使不考虑大气环境影响，耦合效率也仅10％左右。分离透镜耦合法的另外一种情形是多透镜组合，这种方案能够大幅消减系统像差，进而提高耦合效率，但是，依然要求光纤端面精确安装于系统焦点处。即使采取多透镜组合，在实际工程应用中，由于装调、环境温度以及重力等方面的原因，光纤端面相对于系统焦点总会存在偏移，耦合效率的提高也是有限的。如果再将大气环境影像考虑进来，当光束在大气中传输时，大气湍流所引起的光束相位畸变及光纤端面的随机抖动，耦合效率会进一步降低，在实际应用中，耦合效率只在10^-3量级上，可见，问题十分严重。

为了提高耦合效率，专利申请号为201510003489.2的一篇专利文献公开了一项名称为“一种克服大气湍流的空间激光束光纤耦合效率优化方法”的方案。该方案采用自适应光学的方法在单模光纤耦合系统中增加快速反射镜和相位控制器，优化调整耦合位置和角度，并补偿大气湍流和系统静态像差带来的光束波前畸变，提高光束能量集中度，提高耦合效率。尽管如此，该方案还是有其不足，由于自适应光学系统的加入，需额外增设快速反射镜和相位控制器等部件，不仅系统结构因而变得十分复杂，而且也正如业内人所共知，快速反射镜、相位控制器价格十分昂贵，耦合装置整体的体积、重量、能耗均增加很多。

发明内容

为了大幅度提高单模光纤空间光耦合效率，同时耦合装置还应当具有结构简单、体积小、重量轻、能耗低、成本低的特点，我们发明了一种能够提高大气环境单模光纤空间光耦合效率的光耦合单元。

本发明之能够提高单模光纤空间光耦合效率的两级空间光耦合装置其特征在于，如图1所示，沿光入射方向初级汇聚透镜1、多模光纤2、大数值孔径变折射率透镜3、小数值孔径变折射率透镜4依次同轴排列；初级汇聚透镜1的数值孔径等于或者小于多模光纤2的数值孔径，多模光纤2的入射端面位于初级汇聚透镜1像方焦点，多模光纤2的出射端面位于大数值孔径变折射率透镜3物方焦点；大数值孔径变折射率透镜3的数值孔径等于或者大于多模光纤2的数值孔径，大数值孔径变折射率透镜3的出射镜面与小数值孔径变折射率透镜4的入射镜面相抵；大数值孔径变折射率透镜3及小数值孔径变折射率透镜4的折射率均自中心至边缘递减，且大数值孔径变折射率透镜3的折射率递减速率高于小数值孔径变折射率透镜4的折射率递减速率；多模光纤2的出射端套有多模插芯5；多模插芯5、大数值孔径变折射率透镜3、小数值孔径变折射率透镜4的外径相同，多模插芯5、大数值孔径变折射率透镜3、小数值孔径变折射率透镜4的外壁与套管6内壁静配合，套管6的材质为透紫外光学玻璃；或者，由球镜7替换小数值孔径变折射率透镜4，如图2所示，球镜7的直径与多模插芯5、大数值孔径变折射率透镜3的外径相同。

所述本发明各项特征能够产生以下积极效果。

将本发明用于单模光纤空间光耦合时，将入射端套有单模插芯8的单模光纤9插入套管6，如图1、图2所示，单模光纤9的入射端面位于小数值孔径变折射率透镜4或者球镜7的焦点处，单模光纤9的数值孔径值等于或者大于小数值孔径变折射率透镜5或者球镜7的数值孔径，单模插芯8的外壁与套管6内壁过渡配合，单模插芯8的外壁涂有光固化胶，紫外光透射套管6使光固化胶固化，实现单模光纤9在套管6内的精确、牢固安装。

一、两级耦合

第一级耦合发生在初级汇聚透镜1和多模光纤2之间。多模光纤2的芯径为100μm左右，而单模光纤9的芯径很小，通常仅为10μm左右，也就是说，多模光纤2的入射端面面积大约是单模光纤9的入射端面面积的100倍，因此，第一级耦合既容易又高效。第二级耦合发生在由大数值孔径变折射率透镜3和小数值孔径变折射率透镜4或者球镜7构成的组合耦合器件与单模光纤9之间。多模光纤2的出射端面位于大数值孔径变折射率透镜3物方焦点意味着多模光纤2的出射端面与大数值孔径变折射率透镜3入射镜面中心相抵，在这一环节，光能几乎100％传入大数值孔径变折射率透镜3。大数值孔径变折射率透镜4能够将来自多模光纤2从各个方向入射的光能在其数值孔径内准直输出，再由小数值孔径变折射率透镜4或者球镜7高度汇聚于出射镜面焦点，对于小数值孔径变折射率透镜4来说，就是出射镜面中心，而单模光纤9的入射端面就位于该焦点，完成第二次耦合。

二、数值孔径匹配

在三个耦合环节实行数值孔径匹配，一是初级汇聚透镜1与多模光纤2之间；二是多模光纤2与大数值孔径变折射率透镜3之间；三是小数值孔径变折射率透镜4或者球镜7与单模光纤9之间。初级汇聚透镜1、多模光纤2、大数值孔径变折射率透镜3的数值孔径相等或者依次增大，小数值孔径变折射率透镜4或者球镜7、单模光纤9的数值孔径相等或者依次增大，如此可最大程度地将更多的光能在器件间耦合，整体耦合效率得到提高。

三、器件位置精确固定

多模光纤2的出射端由多模插芯5固持并嵌入套管6一端，单模光纤9的入射端由单模插芯8固持并嵌入套管6另一端，大数值孔径变折射率透镜3、小数值孔径变折射率透镜4或者球镜7也都嵌入套管6中，均安装到位且固定，尽管在球镜7与大数值孔径变折射率透镜3、单模光纤9之间存在空气介质，但不存在湍流，光能得以按设计光路高效传播，提高了耦合效率。

最终，本发明之光耦合装置的耦合效率可达到65％(由球镜7替换小数值孔径变折射率透镜4，耦合效率为52％)。同时，相比于现有“一种克服大气湍流的空间激光束光纤耦合效率优化方法”之方案，本发明之光耦合装置结构简单、体积小、重量轻、能耗低、成本低，其中以球镜7替换小数值孔径变折射率透镜4能够进一步降低成本。

附图说明

图1、图2是本发明之能够提高单模光纤空间光耦合效率的两级空间光耦合装置结构及耦合工作状态剖视示意图，其中图1同时作为摘要附图，在图2中，只是以球镜替换小数值孔径变折射率透镜。图3、图4是本发明之能够提高单模光纤空间光耦合效率的两级空间光耦合装置结构立体示意图，在图4中，只是以球镜替换小数值孔径变折射率透镜。

具体实施方式

如图1、图3所示，本发明之能够提高单模光纤空间光耦合效率的两级空间光耦合装置沿光入射方向初级汇聚透镜1、多模光纤2、大数值孔径变折射率透镜3、小数值孔径变折射率透镜4依次同轴排列。

初级汇聚透镜1为非球面透镜，以减小像差，减小聚焦到多模光纤2入射端面的光斑直径，提高光从初级汇聚透镜1进入多模光纤2的耦合效率；初级汇聚透镜1直径为20mm，有效焦距60mm，数值孔径0.15。

多模光纤2芯径为105μm，数值孔径0.22，包层厚0.9mm；多模光纤2的入射端面位于初级汇聚透镜1像方焦点，多模光纤2的出射端面位于大数值孔径变折射率透镜3物方焦点。

大数值孔径变折射率透镜3的数值孔径为0.25，截距0.29，直径2.5mm；大数值孔径变折射率透镜3的出射镜面与小数值孔径变折射率透镜4的入射镜面相抵。

小数值孔径变折射率透镜4的数值孔径为0.11，截距0.60，直径2.5mm。

大数值孔径变折射率透镜3及小数值孔径变折射率透镜4的折射率均自中心至边缘递减，且大数值孔径变折射率透镜3的折射率递减速率高于小数值孔径变折射率透镜4的折射率递减速率。

多模光纤2的出射端套有多模插芯5；多模插芯5直径2.5mm。

套管6的材质为硼硅玻璃；套管6内径2.5mm，外径3.5mm。

多模插芯5、大数值孔径变折射率透镜3、小数值孔径变折射率透镜4的外壁与套管6内壁静配合。

或者，由球镜7替换小数值孔径变折射率透镜4，如图2、图4所示，球镜7的直径2.5mm；球镜7与大数值孔径变折射率透镜3的间离为2mm，材质为蓝宝石。与自聚焦透镜相比，球镜能够进一步提高耦合效率，且结构简易、加工容易、制作成本低；还有就是装配要求较低，不需要精密校准。

初级汇聚透镜1的两个镜面、多模光纤2的两个端面、大数值孔径变折射率透镜3的出射镜面、小数值孔径变折射率透镜4的入射镜面、球镜7表面均镀有1550nm波长增透膜，反射率小于0.5％。多模光纤2的两个端面的增透膜的入射角度范围为±45°。

单模光纤9入射端套有单模插芯8，单模插芯8直径2.5mm；单模光纤9芯径9μm，包层厚0.9mm；单模光纤9入射端面镀有1550nm波长增透膜，反射率小于0.5％；单模光纤9数值孔径0.13。将本发明用于单模光纤空间光耦合时，将入射端套有单模插芯8的单模光纤9插入套管6，如图1～4所示，单模光纤9的入射端面位于小数值孔径变折射率透镜4或者球镜7的焦点处，单模插芯8的外壁与套管6内壁过渡配合，单模插芯8的外壁涂有光固化胶，紫外光透射套管6使光固化胶固化，实现单模光纤9在套管6内的精确、牢固安装。

Claims

1.一种能够提高单模光纤空间光耦合效率的两级空间光耦合装置，沿光入射方向初级汇聚透镜（1）、多模光纤（2）、大数值孔径变折射率透镜（3）、小数值孔径变折射率透镜（4）依次同轴排列；初级汇聚透镜（1）的数值孔径等于或者小于多模光纤（2）的数值孔径，多模光纤（2）的入射端面位于初级汇聚透镜（1）像方焦点，多模光纤（2）的出射端面位于大数值孔径变折射率透镜（3）物方焦点；大数值孔径变折射率透镜（3）的数值孔径等于或者大于多模光纤（2）的数值孔径，大数值孔径变折射率透镜（3）的出射镜面与小数值孔径变折射率透镜（4）的入射镜面相抵；大数值孔径变折射率透镜（3）及小数值孔径变折射率透镜（4）的折射率均自中心至边缘递减，且大数值孔径变折射率透镜（3）的折射率递减速率高于小数值孔径变折射率透镜（4）的折射率递减速率；多模光纤（2）的出射端套有多模插芯（5）；多模插芯（5）、大数值孔径变折射率透镜（3）、小数值孔径变折射率透镜（4）的外径相同，多模插芯（5）、大数值孔径变折射率透镜（3）、小数值孔径变折射率透镜（4）的外壁与套管（6）内壁静配合，套管（6）的材质为透紫外光学玻璃；其特征在于，初级汇聚透镜（1）为非球面透镜，直径为20mm，有效焦距60mm，数值孔径0.15；多模光纤（2）芯径为105μm，数值孔径0.22，包层厚0.9mm；大数值孔径变折射率透镜（3）的数值孔径为0.25，截距0.29，直径2.5mm；小数值孔径变折射率透镜（4）的数值孔径为0.11，截距0.60，直径2.5mm；多模插芯（5）直径2.5mm；套管（6）的材质为硼硅玻璃，套管（6）内径2.5mm，外径3.5mm。