CN101408645B

CN101408645B - 椭圆光斑光纤准直器及其应用

Info

Publication number: CN101408645B
Application number: CN2008102032868A
Authority: CN
Inventors: 吴亚明; 黄占喜
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2028-11-25
Also published as: CN101408645A

Abstract

本发明涉及一种椭圆光斑的光纤准直器(collimator)。其特征在于：(1)光纤准直器的出射光斑为椭圆形光斑，即在两个垂直方向上的光斑半径不相等；(2)光纤准直器的准直透镜包含柱面，将圆形光斑变成椭圆光斑；(3)准直透镜表面镀增透膜以增加回波损耗；(4)输入光纤可以为单光纤，也可以为双光纤，分别构成单光纤椭圆光斑锁定准直器和双光纤椭圆光斑准直器。利用此种准直器构成的MEMS光衰减器、光开关以及椭圆光斑的2×2开关，使微镜的移动行程大大缩短，适应MEMS光器件的要求，同时该准直器还可以应用于MEMS光纤传感器。

Description

椭圆光斑光纤准直器及其应用

技术领域

本发明涉及一种椭圆光斑光纤准直器，采用带有柱面的G-lens或C-lens与光纤耦合，并固定在一个套筒中。本发明属于光通信器件和光纤传感领域。

背景技术

目前的光纤准直器多数采用G-lens或C-lens与光纤耦合，如图1和图2所示。其出射高斯光束的束腰半径在200μm～300μm之间，光斑为圆形。这种常规结构的光纤准直器可以达到较低的插入损耗(<0.25dB)和较高的回波损耗(>60dB)，但其出射光束的光斑较大，在光开关、光衰减器中要求驱动元件的尺寸和行程也较大(通常是机械元件)。

随着微光机电系统(MOEMS)技术的发展，微机电系统(MEMS)光器件正逐渐应用到光通信和光纤传感领域。MEMS光器件以其批量化生产、低成本、小体积、低功耗、高速度等优点受到越来越多的关注。但是MEMS驱动器的移动行程有限，通常为几微米到几十微米。MEMS光器件与光纤耦合一般有两种方式：直接耦合方式和准直器耦合方式。

直接耦合方式的MEMS光器件是采用光纤与MEMS驱动元件直接对准耦合。由于光纤出射光束为光斑半径较小(如单模光纤的出射光斑半径为5左右)的发散光束，所以器件的耦合损耗较大(通常大于1dB)，且随着两根耦合光纤间距离的增加插入损耗急剧增大，严重限制了工作距离。

准直器耦合方式的MEMS光器件是先将光纤出射光束用准直器准直，在用准直器和MEMS驱动元件进行对准耦合。这种方式的插入损耗可以达到较小的插入损耗和较大的工作距离。但是因为出射光束的光斑半径较大，所需的MEMS驱动元件的行程和尺寸也较大，例如要操作光斑半径200～300微米的光束，平动微镜其行程和镜面直径要求达到1毫米左右，显然这对于MEMS技术而言是非常困难的。

如何既能减小光器件的插入损耗又能缩小对MEMS驱动器行程的要求，对MEMS光器件和光传感器技术的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于：设计了一种准直透镜(即带柱面的G-lens或C-lens)，使准直器的出射光束的光斑变为椭圆形。从而使得光束一个方向的束腰半径减小，另一方向的束腰半径不变，如图3所示。这样，在不改变插入损耗和回波损耗的情况下有效的减小了光斑一个方向上的尺寸。这种结构的准直器尤其适用于MEMS光器件和光传感器。

本发明通过G-lens和C-lens两种方式实施，具体方法如下：

1、采用G-lens方式：选取常规的G-lens，把靠近光纤的一个端面加工成倾斜光学面(减回波反射，角度一般为4度，6度或8度)，另一个端面加工成柱面，并在两个端面镀增透膜。然后将其和光纤尾纤安装到石英套筒或玻璃制的套筒中，适当调节后用胶固定，如图4所示。出射光束的光斑在两个垂直的方向上光斑半径不同。一个方向上的光斑半径为200μm～300μm，另一个方向上的光斑半径被大大压缩(几微米到几十微米)。

2、采用C-lens方式：选取常规的C-lens，将其靠近光纤的一个平面的端面加工成柱面并镀增透膜，另一端面加工成球面，然后将其和光纤尾纤安装到石英套筒或玻璃制的套筒中，适当调节后用胶固定，如图5所示。出射光束的光斑在两个垂直的方向上光斑半径不同。一个方向上的光斑半径为200～300微米，另一个方向上的光斑半径被大大压缩(几微米到几十微米)。

依光纤为单光纤或双光纤则所述的光斑光纤准直器可分为单光纤光斑光纤准直器或双光纤光斑光纤准直器。双光纤光斑光纤准直器的两根光纤的排列方式为两根光纤光轴所在平面必须平行于柱面的母线或垂直于柱面的母线。利用此种准直器构成的MEMS光衰减器、光开关以及椭圆光斑的2×2开关，使微镜的移动行程大大缩短，适应MEMS光器件的要求，同时该准直器还可以应用于MEMS光纤传感器。

由于所述的光纤光斑光纤准直器存在两个不同的方向，准直器在使用时与圆光斑准直器不同。带有柱面的G-lens或光纤耦合时的耦合损耗对准直器与准直器，准直器与微镜放置的位置和距离较为敏感。

所述的光斑光纤准直器的微准直透镜表面镀增透膜，减小反射损耗，增大回波损耗。微准直透镜靠近光纤的端面可以为倾斜光学面。

附图说明

图1是一种常规结构的G-lens光纤准直器结构示意图。

图2是一种常规结构的C-lens光纤准直器结构示意图。

图3(a)是常规光纤准直器出射光束的光斑示意图，其光斑半径ωx＝ωy；(b)是本发明的光纤准直器出射光束的光斑示意图，其光斑半径ωx>ωy；(c)是本发明的光纤准直器出射光束的光斑示意图，其光斑半径ωx<ωy。

图4是本发明采用带柱面的G-lens单光纤准直器的结构示意图。(a)主视图，(b)左视图。

图5是本发明采用带柱面的C-lens单光纤准直器的结构示意图。(a)主视图，(b)左视图。

图6是本发明采用带柱面的G-lens双光纤准直器的结构示意图(a)主视图，(b)左视图。

图7是本发明采用带柱面的C-lens双光纤准直器的结构示意图。(a)主视图，(b)左视图。

图8是利用本发明的双光纤椭圆光斑准直器制作的2×2光开关结构示意图。

图9是利用本发明的双光纤椭圆光斑准直器制作的光衰减器结构示意图。

图10是利用本发明的双光纤椭圆光斑准直器制作的光纤位移传感器示意图。

图中：1—光纤；2—毛细管；3—减反射斜面；4—套筒；5—渐变折射率材料；6—均匀折射率材料；7—球面；8—柱面。

具体实施方式

实施例1 G-lens椭圆光斑单光纤准直器：如图4所示，选取常规的G-lens，把一个个端面加工成斜面(减回波反射，角度一般为4度，6度或8度)，另一个端面加工成柱面，并在两个端面镀增透膜。然后将其和单光纤尾纤安装到特制的套筒(石英套筒或玻璃套筒)中，适当调节后用胶固定。

实施例2 C-lens椭圆光斑单光纤准直器：如图5所示，选取常规的C-lens，将其平面的端面加工成柱面并镀增透膜。然后将其和单光纤尾纤安装到特制的套筒(石英套筒或玻璃套筒)中，适当调节后用胶固定。

实施例3 G-lens椭圆光斑双光纤准直器：如图6所示，选取常规的G-lens，把两个端面分别加工成斜面(减回波反射角一般为4度，6度或8度)和柱面并镀增透膜。然后将其和双光纤尾纤安装到特制的套筒(石英套筒或玻璃套筒)中，适当调节后用胶固定。

实施例4 C-lens椭圆光斑双光纤准直器：如图7所示，选取常规的C-lens，将其平面的端面加工成柱面并镀增透膜。然后将其和双光纤尾纤安装到特制的套筒(石英套筒或玻璃套筒)中，适当调节后用胶固定。

实施例5 双光斑椭圆光斑准直器的2×2光开关：如图8所示，将2个双光纤椭圆光斑准直器装配耦合，调节相对位置是其插入损耗最小；然后在准直器出射光束的束腰处插入MEMS微镜(微镜的驱动方向为椭圆光斑束腰较小的方向)。当微镜完全挡住光束时，端口1和端口2导通，端口3和端口4导通；当微镜移出光束范围(不遮挡光束)时：端口1和端口3导通，端口2和端口4导通。这样就构成了一个2×2光开关。(另案申请)

实施例6 椭圆光斑光衰减器：如图9所示，将一个MEMS微镜放置在一个双光纤椭圆光斑准直器出射光束的束腰处，微镜的驱动方向为椭圆光斑束腰较小的方向；输入信号由输入光纤入射，经过微镜的反射耦合到输出光纤；通过驱动可以改变微镜的位置而改变微镜遮挡光束的面积。输出信号的强度与输入信号的强度和微镜的位置有关，因此可以通过改变微镜的位置来改变输出信号的强度，实现衰减器的功能。

实施例7 椭圆光斑位移传感器：如图10所示，将一个MEMS微镜放置在一个双光纤椭圆光斑准直器出射光束的束腰处，微镜的敏感移动方向为椭圆光斑束腰较小的方向；参考信号由参考输入光纤入射，经过微镜的反射耦合到信号检测光纤；微镜的位置可以改变会改变微镜遮挡光束的面积；信号检测光纤输出信号的强度与参考信号的强度和微镜的位置有关，因此可以通过输出信号和参考信号的强度比较得到微镜的位移，实现位移传感器的功能。

Claims

1.一种椭圆光斑光纤准直器，其特征在于所述的光斑光纤准直器为采用带有柱面的G-lens或C-lens与光纤的耦合而成，其中，

(a)光斑光纤准直器的出射光束的光斑为椭圆形，

(b)微准直透镜的一个端面为柱面，

(c)光纤和微准直透镜安装在一个套筒中；

(d)所述的微准直透镜是采用下述两种结构中的任一种：

①将常规的G-lens的靠近光纤的端面加工成倾斜光学面，另一端面加工成柱面；

或②将常规的C-lens的靠近光纤的端面加工成柱面，另一端面加工成球面。

2.按权利要求1所述的椭圆光斑光纤准直器，其特征在于所述的光斑光纤准直器为单光纤椭圆光斑准直器或双光纤椭圆光斑准直器。

3.按权利要求1所述的椭圆光斑光纤准直器，其特征在于(d)两种结构①中的倾斜光学面的倾斜角度为4度、6度或8度。

4.按权利要求2所述的椭圆光斑光纤准直器，其特征在于双光纤椭圆光斑准直器的两根光纤的排列方式为两根光纤光轴所在平面平行于柱面的母线或垂直于柱面的母线。

5.按权利要求1所述的椭圆光斑光纤准直器，其特征在于所述的套筒为石英套筒或玻璃套筒。

6.按权利要求1所述的椭圆光斑光纤准直器，其特征在于所述的柱面是直接在G-lens或C-lens的一个端面上加工形成，或是通过将微小柱镜胶合后安装到G-lens或C-lens上所形成。

7.按权利要求1所述的椭圆光斑光纤准直器，其特征在于出射光束的光斑在两个垂直方向上光斑半径不同；一个方向上光斑半径为200μm-300μm，另一个方向上的光斑半径为几微米到几十微米。

8.按权利要求1所述的椭圆光斑光纤准直器的应用，其特征在于用作椭圆光斑2×2开关、椭圆光斑衰减器或椭圆光斑位移传感器。