CN101556355A - 光学星形耦合器 - Google Patents

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Abstract

提出了一种基于塑料光学纤维(POF)的反射式星形耦合器(200)。所述基于POF的反射式星形耦合器包括中空柱状保持管(210)，用于在该保持管(210)前端接收多支塑料光学纤维(POF)(201－207)，并在该保持管(210)后端(210B)接收混合杆(220)；其中每支塑料光学纤维的后端粘结到所述混合杆(220)的前表面(220A)，所述混合杆(220)的凸后表面(220D)以高反射涂层涂覆，形成凸反射表面，所述塑料光学纤维(201－207)、混合杆(220)和保持管(210)用折射系数和材料属性类似的材料制成。

Description

光学星形耦合器
技术领域
本发明一般涉及光学设备，更特别涉及光学星形耦合器。
背景技术
包括军用飞行器在内的飞行器和太空船逐渐在通信、武器和其他系统中采用光学纤维。光学星形耦合器(star coupler)形成了光学传输网络整体的一部分。
星形耦合器是获取输入信号并将其分成相等的输出信号的设备。传统星形耦合器通常采用玻璃光学纤维(GOF)。在基于塑料光学纤维的数据网络架构中使用基于这种GOF的星形耦合器并不有效。在网络架构中使用直径、光学特性和折射系数不同的不同材料，即塑料光学纤维(POF)和玻璃纤维，导致耦合损失较大。为了保证优化耦合效率，优选数据网络架构采用由光学特性和折射系数密切匹配的类似材料制成的纤维和耦合器。
由于GOF和POF物理和材料特性方面的差异，制造基于GOF的星形耦合器的方法不能用来制造基于POF的耦合器。正在不断地努力优化星形耦合器并降低其成本。
发明内容
在一种实施方式中，提出了一种基于塑料光学纤维(POF)的反射式星形耦合器。基于POF的反射式星形耦合器包括中空柱状保持管，用于在其前端接收多支塑料光学纤维(POF)并在其后端接收混合杆，其中每支POF的后端附加到混合杆的前表面，混合杆的凸后表面抛光并以高反射材料涂覆，形成凸反射表面，且其中的POF、混合杆和保持管用折射系数和材料属性类似的材料制成。
在另一种实施方式中，提出了一种制造反射式星形耦合器的方法。该方法包括：将多支塑料光学纤维(POF)插入保持管；形成混合杆，并将其后表面抛光，以高反射材料涂覆混合杆的后表面；在保持管内将每支塑料光学纤维的后端与混合杆的前表面粘结；用环氧树脂将POF和混合杆粘结到保持管内侧；并将具有粘结的POF和混合杆的保持管封闭在气密密封的包装件中。
提供该简要总结是为了更快速地理解本发明的本质。结合附图，参照本发明各种实施方式的详细说明，可以更为完整地理解本发明。
附图说明
以下将参照附图和各种实施方式说明前述特征和其他特征。在附图中，相同的部件具有相同的附图标记。所示的实施方式旨在说明而非限制本发明。附图包括以下附图：
图1是基于玻璃光学纤维的星形耦合器的示意性结构；
图2A是根据一种实施方式的光学星形耦合器的部件的分解视图；
图2B是根据一种实施方式的基于塑料光学纤维(POF)的星形耦合器的示意性截面图；
图2C示出了图2B所示光学星形耦合器的侧视平面图；
图3示出了用来测试经由本发明的光学星形耦合器传输的信号强度的实验配置；和
图4示出了根据一种实施方式制备光学星形耦合器的过程的流程图。
具体实施方式
在以下的详细说明中，参照附图说明了本发明的实施方式。在附图中，本发明实施方式的元件以附图标记标出，这些附图标记在讨论相应的特征时重复使用。
为了便于理解光学星形耦合器，先说明星形耦合器的概述。本发明的光学星形耦合器的具体部件则参照星形耦合器的一般结构进行说明。
图1示出了采用基于玻璃的光学纤维的传统星形耦合器100。星形耦合器100通过熔融多支玻璃光学纤维(GOF)(110-119)而制造。这些GOF的后端以高温熔合在一起，形成混合部分130。反射件140安装在混合部分130的前端。每支GOF(110-119)的前端连接到纤维连接件(110A-119A)。一支GOF(例如，110)接收的输入信号(例如101A)，通过连接件110A，经过混合部分130传播，然后被反射件140反射。反射信号经过混合部分130，作为需要的输出信号在剩下的光学纤维(例如，111......119)中分布。
如上所述，在以塑料光学纤维为基础的数据网络架构中使用这种基于GOF的星形耦合器并不有效。由于GOF和POF的物理和材料特性差异，制作基于GOF的星形耦合器的方法可能无法制造基于POF的耦合器。
本发明提出了一种基于塑料光学纤维(POF)的光学耦合器(也称为反射式星形耦合器)，其有效地应用于基于POF的网络架构中。本发明还提出了一种制造基于POF的反射式星形耦合器的方法。
塑料光学纤维(也称为“POF或”POFs”)，展现出较高的透射能力，具有优良的抗电磁干涉(EMI)噪声性能，重量轻，机械强度高，且柔性出色。由于具有这些特性，POF用在数据通信中，以及装饰、照明和类似的工业应用中。POF的直径也比GOF大。由于直径较大，所以POF对于纤维失准而言，较之GOF具有更大的容差。由于失准容差较大，所以基于POF的光学纤维网络维护和安装成本较低。在航天平台上，POF也大大降低了用在航空电子网络中的连接件和发射接收器部件的成本。
图2A示出了反射式星形耦合器200结构的分解视图。反射式星形耦合器200包括中空柱状保持管210，该保持管接收多个POF201-207；和混合杆220，混合杆一端带有高反射涂层，形成凹面反射镜220D以反射输入信号，以下将详细说明。多支POF201-207附加到混合杆220的前表面220A。POF201-207可以用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制造。输入信号220A进入POF(例如，211)，通过混合杆220传播，并被凹面反射镜220D反射。
中空柱状保持管210包括前端210A和后端210B。多支POF插入保持管210的前端210A。保持管210由与POF特性类似的UV(紫外线)透明材料制造。在一种实施方式中，保持管210用氧氮化铝(AlON)制造。AlON具有优良的耐用性和机械强度，并适合用在极端航天环境中。应该理解，与AlON呈现类似属性的材料也可以替代地用来制造保持管210。
POF(201-207)紧紧包装在保持管210内，以便纤维之间的空隙最小(参见图2C)。POF(201-207)之间的紧密配合确保了光学信号的传播中损失最小。包装在保持管210内的POF(201-207)的数目取决于所用纤维的直径和保持管210的直径。在一种实施方式中，直径为3mm的保持管210可以优化地保持7支直径为1mm的POF。
每支POF(201-207)包括前端(201A-207A)和后端(201B-207B)。每支POF(201-207)的前端(201A-207A)终止于纤维连接件(211-217)，纤维连接件有利于从反射式星形耦合器200接收信号或向其传输信号，以连接到其他POF、光源或接收器、测试设备等。
包装在保持管210内的POF201-207的后端201B-207B附加到混合杆220的前表面220A。混合杆220从保持管210后端210B插入。混合杆220也用与保持管210内径尺寸类似的塑料光学纤维材料制造。混合杆220也可以是PMMA纤维。在一种实施方式中，混合杆220约为14cm长，直径为3mm。混合杆220能使输入和输出信号均匀混合。混合杆220的长度与保持管210、POF(201-207)以及反射式星形耦合器200的最终配置成比例。
混合杆的后表面220B抛光并以高反射涂层涂覆。在一种实施方式中，后表面220B以介电基或金属基涂层涂覆。表面220B上的反射式涂层提供了凹面反射镜220D，用于反射输入信号200A。混合杆220后表面220B上的高反射涂层确保了星形耦合器的光线(或信号)泄漏最少或没有泄漏。
混合杆220的外边缘220C粘结到保持管210的内表面210C。传统粘结剂，诸如环氧树脂可以用于将混合杆粘结到保持管的内表面。在一种实施方式中，太空级UV环氧可以用作粘结剂。POF201-207可以利用环氧树脂附加到混合杆220。
图2B示出了基于POF的反射式星形耦合器200组件的截面图。
图3示出了用于测试以反射式星形耦合器200传输的光学信号310的强度的实验配置。POF201的纤维连接件211连接到提供输入信号310的光源312。功率计314监控输入信号310的强度。信号310经由POF201，通过混合杆220传播并被凹面反射镜220D反射。反射信号311经过混合杆220，并作为需要的输出信号分布在剩下的POF202-207中。在该反射式星形耦合器配置中，纤维201-207中的任意纤维可以是输入纤维而剩下的纤维作为输出纤维。然后利用另一个功率计316测试输出信号311的强度。在一种实施方式中，基于POF的反射式星形耦合器有效并均匀地传输光学信号，且信号传输过程中强度损失最小。
图4勾画了制备反射式星形耦合器的过程步骤。在步骤S402中，多支光学纤维(例如，201-207)插入保持管210的前端210A。在步骤S404中，混合杆220的后端抛光并圆整，以形成凸表面。圆整的凸表面以高反射材料涂覆，形成凹面反射镜220D。
在步骤S406中，混合杆220插入保持管210，光学纤维(201-207)的后端(201B-207B)附加到混合杆220前表面220A。在一种实施方式中，太空级环氧用来附加POF。
在步骤S408中，混合杆220的外边缘220C以及POF(201-207)附加到保持管210内表面210C。在步骤S410中，反射式星形耦合器气密密封。
本发明基于POF的反射式星形耦合器200实施方式使得能利用塑料光学纤维形成数据网络架构。混合杆220、多支POF201-207以及保持管210全部用折射系数和材料特性相似的材料制成。用于附加混合杆220、POF(201-207)以及保持管210的粘结剂，环氧树脂，其折射率和材料特性也与反射式星形耦合器200其他部件类似，这样显著减少了耦合损失，并且对于航空电子设备来说强度和可靠性高。
此外，使用带有凹面220D和外凸面220B的混合杆220确保了输入信号因从混合杆端部泄漏而造成的信号损失最小或没有损失。使用带有凹反射表面的混合杆允许POF星形耦合器更短且更紧凑。
在另一种实施方式中，反射式星形耦合器200与双向POF发射接收器(未示出)一起使用。双向发射接收器仅用一支纤维完成发射和接收功能。双向发射接收器与反射式星形耦合器200组合，显著减小了尺寸、重量和航空电子纤维光学网络架构的成本。
从前述说明中应该理解，所公开的内容及其同等方案可以以多种方式实施。因此，虽然针对具体实施方式说明了本发明，但是其真实范围不应当受到文中所述实施方式的限制，而是由随后的权利要求书以及能向相关领域的技术人员表明自身的同等内容所限制。

Claims (16)

1.一种基于塑料光学纤维(POF)的反射式星形耦合器(200)，包括：
中空柱状保持管(210)，用于在该保持管(210)前端接收多支塑料光学纤维(POF)(201-207)，并在该保持管(210)后端(210B)接收混合杆(220)；
其中每支塑料光学纤维的后端粘结到所述混合杆(220)的前表面(220A)，所述混合杆(220)的凸后表面(220D)抛光并以高反射涂层涂覆，形成凸反射表面，所述塑料光学纤维(201-207)、混合杆(220)和保持管(210)用折射系数和材料属性类似的材料制成。
2.如权利要求1所述的反射式星形耦合器(200)，其特征在于，所述混合杆(220)的外径符合所述保持管(210)的内径。
3.如权利要求1所述的反射式星形耦合器(200)，其特征在于，所述混合杆(220)利用太空级UV环氧粘结到所述保持管(210)的内表面。
4.如权利要求1所述的反射式星形耦合器(200)，其特征在于，所述塑料光学纤维(201-207)利用太空级UV环氧粘结到所述保持管(210)的内表面。
5.如权利要求1所述的反射式星形耦合器(200)，其特征在于，所述保持管(210)利用氧氮化铝制造。
6.如权利要求1所述的反射式星形耦合器(200)，其特征在于，所述混合杆(220)用聚甲基丙烯酸甲酯制造。
7.如权利要求1所述的反射式星形耦合器(200)，其特征在于，所述混合杆(220)后表面(220D)上的反射涂层提供凹反射镜来反射输入信号。
8.如权利要求1所述的反射式星形耦合器(200)，其特征在于，所述具有粘结的塑料光学纤维(201-207)和混合杆(220)的所述保持管(210)封闭在气密密封的包装件中。
9.一种制造反射式星形耦合器(200)的方法，包括：
将多支塑料光学纤维(201-207)插入保持管(210)；
形成混合杆(220)，将其凸后表面(220D)抛光，并以高反射材料涂覆所述混合杆(220)的后表面；
在所述保持管(210)内将每支塑料光学纤维的后端(201B-207B)与所述混合杆(220)的前表面(220A)粘结；
利用环氧树脂将所述塑料光学纤维(201-207)与所述混合杆(220)粘结到所述保持管(210)内侧；和
将具有粘结的塑料光学纤维(201-207)和混合杆(220)的保持管(210)封闭在气密密封的包装件中。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括：用折射系数和材料特性类似的材料制造所述塑料纤维(201-207)、所述混合杆(220)和所述保持管(210)。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述混合杆(220)的外径符合所述保持管(210)的内径。
12.如权利要求9所述的方法，进一步包括：利用太空级UV环氧将所述混合杆(220)粘结到所述保持管(210)的内表面。
13.如权利要求9所述的方法，进一步包括：利用太空级UV环氧将所述塑料光学纤维(201-207)粘结到所述保持管(210)的内表面。
14.如权利要求9所述的方法，进一步包括：用氧氮化铝制造所述保持管(210)。
15.如权利要求9所述的方法，进一步包括：用聚甲基丙烯酸甲酯制造所述混合杆(220)。
16.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述混合杆后表面(220D)的反射涂层提供凹反射镜来反射输入信号。
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