CN102183823A

CN102183823A - 一种光纤准直器

Info

Publication number: CN102183823A
Application number: CN 201110120333
Authority: CN
Inventors: 陈陶; 梁忠诚; 徐颖; 许金玲; 吴冶成; 沈家骏; 唐禾怿
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2011-09-14

Abstract

一种光纤准直器以精密套管(1)为主体，精密套管(1)位于连接管脚(2)和菲涅尔透镜(4)之间，上述三者之间的空隙形成透镜腔，用于储存液体透镜(5)材料；透镜腔内放置一种或多种折射率互异互不相溶的透明液体材料；菲涅尔透镜(4)和液体透镜(5)构成微透镜系统；连接管脚(2)上设有供光纤插入的尾纤槽(8)，尾纤(3)通过粘胶(10)固定于连接管脚(2)的尾纤槽(8)中。精密套管(1)形状可设置为圆柱形、圆锥形以及其他形状。菲涅尔透镜(4)也可设置为菲涅尔波带片，以简化制作工艺。

Description

一种光纤准直器

技术领域

本发明涉及一种用于准直和扩束的光纤准直器，属于光通信、光电传感和光信息处理器件的技术领域。

背景技术

光纤准直器是光通信无源器件中必不可少的基础元器件，应用于要求聚焦和准直功能的各种场合，广泛使用在光耦合器、准直器、光隔离器、光开关、激光器等方面。目前，应用比较广泛的光纤准直器主要有两种：采用自聚焦透镜(GRIN Lens)和被称为C-Lens的定折射率透镜结构。自聚焦透镜(GRINS)采用粒子交换工艺制成的变折射率透镜，其内部的折射率的分布沿径向逐渐减小，能够使沿轴向传输的光产生连续折射，从而实现出射光线平滑且连续的汇聚到一点。GRINS具有将平行光会聚于端面的特性，从而使耦合系统的耦合效率明显提高；使准直系统的体积减小，性能提高；因其出射光端为削平形状，易于装配。但该设计受限于制作成本高及工作距离有限，无法满足光器件向低成本、高性能方向发展。

C-Lens作为我国自主发明的一种新型的微光学元件，采用球端面透镜技术，其工作距离可以通过球面曲率设计来决定。由于C-Lens具有成本低、长工作距离时低插入损耗、工作距离范围大等一系列的优点，且C-Lens特殊结构准直器还可用于要求大光斑、长工作距离的光传输，使得目前该元件在光通讯领域已获大范围应用。但是由于其出射光端为凸透镜形状，不易于组装，需要对镜片进行复杂的抛光与球面镀膜工艺。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于：提出一种利用菲涅尔透镜和液体透镜制作而成的新颖的光纤准直器，用于解决光通信中扩束和准直问题，其制作成本低，组装容易。

技术方案：本发明的一种光纤准直器以精密套管为主体，精密套管位于连接管脚和菲涅尔透镜之间，上述三者之间的空隙形成透镜腔，用于储存液体透镜材料；透镜腔内放置一种或多种折射率互不相同且互不相溶的透明液体；菲涅尔透镜和液体透镜构成微透镜系统；连接管脚上设有供光纤插入的尾纤槽，尾纤通过粘胶固定于连接管脚的尾纤槽中。

液体透镜放置两种或多种液体时，液体界面处形成的弯月面构成透镜，液体的密度优选设置为密度相等的两种或多种透明液体。

与菲涅尔透镜端面接触的液体可设置为与折射率匹配液体，使其折射率与菲涅尔透镜尽可能接近，以减少菲涅尔透镜端面反射损耗。

与尾纤端面接触的液体可设置为折射率匹配液体，使其折射率与尾纤纤芯尽可能接近，以减少尾纤端面反射损耗。

精密套管内根据需要可以设置疏水/油，或亲水/油的膜层，以便设置液体界面处弯月面的形状。

菲涅尔透镜可设置为菲涅尔波带片。

精密套管形状可设置为圆柱形、圆锥形或其他形状。

对于正透镜，光线波长越长其焦距越长，而对于菲涅尔透镜，光线波长越长其焦距越短，起负透镜作用。所述的液体透镜是由两种或多种折射率不同的不相溶的透明液体组成，其界面处的弯月面构成正透镜，这样与菲涅尔透镜可以组成透镜系统可以补偿菲涅尔透镜的色差。液体的密度优选设置为密度相等的两种或多种透明液体，以消除重力的影响。与光纤端面接触的液体可优选设置为光纤折射率匹配液体，以减少光纤端面反射损耗，或者将与菲涅尔透镜接触的液体优选设置为菲涅尔透镜折射率匹配液体，以减少菲涅尔透镜端面反射损耗。精密套管内壁根据需要可以设置疏水/油，或亲水/油的膜层，以便设置液体界面处弯月面的形状。在技术要求不高的情况下，精密套管内可只填充一种与光纤或者菲涅尔透镜折射率匹配液体，以减少反射损耗。其中菲涅尔透镜也可设置为菲涅尔波带片，其工艺更加简单。

有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：

本发明将菲涅尔透镜、液体透镜与现代光通信技术相结合，设计了一种新颖的光纤准直器，具有重要的技术价值。本发明设计的一种光纤准直器具有结构简单、制作简单、组装容易、成本低廉、工作波长范围广等优点。由于不需要复杂的镀膜技术使得制作成本、生产工艺大大降低，具有重要的技术价值和经济价值，将会在光通信和光信息处理领域得到广泛的应用。

创新之处在于：

1)将菲涅尔透镜应用于光纤准直器之中，实现了光通信的扩束和准直问题。菲涅尔透镜是微型元件，可方便地用计算机辅助设计，便于大规模制造。且工作波长范围广、制作简单、组装容易、成本低廉。

2)将液体透镜，即两种或多种折射率不同的不相溶的液体应用于准直器件中，不同液体界面处的弯月面形成正透镜，这样与菲涅尔透镜可以组成透镜系统以补偿菲涅尔透镜的色差。

3)将折射率匹配液体应用于准直器件中，减少了光纤端面处或者透镜端面处不必要的反射损耗。

4)将疏水/油或亲水/油置于精密套管内壁，可以根据需要设置膜层材料从而设置液体界面处弯月面的形状。

5)可将菲涅尔波带片代替菲涅尔透镜，工艺简单，降低成本。

6)精密套管形状不仅可以设置为圆柱状，还可以设置为圆锥形等多种形状，工艺简单，适用性强。

附图说明

图1是利用菲涅尔透镜制作的一种光纤准直器(实例1、2)的结构截面图。图中有：精密套管1、连接管脚2、尾纤3、菲涅尔透镜4、液体透镜5、折射率匹配液体6、折射率匹配液体7、尾纤槽8、疏水/油或亲水/油膜层9、粘胶10。

图2是利用菲涅尔透镜制作的一种光纤准直器(实例3、5)的结构截面图。

图3是利用菲涅尔透镜制作的一种光纤准直器(实例4)的结构截面图。图4是利用菲涅尔透镜制作的圆锥状光纤准直器(实例6)的结构截面图。

具体实施方式

如图1，该光纤准直器以精密套管1为主体，菲涅尔透镜4设置于精密套管1端面，精密套管1的另一端设置连接管脚2，连接管脚2上设有供尾纤3插入的尾纤槽8，一尾纤3通过粘胶固定于连接器的尾纤槽8，菲涅尔透镜4和连接管脚2之间的空隙填充液体透镜5材料，菲涅尔透镜4和液体透镜5在同一光轴上。由菲涅尔透镜4和液体透镜5组合而成的微透镜系统的焦点设置于为尾纤3的端面处以实现光准直作用。液体透镜5由两种或多种折射率不同的不相溶的透明液体组成，液体界面处的弯月面构成正透镜，这样与菲涅尔透镜4可以组成透镜系统以补偿菲涅尔透镜4的色差，液体的密度优选设置为密度相等的两种或多种透明液体。与尾纤3端面接触的液体可优选设置为光纤折射率匹配液体，以减少尾纤3端面反射损耗，或者将与菲涅尔透镜4接触的液体优选设置为菲涅尔透镜折射率匹配液体，以减少菲涅尔透镜4端面反射损耗。精密套管1内壁根据需要可以设置疏水/油，或亲水/油的膜层9，以便设置液体界面处弯月面的形状。其中菲涅尔透镜4也可设置为菲涅尔波带片。其中菲涅尔透镜4和液体透镜5组合而成的微透镜系统的焦点也可设置于为尾纤3的端面附近以实现光会聚作用。

实例1：

精密套管1制备采用硅橡胶。这是由于硅橡胶易于挤压成型，能通过模具注塑加工方法实现大规模生产，其硬度易于控制，精密套管1形状设置为圆柱形；连接管脚2通过粘胶10固定在精密套管1的一端，连接管脚2采用塑料或橡胶精密铸造而成，连接管脚2中心预留圆柱状孔，孔的大小与尾纤3孔径相匹配，便于插入尾纤3；菲涅尔透镜4用粘胶10固定于精密套管1的另一端。

如图1，精密套管1填入两种折射率不同的不相溶的透明液体，靠近尾纤3处的液体7选择折射率较小的液体材料，靠近菲涅尔透镜4处的液体6选择折射率大的液体材料，精密套管1的内壁选择疏油或者亲水膜9(PVDF，聚偏氟乙烯亲水膜)，在液体界面形成油凸水凹构成正透镜，补偿菲涅尔透镜4的色差。

同时两种液体的密度优选设置为相等，以消除重力影响。液体6可以选择溴代十二烷(密度1.0399，折射率1.4583)，液体7可以选择水。由于水在低温使用时可能会有冰冻问题。可以用高浓度的盐溶液来降低冰点。为了保持盐水的低密度和折射率，采用低原子量的盐：氯化锂。20％浓度的氯化锂导致冰点低于-40℃，密度ρ为1.12kg/m3，折射率为1.38。

组装时，将菲涅尔透镜4用粘胶固定于精密套管1一端，向附有膜层9的精密套管1里分别灌注两种透镜液体，两种液体的体积需由设计方案计算求得或通过实验测得。将接有尾纤3的连接管脚2通过粘胶10固定在精密套管1的另一端，严格控制菲涅尔透镜4和尾纤3的端面相对位置，相对位置通过计算，按以下要求确定：保证由菲涅尔透镜4和液体透镜5组合而成的微透镜系统的焦点设置于为尾纤3的端面处以实现光准直。为减少菲涅尔透镜的端面损耗，可在其表面设置增透膜。

实例2：

如图1，精密套管1中靠近尾纤3的液体7可设置为与尾纤3纤芯折射率匹配的液体，以减少尾纤3端面的反射率损耗。液体7材料可以选择为掺入糖的水溶液(80％的糖溶液折射率为1.49)或掺入酒精(折射率能提高到1.45)。液体6可以选择二碘甲烷(折射率为1.745)。由于精密套管直径很小，可以看做为毛细管，因此可以忽略重力影响。。精密套管1的内壁选择疏油或者亲水膜9(PVDF，聚偏氟乙烯亲水膜)，在液体界面形成油凸水凹构成正透镜，补偿菲涅尔透镜4的色差。

实例3：

如图2，精密套管1填入两种折射率不同的不相溶的透明液体，靠近尾纤3处的液体7选择折射率较大的液体材料，靠近菲涅尔透镜4处的液体6选择折射率小的液体材料，同时两种液体的密度优选设置为相等，以消除重力影响。液体7可以选择与尾纤3纤芯折射率相匹配的液体材料以减少光纤端面反射损耗。液体7材料可以选择甘油(折射率1.47，密度1.26)。液体6材料选择折射率较小的水溶液，用高浓度的盐溶液来降低冰点。为了保持盐水的低密度和折射率，采用低原子量的盐：氯化锂，溶液密度达到1.26，折射率约为1.34。

精密套管1的内壁选择疏油或者亲水膜9(PVDF，聚偏氟乙烯亲水膜)，在液体界面形成油凸水凹构成正透镜，补偿菲涅尔透镜4的色差。

实例4：

如图3，精密套管1填入两种折射率不同的不相溶的透明液体，靠近尾纤3处的液体7选择折射率较小的液体材料，靠近菲涅尔透镜4处的液体6选择折射率大的液体材料。液体6可以选择与菲涅尔透镜4折射率(为1.51)相匹配的液体材料以减少菲涅尔透镜4端面反射损耗。菲涅尔透镜4锯齿状阵列设置在精密套管1外(若在精密套管1内侧，由于菲涅尔透镜材料与液体6材料匹配，菲涅尔透镜起不到负透镜作用)，液体6材料可以选择苯(折射率1.50)。液体7材料选择折射率较小的水溶液，用高浓度的盐溶液来降低冰点。精密套管1的内壁选择疏油或者亲水膜9(PVDF，聚偏氟乙烯亲水膜)，在液体界面形成油凸水凹构成正透镜，补偿菲涅尔透镜4的色差。

实例5：

装置同图2，精密套管1填入两种折射率不同的不相溶的透明液体，靠近菲涅尔透镜4处的液体6选择折射率小的液体材料，靠近尾纤3处的液体7选择折射率较大的液体材料。液体材料6选择透明油(折射率一般为1.45)，液体材料7采用室温离子液体，因为室温离子液体是一种重要的绿色新型“软”材料，具有许多优点，如非挥发性，高热稳定性，低熔点，良好的导电与导热性，良好的透光性与折射率等，而且品种非常多，可供选择的余地很大。因此这里选择折射率较大的离子液体(如选择折射率达到2的离子液体)。精密套管1的内壁选择疏水或者亲油膜9，在液体界面形成油凹水凸构成正透镜，补偿菲涅尔透镜的色差。疏水膜可以采用聚四氟乙烯聚合物材料(英文缩写为PTFE，商标名特富龙Teflon@AF)涂层来实现。亲水材料可选择聚烯系或聚苯乙烯系球体或发泡体，聚氨酯发泡体等。

实例6：

精密套管1的形状不仅可设置为圆柱形，还可以根据实际需要设计为其他形状。如可以设置为圆锥形(如图4)，当设置为圆锥形时，尾纤位置更方面定位，工艺简单。

实例7：

在技术要求不高的情况下，精密套管1内可只填充一种与尾纤纤芯3或者菲涅尔透镜4折射率匹配的液体，以减少反射损耗，工艺简单。

Claims

1.一种光纤准直器，其特征在于以精密套管(1)为主体，精密套管(1)位于连接管脚(2)和菲涅尔透镜(4)之间，上述三者之间的空隙形成透镜腔，用于储存液体透镜(5)材料；透镜腔内放置一种或多种折射率互不相同且互不相溶的透明液体；菲涅尔透镜(4)和液体透镜(5)构成微透镜系统；连接管脚(2)上设有供光纤插入的尾纤槽(8)，尾纤(3)通过粘胶(10)固定于连接管脚(2)的尾纤槽(8)中。

2.根据权利要求1所述的一种光纤准直器，其特征在于液体透镜(5)放置两种或多种液体时，液体界面处形成的弯月面构成透镜，液体的密度优选设置为密度相等的两种或多种透明液体。

3.根据权利要求1所述的一种光纤准直器，其特征在于与菲涅尔透镜(4)端面接触的液体(6)可设置为与折射率匹配液体，使其折射率与菲涅尔透镜(4)尽可能接近，以减少菲涅尔透镜(4)端面反射损耗。

4.根据权利要求1所述的一种光纤准直器，其特征在于与尾纤(3)端面接触的液体(7)可设置为折射率匹配液体，使其折射率与尾纤(3)纤芯尽可能接近，以减少尾纤(3)端面反射损耗。

5.根据权利要求1所述的一种光纤准直器，其特征在于精密套管(1)内根据需要可以设置疏水/油，或亲水/油的膜层(9)，以便设置液体界面处弯月面的形状。

6.根据权利要求1所述的一种光纤准直器，其特征在于菲涅尔透镜可设置为菲涅尔波带片。

7.根据权利要求1所述的一种光纤准直器，其特征在于精密套管(1)形状可设置为圆柱形、圆锥形或其他形状。