CN102253458B - 一种宽光谱光纤准直器 - Google Patents

Abstract

一种宽光谱光纤准直器，包括一个热扩芯光纤头和一个消色差透镜及外套管，热扩芯光纤头和消色差透镜呈一直线安装在外套管内，热扩芯光纤头和消色差透镜之间设置有空气层，热扩芯光纤头与消色差透镜具有同一条光轴，外套管具有其固定的中心轴；其特点是：所述消色差透镜的后端面与外套管垂直，消色差透镜的后端面与热扩芯光纤头前端面的距离，即当中空气层的厚度，等于消色差透镜的有效焦距长度与消色差透镜后端面距消色差透镜主面距离的差值。相对传统的准直器大大降低了入射光束的插入损耗；热扩芯光纤芯径增大3～5倍，出射的光束具有大光斑直径，小出射孔径角；消除由于宽光谱导致的色散现象，提高了系统传输性能；并具有低对准误差。

Description

一种宽光谱光纤准直器

技术领域

本发明涉及一种用于准直、扩大光纤传输光束直径的具有消色差功能的宽光谱光纤准直器。该准直器主要用于光纤之间、光纤和波导以及其它芯片之间宽光谱信号耦合连接的光通信及光电子技术领域。

背景技术

光纤准直器是一种广泛应用于光纤通信等系统的无源器件，其主要作用是将出射的光束变成平行光束，或者将平行光束汇聚到光纤中。常规的准直器结构由光纤头和一个起准直作用的透镜组成。目前准直透镜主要有三种：自聚焦透镜、C透镜和球透镜。

该类准直器的使用减少了光纤与光纤以及光纤与其他光学器件耦合时的连接损耗，起到准直和扩大光纤传输中光束直径的作用，被广泛地应用于光束准直，光束耦合，光隔离器，光衰减器，光开关，环形器，微电机系统(MEMS)，密集波分复用器中。随着光通信产业的发展，准直器的应用领域不断扩大，同时对准直器的要求也不断提高，在有些场合下，比如要求器件小型化的场合，普通准直器由于出射光斑孔径角太大已经难以满足要求。

且由于单模光纤(SMF)的芯径只有多模光纤的十分之一，即8～10μm左右，单模光纤之间的耦合，单模光纤和其他波导器件的耦合一直都是光耦合中的难题。一些特殊的光纤如掺铒光纤的模场直径为4～5μm，色散位移光纤为7μm左右，都比单模光纤直径还要小一些，一般波导尺寸比单模光纤更小，宽度仅几个微米，厚度甚至不到一微米，它们和单模光纤耦合时存在模场尺寸的不匹配，这种不匹配导致耦合连接时会产生较大损耗。尤其是在大规模波导阵列(几十甚至几百通道)耦合中，要实现阵列中所有通道的快速精确耦合对准是有困难的。

单模光纤具有非常宽的带宽，在1.31μm(1.25～1.35μm)波段和1.55μm(1.50～1.60μm)波段，都具有高达100nm的低损耗传输范围，总的带宽为30THz。而另一个方面，作为光源的半导体激光器的线宽已小于0.1nm，因此，在一根单模光纤中，可同时传输多个不同波长的信号。波分复用技术正是基于这种思想，通过在一根单模光纤中传输多个信道信号，来大幅度增加通信容量。传播信号的谱宽必然导致传播过程中的色散损耗，色散损耗会导致数字光纤通信系统的光脉冲畸变，使传输的信号失真。

传统的光纤准直器在其使用过程中，出射光斑、孔径角及插入损耗等并没有得到良好的改善。如果能够改变光纤纤芯半径从而控制输出光斑的模场直径以适合不同尺寸的耦合对象就可以使耦合对准过程大大简化。如果能降低光纤准直器插入损耗的同时使出射光束具有大出射光斑、小孔径角，就可以在相同低损耗的情况下获得更大的工作距离。如果能在一定程度上消除色散现象，就能在实现宽光谱工作的同时，提高和改善所接收到的光信号性能。

发明内容

本发明针对以上问题提出了一种新型宽光谱光纤准直器，使制成的光纤准直器的出射光斑直径更大，出射孔径角更小，准直度好，具有高的耦合容忍度和低插入损耗，结构简单，可消除宽光谱带来的色散现象。

本发明的技术方案是：一种宽光谱光纤准直器，包括一个热扩芯光纤头和一个消色差透镜及外套管，热扩芯光纤头和消色差透镜呈一直线安装在外套管内，热扩芯光纤头和消色差透镜之间设置有空气层，热扩芯光纤头与消色差透镜具有同一条光轴，外套管具有其固定的中心轴；其特点是：所述消色差透镜的后端面与外套管垂直，消色差透镜的后端面与热扩芯光纤头前端面的距离，即当中空气层的厚度，等于消色差透镜的有效焦距长度与消色差透镜后端面距消色差透镜主面距离的差值。

所述的光纤头是经过热扩芯处理的热扩芯光纤头，其热扩展芯径为扩展前芯径的3～5倍，热扩展长度为0.2～20mm。

所述消色差透镜的光轴与外套管的中心轴平行。

所述热扩芯光纤头的前端面与外套管的中心轴垂直。

所述消色差透镜为用于波长范围为390～1750nm的具有消色差功能的两片式透镜。

本发明的有益效果：在普通光纤准直器的基础上做了特殊的处理与改进，使在准直器组装时不需要繁琐的对光程序；从热扩芯光纤出射光束经过空气层再经过消色差透镜传输，相对两件套式的准直器大大降低了入射光束的插入损耗；热扩芯光纤芯径比普通单模光纤芯径增大3～5倍，使从光纤准直器出射的光束具有大光斑直径，小出射孔径角；消色差透镜可消除由于宽光谱导致的色散现象，提高系统传输性能；光纤准直系统具有低对准误差。

附图说明

图1是本发明中的热扩芯光纤结构示意图；

图2是本发明所制成的宽光谱光纤准直器的实施例的结构示意图。

1.热扩芯光纤未加热部分，2.热扩芯光纤锥形区，3.热扩芯光纤芯径扩展区，201.光纤，202.热扩芯光纤头，203.外套管，204.空气层，205.消色差透镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更清楚被理解，现结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。

图1是本发明使用的热扩芯光纤。其中1为热扩芯光纤未加热部分，2为热扩芯光纤锥形区，3为热扩芯光纤芯径扩展区，热扩芯光纤是由于高温加热普通单模光纤时，纤芯中掺杂的Ge⁴⁺离子向包层中扩散，使光纤横截面上沿径向的折射率呈高斯分布，从而达到扩大模场直径的目的。高温加热形成的热扩芯光纤，其热扩展芯径为扩展前芯径的3～5倍，热扩展长度为0.2～20mm，出射光束仍具有单模特性。

图2是本发明所制成的新型宽光谱光纤准直器的实施例的结构示意图。在本实施例中，所述的光纤准直器，包括光纤201，光纤201与毛细管胶合制成的热扩芯光纤头202，固定热扩芯光纤头202和消色差透镜205的外套管203。安装在外套管内的热扩芯光纤头202和消色差透镜205呈一直线放置，中间空气层204的厚度等于消色差透镜205的有效焦距长度与消色差透镜后端面距消色差透镜主面距离的差值，热扩芯光纤头202与消色差透镜205具有同一条光轴，外套管203具有其固定的中心轴。

光纤201是经过热扩芯处理的具有图1所示结构的热扩芯光纤，其处理方法可以是圆柱形微电炉加热、带有丙烷/氧气火焰的小型燃烧器燃烧加热或CO₂激光器加热。光纤201的热扩展芯径为扩展前芯径的3～5倍，热扩展长度为0.2～20mm，扩展后光束在芯径中仍保持单模特性传输，模场直径增大。

光纤201与毛细管胶合制成的热扩芯光纤头202的前端面与外套管203的中心轴垂直。毛细管的材料可以是金属、玻璃、陶瓷、塑料或者其他行业内常见的材料。

外套管203起到准确定位和固定热扩芯光纤头202和消色差透镜205的作用。外套管的材料可以是金属、玻璃、陶瓷、塑料或者其他行业内常见的材料。

消色差透镜205为一个可用于波长范围为390～1750nm的具有消色差功能的两片式透镜，根据准直器的不同使用场合，可以是双胶合型或双分离型。消色差透镜根据不同的透镜材料及不同大小的曲率半径的组合，应用于不同的波长范围。

热扩芯光纤头202和消色差透镜205的外径大小与外套管203的内径大小匹配，保证准直器结构严密。

在实施方案中，根据制备得到的热扩芯光纤特性和由光波长检测出的消色差透镜的有效焦距长度和主面位置，计算出空气层厚度。由于热扩芯光纤的芯径大小的不确定性，针对各组所制成的光纤准直器，由光学仪器检测出不同的工作距离。将工作距离大小分成多个级别，使各光纤准直器依各自的工作距离筛选分级，并归属入不同级别，供需要不同工作距离光纤准直器的组件选用。

在实施方案中，将热扩芯光纤头和消色差透镜精确定位，使用机械方法来将它们固定于外套管中，并使用胶黏、锡焊、激光焊接等方法来永久固定。

Claims (4)

1.一种宽光谱光纤准直器,包括一个热扩芯光纤头和一个消色差透镜及外套管，热扩芯光纤头和消色差透镜呈一直线安装在外套管内，热扩芯光纤头和消色差透镜之间设置有空气层，热扩芯光纤头与消色差透镜具有同一条光轴，外套管具有其固定的中心轴；其特征在于：所述消色差透镜的后端面与外套管垂直，消色差透镜的后端面与热扩芯光纤头前端面的距离，即当中空气层的厚度，等于消色差透镜的有效焦距长度与消色差透镜后端面距消色差透镜主面距离的差值；所述的光纤头是经过热扩芯处理的热扩芯光纤头，其热扩展芯径为扩展前芯径的3～5倍，热扩展长度为0.2～20mm。

2.根据权利要求1所述的宽光谱光纤准直器，其特征在于：所述消色差透镜的光轴与外套管的中心轴平行。

3.根据权利要求1所述的宽光谱光纤准直器，其特征在于：所述热扩芯光纤头的前端面与外套管的中心轴垂直。

4.根据权利要求1所述的宽光谱光纤准直器，其特征在于：所述消色差透镜为用于波长范围为390～1750nm的具有消色差功能的两片式透镜。

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