CN102681109A - 一种大口径光束耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径光束耦合器，包括锥形光学器件、折射率匹配液和端面切割平整的裸光纤；锥形光学器件是一呈中心对称的光学器件，中间部分为一锥状体；锥状体的前端加工有光学球面透镜，其像方焦点位于锥状体的末端，其通光孔径达1毫米以上；锥状体的末端设有一导光管，导光管的通光孔径与裸光纤的芯径匹配，且通过折射率匹配液与光纤耦合连接，压缩导光管出射光束的孔径角；锥状体和导光管的外表面设有包裹层，包裹层使入射到锥状体表面的光能够产生全反射，从而入射光能够束缚在锥形光学器件的内部，同时使光向前传输。本发明结构简单紧凑，耦合效率高，能够对较大口径的光束直接耦合进入光纤。

Description

一种大口径光束耦合器

技术领域

本发明涉及一种光束耦合器，尤其涉及一种大口径光束耦合器。

背景技术

在光信号耦合过程中，耦合效率是最重要的性能指标之一。为了提高耦合效率，世界各国研究人员提出了多种的耦合方法。例如在光纤旋转连接器的接收器场合中，最常用的接收器是自聚焦透镜，然而自聚焦透镜用作接收器时，对入射光的平行度要求极为苛刻，使得光信号的耦合效率比较低。

中国专利00207539中提到的对称结构的双通道光纤旋转连接器包含一种大口径光束耦合问题，其出射光束绕着旋转轴旋转，出射光的范围增大。采用自聚焦透镜对出射光进行耦合接收时，由于自聚焦透镜孔径角的限制，造成对入射光的入射角度极为敏感，影响光的耦合效率，降低光的耦合效率。中国专利201010103099中提到的中空态光纤旋转连接器包含一种大口径光束耦合问题，采用的是透镜组的耦合结构，由于需要将出射光束缩小并准直，需要增加大量的透镜，这使得旋转连接器的体积和成本增加。因此迫切需要一种结构简单紧凑、集成度高的专用接收器来作为该类场合的接收器。

目前激光器与光纤之间的耦合主要有两种方案，一种是通过各种透镜组的准直汇聚作用，然后耦合到光纤里去；另一种是一体化的光纤耦合器，为单个耦合器件。对于一体化的激光到光纤的耦合器，目前主要有三种类型。

第一种类型，在光纤的末端直接加工出微透镜，美国专利US4490020将光纤的末端加工成正交棱锥体，锥体有两个面分别平行和垂直于半导体激光器的相交平面，正交棱锥体的末端加工成半椭圆形状使光纤宽度逐渐减小，从在末端而形成不同的曲率半径，以便使锥体能够很好的与半导体激光的光强分布相耦合，从而提高激光光纤的耦合效率；美国专利US6600856中包含一种光纤耦合器，将光纤的末端加工成一个半球透镜用以对光的耦合；美国专利US5455879报道了多种激光光纤耦合器，其中一种就是将光纤的包层和纤芯分别加工成两种楔角不同的对称楔面用以对激光的耦合，另外一种方法就是将光纤的包层和纤芯分别加工成两种圆锥角不同的圆锥体用以对激光的耦合。此类方法由于是在光纤末端直接加工出微透镜，面对宽光束的耦合，由于光纤很细带来的先天不足，使得偶和效率降低。

第二种类型，是通过控制光纤末端的熔融变形拉制出耦合用微透镜，美国专利US4370021中提到了一种针对激光到光纤的耦合器的拉制技术，该种器件由光纤直接拉制而成，前端为椭圆透镜，末端为光纤。该种结构适合光纤激光耦合，然而由于其入射孔径较小，不适合大口径光束与光纤间的耦合；美国专利US5037174在光纤末端通过两次连续的拉制，形成复合锥体，该锥体包含两个部分，其锥角分别约为18°和45°，在锥体的表面可以形成两个非球面透镜，用以提高光波导中信号的耦合效率。上述提到的两个耦合方式，只是适应入射光束口径较小的场合，对于空间大口径光束，其耦合效率呈比例降低。

第三种类型，是在光纤的末端粘接一个透镜。美国专利US4721353报道了一种激光器与光纤之间的耦合器。该耦合器将光纤的末端纤芯做成一个小于光纤芯径的倒锥形结构，然后在光纤的末端粘接了一个半球透镜用以将激光耦合到纤芯中，进而高效实现光信号耦合。然而半球透镜和光纤的粘接对准比较困难，使得耦合效率受外界装配因素的影响，一定程度影响其使用。美国专利US4784466也具有一个类似的结构。美国专利US4913510报道了一种激光器与光纤之间的耦合器，在光纤的末端套上一个带有球透镜的细长毛细管，并在球透镜靠近光纤的一端所打的小孔内注入折射率匹配液，使光纤末端侵润在匹配液中，来提高光的耦合效率，此种方法也存在光纤末端与透镜焦点耦合对准的问题，实际操作比较困难。此类方法由于接收器的具有较大的孔径，耦合效率较之前两种类型较高，但是仍然受微透镜的尺寸影响，由于微透镜尺寸不能做的很大，不适应空间大口径光束耦合。

发明内容

针对上述现有技术，为解决光纤与大孔径光束间信号的耦合问题，以及克服光信号耦合效率低的问题。本发明提供一种大口径光束耦合器，其结构简单紧凑，耦合效率高，能够对较大口径的光束直接耦合进入光纤。

为了解决上述技术问题，本发明大口径光束耦合器予以实现的技术方案是：该光束耦合器，包括锥形光学器件、折射率匹配液和端面切割平整的裸光纤，所述裸光纤由纤芯和纤芯包层构成；所述锥形光学器件是一呈中心对称的光学器件，为实体或空心结构，所述锥形光学器件的中间部分为一锥状体；所述锥状体的前端设有光学球面透镜，所述光学球面透镜像方焦点位于所述锥状体的末端，所述光学球面透镜的通光孔径为毫米及以上级别；所述锥状体的末端设有一导光管，所述导光管的通光孔径与裸光纤的芯径匹配；所述导光管与所述裸光纤相对的端面之间通过折射率匹配液耦合连接，在耦合连接处设有一套管；所述光学球面透镜镀有高增透膜；所述折射率匹配液的折射率和裸光纤纤芯的折射率一致；所述锥形光学器件的折射率低于裸光纤纤芯的折射率；所述锥状体和所述导光管的外表面设有包裹层，所述包裹层使入射到锥状体表面的光能够产生全反射，从而入射光能够束缚在锥形光学器件的内部，同时使光向前传输。

进一步讲，本发明大口径光束耦合器，其中，所述导光管与所述套管之间设有导光管套管，所述裸光纤与所述套管之间设有光纤套管。

所述包裹层的材料采用比所述锥形光学器件折射率低的材料；或所述包裹层由镀覆在所述锥状体和所述导光管外表面的高反射膜构成，所述高反射膜为高反射的介质发射膜或金属膜。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

由于本发明大口径光束耦合器的入射端通光孔径比光纤芯径大得多，可以达到毫米及以上级别，通光孔径可达1毫米以上，最大可达1厘米；因此能够对大口径光束进行直接汇聚。由于锥形光学器件的末端导光管与裸光纤之间采用了折射率匹配液，对导光管出射光束的孔径进行压缩，从而增大了锥形光学器件的有效数值孔径，经估算，与光纤的数值孔径一致，因此该耦合器能对小角度发散或汇聚的大口径光束光进行耦合，如高斯光束，从而扩大了本发明的应用范围，解决光纤与大口径光束间信号耦合问题。另外，由于入射光在锥形光学器件的反射是由于全反射形成的，几乎没有什么损耗，主要损耗发生在锥形光学器件末端导光管和光纤微透镜的耦合之间，这属于光纤之间的耦合损耗，经计算本发明耦合器的耦合效率可达95.5%以上，因此，在激光与光纤耦合方面本发明耦合器实现了一种高效的耦合；本发明也适用于其它小角度发散或汇聚的大口径光束耦合进入光纤的情况。综上，本发明提出的集成化光信号耦合技术市场前景好，具有良好的技术转化基础和广泛的社会效益。

附图说明

图1是本发明大口径光束耦合器基本结构示意图；

图2是本发明大口径光束耦合器一实施例的结构示意图。

图中：

11-锥状体      12-光学球面透镜      13-导光管

14-包裹材料    2-折射率匹配液       31-纤芯

32-纤芯包层    4-套管               5-粘结剂

6-光纤套管     7-导光管套管

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，本发明一种大口径光束耦合器的基本结构是，包括锥形光学器件和端面切割平整的裸光纤，所述裸光纤由纤芯31和纤芯包层32构成；所述锥形光学器件是一呈中心对称的光学器件，为实体或空心结构，所述锥形光学器件的中间部分为一锥状体11；所述锥状体11的前端设有光学球面透镜12，所述光学球面透镜12像方焦点位于所述锥状体11的末端，所述光学球面透镜12的通光孔径，根据实际情况可设计达到毫米及以上级别，通光孔径从1毫米至1厘米；所述锥状体11的末端设有一导光管13，所述导光管13的通光孔径与裸光纤的芯径匹配；所述导光管13与所述裸光纤相对的端面之间通过折射率匹配液2耦合连接，在耦合连接处设有一套管4，所述套管4的两端通过粘结剂5分别与所述导光管13和所述裸光纤固定；所述光学球面透镜12镀有高增透膜；所述折射率匹配液2的折射率和裸光纤纤芯的折射率一致；所述锥形光学器件的折射率低于裸光纤纤芯的折射率；所述锥状体11和所述导光管13的外表面设有包裹层14，所述包裹层14的材料采用比所述锥形光学器件折射率低的材料，或所述包裹层14由镀覆在所述锥状体11和所述导光管13外表面的高反射膜构成，所述高反射膜为高反射的介质发射膜或金属膜，所述包裹层14使入射到锥状体表面的光能够产生全反射，从而入射光能够束缚在锥形光学器件的内部，同时使光向前传输。

图2示出了本发明耦合器一实施例的结构，即在图1所示的基本结构的基础上，在所述导光管13与所述套管4之间设有导光管套管7，位于锥形光学器件末端的导光管13由该导光管套管7固定，所述裸光纤与所述套管4之间设有光纤套管6。所述裸光纤由该光纤套管6固定。并通过套管4，在折射率匹配液2的作用下，将导光管套管5和光纤套管6进行光路的耦合。在套管4的两端，通过粘接剂5使套管4分别与导光管套管5和光纤套管6固定。

如图1和图2所示，本发明实现光耦合的过程是：低发散或汇聚（大口径）光束入射到锥形光学器件的前端光学球面透镜12，通过光学球面透镜12将光束汇集至该透镜的焦点附近，通过锥状体11的汇聚作用，将光汇聚至锥状体末端，然后由导光管13导光至锥形光学器件的末端。在光通过导光管13与折射率匹配液2的交界面时，对光的孔径角进行压缩，最后耦合到光纤中去，光纤出射（末）端带有光纤连接器便于同其它光纤耦合连接。

设锥形光学器件的前端光学球面透镜12的通光孔径为2D，其球面半径为R，锥形光学器件的折射率为n₀，折射率匹配液2和纤芯31的折射率为n₁，纤芯包层32的折射率为n₂。

当材料的折射率以及耦合器的尺寸满足条件：

arccos(n₀sin(arcsin(D/R)-arcsin(D/n₀R))/n₁)>arcsin(n₂/n₁)

和

n₁>n₂,n₁>n₀

时，入射光便能高效耦合进入到光纤中去。此时，锥形光学器件的长度为R+D/[n₀sin(arcsin(D/R)-arcsin(D/n₀R))]。锥状体为圆锥体时，其锥体角为arcsin(D/R)-arcsin(D/n₀R)。

因此，当入射光为平行光时，可由锥形光学器件前端面的光学球面透镜12直接耦合至锥状体11的末端，前端面光学球面透镜12产生的像差，可由锥状体11进行补偿，对光进行收集；当入射光倾斜于锥形光学器件前端光学球面透镜12的光轴入射时，锥形光学器件的前端的光学球面透镜12可将光汇聚至该透镜的焦点附近，此时就可利用锥状体11的汇聚作用将光束汇聚至锥状体11的末端。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种大口径光束耦合器，其特征在于，包括锥形光学器件和端面切割平整的裸光纤，所述裸光纤由纤芯（31）和纤芯包层（32）构成；

所述锥形光学器件是一呈中心对称的光学器件，为实体或空心结构，所述锥形光学器件的中间部分为一锥状体（11）；所述锥状体（11）的前端设有光学球面透镜（12），所述光学球面透镜（12）像方焦点位于所述锥状体（11）的末端，所述光学球面透镜（12）的通光孔径为毫米及以上级别；所述锥状体（11）的末端设有一导光管（13），所述导光管（13）的通光孔径与裸光纤的芯径匹配；

所述导光管（13）与所述裸光纤相对的端面之间通过折射率匹配液（2）耦合连接，在耦合连接处固定有一套管（4）；

所述光学球面透镜（12）镀有高增透膜；所述折射率匹配液（2）的折射率和裸光纤纤芯的折射率一致；所述锥形光学器件的折射率低于裸光纤纤芯的折射率；

所述锥状体（11）和所述导光管（13）的外表面设有包裹层（14），所述包裹层（14）使入射到锥状体表面的光能够产生全反射，从而入射光能够束缚在锥形光学器件的内部，同时使光向前传输。

2.根据权利要求1所述的大口径光束耦合器，其特征在于，所述导光管（13）与所述套管（4）之间设有导光管套管（7），所述裸光纤与所述套管（4）之间设有光纤套管（6）。

3.根据权利要求1所述的大口径光束耦合器，其特征在于，所述包裹层（14）的材料采用比所述锥形光学器件折射率低的材料。

4.根据权利要求1所述的大口径光束耦合器，其特征在于，所述包裹层（14）由镀覆在所述锥状体（11）和所述导光管（13）外表面的高反射膜构成。

5.根据权利要求4所述的大口径光束耦合器，其特征在于，所述高反射膜为高反射的介质发射膜或金属膜。

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