CN103209022B - 基于光纤阵列的空间光耦合探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤阵列的空间光耦合探测装置，包括：多根多模光纤，所述多模光纤上具有两个端面，所述多模光纤的其中一端为裸光纤端面，另一端上设置有自聚焦透镜，所述多根多模光纤的裸光纤端面紧固连接，所述自聚焦透镜配合设置在微透镜内，将上13根微透镜、自聚焦透镜和多模光纤结构安装到摘要附图所示的正弯月型结构且有13个通孔的光纤盘上。通过上述方式，本发明基于光纤阵列的空间光耦合探测装置，能够克服大气激光通信中由于大气湍流引起的光斑抖动、破损、漂移时造成的耦合效率下降和信号中断的问题。

Description

基于光纤阵列的空间光耦合探测装置

技术领域

本发明涉及电子信息领域，特别是涉及一种基于光纤阵列的空间光耦合探测装置。

背景技术

无线激光通信（FreeSpaceOptic，FSO）是极具发展前景的一种通信方式。由于其使用开放性的大气信道做为传播介质，大气环境会对信号造成较大的影响，并且这种影响会随着天气和季节的变化而不同。远距离通信时，大气湍流、散射以及各种不同的气象条件（如，风、雨、雾、霾等等）会使光斑能量衰减、光斑形状伴有不同程度的破损、并且闪烁、抖动、漂移。这给信号的接收、探测带来了很大的困难，尤其是光斑的抖动。信号光抖动的随机性不仅会带来探测噪声，而且在抖动幅度较大时，还会造成信号的中断。实际中主要采取的探测方式有两种：直接探测和光纤耦合探测。

直接探测多采用PIN光电二极管为探测器件。其优势在于：只要部分光斑照射在有效探测区域内且光功率大于PIN光电二极管最小可探测功率时，探测器就会有响应。性能良好的PIN光电二极管理论响应频率在千兆赫兹（kMHz），但在实际应用中受光电二极管后续电路时间常数限制，响应频率很难达到理论值。实际中为了减小结电容、提高响应频率，不会将光敏面做的很大。这样光敏面积越小响应频率就越高；而光敏面越小，当光斑抖动剧烈时，光斑会漂出探测面范围，就会造成瞬时的信号中断。一般近距和较低频率的通信离常采用直接探测；当通信距离提高至千米级别或者通信速率吉赫兹（GHz）到时，多采用光纤耦合探测。

光纤耦合探测多采用接收天线和单根单模光纤配合的方式。其优势在于：光纤放大器件和探测器件发展相对成熟。光纤探测器的响应频率在吉赫兹（GHz），若可将信号光引入光纤内部再做后续探测处理，不仅可以规避PIN光电二极管的理论响应频率的瓶颈，还可以放大信号，保证信号质量，降低成本。

光纤耦合方案存在技术一些技术难点：光斑中心偏移或者光线斜入射时都会造成耦合效率的急剧下降。通过相关的计算，得出理论耦合效率为：当透镜相对孔径分别为0.203和0.211时，1310nm激光最大耦合效率为82.54％，1550nm激光最大耦合效率82.69%。当光斑偏移中心5mm后耦合效率，则会下降到不到30%。

国内研究空间光耦合的机构主要有：电子科技大学物理电子学院、哈尔滨工业大学等机构，他们提出的方案都是采用单根单模光纤耦合。电子科技大学邓科、王秉中等人在实验室内做了近距离的实验，用于耦合的光纤是商用单模光纤跳线，光纤端面未作镀膜等特殊处理。光源波长为1310nm，耦合透镜直径4mm。耦合透镜焦距f=20mm，测得的最大耦合效率只有61%。又如深圳大学电子科学与技术学院的相关研究中，对光纤的断面进行处理（将断面处理成求透镜），当球透镜的半径为79.9μm时，工作距离约为50μm的激光器和光纤耦合效率最高也不过64.3%，耦合效率不高。那么当信号光经过几公里甚至更远距离后的，如何提高耦合效率，并能够克服光斑抖动造成的耦合效率迅速下降是亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于光纤阵列的空间光耦合探测装置，能够克服光斑抖动、破损、漂移时造成的耦合效率下降和信号中断的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于光纤阵列的空间光耦合探测装置，包括：多根多模光纤，所述多模光纤上具有两个端面，所述多模光纤的其中一端为裸光纤端面，另一端上设置有自聚焦透镜，所述两个端面之间设有缓冲涂覆层，所述多根多模光纤的裸光纤端面紧固连接，所述自聚焦透镜配合设置在微透镜内。

在本发明一个较佳实施例中，还包括光纤固定盘，所述光纤固定盘上设置有多个安装孔，所述微透镜配合安装在安装孔内。

在本发明一个较佳实施例中，所述光纤固定盘配合安装在接收透镜内，所述接收透镜上设有接收天线镜筒，所述天线镜筒上具有光纤耦合面，所述光纤耦合面前方为焦平面。

在本发明一个较佳实施例中，所述光纤固定盘包括底座和端面，所述端面的表面呈正弯月形，底座为圆柱体，所述安装孔的数量为13个。

在本发明一个较佳实施例中，所述安装孔围绕光纤固定盘的底座的圆心均匀分布，最外层包括8个安装孔绕圆心均匀分布，中间层包括4个安装孔绕圆心均匀分布，内层包括1个安装孔，其中心与圆心重叠。

在本发明一个较佳实施例中，所述微透镜由两个圆柱体连接而成，其中一个圆柱体直径大于另一个圆柱体。

在本发明一个较佳实施例中，所述多根多模光纤的裸光纤端面之间通过光纤接头封装并形成固定端面。

在本发明一个较佳实施例中，所述自聚焦透镜胶合在多模光纤的一端上并形成自由端面。

本发明的有益效果是：本发明基于光纤阵列的空间光耦合探测装置能够克服光斑抖动、破损、漂移时造成的耦合效率下降和信号中断的问题。

附图说明

图1是本发明基于光纤阵列的空间光耦合探测装置一较佳实施例的单根光纤端面结构示意图；

图2是本发明基于光纤阵列的空间光耦合探测装置一较佳实施例的微透镜结构示意图；

图3是图2所示微透镜的结构示意图；

图4是本发明基于光纤阵列的空间光耦合探测装置一较佳实施例的光耦合示意图；

图5是本发明基于光纤阵列的空间光耦合探测装置一较佳实施例的光耦合面光路图；

图6是本发明基于光纤阵列的空间光耦合探测装置一较佳实施例的光纤盘主视图；

图7视图6所示光纤盘的左视图；

附图中各部件的标记如下：1、裸光纤端面，2、自聚焦透镜，3、缓冲涂覆层，4、微透镜，5、光纤固定盘，6、安装孔，7、接收透镜，8、接收天线镜筒，9、光纤耦合面，10、焦平面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1至图7，一种基于光纤阵列的空间光耦合探测装置，包括：多根多模光纤，所述多模光纤上具有两个端面，所述多模光纤的其中一端为裸光纤端面1，另一端上设置有自聚焦透镜2，所述两个端面之间设有缓冲涂覆层3，所述多根多模光纤的裸光纤端面1紧固连接，所述自聚焦透镜2配合设置在微透镜4内，用多模光纤代替单模光纤，多模光纤的芯径大，经接收天线会聚的光能量更容易进入光纤芯径内，若采用单根光纤耦合，光斑的破损、闪烁、抖动、漂移都会引起光斑偏移中心或者光线入射角的变化，该变化就会使得光纤耦合效率下降。设计多根多模光纤阵列，使该阵列中每根光纤的有效耦合面相互重叠，以有效的克服抖动，从而提高耦合效率，光纤的数值孔径是影响耦合效率的重要参数，若对光纤的断面不进行任何处理，造成的直接后果是耦合效率低下且数值孔径较小。若光线发生很小角度的抖动就会造成光线入射角和光纤的数值孔径不匹配，耦合进光纤的光强急剧下降，在光纤端面上胶合上自聚焦透镜后，可大大提高数值孔径。提高斜入射时的耦合效率。也就是说，光线的入射角小角度变化时对耦合效率的影响较小，则耦合光强也就相应的变大，在光纤前端加入微透镜。形成以微透镜、自聚焦透镜和光纤为一体的阵列，以提高耦合效率。

另外，还包括光纤固定盘5，所述光纤固定盘5上设置有多个安装孔6，所述微透镜4配合安装在安装孔6内。

另外，所述光纤固定盘5配合安装在接收透镜7内，所述接收透镜7上设有接收天线镜筒8，所述天线镜筒8上具有光纤耦合面9，所述光纤耦合面9前方为焦平面10。

另外，所述光纤固定盘5包括底座和端面，所述端面的表面呈正弯月形，底座为圆柱体，所述安装孔6的数量为13个。

另外，所述安装孔6围绕光纤固定盘5的底座的圆心均匀分布，最外层包括8个安装孔6绕圆心均匀分布，中间层包括4个安装孔6绕圆心均匀分布，内层包括1个安装孔6，其中心与圆心重叠。

另外，所述微透镜4由两个圆柱体连接而成，其中一个圆柱体直径大于另一个圆柱体。

另外，所述多根多模光纤的裸光纤端面1之间通过光纤接头封装并形成固定端面。

另外，所述自聚焦透镜2胶合在多模光纤的一端上并形成自由端面。

本发明基于光纤阵列的空间光耦合探测装置具体实施例如下：对多模光纤的两个端面进行处理，在端面的一端胶合自聚焦透镜，另一端除去多模光纤尾部的缓冲涂覆层，将多根多模光纤封装成多合一形式，将多根处理后的多模光纤无缓冲涂覆层的端面紧固，并用光纤接头封装并形成一个固定接口，多模光纤胶合自聚焦透镜3的端面是多个自由端，将自聚焦透镜3安装在微透镜4的尾部上；确定光纤耦合面9的范围,用卡塞格伦望远镜做为发射天线，用焦距为f’的口径为的单透镜为接收天线。实验时，需将光斑调节至覆盖接收透镜7表面。其中图4中9是光纤耦合面，设其直径为d，图4中10为焦平面，将光纤耦合面前离焦放置。其中图4中7为接收透镜；图4中8为接收天线镜筒，设其长度为L（L<f’保证光纤前离焦放置）。根据薄透镜的高斯公式：1/l’-1/l=1/f’（1）

其中l’是像距，l是物距，f’是像方焦距。远距离实验，可认为无抖动光束平行入射。当光斑抖动时，抖动光束与平行入射光束成一微小夹角。设该角度为，由图5几何关系分析物距：l=-D/2tanθ（2）

将（2）式带入（1）式得：l’=Df’/D-2f’tanθ（3）

应用光学中，称有效孔径与焦距的比值（D/f’）为相对孔径，本文用表示，则了l’可以表示为：l’=D/η-2tanθ（4）

设前离焦量为ξ，由图5几何关系可得辅光轴在耦合面垂直的平移量mn为：mn=(l’-ξ)tanθ，且np=ξD/2l’，则耦合面为直径d=2（mn+np）的圆面，将（4）式带入（当θ很小时，θ≈sinθ≈tanθ）：d=2Dθ/η-2θ+ξη（5）

其中：D—接收透镜孔径；

θ—光线入射角抖动角度；

η—接收透镜的相对孔径（D/f’），f’为像方焦距；

ξ—前离焦量；

将多个微透镜4和多模光纤连接，并且配合安装到光纤固定盘5上的安装孔6内，光纤固定盘4的直径和光纤耦合面9直径相同，为了提高光纤耦合效率，将光纤固定盘5制成正弯月形，以透镜焦距和离焦量之差（f’-ξ）为半径，以接收透镜7平面与光轴的焦点为球心放置，保证主要能量进入光纤芯径内，最后将光纤固定盘4固定在接收透镜7的尾部，进行实验验证。

区别于现有技术，本发明基于光纤阵列的空间光耦合探测装置能够克服光斑抖动、破损、漂移时造成的耦合效率下降和信号中断的问题。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于光纤阵列的空间光耦合探测装置，其特征在于，包括：多根多模光纤，所述多模光纤上具有两个端面，所述多模光纤的其中一端为裸光纤端面，另一端上设置有自聚焦透镜，所述两个端面之间设有缓冲涂覆层，所述多根多模光纤的裸光纤端面紧固连接，所述自聚焦透镜配合设置在微透镜内，光纤固定盘上设置有多个安装孔，所述微透镜配合安装在安装孔内，将多根所述多模光纤阵列排布，通过微透镜安装在光纤固定盘上作为光纤耦合面。

2.根据权利要求1所述的基于光纤阵列的空间光耦合探测装置，其特征在于，所述光纤固定盘配合安装在接收透镜内，所述接收透镜上设有接收天线镜筒，所述天线镜筒上具有光纤耦合面，所述光纤耦合面前方为焦平面。

3.根据权利要求1所述的基于光纤阵列的空间光耦合探测装置，其特征在于，所述光纤固定盘包括底座和端面，所述端面的表面呈正弯月形，底座为圆柱体，所述安装孔的数量为13个。

4.根据权利要求3所述的基于光纤阵列的空间光耦合探测装置，其特征在于，所述安装孔围绕光纤固定盘的底座的圆心均匀分布，最外层包括8个安装孔绕圆心均匀分布，中间层包括4个安装孔绕圆心均匀分布，内层包括1个安装孔，其中心与圆心重叠。

5.根据权利要求1所述的基于光纤阵列的空间光耦合探测装置，其特征在于，所述微透镜由两个圆柱体连接而成，其中一个圆柱体直径大于另一个圆柱体。

6.根据权利要求1所述的基于光纤阵列的空间光耦合探测装置，其特征在于，所述多根多模光纤的裸光纤端面之间通过光纤接头封装并形成固定端面。

7.根据权利要求1所述的基于光纤阵列的空间光耦合探测装置，其特征在于，所述自聚焦透镜胶合在多模光纤的一端上并形成自由端面。