CN104317003A - 一种同轴光准直器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同轴光准直器。通过准直透镜与尾纤之间的相对位置设置，使出射准直光束的角度与光准直器的机械对称轴方向一致；通过准直透镜和尾纤的倾斜角度配置，使出射准直光束的位置与光准直器的机械对称轴一致。本发明提供的同轴光准直器，同时补偿了出射准直光束与光准直器机械对称轴的角度和位置偏差，具有插入损耗小，可靠性高的优点。本发明还提供了这种准直器的制作方法。

Description

一种同轴光准直器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤通信、传感、激光等应用的光准直器，尤其涉及同轴的光准直器，其发射和接受的准直光束方向与光准直器的机械对称轴同方向，且位置重合。

背景技术

光准直器是光纤通信、传感、激光的重要基础器件。在许多应用中，激光束从光纤或光波导输入，经光准直器扩束后变为发散角很小的准直光束，在自由空间传播、被其它光学元件处理，再耦合到另一个光准直器的光纤或光波导。传统的光准直器结构如图1所示，光纤101固定在毛细管102中形成尾纤103，准直透镜104与尾纤套入到外套管105中。外套管的机械对称轴为100。准直透镜及尾纤与外套管之间一般采用环氧树脂类粘接剂109粘合，为了保证光准直器的稳定性和长期可靠性，粘接剂109的厚度不宜过大，一般需控制在5个微米以下。为了防止回波，尾纤和准直透镜的端面会研磨一个小角度(8度最为常见)。这种光准直器有一个特点，即从准直透镜出射的准直光束108方向与光准直器的机械对称轴100有一个夹角107，准直光束108的位置也不与光准直器的机械对称轴100重合，通常有一个小的位置偏离106。上述一对光准直器在耦合时需要调节角度和位置，以使两个光准直器的光束方向和位置重合，得到最好的耦合效率。

在许多应用中，无法安装复杂的角度和位置调节机械；希望在v形槽或同轴套管中放入两个光准直器，就能进行激光束的高效率耦合。这就要求光准直器的光束出射方向和光准直器的机械对称轴重合，包括角度和位置的重合，这样的光准直器称为同轴光准直器。

在现有技术中，如图2所示，中国专利00135413披露了一种同轴光准直器，与传统光准直器类似，光纤201固定在毛细管202中形成尾纤203，准直透镜204与尾纤套入到外套管205中。外套管的机械对称轴为200。准直透镜及尾纤与外套管之间一般采用环氧树脂类粘接剂209粘合。为了防止回波，光纤和透镜的端面也会研磨一个小角度。该技术方案增加了一对契形光学元件206和207，两者之间的相对旋转及共同旋转可以补偿出射准直光束208的角度偏差。但该方案有两个缺点，一是不能补偿准直光束108与光准直器机械对称轴200的位置偏差，二是契形光学元件206和207的旋转工艺复杂，难以操作，大大增加了装配的难度和时间。

现有技术中，如图3所示，中国专利200480006902.0披露了一种同轴光准直器，与传统光准直器类似，光纤301固定在毛细管302中形成尾纤303，准直透镜304与尾纤套入到外套管305中。准直透镜304采用具有旋转对称的形式，如两端都为球面透镜，因此具有一个光学对称轴306，外套管的机械对称轴为300。由于外套管305的一边305a的厚度与另一边305b的厚度不同，外套管305的机械对准轴300与准直透镜304的光学对称轴306方向平行但位置不重合，有一个偏离量307。由于光纤301位于准直透镜304的光学对称轴306上，准直光束308经准直透镜304后出射方向与外套管305的机械对称轴300方向相同，同时由于外套管305a和305b的非对称性的补偿作用，出射准直光束308的位置与机械对称轴300也重合。尾纤和准直透镜与外套管之间也采用环氧树脂类粘接剂309粘合。该方案虽然可以同时保证角度和位置的同轴性，但偏心的外套管增加了成本，同时为保证出射准直光束308与机械对称轴300平行，尾纤303相对于准直透镜304的位置需要做精细的调整，这就要求外套管305的内壁和尾纤303的外壁留有足够的空隙以方便尾纤的位置调整，这使得粘接剂309的厚度过大，带来光准直器的稳定性和长期可靠性问题。

发明内容

为适应对同轴光准直器的需求，本发明提供了一种准直光束与机械对称轴的方向和位置都重合的同轴光准直器，同时具有低成本、稳定性和长期可靠性好的的特点。本发明还提供了这种准直器的制作方法。

如图4所示，本发明提供的同轴光准直器，包含：

1.含有至少一个输入光波导的尾纤401。

2.含有至少一个透镜的准直透镜403。

3.第一封装元件405具有一个机械对称轴400，所述机械对称轴是第一封装元件外周的几何中心，具有第一端面411，其法线方向与所述机械对称轴垂直。所述尾纤401或准直透镜403套入所述第一封装元件。

4.第二封装元件406，其外周尺寸小于第一封装元件，具有第二端面412；所述尾纤401或准直透镜403套入所述第二封装元件中。

机械对称轴400的方向为Z方向，与之垂直的方向为X和Y方向。

所述尾纤401相对准直透镜403在X和Y方向的相对位置设置使得出射准直光束408与所述机械对称轴400方向一致。

所述尾纤401面对准直透镜403一端具有第一倾斜角402；准直透镜403面对尾纤401一端具有第二倾斜角404；通过所述第一倾斜角和第二倾斜角的大小设置使得准直光束408与所述机械对称轴400位置重合。

所述第一封装元件的第一端面411与第二封装元件的第二端面412紧密粘合。

下面对位置和角度重合需要满足的条件作进一步分析。

第一倾斜角402和第二倾斜角404的共同作用决定了准直光束408出射时相对于机械对称轴400的X和Y方向的位置偏离。设光波导(光纤或其它波导材料)的折射率为n₁，第一倾斜角为α，准直透镜的折射率为n₂，焦距为f，第二倾斜角为β，所述尾纤和准直透镜的距离410为d。为使出射准直光束408与机械对称轴400的位置偏离为零，在一级近似的情况下，第一倾斜α和第二倾斜角度β需满足如下(1)式或(2)式：

(n₂-1)·β-(n₁-1)·α＝0      (1)

$(n_2-1)\·\mathrm{\β}-(n_1-1)\·\mathrm{\α}=\frac{d\·(n_2-1)\·\mathrm{\β}}{f}---\left(2\right)$

用(1)式或(2)式取决于具有机械对称轴的第一封装元件套入的是尾纤还是准直透镜：在套入准直透镜的情况下，用(1)式；在套入尾纤的情况下，用(2)式。

因此，所述出射光束和机械对称轴的位置重合是可以通过满足(1)式或(2)式的第一倾斜角α和第二倾斜角β的设置实现。

为使出射准直光束408与机械对称轴400的方向一致，尾纤401相对于准直透镜403的X和Y方向的相对位置需要调节。本发明提供的准直器具有一个端面粘接的结构，在使用粘接剂407和409之前，尾纤401和准直透镜403之间的X和Y方向上相对位置可以调节，使得出射准直光束408与机械对称轴400的方向一致。使用粘接剂409将所述尾纤401和准直透镜403与第一和第二封装元件粘合，使用粘接剂407将所述第一封装元件的第一端面和第二封装元件的第二端面粘合。

本发明还提供的一种同轴光准直器的制作方法，如图8所示，包括：

1.含有至少一个输入光波导的尾纤801，具有第一倾斜端面；

2.含有至少一个透镜的准直透镜803，具有第二倾斜端面，与所述第一倾斜端面相对；

3.第一封装元件802具有一个机械对称轴800，所述机械对称轴是第一封装元件外周的几何中心，尾纤801套入所述第一封装元件中；

4.第二封装元件804，其外周尺寸小于第一外套管，准直透镜803套入所述第二封装元件中；

5.一个夹持所述第一封装元件802的第一夹具805；

6.一个夹持所述第二封装元件804的第二夹具806，可以在XYZ方向上平移；

7.一个光源和一个光功率计；

8.一个反射镜807。

其特征在于：

所述反射镜807放置在所述准直透镜803一定距离处，其法线方向与所述第一封装元件802的机械对称轴800一致。光由所述尾纤输入，经反射镜反射后，再经尾纤输出并接入到一个光功率计监控光强。通常在尾纤和光源之间还接入一个光环形器或光耦合器，使之第三端口接入到光功率计，避免反向传输的光回到光源无法监控。

调节第二夹具与第一夹具的相对位置，使得光功率计监控光强的损耗最小。

将第一封装元件与第二封装元件紧密贴合，使用粘接剂使尾纤和准直透镜与第一和第二封装元件粘合，并使第一和第二封装元件之间粘合。

尾纤和准直透镜套入到第一还是第二封装元件中，不存在本质的区别，通常为使第一封装元件具有足够的长度以获得角度偏差较小的机械对称轴，可以选择尾纤和准直透镜两者中较长的一个套入。

反射镜也可用一个标准光准直器代替，在这种情况下，光从标准光准直器接入。使标准光准直器出射的准直光束方向和位置与机械对称轴800重合，从标准光准直器发出的准直光束经待制作的同轴光准直器的准直透镜聚焦后从其尾纤输出，并接入到光功率计监控光强，调节第二夹具与第一夹具的相对位置，使得光功率计监控光强的损耗最小后，将第一封装元件与第二封装元件紧密贴合，使用粘接剂使尾纤和准直透镜与第一和第二封装元件粘合，并使第一和第二封装元件之间粘合。

附图说明

图1  现有光准直器的结构图

图2  现有一种同轴光准直器的结构图，采用一对契形光学元件补偿出射准直光束的角度

图3  现有一种同轴光准直器的结构图，采用非对称外套管补偿位置偏差

图4  本发明提供的一种同轴光准直器的结构和原理图

图5  本发明提供的一种同轴光准直器的实施例1

图6  本发明提供的一种同轴光准直器的实施例2

图7  本发明提供的一种同轴光准直器的实施例3

图8  本发明提供的一种同轴光准直器的制作方法

具体实施方式

[实施例1]

本发明提供的同轴光准直器一个实施例如图5所示，包含：

1.含有一个输入光波导(光纤)的尾纤501。

2.含有一个圆柱形球面透镜的准直透镜503。

3.第一封装元件505，是一个圆柱形同轴中空管，可以是玻璃、金属或陶瓷材料，具有一个机械对称轴500和第一端面511。所述机械对称轴是第一封装元件外周的几何中心，其法线方向与所述机械对称轴垂直。所述尾纤501套入所述第一封装元件中。

4.第二封装元件506，其外周尺寸小于第一封装元件，具有第二端面512；所述准直透镜套入所述第二封装元件中。

机械对称轴500的方向为Z方向，与之垂直的方向为X和Y方向。

所述尾纤501相对准直透镜503在X和Y方向的相对位置设置使得出射准直光束508与所述机械对称轴500方向一致。

所述尾纤501面对准直透镜503一端具有第一倾斜角502；准直透镜503面对尾纤501一端具有第二倾斜角504。所述尾纤和准直透镜的距离510，记为d。由于选择了尾纤套入所述第一封装元件中，第一倾斜角和第二倾斜角的大小关系需满足前述(2)式，使得出射准直光束508与所述机械对称轴500位置重合。

粘接剂507使所述第一封装元件的第一端面511与第二封装元件的第二端面512紧密粘合。粘接剂509将所述尾纤和准直透镜与第一封装元件和第二封装元件紧密粘合。

所述圆柱形球面透镜503可采用高折射率光学材料，如SF11等，以减少球面象差，因尾纤的长度一般长于圆柱形球面透镜的长度，故选择尾纤套入第一封装元件中。

[实施例2]

本发明提供的同轴光准直器一个实施例如图6所示，包含：

1.含有一个输入光波导的尾纤601。

2.含有一个圆柱形梯度折射率透镜的准直透镜603。

3.第一封装元件605，是一个圆柱形同轴中空管，可以是玻璃、金属或陶瓷材料，具有一个机械对称轴600和第一端面611。所述机械对称轴是第一封装元件外周的几何中心，其法线方向与所述机械对称轴垂直。所述准直透镜套入所述第一封装元件中。

4.第二封装元件606，其外周尺寸小于第一封装元件，具有第二端面612；所述尾纤套入所述第二封装元件中。

机械对称轴600的方向为Z方向，与之垂直的方向为X和Y方向。

所述尾纤601相对准直透镜603在X和Y方向的相对位置设置使得出射准直光束608与所述机械对称轴600方向一致。

所述尾纤601相对准直透镜603一端具有第一倾斜角602；准直透镜603面对尾纤601一端具有第二倾斜角604。由于选择了准直透镜套入所述第一封装元件中，第一倾斜角和第二倾斜角的大小关系需满足前述(1)式，使得出射准直光束608与所述机械对称轴600位置重合。

粘接剂607使所述第一封装元件的第一端面611与第二封装元件的第二端面612紧密粘合。粘接剂609将所述尾纤和准直透镜与第一封装元件和第二封装元件紧密粘合。

进一步地，为防止所述准直透镜603的出射端面610与所述准直光束608垂直带来的回波问题，可使所述准直透镜603的出射端面610具有一个小倾斜角613，一般0.3到0.5度即可大幅度提高回波损耗。小倾斜角613对光束方向的偏折作用可以通过调整尾纤和准直透镜之间的X或Y方向的相对位置补偿，最终使得出射准直光束608与机械对称轴600方向仍旧重合。

在出射端面610具有一个小倾斜角613的情况下，尾纤和准直透镜的第一和第二倾斜角的关系仍由前述(1)式描述。

[实施例3]

本发明提供的同轴光准直器一个实施例如图7所示(抛面图)，包含：

1.含有多个输入光波导的尾纤阵列701。

2.含有多个透镜的准直透镜阵列703。

3.第一封装元件705是一个矩形中空管，可以是玻璃、金属或陶瓷材料，具有一个机械对称轴700和第一端面711。所述机械对称轴是第一封装元件外周的几何中心，其法线方向与所述机械对称轴垂直。所述尾纤阵列套入所述第一封装元件中。

4.第二封装元件706，其外周尺寸小于第一封装元件，具有第二端面712；所述准直透镜阵列固定在所述第二封装元件中，并在相对于所述尾纤阵列端贴合有一个契形光学元件710。

机械对称轴700的方向为Z方向，与之垂直的方向为X和Y方向。

所述尾阵列纤701相对准直透镜阵列703在X和Y方向的相对位置设置使得出射准直光束708与所述机械对称轴700方向一致。

所述尾纤阵列701面对准直透镜阵列703一端具有第一倾斜角702；契形光学元件710具有第二倾斜角704。由于选择了尾纤阵列镜套入所述第一封装元件中，第一倾斜角和第二倾斜角的大小关系需满足前述(2)式(尾纤阵列701与契形光学元件710之间的距离为d)，使得出射准直光束708与所述机械对称轴700位置重合。

所述准直透镜阵列703其透镜的排列方向713与所述机械对称轴700和第一封装元件705(矩形中空管)一个侧面的法线方向714垂直。

粘接剂707使所述第一封装元件的第一端面711与第二封装元件的第二端面712紧密粘合。粘接剂709将所述尾纤阵列和准直透镜阵列与第一封装元件和第二封装元件紧密粘合。

[实施例4]

本发明提供的同轴光准直器制作方法的一个实施例如图8所示，包含：

至少一个输入光波导的尾纤801，具有第一倾斜端面；

至少一个透镜的准直透镜803，具有第二倾斜端面，与所述第一倾斜端面相对；

第一封装元件802和第二封装元件804；

第一夹具805和第二夹具806；

一个反射镜807；

一个光源、光功率计和一个光环形器(未画出)。

其特征在于：

所述第一封装元件802具有一个机械对称轴800，是第一封装元件外周的几何中心；所述尾纤套入所述第一封装元件中。

所述第二封装元件804，其外周尺寸小于第一封装元件，所述准直透镜套入所述第二封装元件中。

所述第一夹具805夹持所述第一封装元件。

所述第二夹具806夹持所述第二封装元件，可以作三维平移调节。

所述反射镜807放置在所述准直透镜一定距离处，其法线方向与所述第一封装元件的机械对称轴800一致，反射由所述从准直透镜出射的准直光束。

所述光源和所述尾纤之间接入一个光环形器，光环形器的第三端口接入光功率计。

光由所述光源馈入尾纤输入，经准直透镜后成为准直光束，经反射镜反射，再经准直透镜聚焦后从尾纤反向输出，经光环形器的第三端口接入到光功率计监控光强。调节第二夹具与第一夹具的相对位置，使得光功率计上监控光强损耗最小。

将第一封装元件与第二封装元件紧密贴合，使用粘接剂使尾纤和准直透镜与第一和第二封装元件粘合，并使第一和第二封装元件之间粘合。

[实施例5]

与实施例4类似，只是将反射镜换成出射准直光束与所述机械对称轴方向和位置重合的标准准直器，不再需要光环形器。光源接入标准光准直器，用待制作同轴准直器接受光，并耦合到所述尾纤，尾纤连至光功率计，调节所述尾纤和准直透镜的相对位置，使光功率计上监控的光强损耗最小后，将第一封装元件与第二封装元件紧密贴合，使用粘接剂使尾纤和准直透镜与第一和第二封装元件粘合，并使第一和第二封装元件之间粘合。

Claims (11)

1.一种同轴光准直器，包含有：

至少一个输入光波导的尾纤，输入光；

至少一个透镜的准直透镜，输出准直光束；

第一封装元件和第二封装元件。

其特征在于：

所述第一封装元件具有一个机械对称轴，是所述第一封装元件外周的几何中心；所述第一封装元件具有第一端面，其法线方向与所述机械对称轴垂直；所述尾纤或准直透镜套入所述第一封装元件。

所述第二封装元件，其外周尺寸小于所述第一封装元件，具有第二端面；所述尾纤或准直透镜套入或固定在所述第二封装元件中。

机械对称轴的方向为Z方向，与之垂直的方向为X和Y方向。

所述尾纤与所述准直透镜在X和Y方向的相对位置设置使得出射准直光束与所述机械对称轴方向一致。

所述尾纤面对所述准直透镜一端具有第一倾斜角，所述准直透镜面对所述尾纤一端具有第二倾斜角；通过所述第一倾斜角和第二倾斜角的大小设置使得出射准直光束与所述机械对称轴位置重合。

所述第一封装元件的第一端面与第二封装元件的第二端面紧密粘合。

所述尾纤或准直透镜与所述第一封装元件或第二封装元件紧密粘合。

2.根据权利要求1所述的一种同轴光准直器，其特征在于，所述准直透镜是一个圆柱形球面透镜。

3.根据权利要求2所述的一种同轴光准直器，其特征在于，所述球面透镜由高折射率光学材料组成，折射率大于1.7。

4.根据权利要求1所述的一种同轴光准直器，其特征在于，所述准直透镜是一个圆柱形梯度折射率透镜。

5.根据权利要求4所述的一种同轴光准直器，其特征在于，所述梯度折射率透镜在准直光束出射端面的法线相对于所述机械对称轴不垂直。

6.根据权利要求1至5所述的任一种同轴光准直器，其特征在于，所述第一封装元件是一个圆柱形同轴中空管，可以是玻璃、金属或陶瓷材料。

7.根据权利要求1所述的一种同轴光准直器，其特征在于，所述准直透镜是一个透镜列阵，所述尾纤含有多个光波导。

8.根据权利要求1或7所述的任一种同轴光准直器，其特征在于，第一封装元件是一个矩形中空管，可以是玻璃、金属或陶瓷材料。

9.一种同轴光准直器的制作方法，包含有：

至少一个输入光波导的尾纤，具有第一倾斜端面；

至少一个透镜的准直透镜，具有第二倾斜端面，与所述第一倾斜端面相对；

第一封装元件和第二封装元件；

第一夹具和第二夹具；

一个反射镜；

一个光源和一个光功率计。

其特征在于：

所述第一封装元件具有一个机械对称轴，是第一封装元件外周的几何中心，所述尾纤或准直透镜套入所述第一封装元件中。

所述第二封装元件，其外周尺寸小于第一封装元件，所述尾纤或准直透镜套入或固定在所述第二封装元件中。

所述第一夹具夹持所述第一封装元件。

所述第二夹具夹持所述第二封装元件，可以作三维平移调节。

所述反射镜放置在所述准直透镜一定距离处，其法线方向与所述第一封装元件的机械对称轴一致。

光由所述光源馈入所述尾纤输入，经准直透镜后成为准直光束，经反射镜反射，再经准直透镜聚焦后从尾纤输出，并接入到光功率计监控光强。调节第二夹具与第一夹具的相对位置，使得光功率计上监控光强损耗最小。

将第一封装元件与第二封装元件紧密贴合，使用粘接剂使尾纤和准直透镜与第一和第二封装元件粘合，并使第一和第二封装元件之间粘合。

10.根据权利要求9所述的同轴光准直器的制作方法，其特征在于，在尾纤和光源之间接入一个光环形器或光耦合器，其第三端口接入到所述光功率计。

11.一种同轴光准直器的制作方法，包含有：

至少一个输入光波导的尾纤，具有第一倾斜端面；

至少一个透镜的准直透镜，具有第二倾斜端面，与所述第一倾斜端面相对；

第一封装元件和第二封装元件；

第一夹具和第二夹具；

一个标准光准直器；

一个光源和一个光功率计。

其特征在于：

所述第一封装元件具有一个机械对称轴，是第一封装元件外周的几何中心。所述尾纤或准直透镜套入所述第一封装元件中。

所述第二封装元件，其外周尺寸小于第一封装元件，所述尾纤或准直透镜套入所述第二封装元件中。

所述第一夹具夹持所述第一封装元件。

所述第二夹具夹持所述第二封装元件，可以作三维平移调节。

所述标准光准直器放置在所述准直透镜一定距离处，其出射准直光束方向和位置与所述第一封装元件的机械对称轴重合。

光由所述光源馈入所述标准光准直器，准直后成为准直光束，通过所述待制作的同轴光准直器的准直透镜聚焦后从所述尾纤输出，并接入到光功率计监控光强。调节第二夹具与第一夹具的相对位置，使得光功率计上监控光强损耗最小。

将第一封装元件与第二封装元件紧密贴合，使用粘接剂使尾纤和准直透镜与第一和第二封装元件粘合，并使第一和第二封装元件之间粘合。