CN104457600A

CN104457600A - 一种光纤准直器阵列的测试装置

Info

Publication number: CN104457600A
Application number: CN201410667563.6A
Authority: CN
Inventors: 万助军; 米仁杰; 罗志祥; 陈旭
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2034-11-20
Also published as: CN104457600B

Abstract

本发明公开了一种光纤准直器阵列的测试装置，包括分光棱镜、数据处理模块、第一光路和第二光路；第一光路由第一物镜和第一光电成像模块构成；第二光路由第一微透镜阵列、第二物镜和第二光电成像模块构成；分光棱镜用于将光纤准直器阵列发出的高斯光束等分为相互垂直的两路，水平的一路经过第一光路后输出，垂直的一路经过第二光路后输出；数据处理模块对所述第一光路采集的光斑图像数据和第二光路采集的光斑图像数据进行处理并获得平行度和间距。本发明由分光棱镜将一组高斯光束分为能量相等的两组；两组高斯光束分别经光电成像模块成像后，再进行数据处理得到光束的间距和平行度；可实时测试光纤准直器阵列的平行度以及各光纤准直器间的间隔。

Description

一种光纤准直器阵列的测试装置

技术领域

本发明属于光纤通信领域，更具体地，涉及一种光纤准直器阵列的测试装置。

背景技术

光纤无源器件是光纤通信系统中的一类重要器件，用以实现光信号的连接、能量分波/合波、波分复用/解复用、光路转换、能量衰减、反向隔离等功能。为了实现一定的器件功能，输入与输出光纤之间需要插入棱镜、晶体、波片、法拉第旋光片等各种光学元件，为了将器件的损耗降至最小，输入光纤发射的发散光束首先被一个透镜准直，经过上述光学元件之后，再被另一个透镜重新聚焦并耦合到输出光纤中。这种光纤+透镜结构被称为光纤准直器，在光纤无源器件中有着广泛的应用。

在波长选择开关、可调光学滤波器阵列、光开关矩阵等大端口数的光纤器件或者模块中，为了缩小器件或者模块的尺寸，往往需要把光纤准直器做成阵列式结构。光纤准直器阵列输出的是大光斑、小发散角的光束阵列，由于技术和工艺原因，准直光束之间往往存在间距和平行度误差，严重影响大端口光纤器件的性能指标。

因此对于光纤准直器阵列，一方面需要提高设计和工艺水平，同时也需要准确高效的技术手段对其间距和平行度进行检测，并尽可能在装配工艺过程中，实时提供矫正的依据。

现有技术1通过自动控制系统调整光纤与准直透镜的间距，使光耦合效率最大化。现有技术2通过图像处理技术进行监控，调整光纤与准直透镜的相对方位和间距，使耦合效率最大化。这些现有的技术方案，都不能对光纤准直器阵列的间距和平行度进行检测。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可以对光纤准直器阵列的平行度和间距进行测量的测试装置。

本发明提供了一种光纤准直器阵列的测试装置，包括分光棱镜、数据处理模块、第一光路和第二光路；所述第一光路由中心位于同一直线的第一物镜和第一光电成像模块构成；所述第二光路由中心位于同一直线的第一微透镜阵列、第二物镜和第二光电成像模块构成；所述分光棱镜用于将光纤准直器阵列发出的高斯光束等分为相互垂直的两路，水平的一路经过所述第一光路后输出给数据处理模块，垂直的一路经过所述第二光路后输出给数据处理模块；所述数据处理模块对所述第一光路采集的光斑图像数据和所述第二光路采集的光斑图像数据进行处理并获得所述光纤准直器阵列的平行度和间距。

更进一步地，所述光纤准直器阵列包括单模光纤阵列和第二微透镜阵列，在所述单模光纤阵列的光纤端面与所述第二微透镜阵列之间的距离D₀略大于第二微透镜的焦距f_1。

更进一步地，所述第一微透镜阵列的结构与所述第二微透镜阵列的结构相同。

更进一步地，所述分光棱镜的中间镀有半透半反光学薄膜，且所述半透半反光学薄膜与棱镜边框成45°角。

更进一步地，根据公式

\{\begin{matrix} Δ = d_{0} - \frac{(L_{2} - f_{1} - l_{0}) l_{0} d_{1} + L_{1} d_{2}}{β [L_{1} f_{1} + (L_{2} - f_{1} - l_{0}) l_{0}]} \\ δ = θ_{0} - \frac{(d_{2} - d_{1}) f_{1}}{β [L_{1} f_{1} + (L_{2} - f_{1} - l_{0}) l_{0}]} \end{matrix}

获得间距误差Δ和平行度误差δ；其中，d₀为光纤准直器阵列的输出光束的标准间距值，θ₀为光纤准直器阵列的输出光束的标准角度值，L₁为光纤准直器阵列的出射端口与第一光路中第一物方光斑平面的光程距离，L₂为光纤准直器阵列的出射端口与第二光路中第二物方光斑平面的光程距离，f₁为第一微透镜阵列的焦距，l₀为弥散传输距离，d₁为第一光路中光束成像后光斑中心的间距，d₂为第二光路中光束成像后光斑中心的间距。

本发明提供的光纤准直器阵列的测试装置采用自由空间光学结构，首先由分光棱镜将光纤准直器阵列出射的一组高斯光束分为能量相等的两组；两组高斯光束分别经光电成像模块成像后，再进行数据处理得到光束的间距和平行度；可实时测试光纤准直器阵列的平行度以及各光纤准直器间的间隔。

附图说明

图1是本发明提供的光纤准直器阵列的测试装置的结构框图；

图2示出了光纤准直器阵列中微透镜对高斯光束的变换过程；

图3中，(a)示出了光纤准直器阵列的平行度参数，(b)示出了光纤准直器阵列的间距参数；

图4是物镜对高斯光束的变换过程示意图；

图5示出了微透镜阵列对准直光束的重聚焦过程示意图；

图6示出了物镜对高斯光束的变换过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种光纤准直器阵列的测试装置，可广泛应用于光纤准直器阵列的平行度及间距的测量。图1示出了该测试装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

光纤准直器阵列的测试装置用于对光纤准直器阵列1的平行度及间距进行测量，包括分光棱镜2、第一物镜3、第一光电成像模块4、第一微透镜阵列5、第二物镜7、第二光电成像模块8和数据处理模块9；分光棱镜2用于将光纤准直器阵列1发出的高斯光束等分为相互垂直的两路，一路经过第一光路后输出给数据处理模块9，另一路经过第二光路后输出给数据处理模块9；其中第一光路由第一物镜3和第一光电成像模块4构成；其中第一物镜3的中心、第一光电成像模块4的中心与分光棱镜2的中心位于同一直线；第二光路由第一微透镜阵列5、第二物镜7和第二光电成像模块8构成，第一微透镜阵列5的中心、第二物镜7的中心和第二光电成像模块8的中心位于同一直线。

本发明装置的工作过程如下：从光纤准直器阵列1中发出的大光斑小发散角的高斯光束阵列，经分光棱镜2后，分为两个部分，分别为第一光路和第二光路。第一光路中，第一物镜3以高斯光束阵列的束腰位置为物对其成像在第一光电成像模块4上，经第一光电模块4成像后生成图像，传输至数据处理模块9。第二光路中，高斯光束阵列经第一微透镜阵列5变换为小光斑大发散角的高斯光束，经弥散一段距离后，光斑大小达到需要尺寸，第二物镜7以此处为物对其成像在第二光电成像模块8上，经第二光电模块8成像后生成图像，传输至数据处理模块9。数据处理模块9，将两光路采集到的光斑图像分别先获取每个像素的灰度值，再采用自适应阈值方法优化探测窗口，并在探测窗口内采用线性插值方法提高光斑的信噪比，最后通过一阶矩阵法计算光斑质心位置，从而得出两图像上光斑中心的间距分别为d₁、d₂，从而计算出光纤准直器阵列1的平行度和间距，达到本发明装置的目的。

在本发明实施例中，分光棱镜2的尺寸应满足能接收全部从光纤准直器阵列1发出的高斯光束，分光棱镜剖面为正方形，其边长要大于光纤准直器阵列的尺寸。如果光纤准直器阵列是2微阵列，即图1中这个剖面的纵向还有一个尺寸，则分光棱镜的高应该也大于光纤准直器阵列1的纵向尺寸。

作为本发明的一个实施例，第一微透镜阵列5与光纤准直器阵列1中的第二微透镜阵列11(如图2所示)的尺寸结构完全相同。第一光路中，光纤准直器阵列1、分光棱镜2、第一物镜3、第一光电成像模块4的中心均位于同一直线(即第一光路的光轴)上；第二光路中，分光棱镜2、第一微透镜阵列5、第二物镜7、第二光电成像模块8的中心据位于同一直线(即第二光路的光轴)上。

如图2所示，光纤准直器阵列1用于将一组光纤10发射的小光斑大发散角高斯光束ω₀变换为大光斑小发散角高斯光束ω₁，以便于在一些光学元件中传输。光纤准直器阵列1包括单模光纤阵列10、第二微透镜阵列11。

光纤端面12与第二微透镜阵列11的间距D₀略大于微透镜的焦距f₁，变换之后的高斯光束，其束腰位置距离微透镜的距离为L₀。根据需要，可通过微调D₀来改变L₀。如图3中的(a)和(b)所示，光纤准直器阵列的两项关键技术指标，就是其输出准直光束阵列的平行度和间距：实际光束方向14相对于理想方向15的偏角δ，实际光斑位置16相对于理想位置17的偏移量Δ，其中偏角δ可以用于衡量平行度，而偏移量Δ则用于反映间距。这两项技术指标对光纤准直器阵列的应用至关重要，因此需要进行精密的测量。

现结合附图详述本发明实施例提供的测试装置的工作过程如下：为了同时对平行度和间距进行测量，光纤准直器阵列1输出的一组准直高斯光束，被分光棱镜2分为两组，分别沿第一光路和第二光路传输，在第一光路中，如图4所示，准直光束被第一物镜3变换之后，成像在第一光电成像模块4上，光斑半径由ω₁变换为ω₂，同时光斑阵列的分布范围由第一范围18缩小为第二范围19，以保证所有光斑均能成像到光电成像模块上。其中，第一光电成像模块4位于高斯光束的非束腰位置，并且光斑直径2ω₂ 范围内需覆盖足够多的像素数量，才能保证后续对光斑图像的处理精度。

在第二光路中，如图5所示，首先通过第一微透镜阵列5将准直光束重新聚焦，将光束的角度偏差变换为位置偏差，第一微透镜阵列5的焦距与光纤准直器阵列中的第二微透镜阵列11相同，二者间距为2L₀，因此半径为ω₁的准直光束，重新聚焦在第一平面20处的光束半径为ω₀，与光纤表面12处相同。

在第二光路中，重新聚焦在第一平面20处的高斯光束，通过第二物镜7成像在第二光电成像模块8上，如图6所示。为了保证阵列中的所有光斑均能同时成像在第二光电成像模块8上，并且每个成像光斑足够大以覆盖足够多的像素数量，第一平面20处的小光斑高斯光束传输距离l₀至第二平面21处，光斑弥散到足够大再成像，因此在实际操作过程中，调节第二光电成像模块8的位置对第二平面21成像。第一平面20处的小光斑如22所示，第二平面21处的弥散光斑如23所示，成像平面8处的光斑如24所示，其中第一平面20至第二平面21的光斑弥散过程中，光束阵列的分布范围保持不变。

第一光电成像模块4和第二光电成像模块8得到的光斑阵列图像，均传至数据处理模块9进行处理，数据处理模块9将两光路采集到的光斑图像分别先获取每个像素的灰度值，再采用自适应阈值方法优化探测窗口，并在探测窗口内采用线性插值方法提高光斑的信噪比，最后通过一阶矩阵法计算光斑质心位置，从而得出两图像上光斑中心的间距分别为d₁、d₂，通过分析光斑位置和间距信息，进而得到准直器阵列输出光束的间距和平行度。

本发明提供的光纤准直器阵列的测试装置可实时测试光纤准直器阵列的平行度以及各光纤准直器间的间隔；采用自由空间光学结构，首先由分光棱镜将光纤准直器阵列出射的一组高斯光束分为能量相等的两组；两组高斯光束分别经光电成像模块成像后将数据交由计算机程序进行处理，计算得到光束的间距和平行度。本发明将间距和平行度两个测试内容整合到一个模块中，减小了体积；同时程序算法加以优化，提高了精确度。采用计算机程序处理，也为后续的利用计算机程序进行光纤准直器阵列矫正提供了扩展便利。

在本发明实施例中，第一光电成像模块4和第二光电成像模块8均可以采用CCD相机实现，现以CCD相机为例，详述该测试装置的工作原理如下：

给定参数：准直器阵列的截面尺寸为W₁×H₁、CCD芯片感光器件的尺寸为W₂×H₂、光纤发射高斯光束的束腰半径为ω₀、准直器阵列输出高斯光束的束腰半径为ω₁。

如图4和图6所示，截面尺寸为W₁×H₁的一组高斯光斑，大光斑小发散角的高斯光束(图4)其束腰位置17距第一物镜3的距离为l₁(即物距)，第一光电成像模块4距第一物镜3的距离为l₂(即像距)，小光班大发散角(图6)的高斯光束其束腰位置为第一平面20，经弥散距离l₀后，传输至第二平面21，光斑半径为ω₃，第二物镜7对第二平面21聚焦，即第二平面21距离第二物镜7为l₃(即物距)，第二光电成像模块8距第二物镜7的距离为l₄(即像距)。分别经第一物镜3和第二物镜7，成像在第一光电成像模块4和第二光电成像模块8上。为了保证所有光斑同时成像在第一光电成像模块4和第二光电成像模块8上，要求成像过程的垂轴放大率β<W₂/W₁且β<H₂/H₁。根据透镜的成像特性，可以得到两次成像的物距和像距分别如式(1)和式(2)：l₂＝l₄＝(1+β)f₂……(2)。

高斯光束的传输特性，可以用q参数描述，光纤端面12处为高斯光束的束腰位置，其束腰半径为ω₀，高斯光束的波长为λ，则其q参数以式(3) 描述；传输距离z之后的q参数以式(4)描述，光束半径ω(z)以式(5)计算；一个焦距为f的透镜，对高斯光束的变换作用可以式(6)描述，其中q₂为变换后的q参数，q₁为变换前的q参数；在高斯光束传输的某个位置z，可根据式(7)由q参数计算光束半径ω(z)；q(z)＝q₀+z……(4)；

ω^{2} (z) = ω_{0}^{2} (1 + \frac{z^{2}}{z_{0}^{2}}) \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (5); \frac{1}{q_{2}} = \frac{1}{q_{1}} - \frac{1}{f} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (6);

\frac{1}{ω^{2} (z)} = - \frac{π}{λ} Im {\frac{1}{q (z)}} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (7) .

由式(3)-(7)可证明，经透镜变换前后，当物像关系的垂轴放大率为β时，高斯光束的光斑放大率也是β。这说明在图4、图6的变换过程中，光斑分布范围由第一范围18缩小为第二范围19或由23所示缩小为24所示，光斑尺寸也等比缩小。

在第二光路中，准直光束经第一微透镜阵列5重新聚集，光斑半径由ω₁变换为ω₀，如果通过第二物镜7和第二光电成像模块8对这组光束直接成像，则在CCD芯片上得到的光斑尺寸太小，不能覆盖足够多的像素，在后续图像处理过程中，光斑的位置精度无法保证。因此在图6中，让第一平面20处的小光斑高斯光束先传输距离l₀至第二平面21处，光斑尺寸由ω₀弥散至ω₃，再通过第二物镜7和第二光电成像模块8成像。

光纤阵列10可以为单模光纤阵列，其排列方式由图3(a)确定，每根光纤中耦合一路信号，光纤端口应处于光纤准直器阵列2的微透镜的前焦平面附近。

光纤准直器阵列1排列方式如图2所示，它由光纤阵列10和第二微透镜阵列11组成，光纤阵列采用单模光纤，光纤端面12位于微透镜前焦面附近，间距D₀略大于微透镜焦距f₁，根据需要，微调间距D₀可改变准直光束的束腰位置L₀，准直光束的束腰半径ω₁取决于单模光纤发射的光束半径ω₀和微透镜焦距f₁。

分光棱镜2是由玻璃制成的正方体，中间镀有半透半反光学薄膜，与棱镜边框成45°角，从而将入射到分光棱镜的一组高斯光束分为两组，通过对两组高斯光束的后续光路变换、成像和数据处理，得到光纤准直器阵列的间距和平行度参数。

第一微透镜阵列5的排列方式和参数与光纤准直器阵列中的第二微透镜阵列11相同，如图5所示，置于光纤准直器阵列的工作距离2L₀处，将准直器阵列输出的一组高斯光束重新聚焦，从而将光束阵列的角度偏差变换为位置偏差，再通过后续的光电成像模块和数据处理过程进行分析。

第一物镜3和第二物镜7均可以为正焦距凸透镜，其功能是将两组高斯光束分别成像至第一光电成像模块4和第二光电成像模块8上，其焦距f₂的设计，应与相应的物距l₁、l₃和像距l₂、l₄统筹考虑，保证将所有光斑同时成像到CCD芯片上。

第一光电成像模块4和第二光电成像模块8用于将光斑图像转换为电信号，并经过处理将模拟信号转换为数字信号输入到计算机中进行数据处理和计算。

数据处理模块9可以采用图形化界面的图片处理，提高人机互动性。同时，可以采用质心法以及线性插值法来计算光斑中心位置并减小误差，通过此方法，光斑中心位置相对误差可以达到1‰以下。

通过图像处理方法分析光斑中心位置，经数据处理后，得到第一光电成像模块4和第二光电成像模块8上的光斑间距分别为d₁、d₂。垂轴放大率均为β，光纤准直器阵列1的出射端口与第一光路和第二光路中物方光斑平面13和21的光程距离分别为L₁、L₂，第一微透镜阵列5的焦距为f₁，弥散距离(高斯光束因为需要，在束腰位置之后继续传输一段距离变为需要的大光斑，此时发散角不变，这段距离就称为弥散距离，见图6)为l₀，则光纤准直器阵列1输出光束的间距d和角度θ分别表示为：

\{\begin{matrix} d = \frac{(L_{2} - f_{1} - l_{0}) l_{0} d_{1} + L_{1} d_{2}}{β [L_{1} f_{1} + (L_{2} - f_{1} - l_{0}) l_{0}]} \\ θ = \frac{(d_{2} - d_{1}) f_{1}}{β [L_{1} f_{1} + (L_{2} - f_{1} - l_{0}) l_{0}]} \end{matrix} - - - (8)

由式(8)即可计算准直器阵列1输出光束的间距误差Δ和平行度误差δ。查看光纤准直器阵列1的生产手册，可得到标准准直器阵列1的输出光束的间距d₀和角度θ₀。由此计算得准直器阵列1输出光束的间距误差Δ和平行度误差δ为

\{\begin{matrix} Δ = d_{0} - d \\ δ = θ_{0} - θ \end{matrix} - - - (9)

本发明装置可以同时测量光纤准直器阵列输出光束的间距和平行度，所以减小了装置的整体体积。通过图像处理软件实时分析图像数据，并通过图形化界面实时显示，提高了人机互动性。采用线性插值的方法，极大地提高了数据处理的精度，从而提高了测量精度。

同时，由于该装置可以实时处理图像数据并显示分析结果，为后续增加扩展功能提供了方便。比如可以根据实时分析结果，对光纤准直器阵列中的组成元件进行调整，使准直输出光束的间距和平行度达到要求。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种光纤准直器阵列的测试装置，其特征在于，包括分光棱镜(2)、数据处理模块(9)、第一光路和第二光路；所述第一光路由中心位于同一直线的第一物镜(3)和第一光电成像模块(4)构成；所述第二光路由中心位于同一直线的第一微透镜阵列(5)、第二物镜(7)和第二光电成像模块(8)构成；

所述分光棱镜(2)用于将光纤准直器阵列(1)发出的高斯光束等分为相互垂直的两路，水平的一路经过所述第一光路后输出给数据处理模块(9)，垂直的一路经过所述第二光路后输出给数据处理模块(9)；所述数据处理模块(9)对所述第一光路采集的光斑图像数据和所述第二光路采集的光斑图像数据进行处理并获得所述光纤准直器阵列(1)的平行度和间距。

2.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述光纤准直器阵列(1)包括单模光纤阵列(10)和第二微透镜阵列(11)，在所述单模光纤阵列(10)的光纤端面(12)与所述第二微透镜阵列(11)之间的距离D₀略大于第二微透镜的焦距f₁。

3.如权利要求2所述的测试装置，其特征在于，所述第一微透镜阵列(5)的结构与所述第二微透镜阵列(11)的结构相同。

4.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述分光棱镜(2)的中间镀有半透半反光学薄膜，且所述半透半反光学薄膜与棱镜边框成45°角。

5.如权利要求1-4任一项所述的测试装置，其特征在于，根据公式

\{\begin{matrix} Δ = d_{0} - \frac{(L_{2} - f_{1} - l_{0}) l_{0} d_{1} + L_{1} d_{2}}{β [L_{1} f_{1} + (L_{2} - f_{1} - l_{0}) l_{0}]} \\ δ = θ_{0} - \frac{(d_{2} - d_{1}) f_{1}}{β [L_{1} f_{1} + (L_{2} - f_{1} - l_{0}) l_{0}]} \end{matrix}

获得间距误差Δ和平行度误差δ；

其中，d₀为光纤准直器阵列的输出光束的标准间距值，θ₀为光纤准直器阵列的输出光束的标准角度值，L₁为光纤准直器阵列的出射端口与第一光路中第一物方光斑平面(13)的光程距离，L₂为光纤准直器阵列的出射端口与第二光路中第二物方光斑平面(21)的光程距离，f₁为第一微透镜阵列的焦距，l₀为弥散传输距离，d₁为第一光路中光束成像后光斑中心的间距，d₂为第二光路中光束成像后光斑中心的间距。