CN105974523A - 一种微型低损耗光波分复用器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型低损耗光波分复用器，双光纤头固定在第一套管内，左边透镜固定在第二套管内，右边透镜固定在第三套管内，单光纤头固定在第四套管内；第一套管的右端面与第二套管左端面相固接，第三套管右端面与第四套管左端面相固接；第一套管、第二套管、第三套管以及第四套管都固定在最外层金属套管内；多层介质膜滤波片分别与第二套管右端面端和第三套管左端面相固接。本发明的插入损耗比较小，体积小。

Description

一种微型低损耗光波分复用器

技术领域

本发明涉及一种光波分复用器，尤其涉及一种微型低损耗光波分复用器，属于光纤通信技术领域。

背景技术

现有技术方案的光波分复用器的结构一般类似说明书附图的图l所示：由双光纤头101中的一根光纤发射多通道光信号，经过Grin-Lens(自聚焦透镜)104准直，入射多层介质膜滤波片105；经多层介质膜滤波片105的多光束干涉选择出透射的通道光信号入射透镜106，经透镜106会聚，耦合进单光纤头108；从多层介质膜滤波片105表面反射的其余光信号经自聚焦透镜104会聚，耦合进双光纤头101中的另外一根光纤；完成光波分复用功能。

其中，胶110用于固定多层介质膜滤波片105在Grin-Lens(自聚焦透镜)104的平面端，胶111用于固定Grin-Lens(自聚焦透镜)104的斜面端与双光纤头101的斜面端；双光纤准直器组件通过胶固定在第一套管102内，再被用胶103固定在第二套112内，再用胶密封；通过胶把Grin-Lens(自聚焦透镜)106在第三套管107内，单光纤头108通过胶固定在第三套管107内，胶109把第三套管107固定在第二套管112内，再用胶密封。

现有技术方案的光波分复用器的缺点在于使用预先固定工作距离和束腰大小的单光纤准直器，当双光纤准直器与单光纤准直器耦合时，除了工作距离和束腰大小的失配特别是对于密集波分复用领域，还会有更严重的耦合失配：由于多层介质膜滤波片105的多光束干涉时所导致的光斑扩束和光斑中心位移的高斯光束参数变化所带来的耦合失配。

理论分析如下：

一、工作距离和束腰大小的失配：

两光纤通过透镜耦合的光路图如说明书附图的图4所示。

光纤a发出的束腰半径为ω₀₀，数值孔径为NA₁的高斯光束，经过准直透镜、聚焦透镜L，作用后，束腰半径和数值孔径分别为ω₀₁和NA₂,再由光纤b接收。而光纤b只接收满足ω₀₁≤ω_0b和NA₂≤NA_b光束，其中ω_0b和NA_b由光纤b决定。

为将光纤a发出的光全部耦合进光纤b，需要确定合适的光纤a物距d₁，光纤a像距d₂，光纤b像距d₃和光纤b物距d₄，准直透镜焦距F₁和聚焦透镜焦距F₂。

由于光通信器件内部的各准直器一般采用同一种规格的光纤，而光纤出射光的高斯光束的束腰就在光纤端面，当光纤端面置于透镜焦距为f的透镜的前焦点处时，此时在透镜右边的高斯光束具有最大的束腰值ω₀₁，根据基模高斯光束空间变换，可以得到：

${\mathrm{\ω}}_{01}=\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\π\ω}}_{00}}f$

其中，光信号的中心波长为λ。当光纤a采用透镜焦距为f的准直透镜得到最大值则光纤b应相应采用透镜焦距为f的准直透镜得到最大值ω₀₁，当两高斯光束在同样大小束腰ω₀₁的位置耦合时，得到最佳耦合，则光纤a出射的光全部祸合进光纤b。

考虑到两准直器对调装配相合的各不确定因素，两光纤通过透镜准直的高斯光束的相合失配情况如说明书附图的图5所示。

根据模场相合理论，两个单模光纤准直器耦合时，光场分布为E₁的高斯光束1与光强分布为E₂高斯光束2的耦合效率T为：

$T=\frac{|\∫\∫E_1\·E_2^{*}dxdy{|}^2}{\∫\∫|E_1{|}^{2}dxdy\·\∫\∫|E_2{|}^{2}dxdy}$

式中：为E₂的共轭复数，x和y为坐标。

根据模场耦合理论，运用高斯光束传输理论，经进一步推导，可以分别从模场失配耦合、横向偏离耦合、轴向偏离耦合和偏角耦合这四个方面理论计算出两个单模光纤准直器之间的插入损耗。

1)模场失配耦合损耗IL₁：

${\mathrm{IL}}_1=-10log\left\{\frac{4}{{\[{(\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_2}\]}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_2}\right)}^2\]}^2}\right\}$

式中：Δω＝ω₁-ω₂，即表示Δω为耦合两准直器的束腰半径ω₁和ω₂之差。

2)横向偏离耦合损耗IL₂：

${\mathrm{IL}}_2=-10log\[\exp \left(\frac{-{\mathrm{dx}}^2}{{\mathrm{\ω}}_2^2}\right)\]$

式中：dx为横向偏离距离。

3)轴向偏离耦合损耗IL₃：

${\mathrm{IL}}_3=-10log\[\frac{1}{1+{\left(\frac{\mathrm{\λ}\mathrm{\Δ}z}{2{\mathrm{\π\ω}}_2^2}\right)}^2}\]$

式中：Δz为轴向偏离距离，λ为光波波长。

4)偏角耦合损耗IL₄：

${\mathrm{IL}}_4=-10log\{\exp \[\frac{-{\mathrm{d\θ}}^2}{{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\π\ω}}_2}\right)}^2}\]\}$

式中：dθ为偏角角度。

现有技术方案的光波分复用器使用预先固定工作距离和束腰大小的准直器，由于光波分复用器的光路设计已经固定了双光纤准直器和单光纤准直器的位置，在这样的限制条件下，单光纤准直器与双光纤准直器进行对调时，通过细调调整架的俯仰、升降、旋转、X轴平移和Y轴平移等调节螺杆，只能尽可能地消除单光纤准直器与双光纤准直器耦合时的角度失配损耗，而不能解决束腰失配损耗和轴向失配损耗。

这是采用预先固定工作距离和束腰大小的准直器的光波分复用器的固有缺点。

二、多层介质膜滤波片的多光束干涉时所导致的光斑扩束和中心光路错位的高斯光束参数变化所带来的耦合失配。

当一束光以一定的角度入射到多层介质膜的表面时，光束在多层介质膜内各介质的交界面发生多次反射和折射，总反射光和透射光都是由多光束合成，在空气中就是多次反射光相干叠加的结果。光束的电矢量和磁矢量各分为两个分量，平行于入射面的分量为P波，垂直于入射面的分量为S波。

以空气与多次介质膜的第一层介质薄膜的反射光为例：

设定φ₀为入射角，φ₁和φ₂为第一层薄膜和第二层薄膜的折射角，n₀为空气的折射率，n₁为第一层薄膜的折射率，n₂为第二层薄膜的折射率。由菲涅尔反射公式，可以给出P波和S波的振幅反射系数(r_p，r_s)。对于空气与第一层介质薄膜的界面，P波和S波的反射系数分别为：

$r_{1p}=\frac{n_1{\mathrm{cos\φ}}_0-n_0{\mathrm{cos\φ}}_1}{n_1{\mathrm{cos\φ}}_0+n_0{\mathrm{cos\φ}}_1}=\frac{tan({\mathrm{\φ}}_0-{\mathrm{\φ}}_1)}{tan({\mathrm{\φ}}_0+{\mathrm{\φ}}_1)}$

$r_{1s}=\frac{n_0{\mathrm{cos\φ}}_0-n_1{\mathrm{cos\φ}}_1}{n_0{\mathrm{cos\φ}}_0+n_1{\mathrm{cos\φ}}_1}=\frac{sin({\mathrm{\φ}}_0-{\mathrm{\φ}}_1)}{sin({\mathrm{\φ}}_0+{\mathrm{\φ}}_1)}$

根据折射定律，φ₀和φ₁应满足下面关系：

n₀sinφ₀＝n₁sinφ₁

对于第一层介质薄膜与第二层介质薄膜的界面，同理有上述确定的关系式。进而可以算出，任意两相邻反射光间的光程差L：

L＝2n₁dcosφ₁

其中d为第一层介质薄膜的厚度。由此光程差引起的相邻两级反射光的位相差为2δ，则：

$\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d{(n_1^2-n_0^2{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_0)}^{\frac{1}{2}}$

由于第一层介质薄膜上下表面对光多次反射和折射，我们在空气中看到的是多次反射光相干叠加的结果,引入P波、S波的总振幅反射系数：

其中：(E_p)_反为P波反射振幅，(E_p)_入为其入射振幅；(E_s)_反为S波的反射振幅，(E_s)_入为其入射振幅。根据多光束干涉理论，我们可以求得总振幅反射系数：

$R_p=\frac{r_{1p}+r_{2p}{e}^{-2i\mathrm{\δ}}}{1+r_{1p}{r}_{2p}{e}^{-2i\mathrm{\δ}}},R_s=\frac{r_{1s}+r_{2s}{e}^{-2i\mathrm{\δ}}}{1+r_{1s}{r}_{2s}{e}^{-2i\mathrm{\δ}}}$

其中：r_2p表示第二层介质薄膜的P波的反射系数；r_2s表示第二层介质薄膜的S波的反射系数；i表示虚数。

由于P波的振幅反射系数r_p和S波的反射系数r_s不等，总振幅反射系数也各不相同；多信道光信号多光束干涉后，各波长的P波和S波的振幅衰减比或相对振幅衰减也各不相同，最终多信道光信号的P波和S波的组合波形就不相同；外在表现就是多信道光信号的反射光斑变大并且光斑中心产生位移。同理分析可以得到多信道光信号的透射光斑变大并且光斑中心产生位移。

多层介质膜滤波片105的介质膜层数越多，则上述现象越严重。由于多层介质膜滤波片105的多光束干涉所导致的光斑扩束和光斑中心位移，透射光的高斯光束参数发生变化，从而对预先固定工作距离和束腰大小的准直器带来横向位移耦合损耗和束腰耦合损耗失配。粗波分复用领域的光波分复用器会有上述耦合失配问题，对于密集波分复用领域的光波分复用器，会有更严重的耦合失配问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型低损耗光波分复用器，解决现有技术中光波分复用器耦合适配问题严重，插入损耗较大的技术问题。

本发明所采用的技术方案是：一种微型低损耗光波分复用器，多层介质膜滤波片205通过胶分别与第二套管203右端面和第三套管206左端面相固接；双光纤头201通过胶固定在第一套管202内，左边第一透镜204通过胶固定在第二套管203内，右边第二透镜209通过胶固定在第三套管206内，单光纤头208通过胶固定在第四套管207内；第一套管202右端面与第二套管203左端面通过胶固接，第三套管206右端面通过胶与第四套管207左端面通过胶相固接，构成光波分复用结构；

第一套管202、第二套管203、第三套管206以及第四套管207都通过胶固定在最外层金属套管210内。

所述第一透镜204以及第二透镜209是自聚焦透镜、双曲面透镜、C透镜或非球面透镜中的任何一种。

所述胶是热固化胶、紫外固化胶或双固化胶中的任何一种。

第一套管202、第二套管203、第三套管206以及第四套管207均采用石英玻璃、硼硅玻璃、陶瓷、可伐合金或因瓦合金材料中的任何一种。

与现有技术相比，本发明所产生的有益效果是：不仅能够消除单光纤准直器与双光纤准直器耦合的角度失配损耗和横向失配损耗，而且同时能够解决其他耦合失配问题，减少插入损耗；具有体积小，损耗低的优点。

附图说明

图1为现有技术的光波分复用器。

图2为本发明提供的微型光波分复用器实施例一。

图3为本发明提供的微型光波分复用器实施例二。

图4为两光纤通过透镜耦合的光路原理图。

图5为两光纤通过透镜准直的高斯光束的耦合失配情况。

图6为光纤经过透镜准直出射光的束腰直径与空气间隙长度的关系。

图7为光纤经过透镜准直出射光的工作距离与空气间隙长度的关系。

图中：201、金属套管；202、第一套管；203、第二套管；204、第一透镜；205、多层介质膜滤波片；206、第三套管；207、第四套管；208、单光纤头；209、第二透镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明引进多个套管，使得双光纤头、单光纤头、透镜等各自独立，从而可以动态调节双光纤准直器与透镜之间以及单光纤准直器的光纤头与透镜之间的间隙，并动态调节双光纤准直器的光纤头与透镜以及单光纤准直器的光纤头与透镜的转动的角度和几何中心的错位，动态调节双光纤准直器以及单光纤准直器的工作距离、束腰大小和束腰位置的方法。在实际制作过程中，通过调节双光纤准直器的光纤头与透镜以及单光纤准直器的光纤头与透镜的间隙，动态转动调节双光纤准直器的光纤头与透镜以及单光纤准直器与透镜的角度，动态旋转调节两透镜斜端面之间的相对角度，动态调节单光纤准直器与双光纤准直器之间的工作距离、束腰大小和束腰位置的失配，以及多层介质膜滤波片的多光束干涉所导致的光斑扩束的束腰大小失配；并通过动态调整双光纤准直器的光纤头与透镜以及单光纤准直器的光纤头与透镜的几何中心的错位，动态调节单光纤准直器与双光纤准直器的角度失配，以及多层介质膜滤波片的多光束干涉所导致的光斑中心位移的横向失配；尽可能消除单光纤准直器与双光纤准直器耦合的角度失配损耗、横向失配损耗、束腰失配损耗和轴向失配损耗，实现最低损耗时才用胶固定第一套管202左端面和第二套管203右端面以及第三套管206右端面和第四套管207左端面，最终解决现有技术方案中使用预先固定工作距离和束腰大小的单光纤准直器只能尽可能消除单光纤准直器与双光纤准直器耦合时的角度失配损耗和横向失配损耗，而不能解决其它耦合失配的缺点。

理论分析如下：

光纤准直器的基本工作原理是：将光纤端面置于准直透镜的焦点处，使出射光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤端面与准直透镜的间隙，得到所需要的工作距离。

通过采用MathCAD(一种工程计算软件)仿真模拟某个选定光纤参数和准直透镜参数的准直器：通过调节光纤端面与准直透镜的间隙得到“光纤经过透镜准直出射光的束腰直径与空气间隙氏度的关系”(参见说明书附图的图6)；通过调节光纤端面与准直透镜的间隙得到“光纤经过透镜准直出射光的工作距离与空气间隙长度的关系”(参见图7)。从两个MathCAD软件模拟准直器的关系图可以得知，通过调节光纤端面与准直透镜的间隙可以得到较大动态范围的准直器的束腰大小和工作距离。

这样就使得本发明通过动态调节双光纤准直器的光纤头与透镜之间以及单光纤准直器的光纤头与透镜之间的间隙，并动态调整双光纤准直器的光纤头与透镜以及单光纤准直器的光纤头与透镜的几何中心的错位，动态调整双光纤准直器的光纤头与透镜以及单光纤准直器的光纤头与透镜的相对角度，加上通过细调调整架的旋转、X轴平移、Y轴平移和Z轴平移等调节螺杆，就可以尽可能地消除单光纤准直器与双光纤准直器耦合时的角度失配损耗、横向失配损耗、束腰失配损耗和轴向失配损耗等失配。从而使单光纤准直器与双光纤准直器耦合得到最小的插入损耗。

如图2所示，是本发明提供的微型低损耗光波分复用器的实施例一，在实际制作过程中，通过调节双光纤准直器的光纤头201与第一透镜204之间以及单光纤准直器的单光纤头208与第二透镜209之间的间隙，并动态调整双光纤准直器的光纤头201与第一透镜204以及单光纤准直器的单光纤头209与透镜205的几何中心的错位，动态调节双光纤准直器的光纤头201与第一透镜204以及单光纤准直器的工作距离、束腰大小和束腰位置，尽可能消除双光纤准直器与单光纤准直器耦合的角度失配损耗、横向失配损耗、束腰失配损耗和轴向失配损耗，以及消除多层介质膜滤波片205的多光束干涉所导致的光斑扩束和光斑中心位移的高斯光束参数变化所带来的耦合失配；实现最低损耗时才用胶固定第一套管202左端面和第二套管203右端面以及第三套管206右端面和第四套管207左端面，并同时用胶固定第四套管207和第一套管202在最外层金属套管210上，实现单光纤准直器与双光纤准直器之间的最低耦合损耗。

由双光纤头201中的一根光纤发射多通道光信号，经过第一透镜204入射多层介质膜滤波片205；经多层介质膜滤波片205的多光束干涉选择所透射的通道光信号入射第二透镜209，经第二透镜209会聚，耦合进单光纤头208；从多层介质薄膜滤波片205表面反射的其光信号经第一透镜204会聚，耦合进双光纤头201中的另外一根光纤，完成光波分复用功能。

所述的第一透镜204和第二透镜209可以是Grin-Lens(自聚焦透镜)、D-Lens(双曲面透镜)、C-Lens(C透镜)或非球面透镜等光学透镜。所述的胶可以是热固化胶、紫外固化胶和双固化胶等固化胶。所述的套管可以是石英玻璃、硼硅玻璃、陶瓷、Kovar(可伐合金)和Invar(因瓦合金)等热膨胀系数与透镜和光纤头的基质的热膨胀系数接近的材料。

本发明的动态调节准直器的准直透镜可以采用Grin-Lens、D-Lens、C-Lens或非球面透镜等光学透镜，下面以C-Lens为具体实施例子：

根据低损耗光波分复用器设计所定的双光纤准直器的透镜参数，计算出双光纤准直器入射多层介质膜滤波片时的束腰大小，加上考虑多层介质膜滤波片的多光束干涉所导致的光斑扩束因素得到单光纤准直器与双光纤准直器耦合的虚拟束腰大小结合光纤的和通道波长，根据下列公式：

${\mathrm{\ω}}_{01}=\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\π\ω}}_{00}}f$

可以计算出C-Lens的焦距f，再根据C-Lens的焦距f公式：

$f=\frac{R}{n-1}$

其中R为C-Lens球面的曲率半径，结合通道光信号的中心波长λ对应的C-Lens材料的折射率n就可以推算出C-Lens的球面曲率半径。

具体结构的实施方案如下：

图2为新技术方案的光波分复用器实施例一。

首先用胶将第一透镜204固接在第二套管203中的目标位置，然后通过胶把多层介质薄膜滤波片205和第二套管203的右端面相固接，形成滤波片组件。然后用胶将第二透镜209固定在第三套管206中目标位置，组成右边透镜组件。

在调节架上旋转调节滤波片组件和右边透镜组件，使得第一透镜204斜面端和第二透镜209的斜面端达到目标的相对角度。然后用胶将滤波片组件中滤波片205的左端面和右边透镜组件中第三套管206的右端面相固接，形成波分复用器的中间组件。

通过胶把双光纤头201固定在第一套管202中的目标位置，形成双光纤头组件。通过胶把单光纤头208固定在第四套管207中的目标位置，形成单光纤头组件。

把波分复用器的中间组件部分固定在夹具上，对调双光纤组件与单光纤头组件。通过动态旋转调节双光纤头组件和单光纤头组件达到它们之间的目标相对角度，并动态调整双光纤头201与第一透镜204的几何中心的错位以及调整单光纤头208与第二透镜209的几何中心的错位，加上通过细调固定双光纤头组件以及单光纤头组件的调节架的旋转、X轴平移、Y轴平移和Z轴平移等调节螺杆，就可以尽可能地消除单光纤准直器与双光纤准直器耦合时的角度失配损耗、横向失配损耗、束腰失配损耗和轴向失配损耗等失配，在单光纤准直器与双光纤准直器耦合得到最小的插入损耗时，用胶固定双光纤头组件中的第一套管202右端面和第二套管203左端面，以及用胶固定单光纤头组件中第四套管207的左端面和第三套管206右端面；最后通过胶将第一套管201、第二套管203、第三套管206、第四套管207固接在最外层金属套管210中，最终实现低损耗光波分复用器。

图3为本发明提供的微型光波分复用器的实施例二。

实施例二和实施例一的主要不同之处在于，第二套管203的右端和第三套管206的左端各设计了一个台阶在套管内，这样可以增大涂胶的面积，使得第二套管203、第三套管206能与多层介质膜滤波片205更好地固接，提高器件的稳固性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种微型低损耗光波分复用器，其特征在于：多层介质膜滤波片(205)通过胶分别与第二套管(203)右端面和第三套管(206)左端面相固接；双光纤头(201)通过胶固定在第一套管(202)内，第一透镜(204)通过胶固定在第二套管(203)内，第二透镜(209)通过胶固定在第三套管(206)内，单光纤头(208)通过胶固定在第四套管(207)内；第一套管(202)右端面与第二套管(203)左端面通过胶固接，第三套管(206)右端面通过胶与第四套管(207)左端面通过胶相固接，构成光波分复用结构；

第一套管(202)、第二套管(203)、第三套管(206)以及第四套管(207)都通过胶固定在最外层金属套管(210)内。

2. 根据权利要求l所述的一种微型低损耗光波分复用器，其特征在于：所述第一透镜(204)以及第二透镜(209)是自聚焦透镜、双曲面透镜、C透镜或非球面透镜中的任何一种。

3. 根据权利要求l所述的一种微型低损耗光波分复用器，其特征在于：所述胶是热固化胶、紫外固化胶或双固化胶中的任何一种。

4.根据权利要求l所述的一种微型低损耗光波分复用器，其特征在于：第一套管(202)、第二套管(203)、第三套管(206)以及第四套管(207)均采用石英玻璃、硼硅玻璃、陶瓷、可伐合金或因瓦合金材料中的任何一种。