CN107154574A - 激光系统以及lifi装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光系统及LIFI装置，该激光系统包括多根输入光纤和多根输出光纤，其特征在于，所述输入光纤和输出光纤通过拉锥匀化段相连，所述拉锥匀化段包括依次相连的第一拉锥圆台部、熔融圆筒部以及第二拉锥圆台部，其中，所述第一拉锥圆台部与各所述输入光纤相连，所述第二拉锥圆台部与各所述输出光纤相连，所述输入光纤和输出光纤满足下式：Sqrt(Y)D₁NA₁≥Sqrt(X)D₀NA₀。本发明提供的激光系统及LIFI装置，先行通过拉锥匀化段对激光进行合束匀化，消除其散斑问题之后再行输出，从而消除最终发光终端的散斑问题；而且拉锥匀化段不额外占据空间，体积较小，较易实现光源的小型化；同时没有加入其它设备，安全性较好。

Description

激光系统以及LIFI装置

技术领域

本发明涉及激光技术，具体涉及一种激光系统以及LIFI装置。

背景技术

目前，无线网络WiFi(Wireless-Fidelity)已是较为主流的无线数据传输技术，日渐成为必不可少的生活工具，但是由于Wifi采用射频波段，无法突破7Gb/s的固有数据上限。而随着通信技术的迅速发展，需要传输的数据量越来越大，数据传输速度成为制约WiFi发展的核心因素之一。此时，可见光无线通信LiFi(Light-Fidelity)逐渐被重视起来，可见光无线通信LiFi(Light-Fidelity)是利用快速的可见光光脉冲无线传输信息，根据不同速率在光中编码信息，例如LED灯开表示1，关表示0，通过快速开关进行信息传输，由于人眼的天然识别局限，其无法注意到光的快速闪烁变化，从而可以在不影响日常照明的情况下使用LED灯进行数据传输。理论上，LED的LiFi可达到10Gb/s以上的数据传输速率。

LiFi具备比WiFi更高的数据传输速率，且利用日常照明用的普通LED灯即可方便实现，不影响照明。但同时，现有技术中LED的发光原理为LED灯具发出蓝光激发荧光粉产生白光再进行输出，而荧光粉无法同步实时的反应LED灯极为快速的闪烁，这显然限制了LED的数据传输速率。较为理想的情况应该是，不使用荧光粉，而直接使用红色(R)绿色(G)蓝色(B)激光混合产生白光，如此可以极大的提高光传输数据的速率，很容易超出100Gb/s。但对应的，激光具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特征，这使得用红色(R)绿色(G)蓝色(B)激光混合产生的白色激光在日常照明中存在散斑严重、体积大、安全性等一系列不足之处，如何解决激光传输过程中的上述不足之处成为LiFi技术成熟应用绕不过去的门槛。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光系统以及LIFI装置，以解决现有技术中的上述不足之处。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种应用于LIFI装置上的激光系统，包括多根输入光纤和多根输出光纤，所述输入光纤和输出光纤通过拉锥匀化段相连，所述拉锥匀化段包括依次相连的第一拉锥圆台部、熔融圆筒部以及第二拉锥圆台部，其中，所述第一拉锥圆台部与各所述输入光纤相连，所述第二拉锥圆台部与各所述输出光纤相连，所述输入光纤和输出光纤满足下式：

Sqrt(Y)D₁NA₁≥Sqrt(X)D₀NA₀；

上式中，X为输入光纤的数量，D₀为输入光纤的芯径，NA₀为输入光纤的数值孔径，Y为输出光纤的数量，D₁为输出光纤的芯径数值孔径，NA₁输出光纤的数值孔径。

上述的激光系统，X≤Y，所述输入光纤的芯径大于等于所述输出光纤的芯径。

上述的激光系统，所述输入光纤的数量大于3且输送的激光颜色不同，所述输出光纤的输送的激光的颜色为白光。

上述的激光系统，还包括多个配光模块，所述配光模块的数量小于等于所述输出光纤的数量，各所述配光模块至少连接一个所述输出光纤的输出端。

上述的激光系统，各所述输入光纤上与所述第一拉锥圆台部相连的部位、和/或各所述输出光纤上与所述第二拉锥圆台部相连的部位内置有固定插芯。

上述的激光系统，各所述输入光纤位于所述拉锥匀化段的两端被限位形成输入光纤束。

上述的激光系统，所述第一拉锥圆台部的高度、底部直径和顶部直径和第二拉锥圆台部的高度、底部直径和顶部直径相同或不同。

一种LIFI装置，所述激光生成模块和发光终端，还包括上述的激光系统，所述输入光纤与所述激光生成模块相连，所述输出光纤与所述发光终端相连。

在上述技术方案中，本发明提供的激光系统，先行通过拉锥匀化段对激光进行合束匀化，消除其散斑问题之后再行输出，从而消除最终发光终端的散斑问题；而且拉锥匀化段不额外占据空间，体积较小，较易实现光源的小型化；同时没有加入其它设备，安全性较好。

由于上述激光系统具有上述技术效果，包含该激光系统的LIFI装置也应具有相应的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的拉锥匀化段的结构示意图；

图2为本发明一种实施例提供的激光系统的结构示意图；

图3为本发明另一种实施例提供的激光系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的LIFI装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的LIFI装置的分散式布局示意图。

附图标记说明：

1、激光发生模块；2、耦合模块；3、输入光纤；4、拉锥匀化段；4.1、第一拉锥圆台部；4.2、熔融圆筒部；4.3、第二拉锥圆台部；5、输出光纤；6、后处理匀光模块；7、配光模块；8、发光终端。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

如图1-5所示，本发明实施例提供的一种应用于LIFI装置上的激光系统，包括多根输入光纤3和多根输出光纤5，所述输入光纤3和输出光纤5通过拉锥匀化段4相连，所述拉锥匀化段4包括依次相连的第一拉锥圆台部4.1、熔融圆筒部4.2以及第二拉锥圆台部4.3，其中，所述第一拉锥圆台部4.1与各所述输入光纤3相连，所述第二拉锥圆台部4.3与各所述输出光纤5相连，所述输入光纤3和输出光纤5满足下式：

Sqrt(Y)D₁NA₁≥Sqrt(X)D₀NA₀式1；

上式中，X为输入光纤3的数量，D₀为输入光纤3的芯径，NA₀为输入光纤3的数值孔径，Y为输入光纤3的数量，D₁为输入光纤3的芯径，NA₁输入光纤3的数值孔径。

具体的，输入光纤3输送的激光由激光发生模块1发射，再经过耦合模块2的消像差、整形，最后输送给输入光纤3。激发发生模块可以是固体激光器、气体激光器、光纤激光器、半导体泵浦激光器、半导体激光器等，但优选的，激光发生模块1为LD半导体激光器，其具有体积较小、体积小、重量轻、效率高、使用寿命长等特点，耦合模块2可以是自聚焦透镜、非球面镜、球面镜、柱面镜、自由曲面、光纤熔接器件等，优选的为非球面镜，其体积小、重量轻、矫正像差能力强。

本实施例中，各束激光经由激光发生模块1、耦合模块2进入输入光纤3，各输入光纤3的一端与拉锥匀化段4相连，拉锥匀化段4包括依次相连的第一拉锥圆台部4.1、熔融圆筒部4.2以及第二拉锥圆台部4.3，优选的，第一拉锥圆台部4.1和第二拉锥圆台部4.3以其较小直径的一端与圆筒部相连，三者同轴布置，更优选的，第一拉锥圆台部4.1和第二拉锥圆台部4.3的外形相同，即两者的高、两端的直径均相同。其中，第一拉锥圆台部4.1与各所述输入光纤3相连，第二拉锥圆台部4.3与各输出光纤5相连，由输入光纤3输入的各束激光先进入第一拉锥圆台部4.1混合并匀化，再由熔融圆筒部4.2进行输送以及再次混合及匀化，最后由第二拉锥圆台部4.3进行再次混合匀化并输送至各输出光纤5，如此由输入光纤3输入的激光进行多重混合匀化后由输出光纤5进行输出，从而实现降低散斑、降低色散程度等技术效果。

本实施例中，拉锥匀化段4可以如此加工制造：各输入光纤3和各输出光纤5的一端去除涂覆层再在高温下熔融拉锥形成圆台结构和圆筒结构相连的外形，然后圆筒结构上切开一断面，输入光纤3和输出光纤5的两个断面再熔融相连从而形成锥形匀化段。显然的，拉锥匀化段4的熔融圆筒部4.2可由输入光纤3和输出光纤5中的一者熔融形成。可选的，拉锥匀化段4整个可由输入光纤3和输出光纤5中的一者熔融形成。还可选的，拉锥匀化段4先行通过其它方法制造得出，再连接输入光纤3和输出光纤5。

本实施例中，在输入光纤3和输出光纤5的技术参数还符合式1：Sqrt(Y)D₁NA₁≥Sqrt(X)D₀NA_:；式1中，X为输入光纤3的数量，D₀为输入光纤3的芯径，NA₀为输入光纤3的数值孔径，Y为输出光纤3的数量，D₁为输出光纤3的芯径数值孔径，NA₁输出光纤3的数值孔径，通过实验证明，满足上式的输入光纤3和输出光纤5的拉锥熔接效率可以达到85％以上，最高可达近95％，如此拉锥熔接效率极高。在其中一个实验中，如图3所示，输入光纤3为7根芯径105μm，NA值0.22的多模光纤，输出光纤5为7根芯径105μm，NA值0.22的多模光纤，最终实现了94.6％的拉锥熔接效率；在另一个实验中，输入光纤3为3根芯径200μm，NA值0.22的多模光纤，输出光纤5为19根芯径105μm，NA值0.22的多模光纤进行合束拉锥，实现85％的拉锥熔接效率。

对比试验的其它数据结果如下表1所示：

表1

由上表可知，满足上述式1的拉锥熔接效率明显高于不满足上式的熔接效率，此原因在于在物理原理上都相当于光束从小尺寸的输入端，传输到相对大尺寸的输出端，效率必然高。

本发明实施例提供的激光系统，先行通过拉锥匀化段4对激光进行合束匀化，消除其散斑问题之后再行输出，从而消除最终发光终端8的散斑问题；而且拉锥匀化段4不额外占据空间，体积较小，较易实现光源的小型化；同时没有加入其它设备，安全性较好。

本实施例中，优选的，X≤Y，即输入光纤3的数量小于等于输出光纤5的数量，此时，输入光纤3的芯径可以相对较大，提高激光输入端的耦合效率，输出光纤5数量多，输出光纤5芯径可以相对较小，会增加空间匀化次数及单根光纤的匀化效果，且应用在LiFi上，可减少植入芯片的个数，且通过多输出端的合理布局，可最大限度缓解LiFi可见光波段无法穿透墙壁的信号盲区问题。

本实施例中，更优选的，所述输入光纤3的数量大于3且输送的激光颜色不同，所述输出光纤5的输送的激光的颜色为白光，每根输入光纤3可输入波长不同的单色光，如分别为红色(R)绿色(G)蓝色(B)，最终由拉锥匀化段4进行混光以形成白色光，显然的，诸多方案可以混光以形成白光，此为光学的公知常识，本实施例不一一列举赘述。

本实施例中，进一步的，如图4所示，还包括多个配光模块7，所述配光模块7的数量小于等于所述输出光纤5的数量，各所述配光模块7至少连接一个所述输出光纤5的输出端，一个配光模块7可以连接一个输出光纤5，也可以连接两个、三个乃至四个输出光纤5，即配光模块7的数量小于等于输出光纤5的数量，配光模块7连接最终的发光模块，实现激光的输出。

本实施例中，如图4所示，还包括后处理匀光模块6，后处理匀光模块6连接于输出光纤5和配光模块7之间，后处理匀光模块6采用折射型匀化片、衍射型匀化片或其他匀光器件，其通过上述器件上的微结构，实现光强的匀化分布，光束发散角变大，实现后处理匀化效果，而且上述结构具备体积小、重量轻等特点。光模块7实现从光纤输出的激光光束的整形，例如光束发散角变大等，具体结构可参见通用LED的配光模块。

本实施例中，进一步的，各所述输入光纤3上与所述第一拉锥圆台部4.1相连的部位、和/或各所述输出光纤5上与所述第二拉锥圆台部4.3相连的部位内置有固定插芯。各所述输入光纤3位于所述拉锥匀化段4的两端被限位形成输入光纤3束。固定插芯用于紧固和定位输入光纤3，便于各输入光纤3紧固以形成光纤束，同时便于输入光纤3的熔融拉锥加工。

如图1-5所示，本发明实施例还提供一种LIFI装置，所述激光生成模块和发光终端8，还包括上述的激光系统，所述输入光纤3与所述激光生成模块相连，所述输出光纤5与所述发光终端8相连。LIFI装置为各类使用LIFI进行数据传送的装置，其中间的可见光处理系统采用上述的激光系统，本实施例中，输出光纤5最终连接发光终端8如LED灯具，实现低散斑和高安全度的激光输出。

由于上述激光系统具有上述技术效果，包含该激光系统的LIFI装置也应具有相应的技术效果。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (8)

1.一种应用于LIFI装置上的激光系统，包括多根输入光纤和多根输出光纤，其特征在于，所述输入光纤和输出光纤通过拉锥匀化段相连，所述拉锥匀化段包括依次相连的第一拉锥圆台部、熔融圆筒部以及第二拉锥圆台部，其中，所述第一拉锥圆台部与各所述输入光纤相连，所述第二拉锥圆台部与各所述输出光纤相连，所述输入光纤和输出光纤满足下式：

Sqrt(Y)D₁NA₁≥Sqrt(X)D₀NA₀；

上式中，X为输入光纤的数量，D₀为输入光纤的芯径，NA₀为输入光纤的数值孔径，Y为输出光纤的数量，D₁为输出光纤的芯径，NA₁输出光纤的数值孔径。

2.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，X≤Y，所述输入光纤的芯径大于等于所述输出光纤的芯径。

3.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述输入光纤的数量大于3且输送的激光颜色不同，所述输出光纤的输送的激光的颜色为白光。

4.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，还包括多个配光模块，所述配光模块的数量小于等于所述输出光纤的数量，各所述配光模块至少连接一个所述输出光纤的输出端。

5.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，各所述输入光纤上与所述第一拉锥圆台部相连的部位、和/或各所述输出光纤上与所述第二拉锥圆台部相连的部位内置有固定插芯。

6.根据权利要求5所述的激光系统，其特征在于，各所述输入光纤位于所述拉锥匀化段的两端被限位形成输入光纤束。

7.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述第一拉锥圆台部的高度、底部直径和顶部直径和第二拉锥圆台部的高度、底部直径和顶部直径相同或不同。

8.一种LIFI装置，所述激光生成模块和发光终端，其特征在于，还包括权利要求1-7任一项所述的激光系统，所述输入光纤与所述激光生成模块相连，所述输出光纤与所述发光终端相连。