CN107390324A - 一种集成光纤组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成光纤组件，包括壳体和位于壳体内沿光轴方向依次设置的第一单芯光纤准直器、第一透镜和第一宽带消偏振分光/合光棱镜，第一宽带消偏振分光/合光棱镜后方沿光轴方向依次设置有第一双折射晶体、法拉第旋转片、相位旋转波片、第二双折射晶体、第二透镜和第二单芯光纤准直器，第一宽带消偏振分光/合光棱镜侧方沿光轴方向依次设置有第二宽带消偏振分光/合光棱镜、第三透镜和第三单芯光纤准直器，第一宽带消偏振分光/合光棱镜与第一双折射晶体之间还设置有第一棱镜、偏振分光/合光棱镜和第二棱镜，本发明具有结构简单紧凑、环境稳定性高、插入损耗小、易于系统集成等优点，可广泛应用于激光通信、激光雷达、光纤传感等光电探测领域。

Description

一种集成光纤组件
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种集成光纤组件，可广泛应用于激光通信、激光雷达、光纤传感等光电探测领域。
背景技术
在激光通信、激光雷达、光纤传感等光电探测领域，系统通常包括发射光学系统和接收光学系统，发射光学系统需要激光具有较小的光束发散角，以便提升探测距离，同时需对主波信号进行采样；而接收光学系统则需要较大的视场角，以便接收尽可能多的微弱回波信号。目前，常用的光纤链路，如图1中方框部分，包括高功率1×2光纤耦合器、高功率光纤环形器、低功率1×2光纤耦合器，具体工作流程：激光信号进入高功率1×2光纤耦合器，其中，一小部分激光进入低功率1×2光纤耦合器，用于主波采样；另余下的激光通过端口001进入高功率光纤环形器，再经端口002耦合进入光纤准直器，并发射到被测目标，被测目标反射回来的微弱激光经光纤准直器耦合进入高功率光纤环形器的端口002，经端口003输出，进入低功率1×2光纤耦合器的公共端。该光纤链路具有如下缺点：1）需要三个器件，体积较大，不利于系统集成；2）三个器件之间通过尾纤熔接连接，插损增加，可靠性降低。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术的不足，设计一种结构简单紧凑、环境稳定性高、插入损耗小、易于系统集成的集成光纤组件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种集成光纤组件，包括壳体和设置在壳体内沿光轴方向依次设置的第一单芯光纤准直器、第一透镜和第一宽带消偏振分光/合光棱镜，所述的壳体内位于第一宽带消偏振分光/合光棱镜后方沿透射光的光轴方向依次设置有第一双折射晶体、法拉第旋转片、相位旋转波片、第二双折射晶体、第二透镜和第二单芯光纤准直器，所述的壳体内位于第一宽带消偏振分光/合光棱镜侧方沿反射光的光轴方向依次设置有第二宽带消偏振分光/合光棱镜、第三透镜和第三单芯光纤准直器，所述的第一宽带消偏振分光/合光棱镜与第一双折射晶体之间沿偏振光的光轴方向还设置有第一棱镜、偏振分光/合光棱镜和第二棱镜，所述的第一单芯光纤准直器、第二单芯光纤准直器和第三单芯光纤准直器上分别设置有延伸出壳体外的第一尾纤、第二尾纤和第三尾纤。
所述的第一宽带消偏振分光/合光棱镜和第二宽带消偏振分光/合光棱镜均包括立方体壳体和设置在立方体壳体内的直角棱镜，所述的直角棱镜的斜面设置有多层干涉膜，所述的立方体壳体沿光轴方向设置有开口，所述的第一宽带消偏振分光/合光棱镜和第二宽带消偏振分光/合光棱镜使入射光的两个偏振分量具有相似的分光特性，其波长范围覆盖300nm~2000nm，分光比为R：（1-R），其中0.001≤R<1。
所述的第一棱镜和第二棱镜均为直角棱镜或45°反射镜。
所述的偏振分光/合光棱镜包括立方体壳体和设置在立方体壳体内的直角棱镜，所述的直角棱镜采用光学玻璃、石英玻璃或碱金属卤化物晶体，所述的立方体壳体沿光轴方向设置有开口，所述的偏振分光/合光棱镜能将一束光分成两束偏振态相互垂直的线偏振光，或将两束偏振态相互垂直的线偏振光合束成一束光，其波长范围覆盖300nm~2000nm。
所述的第一双折射晶体和第二双折射晶体采用冰洲石、石英晶体、红宝石或钒酸钇晶体，所述的第一双折射晶体和第二双折射晶体使光束在空气和其晶体的交界处能被分成两个正交偏振光的O光和E光，其中O光直接通过双折射晶体，而E光偏转一定角度通过双折射晶体。
所述的法拉第旋转片和相位旋转波片当O光和E光，从发射方向依次经过法拉第旋转片和相位旋转波片时，逆时针旋转45o+45o=90o，发生O光和E光的转换；当O光和E光，从接收方向依次经过相位旋转波片和法拉第旋转片时，逆时针旋转0o，未发生O光和E光的转换。
所述的第一单芯光纤准直器、第二单芯光纤准直器、第三单芯光纤准直器、第一透镜、第二透镜和第三透镜均采用自聚焦透镜或球面透镜，所述的第一尾纤采用300nm~2000nm波段的单模双包层光纤或单模单包层光纤，所述的第二尾纤采用300nm~2000nm波段的单模双包层光纤，所述的第三尾纤采用300nm~2000nm波段的单模双包层光纤或多模光纤。
所述的壳体采用铝、钢或钛合金。
本发明的有益效果是：本发明通过优化内部光路设计，采用无源双包层光纤作为器件尾纤，与传统的高功率1×2光纤耦合器+高功率光纤环形器+低功率1×2光纤耦合器的组合相比，本发明具有结构简单紧凑、环境稳定性高、插入损耗小、易于系统集成等优点，可广泛应用于激光通信、激光雷达、光纤传感等光电探测领域。
附图说明
图1是传统光纤链路示意图；
图2是本发明的示意图；
图3是本发明作为发射光学系统时的光路示意图；
图4是本发明作为接收光学系统时的光路示意图。
各附图标记为：001—高功率光纤环形器第一端口，002—高功率光纤环形器第二端口，003—高功率光纤环形器第三端口，101—集成光纤组件第一端口，102—集成光纤组件第二端口，103—集成光纤组件第三端口，1—集成光纤组件，2—第二尾纤，3—光纤适配器，4—光纤准直器，01—第一宽带消偏振分光/合光棱镜，02—第一双折射晶体，03—法拉第旋转片，04—相位旋转波片，05—第二双折射晶体，06—第一棱镜，07—偏振分光/合光棱镜，08—第二棱镜，09—第二宽带消偏振分光/合光棱镜，010—壳体，011—第一单芯光纤准直器，012—第一尾纤，013—第一透镜，14—低功率1×2光纤耦合器，15—高功率1×2光纤耦合器，16—高功率光纤环形器，021—第二单芯光纤准直器，023—第二透镜，031—第三单芯光纤准直器，032—第三尾纤，033—第三透镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1所示，传统光纤链路包括低功率1×2光纤耦合器14、高功率1×2光纤耦合器15、高功率光纤环形器16和光纤准直器4，所述的低功率1×2光纤耦合器14连接在高功率光纤环形器第三端口003上，所述的高功率1×2光纤耦合器15连接在高功率光纤环形器第一端口001上，所述的光纤准直器4通过光纤适配器3连接在高功率光纤环形器第二端口002上。具体工作流程：激光信号进入高功率1×2光纤耦合器15，其中一小部分激光进入低功率1×2光纤耦合器14用于主波采样；另余下的激光通过高功率光纤环形器第一端口001进入高功率光纤环形器16，再经高功率光纤环形器第二端口002耦合进入光纤准直器4，并发射到被测目标，被测目标反射回来的微弱激光经光纤准直器4耦合进入高功率光纤环形器第二端口002，经高功率光纤环形器第三端口003输出，进入低功率1×2光纤耦合器14的公共端。
参照图2所示，本发明公开的集成光纤组件1分别设置有集成光纤组件第一端口101、集成光纤组件第二端口102和集成光纤组件第三端口103，所述的集成光纤组件第三端口103通过光纤适配器3连接有光纤准直器4。本发明公开了一种集成光纤组件1通过优化内部光路设计，将高功率1×2光纤耦合器15、高功率光纤环形器16、低功率1×2光纤耦合器14这三个器件进行高效集成，与由高功率1×2光纤耦合器15+高功率光纤环形器16+低功率1×2光纤耦合器14构成的传统光纤链路相比，具有结构简单紧凑、环境稳定性高、插入损耗小、易于系统集成等优点。
参照图3、图4所示，本发明公开了一种集成光纤组件1，包括壳体010和设置在壳体010内沿光轴方向依次设置的第一单芯光纤准直器011、第一透镜013和第一宽带消偏振分光/合光棱镜01，所述的壳体010内位于第一宽带消偏振分光/合光棱镜01后方沿透射光光轴方向依次设置有第一双折射晶体02、法拉第旋转片03、相位旋转波片04、第二双折射晶体05、第二透镜023和第二单芯光纤准直器021，所述的壳体010内位于第一宽带消偏振分光/合光棱镜01侧方沿反射光光轴方向依次设置有第二宽带消偏振分光/合光棱镜09、第三透镜033和第三单芯光纤准直器031，所述的第一宽带消偏振分光/合光棱镜01与第一双折射晶体02之间沿偏振光的光轴方向还设置有第一棱镜06、偏振分光/合光棱镜07和第二棱镜08，所述的第一单芯光纤准直器011、第二单芯光纤准直器021和第三单芯光纤准直器031上分别设置有延伸出壳体010外的第一尾纤012、第二尾纤2和第三尾纤032。当集成光纤组件1作为一个器件使用时，所述的第一尾纤012、第二尾纤2和第三尾纤032 分别作为集成光纤组件第一端口101、集成光纤组件第二端口102和集成光纤组件第三端口103使用。
所述的第一宽带消偏振分光/合光棱镜01和第二宽带消偏振分光/合光棱镜09是首先通过在直角棱镜的斜面进行镀制多层干涉膜，然后胶合成的一个立方体结构，使入射光的两个偏振分量具有相似的分光特性，其波长范围覆盖300nm~2000nm，分光比为R：（1-R），其中0.001≤R<1。
所述的第一棱镜06和第二棱镜08均为直角棱镜或45°反射镜，对300nm~2000nm波段内的光能够全部反射，实现光路90o转折。
所述的偏振分光/合光棱镜07包括立方体壳体和设置在立方体壳体内的直角棱镜，所述的直角棱镜采用光学玻璃、石英玻璃或碱金属卤化物晶体，所述的立方体壳体沿光轴方向设置有开口，所述的偏振分光/合光棱镜07能将一束光分成两束偏振态相互垂直的线偏振光，或将两束偏振态相互垂直的线偏振光合束成一束光，其波长范围覆盖300nm~2000nm。
所述的第一双折射晶体02和第二双折射晶体05采用冰洲石、石英晶体、红宝石或钒酸钇晶体，所述的第一双折射晶体02和第二双折射晶体05使光束在空气和其晶体的交界处能被分成两个正交偏振光的O光和E光，其中O光直接通过双折射晶体，而E光偏转一定角度通过双折射晶体。
所述的法拉第旋转片03和相位旋转波片04，当O光和E光，从发射方向（从左往右）依次经过法拉第旋转片03和相位旋转波片04时，逆时针旋转45o+45o=90o，发生O光和E光的转换；当O光和E光，从接收方向（从右往左）依次经过相位旋转波片04和法拉第旋转片03时，逆时针旋转45o-45o=0o，未发生O光和E光的转换。
所述的第一单芯光纤准直器011、第二单芯光纤准直器021、第三单芯光纤准直器031、第一透镜013、第二透镜023和第三透镜033均采用自聚焦透镜或球面透镜，所述的第一尾纤012采用300nm~2000nm波段的单模双包层光纤或单模单包层光纤，所述的第二尾纤2采用300nm~2000nm波段的单模双包层光纤，所述的第三尾纤032采用300nm~2000nm波段的单模双包层光纤或多模光纤。
所述的壳体010采用铝、钢、钛合金等材质，主要用于空间光学元件的防尘、固定和保护。
本发明公开的集成光纤组件1的工作过程如下：
如图3所示，当激光通过第一单芯光纤准直器011耦合进入集成光学组件1时，一小部分激光通过第一宽带消偏振分光/合光棱镜01反射进入第二宽带消偏振分光/合光棱镜09，再经第二宽带消偏振分光/合光棱镜09反射耦合进入第三单芯光纤准直器031，并输出；而绝大部分激光则透射进入第一双折射晶体02，激光光束在空气和第一双折射晶体02的交界处能被分成两个正交偏振光的O光和E光，其中O光直接通过第一双折射晶体02，而E光偏转一定角度通过第一双折射晶体02，当O光和E光，从左往右依次经过法拉第旋转片03和相位旋转波片04时，逆时针旋转45o+45o=90o，发生O光和E光的转换，在第二双折射晶体05与空气的交界处，合成一束激光，耦合进入第二单芯光纤准直器021，并输出。
如图4所示，当空间的散射激光信号通过第二单芯光纤准直器021耦合进入集成光学组件1时，激光光束在空气和第二双折射晶体05的交界处，被分成两个正交偏振光的O光和E光，其中O光直接通过双折射晶体，而E光偏转一定角度通过第二双折射晶体05，当O光和E光，从右往左依次经过相位旋转波片04和法拉第旋转片03时，逆时针旋转45o-45o=0o，未发生O光和E光的转换；E光相对于O光偏离一定的角度通过第一双折射晶体02，经过第一棱镜06全反射进入偏振分光/合光棱镜07，与直接通过第一双折射晶体02的O光，合成一束激光，先经过第二棱镜08全反射，再透射通过第二宽带消偏振分光/合光棱镜09，耦合进入第三单芯光纤准直器031，并输出。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种集成光纤组件，其特征在于：包括壳体（010）和设置在壳体（010）内沿光轴方向依次设置的第一单芯光纤准直器（011）、第一透镜（013）和第一宽带消偏振分光/合光棱镜（01），所述的壳体（010）内位于第一宽带消偏振分光/合光棱镜（01）后方沿透射光光轴方向依次设置有第一双折射晶体（02）、法拉第旋转片（03）、相位旋转波片（04）、第二双折射晶体（05）、第二透镜（023）和第二单芯光纤准直器（021），所述的壳体（010）内位于第一宽带消偏振分光/合光棱镜（01）侧方沿反射光光轴方向依次设置有第二宽带消偏振分光/合光棱镜（09）、第三透镜（033）和第三单芯光纤准直器（031），所述的第一宽带消偏振分光/合光棱镜（01）与第一双折射晶体（02）之间沿偏振光的光轴方向还设置有第一棱镜（06）、偏振分光/合光棱镜（07）和第二棱镜（08），所述的第一单芯光纤准直器（011）、第二单芯光纤准直器（021）和第三单芯光纤准直器（031）上分别设置有延伸出壳体（010）外的第一尾纤（012）、第二尾纤（2）和第三尾纤（032）。
2.根据权利要求1所述的一种集成光纤组件，其特征在于，所述的第一宽带消偏振分光/合光棱镜（01）和第二宽带消偏振分光/合光棱镜（09）均包括立方体壳体和设置在立方体壳体内的直角棱镜，所述的直角棱镜的斜面设置有多层干涉膜，所述的立方体壳体沿光轴方向设置有开口，所述的第一宽带消偏振分光/合光棱镜（01）和第二宽带消偏振分光/合光棱镜（09）使入射光的两个偏振分量具有相似的分光特性，其波长范围覆盖300nm~2000nm，分光比为R：（1-R），其中0.001≤R<1。
3.根据权利要求1所述的一种集成光纤组件，其特征在于，所述的第一棱镜（06）和第二棱镜（08）均为直角棱镜或45°反射镜。
4.根据权利要求1所述的一种集成光纤组件，其特征在于，所述的偏振分光/合光棱镜（07）包括立方体壳体和设置在立方体壳体内的直角棱镜，所述的直角棱镜采用光学玻璃、石英玻璃或碱金属卤化物晶体，所述的立方体壳体沿光轴方向设置有开口，所述的偏振分光/合光棱镜（07）将一束光分成两束偏振态相互垂直的线偏振光，或将两束偏振态相互垂直的线偏振光合束成一束光，其波长范围覆盖300nm~2000nm。
5.根据权利要求1所述的一种集成光纤组件，其特征在于，所述的第一双折射晶体（02）和第二双折射晶体（05）采用冰洲石、石英晶体、红宝石或钒酸钇晶体，所述的第一双折射晶体（02）和第二双折射晶体（05）使光束在空气和其晶体的交界处能被分成两个正交偏振光的O光和E光，其中O光直接通过双折射晶体，而E光偏转一定角度通过双折射晶体。
6.根据权利要求1所述的一种集成光纤组件，其特征在于，所述的法拉第旋转片（03）和相位旋转波片（04）当O光和E光，从发射方向依次经过法拉第旋转片（03）和相位旋转波片（04）时，逆时针旋转45o+45o=90o，发生O光和E光的转换；当O光和E光，从接收方向依次经过相位旋转波片（04）和法拉第旋转片（03）时，逆时针旋转90o，未发生O光和E光的转换。
7.根据权利要求1所述的一种集成光纤组件，其特征在于，所述的第一单芯光纤准直器（011）、第二单芯光纤准直器（021）、第三单芯光纤准直器（031）、第一透镜（013）、第二透镜（023）和第三透镜（033）均采用自聚焦透镜或球面透镜，所述的第一尾纤（012）采用300nm~2000nm波段的单模双包层光纤或单模单包层光纤，所述的第二尾纤（2）采用300nm~2000nm波段的单模双包层光纤，所述的第三尾纤（032）采用300nm~2000nm波段的单模双包层光纤或多模光纤。
8.根据权利要求1—7任一项所述的一种集成光纤组件，其特征在于，所述的壳体（010）采用铝、钢或钛合金。
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