CN107678107A - 一种集成化耦合模块 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学传感和信号检测技术领域，公开了一种集成化耦合模块，目的在于解决因现有耦合器尺寸大导致光纤陀螺系统和光纤电流互感器系统无法小型化、集成化的问题。该集成化耦合模块设置在封装外壳内，包括依次设置在光源入射光路上的光纤准直器、第一分光片、第二分光片和第三分光片，还包括分别设置在第一分光片、第二分光片和第三分光片反射光路上的三组光耦合传输单元；所述光耦合传输单元用于将第一分光片、第二分光片和第三分光片反射的光传输至封装外壳外相应的光路折返器件，并将折返的光传输至相应的探测器；所述第一分光片的透反比为2：1，第二分光片的透反比为1：1，第三分光片为全反片。

Description

一种集成化耦合模块

技术领域

本发明属于光学传感和信号检测技术领域，具体涉及一种集成化耦合模块。

背景技术

光纤耦合器(Coupler)又称分歧器，广泛应用于光传感及通信领域，实现光信号分路或合路。在现有三轴光源共享光纤陀螺和光纤电流互感器等系统中需要一只一分三的耦合器和三只1×2或2×2的耦合器来实现其功能，多器件的使用与其向小型化、集成化、轻质化方向发展相悖。

目前市场上主流的1×3的拉锥光纤耦合器尺寸在1×2的拉锥光纤耦合器尺寸在这类耦合器制作的优势是可批量化生产，成本相对较低；缺点是操作人员要多次尝试确定系统的火头温度、锥区长度、拉锥速度等来保证产品合格性。受目前技术和工艺的限制，器件的尺寸较大，严重限制了光纤陀螺仪向小型化和集成化发展。

为了解决耦合器尺寸大问题，技术人员便研发出膜片式的耦合器。膜片式的耦合器虽然可以极大的缩小1×2单模耦合器的尺寸，可以做到 但缩小后的器件成本也在剧增，且目前市场上还未研发出小型的1*3膜片式耦合器。由于仍要使用1×3的拉锥式光纤耦合器，只缩小1×2的耦合器尺寸，同样无法进一步将光纤陀螺仪小型化、集成化。

发明内容

本发明的目的在于解决因现有耦合器尺寸大导致光纤陀螺系统和光纤电流互感器系统无法小型化、集成化的问题，而提供了一种集成化耦合模块，包括七个光纤准直器、一个透反比为2:1的分光片，四个1:1的分光片，一个镀全反射膜的分光片，固定准直器的V槽及封装壳体等。本发明能实现原光纤陀螺系统和光纤电流互感器系统中的四个耦合器的作用，可广泛应用于光纤陀螺系统和光纤电流互感器系统，以便其进一步向小型化、集成化发展。

为了完成上述目的，本发明所提出的技术方案是：

一种集成化耦合模块，其特殊之处在于：设置在封装外壳内，包括依次设置在光源入射光路上的光纤准直器、第一分光片、第二分光片和第三分光片，还包括分别设置在第一分光片、第二分光片和第三分光片反射光路上的三组光耦合传输单元；

所述光耦合传输单元用于将第一分光片、第二分光片和第三分光片反射的光传输至封装外壳外相应的光路折返器件，并将折返的光传输至相应的探测器；

所述第一分光片的透反比为2：1，第二分光片的透反比为1：1，第三分光片为全反片。

进一步地，每组光耦合传输单元均包括第一光纤准直器、二次分光片和第二光纤准直器；所述二次分光片分别设置在第一分光片、第二分光片和第三分光片反射光路上；第一分光片、第二分光片和第三分光片与光源入射方向的夹角均为45°，对应设置在第一分光片、第二分光片和第三分光片反射光路上的二次分光片与光源光路入射方向的夹角也均为45°。

进一步地，所述第二光纤准直器设在与其相应的二次分光片的反射光路上，所述第一光纤准直器设在折返光经二次分光片透射后的光路上，第一分光片、第二分光片和第三分光片的反射光由每组光耦合传输单元的二次分光片反射后经对应的第二光纤准直器传输后发生折返，折返后返回的光再次通过第二光纤准直器，经二次分光片透射后通过第一光纤准直器返回至相应探测器上。

进一步地，所述第二光纤准直器设在与其相应的二次分光片的透射光路上，所述第一光纤准直器设在折返光经二次分光片反射后的光路上，第一分光片、第二分光片和第三分光片的反射光由每组光耦合传输单元的二次分光片透射后经对应的第二光纤准直器传输后发生折返，折返后返回的光再次通过第二光纤准直器，经二次分光片反射后通过第一光纤准直器返回至相应探测器上。

进一步地，所述集成化耦合模块还包括设置在封装外壳内、位于每个二次分光片反射光路上的光路折返元件，所述第二光纤准直器设在与其相应的二次分光片反射光经光路折返元件第一次折返后的光路上，所述第一光纤准直器设在折返光经光路折返元件再次折返后，并经二次分光片透射后的光路上。第一分光片、第二分光片和第三分光片的反射光由每组光耦合传输单元的二次分光片反射后被光路折返元件折返进入第二光纤准直器，再经封装外壳外的光路折返器件折返，返回光再次通过第二光纤准直器，通过光路折返元件再次折返后，经二次分光片透射由第一光纤准直器返回至相应探测器上。

进一步地，第一分光片、第二分光片与光源入射方向夹角为45°，第三分光片包括第一全反片和第二全反片，第一全反片与光路入射方向夹角为135°，第二全反片与光路入射方向的夹角为45°；

定义第一、第二、第三分光片对应的二次分光片分别为二次分光片S4、二次分光片S5和二次分光片S6；二次分光片S6设置在第一全反片的反射光路上；

二次分光片S4和二次分光片S5的透射光束经第一全反片反射后进入相应的第二光纤准直器；二次分光片S6的透射光束经第二全反片反射后进入相应的第二光纤准直器。

进一步地，所述第一分光片一面镀宽带增透膜，另一面镀单点或双点透反比为2：1的分光膜；所述第二分光片一面镀宽带增透膜，另一面镀单点或双点的半透半反分光膜；所述第三分光片一面镀单点或双点全反射膜，另一面不镀膜；所有二次分光片一面镀宽带增透膜，另一面镀单点或双点的半透半反分光膜。

进一步地，所述封装外壳的底面设有凹槽，所述第一分光片、第二分光片、第三分光片以及所有的二次分光片均设置在凹槽内，所述封装外壳的侧面相应位置留有光纤出孔。

进一步地，所述封装外壳内设有多个固定槽，所有的光纤准直器均固定在固定槽内。

进一步地，所述固定槽为两块梯形玻璃体组成的“V”形槽，所述“V”形槽的两块梯形玻璃体沿光纤准直器对称设置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明在第一分光片、第二分光片和第三分光片反射光路上分别设置二次分光片，不同分光片反射的光经对应的二次分光片反射或透射后经第二光纤准直器传输到封装外壳外相应光路折返器件；经光路折返器件折返后返回的光经二次分光片透射或反射后，通过第一光纤准直器返回至相应探测器上。结构紧凑，集成化较高，避免了因采用多个光纤耦合器导致体积过大的问题，体积小、重量轻。

2、因为采用的是集成化耦合模块，不需要光纤耦合器，也无需对两个耦合器熔接连接，直接将第一分光片、第二分光片、第三分光片以及所有的二次分光片固定在封装外壳表面的凹槽内，装好光纤准直器，避免了温度等环境因素的变化对熔接点造成的影响，无光纤熔接点以及光纤弯曲问题，可靠性明显增强。该耦合模块集成了四个耦合器的功能，成本低廉，可实现批量生产，并进行大规模应用。

3、可根据使用需求，通过改变第一分光片、第二分光片、第三分光片以及所有的二次分光片的结构、相对位置、角度或增加光路折返器件，改变光纤的出纤方向。

附图说明

图1-1为现有三轴光源共享光纤陀螺的结构示意图；

图1-2为现有光纤电流互感器的结构示意图；

图2为集成化耦合模块的准直器V槽梯形玻璃体的结构示意图；

图3为本发明实施例一的内部结构示意图；

图3-1为图3的A-A方向剖视图；

图4为本发明实施例二的内部结构示意图；

图4-1为图4的B-B方向剖视图；

图4-2为图4的A-A方向剖视图；

图4-3为图4的立体图；

图5为本发明实施例三的内部结构示意图；

图5-1为图5的B-B方向剖视图；

图5-2为图5的A-A方向剖视图；

图5-3为图5的立体图；

图6为本发明实施例四的内部结构示意图；

图6-1为图6的A-A方向剖视图；

图6-2为图6内部结构的立体图；

图6-3为图6-2的C方向视图。

附图标记说明：S—光源，2～8—光纤准直器，C1—1×3光纤耦合器，C2～C4—1×2光纤耦合器，P1～P3—探测器，Y—Y波导，L—光纤环，W—直波导，R—反射镜，10-封装外壳，11—凹槽，12—固定槽，13—光路折返元件，S1—分光片(透：反＝2：1)，S2、S4、S5、S6—分光片(透：反＝1：1)，S3—分光片(全反片)。

具体实施方式

图1-1为现有一般三轴光源共享光纤陀螺的结构示意图。光路的传输路径：由光源S1发出的激光被1×3的光纤耦合器C1分为3路，第一路经耦合器C2传输到Y波导，分为两路光，两路光分别沿着光纤环L顺时针和逆时针传播，再由Y波导将两束光返回，经耦合器C2，被探测器P1探测到两束光的干涉信息，解调出所需信息。可根据Sagnac效应，得到相应的相移式中：L为光纤环的长度，R为光纤环半径，λ为光源的波长，C为真空中的光速，Ω为旋转的角速度。

被耦合器C1分开的另外两路光，一路经由耦合器C3被Y波导分为两路，在光纤环中分别顺时针和逆时针传播，最终由Y波导经由C3返回，被探测器P2探测，解调分析可得出所需信息。另一路经由耦合器C4被Y波导分为两路，在光纤环中分别顺时针和逆时针传播，最终由Y波导经由C4返回，被探测器P3探测，解调分析可得出所需信息。

图1-2为现有光纤电流互感器的结构示意图。其光路在耦合器间的传输与图1-1完全相同，不同之处在于耦合器C2、C3、C4的输出光经直波导W传输到光纤环L，被反射镜R返回再次经过光纤环原路返回，由于磁光效应偏振面旋转一定的角度。偏转后的光信号经直波导被探测器P1、P2、P3探测。通过解调分析可得出所需信息。

为了进一步促进以上这类器件的集成化和小型化，从减少光无源器件的数目出发，发明了该集成化的耦合模块，取代图1或图1-1中的四个耦合器，即图中虚线框内的耦合器部分。下面就以图1的应用为实施例，具体说明本发明的实施方式。

实施例一

如图3和图3-1所示，一种集成化耦合模块，设置在封装外壳10内，位于封装外壳外的光源S与三个光路折返器件之间，包括依次设置在光源光路上的光纤准直器2、分光片S1、分光片S2和全反片S3。

所述集成化耦合模块还包括三组光耦合传输单元，每组光耦合传输单元均包括第一光纤准直器、二次分光片和第二光纤准直器。所述三组光耦合传输单元的二次分光片分别设置在分光片S1、分光片S2和全反片S3反射光路上，分光片反射的光经二次分光片反射后通过第二光纤准直器传输到相应光路折返器件上；光路折返器件返回的光经二次分光片透射后，通过第一光纤准直器返回至相应探测器上。其中，二次分光片S4对应第一光纤准直器3和第二光纤准直器4；S5对应第一光纤准直器5和第二光纤准直器6；S6对应第一光纤准直器7和第二光纤准直器8；

光源S发出的光经由准直器2后被的分光片S1分为两束，一束由二次分光片S4再次分为两束，其中一束传输到第二光纤准直器4，由第二光纤准直器4后面的光路折返器件将光束再次返回到二次分光片S4，最后被第一光纤准直器3接受，由探测器P1探测。被分光片S1分开的另一束光传输到分光片S2再次分为两束，一束由二次分光片S5传输到第二光纤准直器6，再由光路折返器件将光束再次返回到分光片S5，最后被第一光纤准直器5接受，由探测器P2探测；另一束被全反片S3全部反射到二次分光片S6，传输到第二光纤准直器8，再由后面的光路折返器件将光束在返回到二次分光片S6，最后被第一光纤准直器7接受，由探测器P3探测。

所述分光片S1、分光片S2、分光片S3以及二次分光片S4、二次分光片S5、二次分光片S6与光源入射方向的夹角均为45°，第二光纤准直器4、第二光纤准直器6、第二光纤准直器8分别设在二次分光片S4、二次分光片S5、二次分光片S6的反射光路上，第一光纤准直器3、第一光纤准直器5、第一光纤准直器7分别设在返回光经二次分光片S4、二次分光片S5、二次分光片S6透射后的光路上。

所述二次分光片S2、S4、S5、S6一面镀的是宽带增透膜，另一面镀单点或双点的半透半反的分光膜；分光片S1一面镀的是宽带增透膜，另一面镀单点或双点的透反比为2:1分光膜；S3一面镀单点或双点全反射膜，另一面不镀膜。

所述封装外壳10的底面设有凹槽11，所述分光片S1、分光片S2、全反片S3以及二次分光片S4、二次分光片S5、二次分光片S6均设置在凹槽11内，所述封装外壳10的侧面相应位置留有光纤出孔。分光片可在其中相应的移动，待光路调整好后用胶固定。封装外壳10采用具有良好的机械性能、强度大、密度小、便于加工的轻型结构材料硬铝。

所述封装外壳10内设有多个固定槽12，所有的光纤准直器均固定在固定槽12内。所述固定槽12为“V”形槽，如图2所示，所述“V”形槽由关于光纤准直器对称设置的两块梯形玻璃体组成。主要是为了制作器件是方便调整，可用于固定不同外径的准直器。

上述的光纤准直器可以根据系统的工作要求，选择制作工作在相应波长如980nm、1064nm、1310nm、1531nm、1560nm的光纤准直器，或者可以在制作准直器将尾纤和透镜均镀款在增透膜，制作出宽带准直器，其工作波长范围为1260～1620nm。

整个器件的封装尺寸是30×20×6mm，光纤的出纤位置在封装外壳10平行的两个侧面。

实施例二

参见图4至图4-3，本实施例与实施例一的区别在于分光片的反射光由每组光耦合传输单元的二次分光片透射后经对应的第二光纤准直器传输后发生折返，折返后返回的光再次通过第二光纤准直器，经二次分光片反射后通过第一光纤准直器返回至相应探测器上；

第二光纤准直器4、第二光纤准直器6、第二光纤准直器8分别设在二次分光片S4、二次分光片S5、二次分光片S6透射光路上；第一光纤准直器3、第一光纤准直器5、第一光纤准直器7分别设在返回光经分光片S4、二次分光片S5、二次分光片S6反射后的光路上。整个器件的封装尺寸是27×27×6mm，光纤的出纤位置在封装外壳垂直的两个侧面。

实施例三

参见图5至5-3，本实施例与实施例一的区别在于，分光片S1、分光片S2与光源光路入射方向夹角为45°，全反片S3的旁边设置有全反片S30，全反片S3与光源S入射方向夹角为135°，全反片S30与光源光路入射方向的夹角为45°；

二次分光片S4和二次分光片S5的透射光束经全反片S3反射后进入分别进入第二光纤准直器4、第二光纤准直器6；二次分光片S6的透射光束经全反片S30反射后进入第二光纤准直器8。

整个器件的封装尺寸是30×26×6mm，光纤的出纤位置沿同一高度并排设置在封装外壳的一个侧面。

实施例四

参见图6至6-3，本实施例基于实施例一的基础上所述集成化耦合模块还包括设置在封装外壳内、位于每个二次分光片反射光路上的光路折返元件13，所述第二光纤准直器设在与其相应的二次分光片反射光经光路折返元件13第一次折返后的光路上，所述第一光纤准直器设在折返光经光路折返元件13再次折返后，并经二次分光片透射后的光路上。分光片S1、分光片S2和分光片S3的反射光由每组光耦合传输单元的二次分光片反射后被光路折返元件13折返进入第二光纤准直器，再经封装外壳外的光路折返器件折返，返回光再次通过第二光纤准直器，通过光路折返元件13再次折返，经二次分光片透射后，由第一光纤准直器返回至相应探测器上。

整个器件的封装尺寸是30×19×11mm，光纤的出纤位置上下分为两排设置在封装外壳的一个侧面。

上述详细描述仅是示范性描述，本领域技术人员在不脱离本发明所保护的范围和精神的情况下，根据不同的实际需要设计出的各种实施方式，皆应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种集成化耦合模块，其特征在于：设置在封装外壳内，包括依次设置在光源入射光路上的光纤准直器、第一分光片、第二分光片和第三分光片，还包括分别设置在第一分光片、第二分光片和第三分光片反射光路上的三组光耦合传输单元；

所述光耦合传输单元用于将第一分光片、第二分光片和第三分光片反射的光传输至封装外壳外相应的光路折返器件，并将折返的光传输至相应的探测器；

所述第一分光片的透反比为2：1，第二分光片的透反比为1：1，第三分光片为全反片。

2.根据权利要求1所述的集成化耦合模块，其特征在于：

第一分光片、第二分光片和第三分光片与光源入射方向的夹角均为45°；每组光耦合传输单元均包括第一光纤准直器、二次分光片和第二光纤准直器；三组光耦合传输单元的二次分光片分别设置在第一分光片、第二分光片和第三分光片反射光路上，且与光源入射方向的夹角均为45°。

3.根据权利要求2所述的集成化耦合模块，其特征在于：

所述第二光纤准直器设在与其相应的二次分光片的反射光路上，所述第一光纤准直器设在折返光经二次分光片透射后的光路上。

4.根据权利要求2所述的集成化耦合模块，其特征在于：

所述第二光纤准直器设在与其相应的二次分光片的透射光路上，所述第一光纤准直器设在折返光经二次分光片反射后的光路上。

5.根据权利要求2所述的集成化耦合模块，其特征在于：还包括设置在封装外壳内、位于每个二次分光片反射光路上的光路折返元件，所述第二光纤准直器设在与其相应的二次分光片反射光经光路折返元件第一次折返后的光路上，所述第一光纤准直器设在折返光经光路折返元件再次折返后，并经二次分光片透射后的光路上。

6.根据权利要求1所述的集成化耦合模块，其特征在于：第一分光片、第二分光片与光源入射方向夹角为45°，第三分光片包括第一全反片和第二全反片，第一全反片与光源入射方向夹角为135°，第二全反片与光源入射方向的夹角为45°；

定义第一、第二、第三分光片对应的二次分光片分别为二次分光片S4、二次分光片S5和二次分光片S6；二次分光片S6设置在第一全反片的反射光路上；

二次分光片S4和二次分光片S5的透射光束经第一全反片反射后进入相应的第二光纤准直器；二次分光片S6的透射光束经第二全反片反射后进入相应的第二光纤准直器。

7.根据权利要求1-6任一所述的集成化耦合模块，其特征在于：所述第一分光片一面镀宽带增透膜，另一面镀单点或双点透反比为2：1的分光膜；所述第二分光片一面镀宽带增透膜，另一面镀单点或双点的半透半反分光膜；所述第三分光片一面镀单点或双点全反射膜，另一面不镀膜；所有二次分光片一面镀宽带增透膜，另一面镀单点或双点的半透半反分光膜。

8.根据权利要求7所述的集成化耦合模块，其特征在于：所述封装外壳的底面设有凹槽，所述第一分光片、第二分光片、第三分光片以及所有的二次分光片均设置在凹槽内，所述封装外壳的侧面相应位置留有光纤出孔。

9.根据权利要求8所述的集成化耦合模块，其特征在于：所述封装外壳内设有多个固定槽，所有的光纤准直器均固定在固定槽内。

10.根据权利要求9所述的集成化耦合模块，其特征在于：所述固定槽为两块梯形玻璃体组成的“V”形槽，所述“V”形槽的两块梯形玻璃体沿光纤准直器对称设置。