CN109738996B - 自动光纤耦合装置 - Google Patents

Abstract

一种用于将空间激光耦合到单模光纤中的自动光纤耦合调整装置，包括安装在光学基座上的步进电机、光楔、偏振分束器、光纤耦合架。所述的两个光楔分别安装在两个步进电机上，由电脑控制光楔的相对旋转，进而带动光楔的旋转，组成双光楔控制系统，对通过光楔的光束方位角与空间位置进行调节，从而实现光纤耦合的最佳效率。本发明的装置结构简单，易于调节，节省人工调节的时间，稳定性高，并且容易实现仪器的小型化与模块化。

Description

自动光纤耦合装置

技术领域

本发明涉及光纤耦合，特别是一种用于集成光路的小型化和模块化的自动光纤耦合装置。

背景技术

空间光-光纤耦合技术中最早被人们关注的一种方案是空间光-透镜-单模光纤这一最简单的方案。2007年，邓科对只考虑光学孔径衍射效应时空间平面光经单透镜耦合到单模光纤的耦合效率进行分析，得出平面波经单透镜耦合进单模光纤的理论耦合效率极限最大值为81.4％的结论。2011年，陈海涛等人对理想条件下光纤偏移引起的耦合效率衰落的理论分析。1990年，美国麻省理工学院的林肯实验室提出了一种应用于FSO通信领域的基于光纤章动的有源耦合方案，在接收光信号的同时让单模光纤起到位置误差传感器的作用。

由于单模光纤芯径比多模光纤小很多，因此自由空间光束到单模光纤的耦合难度较大，关于该问题曾经有各种不同的解决方案。2002年，Thomas Weyrauch等完成了自适应光学空间光-光纤耦合实验，利用微机械变型镜校正波前，完成了单模光纤最大耦合效率达60％、多模达70％以上的系统搭建。2010年，Hanling Wu等人，利用泽尼克多项式模拟波前畸变，理论上验证了利用自适应光学器件校正多项式前3～20阶畸变可以高耦合效率。2013年，武汉大学的熊准等人也得出了与Hanling Wu类似的理论。此外，还有许多不同的空间光耦合方法被提出，2014年，Carl M.Weiner提出将多模光纤-单模光纤的过渡中加入一段锥形光纤的耦合方案。

关于自动光纤耦合，2007年，高昊等人采用五点搜寻法结合压电陶瓷和快速倾斜镜，搭建了一套光纤耦合自动对准的系统。五点跟踪法是以目前光斑位置为中心，比较上、下、左、右一个步长距离位置处光强的大小确定光斑的移动方向，使光斑始终沿着光强增大的方向移动。该方法简单，适用于理想条件下的对准过程，它要求对准过程中耦合进光纤中光功率只有一个极大值的情况，且容易受到外界的干扰，当搜索步长较小时，可行域较大时，要完成对准功能需要的时间较长。2012年，Takenaka利用四象限探测器和快速反射镜进行对准和跟踪。类似的，2013年，Zhang Ruochi搭建了基于位置传感器和快速反射镜的空间光耦合平台进行星地通信下行链路实验，利用PID算法实现了光斑跟踪。2016年，高建秋等人提出基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合方法，当脱靶量角度为3μrad，没有扰动时，系统的耦合效率为67％，引入扰动并用控制系统进行扰动补偿后，系统的耦合效率提高了6.5％

通常的光纤耦合装置主要包括耦合组件、单模光纤、光纤接口和调节机制四个部分，见附图1。聚焦透镜被封装在耦合组件上，耦合组件、光纤接口和调节机制被固定在机械结构上。

上述的光纤耦合装置，单模光纤芯径小，透镜球形误差的存在，在实际应用中存在诸多问题：

1)调节困难，光纤纤径一般为μm量级，对于光束在两个旋转维度以及两个平移维度实现μm量级的精密调整，人工实现空间光耦合对准费工费时。

2)对光学元件要求较高，耦合效率不仅与透镜的相对孔径、光纤的模场半径还与入射高斯光束在透镜表面的模斑半径相关。其余参数一定时，模斑半径越大耦合效率越高。为了得到最大的耦合效率，需要寻找满足上述所有条件的透镜，制作成本高，且调节困难。

3)无法实现自动对准，当环境改变或者激光器变化引起光斑位置、大小等变化，需要人为调节，无法自动对准，费时费力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有系统的不足，提供一种用于空间光-单模光纤的自动光纤耦合装置，通过芯片控制步进电机的运转，进而调节两个光楔的搭配，实现最大光纤耦合效率。

该装置结构简单、调节方便、稳定性强。

本发明的技术解决方案如下：

一种自动光纤耦合装置，其特点在于：包括依次安装在光学基座上的同光轴的隔离器、偏振分束器、第一光楔、第二光楔和光纤耦合头，以及第一步进电机和第二步进电机；

入射光经所述的隔离器入射到偏振分束器，经该偏振分束器分为反射光和透射光，该透射光依次经所述的第一光楔和第二光楔入射到光纤耦合头；

所述的第一步进电机与第一光楔相连，用于控制该第一光楔的转动，所述的第二步进电机与第二光楔相连，用于控制该第二光楔的转动，使到达经第二光楔的出射光以不同角度入射到所述的光纤耦合头。

所述第一光楔固定在所述的第一步进电机，所述的第二光楔固定在所述的第二步进电机上，所述的第一步进电机和第二步进电机分别和电脑相连，由电脑控制步进电机旋转进而带动光楔的小角度旋转。

所述的第一步进电机和第二步进电机均固定在光学基座上，保证入射光能依次从第一光楔的中心和第二光楔的中心透过，且经第一光楔和第二光楔的出射光能入射到所述的光纤耦合头的中心。

所述的光纤耦合头的直径为8mm～12mm，光斑直径0.2mm～5mm。

在所述的第一光楔的入射面和出射面以及第二光楔的入射面和出射面均镀有增透膜。

所述的增透膜的透射率为99.99％。

所述的第一光楔和第二光楔的直径相同，楔角相同。

第一光楔和第二光楔的直径为10mm，楔角为0.5°，厚度为2mm。

第一步进电机和第二步进电机的直径均为5mm或8mm。

所述的光学透镜的参数根据经验确定。

本发明的技术效果：

1)光楔前后表面镀增透膜，提高了光功率的利用率。

2)利用步进电机控制光楔的运转，实现小角度调节及其自动化。

3)本发明仅使用两个光楔进行光纤耦合，光学系统结构简单，调节自由度充分，调节难度大大降低。

4)本发明结构简单，调节简易，占用空间少，解决了人工调节费工费时，且该装置容易集成在一个光学基座上，易于小型化、模块化。

附图说明

图1已有的光纤耦合装置。

图2是本发明自动光纤耦合装置的结构框图。

图中，1为隔离器，2为偏振分束器(PBS)，3为第一光楔，4为第二光楔，5为光纤耦合头，6为第一步进电机、7为第二步进电机，8为步进电机控制板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明自动光纤耦合装置包括光隔离器、偏振分束器、光楔、单模光纤耦合头。激光器发出的激光经过光隔离器，偏振分束器后进入两个光楔中，通过最先开始的人工调节，将通过两个光楔后的光斑照射到光纤耦合头的中心，尽量使其耦合效率达到最大。当环境等因素改变使得光纤耦合效率下降，我们通过两个光楔的旋转，使其达到耦合效率最大的位置。

先请参阅图2，图2是本发明自动光纤耦合装置实施例的结构框图。由图可见，一种自动光纤耦合装置，包括依次安装在光学基座上的同光轴的隔离器1、偏振分束器2、第一光楔3、第二光楔4和光纤耦合头5，以及第一步进电机6和第二步进电机7；入射光经所述的隔离器1入射到偏振分束器2，经该偏振分束器2分为反射光和透射光，该透射光依次经所述的第一光楔3和第二光楔4入射到光纤耦合头5；所述的第一步进电机6与第一光楔3相连，用于控制该第一光楔3的转动，所述的第二步进电机7与第二光楔4相连，用于控制该第二光楔4的转动，使到达经第二光楔4的出射光以不同角度入射到所述的光纤耦合头5。由隔离器1和偏振分束器2构成激光器系统，所述的第一步进电机6和第二步进电机7均固定在光学基座上，保证入射光能依次从第一光楔3的中心和第二光楔4的中心透过，且经第一光楔3和第二光楔4的出射光能入射到所述的光纤耦合头5的中心。

本实施例步进电机规格为8mm，光楔中心安装在步进电机上，使得光从中心偏上方向通过。

所述的第一步进电机和第二步进电机通过电脑编写的labview程序进行控制，进而可以控制第一步进电机或第二步进电机同时或者分别行走一小微步或者一大步。两个光楔每次走一小微步或者几微步，即旋转的角度不同，那么激光入射到光纤耦合头中的光功率也不同，即单模光纤的输出功率也不同。通过对单模光纤后方的光电管进行监测，记录光纤耦合头后方光纤的输出功率，寻找最大光强，此为光纤耦合效率最大处，此时得到光楔旋转的角度，即得到光楔的位置，并将其固定。

所述光学元件连同其安装座安装于一个光学基座上，光学元件安装座根据整个光路的光心高度设计加工，并保持光学设计要求。

所述所有光学元件的光学平面互相平行且光心高度一致。

综上，本发明利用电脑控制步进电机寻找光纤耦合效率最大时光纤的位置，简化了结构，调节精细且简单，解决了人工调节费时费工的问题。与此同时，使得装置更加自动化。

Claims (6)

1.一种自动光纤耦合装置，其特征在于：包括依次安装在光学基座上的同光轴的隔离器（1）、偏振分束器（2）、第一光楔（3）、第二光楔（4）和光纤耦合头（5），以及第一步进电机（6）和第二步进电机（7）；

入射光经所述的隔离器（1）入射到偏振分束器（2），经该偏振分束器（2）分为反射光和透射光，该透射光依次经所述的第一光楔（3）和第二光楔（4）入射到光纤耦合头（5）；

所述的第一步进电机（6）与第一光楔（3）相连，用于控制该第一光楔（3）的转动，所述的第二步进电机（7）与第二光楔（4）相连，用于控制该第二光楔（4）的转动，使到达经第二光楔（4）的出射光以不同角度入射到所述的光纤耦合头（5）；

所述的第一光楔（3）和第二光楔（4）的直径相同均为10 mm，楔角相同均为0.5 °，第一步进电机（6）和第二步进电机（7）的直径均为5 mm，所述的第一光楔（3）和第二光楔（4）的中心安装在步进电机上，使得光从中心偏上方向通过。

2.根据权利要求1所述的自动光纤耦合装置，其特征在于：所述第一光楔（3）、（4）固定在所述的第一步进电机（6），所述的第二光楔（4）固定在所述的第二步进电机（7）上，所述的第一步进电机（6）和第二步进电机（7）分别和芯片相连，由芯片控制步进电机旋转进而带动光楔的小角度旋转。

3.根据权利要求1或2所述的自动光纤耦合装置，其特征在于：所述的第一步进电机（6）和第二步进电机（7）均固定在光学基座上，保证入射光能依次从第一光楔（3）的中心和第二光楔（4）的中心透过，且经第一光楔（3）和第二光楔（4）的出射光能入射到所述的光纤耦合头（5）的中心。

4.根据权利要求3所述的自动光纤耦合装置，其特征在于：所述的光纤耦合头（5）的直径为8 mm~12mm，光斑直径0.2mm~5mm。

5.根据权利要求1所述的自动光纤耦合装置，其特征在于：在所述的第一光楔（3）的入射面和出射面以及第二光楔（4）的入射面和出射面均镀有增透膜。

6.根据权利要求5所述的自动光纤耦合装置，其特征在于：所述的增透膜的透射率为99.99%。

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