CN111045156B - 一种多模光纤衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多模光纤衰减器，由多模双光纤准直器输入至多模双光纤准直器的输入光束，经角锥棱镜偏折后，入射在环形中性密度滤光片上。由旋转步进电机驱动角锥棱镜旋转，使得输入光束在环形中性密度滤光片上的入射位置沿环向方向可变，经过环形中性密度滤光片的透射光束可以得到变化的衰减量。经过环形中性密度滤光片的透射光束被反射镜反射，再次经过环形中性密度滤光片透射并产生二次衰减，二次衰减后的光束再次经角锥棱镜反射，被多模双光纤准直器接收并输出，实现对输入光束的能量衰减。本发明实施例中采用环形中性密度滤光片，并以旋转步进电机驱动角锥棱镜，实现对输入光束的能量进行可调的能量衰减，结构紧凑，调谐速度快。

Description

一种多模光纤衰减器

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种多模光纤衰减器。

背景技术

近年来，随着光通信容量的迅速增长，特别是随着波分复用全光网络的不断发展，光纤衰减器作为光纤通信系统中一种重要的光纤无源器件，其市场需求持续扩大。光纤衰减器的主要功能是控制光信号的功率和强度，故多用于密集波分复用系统中信道的功率均衡和器件的保护，实现增益平坦、动态增益平衡及传输功率均衡。

对于单模光纤应用，可以采用部分阻挡光束截面、偏转光束、光纤横向错位等方式来产生光功率的衰减；而对于多模光纤应用，这些方法会产生传输特性极不稳定的高阶模和辐射模，导致衰减量的重复性极差，所以多模光纤衰减器一般都要使用中性密度对不同模式具有相同衰减的特性，现有技术一般采用直线型步进电机推动中性密度滤光片移动，来实现对多模光纤光束能量的衰减。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多模光纤衰减器，旨在解决现有技术中由于使用直线型步进电机使得中性密度滤光片行程大，导致衰减器调谐速度过慢的技术问题。

本发明实施例提供了一种多模光纤衰减器，包括：多模双光纤准直器、环形中性密度滤光片、角锥棱镜和旋转步进电机；多模双光纤准直器用于将输入光束经环形中性密度滤光片的中空部分入射至角锥棱镜上，且用于输出经环形中性密度滤光片二次衰减后的输入光束；角锥棱镜固定在旋转步进电机的旋转轴上，角锥棱镜用于将输入光束偏折至环形中性密度滤光片上并将经环形中性密度滤光片二次衰减后的输入光束偏折射至多模双光纤准直器，且在旋转步进电机的驱动下根据衰减值旋转相应的角度；环形中性密度滤光片用于对经过角锥棱镜偏折后的输入光束进行环向方向且衰减量可调的衰减；工作时经环形中性密度滤光片一次衰减后的输入光束反射至环形中性密度滤光片进行二次衰减，进行二次衰减后的输入光束传输至角锥棱镜上。

进一步优选地，多模光纤衰减器还包括反射镜；反射镜设置在多模双光纤准直器与环形中性密度滤光片之间，用于将经环形中性密度滤光片衰减后的输入光束反射至环形中性密度滤光片。且入射光束在所述多模双光纤准直器与反射镜之间的传输路径长度与所述多模双光纤准直器中准直透镜的焦距相等。

优选地，输入光束的传输方向与所述角锥棱镜的光束入射面垂直，且所述角锥棱镜的光束入射面与所述旋转步进电机的旋转轴垂直。

优选地，反射镜与所述环形中性密度滤光片平行。

优选地，角锥棱镜具体用于将所述输入光束以180度的偏折角度偏折至所述环形中性密度滤光片上。

优选地，环形中性密度滤光片与输入光束的传输方向的垂直方向呈预设夹角，例如该夹角可以设置为4°。

优选地，反射镜为环形反射镜，反射镜与中性密度滤光片的形状大小一样，这样确保在中性密度滤光片透射出的光束都能被反射镜反射。

优选地，环形中性密度滤光片具体为输入光束提供环向方向呈线性渐变的衰减量，对输入光束进行衰减。

优选地，环形中性密度滤光片的前表面上镀有反射率渐变的金属膜。

优选地，输入光束经多模光纤衰减器后的衰减量基于所述输入光束在所述环形中性密度滤光片上的入射位置、所述入射位置与所述环形中性密度滤光片上光学密度最小位置之间的偏转角度以及所述光学密度最小位置处的光学密度值确定。

本发明实施例提供的一种多模光纤衰减器，由多模双光纤准直器输入至多模双光纤准直器的输入光束，经角锥棱镜偏折后，入射在环形中性密度滤光片上。由旋转步进电机驱动角锥棱镜旋转，使得输入光束在环形中性密度滤光片上的入射位置沿环向方向可变，经过环形中性密度滤光片的透射光束可以得到变化的衰减量。经过环形中性密度滤光片的透射光束被反射镜反射，再次经过环形中性密度滤光片透射并产生二次衰减，二次衰减后的光束再次经角锥棱镜反射，被多模双光纤准直器接收并输出，实现对输入光束的能量衰减。本发明实施例中采用环形中性密度滤光片，并以旋转步进电机驱动角锥棱镜，实现对输入光束的能量进行可调的能量衰减，结构紧凑，调谐速度快。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，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一种多模光纤衰减器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种多模光纤衰减器中环形中性密度滤光片的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种多模光纤衰减器中多模双光纤准直器与反射镜之间的光路展开示意图；

图4为本发明实施例提供的一种多模光纤衰减器中角锥棱镜的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种多模光纤衰减器中反射镜的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种多模光纤衰减器中输入光束在环形中性密度滤波片上的入射位置与环形中性密度滤光片上光学密度最小位置之间的偏转角度的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供了一种多模光纤衰减器，包括：多模双光纤准直器1、环形中性密度滤光片2、角锥棱镜3、反射镜4和旋转步进电机5。

多模双光纤准直器1用于将输入光束经环形中性密度滤光片2的中空部分入射至角锥棱镜3上。

角锥棱镜3用于将输入光束偏折至环形中性密度滤光片2上；环形中性密度滤光片2用于为输入光束提供环向方向变化的衰减量，对输入光束进行衰减。

经环形中性密度滤光片2衰减后的输入光束经由反射镜4反射至环形中性密度滤光片2进行二次衰减，进行二次衰减后的输入光束传输至角锥棱镜3上，并由角锥棱镜3偏折射至多模双光纤准直器1，多模双光纤准直器1还用于输出经环形中性密度滤光片2二次衰减后的输入光束。

角锥棱镜3固定在旋转步进电机5的旋转轴上，旋转步进电机5用于驱动角锥棱镜3进行旋转。

具体地，本发明实施例中提供的多模光纤衰减器中的多模双光纤准直器1包括输入端、输出端和准直透镜，输入光束经多模双光纤准直器的输入端以及准直透镜进入多模光纤衰减器。多模光纤衰减器中的环形中性密度滤光片2具有中空部分，具体可以是圆环形中性密度滤光片。如图2所示，为本发明实施例中提供的环形中性密度滤光片的结构示意图，图2中环形中性密度滤光片2包括中空部分21，多模双光纤准直器1输入的光束从中空部分21入射到角锥棱镜3上，完成衰减后角锥棱镜3反射的光束通过中空部分21返回到多模双光纤准直器。

输入光束经由环形中性密度滤光片2的中空部分21入射至角锥棱镜3上，角锥棱镜3的结构示意图如图3所示，可以最终实现对输入光束的180度偏折，使输入光束偏折至环形中性密度滤光片2上，偏折后的输入光束与偏折前的输入光束平行且传输方向相反。

角锥棱镜3包括光束入射面31和三个反射面，图3中仅示出了光束入射面31和三个反射面中的两个反射面。光束入射面31可以镀有增透膜，这样能够增加光束的透过率，减小角锥棱镜带来的插入损耗，而角锥棱镜3的三个反射面镀有反射膜，能反射对应波长的光束。

本发明实施例中，环形中性密度滤光片2的光学密度在环向方向上是变化的，因此可以为输入光束提供环向方向变化的衰减量，对输入光束进行可调的衰减，环向方向可以如图2中的箭头方向所示，可以是与图2中的箭头方向相反的方向。环形中性密度滤光片2的光学密度在径向方向上是固定不变的，因此可以为输入光束提供径向方向固定的衰减量，对输入光束进行固定的衰减。其中，径向方向为环形中性密度滤光片2的直径方向。需要说明的是，现有技术是使用直线型步进电机推动中性密度滤光片移动来实现光束能量的衰减，这会需要很大的行程导致响应速度很慢，而本发明使用旋转步进电机5驱动角锥棱镜3旋转，使得光束在环形中性密度滤光片2的环向方向上移动，由于步进电机的选择角很小，则可以近似的认为光束的移动是连续的，所以能够实现对为输入光束提供的连续可调的衰减量。

经环形中性密度滤光片2衰减后的输入光束经由反射镜4反射至环形中性密度滤光片2进行二次衰减，每次衰减会使输入光束产生相同的衰减量。进行二次衰减后的输入光束传输至角锥棱镜3上，并由角锥棱镜3偏折至多模双光纤准直器1，多模双光纤准直器1还用于输出经环形中性密度滤光片2衰减后的输入光束。需要说明的是，本发明实施例中，输入光束第一次入射至环形中性密度滤光片2的表面为环形中性密度滤光片2的前表面，经反射镜4反射至环形中性密度滤光片2的表面为环形中性密度滤光片2的后表面。

输入光束在多模光纤衰减器内的完整传输过程是：输入光束经环形中性密度滤光片2的中空部分入射至角锥棱镜3上，经角锥棱镜3偏折至环形中性密度滤光片2上进行衰减，从环形中性密度滤光片2透射并入射到反射镜4，这段光路称为正向光路；经反射镜4反射，再次从环形中性密度滤光片2透射之后，再次被角锥棱镜3偏折，再次经过环形中性密度滤光片2的中空部分，被多模双光纤准直器1接收并输出，这段光路称作反向光路。

本发明实施例中，角锥棱镜3可以固定在旋转步进电机5的旋转轴上，通过旋转步进电机5驱动角锥棱镜3进行旋转，使经过角锥棱镜偏折后的输入光束的输出位置发生变化，进而使输入光束在环形中性密度滤光片2上的入射位置沿环向方向移动，由于环形中性密度滤光片2的光学密度在环向方向上是变化的，因此当输入光束在环形中性密度滤光片2上的入射位置沿环向方向移动时，就可以得到可变的衰减量，这样即可对多模光纤中光信号的能量实现可调的衰减。

传统技术方案中，为实现对输入光束能量的可调衰减，通常在光路中插入条形线性渐变中性密度滤光片，以直线步进电机驱动条形线性渐变中性密度滤光片，实现对输入光束的衰减量的调节。这种方案需要大行程范围的直线步进电机，行程范围需要达到数十毫米，当衰减量的调节范围较大时，响应速度较慢，达到1000毫秒以上，不能满足快速调谐的需求。而本发明实施例中提供的多模光纤衰减器，由于采用了环形中性密度滤光片、角锥棱镜以及旋转步进电机配合使用，这样的设计通过角锥棱镜驱动光束在滤光片上移动，即使衰减量的调节范围很大时，步进电机的旋转角也不会超过270°，可以提高多模光纤衰减器的响应速度，使得整个系统在衰减量的调节范围较大时响应速度也在50ms以内，实现对输入光束的衰减量的快速调谐。

本发明实施例中提供的多模光纤衰减器，由多模双光纤准直器输入至多模双光纤准直器的输入光束，经角锥棱镜偏折后，入射在环形中性密度滤光片上。由旋转步进电机驱动角锥棱镜旋转，使得输入光束在环形中性密度滤光片上的入射位置沿环向方向可变，经过环形中性密度滤光片的透射光束可以得到变化的衰减量。经过环形中性密度滤光片的透射光束被反射镜反射，再次经过环形中性密度滤光片透射并产生二次衰减，二次衰减后的光束再次经角锥棱镜反射，被多模双光纤准直器接收并输出，实现对输入光束的能量衰减。本发明实施例中采用环形中性密度滤光片，并以旋转步进电机驱动角锥棱镜，实现对输入光束的能量进行可调的能量衰减，结构紧凑，调谐速度快。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的多模光纤衰减器，所述反射镜设置在所述多模双光纤准直器与所述环形中性密度滤光片之间，且所述入射光束在所述多模双光纤准直器与所述反射镜之间的传输路径长度与所述多模双光纤准直器中准直透镜的焦距相等。

具体地，本发明实施例中，为保证经反射镜反射后的光束经过环形中性密度滤光片的二次衰减以及角锥棱镜偏折后，能够被多模双光纤准直器接收并输出，并且光束经反射镜反射前后分别经过环形中性密度滤光片实现一次衰减，需要将反射镜设置在多模双光纤准直器与环形中性密度滤光片之间，且设置在光路中多模双光纤准直器中准直透镜的焦点位置或焦平面上，也即入射光束在多模双光纤准直器与反射镜之间的传输路径长度与多模双光纤准直器中准直透镜的焦距相等。将多模双光纤准直器1与反射镜4之间的光路展开如图3所示，图3中反射镜4设置在多模双光纤准直器1中的准直透镜的焦点位置或焦平面上。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的多模光纤衰减器，所述输入光束的传输方向与所述角锥棱镜的光束入射面垂直，且所述角锥棱镜的光束入射面与所述旋转步进电机的旋转轴垂直。

具体地，本发明实施例中，如图4所示，需要保证输入光束的传输方向与角锥棱镜3的光束入射面31垂直，而且光束入射面31与旋转步进电机的旋转轴垂直，以使旋转步进电机驱动角锥棱镜3旋转时，角锥棱镜3均可以将输入光束以180度的偏折角度进行偏折，且偏折后的输入光束的传输方向相同。同时，可以使偏折后的输入光束在环形中性密度滤光片上的入射位置与环形中性密度滤光片的圆心之间的距离均相等。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的多模光纤衰减器，反射镜与环形中性密度滤光片平行。

具体地，本发明实施例中，需要保证反射镜与环形中性密度滤光片平行，以防止由于反射镜与环形中性密度滤光片之间的角度偏差使多模双光纤准直器无法接收到二次衰减后的输入光束。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的多模光纤衰减器，环形中性密度滤光片与输入光束的传输方向的垂直方向呈预设夹角，这样能够使得中性密度滤光片对光束进行反射，从而实现对光束能量的衰减。而预设夹角的大小会影响中性密度滤光片镀膜区的使用范围，并且角度越大使用范围越小，所以角度应该尽量的小，该角度一般设置为4°。

具体地，本发明实施例中，为防止环形中性密度滤光片的前表面对输入光束进行反射，对多模光纤衰减器对输入光束的衰减量产生影响，将环形中心密度滤光片设置成与输入光束的传输方向的垂直方向呈预设夹角。预设夹角的具体取值可以根据需要进行设置，例如可以设置为2度、3度等。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的多模光纤衰减器，反射镜为环形反射镜。

具体地，本发明实施例中，反射镜位于多模双光纤准直器和环形中性密度滤光片之间，具体可以是分别设置于输入光束上方和下方的两片反射镜，也可以是与环形中性密度滤光片形状一致的环形反射镜，反射镜与环形中性密度滤光片的尺寸大小可以相同，也可以不同，本发明实施例中对此不作具体限定。如图5所示，反射镜4是圆环形反射镜，具有中空部分41。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的多模光纤衰减器，环形中性密度滤光片具体为输入光束提供环向方向呈线性渐变的衰减量，对输入光束进行衰减。

具体地，本发明实施例中的环形中性密度滤光片具体可以是光学密度沿环向方向呈线性渐变，当输入光束连续的在环形中性密度滤光片的环向方向上移动时就会得到连续可变的衰减量，使输入光束的衰减量连续可调，克服了传统轮盘转换分档可调式衰减器不能提供连续可调衰减量的缺点。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的多模光纤衰减器，环形中性密度滤光片的前表面上镀有反射率渐变的金属膜。

具体地，本发明实施例中，为使环形中性密度滤光片的光学密度在环向方向上线性渐变，在环形中性密度滤光片的前表面镀有反射率渐变的金属膜，如此可以利用金属反射输入光束从而使得输入光束的能量得到衰减，由于金属膜的反射率是渐变的从而可以得到渐变的光学密度。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的多模光纤衰减器，输入光束经多模光纤衰减器后的衰减量基于输入光束在环形中性密度滤光片上的入射位置、入射位置与环形中性密度滤光片上光学密度最小位置之间的偏转角度以及光学密度最小位置处的光学密度值来确定。

具体地，当环形中性密度滤光片为输入光束提供环向方向呈线性渐变的衰减量，对输入光束进行衰减时，用OD表示环形中性密度滤光片的光学密度，用T表示环形中性密度滤光片的透过率，则环形中性密度滤光片的光学密度与透过率之间的关系如公式(1)所示：

本发明实施例中输入光束经多模光纤衰减器后的衰减量不仅是由两次经过环形中性密度滤光片导致，整个多模光纤衰减器的光学系统本身也存在损耗，设光学系统损耗为α，输入光束经多模光纤衰减器后的衰减量为β，α和β均为分贝值。α和β之间的关系可表示为公式(2)：

β＝α+20·OD……(2)

如图6所示，为输入光束在环形中性密度滤波片2上的入射位置与环形中性密度滤光片上光学密度最小位置之间的偏转角度的结构示意图，图6中偏转角度为θ，偏转角度对应的弧长为l，入射位置与环形中性密度滤光片的圆心之间的距离为R，则有：l＝R·θ……(3)；

由于环形中性密度滤光片2的光学密度在环向方向上是线性渐变的，则可以将光学密度OD表示为：OD＝k·l+b……(4)；

其中，k表示光学密度OD的变化率，l表示输入光束相对于光学密度最小位置的位移值，b为最小光学密度值。联立公式(2)、(3)和(4)可得到输入光束的衰减量β与输入光束在环形中性密度滤波片2上的入射位置与环形中性密度滤光片上光学密度最小位置之间的偏转角度θ之间的关系为：β＝α+20·k·R·θ+20·b……(5)；

通过公式(5)，即可确定出输入光束经过本发明实施例中提供的多模光纤衰减器后的衰减量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多模光纤衰减器，其特征在于，包括：多模双光纤准直器(1)、环形中性密度滤光片(2)、角锥棱镜(3)和旋转步进电机(5)；

所述多模双光纤准直器(1)用于将输入光束经所述环形中性密度滤光片(2)的中空部分入射至所述角锥棱镜(3)上，且用于输出经所述环形中性密度滤光片(2)二次衰减后的输入光束；

所述角锥棱镜(3)固定在所述旋转步进电机(5)的旋转轴上，所述角锥棱镜(3)用于将所述输入光束偏折至所述环形中性密度滤光片(2)上并将经所述环形中性密度滤光片(2)二次衰减后的输入光束偏折射至所述多模双光纤准直器(1)，且在所述旋转步进电机(5)的驱动下根据衰减值旋转相应的角度；

所述环形中性密度滤光片(2)用于对经过所述角锥棱镜(3)偏折后的输入光束进行环向方向且衰减量可调的衰减；工作时经所述环形中性密度滤光片(2)一次衰减后的输入光束反射至所述环形中性密度滤光片(2)进行二次衰减，进行二次衰减后的输入光束传输至所述角锥棱镜(3)上；

所述多模光纤衰减器还包括反射镜(4)；

所述反射镜(4)设置在所述多模双光纤准直器(1)与所述环形中性密度滤光片(2)之间，用于将经所述环形中性密度滤光片(2)衰减后的输入光束反射至所述环形中性密度滤光片(2)。

2.根据权利要求1所述的多模光纤衰减器，其特征在于，所述反射镜(4)与所述环形中性密度滤光片(2)平行。

3.根据权利要求1所述的多模光纤衰减器，其特征在于，所述反射镜(4)为环形反射镜。

4.根据权利要求1-3任一项所述的多模光纤衰减器，其特征在于，所述环形中性密度滤光片(2)与所述输入光束的传输方向的垂直方向呈预设夹角。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的多模光纤衰减器，其特征在于，所述环形中性密度滤光片(2)用于为所述输入光束提供环向方向呈线性渐变的衰减量并对所述输入光束进行衰减。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的多模光纤衰减器，其特征在于，所述环形中性密度滤光片(2)的前表面上镀有反射率渐变的金属膜。

7.根据权利要求1-3任一项所述的多模光纤衰减器，其特征在于，所述角锥棱镜(3)用于将所述输入光束以180度的偏折角度偏折至所述环形中性密度滤光片(2)上。

8.根据权利要求1-3任一项所述的多模光纤衰减器，其特征在于，所述输入光束的传输方向与所述角锥棱镜(3)的光束入射面垂直，且所述角锥棱镜(3)的光束入射面与所述旋转步进电机(5)的旋转轴垂直。

9.根据权利要求1-3任一项所述的多模光纤衰减器，其特征在于，所述输入光束经所述多模光纤衰减器后的衰减量根据所述输入光束在所述环形中性密度滤光片上的入射位置、所述入射位置与所述环形中性密度滤光片上光学密度最小位置之间的偏转角度以及所述光学密度最小位置处的光学密度值来确定。

Images