CN111596411A - 一种基于阵列mems反射器的多芯光纤扇入扇出器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于阵列MEMS反射器的多芯光纤扇入扇出器件。所述的多芯光纤扇入扇出器件由阵列MEMS反射器基座、基座外壳、阵列MEMS反射器、偏转光窗外壳、准直微透镜阵列、输入输出光纤阵列和MEMS反射器控制驱动板组成。所述输入输出光纤阵列由N芯光纤(N为大于1的整数)和至少N根单模光纤组成。所述阵列MEMS反射器由N片可以沿两个互相垂直的转轴转动的反射器组成。经过输入输出光纤阵列输入的光，经准直微透镜阵列准直，由阵列MEMS反射器偏转后被准直微透镜阵列耦合进输入输出光纤阵列输出。本发明可广泛用于多芯光纤传感，光通信等领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于阵列MEMS反射器的多芯光纤扇入扇出器件，属于光通信、无源光器件、多芯光纤器件和光纤传感技术领域。
(二)背景技术
近年来，随着互联网的崛起和普及，智能终端，物联网和云计算等新兴业务与应用的蓬勃发展，现代社会进入了一个信息爆炸的时代，网络带宽需求日益增长。然而，随着包括波分复用技术，时分复用技术，偏振复用技术等的各种传统复用技术和高级调制格式的研究到达瓶颈，单根光纤的传输速率已经逐渐接近了理论极限，光纤传输系统出现了容量瓶颈。
以多芯光纤等为载体的新型空分复用技术充分地利用了“空间”这个维度，能够有效地提高单根光纤的传输容量并解决上述瓶颈问题，这在超高容量长距离光纤传输系统中已经得到了验证并吸引了业界广泛的关注。多芯光纤扇入扇出(Fan-in/out)器件是多芯光纤广泛发展和应用的关键器件，其小结构尺寸，低插损，低串扰，长期稳定性是重要的优点。
专利号为CN105589223A的专利提出了一种稳定性好，集成度高，可以同时实现多路光路的相位调制，兼容多种形式纤芯的输入，机械性能和温度扩散有着显著优势具有相位调制功能的多芯光纤分束器，以铌酸锂晶体为衬底制作三条光波导，在光波导两侧嵌入平行电极，对于输出光采用单芯光纤进行引导。这种器件能够实现多芯光纤的分束，但不能对多芯光纤的每个纤芯单一引出。
专利号为CN110441862A的专利提出了一种低插入损耗的串扰抑制型多芯光纤分束器，是一种全光纤器件，熔接损耗较低，适用于高空间密度、多纤芯数量的多芯光纤的分束。但是该器件的缺点同样是不能够对多芯光纤的每个纤芯单一引出。
随着多芯光纤的发展以及传感技术的提高，通常在一根多芯光纤上的不同纤芯进行一些传感或者信息的采集，然后再对每个纤芯的信息单独分析，以避免不同信息的互相干扰，然后在对采集的信息进行统一分析处理，比如基于多芯光纤的三维形状传感技术，因此对多芯光纤的每个纤芯单一引出提出了巨大的现实需求。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种基于阵列MEMS反射器的多芯光纤扇入扇出器件。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于阵列MEMS反射器的多芯光纤扇入扇出器件如图1所示。所述的多芯光纤扇入扇出器件包括阵列MEMS反射器基座1、阵列MEMS反射器2、基座外壳3、偏转光窗外壳4、准直微透镜阵列5、输入输出光纤阵列6、MEMS反射器控制驱动板；通过对多芯光纤扇入扇出器件控制驱动板的控制，实现多芯光纤扇入扇出器件的功能。
所述阵列MEMS反射器由N(N为大于1的整数)片可以沿两个互相垂直的转轴在一定角度内转动的反射器组成，每一片反射器都与其所对应的纤芯和准直微透镜的中心对准。
所述阵列MEMS反射器中的每一片反射器转动角度都可被多芯光纤扇入扇出器件控制驱动板单独控制。
所述的多芯光纤扇入扇出器件控制驱动板由控制器接口和MEMS驱动板组成，MEMS驱动板与阵列MEMS反射器的基座1引出的针脚连接。
所述的准直微透镜阵列5由准直微透镜阵列基板5-2和基板上面的准直微透镜5-1组成，每个准直微透镜5-1都与一个光纤纤芯对应，其能将光纤端出射的光准直为平行光入射到阵列MEMS反射器2，也能将阵列MEMS反射器2反射的平行光耦合进光纤纤芯。
所述的输入输出光纤阵列由一根位于阵列中心的N芯光纤、围绕N芯光纤的至少N根标准单模光纤以及硬质套管组成，N芯光纤和标准单模光纤固定在硬质套管中。多芯光纤纤芯数N的最大值取决于MEMS反射器2的最大偏转角和分布间距。多芯光纤纤芯距固定时，MEMS反射器2的最大偏转角越大，所述多芯光纤纤芯数N最大值越大；在MEMS反射器2的最大偏转角固定时，多芯光纤纤芯距越小，所述多芯光纤纤芯数N最大值越大。
所述的输入输出光纤阵列的光纤排列方式可以是三角形排列也可以是矩形排列、圆形排列；硬质套管截面可以是圆形截面也可以是三角形截面、矩形截面。
所述的多芯光纤可以是双芯光纤、三芯光纤等少芯光纤，也可以是密度更高、纤芯数更多的多芯光纤，如38芯光纤等。
所述的一种基于阵列MEMS反射器的多芯光纤扇入扇出器件，由多芯光纤输入扇入扇出器件的光信号，从多芯光纤出射后，立即经准直微透镜阵列5准直后通过偏转光窗4-1，再被阵列MEMS反射器2以分别以对应的偏转角度反射回偏转光窗4-1，再经准直微透镜阵列5耦合进入对应的标准单模光纤。
所述的一种基于阵列MEMS反射器的多芯光纤扇入扇出器件，由多根标准单模光纤输入扇入扇出器件的光信号，从标准单模光纤出射后，立即经准直微透镜阵列5准直后斜向阵列MEMS反射器2进入偏转光窗4-1，再被阵列MEMS反射器2以分别以对应的偏转角度反射回偏转光窗4-1，再经准直微透镜阵列5耦合进入多芯光纤其中对应的一根纤芯。
本发明的有益效果是：
1、器件集成度高，通过高度集成的器件，能有效的提高多芯光纤的纤芯密度。
2、基于阵列MEMS反射器的多芯光纤扇入扇出器件，由于每片MEMS反射器都能单独进行调节，且受外界环境的温度湿度等影响小，因此能有效的长期保持各个纤芯通道的一致性或者特殊要求的差异，因此尤其适应于多芯光纤传感应用。
3、由于封装完成后，只需要调节阵列MEMS反射器的角度即可完成多芯光纤扇入扇出器件的制作，提升多芯光纤扇入扇出器件的成品率，且方便冗余设计，便于后期器件维护。
(四)附图说明
图1是一种基于阵列MEMS反射器的七芯光纤扇入扇出器件结构示意图。该实施例是以七芯光纤和八根标准单模光纤组成的输入输出光纤阵列6。图中标号为：阵列MEMS反射器的基座1，阵列MEMS反射器2，基座外壳3，偏转光窗外壳4，偏转光窗4-1，准直微透镜阵列5，准直微透镜5-1，准直微透镜阵列基板5-2，输入输出光纤阵列6，七芯光纤7，七芯光纤纤芯7-1到7-7，标准单模光纤8-1到8-8。
图2是一种基于阵列MEMS反射器的七芯光纤扇入扇出器件的阵列MEMS反射器2结构示意图。图中标号为MEMS反射器2-1到2-7。
图3是一种基于阵列MEMS反射器的七芯光纤扇入扇出器件的方案框图。
图4是一种基于阵列MEMS反射器的七芯光纤扇入扇出器件的一种纤芯光路对应示意图。
图5是一种基于阵列MEMS反射器的七芯光纤扇入扇出器件的工作光路图。
图6是一种基于阵列MEMS反射器的七芯光纤扇入扇出器件封装图。
图7是一种基于阵列MEMS反射器的双芯光纤扇入扇出器件的输入输出光纤阵列6的横截面图。
图8是一种基于阵列MEMS反射器的三芯光纤扇入扇出器件的输入输出光纤阵列6的横截面图。
图9是一种基于阵列MEMS反射器的四芯光纤扇入扇出器件的输入输出光纤阵列6的横截面图。其中图9(a)中的四芯光纤是中心对称四芯光纤；图9(b)中的四芯光纤是纤芯矩形分布的四芯光纤。
图10是一种基于阵列MEMS反射器的五芯光纤扇入扇出器件的输入输出光纤阵列6的横截面图。
图11是一种基于阵列MEMS反射器的七芯光纤扇入扇出器件的输入输出光纤阵列6的横截面图；图11(a)是一种采用圆形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为矩形排列的七芯光纤扇入扇出器件；图11(b)是一种采用圆形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为三角形排列的七芯光纤扇入扇出器件；图11(c)是一种采用矩形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为矩形排列的七芯光纤扇入扇出器件；图11(d)是一种采用矩形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为三角形排列的七芯光纤扇入扇出器件。
图12是一种基于阵列MEMS反射器的19芯光纤扇入扇出器件的输入输出光纤阵列6的横截面图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来说明本发明的工作原理，进一步阐述本发明。
实施例1：一种基于阵列MEMS反射器的七芯光纤扇入扇出器件。
基于阵列MEMS反射器的七芯光纤扇入扇出器件结构示意图如图1所示，包括阵列MEMS反射器的基座1、阵列MEMS反射器2、基座外壳3、偏转光窗外壳4、准直微透镜阵列5、输入输出光纤阵列6、MEMS反射器控制驱动板(未示出)。其中输入输出光纤阵列6包括一根七芯光纤和八根标准单模光纤(冗余一根光纤)。
制造MEMS反射器2的技术是公知的，优选的是具有较高性能的阵列MEMS反射器2，阵列中的每一片反射器都能单独控制的二维反射器，具有尺寸小，速度快，稳定迅速的特点。关于阵列MEMS反射器2，本发明有特别的特征，采用这些特征以产生本发明各较佳实施方式的优越性能。在本实施例中，本器件采用了如图2阵列MEMS反射器2结构示意图所示的特殊的阵列MEMS反射器2分布形式，作为多芯光纤扇入扇出器件，为了匹配不同纤芯数的多芯光纤，阵列MEMS反射器2几乎和该器件使用的多芯光纤的纤芯分布保持高度一致，以减小阵列中不同的MEMS反射器2偏转角度，来保证所有的阵列MEMS反射器2保持在同一平面，以便采用阵列制造，能有效的降低批量制造难度和安装的难度。
在本实施例中，提供了如图1所示的准直微透镜阵列5，该准直微透镜阵列5可以利用平板刻蚀等技术进行精确的制造，具有直径小，焦距短的特点，这些准直微透镜5-1在一个准直微透镜阵列基板5-2上(中间间隔基板未示出)，基板可以是石英的，方便加工制作和安装。在安装准直微透镜基板5-2时，该基板是唯一限定的安装在偏转光窗内，同时，将基板上的准直微透镜阵列5精确的限定在了准确的位置。
关于准直微透镜阵列5，本发明有特别的特征，采用这些特征以产生本发明各较佳实施方式的优越性能。在本实施例中，本器件采用了如图1所示的特殊的准直微透镜阵列5分布形式，作为多芯光纤扇入扇出器件，为了达到匹配不同纤芯数的多芯光纤，保证从每一个多芯光纤中出射的光束都能通过一个准直微透镜5-1，并被很好的准直后射向MEMS反射器2，然后从MEMS反射器2反射出来的平行光束能通过准直微透镜5-1被耦合进标准单模光纤中；同时保证从每一根标准单模光纤中出射的光束都能通过一个准直微透镜5-1，并被很好的准直后射向MEMS反射器2，然后从MEMS反射器2反射出来的平行光束能通过准直微透镜5-1被耦合进多芯光纤的一个纤芯中的目的。因此准直微透镜阵列5必须和该器件使用的多芯光纤的纤芯分布，多芯光纤以及标准单模光纤的分布一一对应，才能实现多芯光纤和标准单模光纤的准直及耦合。
下面举一优选的参数来具体说明。
输入输出光纤阵列6横截面结构示意图如图1所示，七芯光纤和标准单模光纤如图所示为“田”字形分布，其中七芯光纤位于田字中心，其编号为7，其余的八根标准单模光纤则分布在“田”字四周，编号从左上起分别为8-1到8-8，光纤与光纤之间的横纵间距均为150微米；选用的七芯光纤7纤芯分布示意如图1，编号从左下起分别为7-1到7-7，中间芯为7-4，中间芯7-4位于七芯光纤中心，其余六芯分布在正六边形的六个顶点，光纤直径125微米，纤芯距为35微米。在输入输出光纤阵列6横截面上，选取七芯光纤7的中间芯7-4为坐标原点，标准单模光纤8-8所在方向为X轴正方向，标准单模光纤8-2所在方向为Y轴正方向，建立平面直角坐标系。此时七芯光纤和标准单模光纤各个纤芯的纤芯中心坐标如下表所示：
单位：微米
阵列MEMS反射器2中的每片MEMS反射器都能独立控制，如图2所示，且每片MEMS反射器有两个互相垂直的转轴，为了便于表述，将扇入扇出器件水平正放，水平方向的转轴为b轴，MEMS反射器向上转动规定为b轴正方向，此时b轴转动角度为正数，MEMS反射器向下转动规定为b轴负方向，此时b轴转动角度为负数；竖直方向的转轴为a轴，MEMS反射器向右转动规定为a轴正方向，此时a轴转动角度为正数，MEMS反射器向左转动规定为a轴负方向，此时a轴转动角度为负数。阵列MEMS反射器2的分布，与多芯光纤的纤芯分布严格对应，编号自从左下起为2-1到2-7。
基于阵列MEMS反射器的七芯光纤扇入扇出器件的基本工作流程如图3所示，具体来说是这么实现的。在启动扇入扇出器件后，MEMS反射器控制板上的控制器根据校正后预设的各个MEMS反射器的偏转角度，输出对应的控制信号，传输至MEMS驱动板，驱动板根据接收到的控制信号，转换为对应的驱动电压或电流，传输至MEMS反射器2，控制每片MEMS反射器的偏转到各自预设好的角度。
如果该器件的功能是需要将多芯光纤的中的光信号单独引出到每个标准单模光纤，那么此时可以采用但不是唯一的一种引出方式是这样的，如图4所示。光路基本原理以扇入扇出器件的中轴剖面示意图为例，如图5所示。以七芯光纤的上下芯为例，七芯光纤的上边芯7-5出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设角度的MEMS反射器2-5，经过MEMS反射器2-5的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入标准单模光纤8-2中。七芯光纤的下边芯7-3出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设角度的MEMS反射器2-3，经过MEMS反射器2-3的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入标准单模光纤8-6中。
基于相同的原理，七芯光纤的其他纤芯光路也是按照七芯光纤不同纤芯到准直微透镜5-1，准直微透镜阵列基板5-2，偏转光窗4-1，阵列MEMS反射器2，偏转光窗4-1，准直微透镜阵列基板5-2，准直微透镜5-1，标准单模光纤的路径传输。对应关系如下：
为了完成上述的光路，若偏转光窗的长度为2000微米时，此时各片MEMS反射器的理论偏转角度对应如下：
单位：度
如果该器件的功能是需要将除8-8以外的标准单模光纤的光单独的引入到七芯光纤中的不同纤芯，若按照图4的方式但不是唯一的对应方式时。对应关系如下：
基本光路以标准单模光纤8-1，8-4为例，标准单模光纤8-1出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，向阵列MEMS反射器2倾斜进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设角度的MEMS反射器2-2，经过MEMS反射器2-2的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入七芯光纤的边芯7-2中。标准单模光纤8-4出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，向阵列MEMS反射器2倾斜进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设好角度的MEMS反射器2-4，此时为了保证更好的耦合，MEMS反射器2-4的偏转角度已经不同于之前同样对应关系的多芯光纤到标准单模光纤的偏转角度，经过MEMS反射器2-4的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入七芯光纤的中间芯7-4中。
基于相同的原理，其他标准单模光纤的光路也是按照标准单模光纤光纤到准直微透镜5-1，准直微透镜阵列基板5-2，偏转光窗4-1，阵列MEMS反射器5，偏转光窗4-1，准直微透镜阵列基板5-2，准直微透镜5-1，七芯光纤的不同纤芯的路径传输。
为了完成上述的光路，若偏转光窗的长度为2000微米时，此时各片MEMS反射器的理论偏转角度由于光路的细微变化，对应如下：
单位：度
为了保证器件的良好工作状态，可以采用冗余设计，可以使单模光纤数量多于多芯光纤纤芯数。基于阵列MEMS反射器的七芯光纤扇入扇出器件封装完成后如图6所示，在完成器件封装后，可以利用在线监测的方式，校正各个MEMS反射器的偏转角度，以使器件达到最佳使用条件。
实施例2：一种基于阵列MEMS反射器的双芯光纤扇入扇出器件。
一种基于阵列MEMS反射器的双芯光纤扇入扇出器件，其输入输出光纤阵列6的横截面如图7所示，原理同实施例1，但是此种光纤扇入扇出器件是利用双芯光纤和两根标准单模光纤作为输入输出。
实施例3：一种基于阵列MEMS反射器的三芯光纤扇入扇出器件。
一种基于阵列MEMS反射器的三芯光纤扇入扇出器件，其输入输出光纤阵列6的横截面如图8所示，原理同实施例1，但是此种光纤扇入扇出器件是利用三芯光纤和三根标准单模光纤作为输入输出。
实施例4：一种基于阵列MEMS反射器的四芯光纤扇入扇出器件。
一种基于阵列MEMS反射器的四芯光纤扇入扇出器件，其输入输出光纤阵列6的横截面如图9(a)所示，原理同实施例1，但是此种光纤扇入扇出器件是利用中心对称四芯光纤和四根标准单模光纤作为输入输出。
一种基于阵列MEMS反射器的四芯光纤扇入扇出器件，其输入输出光纤阵列6的横截面如图9(b)所示，原理同实施例1，但是此种光纤扇入扇出器件是利用纤芯矩形分布的四芯光纤和四根标准单模光纤作为输入输出。
实施例5：一种基于阵列MEMS反射器的五芯光纤扇入扇出器件。
一种基于阵列MEMS反射器的五芯光纤扇入扇出器件，其输入输出光纤阵列6的横截面如图10所示，原理同实施例1，但是此种光纤扇入扇出器件是利用五芯光纤和五根标准单模光纤作为输入输出。
实施例6：一种基于阵列MEMS反射器的七芯光纤扇入扇出器件。
一种基于阵列MEMS反射器的七芯光纤扇入扇出器件，其输入输出光纤阵列6的横截面图如图11所示，原理同实施例1。图11(a)是一种采用圆形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为矩形排列的七芯光纤扇入扇出器件；图11(b)是一种采用圆形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为三角形排列的七芯光纤扇入扇出器件；图11(c)是一种采用矩形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为矩形排列的七芯光纤扇入扇出器件；图11(d)是一种采用矩形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为三角形排列的七芯光纤扇入扇出器件。
实施例7：一种基于阵列MEMS反射器的19芯光纤扇入扇出器件。
一种基于阵列MEMS反射器的19芯光纤扇入扇出器件，其输入输出光纤阵列6的横截面图如图12所示，原理同实施例1，该实施例是一种采用圆形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的1根19芯光纤和31根标准单模光纤为矩形排列。
在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护的范围。
Claims (8)
1.一种基于阵列MEMS反射器的多芯光纤扇入扇出器件，其特征是：所述的基于阵列MEMS反射器的多芯光纤扇入扇出器件由阵列MEMS反射器基座、阵列MEMS反射器、基座外壳、偏转光窗外壳、准直微透镜阵列、输入输出光纤阵列和多芯光纤扇入扇出器件控制驱动板组成，经过输入输出光纤阵列中输入光纤输入的光，经准直微透镜阵列准直后进入偏转光窗，随后被阵列MEMS反射器反射后，由准直微透镜阵列耦合进输入输出光纤阵列中的输出光纤中，通过对多芯光纤扇入扇出器件控制驱动板的控制，以实现多芯光纤扇入扇出器件的功能。
2.根据权利要求1所述一种基于阵列MEMS反射器的多芯光纤扇入扇出器件，其特征是：所述阵列MEMS反射器由N(N为大于1的整数)片可以沿两个互相垂直的转轴在一定角度内转动的反射器组成，每一片反射器都与其所对应的纤芯和准直微透镜的中心对准。
3.根据权利要求1所述一种基于阵列MEMS反射器的多芯光纤扇入扇出器件，其特征是：所述阵列MEMS反射器中的每一片反射器转动角度都可被多芯光纤扇入扇出器件控制驱动板单独控制。
4.根据权利要求1所述一种基于阵列MEMS反射器的多芯光纤扇入扇出器件，其特征是：所述的多芯光纤扇入扇出器件控制驱动板由控制器接口和MEMS驱动板组成，MEMS驱动板与阵列MEMS反射器的基座引出的针脚连接。
5.根据权利要求1所述一种基于阵列MEMS反射器的多芯光纤扇入扇出器件，其特征是：所述的准直微透镜阵列由准直微透镜阵列基板和基板上面的准直微透镜组成，每个准直微透镜都与一个光纤纤芯对应，其能将光纤端出射的光准直为平行光入射到阵列MEMS反射器，也能将阵列MEMS反射器反射的平行光耦合进光纤纤芯。
6.根据权利要求1所述一种基于阵列MEMS反射器的多芯光纤扇入扇出器件，其特征是：所述的输入输出光纤阵列由一根位于阵列中心的N芯光纤、围绕N芯光纤的至少N根标准单模光纤以及硬质套管组成，多芯光纤和标准单模光纤固定在硬质套管中。
7.根据权利要求1所述一种基于阵列MEMS反射器的多芯光纤扇入扇出器件，其特征是：所述的输入输出光纤阵列的光纤排列方式可以是三角形排列也可以是矩形排列、圆形排列；硬质套管截面可以是圆形截面也可以是三角形截面、矩形截面。
8.根据权利要求1所述一种基于阵列MEMS反射器的多芯光纤扇入扇出器件，其特征是：所述的多芯光纤可以是双芯光纤、三芯光纤等少芯光纤，也可以是密度更高、纤芯数更多的多芯光纤，如38芯光纤等。
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| CN202010282324.4A CN111596411A (zh) | 2020-04-12 | 2020-04-12 | 一种基于阵列mems反射器的多芯光纤扇入扇出器件 |
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