CN111708133A - 大发散角激光耦合单模光纤的装置及方法 - Google Patents

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CN111708133A CN202010742586.4A CN202010742586A CN111708133A CN 111708133 A CN111708133 A CN 111708133A CN 202010742586 A CN202010742586 A CN 202010742586A CN 111708133 A CN111708133 A CN 111708133A
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Abstract

本发明提供了一种结构简单、体积小且节约资源的大发散角激光耦合单模光纤的装置及方法。本发明中，激光器发出的光经过准直镜准直后，经分光棱镜后分为透射光线和反射光线；其中的反射光线入射到角锥棱镜后，原路反射后被工业相机吸收并形成参考光光斑；分光棱镜分出的透射光线进入显微物镜，经过汇聚后入射到光纤内，光纤的耦合端面对入射的光线的一部分进行反射，该部分反射光线沿着原路径返回到分光棱镜后，经分光棱镜的反射面反射后，被工业相机吸收后形成耦合光光斑；当耦合光光斑与参考光光斑完全重合时，激光器出射的光纤耦合到光纤内，否则，对光纤的位姿进行调整，直至耦合光光斑与参考光光斑完全重合。本发明可应用于光纤领域。

Description

大发散角激光耦合单模光纤的装置及方法
技术领域
本发明涉及光纤领域，尤其涉及一种大发散角激光耦合单模光纤的装置及方法。
背景技术
光纤光缆通信是现代通信传输系统的主要传输方式，光纤光缆的发展史只有一二十年，经历了三次的升级：短波长多模光纤光缆、长波长多模光纤光缆和长波长单模光纤光缆。光纤通信技术作为一种全新的信息传输技术，已成为现代通信的主要通信方式，几乎取代了传统铜缆通信技术，在现代信息网中起着非常重要的作用，目前已在诸多领域和行业中应用，成为提升通信质量和效率的重要手段，推动了人类科学技术的革命。采用光纤光缆通信是通信传输系统上的一次重大变革，目前中国光纤光缆通信已进入实用阶段。随着我国社会经济的快速发展，我国的光纤通信技术取得了非常重要的成就，不仅促进人与人之间的沟通效率得到全面的提升，而且也能够保证现代化、智能化、自动化技术的全面发展。此外，现在已有多个国家宣布不再建设铜缆通信线路，而致力于发展光纤光缆通信。
光纤通信具有通信容量大、损耗低、传输距离长、抗电磁干扰能力强等优点。按光在光纤中的传输模式可分为单模光纤和多模光纤。多模光纤(Multi Mode Fiber)：中心玻璃芯较粗(50或62.5μm)，可传输多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。单模光纤(Single ModeFiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，由于单模光纤良好的光学传输特性，而且大部分光器件都是基于单模光纤的，越来越多的场景使用于单模光纤。在实际应用中，将激光器发出的自由空间光耦入到光纤中是最为关键的步骤之一，耦合效率的高低，决定了在光纤输出端能量的大小，由于单模光纤的芯径较窄，如何将激光器所发出的光尽可能多的耦合至光纤中成为一大难点。在耦合时，要保证激光器所发出的激光完全进入光纤需要注意以下几点：1、激光束的锥角要小于光纤的最大接受角，要不然就不能满足全反射，损耗很大。2、激光束要垂直于光纤端面。3、光纤端面要清洁干净。4、激光束与光纤端面最好同心。5、激光光斑小于光纤芯径。
目前常规的耦合方法包括振镜扫描法和自准直法。其中的振镜扫描法是通过扫描的方式寻找光斑处于光纤端面的精确位置，将光纤固定在压电陶瓷上，通过驱动二维压电陶瓷控制光纤端面，施加在压电陶瓷上的电压使之产生微米量级内的运动，从而驱动光纤使之位置产生变化，结合模拟退火算法实现空间光-光纤耦合自动对准，定位实现自动寻找最佳耦合点。但该过程需要用于对准的控制系统——二维压电陶瓷、反馈系统和控制算法，通过光电探测器获取电压作为评价指标来实时反馈电压，进而驱动二维压电陶瓷，形成一套完整的光电闭环控制系统，过程比较繁琐，对于算法有着较高的要求，需要额外开发整套的系统，不能整合现有的资源。电路的噪声也会影响对位的精度。
在公开号为CN 108663758 A的专利文献中，提出了一种利用平行光管准直激光，可以进行比较精准的激光耦合。但该方案对于仪器的加工要求极高，仅仅平行光管的焦距就达到了5m，造成整体装置的尺寸在5m以上，辅助对位用的设备在使用完成后必须留在耦合光路中，造成了设备的浪费等。故而难以应用于工业领域。且其仅仅适合耦合从激光器所发出的准平行光，无法应用于从半导体芯片发出的较大发散角的激光。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、体积小、适合于多种发散角度的激光光源且节约资源的大发散角激光耦合单模光纤的装置，以及该装置进行激光耦合到光纤的方法，该方法操作简便，激光能够完全耦合到光纤内，耦合精度高且效率高。
本发明所述大发散角激光耦合单模光纤的装置采用的技术方案是：它包括待耦合入光纤且具有大发散角的激光器，它还包括依次设置在所述激光器的光轴上的准直镜、分光棱镜和显微物镜，所述光纤的耦合端面设置于所述显微物镜的焦点上，所述激光器的发光面设置于所述准直镜的物方焦点处，所述分光棱镜设置在所述准直镜的出射光路上，所述显微物镜设置在所述分光棱镜的透光光路上，在所述分光棱镜的反射光的出射光路上设置有角锥棱镜，在所述分光棱镜的另一侧且位于所述角锥棱镜的反射光路上还设置有工业相机。
上述方案可见，激光器发出激光，激光经过所述准直镜准直后变成与激光器光轴相平行的平行光束，在经过分光棱镜分为透射光和反射光，其中的反射光经过分光棱镜反射后进入所述角锥棱镜后，经反射后按原路返回，经过所述分光棱镜的透射后，被所述工业相机吸收并形成参考光光斑；所述分光棱镜另一路透射的光束直接到达设置于远端的显微物镜上，经过显微物镜的汇聚后到达光纤端面，大部分的光将耦合进入所述光纤，但会有少部分的光在光纤端面发生反射，反射的部分光按原路返回，在到达所述分光棱镜后经过反射面的反射后由所述工业相机接收，并在工业相机中形成耦合光光斑，通过调整耦合光光斑使其与参考光光斑重合，进而确定激光器与光纤的耦合端面对位一致，保证了激光器发射的光束耦合入光纤中，在该过程中，应用的准直镜、分光棱镜、角锥棱镜、工业相机、显微物镜等均为常规的元器件，不需要额外定制，大大节约了成本；调试也较为简便，元件的重量和体积都比较小，既可以做成手动调节机台，又为整体设备的自动化预留了空间；与价格昂贵且尺寸巨大的平行光管相比，极大地减少了整备的体积和成本；本发明利用分光棱镜引出一束参考光，作为调试中间过程中的评价标准，在调试时有了该评价标准作为参考依据，只要判断光纤端面反射回来的光形成的耦合光光斑是否与参考光光斑重合，即能快速地判断激光光束耦合进入光纤，与传统方法在一个较大区域逐点扫描找出能量最大的位置的方式相比，本发明结构简单，且耦合过程快速，大大提升了作业效率；此外，准直镜的设置能够对具有大发散角的激光器发射的光束进行准直，准直后的光线能够满足分光棱镜透射和反射的要求，为后续的激光耦合提供保证。
进一步地，所述准直镜为非球透镜，且在通光面上设置有与所述激光器出射的激光的波长相适配的增透膜，所述准直镜与所述激光器的光轴之间的垂直偏差小于5″。由此可见，以非球透镜作为准直镜，由于非球透镜具有更佳的曲率半径，可以维持良好的像差修正，以获得所需要的性能，故其能带来更加出色的锐度和更高的分辨率，为激光耦合光纤提供更好的环境；增透膜进一步减少了杂光的产生，避免对耦合结果造成不良影响，而保证准直镜与所述激光器的光轴之间的垂直偏差能够保证耦合精度。
再进一步地，所述分光棱镜为分束镜，所述分光棱镜的反射透射比R:T范围为10:90～50:50。由此可见，以分束镜作为分光棱镜，能够满足产生反射光和透射光的要求，而分束镜作为一种常规的光学透镜，与现有的价格高昂且尺寸巨大的平行光管相比也大大地降低了成本；而分束镜的反射透射比的范围可选，则能够满足不同波长激光的耦合要求。
又进一步地，所述角锥棱镜的入射面设置有与所述激光器出射的激光的波长相适配的增透膜，所述角锥棱镜与所述激光器的光轴之间的垂直偏差小于5″。由此可见，通过增透膜的设置，也减少了在角锥棱镜处杂光的增加，保证工业相机获得的参考光光斑的精度；同时，保证角锥棱镜与所述激光器的光轴之间的垂直偏差能够保证耦合精度。
再更进一步地，经所述显微物镜汇聚的光线的数值孔径小于等于所述光纤的数值孔径。由此保证经过显微物镜汇聚的光线能够全部耦合入光纤中，保证耦合质量。
此外，所述显微物镜为红外物镜，所述光纤为FC/PC接口光纤或者是裸纤。由此可见，红外物镜作为显微物镜能够满足对激光光线的汇聚作用，保证耦合的顺利进行；光纤的选择可以有多种，标明本发明具有通用性，针对不同的光纤均能满足耦合要求。
进一步地，所述分光棱镜的反射透射比R:T为10:90。由此可见，选择较低的反射透射比能够保证光纤最后的耦合效率。
另外，利用上述大发散角激光耦合单模光纤的装置将激光耦合到光纤的方法包括以下步骤：
A.所述激光器发出的光经过所述准直镜准直后，经所述分光棱镜后分为透射光线和反射光线；
B.其中的反射光线入射到所述角锥棱镜后，原路反射后被所述工业相机吸收并形成参考光光斑；
C.所述分光棱镜分出的透射光线进入所述显微物镜，经过汇聚后入射到所述光纤内，所述光纤的耦合端面对入射的光线的一部分进行反射，该部分反射光线沿着原路径返回到所述分光棱镜后，经所述分光棱镜的反射面反射后，被所述工业相机吸收后形成耦合光光斑；
D.当所述耦合光光斑与所述参考光光斑完全吻合时，所述激光器出射的光纤耦合到所述光纤内，否则，进入步骤E；
E.对所述光纤的位姿进行调整，直至所述耦合光光斑与所述参考光光斑完全吻合，此时，所述激光器出射的光纤耦合到所述光纤内。
由此可见，通过准直镜、分光棱镜、角锥棱镜、工业相机和显微物镜这些常规的元器件，组建成本发明所述的激光耦合光纤的装置，利用分光棱镜分出透射光和反射光，反射光经过角锥棱镜反射后在工业相机上形成参考光光斑，而透射光在经过显微物镜汇聚后到达光纤端面，并经过光纤端面的反射，部分反射光按原路返回，在到达分光棱镜后重新进行反射，到达工业相机后形成耦合光光斑，通过判断耦合光光斑与参考光光斑之间的重合程度，并调整光纤的三维位姿，最终使耦合光光斑与参考光光斑完全重合，使得激光器与光纤的耦合端面对位一致，从而实现激光器发出的激光到光纤的耦合，该方法操作简单，且行之有效，经过测试，激光全部都能耦合入光纤中，和现有技术相比，大大节省了设备成本，也提升了耦合效率，减小了设备体积；在完成光纤耦合后可以方便的去掉设备，不会因为耦合设备的存在而造成能量的损失，保证了耦合质量。
进一步地，在所述激光器和所述分光棱镜存在安装偏差的情况下，所述工业相机的半视场角β和探测器靶面B的大小按以下步骤确定：
f.当激光器的发光中心偏离所述准直镜的焦点且位于所述准直镜的焦平面的某一点处时，若该点距离焦点的距离为A，则所述激光器发出的平行光与所述激光器的光轴存在一个夹角，该夹角为
Figure 156323DEST_PATH_IMAGE001
，其中f1为准直镜的焦距；
g.设定所述分光棱镜与所述激光器的光轴达到相互垂直状态的误差角为γ，则所述工业相机的半视场角β需满足
Figure 49323DEST_PATH_IMAGE002
，设所述工业相机的镜头焦距为f2，则所述工业相机的探测器靶面的大小B需满足B≥2*f2*tanβ。
上述方案可见，当出现元器件安装不到位时，通过上述步骤可对耦合过程进行修正，保证耦合效果。
再进一步地，设所述激光器的发散角为2θ，则所述激光器发出的光照射到所述准直镜上产生的光斑直径d需满足
Figure 137365DEST_PATH_IMAGE003
，其中f1为准直镜的焦距。由此可见，根据激光器发出的光形成的光斑直径对准直镜等元器件的尺寸进行限定，以保证光能全部地耦合进入光纤中，避免光信号接收不全的现象。
附图说明
图1是所述激光器的简易示意图；
图2是所述激光器与所述准直镜配合的简易示意图；
图3是形成参考光光斑的光学路线简易示意图；
图4是本发明耦合光路简易示意图；
图5是工业相机中参考光光斑与耦合光光斑调整重合过程的简易示意图。
具体实施方式
如图1至图5所示，以下结合附图对本发明作更加详细的说明。
如图1示出了待耦合入光纤的激光器1，该激光器的发散角度为2θ，图中点画线表示光轴。
如图2所示，将激光器1的发光面置于准直镜2的物方焦点上，准直镜2的焦距设为f1，其波像差RMS值应小于1/10λ,其中λ为入射光波长，在本实施例中采用非球透镜，通光面需镀与工作波长适配的增透膜，其有效通光口径D需满足：
Figure 935557DEST_PATH_IMAGE004
。经过准直镜准直后激光变成与光轴平行的平行光，光斑直径大小d为
Figure 540982DEST_PATH_IMAGE003
。在本实施例中，所述准直镜选取焦距为10mm的非球透镜。如激光器1的发光中心未在准直镜的焦点上，而是在垂直于光轴的焦平面的某一点，设该点与焦点的距离为A，则激光器1发出的光与光轴产生一定夹角的平行光，该夹角为
Figure 741019DEST_PATH_IMAGE001
。
如图3所示，经过准直后的激光光束通过分光棱镜3分为了透射和反射两路光线，为了尽量减少对耦合效率的影响，分光棱镜的反射比例应当尽可能小，本实施例中选取反射透射比为R:T=10:90的分光棱镜。为了方便调试，本实施例选取25.4mm的分束镜。在分光棱镜的反射光出射方向上设置的角锥棱镜，其作用在于对垂直于法线一定范围角度入射的光线，其返回路径与入射光线相同。从而保证工业相机接收到光后形成的参考光光斑的真实性和一致性。
为了减少杂光，分光棱镜和角锥棱镜的入射面需镀与激光器波长相适应的增透膜。分光棱镜和角锥棱镜的光洁度应不低于美军标40/20或中国国标Ⅲ级。为保证耦合精度，角锥和分光棱镜的精度误差应小于5″。
图3中表示经过分光棱镜的反射光通过角锥棱镜4反射之后原路返回，被相机5所接收。将这一路光定义为参考光，与其对应的在工业相机镜头形成的光斑称为参考光光斑。
在本实施例中，假设激光器的发光面积大小为S1，在相机像面上的尺寸为S2，S1/S2=f1/f2,其中f2为相机镜头的焦距。分光棱镜的入射面应与激光光轴垂直，假设其误差角为γ。结合准直镜和分光棱镜可能存在的安装误差，工业相机5的半视场角需满足
Figure 137978DEST_PATH_IMAGE002
。而相机探测器靶面的大小B取决于视场范围和镜头的焦距f2：B≥2*f2*tanβ。本实施例中，相机靶面大小为16mm。而像元a的大小根据精度要求取决于镜头的焦距f2与准直透镜的焦距f1，其像素当量应为：
Figure 423466DEST_PATH_IMAGE005
。从公式中可看出，像素越小，相机镜头的焦距越长，精度越高，本实施例中选取的工业镜头焦距为75mm，相机像素大小为3.1μm。
如图4所示，经过准直后的被分光棱镜透射的那部分激光光线，经过显微物镜6汇聚，光纤7的耦入端面设置于显微物镜6的焦点上，由于光纤端面为平面，会有约4%光线通过光纤端面反射并沿着原路返回，进入分光棱镜后，经过反射面的反射，由工业相机5接收，将这一路光定义为耦合光，其在镜头上形成的光斑称为耦合光光斑。此外显微物镜的工作波段需要与激光器的谱段相适配。经显微物镜6汇聚的光线的数值孔径NA激光不能大于光纤的数值孔径NA光纤。单模光纤的数值孔径比较小，其中NA激光= d/（2*f物镜）。本实施例中所用的光纤的NA为0.15。在本实施例中，光斑的口径d为1mm，物镜的焦距为4mm，则NA 激光=1/（2*4）=0.125。为了保证高透过率及光束质量，应选用与激光波长相匹配的物镜，本实施例中使用红外物镜。本实施例中采用的激光波长为850nm，可根据耦合光的波长选择适合的红外物镜或者可见光物镜。为方便调试，可选用无限远物镜，本实施例中采用工作距离20.3mm，焦距为4mm，放大倍率50X的物镜。
为了方便固定和夹持，本例中采用FC/PC接口光纤，也可选用裸纤。
如图4所示，所述激光器1发出的光经过所述准直镜2准直后，经所述分光棱镜3后分为透射光线和反射光线。其中的反射光线入射到所述角锥棱镜4后，原路反射后被所述工业相机5吸收并形成参考光光斑。所述分光棱镜3分出的透射光线进入所述显微物镜6，经过汇聚后入射到所述光纤7内，所述光纤7的耦合端面对入射的光线的一部分进行反射，该部分反射光线沿着原路径返回到所述分光棱镜3后，经所述分光棱镜3的反射面反射后，被所述工业相机5吸收后形成耦合光光斑。如图5所示，这时在相机上会出现两个光斑，一个是经角锥棱镜反射形成的参考光光斑，另外一个是经过光纤反射的耦合光光斑。为了区别两个光斑，可以通过在光路中增加遮挡物来判定光斑对应的光路。当所述耦合光光斑与所述参考光光斑完全重合时，判定所述激光器1出射的光纤耦合到所述光纤7内；否则，对所述光纤7的位姿进行调整，可以看到耦合光光斑在相机中发生移动，当耦合光光斑调整到与参考光光斑的位置重合时，则表明激光器所发出的激光进入到了光纤内部。
本发明所采用的调节装置方便易行，所选用的零部件全部为常规的元器件，不需要额外定制，大大节约了成本。调试方法简便，元件的重量和体积都比较小，既可以做成手动调节机台，又为整体设备的自动化预留了空间。
本发明操作简便，结构简单，体积小，适合于多种发散角度的激光光源，利用成熟大规模量产的设备搭建了用于辅助对位设备的自准直仪设备，完成光纤耦合后可以方便的去掉设备，不会因为对位设备的存在而造成能量的损失。

Claims (10)

1.一种大发散角激光耦合单模光纤的装置，包括待耦合入光纤（7）且具有大发散角的激光器（1），其特征在于：它还包括依次设置在所述激光器（1）的光轴上的准直镜（2）、分光棱镜（3）和显微物镜（6），所述光纤（7）的耦合端面设置于所述显微物镜（6）的焦点上，所述激光器（1）的发光面设置于所述准直镜（2）的物方焦点处，所述分光棱镜（3）设置在所述准直镜（2）的出射光路上，所述显微物镜（6）设置在所述分光棱镜（3）的透光光路上，在所述分光棱镜（3）的反射光的出射光路上设置有角锥棱镜（4），在所述分光棱镜（3）的另一侧且位于所述角锥棱镜（4）的反射光路上还设置有工业相机（5）。
2.根据权利要求1所述的大发散角激光耦合单模光纤的装置，其特征在于：所述准直镜（2）为非球透镜，且在通光面上设置有与所述激光器（1）出射的激光的波长相适配的增透膜，所述准直镜（2）与所述激光器（1）的光轴之间的垂直偏差小于5″。
3.根据权利要求2所述的大发散角激光耦合单模光纤的装置，其特征在于：所述分光棱镜（3）为分束镜，所述分光棱镜（3）的反射透射比R:T范围为10:90～50:50。
4.根据权利要求1所述的大发散角激光耦合单模光纤的装置，其特征在于：所述角锥棱镜（4）的入射面设置有与所述激光器（1）出射的激光的波长相适配的增透膜，所述角锥棱镜（4）与所述激光器（1）的光轴之间的垂直偏差小于5″。
5.根据权利要求1所述的大发散角激光耦合单模光纤的装置，其特征在于：经所述显微物镜（6）汇聚的光线的数值孔径小于等于所述光纤（7）的数值孔径。
6.根据权利要求5所述的大发散角激光耦合单模光纤的装置，其特征在于：所述显微物镜（6）为红外物镜，所述光纤（7）为FC/PC接口光纤或者是裸纤。
7.根据权利要求3所述的大发散角激光耦合单模光纤的装置，其特征在于：所述分光棱镜（3）的反射透射比R:T为10:90。
8.一种利用如权利要求1所述的大发散角激光耦合单模光纤的装置将激光耦合到光纤的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
A.所述激光器（1）发出的光经过所述准直镜（2）准直后，经所述分光棱镜（3）后分为透射光线和反射光线；
B.其中的反射光线入射到所述角锥棱镜（4）后，原路反射后被所述工业相机（5）吸收并形成参考光光斑；
C.所述分光棱镜（3）分出的透射光线进入所述显微物镜（6），经过汇聚后入射到所述光纤（7）内，所述光纤（7）的耦合端面对入射的光线的一部分进行反射，该部分反射光线沿着原路径返回到所述分光棱镜（3）后，经所述分光棱镜（3）的反射面反射后，被所述工业相机（5）吸收后形成耦合光光斑；
D.当所述耦合光光斑与所述参考光光斑完全吻合时，所述激光器（1）出射的光纤耦合到所述光纤（7）内，否则，进入步骤E；
E.对所述光纤（7）的位姿进行调整，直至所述耦合光光斑与所述参考光光斑完全吻合，此时，所述激光器（1）出射的光纤耦合到所述光纤（7）内。
9.根据权利要求8所述的大发散角激光耦合单模光纤的方法，其特征在于，在所述激光器（1）和所述分光棱镜（3）存在安装偏差的情况下，所述工业相机（5）的半视场角β和探测器靶面B的大小按以下步骤确定：
f.当激光器的发光中心偏离所述准直镜（2）的焦点且位于所述准直镜（2）的焦平面的某一点处时，若该点距离焦点的距离为A，则所述激光器（1）发出的平行光与所述激光器（1）的光轴存在一个夹角，该夹角为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中f1为准直镜的焦距；
g.设定所述分光棱镜（3）与所述激光器（1）的光轴达到相互垂直状态的误差角为γ，则所述工业相机（5）的半视场角β需满足
Figure 231762DEST_PATH_IMAGE002
，设所述工业相机（5）的镜头焦距为f2，则所述工业相机（5）的探测器靶面的大小B需满足B≥2*f2*tanβ。
10.根据权利要求9所述的大发散角激光耦合单模光纤的方法，其特征在于：设所述激光器（1）的发散角为2θ，则所述激光器（1）发出的光照射到所述准直镜（2）上产生的光斑直径d需满足
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，其中f1为准直镜的焦距。
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