CN111982166B - 针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统，由多芯光纤1、偏置电压电路2、光电二极管阵列3、开关阵列4、控制电路5、跨阻放大器阵列6、信号处理模块7、耦合器8、探测器套管9和光电二极管阵列封装10组成。本发明可用于多芯光纤的分光和光电耦合，可广泛用于光纤通信，光纤传感，光电测量等领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种针对多芯光电分光耦合的光电探测器阵列及系统，本发明可用于光纤通信，光纤传感，光电测量。属于光纤通信技术领域。
(二)背景技术
近年来，不断增长的宽带容量需求促进了光纤通信技术的迅速发展，时分复用、波分复用和偏振复用技术将单芯光纤通信系统的宽带容量提升到100TB/s。但是，传统的单芯光纤的传输容量已经接近物理极限，作为空分复用的多芯光纤有望成为克服当前通信系统传输容量限值的理想选择。
在空分复用的传输系统中，不同的信号能通过多个不同空间路径同时传输。从空分复用光纤的角度看，多芯光纤技术可以实现将多空间路径引入光纤，多芯光纤是将多个独立的纤芯合并在一根光纤内，一个包层中含有多根纤芯，这样光纤的传输容量随着纤芯数量的增加而成倍增加。其中多芯光纤的分光和光电耦合，是实现多芯光纤空分复用达到传输扩容目的的关键之一。此外，多芯光纤通道分束也是纤维集成光电器件与纤维集成微系统中需要解决的关键技术。
针对多芯光纤的分光和光电耦合，Werner Klaus等人通过在多芯光纤和单芯光纤阵列之间放置分离的光学器件，实现了多芯光纤的分光(Werner Klaus，et al.，“Free-Space Coupling Optics for Multicore Fibers，”IEEE PHOTONICS TECHNOLOGYLETTERS,VOL.24,NO.21,NOVEMBER 1,2012)；淡路祥成等人于2017年公开了“多芯多模光纤耦合装置”(中国专利：CN201580020765.4)，他们利用多芯光纤空间耦合器配合聚光系统，将多芯光纤分束到单芯光纤；苑立波等人于2015年公开了“一种单片集成式多芯光纤分路器及其制作方法”(中国专利：CN201410777215.4)，他们通过在多芯光纤纤芯输出端放置微透镜，纤芯射出的光束通过微透镜聚焦耦合到单芯光纤，实现多芯光纤分光到单芯光纤；王磊等人于2013年公开了“多芯光纤光互联结构”(中国专利：CN201310011214.4)，他们将多芯光纤入射的光信号，经由垂直耦合器改变传播方向，变为沿光波导方向传播的光束，并耦合进入光波导，光信号经由光波导导引，耦合进入光电探测器阵列，实现多芯光纤的分光和光电耦合；R.R.Thomson等人利用超快激光波导刻写技术在玻璃或晶体上制备3D波导阵列，实现多芯光纤纤芯之间光束的分离(R.R.Thomson，et al.，“Ultrafast-laserinscription of a three dimensional fan-out device for multicore fibercoupling applications，Optics Express Vol.15,Issue 18,pp.11691-11693(2007)”)。上述设计存在以下缺陷和不足：(1)基于分离的空间光学透镜的多芯光纤分光器件的体积很大，使用不便；(2)基于微透镜的多芯光纤分光，在应对不同多芯光纤时，需要针对多芯光纤的纤芯排列、纤芯数量、纤芯直径和纤芯间距设计相应的微透镜组，该方法的适配性和兼容性差；(3)目前基于超快激光波导刻写技术制备的3D波导阵列的损耗较大，光信号经过3D波导阵列传输后衰减显著。此外，现有耦合装置，设计完成后只能针对一种多芯光纤，当更换不同多芯光纤(纤芯数量或者排布不同)时，需要重新设计耦合装置，使得其适用性受到局限。
为了解决上述问题，本发明公开了一种针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统，可用于光纤通信，光纤传感，光电测量等领域。该系统利用光电二极管阵列配合多芯光纤实现多芯光纤的分光和光电耦合，通过控制电路对光电二极管阵列输出的控制，实现光电二极管阵列方便灵活地适用不同的纤芯排列、纤芯间距、纤芯直径和纤芯数量的多芯光纤，同时大大降低光信号在分光和耦合过程中的损耗。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统。可以用于光纤通信，光纤传感，光电测量的领域。
针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统由多芯光纤1、偏置电压电路2、光电二极管阵列3、开关阵列4、控制电路5、跨阻放大器阵列6、信号处理模块7、耦合器8、探测器套管9和光电二极管阵列封装10组成。
本发明是这样实现的：光电二极管阵列3封装在光电二极管阵列封装10中，光电二极管阵列封装10嵌入探测器套管9，探测器套管9置于耦合器8内通过螺纹连接。将多芯光纤1与耦合器8连接，确保多芯光纤1对准光电二极管阵列3，同时通过旋转探测器套管9调整光电二极管阵列3与多芯光纤1输出端面间的距离。偏置电压电路2为光电二极管阵列3提供用于工作的直流电压，光电二极管阵列3中所有光电二极管连接开关阵列4中与之对应的开关单元。控制电路5控制开关阵列4中所有开关单元的输出状态，保证光电二极管的输出连接跨阻放大器阵列6中相对应的跨阻放大器，跨阻放大器将光电二极管输出的光电流转换为电压信号，最后信号处理模块7对跨阻放大器阵列6输出的电压信号进行处理和分析。
所述系统中多芯光纤1的纤芯数量和纤芯直径不受限制，纤芯排布和纤芯间距不受限制。多芯光纤输出端固定在光纤接头内，多芯光纤1的光纤接头与耦合器8的光纤连接器连接。确保多芯光纤1的输出端面与光电二极管阵列3平行放置，通过在两者之间设置合适的间隔来实现最佳分光耦合。多芯光纤1中所有纤芯输出的光束投射到光电二极管阵列3的表面，确保每个光束都投射在光电二极管阵列3的表面，同时每个光束之间不相互重合。
所述系统中偏置电压电路2可以是直流-直流或者交流-直流电压源，其作用是为光电二极管阵列3提供运行所需的直流电压，其直流电压输出通道的数量与光电二极管阵列3中的光电二极管的数量一致。
所述系统中光电二极管阵列3为基于标准集成电路制造的n×n(n≥5)阵列芯片，片中的光电二极管的结构可以是PN型光电二极管、PIN型光电二极管和雪崩型光电二极管中的任何一种。光电二极管阵列3封装在光电二极管阵列封装10中，防止外界环境中不利因素(如环境光污染和灰尘等)对光电二极管阵列3造成影响。
所述系统中开关阵列4与光电二极管阵列3集成于同一芯片上，开关阵列4中的开关单元的数量等于光电二极管阵列3中光电二极管的数量。每个开关单元的输入端连接光电二极管阵列3中与之对应光电二极管的输出端。开关单元采用单输入-多输出结构，每个开关单元的输出端数量等于跨阻放大器阵列6中跨阻放大器数量。每个开关单元的所有输出端按顺序连接跨阻放大器阵列6中与之对应跨阻放大器的输入端。开关阵列4中所有连接同一跨阻放大器的开关单元输出端，以并联的方式与跨阻放大器的输入端相连。
所述系统中控制电路5可以是基于数字电路、微控制器和现场可编程逻辑门阵列中的任何一种。控制电路5的输出端数量等于开关阵列4中开关单元的数量，每个输出端连接和控制一个开关单元。控制电路5用于控制开关阵列4中每个开关单元输出状态，实现光电二极管选择性的连接跨阻放大器。多芯光纤1中纤芯发射出的光束投射到光电二极管阵列3的表面，每个纤芯在光电二极管阵列3的表面对应一个投射区域，控制电路5控制同一投射区域内所有光电二极管连接开关单元的输出状态，将同一投射区域内所有光电二极管的输出连接到同一个跨阻放大器。对于光电二极管阵列3无入射光区域内的光电二极管，控制电路5将这些光电二极管连接的开关单元的输出置于断开的状态。通过控制电路5对开关阵列4输出的控制，实现光电二极管阵列3方便灵活地适用不同的纤芯排列、纤芯间距、纤芯直径和纤芯数量的多芯光纤1。
所述系统中跨阻放大器阵列6中跨阻放大器的数量等于多芯光纤1中纤芯的数量，其作用是将输入的光电流信号进行放大并转换为电压信号输出。
所述系统中信号处理模块7可以是基于数字电路、微控制器和现场可编程逻辑门阵列中的任何一种，其作用是对跨阻放大器6输出的电压信号进行相应的数据处理和分析。
所述系统中耦合器8一端为光纤转接器，用来与多芯光纤1的光纤接头连接。耦合器8内壁和探测器套管9外壁刻有螺纹，两者通过螺纹连接。光电二极管阵列封装10嵌入探测器套管9内，通过旋转探测器套管9可以调节光电二极管阵列3到多芯光纤1输出端面间的距离。
(四)附图说明
图1是针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统示意图。它由多芯光纤1、偏置电压电路2、光电二极管阵列3、开关阵列4、控制电路5、跨阻放大器阵列6、信号处理模块7、耦合器8、探测器套管9和光电二极管阵列封装10组成。
图2是针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统实施例示意图。它由三芯光纤1、偏置电压电路2、16×12雪崩型光电二极管阵列3、开关阵列4、控制电路5、跨阻放大器阵列6、信号处理模块7、耦合器8、探测器套管9和光电二极管阵列封装10组成。
图3是实施例中三芯光纤端面1与雪崩型光电二极管阵列3分光耦合区域示意图。它由纤芯11、纤芯13、光束投射区域12、光束投射区域14和雪崩型光电二极管阵列表面31组成，其中纤芯11发射光束产生光束投射区域12，纤芯13发射光束产生光束投射区域14。
图4是实施例中16×12雪崩型光电二极管阵列3、开关阵列4、控制电路5和跨阻放大器阵列6连接方式示意图。其中开关阵列4由开关单元4001、开光单元4002、……、开关单元4191、开关单元4192组成，开关单元的数量等于16×12雪崩型光电二极管阵列3中二极管的数量。跨阻放大器阵列6由跨阻放大器51、跨阻放大器52和跨阻放大器53组成，跨阻放大器的数量等于三芯光纤1中纤芯的数量。
图5是实施例中雪崩型光电二极管阵列3中二极管工作状态示意图。它由雪崩型光电二极管阵列3、光束投影区域101、光束投影区域102、光束投影区域103、二极管工作状态104和二极管工作状态105组成，其中二极管工作状态104表示二极管连接跨阻放大器参与工作，二极管工作状态105表示二极管未连接跨阻放大器不参于工作。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图3给出针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统的实施例。它是三芯光纤1、偏置电压电路2、16×12雪崩型光电二极管阵列3、开关阵列4、控制电路5、跨阻放大器阵列6、信号处理模块7、耦合器8、探测器套管9和光电二极管阵列封装10组成。16×12雪崩型光电二极管阵列3封装在光电二极管阵列封装10中，光电二极管阵列封装10嵌入探测器套管9，探测器套管9置于耦合器8内通过螺纹连接。将三芯光纤1与耦合器8连接，确保三芯光纤1对准16×12雪崩型光电二极管阵列3，同时通过旋转探测器套管9调整16×12雪崩型光电二极管阵列3与三芯光纤1输出端面间的距离。偏置电压电路2为16×12雪崩型光电二极管阵列3提供用于工作的直流电压，16×12雪崩型光电二极管阵列3中192个光电二极管连接开关阵列4中与之对应的开关单元。控制电路5控制开关阵列4中192个开关单元的输出状态，保证雪崩型光电二极管的输出连接跨阻放大器阵列6中相对应的跨阻放大器，跨阻放大器将雪崩型光电二极管输出的光电流转换为电压信号，最后信号处理模块7对跨阻放大器阵列6输出的电压信号进行处理和分析。
实施例中三芯光纤1输出端面到16×12雪崩型光电二极管阵列3之间需要间隔合适的距离。如图3所示纤芯11和纤芯13的间距为D，纤芯11和纤芯13的半径为r，光束投影区域12和光束投影区域14呈圆形，半径为R。
通过公式
R＝r+d×tanθ
其中，d为三芯光纤1输出端面到16×12雪崩型光电二极管阵列3表面的距离，θ为从纤芯11和纤芯13射出光束的发散角，可以看出R与d成线性关系,R随着d的增加不断增加。当d增加到R＝D/2时，光束投影区域12和光束投影区域14重合，发生光串扰。为了防止光串扰的发生，d的取值需要小于(D/2-r)/tanθ。
实施例中开关阵列4与跨阻放大器阵列6连接方式如图4所示，开关阵列4由开关单元4001、开光单元4002、……、开关单元4191、开关单元4192组成，开关单元的数量等于16×12雪崩型光电二极管阵列3中二极管的数量。跨阻放大器阵列6由跨阻放大器61、跨阻放大器62和跨阻放大器63组成，跨阻放大器的数量等于三芯光纤1中纤芯的数量。16×12雪崩型光电二极管阵列3中每个二极管连接唯一的开关单元，每个开关单元有三个输出端口，分别连接到跨阻放大器阵列6中跨阻放大器61、跨阻放大器62和跨阻放大器63的输入端。控制电路5控制所有开关单元的的输出状态，以便雪崩型二极管连接到所需要的跨阻放大器。
实施例中雪崩型光电二极管阵列3中每个二极管工作状态如图5所示，其中处于二极管工作状态104的雪崩型光电二极管连接跨阻放大器，这些二极管位于光束投射区域参与探测。处于二极管工作状态105的雪崩型光电二极管未连接跨阻放大器，这些不在光束投射区域的二极管不参于探测呈关闭状态以便降低探测器的运行功耗。此外，三芯光纤1输出的光束在16×12雪崩型光电二极管阵列3的表面产生三个光束投影区域，处于同一光束投射区域的所有二极管连接同一跨阻放大器。
Claims (9)
1.一种针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统，其特征是：多芯光纤1、偏置电压电路2、光电二极管阵列3、开关阵列4、控制电路5、跨阻放大器阵列6、信号处理模块7、耦合器8、探测器套管9和光电二极管阵列封装10组成；所述系统中光电二极管阵列3封装在光电二极管阵列封装10中，光电二极管阵列封装10嵌入探测器套管9，探测器套管9置于耦合器8内通过螺纹连接；将多芯光纤1与耦合器8连接，确保多芯光纤1对准光电二极管阵列3，同时通过旋转探测器套管9调整光电二极管阵列3与多芯光纤1输出端面间的距离；偏置电压电路2为光电二极管阵列3提供用于工作的直流电压，光电二极管阵列3中所有光电二极管连接开关阵列4中与之对应的开关单元；多芯光纤1的纤芯输出光投射到光电二极管阵列3上，控制电路5控制开关阵列4中所有开关单元的输出状态，保证处于同一投影区内的所有光电二极管的输出连接跨阻放大器阵列6中相对应的跨阻放大器，控制电路5用于控制开关阵列4中每个开关单元输出状态，实现光电二极管选择性的连接跨阻放大器；多芯光纤1中纤芯发射出的光束投射到光电二极管阵列3的表面，每个纤芯在光电二极管阵列3的表面对应一个投射区域，控制电路5控制同一投射区域内所有光电二极管连接开关单元的输出状态，将同一投射区域内所有光电二极管的输出连接到同一个跨阻放大器；对于光电二极管阵列3无入射光区域内的光电二极管，控制电路5将这些光电二极管连接的开关单元的输出置于断开的状态；通过控制电路5对开关阵列4输出的控制，实现光电二极管阵列3方便灵活地适用不同的纤芯排列、纤芯间距、纤芯直径和纤芯数量的多芯光纤1；跨阻放大器将光电二极管输出的光电流转换为电压信号，最后信号处理模块7对跨阻放大器阵列6输出的电压信号进行处理和分析。
2.根据权利要求1所述的一种针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统，其特征是：多芯光纤1的纤芯数量和纤芯直径不受限制，纤芯排布和纤芯间距不受限制；多芯光纤输出端固定在光纤接头内，多芯光纤1的光纤接头与耦合器8的光纤连接器连接；确保多芯光纤1的输出端面与光电二极管阵列3平行放置，通过在两者之间设置合适的距离来实现最佳分光耦合；多芯光纤1中所有纤芯输出的光束投射到光电二极管阵列3的表面，确保每个光束都投射在光电二极管阵列3的表面，同时每个光束之间不相互重合。
3.根据权利要求1所述的一种针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统，其特征是：偏置电压电路2可以是直流-直流或者交流-直流电压源，其作用是为光电二极管阵列3提供运行所需的直流电压，其直流电压输出通道的数量与光电二极管阵列3中的光电二极管的数量一致。
4.根据权利要求1所述的一种针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统，其特征是：光电二极管阵列3为基于标准集成电路制造的n×n(n≥5)阵列芯片，片中的光电二极管的结构可以是PN型光电二极管、PIN型光电二极管和雪崩型光电二极管中的任何一种；光电二极管阵列3封装在光电二极管阵列封装10中，防止外界环境中不利因素(如环境光污染和灰尘等)对光电二极管阵列3造成影响。
5.根据权利要求1所述的一种针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统，其特征是：开关阵列4与光电二极管阵列3集成于同一芯片上，开关阵列4中的开关单元的数量等于光电二极管阵列3中光电二极管的数量；每个开关单元的输入端连接光电二极管阵列3中与之对应光电二极管的输出端；开关单元采用单输入-多输出结构，每个开关单元的输出端数量等于跨阻放大器阵列6中跨阻放大器数量；每个开关单元的所有输出端按顺序连接跨阻放大器阵列6中与之对应跨阻放大器的输入端；开关阵列4中所有连接同一跨阻放大器的开关单元输出端，以并联的方式与跨阻放大器的输入端相连。
6.根据权利要求1所述的一种针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统，其特征是：控制电路5可以是基于数字电路、微控制器和现场可编程逻辑门阵列中的任何一种；控制电路5的输出端数量等于开关阵列4中开关单元的数量，每个输出端连接和控制一个开关单元。
7.根据权利要求1所述的一种针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统，其特征是：跨阻放大器阵列6中跨阻放大器的数量等于多芯光纤1中纤芯的数量，其作用是将输入的光电流信号进行放大并转换为电压信号输出。
8.根据权利要求1所述的一种针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统，其特征是：信号处理模块7可以是基于数字电路、微控制器和现场可编程逻辑门阵列中的任何一种，其作用是对跨阻放大器6输出的电压信号进行相应的数据处理和分析。
9.根据权利要求1所述的一种针对多芯光纤分光耦合的光电探测器阵列及系统，其特征是：耦合器8一端为光纤转接器，用来与多芯光纤1的光纤接头连接；耦合器8内壁和探测器套管9外壁刻有螺纹，两者通过螺纹连接；光电二极管阵列封装10嵌入探测器套管9内，通过旋转探测器套管9可以调节光电二极管阵列3到多芯光纤1输出端面间的距离。
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