CN113050227A - 一种光纤准直器 - Google Patents

Abstract

高速的光通信网络对于光纤准直器有着更高的要求，通过本发明的光纤准直器，一方面可以简化光纤准直器的生产工艺，降低光纤准直器的生产成本，另一方面可以降低光纤准直器的插入损耗，提升光纤准直器的整体性能。

Description

一种光纤准直器

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种光纤准直器。

背景技术

现代光纤通信中光纤之间连接的方式共有两种,一是固定烙接,二是空间对准的活动连接。第一种连接方式因其可靠性高、连接损耗小,经常被用于实验室或不宜更改的工程实践中；第二种连接方式因其灵活的可拆装特性,常见于实验研巧或空间光通信中。第二种方式常采用光纤准直器对准的方式进行连接。

第二种方式中的光纤准直器的是光纤通信中常用的一种元件，其作用是将光纤出射的光扩束准直，准直后的光，可以用来进行各种处理，比如滤波，隔离，分束等，所以，光纤准直器的应用非常广泛。

其工作原理为：光从光纤的输入端进入光纤，在经过第一个自聚焦透镜时被转化成一束平行光，该光束继续向前传输并经过第二个自聚焦透镜，然后过度光纤的输出端，分立组合型元器件则被设计在两个光纤准直器中间，并与光纤进行低损耗的耦合。在常规的光纤通讯器件(如：光环形器、光开关、光探测器等)内都要用到光纤准直器。

现在市场上的准直器往往价格不菲，这是由于准直器元器件的高成本和制作工艺要求高所导致的。而这一点影响了光纤准直器的更大范围的应用。同时，光纤准直器在使用的过程中会不可避免的引入新的误差，离轴误差、角度误差和轴向误差，随着光纤准直器越来越多的使用，这些误差在整个光纤系统中所起到的负面作用越来越大，已经无法被忽视。因此，迫切的需要研发一种低成本、低插损的光纤准直器。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种光纤准直器，用以降低光纤准直器的制作成本并降低光纤准直器的插入损耗。

本发明通过以下的方案来实现：

一种光纤准直器，其特征在于包括：固定件、细管、光纤、微球透镜、光纤纤芯、套管、封胶、两个双层凸透镜；所述固定件的右侧直径与所述微球透镜的直径一致，其左侧内径略小于所述微球透镜的直径，以将所述微球透镜固定；所述细管外径与所述固定件右侧内径紧密贴合；所述固定件的左侧内径与所述光纤的直径一致；所述微球透镜、光纤、光纤纤芯、两个双层凸透镜四者同轴，所述微球透镜位于所述两个双层凸透镜之间；所述光纤纤芯为少模光纤；所述双层凸透镜和所述微球透镜之间间距0.2～0.25mm。

优选的是，所述细管的内径比所述微球透镜直径稍小。

优选的是，所述固定件的内径大小可变。

优选的是，所述光纤纤芯具体为多芯层大模场面积少模光纤。

优选的是，所述封胶通过位于套管上的通孔进行灌胶。

优选的是，灌注的胶体为紫外固化胶水。

优选的是，所述紫外固化的时长为25秒。

优选的是，所述微球透镜为聚合物梯度折射率微球透镜，所述细管为陶瓷毛细管。

优选的是，所述少模光纤采用MCVD法制作。

优选的是，所述微球透镜的曲率半径范围为50～90μm。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

首先，梯度折射率微球透镜制作工艺简单，工艺成熟，相对于均匀球透镜有着较大的成本优势；双层凸面镜技术成熟，成本低廉，通过设置两个双层凸面镜结合微球透镜，在最大限度的降低光纤准直器制造成本的同时，大幅的提升光纤准直器的准直性能；少模光纤相对于普通多模光纤，具备抗干扰性能强，成本低等优点，通过使用少模光纤，可以有效降低准直器的插入损耗，提升整个准直器的性能。

附图说明

图1为本发明的光纤准直器的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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”、“设置”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中的具体含义。下面根据本发明的整体结构，对其实施例进行说明。

说明书附图1示出了本发明的一种光纤准直器，其特征在于包括：固定件、细管、光纤、微球透镜、光纤纤芯、套管、封胶、两个双层凸透镜；所述固定件的右侧直径与所述微球透镜的直径一致，其左侧内径略小于所述微球透镜的直径，以将所述微球透镜固定；所述细管外径与所述固定件右侧内径紧密贴合；所述固定件的左侧内径与所述光纤的直径一致；所述微球透镜、光纤、光纤纤芯、两个双层凸透镜四者同轴，所述微球透镜位于所述两个双层凸透镜之间；所述光纤纤芯为少模光纤；所述双层凸透镜和所述微球透镜之间间距0.2～0.25mm。

高分子梯度折射率材料则有着许多无机材料所不具有的优点，如折射率差值大、梯度范围宽、色差较低、抗冲击性能好、重量轻、取材广泛、成本低、制作工艺简单等，因而引起了人们很大的兴趣，并使之成为一个很活跃的研究领域。事实上从光纤端部出射的发散光束经过任何准直系统后并不能形成严格意义上的平行光束，而是形成具有较小发散角的准平行光束。经过准直的光束往往直径先稍稍收缩，在经过一段细腰后，过渡为具有很小发散角F的准平行光束。球对称梯度折射率微球透镜具有体积小、焦距短、像差小等优越光学性能。若将该种透镜用作光纤耦合用准直器，则能够改善准直效果。

选择合适的微球透镜是极为关键的一步，以高圆度、高透明度，尺寸在0.8mm～1.5mm之间的为佳。固定件用于固定微球透镜和双层凸透镜的位置。通过大量的实验发现，在选定了微球透镜的情况下，让进入光纤的光线先通过双层凸透镜进行汇聚，然后再经过微球透镜进行梯度折射，再经过一个双层凸透镜进行汇聚，可以有效的提升光纤准直器的准直效果，对特定波长的入射光更有着突出的准直性能。

少模光纤FMF是一种能传导几个独立正交空间模式的光纤波导，通常具有比单模光纤大的有效模场面积。FMF可为光通信系统提供多个模式信道，扩展了容量提升的自由度；同时具有低非线性特性，解决髙速光通信系统中因光纤非线性效应带来的通信差错等问题，可被应用于下一代光通信系统中。FMF所传导的模式数量要比多模光纤要少的多，这种性质可有效避免模式传输时，严重的模式耦合串扰与模式色散的产生；同时因模式数量不多，系统处理复杂程度也相对不高，有利于系统成本的降低。

通常,光纤准直器中入射的基模可用高斯光束表示,根据模式耦合理论,准直器对准装配时会引入三种误差:离轴偏差、角度偏差与轴向偏差。这些偏差所引入的系统错合损耗是不可忽视的，系统对这些偏差所能容忍的程度是有限度的。故而研究改善其装配误差所引入的错合损耗对提升光信号质量具有及其重要作用。

通过实验对光纤准直器的三类对准偏差的进行详细分析，可知提升其尾纤的模场直径能够降低角度偏差带来的损耗,但同时离轴与轴向偏差损耗会变高。准直器锅合损耗对角度较为敏感，而对离轴与轴向偏差容忍性较强。故而使用大模场面积光纤作为准直器尾纤，可有效降低对准时偏角的要求，大幅提升光纤准直器賴合稳定性。

优选的是，所述细管的内径比所述微球透镜直径稍小。

通过反复实验验证可知，当细管的内径比微球透镜的直径稍小时，可以在兼顾固定作用的同时，不影响微球透镜的光学性能，实验中优选的结果是细管的内径比微球透镜直径小0.2mm。

优选的是，所述固定件的内径大小可变。

通过可变的内径，可以灵活的适配于不同尺寸的微球透镜和双层凸透镜，有效的提升光纤准直器的适用范围和应用场景，进一步降低光纤准直器的应用成本。

优选的是，所述光纤纤芯具体为多芯层大模场面积少模光纤。

通过对光纤准直器的对准偏差的详细分析,可知提升其尾纤的模场直径能够降低角度偏差带来的损耗,同时离轴与轴向偏差损耗会变髙。由实验可知，准直器耦合损耗对角度较为敏感,而对离轴与轴向偏差容忍性较强。故而使用大模场面积光纤作为准直器尾纤,可有效降低对准时偏角的要求,大幅提升光纤准直器耦合的稳定性。

优选的是，所述封胶通过位于套管上的通孔进行灌胶。

为了提升器件的稳定性，在将器件的位置调整好后，往往会需要通过胶水来将器件进行固定，为了避免灌胶过程对器件位置的影响，优选的通过套管上开孔，然后通过针管来注入胶水。

优选的是，灌注的胶体为紫外固化胶水。

紫外光固化胶黏剂(UV-胶)由于具有固化速度快、耐磨、无溶剂污染等特性，近年来发展较快。主要用于组装与定位粘接光学器件、电子元件的固定、光导纤维连接等，如激光器(LD)模块、雪崩光电二极管(APD)模块、光耦合器、光转换器等的连接与固定。UV-胶用于光学器件的连接时，需要较高的硬度、透光度和其他光学性能，折射率是UV-胶的一项重要光学性能指标，当UV-胶的折射率与光学器件的折射率不匹配现象发生在光源附近时，会引起光源的干扰和噪音的出现，因此，为了优化这种连接作用，减少折射率的不匹配现象，对UV-胶的折射率实现有效控制是非常必要的。

紫外固化胶是必须通过紫外线光照射才能固化，在一定波长的紫外线照射下几秒钟内便可速干。由于这种特性，其被广泛的应用于光器件的粘合和固定场景中。在本发明的实施例中，通过套管上预设的通孔，将胶水仔细的滴入。

优选的是，所述紫外固化的时长为25秒。

紫外固化胶水的固化时长没有固定标准，往往是根据不同的器件大小和尺寸反复实验验证才能得到最优的固化时间，通过多次的实验验证，按照本发明中的光纤准直器的尺寸和封胶面积，以紫外灯25秒的固化时间为最佳。

优选的是，所述微球透镜为聚合物梯度折射率微球透镜，所述细管为陶瓷毛细管。

梯度折射率光学研究的对象是非均匀折射率介质中的光学现象。发生于非均匀介质中的光学现象在自然界是一种普遍存在的客观物理现象。如大气层中出现的海市唇楼现象,日出日落时的太阳形状变化,都是由于介质的非均匀性(折射率梯度)所引起的。

梯度折射率光学理论仍在不断发展之中,它不仅为梯度折射率材料的制作和加工提供了折射率分布模型,而且也是光学设计和应用的理论基础。利用梯度折射率光学可减少光学系统组件,简化加工工艺,为科技工程设计师们提供了一条使光学系统向微型化、轻型化、优质化、易装配等方向发展的新途径。因而梯度折射率光学在光学仪器、弹载、星载、情报搜取、侦破以及通信等方面的光学系统中具有广泛的应用前景。

传统的光纤准直器采用自聚焦透镜与光纤尾纤连接而成,近年来为改善其准直性能,出现了用均匀介质微球透镜与光纤尾纤连接的新型结构。事实上从光纤端部出射的发散光束经过任何准直系统后并不能形成严格意义上的平行光束,而是形成具有较小发散角的准平行光束。经过准直的光束往往直径先稍稍收缩,在经过一段细腰后,过渡为具有很小发散角F的准平行光束。妨碍准直性能提高的原因主要来自两个方面。一是从光纤端部任一点出射的、方向各不相同的光线,可形成具有一定立体角(由光纤数值孔径决定)的光锥。从光纤端部所有各点出射的光束显然己不是从一个几何点发出的球面波。因而,即使选用无相差透镜也不可能使这样的光束变为严格的平行光。而球对称梯度折射率微球透镜具有体积小、焦距短、像差小等优越光学性能。若将该种透镜用作光纤耦合用准直器,应该能够改善准直效果。

优选的是，所述少模光纤采用MCVD法制作。

改进的化学汽相沉积法制作光纤预制棒是当前制作高质量光导纤维最有效的方法之一。其基本思想是在石英管的内表面形成多层掺杂的二氧化硅玻璃薄层。首先检查石英管是否有缺陷及外径、壁厚、内径、同心度和弯曲度等几何参数，然后接上引管进行清洗和干燥，最后放置在玻璃车床接上尾管。车床上的氢氧火焰喷灯加热旋转的石英管，旋转的作用是防止石英管在高温下发生形变，并使管内的化学反应尽可能在等温环境下进行，当温度从1300℃上升到1600℃时，管内的氯化物发生氧化反应，生成的氧化物沉积在管的内表面而形成光纤的包层和芯层。沉积过程结束后继续升高温度到1900℃，由于石英管的表面张力和外部压力的作用使其收缩，同时降低火焰喷灯的行进速度也可使石英管的受热温度增加而有利于收棒。

优选的是，所述微球透镜的曲率半径范围为50～90μm。

通过实验证明，当微球透镜的曲率半径范围在50～90μm有着更佳的光学性能。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光纤准直器，其特征在于包括：固定件、细管、光纤、微球透镜、光纤纤芯、套管、封胶、两个双层凸透镜；所述固定件的右侧直径与所述微球透镜的直径一致，其左侧内径略小于所述微球透镜的直径，以将所述微球透镜固定；所述细管外径与所述固定件右侧内径紧密贴合；所述固定件的左侧内径与所述光纤的直径一致；所述微球透镜、光纤、光纤纤芯、两个双层凸透镜四者同轴，所述微球透镜位于所述两个双层凸透镜之间；所述光纤纤芯为少模光纤；所述双层凸透镜和所述微球透镜之间间距0.2～0.25mm。

2.根据权利要求1所述的一种光纤准直器，其特征在于：所述细管的内径比所述微球透镜直径稍小。

3.根据权利要求1所述的一种光纤准直器，其特征在于：所述固定件的内径大小可变。

4.根据权利要求1所述的一种光纤准直器，其特征在于：所述光纤纤芯具体为多芯层大模场面积少模光纤。

5.根据权利要求1所述的一种光纤准直器，其特征在于：所述封胶通过位于套管上的通孔进行灌胶。

6.根据权利要求5所述的一种光纤准直器，其特征在于：灌注的胶体为紫外固化胶水。

7.根据权利要求6所述的一种光纤准直器，其特征在于：所述紫外固化的时长为25秒。

8.根据权利要求1所述的一种光纤准直器，其特征在于：所述微球透镜为石英玻璃透镜，所述细管为陶瓷毛细管。

9.根据权利要求1所述的一种光纤准直器，其特征在于：所述少模光纤采用MCVD法制作。

10.根据权利要求8所述的一种光纤准直器，其特征在于：所述微球透镜的曲率半径范围为50～90μm。

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