CN113267856A - 一种收发共轴紧凑激光收发装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光收发装置技术领域，公开了一种收发共轴紧凑激光收发装置，包括光学透镜、耦合组件、多模收发光纤、回光消散器和多模光纤环形器；多模光纤环形器包括三个端口，第一端口作为发射端，第三端口作为接收端，第二端口与回光消散器的一端连接；回光消散器的另一端与多模收发光纤连接；耦合组件设置在多模收发光纤与光学透镜之间的光路中。本发明解决了现有技术中激光收发装置的激光同轴装调复杂、多模光纤环形器的发射端口与接收端口之间的隔离度较低的问题。本发明能够实现高隔离度的激光共轴收发，减小装置体积。

Description

一种收发共轴紧凑激光收发装置
技术领域
本发明属于激光收发装置技术领域，更具体地，涉及一种收发共轴紧凑激光收发装置。
背景技术
常规激光装置中激光同轴的装调过程复杂，收发激光的可靠性和稳定性较差。光纤环形器的最大特点就是能用同一根光纤来完成信号的发射和接收，但通常用在光纤线路中，很少用在空间光路中。若将光纤环形器应用在空间光路中则会出现以下问题：发射信号在光纤环形器的端口2由光纤介质进入大气介质时，由于介质的折射率突变，大气介质会反射部分信号回到光纤介质内而到达光纤环形器的端口3，形成串扰，造成光纤环形器的端口1和端口3之间的隔离度下降。对于单模光纤环形器，这种大气反射引起的端口1和端口3之间串扰相对较小，隔离度在-40dB左右，在短距离小功率激光传输上还可以使用，但不能用在隔离度要求大于40dB的场景。对于多模光纤环形器，由于多模纤芯直径比单模纤芯直径大5-7倍，面积大30-47倍，若采用多模光纤环形器，则发射信号被大气介质反射部分信号回到光纤介质内的信号强度会增大很多，造成端口1和端口3之间的隔离度只有-15dB左右，所以多模光纤环形器不能应用在现有的空间激光收发系统中。
发明内容
本发明通过提供一种收发共轴紧凑激光收发装置，解决现有技术中激光收发装置的激光同轴装调复杂、多模光纤环形器的发射端口与接收端口之间的隔离度较低的问题。
本发明提供一种收发共轴紧凑激光收发装置，包括：光学透镜、耦合组件、多模收发光纤、回光消散器和多模光纤环形器；
所述多模光纤环形器包括三个端口，第一端口作为发射端，第三端口作为接收端，第二端口与所述回光消散器的一端连接；所述回光消散器的另一端与所述多模收发光纤连接；所述耦合组件设置在所述多模收发光纤与所述光学透镜之间的光路中；
对方的信号激光器发射的信号激光经所述光学透镜接收会聚后，经所述耦合组件反射至所述多模收发光纤的端面并进入光纤内传播，然后该光信号经过所述回光消散器后进入所述多模光纤环形器的所述第二端口，最终到达所述多模光纤环形器的所述第三端口被探测器接收；
本方的信号激光器发射的信号激光经所述多模光纤环形器的所述第一端口进入，依次经过所述多模光纤环形器的所述第二端口、所述回光消散器、所述多模收发光纤、所述耦合组件、所述光学透镜后发射到对方。
优选的，所述收发共轴紧凑激光收发装置还包括：相机和信标激光器；所述信标激光器用于发射信标激光，所述相机和所述信标激光器用于实现光路对准。
优选的，所述回光消散器包括：第一多模光纤、第二多模光纤、第三多模光纤、第一法兰和第二法兰；
所述第一法兰用于连接所述第一多模光纤和所述第二多模光纤，所述第二法兰用于连接所述第二多模光纤和所述第三多模光纤；所述第一多模光纤、所述第二多模光纤、所述第三多模光纤的端面均采用APC结构。
优选的，所述第一多模光纤与所述第二多模光纤的接头处涂抹有折射率与光纤纤芯折射率相同的匹配膏，所述第二多模光纤与所述第三多模光纤的接头处涂抹有折射率与光纤纤芯折射率相同的匹配膏。
优选的，所述耦合组件包括：第一反射镜和第二反射镜；
所述第一反射镜和所述第二反射镜用于将经所述光学透镜接收进来的会聚光束反射至所述多模收发光纤的端面中心，以及用于将经所述多模收发光纤输出的光束反射至所述光学透镜而发射出去。
优选的，所述耦合组件包括：第一反射镜、振镜、分光镜、四象限探测器、信号处理电路、单片机控制板和振镜驱动电路；
对方的信号激光器发射的信号激光和对方的信标激光器发射的信标激光经所述光学透镜接收后形成会聚光，该会聚光经所述第一反射镜后反射至所述振镜的镜面上，并经该镜面再反射至所述分光镜上，信号激光透过所述分光镜后入射至所述多模收发光纤的端面中心并耦合进光纤内，信标激光经所述分光镜反射后入射至所述四象限探测器，所述四象限探测器将光信号转换成电信号并输入至所述信号处理电路，所述信号处理电路输出四路电信号至所述单片机控制板，所述单片机控制板分析处理四路电信号并获得光斑位置参数，再将所述光斑位置参数送给所述振镜驱动电路，所述振镜驱动电路将所述光斑位置参数作为反馈信号，通过控制所述振镜的镜面偏转使得所述信号激光对准所述多模收发光纤的端面中心。
优选的，所述相机采用CMOS相机。
优选的，所述振镜采用音圈电机型振镜。
优选的，所述信号激光器的波长为1064nm或1550nm波段。
优选的，所述信标激光器的波长为800nm波段。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在发明中，在多模光纤环形器的第二端口连接回光消散器，能够有效提高多模光纤环形器的发射端口与接收端口之间的隔离度。采用多模光纤环形器能够实现激光收发同轴和收发共用一个光纤，免去了常规激光装置中激光同轴的复杂装调过程，能够大幅提高收发激光的可靠性和稳定性。通过耦合组件实现折返光路，能够有效减小机构尺寸，实现结构紧凑。本发明能够实现高隔离度的激光共轴收发，减小装置体积。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种收发共轴紧凑激光收发装置的结构示意图；
图2为回光消散器的结构示意图；
图3为本发明实施例2提供的一种收发共轴紧凑激光收发装置的结构示意图。
其中，1-光学透镜、2-相机、3-信标激光器、4-第一反射镜、5-第二反射镜、6-多模收发光纤、7-回光消散器、8-多模光纤环形器、9-振镜、10-分光镜、11-单片机控制板、12-四象限探测器、13-信号处理电路、14-振镜驱动电路。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本发明提供了一种收发共轴紧凑激光收发装置，参见图1，主要包括：光学透镜1、耦合组件、多模收发光纤6、回光消散器7和多模光纤环形器8。
所述多模光纤环形器8包括三个端口，第一端口作为发射端，第三端口作为接收端，第二端口与所述回光消散器7的一端连接；所述回光消散器7的另一端与所述多模收发光纤6连接；所述耦合组件设置在所述多模收发光纤6与所述光学透镜1之间的光路中。
对方的信号激光器发射的信号激光经所述光学透镜1接收会聚后，经所述耦合组件反射至所述多模收发光纤6的端面并耦合进入光纤内传输，该光信号经过所述回光消散器7后进入所述多模光纤环形器8的所述第二端口，最终到达所述多模光纤环形器8的所述第三端口被探测器接收。
本方的信号激光器发射的信号激光经所述多模光纤环形器8的所述第一端口进入，依次经过所述多模光纤环形器8的所述第二端口、所述回光消散器7、所述多模收发光纤6、所述耦合组件、所述光学透镜1后发射到对方。
本发明采用了多模光纤环形器和回光消散器来实现激光发射与激光接收共用一根多模光纤，多模收发光纤是发射激光和接收激光的出入口，为收发共用光纤，实现了高隔离度的激光共轴收发。
此外，还可包括相机2和信标激光器3；所述信标激光器3用于发射发散角稍大的信标激光，所述相机2和所述信标激光器3用于实现光路对准。
参见图1，所述多模光纤环形器8的发射端口(即图1中的01端口)接有信号激光器，所述多模光纤环形器8的接收端口(即图1中的03端口)接有探测器。所述多模光纤环形器8的工作过程是：发射信号从01端口注入，经02端口(即第二端口)发射出去。接收信号从02端口进入光纤，最终到达03端口，而不会到达01端口。实现发射与接收信号都从02端口出入，达到收发共用光纤，也就是实现了信号的收发同轴功能，解决了常规收发结构的信号收发同轴装调的困难。为了解决空间激光传输应用多模光纤环形器存在的隔离度过低的问题，本发明提出了一种在多模光纤环形器8的02端口接入回光消散器7的解决办法。多模光纤环形器8接入回光消散器7后，01端口与03端口的隔离度可以大于45dB，可以应用在许多空间激光收发装置中。
具体的应用中，所述信号激光器的波长为1064nm或1550nm波段。所述信标激光器3的波长为800nm波段，所述相机2采用CMOS相机，CMOS相机能看见近红外激光，两者用于目标的对准。
其中，如图2所示，所述回光消散器7包括：第一多模光纤(即图2中的多模光纤1)、第二多模光纤(即图2中的多模光纤2)、第三多模光纤(即图2中的多模光纤3)、第一法兰(即图2中的法兰1)和第二法兰(即图2中的法兰2)；所述第一法兰用于连接所述第一多模光纤和所述第二多模光纤，所述第二法兰用于连接所述第二多模光纤和所述第三多模光纤；所述第一多模光纤、所述第二多模光纤、所述第三多模光纤的端面均采用APC结构。针对激光传输在介质突变区域易产生反射光返回光纤内的问题，光纤端面采用APC结构，即端面不是平面的而是有8度斜角结构的端面，这样可大幅减小反射光回到光纤内。此外，所述第一多模光纤与所述第二多模光纤的接头处涂抹有折射率与光纤纤芯折射率相同的匹配膏，所述第二多模光纤与所述第三多模光纤的接头处涂抹有折射率与光纤纤芯折射率相同的匹配膏。通过在两个APC光纤接头处涂抹有折射率与光纤纤芯折射率相同的匹配膏，能够消除光纤接头处介质突变区域，可极大减小发生反射回光现象，实现多模光纤环形器的发射端口与接收端口间的高隔离度，实现空间激光发射与激光接收共用一根多模光纤，实现激光共轴收发。
在上述方案的基础上提供两个具体的实施例，对本发明做进一步的说明。
实施例1：
实施例1提供的一种收发共轴紧凑激光收发装置，参见图1，所述耦合组件包括：第一反射镜4和第二反射镜5。所述第一反射镜4和所述第二反射镜5用于将经所述光学透镜1接收进来的会聚光束反射至所述多模收发光纤6的端面中心，以及用于将经所述多模收发光纤6输出的光束反射至所述光学透镜1而发射出去。
实施例1通过在所述光学透镜的接收光路中放置所述第一反射镜4和所述第二反射镜5，将入射会聚光线折返到所述多模收发光纤6的端面中心，从而耦合进光纤内并传输到位于所述多模光纤环形器8的所述第三端口处的探测器上，这样的光路设计可以减小系统的尺寸和体积，实现结构紧凑。
实施例2：
长距离激光大气传输会受到大气湍流的影响，会引起接收光斑的抖动和光强闪烁，造成接收信号不稳定。实施例2在结构中增加光束稳定器，实现接收光斑稳定的功能。
实施例2提供的一种收发共轴紧凑激光收发装置，参见图3，所述耦合组件包括：第一反射镜4、振镜9、分光镜10、四象限探测器12、信号处理电路13、单片机控制板11和振镜驱动电路14。可以理解为光束稳定器包括分光镜10、四象限探测器12、信号处理电路13、单片机控制板11、振镜9和振镜驱动电路14。
对方的信号激光器发射的信号激光和对方的信标激光器发射的信标激光经所述光学透镜1接收后形成会聚光，该会聚光(包括信号激光和信标激光)经所述第一反射镜4后反射至所述振镜9的镜面上，所述振镜9将所述信号激光和所述信标激光反射至所述分光镜10上，所述信号激光经所述分光镜10透射后入射至所述多模收发光纤6的端面中心并耦合进光纤内，所述信标激光经所述分光镜10反射后入射至所述四象限探测器12，所述四象限探测器12将光信号转换成电信号并输入至所述信号处理电路13，所述信号处理电路13输出四路电信号给所述单片机控制板11，所述单片机控制板11分析处理四路电信号并获得光斑位置参数，再将该光斑位置参数送给所述振镜驱动电路14，所述振镜驱动电路14将所述光斑位置参数作为反馈信号，通过控制所述振镜9的镜面偏转使得所述信号激光对准所述多模收发光纤6的端面中心，该接收光经所述回光消散器7后进入到所述多模光纤环形器8的第三端口被接收探测器接收，完成激光的接收与探测。
具体的，所述信号处理电路13根据不同象限照射光强而输出相应强度的四路光电流，相当于输出光斑在所述四象限探测器12上的位置。四路光电流经所述单片机控制板11处理后获得光斑位置(坐标)参数，所述振镜驱动电路14以此参数作为反馈信号来控制所述振镜9做合适的角度偏转。
实施例2可通过振镜和四象限探测器实现对激光的自动跟踪。
振镜可分为压电陶瓷型、音圈电机型和机械转镜型，各有优缺点。本发明中的振镜采用音圈电机型振镜，它具有摆角范围大、成本比压电陶瓷低的特点。
本发明实施例提供的一种收发共轴紧凑激光收发装置至少包括如下技术效果：
(1)本发明采用多模光纤环形器能够实现激光收发同轴和收发共用一个光纤，免去了常规激光装置中激光同轴的复杂装调过程，能够大幅提高收发激光的可靠性和稳定性。
(2)本发明在多模光纤环形器的第二端口连接回光消散器，能够有效提高多模光纤环形器的发射端口与接收端口之间的隔离度。
(3)本发明通过耦合组件实现折返光路，能够有效减小机构尺寸，实现结构紧凑。
(4)由于多模纤芯直径比单模纤芯直径大5-7倍，面积大30-47倍，因此采用多模光纤环形器的接收光功率比采用单模光纤环形器的要大30-47倍，极大地提高了激光接收效率和稳定性。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种收发共轴紧凑激光收发装置，其特征在于，包括：光学透镜、耦合组件、多模收发光纤、回光消散器和多模光纤环形器；
所述多模光纤环形器包括三个端口，第一端口作为发射端，第三端口作为接收端，第二端口与所述回光消散器的一端连接；所述回光消散器的另一端与所述多模收发光纤连接；所述耦合组件设置在所述多模收发光纤与所述光学透镜之间的光路中；
对方的信号激光器发射的信号激光经所述光学透镜接收会聚后，经所述耦合组件反射至所述多模收发光纤的端面并进入光纤内传播，然后该光信号经过所述回光消散器后进入所述多模光纤环形器的所述第二端口，最终到达所述多模光纤环形器的所述第三端口被探测器接收；
本方的信号激光器发射的信号激光经所述多模光纤环形器的所述第一端口进入，依次经过所述多模光纤环形器的所述第二端口、所述回光消散器、所述多模收发光纤、所述耦合组件、所述光学透镜后发射到对方。
2.根据权利要求1所述的收发共轴紧凑激光收发装置，其特征在于，还包括：相机和信标激光器；所述信标激光器用于发射信标激光，所述相机和所述信标激光器用于实现光路对准。
3.根据权利要求1所述的收发共轴紧凑激光收发装置，其特征在于，所述回光消散器包括：第一多模光纤、第二多模光纤、第三多模光纤、第一法兰和第二法兰；
所述第一法兰用于连接所述第一多模光纤和所述第二多模光纤，所述第二法兰用于连接所述第二多模光纤和所述第三多模光纤；所述第一多模光纤、所述第二多模光纤、所述第三多模光纤的端面均采用APC结构。
4.根据权利要求3所述的收发共轴紧凑激光收发装置，其特征在于，所述第一多模光纤与所述第二多模光纤的接头处涂抹有折射率与光纤纤芯折射率相同的匹配膏，所述第二多模光纤与所述第三多模光纤的接头处涂抹有折射率与光纤纤芯折射率相同的匹配膏。
5.根据权利要求1或2所述的收发共轴紧凑激光收发装置，其特征在于，所述耦合组件包括：第一反射镜和第二反射镜；
所述第一反射镜和所述第二反射镜用于将经所述光学透镜接收进来的会聚光束反射至所述多模收发光纤的端面中心，以及用于将经所述多模收发光纤输出的光束反射至所述光学透镜而发射出去。
6.根据权利要求2所述的收发共轴紧凑激光收发装置，其特征在于，所述耦合组件包括：第一反射镜、振镜、分光镜、四象限探测器、信号处理电路、单片机控制板和振镜驱动电路；
对方的信号激光器发射的信号激光和对方的信标激光器发射的信标激光经所述光学透镜接收后形成会聚光，该会聚光经所述第一反射镜后反射至所述振镜的镜面上，并经该镜面再反射至所述分光镜上，信号激光透过所述分光镜后入射至所述多模收发光纤的端面中心并耦合进光纤内，信标激光经所述分光镜反射后入射至所述四象限探测器，所述四象限探测器将光信号转换成电信号并输入至所述信号处理电路，所述信号处理电路输出四路电信号至所述单片机控制板，所述单片机控制板分析处理四路电信号并获得光斑位置参数，再将所述光斑位置参数送给所述振镜驱动电路，所述振镜驱动电路将所述光斑位置参数作为反馈信号，通过控制所述振镜的镜面偏转使得所述信号激光对准所述多模收发光纤的端面中心。
7.根据权利要求2所述的收发共轴紧凑激光收发装置，其特征在于，所述相机采用CMOS相机。
8.根据权利要求6所述的收发共轴紧凑激光收发装置，其特征在于，所述振镜采用音圈电机型振镜。
9.根据权利要求1所述的收发共轴紧凑激光收发装置，其特征在于，所述信号激光器的波长为1064nm或1550nm波段。
10.根据权利要求2所述的收发共轴紧凑激光收发装置，其特征在于，所述信标激光器的波长为800nm波段。
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