CN114236697A - 一种基于双包层光纤的变发散角装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于双包层光纤的变发散角装置，包括：切换模块，两端包括输入端焦面和输出端焦面，切换模块能够控制光束汇聚点在输出端焦面上运动；输入光纤，包括输入光纤输入端和输入光纤输出端，其中，输入光纤输入端用于连接光源，输入光纤输出端放置在所述输入端焦面上；输出光纤，输出光纤包括输出光纤输入端和输出光纤输出端，输出光纤输入端放置在输出端焦面上，输出光纤输出端通向自由空间，该输出光纤是双包层光纤。本发明提出的变发散角装置，能通过切换模块控制光束耦合进入输出光纤时在光纤端面上的位置，从而控制光束在输出光线的纤芯或内包层传输，实现光束变发散角输出。

Description

一种基于双包层光纤的变发散角装置

技术领域

本发明涉及激光通信领域，尤其涉及一种基于双包层光纤的变发散角装置。

背景技术

自由空间光通信（Free Space Optical Communication，FSO）是光通信的一种。区别于光波导通信，自由空间光通信能够摆脱光纤限制，能够在更全面的场景应用，例如卫星与地面或者卫星与卫星直接通信；基于激光优秀的方向性，能够极大提高通信的保密性；同时也可以免去长距离铺设光纤线路，节省巨大的人力物力成本。

自由空间光通信首先要解决的问题是远距离窄光束通信时——尤其是卫星与地面或者卫星与地面通信——如何快速捕获对方终端并稳定跟踪瞄准。习惯上将接收端确定光束到达方向的过程称为捕获，发射端对准到正确方向的过程称为瞄准，在通信期间保持捕获和瞄准的过程称为跟踪。

在有限的光功率下，由发射端发出的信号光通常要求发散角尽可能小，以确保经过远距离传输衰减后接收端接收到的信号光光功率足够强且足够稳定。然而，发散角太小会给捕获带来很大麻烦，一般的解决方案是在信号光系统之外附加一个与信号光同轴的、发散角较大的信标光系统。信标光系统不仅给系统集成带来额外的困难和风险，还会增加终端体积和质量。传统的信标光方案无法满足卫星载荷日益高涨的轻量化要求。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于双包层光纤的变发散角装置，可以在不改变光源的情况下改变输出光束的发散角。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于双包层光纤的变发散角装置，包括：切换模块，所述切换模块两端包括输入端焦面和输出端焦面，所述切换模块能够控制光束汇聚点在输出端焦面上运动；输入光纤，所述输入光纤包括输入光纤输入端和输入光纤输出端，其中，所述输入光纤输入端用于连接光源，所述输入光纤输出端放置在所述输入端焦面上；输出光纤，所述输出光纤包括输出光纤输入端和输出光纤输出端，所述输出光纤输入端放置在所述输出端焦面上，所述输出光纤输出端通向自由空间，所述输出光纤是双包层光纤。

本发明上述实施例提出的变发散角装置，能够控制光束在输出光线的纤芯或内包层传输，从而改变光束的发散角。

进一步的，根据本发明的一个实施例，所述切换模块包括输入端组件，所述输入端组件的焦点与所述输入光纤输出端纤芯重合；输出端组件，所述输出端组件的焦点位于所述输出端焦面上，且所述输出端组件的焦点位于输出光纤输入端的内包层范围内；切换组件，所述切换组件能够控制光束经过所述输出端组件后的汇聚点在输出光纤输入端的纤芯与内包层之间切换。

进一步的，根据本发明的一个实施例，所述输入端组件和所述输出端组件均是凸透镜，并且所述输入端组件与所述输出端组件共光轴放置。

进一步的，根据本发明的一个实施例，所述切换组件包括：MEMS反射镜，所述MEMS反射镜与所述输入端组件和所述输出端组件共光轴放置，所述MEMS反射镜控制光束经过所述输出端组件后汇聚在所述输出光纤的纤芯或者内包层，并且能够控制光束汇聚点在所述输出光纤的纤芯或者内包层之间移动。

可选的，根据本发明的一个实施例，所述切换组件还可以包括：光楔，光束经过所述光楔时会产生偏移，偏移量恰好能使光束经过所述输出端组件的汇聚点从所述输出光纤输入端的纤芯移动到所述输出光纤输入端的内包层；运动单元，所述运动单元控制所述光楔插入到所述输入端组件与所述输出端组件之间并使所述光楔与所述输入端组件和所述输出端组件共光轴放置，或者控制所述光楔从所述输入端组件与所述输出端组件之间移除。

进一步的，根据本发明的一个实施例，所述输入光纤是单模光纤。

进一步的，根据本发明的一个实施例，所述输出光线输出端包括：准直模块，光束经过所述准直模块准直后进入自由空间。

综上所述，本发明提出的变发散角装置，通过切换模块改变光束耦合到输出光纤时的入射位置，通过控制光束在输出光纤的纤芯或内包层传播，改变光束从输出光纤输出的发散角。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中的一种基于双包层光纤的变发散角装置的示意图。

图2是本发明实施例中变发散角装置的切换模块的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于双包层光纤的变发散角装置作进一步详细说明。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。显然，所述描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而而非对本发明范围的任何限定。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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或更多个该特征。在本发明的描述中，多个的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。特别的，在本发明的描述中，两个部件或者装置之间连接是指光路上的连接，其相对位置也是指在光路上的先后顺序，而非空间上的相对分布，除非另有明确具体的说明。

图1是本发明一个实施例的一种变发散角装置的示意图。如图1所示的变发散角装置100包括：切换模块110、输入光纤120、输出光纤130。

具体的，切换模块110两端存在两个焦面，分别是输入端焦面和输出端焦面。在输入端焦面发出的点光源经过切换模块时会扩束成平行光，并在离开切换模块时汇聚在输出端焦面上。切换模块110可以控制光束汇聚点在输出端焦面上运动。

输入光纤120包括输入光纤输入端和输入光纤输出端，其中，输入光纤输入端连接光源，输入光纤输出端的光纤端面放置在切换模块110的输入端焦面上。

输出光纤130包括输出光纤输入端和输出光纤输出端，其中，输出光纤输入端放置在输出端焦面上，输出光纤输出端通向自由空间。具体的，输出光纤是双包层光纤，光束在双包层光纤的纤芯传输时发散角较小，光束在双包层光纤的内包层传输时发散角较大。在发明的一个示例中，输出光纤输出端还包括准直模块，光束经过准直模块准直后进入自由空间。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，切换模块110包括：输入端组件111、输出端组件112、切换组件113。其中，输入端组件111的焦点与输入光纤120的输入光纤输出端光纤端面在空间上重合，输出端组件112的焦点与输出光纤130的输出光纤输入端光纤端面在空间上重合。切换组件113位于输入端组件111与输出端组件112之间，以改变整个切换模块的焦点位置。具体的，切换组件13控制整个切换模块的焦点在输出端焦面上运动。

在本发明的一个实施例中，输入端组件111和输出端组件112是凸透镜，此时需要将输入端组件111与输出端组件112共光轴放置，并在空间上相对静止，其间距视切换组件113的尺寸设置，保证切换组件113安全工作即可。同时，由于输入光纤的输出端光纤端面与输入端组件的焦点重合，以及输出光纤的输入端光纤端面与输出端组件的焦点重合，输入光纤的输出端光纤端面、输入端组件、输出端组件、输出光纤的输入端光纤端面此四者要保持空间上的相对静止。基于透镜规格和材质的不同，同时由于透镜焦距与光波长的关系，焦点位置与光源波长关系密切，实际装置因视光源波长设置。基于光通信领域设备轻小型华的需求，凸透镜可以选用直径与光纤相当的，即直径在10mm以下，在集成需求高时，还可以选用直径在1mm的透镜。

根据本发明的上述实施例，在一个可行的示例中，切换组件113包括：光楔、运动单元。其中，光束经过光楔时会产生偏移，偏移量恰好能使光束经过输出端组件的汇聚点从输出光纤输入端的纤芯移动到所述输出光纤输入端的内包层；或者相反的，偏移量恰好能使光束经过输出端组件的汇聚点从输出光纤输入端的内包层移动到输出光纤输入端的纤芯。运动单元控制上述光楔插入到输入端组件与输出端组件之间并使光楔与输入端组件和输出端组件共光轴放置，或者控制所述光楔从所述输入端组件与所述输出端组件之间移除。在该示例中，输入端组件和输出端组件的两片凸透镜同轴放置，且间距能使光楔移入或移出光路的过程不受阻碍，且不影响光楔及运动单元正常工作。更进一步的，在一些示例中，还可以由运动单元控制光楔沿光轴方向运动。

根据本发明的上述实施例，在一个示例中，切换组件113包括：MEMS反射镜，该MEMS反射镜与输入端组件和输出端组件共光轴放置， MEMS反射镜控制光束经过输出端组件后汇聚在输出光纤的纤芯或者内包层，并且能够控制光束汇聚点在所述输出光纤的纤芯或者内包层之间移动。MEMS反射镜包括：平面镜、微机电系统（Micro Electro MechanicalSystem，MEMS），平面镜用于反射光束，并且通过控制平面镜指向的角度改变光束出射方向；微机电系统用于精准控制平面镜运动。在该示例中，输入端组件和输出端组件分列在平面镜的法线两侧，并相对法线对称，以实现输入端组件、MEMS平面镜、输出端组件共光轴放置。光束从输入端组件的焦点进入切换模块，从输入端组件出射时是平行光，经平面镜反射后以平行光射入输出端组件，并经输出端组件汇聚到输出端组件的焦点，随后耦合进入放置在输出端组件焦点的输出光纤。在初始阶段，光束从输出端组件的焦点耦合进入输出光纤时由纤芯进入，固定输入光纤的输出端光纤端面、输入组件、输出组件、输出光纤的输入端光纤端面此四者位置；在随后的阶段，微机电系统控制平面镜转动微小角度，使光束汇聚点在输出光纤的输入端光纤端面上运动，具体的可以控制光束汇聚点从纤芯移动到内包层。此时即可实现光束在输出光纤纤芯传输到光束在输出光纤内包层传输的切换，相应的，光束从输出光纤输出的发散角也完成小发散角到大发散角的切换。同理，上述过程也可以先使光束耦合到输出光纤的内包层并固定上述四者相对位置，再转动平面镜使光束耦合到输出光纤的纤芯，以实现从大发散角到小发散角的切换。

在本发明的一个实施例中，输入端组件111和输出端组件112是离轴凹面镜，基于与上述实施例相同的原理，两个离轴凹面镜共光轴放置，构造一段平行光通道。输入光纤的输出端光纤端面与输入端组件的焦点重合，以及输出光纤的输入端光纤端面与输出端组件的焦点重合，输入光纤的输出端光纤端面、输入端组件、输出端组件、输出光纤的输入端光纤端面此四者要保持空间上的相对静止。相应的切换组件113也可以使用光楔与运动单元或MEMS平面镜等方式，以完成光束在耦合进入输出光纤输入端时在纤芯与内包层之间切换，从而实现改变输出光束发散角的目的。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也应落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于双包层光纤的变发散角装置，其特征在于，包括：

切换模块，所述切换模块两端包括输入端焦面和输出端焦面，所述切换模块能够控制光束汇聚点在输出端焦面上运动；

输入光纤，所述输入光纤包括输入光纤输入端和输入光纤输出端，其中，所述输入光纤输入端用于连接光源，所述输入光纤输出端放置在所述输入端焦面上；

输出光纤，所述输出光纤包括输出光纤输入端和输出光纤输出端，所述输出光纤输入端放置在所述输出端焦面上，所述输出光纤输出端通向自由空间，所述输出光纤是双包层光纤。

2.根据权利要求1所述的变发散角装置，其特征在于，所述切换模块包括：

输入端组件，所述输入端组件的焦点与所述输入光纤输出端纤芯重合；

输出端组件，所述输出端组件的焦点位于所述输出端焦面上，且所述输出端组件的焦点位于输出光纤输入端的内包层范围内；

切换组件，所述切换组件能够控制光束经过所述输出端组件后的汇聚点在输出光纤输入端的纤芯与内包层之间切换。

3.根据权利要求2所述的变发散角装置，其特征在于，所述输入端组件和所述输出端组件均是凸透镜，并且所述输入端组件与所述输出端组件共光轴放置。

4.根据权利要求2-3所述的变发散角装置，其特征在于，所述切换组件包括：

MEMS反射镜，所述MEMS反射镜与所述输入端组件和所述输出端组件共光轴放置，所述MEMS反射镜控制光束经过所述输出端组件后汇聚在所述输出光纤的纤芯或者内包层，并且能够控制光束汇聚点在所述输出光纤的纤芯或者内包层之间移动。

5.根据权利要求2-3所述的变发散角装置，所述切换组件包括：

光楔，光束经过所述光楔时会产生偏移，偏移量恰好能使光束经过所述输出端组件的汇聚点从所述输出光纤输入端的纤芯移动到所述输出光纤输入端的内包层；

运动单元，所述运动单元控制所述光楔插入到所述输入端组件与所述输出端组件之间并使所述光楔与所述输入端组件和所述输出端组件共光轴放置，或者控制所述光楔从所述输入端组件与所述输出端组件之间移除。

6.根据权利要求1所述的变发散角装置，其特征在于，所述输入光纤是单模光纤。

7.根据权利要求1所述的变发散角装置，其特征在于，所述输出光纤输出端还包括：

准直模块，光束经过所述准直模块准直后进入自由空间。

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