CN201820007U - 一种低损耗多通道光波分复用器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种低损耗多通道光波分复用器，其包括公共通道准直器(401)、第一通道膜片(402)、第一通道准直器(403)、第二通道膜片(405)和第二通道准直器(404)，各通道膜片和各通道准直器均固定在基板(400)上；各通道准直器均包括透镜(300)、第一套筒(301)、光纤头(302)和第二套筒(306)，透镜(300)通过胶(304)固定在第一套筒(301)内，光纤头(302)通过胶(305)固定在第二套筒(306)内，第一套筒(301)通过胶(307)和第二套筒(306)固定在一起。该多通道光波分复用器的各通道准直器输出光信号的插入损耗都比较小。

Description

一种低损耗多通道光波分复用器 

技术领域

本实用新型涉及光纤通信技术领域，特别适用于光波分复用领域，是一种低损耗多通道光波分复用器。 

背景技术

现有技术方案的多通道光波分复用器的结构一般类似说明书附图的图1所示：由公共通道准直器100发射多波段光信号，经过第一通道多层介质膜滤波片101透射第一通道光信号，第一通道光信号被第一通道准直器102接收；其余通道光信号被第一通道多层介质膜滤波片101反射至第二通道多层介质膜滤波片104，第二通道光信号透射第二通道多层介质膜滤波片104至第二通道准直器103接收；其余通道光信号被第二通道多层介质膜滤波片104反射至下一通道，依此类推，完成多通道光波分复用功能。 

现有技术方案的多通道光波分复用器的缺点在于使用预先固定工作距离和束腰大小的准直器，参见说明书附图的图2所示：首先将准直透镜201固定在套管202内，用胶203固定，然后将用胶206把光纤208固定在套管205的光纤头推进套管202，微调光纤头与透镜201之间的空气间隙，得到一定工作距离和束腰大小的高斯准直光束，然后用胶204将光纤头固定，最后用胶207密封光纤头。 

这样的设计，若采用相同光纤参数和准直透镜参数的同一种规格的准直器，只有一个通道准直器与公共通道准直器100才能最佳耦合，导致各通道准直器与公共通道准直器100之间的工作距离不一致，其它通道准直器无论如何消除角度失配和横向失配，都将与公共通道准直器100存在工作距离和束腰大小的失配。 

理论分析如下： 

两光纤通过透镜耦合的光路图如说明书附图的图5所示。 

光纤a发出的束腰半径为ω₀₀、数值孔径为NA₁的高斯光束，经过准直透镜L₁、聚焦透镜L₂作用后，束腰半径和数值孔径分别变为ω₀₂和NA₂，再由光纤b接收。而光纤b只能接收满足ω0₂≤ω_0b和NA₂≤NA_b的光束，其中ω_0b和N_Ab由光纤b决定。 

为将光纤a发出的光全部耦合进光纤b，需要确定合适的光纤a物距d₁，光纤a像距d₂，光纤b像距d₃和光纤b物距d₄，准直透镜焦距F₁和聚焦透镜焦距F₂。 

由于光通信器件内部的各准直器一般采用同一种规格的光纤，而光纤出射光的高斯光束的束腰就在光纤端面，当光纤端面置于透镜焦距为f的透镜的前焦点处时，此时在透镜右边的高斯光束具有最大的束腰值，根据基模高斯光束空间变换，可以得到： 

${\mathrm{\ω}}_{01}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_{00}}f$

当光纤a采用透镜焦距为f的准直透镜得到最大值ω₀₁，则光纤b应相应采用透镜焦距为 f的准直透镜得到最大值ω₀₁，当两高斯光束在同样大小束腰ω₀₁的位置耦合时，得到最佳耦合，则光纤a出射的光全部耦合进光纤b。 

考虑到两准直器对调装配耦合的各不确定因素，两光纤通过透镜准直的高斯光束的耦合失配情况如说明书附图的图6所示。 

根据模场耦合理论，两个单模光纤准直器耦合时，光场分布为E₁的高斯光束1与光强分布为E₂的高斯光束2的耦合效率T为： 

$T=\frac{\∫\∫{|E_1\·E_2^{*}\mathrm{dxdy}|}^2}{\∫\∫{\left|E_1\right|}^2\mathrm{dxdy}\·\∫\∫{\left|E_2\right|}^2\mathrm{dxdy}}$

式中： 为E₂的共轭复数。 

根据模场耦合理论，运用高斯光束传输理论，经进一步推导，可以分别从模场失配耦合、横向偏离耦合、轴向偏离耦合和偏角耦合这四个方面理论计算出两个单模光纤准直器之间的插入损耗IL。 

1)模场失配耦合损耗IL₁： 

${\mathrm{IL}}_1=-101g\left\{\frac{4}{{[{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{\mathrm{\Δ\ω}+{\mathrm{\ω}}_2}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Δ\ω}+{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_2}\right)}^2]}^2}\right\}$

式中：Δω＝ω₁-ω₂，即表示Δω为耦合的两准直器的束腰半径ω₁和ω₂之差。 

2)横向偏离耦合损耗IL₂： 

${\mathrm{IL}}_2=-101g\left[\exp \left(\frac{-{\mathrm{dx}}^2}{{\mathrm{\ω}}_2^2}\right)\right]$

式中：dx为横向偏离距离；λ为光波波长。 

3)轴向偏离耦合损耗IL₃： 

${\mathrm{IL}}_3=-101g\left[\frac{1}{1+{\left(\frac{\mathrm{\λ\Δz}}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_2^2}\right)}^2}\right]$

式中：Δz为轴向偏离距离；λ为光波波长。 

4)偏角耦合损耗IL₄： 

${\mathrm{IL}}_4=-101g\left\{\exp \right[\frac{-d{\mathrm{\θ}}^2}{{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_2}\right)}^2}\left]\right\}$

式中：dθ为偏角角度；λ为光波波长。 

现有技术方案的多通道光波分复用器使用预先固定工作距离和束腰大小的准直器，由于多通道光波分复用器的光路设计已经固定了各通道准直器的位置，在这样限制条件下，各通道准直器与公共端口准直器进行对调时，通过细调五维调整架的俯仰、升降、旋转、X轴平移和Y轴平移等调节螺杆，只能尽可能地消除通道准直器与公共通道准直器耦合的角度失配损耗和横向失配损耗，而不能解决束腰失配损耗和轴向失配损耗。 

对于多通道光波分复用器，由于存在多个通道的准直器，各通道的准直器若考虑生产一致性，则会采用同一种规格的光纤和同一种规格的透镜，各通道准直器与公共端口准直器的耦合距离就不一致，产生不同的耦合效率。这样各通道准直器得到的IL不一致，而且离最佳耦合的某个通道准直器间隔越远的准直器的IL越大。 

这是采用预先固定工作距离和束腰大小的准直器的多通道光波分复用器固有缺点。 

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种低损耗多通道光波分复用器，该波分复用器的各种损耗都比较小。 

本实用新型所采用的技术方案是：一种低损耗多通道光波分复用器，包括公共通道准直器、第一通道膜片、第一通道准直器、第二通道膜片和第二通道准直器，各通道膜片和通道准直器均固定在基板上。由公共通道准直器发射多通道光信号，第一通道光信号透过第一通道膜片进入第一通道准直器，其余通道光信号被第一通道膜片反射至第二通道膜片，第二通道光信号透过第二通道膜片进入第二通道准直器，其余通道光信号通过第二通道膜片反射至下一通道，依次类推，完成多通道光波分复用功能。各准直器均包括透镜、第一套筒、光纤头和第二套筒，透镜通过胶固定在第一套筒内，光纤头通过胶固定在第二套筒内，第一套筒通过胶和第二套筒固定在一起。 

本实用新型的优点：在实际制作过程中，通过调节各通道准直器的光纤头与透镜的间隙，动态调节各通道准直器的工作距离和束腰大小，尽可能消除各通道准直器与公共通道准直器耦合的角度失配损耗、横向失配损耗、束腰失配损耗和轴向失配损耗，实现最低损耗时才用胶固定准直器，最终解决现有技术方案中使用预先固定工作距离和束腰大小的准直器，只能尽可能消除各通道准直器与公共通道准直器耦合的角度失配损耗和横向失配损耗，而不能解决束腰失配损耗和轴向失配损耗的缺点。 

附图说明

图1为现有技术的多通道光波分复用器。 

图2为现有技术的多通道光波分复用器的光纤准直器。 

图3为新技术方案的多通道光波分复用器的光纤准直器。 

图4为新技术方案的多通道光波分复用器。 

图5为两光纤通过透镜耦合的光路原理图。 

图6为两光纤通过透镜准直的高斯光束的耦合失配情况。 

图7为光纤经过透镜准直出射光的束腰直径与空气间隙长度的关系。 

图8为光纤经过透镜准直出射光的工作距离与空气间隙长度的关系。 

具体实施方式

本实用新型引进动态调节各通道准直器的光纤头与透镜的间隙的方法。在实际制作过程中，通过调节通道准直器的光纤头与透镜的间隙，动态调节通道准直器的工作距离和束腰大小，尽可能消除各通道准直器与公共通道准直器耦合的角度失配损耗、横向失配损耗、束腰失配损耗和轴向失配损耗，实现最低损耗时才用胶固定准直器，最终解决现有技术方案中使用预先固定工作距离和束腰大小的准直器，只能尽可能消除各通道准直器与公共通道准直器耦合的角度失配损耗和横向失配损耗，而不能解决束腰失配损耗和轴向失配损耗的缺点。 

理论分析如下： 

光纤准直器的基本工作原理是：将光纤端面置于准直透镜的焦点处，使出射光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤端面与准直透镜的间隙，得到所需要的工作距离。 

通过采用MathCAD(一种工程计算软件)仿真模拟某个选定光纤参数和准直透镜参数的准直器：通过调节光纤端面与准直透镜的间隙得到“光纤经过透镜准直出射光的束腰直径与空气间隙长度的关系”，参见说明书附图的图7；通过调节光纤端面与准直透镜的间隙得到“光纤经过透镜准直出射光的工作距离与空气间隙长度的关系”，参见说明书附图的图8。从两个MathCAD软件模拟准直器的关系图可以得知，通过调节光纤端面与准直透镜的间隙可以得到较大动态范围的准直器的束腰大小和工作距离。 

这样就使得本实用新型通过动态调节各通道准直器的光纤头与透镜的间隙的方法，加上通过细调五维调整架的俯仰、升降、旋转、X轴平移和Y轴平移等调节螺杆，就可以尽可能地消除通道准直器与公共通道准直器耦合的角度失配损耗、横向失配损耗、束腰失配损耗和轴向失配损耗。从而使各通道准直器得到最小的耦合损耗，并且各通道的耦合损耗一致性也得到进一步优化。 

下面结合附图进一步阐述本实用新型。 

如图4所示，一种低损耗多通道光波分复用器包括公共通道准直器401、第一通道膜片402、第一通道准直器403、第二通道膜片405和第二通道准直器404，各通道膜片和通道准直器均固定在基板400上；由公共通道准直器401发射多通道光信号，第一通道光信号透过第一通道膜片402进入第一通道准直器403，其余通道光信号被第一通道膜片402反射至第二通道膜片405，第二通道光信号透过第二通道膜片405进入第二通道准直器404，其余通道光信号通过第二通道膜片405反射至下一通道，依次类推，完成多通道光波分复用功能。此结构光路逆向工作时，各个通道端口的光波合并至公共通道端口，实现解复用功能。在实际制作过程中，通过调节各通道准直器的光纤头与透镜的间隙，动态调节通道准直器的工作距离和束腰大小，实现各通道准直器与公共通道准直器耦合的最低损耗。 

如图3所示，各准直器均包括透镜300、第一套筒301、光纤头302和第二套筒306，预先用胶304把透镜300固定在第一套筒301内，并用胶305把光纤头302固定在第二套筒306内，用胶307把第一套筒301和第二套筒306固定在一起。动态调节光纤头302与透镜300的间隙，实现动态调节通道准直器的工作距离和束腰大小；旋转光纤头302的角度以消除准直器之间耦合的角度耦合损耗；错位移动光纤头302与透镜300的相对位置消除光纤头302和透镜300之间斜面所产生的准直器点精度问题，最终实现高耦合效率。 

所述透镜300可以是光学透镜Grin-Lens(自聚焦透镜)、D-Lens(双曲面透镜)、C-Lens(C透镜)或非球面透镜中的任何一种。所述胶可以是热固化胶、紫外固化胶或双固化胶中的任何一种。所述基板400的材料可采用石英玻璃、硼硅玻璃、陶瓷、Kovar(可伐合金)或Invar(因瓦合金)等热膨胀系数与准直器和膜片的基质的热膨胀系数接近的材料中的任何一种。各套筒的材料均采用石英玻璃、硼硅玻璃、陶瓷、Kovar(可伐合金)或Invar(因瓦合金)中等热膨胀系数与透镜和光纤头的基质的热膨胀系数接近的材料中的任何一种。 

本实用新型的动态调节准直器的准直透镜可以采用Grin-Lens(自聚焦透镜)、D-Lens和C-Lens，下面以C-Lens为具体实施例子： 

根据低损耗多通道光波分复用器设计所定的公共通道准直器401与最后一个通道准直器之间的耦合光路的有效空间距离得到公共端口准直器401的最大工作距离，根据C-Lens准直器的最大工作距离Z_max的近似公式： 

$Z_{\max }=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\π}{(n-1)}^2{\mathrm{\ω}}_{00}^2}{R}^2$

结合光纤端面的ω₀₀参数、最优化通道波长λ₀以及该波长对应的C-Lens的折射率n就可以推算出C-Lens的球面曲率半径。 

具体结构的实施方案如下： 

图4为新技术方案的多通道光波分复用器，图3为新技术方案的多通道光波分复用器的准直器。 

本技术方案首先按照设计的最大工作距离要求制作公共端口准直器401：首先固定好设定 最大工作距离的标准准直器；用胶304固定透镜300在套筒301内，将组件固定在调整架上；再将套筒306固定在另一个调整架上，并对上套筒301；将已经用胶303固定光纤的光纤头推进套筒306内，动态调节光纤头302与透镜300之间的空气间隙，在接收到标准准直器发射出来的光后，细调调整架的俯仰、升降、旋转、X轴平移和Y轴平移等调节螺杆，尽可能地消除公共通道准直器与标准准直器耦合的角度失配损耗、横向失配损耗、束腰失配损耗和轴向失配损耗；细微旋转光纤头302尽可能减少旋转角度失配；并细微地错位移动光纤头302与套筒306的组件，使公共通道准直器401的点精度为零；再细调各调整架，得到最大耦合效率时，用胶305固定光纤头302，同时用胶307固定套筒306；最终制作成点精度为零的公共通道准直器401。 

根据光路结构设计所确定的各准直器和膜片的位置，在基板400上预先标记各准直器和膜片的定位标记。 

固定第一通道膜片402：将公共通道准直器401固定在调整架上，细调调整架预定位公共通道准直器401在公共通道准直器401的定位标记上，预定位第一通道膜片402在第一通道膜片402的定位标记上，用感光卡确定光束中心在第一通道膜片402的正中间区域，用感光卡确定从第一通道膜片402反射的光达到第二通道准直器404的定位标记，且通过第二通道膜片405的正中间区域；固定第一通道膜片402在基板400上。 

确保反射光路不变，再固定公共端口准直器401在基板400上。 

制作并固定第一通道准直器403：用胶304固定透镜300在套筒301内，将组件固定在调整架上；再将套筒306固定在另一个调整架上，并对上套筒301；将已经用胶303固定光纤的光纤头推进套筒306内，动态调节光纤头302与透镜300之间的空气间隙，在接收到标准准直器发射出来的光后，细调调整架的俯仰、升降、旋转、X轴平移和Y轴平移等调节螺杆，尽可能地消除第一通道准直器与公共通道准直器耦合的角度失配损耗、横向失配损耗、束腰失配损耗和轴向失配损耗；细微旋转光纤头302尽可能减少旋转角度失配；并细微地错位移动光纤头302与套筒306的组件，再细调各调整架，得到最大耦合效率时，用胶305固定光纤头302，同时用胶307固定套筒306；最后固定第一通道准直器303在基板400上。 

固定第二通道膜片405：预定位第二通道膜片405在第二通道膜片405的定位标记上，通过感光卡确定第一通道膜片402的反射光透过第二通道膜片405的正中央；预定位第三通道膜片在第三通道膜片的定位标记上，并且第二通道膜片405的反射光透过第三通道膜片的正中央；固定第二通道膜片405在基板400上。 

制作并固定第二通道准直器404：用胶304固定透镜300在套筒301内，将组件固定在调整架上；再将套筒306固定在另一个调整架上，并对上套筒301；将已经用胶303固定光纤的光纤头推进套筒306内，动态调节光纤头302与透镜300之间的空气间隙，在接收到标准准直器发射出来的光后，细调调整架的俯仰、升降、旋转、X轴平移和Y轴平移等调节螺杆，尽可能地消除第一通道准直器403与公共通道准直器401耦合的角度失配损耗、横向失配损耗、束腰失配损耗和轴向失配损耗；细微旋转光纤头302尽可能减少旋转角度失配；并细微地错位移动光纤头302与套筒306的组件，再细调各调整架，得到最大耦合效率时，用胶305固定光纤头302，同时用胶307固定套筒306；最后固定第二通道准直器404在基板400上。 

按照上述方法，依次固定所有的通道准直器和膜片，完成新技术方案的多通道光波分复用器。 

还可以在上述过程中，采用在固定第一通道膜片402和公共通道准直器401后，按照上述方法，连续固定第二通道膜片405和其余通道膜片，再固定各通道准直器，完成新技术方案的多通道光波分复用器。 

还可以按照设计的光路，确定上述各通道准直器与公共通道准直器401耦合所对应的工作距离，仿真制作各通道准直器，再进行固定各元件，完成新技术方案的多通道光波分复用器；此方法不能解决由于实际制作过程中各元件公差和多层介质膜对高斯光束传输参数的影响，最大耦合效率会稍微降低，但可以提高生产效率。 

Claims (5)

1.一种低损耗多通道光波分复用器，其包括公共通道准直器(401)、第一通道膜片(402)、第一通道准直器(403)、第二通道膜片(405)和第二通道准直器(404)，各通道膜片和通道准直器均固定在基板(400)上；由公共通道准直器(401)发射多通道光信号，第一通道光信号透过第一通道膜片(402)进入第一通道准直器(403)，其余通道光信号被第一通道膜片(402)反射至第二通道膜片(405)，第二通道光信号透过第二通道膜片(405)进入第二通道准直器(404)，其余通道光信号通过第二通道膜片(405)反射至下一通道；其特征在于：各准直器均包括透镜(300)、第一套筒(301)、光纤头(302)和第二套筒(306)，透镜(300)通过胶(304)固定在第一套筒(301)内，光纤头(302)通过胶(305)固定在第二套筒(306)内，第一套筒(301)通过胶(307)和第二套筒(306)固定在一起。

2.如权利要求1所述的一种低损耗多通道光波分复用器，其特征在于：所述透镜(300)是自聚焦透镜、双曲面透镜、C透镜或非球面透镜中的任何一种。

3.如权利要求1所述的一种低损耗多通道光波分复用器，其特征在于：所述胶是热固化胶、紫外固化胶或双固化胶中的任何一种。

4.如权利要求1～3中任一项所述的低损耗多通道光波分复用器，其特征在于：所述基板(400)的材料采用石英玻璃、硼硅玻璃、陶瓷、可伐合金或因瓦合金中的任何一种。

5.如权利要求1～3中任一项所述的低损耗多通道光波分复用器，其特征在于：各套筒的材料均采用石英玻璃、硼硅玻璃、陶瓷、可伐合金或因瓦合金中的任何一种。 

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