CN201828683U - 一种低损耗光波分复用器 - Google Patents

Abstract

本实用新型描述了一种低损耗光波分复用器，多层介质膜滤波片与自聚焦透镜的平面端相固接，自聚焦透镜的斜面端与双光纤头的斜面端相固接件；双光纤头固定在第一套管内，透镜固定在第二套管内，第二套管固定在第三套管内，第二套管与第三套管的外端面平齐；第四套管与第二套管的平面相接触；第四套管内设有单光纤头；第一套管的外侧与第三套管的内侧相固接，第一套管的外侧与第三套管的端口相密封；光纤头与第四套管相固接，第四套管与第三套管相固接。本实用新型的插入损耗比较小。

Description

一种低损耗光波分复用器 

技术领域

本实用新型涉及光纤通信技术领域，是一种低损耗光波分复用器。 

背景技术

现有技术方案的光波分复用器的结构一般类似说明书附图的图1所示：由双光纤头101中的一根光纤发射多通道光信号，经过Grin-Lens(自聚焦透镜)104准直，入射多层介质膜滤波片105；经多层介质膜滤波片105的多光束干涉选择出透射的通道光信号入射透镜112，经透镜112会聚，耦合进单光纤头109；从多层介质膜滤波片105表面反射的其余光信号经自聚焦透镜104会聚，耦合进双光纤头101中的另外一根光纤；完成光波分复用功能。 

其中，胶114用于固定多层介质膜滤波片105在Grin-Lens(自聚焦透镜)104的平面端，胶115用于固定Grin-Lens(自聚焦透镜)104的斜面端与双光纤头103的斜面端；胶117用于把双光纤准直器组件固定在第一套管102内，再被用胶116固定在第二套筒113内，再用胶101密封；胶106固定Grin-Lens(自聚焦透镜)112在第三套管108内，胶107固定单光纤头109在第三套管108内，胶111把第三套管108固定在第二套筒113内，再用胶110密封。 

现有技术方案的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单光纤准直器，当双光纤准直器与单光纤准直器耦合时，除了工作距离和束腰大小的失配；特别是对于密集波分复用领域，还会有更严重的耦合失配：由于多层介质膜滤波片213的多光束干涉时所导致的光斑扩束和光斑中心位移的高斯光束参数变化所带来的耦合失配。 

理论分析如下： 

一、工作距离和束腰大小的失配： 

两光纤通过透镜耦合的光路图如说明书附图的图3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NA_b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ω₀₁，根据基模高斯光束空间变换，可以得到： 

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

其中光信号的中心波长为λ。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ω ₀₁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4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，x和y为坐标。 

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： 

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

式中：Δz为轴向偏离距离；λ为光波波长。 

4)偏角耦合损耗IL₄： 

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

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，由于光波分复用器的光路设计已经固定了双光纤准直器和单光纤准直器的位置，在这样限制条件下，单光纤准直器与双光纤准直器进行对调时，通过细调调整架的俯仰、升降、旋转、X轴平移和Y轴平移等调节螺杆，只能尽可能地消除单光纤准直器与双光纤准直器耦合时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。 

这是采用预先固定工作距离和束腰大小的准直器的光波分复用器固有缺点。 

二、多层介质膜滤波片的多光束干涉时所导致的光斑扩束和中心光路错位的高斯光束参数变化所带来的耦合失配： 

当一束光以一定角度入射到多层介质膜的表面时，光束在多层介质膜内各介质的交界面发生多次反射和折射，总反射光和透射光都是由多光束合成，在空气中就是多次反射光相干叠加的结果。光束的电矢量和磁矢量各分为两个分量，平行于入射面的分量为P波，垂直于入射面的分量为S波。 

以空气与多层介质膜的第一层介质薄膜的反射光为例： 

设定Φ₀为入射角，Φ₁和Φ₂为第一层薄膜和第二层薄膜的折射角，n₀为空气折射率，n₁为第一层薄膜的折射率，n₂为第二层薄膜的折射率。由菲涅尔反射公式，可以给出P波和S波的振幅反射系数(r_P，r_S)。对于空气与第一层介质薄膜的界面，P波和S波的反射系数分别为： 

$r_{1p}=\frac{n_1\cos {\mathrm{\φ}}_0-n_0\cos {\mathrm{\φ}}_1}{n_1\cos {\mathrm{\φ}}_0+n_0\cos {\mathrm{\φ}}_1}=\frac{\mathrm{tg}({\mathrm{\φ}}_0-{\mathrm{\φ}}_1)}{\mathrm{tg}({\mathrm{\φ}}_0+{\mathrm{\φ}}_1)}$

$r_{1n}=\frac{n_0\cos {\mathrm{\φ}}_0-n_1\cos {\mathrm{\φ}}_1}{n_0\cos {\mathrm{\φ}}_0+n_1\cos {\mathrm{\φ}}_1}=\frac{\sin ({\mathrm{\φ}}_0-{\mathrm{\φ}}_1)}{\sin ({\mathrm{\φ}}_0+{\mathrm{\φ}}_1)}$

根据折射定律，Φ₁和Φ₀应满足下面关系： 

n₀sinφ₀＝n₁sinφ₁

对于第一层介质薄膜与第二层介质薄膜的界面，同理有如上述确定的关系式。进而可以算出，任意两相邻反射光间的光程差L： 

L＝2n₁dcosφ₁

其中d为第一层介质薄膜的厚度。由此光程差引起的相邻两级反射光的位相差为2δ，则： 

$\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d{(n_1^2-n_0^2{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_0)}^{\frac{1}{2}}$

由于第一层介质薄膜上下表面对光多次反射和折射，我们在空气中看到的是多次反射光相干叠加的结果。引入P波、S波的总振幅反射系数： 

其中，(E_p)_反为p波反射振幅，(E_p)_入为其入射振幅；(E_s)_反为s波反射振幅，(E_s)_入为其入射振幅。根据多光束干涉理论，我们可以求得总振幅反射系数： 

$R_p=\frac{r_{1p}+r_{2p}{e}^{-2\mathrm{i\δ}}}{1+r_{1p}{r}_{2p}{e}^{-2\mathrm{i\δ}}}$ $R_s=\frac{r_{1s}+r_{2s}{e}^{-2\mathrm{i\δ}}}{1+r_{1s}{r}_{2s}{e}^{-2\mathrm{i\δ}}}$

由于P波的振幅反射系数r_P和S波的振幅反射系数r_S不等，总振幅反射系数也各不相同；多信道光信号多光束干涉后，各波长的P波和S波的振幅衰减比或相对振幅衰减也各不相同，最终多信道光信号的P波和S波的组合波形就不相同；外在表现就是多信道光信号的反射光斑变大并且光斑中心产生位移。 

同理分析可以得到多信道光信号的透射光斑变大并且光斑中心产生位移。 

多层介质膜滤波片105的介质膜层数越多，则上述现象越严重。由于多层介质膜滤波片105的多光束干涉所导致的光斑扩束和光斑中心位移，透射光的高斯光束参数发生变化，从而对预先固定工作距离和束腰大小的准直器带来的横向位移耦合损耗和束腰耦合损耗失配。粗波分复用领域的光波分复用器会有上述耦合失配问题，对于密集波分复用领域的光波分复用器，会有更严重的耦合失配问题。 

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种低损耗光波分复用器，该光波分复用器的插入损耗比较小。 

本实用新型所采用的技术方案是：低损耗光波分复用器中，多层介质膜滤波片213通过胶 214与自聚焦透镜204的平面端相固接，自聚焦透镜204的斜面端通过胶215与双光纤头201的斜面端相固接，构成双光纤准直器组件； 

双光纤头201通过胶217固定在第一套管202内，透镜205通过胶212固定在第二套管206内，第二套管206通过胶211固定在第三套管203内，第二套管206与第三套管203的外端面平齐；第四套管210与第二套管206的平面相接触；第四套管210内设有单光纤头209； 

双光纤准直器组件位于第三套管203内侧，第一套管202的外侧通过胶216与第三套管203的内侧相固接，第一套管202的外侧还通过胶218与第三套管203的端口相密封；光纤头209通过胶208与第四套管210相固接，第四套管210通过胶207与第三套管203相固接。 

本实用新型的优点：能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单光纤准直器只能尽可能消除单光纤准直器与双光纤准直器耦合的角度失配损耗和横向失配损耗，而不能解决其它耦合失配的缺点。 

附图说明

图1为现有技术的光波分复用器。 

图2为新技术方案的多通道光波分复用器。 

图3为两光纤通过透镜耦合的光路原理图。 

图4为两光纤通过透镜准直的高斯光束的耦合失配情况。 

图5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6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单光纤准直器的光纤头与透镜之间的间隙，并动态调整单光纤准直器的单光纤头与透镜的几何中心的错位，动态调节单光纤准直器的工作距离、束腰大小和束腰位置的方法。在实际制作过程中，通过调节单光纤准直器的光纤头与透镜的间隙，动态调节单光纤准直器与双光纤准直器之间的工作距离、束腰大小和束腰位置的失配，以及多层介质膜滤波片的多光束干涉所导致的光斑扩束的束腰大小失配；并通过动态调整单光纤准直器的光纤头与透镜的几何中心的错位，动态调节单光纤准直器与双光纤准直器的角度失配，以及多层介质膜滤波片的多光束干涉所导致的光斑中心位移的横向失配；尽可能消除单光纤准直器与双光纤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单光纤准直器，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单光纤准直器只能尽可能消除单光纤准直器与双光纤准直器耦合时的角度失配损耗和横向失配损耗，而不能解决其它耦合失配的缺点。 

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5；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6。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单光纤准直器的光纤头与透镜之间的间隙，并动态调整单光纤准直器的光纤头与透镜的几何中心的错位，加上通过细调调整架的俯仰、升降、旋转、X轴平移和Y轴平移等调节螺杆，就可以尽可能地消除单光纤准直器与双光纤准直器耦合时的角度失配损耗、横向失配损耗、束腰失配损耗和轴向失配损耗等失配。从而使单光纤准直器与双光纤准直器耦合得到最小的插入损耗。 

如图2所示，低损耗光波分复用器，在实际制作过程中，通过调节单光纤准直器的单光纤头209与透镜205之间的间隙，并动态调整单光纤准直器的单光纤头209与透镜205的几何中心的错位，动态调节单光纤准直器的工作距离、束腰大小和束腰位置，尽可能消除双光纤准直器与单光纤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，以及消除多层介质膜滤波片213的多光束干涉所导致的光斑扩束和光斑中心位移的高斯光束参数变化所带来的耦合失配；在实现最低损耗时，才用胶208固定单光纤头209在第四套管210内，并同时用胶207固定第四套管210在第三套管203上，构成单光纤准直器；实现单光纤准直器与双光纤准直器之间的最低耦合损耗。 

由双光纤头201中的一根光纤发射多通道光信号，经过自聚焦透镜204入射多层介质膜滤波片213；经多层介质膜滤波片213的多光束干涉选择所透射的通道光信号入射透镜205，经透镜205会聚，耦合进单光纤头209；从多层介质膜滤波片213表面反射的其余光信号经自聚焦透镜204会聚，耦合进双光纤头201中的另外一根光纤，完成光波分复用功能。 

所述的透镜205可以是Grin-Lens(自聚焦透镜)、D-Lens(双曲面透镜)、C-Lens(C透镜)或非球面透镜等光学透镜。所述的胶可以是热固化胶、紫外固化胶和双固化胶等固化胶。所述的套管可以是石英玻璃、硼硅玻璃、陶瓷、Kovar(可伐合金)和Invar(因瓦合金)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。 

本实用新型的动态调节准直器的准直透镜可以采用Grin-Lens、D-Lens、C-Lens或非球面透镜等光学透镜，下面以C-Lens为具体实施例子： 

根据低损耗光波分复用器设计所定的双光纤准直器的自聚焦透镜参数，计算出双光纤准直器入射多层介质膜滤波片时的束腰大小，加上考虑多层介质膜滤波片的多光束干涉所导致的光斑扩束因素得到单光纤准直器与双光纤准直器耦合的虚拟束腰大小ω₀₁，结合光纤的ω₀₀和通道波长λ，根据下列公式： 

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

可以计算出C-Lens的焦距f，再根据C-Lens的焦距f公式： 

$f=\frac{R}{(n-1)}$

其中R为C-Lens球面的曲率半径，结合通道光信号的中心波长λ对应的C-Lens材料的折射率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2为新技术方案的光波分复用器。 

首先用胶214把多层介质膜滤波片213固定在自聚焦透镜(Grin-Lens)204上，再与双光纤头201对调：先确定透射的通道光信号的中心波长为所需要的通道信号，并实现双光纤头201的两光纤之间的最小损耗耦合，用胶215固定，构成双光纤准直器。 

用胶217把双光纤准直器固定在第一套管202内；再用胶212把透镜205固定在第二套管206内，然后再用胶211把组件固定在第三套管203内，确保第二套管206与第三套管203的外端面平齐；把第三套管203组件固定在夹具上，再用调节架固定第四套管210并推进至与第二套管206平面接触；再用调节架把单光纤头209推进第四套管210，同时通过调节架把双光纤准直器组件推进第三套管203。 

对调双光纤准直器与单光纤头：通过动态调节单光纤准直器的单光纤头209与透镜205之间的间隙，并动态调整单光纤准直器的单光纤头209与透镜205的几何中心的错位，加上通过细调固定双光纤准直器的调节架的俯仰、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单光纤准直器与双光纤准直器耦合时的角度失配损耗、横向失配损耗、束腰失配损耗和轴向失配损耗等失配；在单光纤准直器与双光纤准直器耦合得到最小的插入损耗时，用胶216固定双光纤准直器组件，并用胶218密封；同时用胶208固定光纤头209，并用胶207固定第四套管210在第三套管203上；最终实现低损耗光波分复用器。 

Claims (4)

1.一种低损耗光波分复用器，其特征在于：多层介质膜滤波片(213)通过胶(214)与自聚焦透镜(204)的平面端相固接，自聚焦透镜(204)的斜面端通过胶(215)与双光纤头(201)的斜面端相固接，构成双光纤准直器组件；

双光纤头(201)通过胶(217)固定在第一套管(202)内，透镜(205)通过胶(212)固定在第二套管(206)内，第二套管(206)通过胶(211)固定在第三套管(203)内，第二套管(206)与第三套管(203)的外端面平齐；第四套管(210)与第二套管(206)的平面相接触；第四套管(210)内设有单光纤头(209)；

双光纤准直器组件位于第三套管(203)内侧，第一套管(202)的外侧通过胶(216)与第三套管(203)的内侧相固接，第一套管(202)的外侧还通过胶(218)与第三套管(203)的端口相密封；光纤头(209)通过胶(208)与第四套管(210)相固接，第四套管(210)通过胶(207)与第三套管(203)相固接。

2.如权利要求1所述的一种低损耗光波分复用器，其特征在于：所述透镜(205)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所述的一种低损耗光波分复用器，其特征在于：所述各套管均采用石英玻璃、硼硅玻璃、陶瓷、可伐合金或因瓦合金材料中的任何一种。 

Images