CN204989539U - 阵列准直器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种阵列准直器，包括：支架，通过互相垂直的第一平面和第二平面粘接于光纤阵列与透镜阵列之间，用于固定所述光纤阵列与所述透镜阵列之间的距离；光纤阵列，与所述支架的第一面粘接，包括多根光纤，用于接收光源输入的光信号，将所述光信号耦合至光纤内，并呈阵列式传输入射光束；透镜阵列，与所述支架的第二面粘接，包括多个透镜，用于接收所述光纤阵列传输的所述入射光束，将所述入射光束进行准直扩束为高斯光束；其中，所述透镜阵列中的每个透镜一一对应的设置在所述光纤阵列中的每根光纤头的光路位置上。

Description

阵列准直器

技术领域

本实用新型涉及光通讯器件领域，尤其涉及阵列准直器。

背景技术

随着近年来通信业务的迅速发展，光通讯数据业务的快速增长对通信网的带宽和容量提出了更高的要求。智能全光网络由于具有传输容量大、传输距离长等卓越的优点，显示出了强大的生命力和很好的发展前景。光纤阵列准直器是智能全光网络的重要元件，被广泛应用到光交叉连接、波长选择开关和阵列光开关等智能全光网络设备系统中。阵列准直器的各出射光束之间需相互平行，同时各光束之间也需要有精确的间距。因此，阵列准直器对元件的精度和加工装配工艺要求比较高。

现有技术中，阵列准直器一般是由单个准直器组装起来的，而单个准直器又是由单根光纤和单个透镜组成。由于单个准直器外径较大，所以准直器出射光束之间的间距受限不能太小，导致阵列准直器的体积增大。同时由于单个准直器之间单独固定，在制作过程或后期的应力释放过程中均很难避免部分准直器位置的移动，导致阵列准直器部分光束产生偏移，导致插损指标一致性差，难封装，以及浪费人力物力。

实用新型内容

本实用新型的目的是，提供一种阵列准直器，以解决现有技术中插损指标一致性差，难封装，以及浪费人力物力的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种阵列准直器，包括：

支架，通过互相垂直的第一平面和第二平面粘接于光纤阵列与透镜阵列之间，用于固定所述光纤阵列与所述透镜阵列之间的距离；光纤阵列，与所述支架的第一面粘接，包括多根光纤，用于接收光源输入的光信号，将所述光信号耦合至光纤内，并呈阵列式传输入射光束；透镜阵列，与所述支架的第二面粘接，包括多个透镜，用于接收所述光纤阵列传输的所述入射光束，将所述入射光束进行准直扩束为高斯光束；其中，所述透镜阵列中的每个透镜一一对应的设置在所述光纤阵列中的每根光纤头的光路位置上。

可选地，所述高斯光束的焦距大于所述入射光束的焦距。

可选地，所述光纤阵列的中心处设置有陶瓷电阻，所述陶瓷电阻的一端与加电设备正极连接，其另一端与所述加电设备负极连接。

可选地，所述光纤阵列的多根光纤之间间隔一定距离并呈一维、二维或三维阵列分布；所述透镜阵列的所述多个透镜之间间隔一定距离并呈一维、二维或三维阵列分布。

可选地，所述光纤阵列中每根光纤的端面垂直于该光纤光轴所在的平面；所述透镜阵列中每个透镜的端面垂直于该透镜光轴所在的平面。

可选地，所述光纤阵列设置在一衬底上，所述衬底为具有多条V形槽的硅片，所述多根光纤相应的设置在所述多条V形槽内。

可选地，当所述阵列准直器为一维阵列时，所述阵列准直器为1×1或1×10路准直器。

可选地，当所述阵列准直器为1×10路准直器时，所述阵列准直器的体积小于0.3立方厘米，工作距离大于6厘米。

可选地，所述光纤阵列的端面相对于水平面呈斜8度角。

可选地，所述支架为L型支架，所述L型支架的短边粘接于所述透镜阵列，所述L型支架的长边粘接于所述光纤阵列。

根据本申请提供的具体实施例，本申请公开了以下技术效果：

通过支架固定光纤阵列与透镜阵列之间的距离；光纤阵列接收光源输入的光信号，将光信号耦合至光纤内，并呈阵列式传输入射光束；透镜阵列接收光纤阵列传输的入射光束，将入射光束进行准直扩束为高斯光束；所述透镜阵列将所述入射光束进行准直扩束为高斯光束。通过本申请实施例可有效地提高准直器耦合的插损一致性，省时，易封装，一致性好，体积小、低成本、高集成、易扩展成多维阵列准直器。高斯光束达到近乎平行光束,避免光传播过程中的发散导致光能量的损失。

当然，实施本申请的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本实用新型实施例提供的阵列准直器示意图；

图2为本实用新型实施例提供的阵列准直器示意图；

图3为本实用新型实施例提供的光纤阵列与微透镜阵列之间调试示意图；

图4为本实用新型实施例提供的透镜阵列中的单个透镜示意图；

图5为本实用新型实施例提供的单路的光纤与对应的透镜耦合的光路示意图。

具体实施方式

为使得本申请的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

本实用新型提供的一种阵列准直器，是基于光纤阵列和C-Lens微透镜阵列耦合成的阵列准直器，是光交叉连接、波长选择开关和阵列光开关等智能全光网络设备中不可或缺的器件，通过阵列准直器使光信号最大效率的耦合进入智能全光网络设备中。

通过本申请提出的阵列准直器，具有体积小、低成本、高集成、易扩展成多维阵列准直器的优良特性，有效地降低了光纤阵列与透镜阵列之间的角度偏角、模场光斑失配、横向偏离和轴向偏离引起的耦合的插损一致性，同时节省了大量的人力物力，提高了效率。

本实用新型提供了一种阵列准直器，该阵列准直器可以为一维、二维或三维，本实施例以一维为例进行说明。参见图1和图2所示的阵列准直器示意图，所述阵列准直器包括：光纤阵列101、透镜阵列102和支架103；支架103，通过互相垂直的第一平面和第二平面粘接于光纤阵列与透镜阵列之间，用于固定所述光纤阵列与所述透镜阵列之间的距离；光纤阵列101，与支架的第一面粘接，包括多根光纤，用于接收光源输入的光信号，将光信号耦合至光纤内，并呈阵列式传输入射光束；透镜阵列102，与支架103的第二面粘接，包括多个透镜，用于接收光纤阵列传输的入射光束，将入射光束进行准直扩束为高斯光束；其中，所述透镜阵列中的每个透镜逐一对应于所述光纤阵列中的每根光纤头的光路位置上。

具体地，参见图3所示的光纤阵列与微透镜阵列之间调试示意图，分别将夹持光纤阵列101和微透镜阵列102的夹具，固定在两个4维的微调架上，两个4维的微调架平行的固定在防震光学平台上，通过4维的微调架，将光纤阵列和微透镜阵列平行的固定在光学平台上，进行它们的对准调试，通过光斑仪104调试光纤阵列101和微透镜阵列102之间的间距。图像传感器(Charge-coupledDevice，CCD)，CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。分别通过显微镜和图像传感器CCD，调动五维微调架使得光纤阵列和透镜阵列在Y轴方向和X轴方向平行，并调节至光纤阵列和透镜阵列在同一平面上(y-z平面)，使得光纤阵列的出射光与微透镜的斑点对齐，CCD主要监控它们在Y轴上对齐，显微镜主要监控它们在Z轴上对齐。通过光卡使得光纤阵列的出射光与微透镜的斑点在X轴上吻合，具体利用对调法或反射镜调法，以反射镜调法为例，将反射镜放置在工作距离的位置处，对着反射镜，将光纤阵列出射的高斯光束，与微透镜阵列耦合，监控计数器测量耦合插损的指标，直到耦合插损最小。

由于不方便控制光纤阵列端口与透镜阵列之间的距离，采用光斑探测仪在束腰处即前述的反射镜处探测光斑直径，调节y方向上光纤阵列端口与透镜阵列之间的距离，使得单路准直器的光斑在探测仪上的数据为所需光斑直径大小，利用光卡将从透镜阵列发射出的高斯光束，打在光斑仪的靶板上，此时会看到连接光斑仪的显示器上，有个圆形光斑，如果不是圆形光斑，说明此前的对准调试没调试成功，需要重新调试。在连接光斑仪的显示器上，还呈现此时光斑的大小和位置，调试光斑仪，将光斑调到坐标的中心，调节光纤阵列的微调架的X轴的维度，或者微透镜阵列的微调架的X轴的维度，使得显示器上的光斑大小为工作所需。通过调节光斑大小值，来控制光纤阵列与透镜阵列的距离，通过反射镜放置在束腰处，微调微调架，使得插损及插损一致性达到最佳。

可选地，所述光纤阵列的端面相对于水平面呈斜8度角。

可选地，所述支架为L型支架，所述L型支架的短边粘接于所述透镜阵列，所述L型支架的长边粘接于所述光纤阵列。

所述光纤阵列的端面与水平面呈斜8度角，以便增加准直器的回波损耗；所述透镜阵列的材料为硅、二氧化硅或者玻璃；所述支架为L形支架，材料为朔料。

本申请实施例以同一平面内的一层一维阵列即1×10阵列准直器为例，光纤阵列的端面相对于水平面呈斜8度角，通过斜8度角增加准直器的回波损耗，使得准直器的各路回损都在60dB以上，提高光传播过程中光能量的利用率，通过互相垂直的第一平面和第二平面粘接于光纤阵列与透镜阵列之间，固定光纤阵列与透镜阵列之间的距离。

可选地，所述光纤阵列的多根光纤之间间隔一定距离并呈一维、二维或三维阵列分布；所述透镜阵列的所述多个透镜之间间隔一定距离并呈一维、二维或三维阵列分布。其中，所述间隔可以为等间隔或者非等间隔。

光纤是石英玻璃拉制成形的,原材料来源丰富，节约了大量有色金属。该步骤增大了传输频带的带宽和通信容量；由于光纤衰减小，无中继设备，所以信号传输的距离远，传输质量高，串扰小；还可以抗电磁干扰；尺寸小，耐化学腐蚀，重量轻。

可选地，所述光纤阵列设置在一衬底上，所述衬底为具有多条V形槽的硅片，所述多根光纤相应的设置在所述多条V形槽内。

该步骤中的硅片105，参见图3所示，通过光刻有多条V形槽的硅片105使得多维的光纤阵列一体成型，比起单个准直器独立调试，再一一上胶封装在玻璃板上，可以避免光纤阵列和透镜阵列加工中的不一致性，降低了成本。

可选地，所述光纤阵列中的每根光纤的端面垂直于该光纤的光轴所在的平面；所述透镜阵列中的每个透镜的端面垂直于该透镜的光轴所在的平面。

所述透镜阵列中的每个透镜逐一对应于所述光纤阵列中的每根光纤头的光路位置上，透镜阵列接收光纤阵列传输的入射光束，将入射光束进行准直扩束为高斯光束。

具体地，通过透镜阵列后的高斯光束的特征参数束腰位置Z和束腰W₀的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{W}_0=W\left(Z\right){\[1+{\left(\frac{{\mathrm{\πW}}^2\left(Z\right)}{\mathrm{\λ}R\left(Z\right)}\right)}^2\]}^{-1/2}\\ Z=R\left(Z\right){\[1+{\left(\frac{\mathrm{\λ}R\left(Z\right)}{{\mathrm{\πW}}^2\left(Z\right)}\right)}^2\]}^{-1}\end{array}\right.---(1-1)$

在表达式(1-1)中，W(z)是高斯光束Z位置的光斑半径，R(z)表示传播到z处的光束等相位面的曲率半径R(z)，W₀是高斯光束的束腰半径，λ为高斯光束的中心波长。

引入的q(z)参数，使参数R(z)和W(z)在一个表达式中，且都用q表示，表达式定义为

$\frac{1}{q\left(Z\right)}=\frac{1}{R\left(Z\right)}-i\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\πW}}^2\left(Z\right)}---(1-2)$

参见图4所示的透镜阵列中的单个透镜示意图，以及参见图5所示的单路的光纤106与对应的单路透镜107耦合的光路示意图，当入射光束从空气中穿过厚透镜时，可以看作是先从折射率为n₁的空气介质穿过折射率为n₂平行平板，在折射率为n₂的介质中传播L_c的距离，然后再透过介质的折射率为n₂，且曲率半径为R_c的球面，最后回到空气中。即n₁为空气折射率，n₂为透镜的折射率，L_c为透镜的厚度，R_c为透镜球面的曲率半径。

通过透镜阵列后高斯光束变换得到的矩阵T等于上述三个变换矩阵的反序的乘积：

$T=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{n_1-nc}{n_{1}Rc}& \frac{n_c}{n_1}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& L_c\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \frac{n_1}{n_c}\end{array}\right)$

由于空气的折射率n₁＝1，则：

$T=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{1-n_c}{R_c}& n_c\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& L_c\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \frac{1}{n_c}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& \frac{L_c}{n_c}\\ \frac{1-n_c}{R_c}& 1+(1-n_c)\frac{L_c}{n_c{R}_c}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)---(1-3)$

本申请实施例采用的是二氧化硅玻璃做的1×10的透镜阵列，C-lens参数为：折射率n_c＝1.46，透镜的厚度Lc＝1.043mm，球面曲率半径Rc＝1.24mm，直径Φ＝0.82mm，入射光束在空气中的波长λ₀＝1.55×10-3mm，空气折射率n₀＝1，光纤出来的入射光束的高斯光束束腰半径w₀₁＝5×10^-3mm，基模高斯光束共焦的参数z₀＝πω0²/λ＝0.05，纤芯半径r＝4.15×10^-3mm。

本申请实施例将b作为光纤阵列与透镜阵列之间的距离，高斯光束束腰半径W(z)与b的关系式：

$W\left(Z\right)=W_0\sqrt{\frac{AD-BC}{{(Cb+D)}^2+{\left(CZ\right)}^2}}---(1-4)$

将表达式(1-3)的透镜的传输矩阵T代入(1-4)式可得W(z)与b的关系，当b＝2mm时，则准直器的高斯光束的束腰半径具有最大值0.238mm。

当d＝65mm时，W(d＝65)为在工作距离为65mm时的光斑半径，W(z)有极小值W(d＝65)＝0.233mm，在当光斑最小的位置处即是能量最集中的位置处，所以W(d＝65)＝0.233mm是腰斑半径的大小，此时的

可选地，当所述阵列准直器为一维阵列时，所述阵列准直器为1×1或1×10路准直器。

可选地，当所述阵列准直器为1×10路准直器时，所述阵列准直器的体积小于0.3立方厘米，工作距离大于6厘米。

在一个优选实施例中，当所述阵列准直器为1×10路准直器时，所述阵列准直器的体积为12mm×12mm×1.8mm，工作距离为65mm。

当所述阵列准直器为一层十维时，所述阵列准直器为1×10路准直器。在另一个优选实施例中，所述一层十维阵列准直器的体积为12mm×12mm×1.8mm，束腰光斑直径为466μm，工作距离为65mm。

可选地，所述高斯光束的焦距大于所述入射光束的焦距。

如上述，高斯光束的焦距为65mm，入射光束的焦距小于2mm，所以高斯光束的焦距远远大于所述入射光束的焦距。

具体地，所述粘接是通过AC-38胶粘接。

在进行器件粘接过程中时，通过微调架最小的位移确保器件对准；进行器件粘接时的温度尽量的低，温度控制在冷却后，不会由于热的膨胀影响器件内部发生位移；器件粘接的接合点有足够的可靠性，以免在不同的环境和生命周期过程中发生位移，如振动，碰撞或潮湿等。

将透镜阵列和光纤阵列固定在L支架上，使用的胶是AC-38胶。AC-38胶相对其他胶，具有强度高、耐热性好的优点，但用AC-38胶密封后，不易拆卸，可以通过500小时的高低温和振动冲击循环。

可选地，所述方法还包括：所述光纤阵列的中心处设置有陶瓷电阻，所述陶瓷电阻的一端与加电设备正极连接，所述陶瓷电阻的另一端与所述加电设备负极连接；通过所述加电设备对所述陶瓷电阻调节电压信号，来改变所述光纤阵列与所述透镜阵列之间耦合的插损一致性。

通过本实用新型实施例，通过支架固定光纤阵列与透镜阵列之间的距离；光纤阵列接收光源输入的光信号，将光信号耦合至光纤内，并呈阵列式传输入射光束；透镜阵列接收光纤阵列传输的入射光束，将入射光束进行准直扩束为高斯光束；所述透镜阵列中的每个透镜一一对应于所述光纤阵列中的每根光纤头的光路位置上。可有效地提高准直器耦合的插损一致性，省时，易封装，一致性好，体积小、低成本、高集成、易扩展成多维阵列准直器。高斯光束达到近乎平行光束,避免光传播过程中的发散导致光能量的损失。

本领域普通技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执轨道，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种阵列准直器，包括：

支架，通过互相垂直的第一平面和第二平面粘接于光纤阵列与透镜阵列之间，用于固定所述光纤阵列与所述透镜阵列之间的距离；

光纤阵列，与所述支架的第一面粘接，包括多根光纤，用于接收光源输入的光信号，将所述光信号耦合至光纤内，并呈阵列式传输入射光束；

透镜阵列，与所述支架的第二面粘接，包括多个透镜，用于接收所述光纤阵列传输的所述入射光束，将所述入射光束进行准直扩束为高斯光束；

其中，所述透镜阵列中的每个透镜一一对应的设置在所述光纤阵列中的每根光纤头的光路位置上。

2.根据权利要求1所述的阵列准直器，其特征在于，所述高斯光束的焦距大于所述入射光束的焦距。

3.根据权利要求1所述的阵列准直器，其特征在于，所述光纤阵列的中心处设置有陶瓷电阻，所述陶瓷电阻的一端与加电设备正极连接，其另一端与所述加电设备负极连接。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的阵列准直器，其特征在于，所述光纤阵列的多根光纤之间间隔一定距离并呈一维、二维或三维阵列分布；

所述透镜阵列的所述多个透镜之间间隔一定距离并呈一维、二维或三维阵列分布。

5.根据权利要求4所述的阵列准直器，其特征在于，所述光纤阵列中每根光纤的端面垂直于该光纤光轴所在的平面；

所述透镜阵列中每个透镜的端面垂直于该透镜光轴所在的平面。

6.根据权利要求4所述的阵列准直器，其特征在于，所述光纤阵列设置在一衬底上，所述衬底为具有多条V形槽的硅片，所述多根光纤相应的设置在所述多条V形槽内。

7.根据权利要求4所述的阵列准直器，其特征在于，当所述阵列准直器为一维阵列时，所述阵列准直器为1×1或1×10路准直器。

8.根据权利要求7所述的阵列准直器，其特征在于，

当所述阵列准直器为1×10路准直器时，所述阵列准直器的体积小于0.3立方厘米，工作距离大于6厘米。

9.根据权利要求4所述的阵列准直器，其特征在于，所述光纤阵列的端面相对于水平面呈斜8度角。

10.根据权利要求4所述的阵列准直器，其特征在于，

所述支架为L型支架，所述L型支架的短边粘接于所述透镜阵列，所述L型支架的长边粘接于所述光纤阵列。