CN220043424U - 一种利用波分复用器的收发共轴紧凑激光收发装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用波分复用器的收发共轴紧凑激光收发装置，包括光学透镜、信号激光器、耦合组件、多模收发光纤、回光消散器和波分复用器；波分复用器包括三个端口，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。本实用新型解决了现有技术中光纤环形器的发射端口与接收端口之间的隔离度偏低的问题。本实用新型能够实现高隔离度的激光共轴收发，提高无线光通信系统的通信距离。

Description

一种利用波分复用器的收发共轴紧凑激光收发装置

技术领域

本实用新型涉及激光收发装置技术领域，特别涉及一种利用波分复用器的收发共轴紧凑激光收发装置。

背景技术

激光通信需要接收光路和发射光路完全平行或重合，称为收发同轴。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，从而实现激光的完全同轴。但是由于接收光和发射光是走的同一条光路，因此会有部分原本需要发射到对方通信者的光直接进入到我方的接收器中，从而干扰到接收器对对方通信者发来的信号的接收。评判这一指标的参数叫隔离度，它与由信号发射端直接进入接收端的光的功率大小负相关，由信号发射端直接进入接收端的光的功率越小则隔离度越高，越有利于无线光通信设备实现更远的通信距离。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，即便使用回光消散器，通常也只能达到-30dB。因此，传统的使用光纤环形器的无线光通信设备在技术上很难实现高隔离度。

波分复用技术WDM是将一系列载有信息；但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端再将各个不同波长的光信号分开的通信技术，主要的目的是在一束光纤中同时发送多种波长的通信光，成倍的提高通信速率。波分复用器采用的就是这个技术，并且已有成熟产品，但是主要应用在光纤通信领域。因为波分复用器需要把具有一定波长差的激光分离开，所以在技术上能够实现很高的隔离度，实测通常可以达到-60dB。那么,只要进行光通信时双方发射信号波长有一点差别，就可以用波分复用器取代环形器实现收发同轴。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种利用波分复用器的收发共轴紧凑激光收发装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：

本实用新型一种利用波分复用器的收发共轴紧凑激光收发装置，包括光学透镜、信号激光器、耦合组件、多模收发光纤、回光消散器和波分复用器，其特征在于，所述波分复用器包括三个端口，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波分复用器的所述第二端口，最终到达所述波分复用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波分复用器的所述第一端口进入，依次经过所述波分复用器的所述第二端口、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。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述还包括用于发射信标激光的信标激光器，以及用于实现光路对准的相机，且信标激光器也可用于实现光路对准。

作为本实用新型的一种优选技术方案，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、所述第二多模光纤和所述第三多模光纤的端面均采用APC结构。

作为本实用新型的一种优选技术方案，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。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述耦合组件包含两种结构，耦合组件的第一种结构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，耦合组件的第二种结构还包括第一反射镜、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。

作为本实用新型的一种优选技术方案，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器发射的对准所述多模收发光纤的端面中心。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述相机采用CMOS相机。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述振镜采用音圈电机型振镜。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述信号激光器的波长为1064nm或1550nm波段。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述信标激光器的波长为800nm波段。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

本实用新型采用波分复用器能够代替传统的光纤环形器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。波分复用器有着比光纤环形器更高的隔离度，能够实现距离更远的通信。在波分复用器的第二端口连接回光消散器，能够有效提高波分复用器的发射端口与接收端口之间的隔离度。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。本实用新型能够实现高隔离度的激光共轴收发，减小装置体积，延长FSO设备的通信距离。

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构；比例；大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰；比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型实施例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为本实用新型实施例1提供的一种收发共轴紧凑激光收发装置的流程图；

图4为本实用新型实施例2提供的一种收发共轴紧凑激光收发装置的结构示意图；

图5为本实用新型实施例2提供的一种收发共轴紧凑激光收发装置的流程图；

图中：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、收发光纤；7、回光消散器；8、波分复用器；9、振镜；10、分光镜；11、四象限探测器；12、信号处理电路；13、单片机控制板；14、振镜驱动电路。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

其中附图中相同的标号全部指的是相同的部件。

实施例1

如图1-2示，本实用新型提供一种利用波分复用器的收发共轴紧凑激光收发装置，主要包括光学透镜1、信号激光器、耦合组件、收发光纤6、回光消散器7和波分复用器8。

波分复用器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，第二端口与回光消散器7的一端连接，回光消散器7的另一端与多模收发光纤6连接，耦合组件设置在多模收发光纤6与光学透镜1之间的光路中；

对方的信号激光器发射的信号激光经光学透镜1接收会聚后，经耦合组件反射至多模收发光纤6的端面并耦合进入光纤内传输，该光信号经过回光消散器7后进入波分复用器8的第二端口，最终到达波分复用器8的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波分复用器8的第一端口进入，依次经过波分复用器8的第二端口、回光消散器7、多模收发光纤6、耦合组件、光学透镜1后发射到对方；

本实用新型采用了波分复用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，信标激光器3用于发射发散角稍大的信标激光，相机2和信标激光器3用于实现光路对准。

参见图1，波分复用器8的发射端口(即图1中的01端口)接有信号激光器，波分复用器8的接收端口(即图1中的03端口)接有探测器，波分复用器8的工作过程是特定波长的发射信号从01端口注入，波长与01端口对应波长相匹配而与03端口对应波长不匹配，因此只能经02端口(即第二端口)发射出去而不会从03端口输出。接收信号从02端口进入光纤，其波长与03端口对应的波长相匹配而与01端口对应波长不匹配，因此只能从03端口输出，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。

具体的应用中，信号激光器的波长为1064nm或1550nm波段，信标激光器3的波长为800nm波段，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，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)，第一法兰用于连接第一多模光纤和第二多模光纤，第二法兰用于连接第二多模光纤和第三多模光纤，第一多模光纤、第二多模光纤、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，第一多模光纤与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，第二多模光纤与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，实现波分复用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。

参见图1，耦合组件包括第一反射镜4和第二反射镜5，第一反射镜4和第二反射镜5用于将经光学透镜1接收进来的会聚光束反射至多模收发光纤6的端面中心，以及用于将经多模收发光纤6输出的光束反射至光学透镜1而发射出去；

通过在光学透镜的接收光路中放置第一反射镜4和第二反射镜5，将入射会聚光线折返到多模收发光纤6的端面中心，从而耦合进光纤内并传输到位于波分复用器8的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，实现更加紧凑的结构。

实施例2

如图3-5所示，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，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11、信号处理电路12、单片机控制板13和振镜驱动电路14，分光镜10、四象限探测器12、信号处理电路13、单片机控制板13、振镜9和振镜驱动电路14的组合可以理解为光束稳定器。

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)经第一反射镜4后反射至振镜9的镜面上，振镜9将信号激光和信标激光反射至分光镜10上，信号激光经分光镜10透射后入射至多模收发光纤6的端面中心并耦合进光纤内，信标激光经分光镜10反射后入射至四象限探测器11，四象限探测器11将光信号转换成电信号并输入至信号处理电路12，信号处理电路12输出四路电信号给单片机控制板13，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振镜驱动电路14，振镜驱动电路14将光斑位置参数作为反馈信号，通过控制振镜9的镜面偏转使得信号激光对准多模收发光纤6的端面中心，该接收光经回光消散器7后进入到波分复用器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，信号处理电路12根据不同象限照射光强而输出相应强度的四路光电流，相当于输出光斑在四象限探测器11上的位置。四路光电流经单片机控制板13处理后获得光斑位置(坐标)参数，振镜驱动电路14以此参数作为反馈信号来控制振镜9做合适的角度偏转，从而实现对偏移的光斑的跟踪，达到稳定光束的目的。

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，本实用新型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。

本实用新型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)本实用新型采用波分复用器，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)本实用新型在波分复用器的第二端口连接回光消散器，能够有效提高波分复用器的发射端口与接收端口之间的隔离度。

(3)本实用新型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)由于波分复用器有着在60dBm以上的极高的隔离度，远超光纤环形器30到40dBm的隔离度，能够极大的提高无线光通信系统的最大通信距离。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“同轴”；“底部”；“一端”；“顶部”；“中部”；“另一端”；“上”；“一侧”；“顶部”；“内”；“前部”；“中央”；“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位；以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”；“第二”；“第三”；“第四”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”；“第三”；“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”；“设置”；“连接”；“固定”；“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改；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)

1.一种利用波分复用器的收发共轴紧凑激光收发装置，包括光学透镜、信号激光器、耦合组件、多模收发光纤、回光消散器和波分复用器，其特征在于，所述波分复用器包括三个端口，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。

2.根据权利要求1所述的一种利用波分复用器的收发共轴紧凑激光收发装置，还包括用于发射信标激光的信标激光器，以及用于实现光路对准的相机，且信标激光器也可用于实现光路对准。

3.根据权利要求1所述的一种利用波分复用器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、所述第二多模光纤和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所述的一种利用波分复用器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所述的一种利用波分复用器的收发共轴紧凑激光收发装置，其特征在于，所述耦合组件包含两种结构，耦合组件的第一种结构包括第一反射镜和第二反射镜，耦合组件的第二种结构还包括第一反射镜、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。

6.根据权利要求5所述的一种利用波分复用器的收发共轴紧凑激光收发装置，其特征在于，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器发射的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5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。