專利名稱：一種大口徑光束耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光束耦合器，尤其涉及一種大口徑光束耦合器。
背景技術(shù)：
在光信號耦合過程中，耦合效率是最重要的性能指標(biāo)之一。為了提高耦合效率，世界各國研究人員提出了多種的耦合方法。例如在光纖旋轉(zhuǎn)連接器的接收器場合中，最常用的接收器是自聚焦透鏡，然而自聚焦透鏡用作接收器時，對入射光的平行度要求極為苛刻，使得光信號的耦合效率比較低。中國專利00207539中提到的對稱結(jié)構(gòu)的雙通道光纖旋轉(zhuǎn)連接器包含一種大口徑光束耦合問題，其出射光束繞著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，出射光的范圍增大。采用自聚焦透鏡對出射光 進(jìn)行耦合接收時，由于自聚焦透鏡孔徑角的限制，造成對入射光的入射角度極為敏感，影響光的耦合效率，降低光的耦合效率。中國專利201010103099中提到的中空態(tài)光纖旋轉(zhuǎn)連接器包含一種大口徑光束耦合問題，采用的是透鏡組的耦合結(jié)構(gòu)，由于需要將出射光束縮小并準(zhǔn)直，需要增加大量的透鏡，這使得旋轉(zhuǎn)連接器的體積和成本增加。因此迫切需要一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、集成度高的專用接收器來作為該類場合的接收器。目前激光器與光纖之間的耦合主要有兩種方案，一種是通過各種透鏡組的準(zhǔn)直匯聚作用，然后耦合到光纖里去；另一種是一體化的光纖耦合器，為單個耦合器件。對于一體化的激光到光纖的耦合器，目前主要有三種類型。第一種類型，在光纖的末端直接加工出微透鏡，美國專利US4490020將光纖的末端加工成正交棱錐體，錐體有兩個面分別平行和垂直于半導(dǎo)體激光器的相交平面，正交棱錐體的末端加工成半橢圓形狀使光纖寬度逐漸減小，從在末端而形成不同的曲率半徑，以便使錐體能夠很好的與半導(dǎo)體激光的光強分布相耦合，從而提高激光光纖的耦合效率；美國專利US6600856中包含一種光纖耦合器，將光纖的末端加工成一個半球透鏡用以對光的耦合；美國專利US5455879報道了多種激光光纖耦合器，其中一種就是將光纖的包層和纖芯分別加工成兩種楔角不同的對稱楔面用以對激光的耦合，另外一種方法就是將光纖的包層和纖芯分別加工成兩種圓錐角不同的圓錐體用以對激光的耦合。此類方法由于是在光纖末端直接加工出微透鏡，面對寬光束的耦合，由于光纖很細(xì)帶來的先天不足，使得偶和效率降低。第二種類型，是通過控制光纖末端的熔融變形拉制出耦合用微透鏡，美國專利US4370021中提到了一種針對激光到光纖的耦合器的拉制技術(shù)，該種器件由光纖直接拉制而成，前端為橢圓透鏡，末端為光纖。該種結(jié)構(gòu)適合光纖激光稱合，然而由于其入射孔徑較小，不適合大口徑光束與光纖間的耦合；美國專利US5037174在光纖末端通過兩次連續(xù)的拉制，形成復(fù)合錐體，該錐體包含兩個部分，其錐角分別約為18°和45°，在錐體的表面可以形成兩個非球面透鏡，用以提高光波導(dǎo)中信號的耦合效率。上述提到的兩個耦合方式，只是適應(yīng)入射光束口徑較小的場合,對于空間大口徑光束,其耦合效率呈比例降低。第三種類型，是在光纖的末端粘接一個透鏡。美國專利US4721353報道了一種激光器與光纖之間的耦合器。該耦合器將光纖的末端纖芯做成一個小于光纖芯徑的倒錐形結(jié)構(gòu)，然后在光纖的末端粘接了一個半球透鏡用以將激光耦合到纖芯中，進(jìn)而高效實現(xiàn)光信號耦合。然而半球透鏡和光纖的粘接對準(zhǔn)比較困難，使得耦合效率受外界裝配因素的影響，一定程度影響其使用。美國專利US4784466也具有一個類似的結(jié)構(gòu)。美國專利US4913510報道了一種激光器與光纖之間的耦合器，在光纖的末端套上一個帶有球透鏡的細(xì)長毛細(xì)管，并在球透鏡靠近光纖的一端所打的小孔內(nèi)注入折射率匹配液，使光纖末端侵潤在匹配液中，來提高光的耦合效率，此種方法也存在光纖末端與透鏡焦點耦合對準(zhǔn)的問題，實際操作比較困難。此類方法由于接收器的具有較大的孔徑，耦合效率較之前兩種類型較高，但是仍然受微透鏡的尺寸影響，由于微透鏡尺寸不能做的很大，不適應(yīng)空間大口徑光束耦合。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，為解決光纖與大孔徑光束間信號的耦合問題，以及克服光信號耦合效率低的問題。本發(fā)明提供一種大口徑光束耦合器，其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，耦合效率高，能夠?qū)^大口徑的光束直接耦合進(jìn)入光纖。、
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明大口徑光束耦合器予以實現(xiàn)的技術(shù)方案是該光束耦合器，包括錐形光學(xué)器件、折射率匹配液和端面切割平整的裸光纖，所述裸光纖由纖芯和纖芯包層構(gòu)成；所述錐形光學(xué)器件是一呈中心對稱的光學(xué)器件，為實體或空心結(jié)構(gòu)，所述錐形光學(xué)器件的中間部分為一錐狀體；所述錐狀體的前端設(shè)有光學(xué)球面透鏡，所述光學(xué)球面透鏡像方焦點位于所述錐狀體的末端，所述光學(xué)球面透鏡的通光孔徑為毫米及以上級別；所述錐狀體的末端設(shè)有一導(dǎo)光管，所述導(dǎo)光管的通光孔徑與裸光纖的芯徑匹配；所述導(dǎo)光管與所述裸光纖相對的端面之間通過折射率匹配液耦合連接，在耦合連接處設(shè)有一套管；所述光學(xué)球面透鏡鍍有高增透膜；所述折射率匹配液的折射率和裸光纖纖芯的折射率一致；所述錐形光學(xué)器件的折射率低于裸光纖纖芯的折射率；所述錐狀體和所述導(dǎo)光管的外表面設(shè)有包裹層，所述包裹層使入射到錐狀體表面的光能夠產(chǎn)生全反射，從而入射光能夠束縛在錐形光學(xué)器件的內(nèi)部，同時使光向前傳輸。進(jìn)一步講，本發(fā)明大口徑光束耦合器，其中，所述導(dǎo)光管與所述套管之間設(shè)有導(dǎo)光管套管，所述裸光纖與所述套管之間設(shè)有光纖套管。 所述包裹層的材料采用比所述錐形光學(xué)器件折射率低的材料；或所述包裹層由鍍覆在所述錐狀體和所述導(dǎo)光管外表面的高反射膜構(gòu)成，所述高反射膜為高反射的介質(zhì)發(fā)射膜或金屬膜。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是由于本發(fā)明大口徑光束耦合器的入射端通光孔徑比光纖芯徑大得多，可以達(dá)到毫米及以上級別，通光孔徑可達(dá)I毫米以上，最大可達(dá)I厘米；因此能夠?qū)Υ罂趶焦馐M(jìn)行直接匯聚。由于錐形光學(xué)器件的末端導(dǎo)光管與裸光纖之間采用了折射率匹配液，對導(dǎo)光管出射光束的孔徑進(jìn)行壓縮，從而增大了錐形光學(xué)器件的有效數(shù)值孔徑，經(jīng)估算，與光纖的數(shù)值孔徑一致，因此該耦合器能對小角度發(fā)散或匯聚的大口徑光束光進(jìn)行耦合，如高斯光束，從而擴(kuò)大了本發(fā)明的應(yīng)用范圍，解決光纖與大口徑光束間信號耦合問題。另外，由于入射光在錐形光學(xué)器件的反射是由于全反射形成的，幾乎沒有什么損耗，主要損耗發(fā)生在錐形光學(xué)器件末端導(dǎo)光管和光纖微透鏡的耦合之間，這屬于光纖之間的耦合損耗，經(jīng)計算本發(fā)明耦合器的耦合效率可達(dá)95. 5%以上，因此，在激光與光纖耦合方面本發(fā)明耦合器實現(xiàn)了一種高效的耦合；本發(fā)明也適用于其它小角度發(fā)散或匯聚的大口徑光束耦合進(jìn)入光纖的情況。綜上，本發(fā)明提出的集成化光信號耦合技術(shù)市場前景好，具有良好的技術(shù)轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)和廣泛的社會效益。


圖I是本發(fā)明大口徑光束耦合器基本結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明大口徑光束耦合器一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中11-錐狀體 12-光學(xué)球面透鏡 13-導(dǎo)光管
14-包裹材料 2-折射率匹配液31-纖芯32-纖芯包層 4-套管5-粘結(jié)劑6-光纖套管 7-導(dǎo)光管套管
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。如圖I所示，本發(fā)明一種大口徑光束耦合器的基本結(jié)構(gòu)是，包括錐形光學(xué)器件和端面切割平整的裸光纖，所述裸光纖由纖芯31和纖芯包層32構(gòu)成；所述錐形光學(xué)器件是一呈中心對稱的光學(xué)器件，為實體或空心結(jié)構(gòu)，所述錐形光學(xué)器件的中間部分為一錐狀體11 ；所述錐狀體11的前端設(shè)有光學(xué)球面透鏡12，所述光學(xué)球面透鏡12像方焦點位于所述錐狀體11的末端，所述光學(xué)球面透鏡12的通光孔徑，根據(jù)實際情況可設(shè)計達(dá)到毫米及以上級另IJ，通光孔徑從I毫米至I厘米；所述錐狀體11的末端設(shè)有一導(dǎo)光管13，所述導(dǎo)光管13的通光孔徑與裸光纖的芯徑匹配；所述導(dǎo)光管13與所述裸光纖相對的端面之間通過折射率匹配液2耦合連接，在耦合連接處設(shè)有一套管4，所述套管4的兩端通過粘結(jié)劑5分別與所述導(dǎo)光管13和所述裸光纖固定；所述光學(xué)球面透鏡12鍍有高增透膜；所述折射率匹配液2的折射率和裸光纖纖芯的折射率一致；所述錐形光學(xué)器件的折射率低于裸光纖纖芯的折射率；所述錐狀體11和所述導(dǎo)光管13的外表面設(shè)有包裹層14，所述包裹層14的材料采用比所述錐形光學(xué)器件折射率低的材料，或所述包裹層14由鍍覆在所述錐狀體11和所述導(dǎo)光管13外表面的高反射膜構(gòu)成，所述高反射膜為高反射的介質(zhì)發(fā)射膜或金屬膜，所述包裹層14使入射到錐狀體表面的光能夠產(chǎn)生全反射，從而入射光能夠束縛在錐形光學(xué)器件的內(nèi)部，同時使光向前傳輸。圖2示出了本發(fā)明耦合器一實施例的結(jié)構(gòu)，即在圖I所示的基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在所述導(dǎo)光管13與所述套管4之間設(shè)有導(dǎo)光管套管7，位于錐形光學(xué)器件末端的導(dǎo)光管13由該導(dǎo)光管套管7固定，所述裸光纖與所述套管4之間設(shè)有光纖套管6。所述裸光纖由該光纖套管6固定。并通過套管4，在折射率匹配液2的作用下，將導(dǎo)光管套管5和光纖套管6進(jìn)行光路的耦合。在套管4的兩端，通過粘接劑5使套管4分別與導(dǎo)光管套管5和光纖套管6固定。如圖I和圖2所示，本發(fā)明實現(xiàn)光耦合的過程是低發(fā)散或匯聚(大口徑)光束入射到錐形光學(xué)器件的前端光學(xué)球面透鏡12，通過光學(xué)球面透鏡12將光束匯集至該透鏡的焦點附近，通過錐狀體11的匯聚作用，將光匯聚至錐狀體末端，然后由導(dǎo)光管13導(dǎo)光至錐形光學(xué)器件的末端。在光通過導(dǎo)光管13與折射率匹配液2的交界面時，對光的孔徑角進(jìn)行壓縮，最后耦合到光纖中去，光纖出射(末)端帶有光纖連接器便于同其它光纖耦合連接。設(shè)錐形光學(xué)器件的前端光學(xué)球面透鏡12的通光孔徑為2D，其球面半徑為R，錐形光學(xué)器件的折射率為IV折射率匹配液2和纖芯31的折射率為Ii1,纖芯包層32的折射率為
n2o當(dāng)材料的折射率以及耦合器的尺寸滿足條件arccos (n0sin (arcsin (D/R) -arcsin (D/n0R)) Ai1) >arcsin (Ii2Ai1)和
Xi^n2, n^rig時，入射光便能高效耦合進(jìn)入到光纖中去。此時，錐形光學(xué)器件的長度為R+D/[n0sin (arcsin (D/R) -arcsin (D/n0R))]。錐狀體為圓錐體時，其錐體角為 arcsin (D/R) -arcsin (D/n0R)。因此，當(dāng)入射光為平行光時，可由錐形光學(xué)器件前端面的光學(xué)球面透鏡12直接耦合至錐狀體11的末端，前端面光學(xué)球面透鏡12產(chǎn)生的像差，可由錐狀體11進(jìn)行補償，對光進(jìn)行收集；當(dāng)入射光傾斜于錐形光學(xué)器件前端光學(xué)球面透鏡12的光軸入射時，錐形光學(xué)器件的前端的光學(xué)球面透鏡12可將光匯聚至該透鏡的焦點附近，此時就可利用錐狀體11的匯聚作用將光束匯聚至錐狀體11的末端。盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種大口徑光束耦合器，其特征在于，包括錐形光學(xué)器件和端面切割平整的裸光纖，所述裸光纖由纖芯(31)和纖芯包層(32)構(gòu)成； 所述錐形光學(xué)器件是ー呈中心対稱的光學(xué)器件，為實體或空心結(jié)構(gòu)，所述錐形光學(xué)器件的中間部分為ー錐狀體(11);所述錐狀體(11)的前端設(shè)有光學(xué)球面透鏡(12)，所述光學(xué)球面透鏡(12)像方焦點位于所述錐狀體(11)的末端，所述光學(xué)球面透鏡(12)的通光孔徑為毫米及以上級別；所述錐狀體(11)的末端設(shè)有ー導(dǎo)光管(13)，所述導(dǎo)光管(13)的通光孔徑與裸光纖的芯徑匹配； 所述導(dǎo)光管(13)與所述裸光纖相對的端面之間通過折射率匹配液(2)耦合連接，在耦合連接處固定有ー套管(4); 所述光學(xué)球面透鏡(12)鍍有高增透膜；所述折射率匹配液(2)的折射率和裸光纖纖芯的折射率一致；所述錐形光學(xué)器件的折射率低于裸光纖纖芯的折射率； 所述錐狀體(11)和所述導(dǎo)光管(13)的外表面設(shè)有包裹層(14)，所述包裹層(14)使入射到錐狀體表面的光能夠產(chǎn)生全反射，從而入射光能夠束縛在錐形光學(xué)器件的內(nèi)部，同時使光向前傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大口徑光束耦合器，其特征在于，所述導(dǎo)光管(13)與所述套管(4)之間設(shè)有導(dǎo)光管套管(7)，所述裸光纖與所述套管(4)之間設(shè)有光纖套管(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大口徑光束耦合器，其特征在于，所述包裹層(14)的材料采用比所述錐形光學(xué)器件折射率低的材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大口徑光束耦合器，其特征在于，所述包裹層(14)由鍍覆在所述錐狀體(11)和所述導(dǎo)光管(13)外表面的高反射膜構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大口徑光束耦合器，其特征在干，所述高反射膜為高反射的介質(zhì)發(fā)射膜或金屬膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大口徑光束耦合器，包括錐形光學(xué)器件、折射率匹配液和端面切割平整的裸光纖；錐形光學(xué)器件是一呈中心對稱的光學(xué)器件，中間部分為一錐狀體；錐狀體的前端加工有光學(xué)球面透鏡，其像方焦點位于錐狀體的末端，其通光孔徑達(dá)1毫米以上；錐狀體的末端設(shè)有一導(dǎo)光管，導(dǎo)光管的通光孔徑與裸光纖的芯徑匹配，且通過折射率匹配液與光纖耦合連接，壓縮導(dǎo)光管出射光束的孔徑角；錐狀體和導(dǎo)光管的外表面設(shè)有包裹層，包裹層使入射到錐狀體表面的光能夠產(chǎn)生全反射，從而入射光能夠束縛在錐形光學(xué)器件的內(nèi)部，同時使光向前傳輸。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊，耦合效率高，能夠?qū)^大口徑的光束直接耦合進(jìn)入光纖。
文檔編號G02B6/42GK102681109SQ201210142988
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月9日
發(fā)明者劉鐵根, 張以謨, 張紅霞, 許強, 賈大功 申請人:天津大學(xué)