自由空间光纤耦合系统新架构技术方案

本发明专利技术提供了一种自由空间光纤耦合系统新架构，其包括底板、光纤夹持与固定结构、位移千分尺、第一反射镜、第二反射镜及耦合透镜，所述第一反射镜、第二反射镜和耦合透镜设置在所述底板上，光束（线）通过所述第一反射镜，进入所述第二反射镜，然后经所述耦合透镜进入光纤端面进行光耦合；所述位移千分尺调节所述光纤夹持与固定结构，从而调节所述光纤夹持与固定结构与所述耦合透镜的相对位置，所述第一反射镜、第二反射镜设有调节丝杆，调节其俯仰倾斜的角度。本发明专利技术架构的优点：1、结构简单紧凑；2、原理清晰明了；3、长时间稳定工作；4、结果复现性较强。

New Architecture of Free Space Optical Fiber Coupling System

The invention provides a new structure of a free-space optical fiber coupling system, which comprises a bottom plate, an optical fiber clamping and fixing structure, a displacement micrometer, a first reflector, a second reflector and a coupling lens. The first reflector, a second reflector and a coupling lens are arranged on the bottom plate. The beam (line) enters the second reflector through the first reflector, and then passes through the second reflector. The coupling lens enters the end face of the optical fiber for optical coupling; the displacement micrometer adjusts the optical fiber clamping and fixing structure so as to adjust the relative position of the optical fiber clamping and fixing structure and the coupling lens. The first mirror and the second mirror are provided with adjusting screw rods to adjust the pitching angle of the optical fiber clamping and fixing structure. The advantages of the structure of the invention are: 1. simple and compact structure; 2. clear and clear principle; 3. long time stable work; 4. strong repeatability of the results.

【技术实现步骤摘要】
自由空间光纤耦合系统新架构
本专利技术涉及光纤领域，尤其涉及一种光纤耦合系统。
技术介绍
图1至图3中是传统的三轴调节系统，三轴调节部分与耦合透镜001部分分离，光线经过耦合透镜后汇聚于耦合透镜001后面的光纤端面，通过xyz三轴，分别对应水平方向、垂直于水平方向及垂直于xy形成的平面方向，其中，xy平面内的偏移量统称为横向偏移量。前端的耦合透镜与后端的位移模块之间的分离的结构，可根据需要进行调整，这里的前端是指图1中的左侧。但是，由于地球运动对xy面内的横向偏移量影响较大，所以，对于2-4μm直径的小纤芯而言，横向偏移量更为敏感。系统通过调节光纤的横向纵向与轴向偏移量进行自由空间光耦合。单模光纤耦合偏移量对耦合效率影响的理论分析(见下文)结果表明，xy平面内的偏移量影响最为敏感。针对型号为SMF-28e光纤使用1.31μm入射波长分别给出Mathematics与Zemax软件的数值计算拟合结果如图4和图5所示。图4为使用Mathematics软件计算拟合结果，图5为使用Zemax软件计算拟合结果。造成图4和图5之间透过率强度差异的原因是图5中Zemax软件使用了近似条件。抛开近似条件，两种软件计算结果一致。还有轴向与角向两个方向的公式比较复杂，这里直接使用Zemax软件，通过控制SMF-28e光纤改变单一变量的方式直接给出轴向与角向偏移对透过率的变化关系，如图6和图7所示。图6为轴向偏移量的影响，图7为角向偏移量的影响。通过Zemax对SMF-28e光纤横向偏移量、纵向偏移量及角向偏移量与耦合效率之间定量分析关系的数值模拟的曲线拟合结果表明，自由空间光耦合的敏感程度由大到小依次排序：横向偏移量、角向偏移量与轴向偏移量。这为我们通过横向偏移量研究自由空间小纤芯光纤耦合系统稳定性的提供了理论依据。关于单模光纤自由空间耦合效率与轴向、横向及角向偏移量之间的敏感关系已经做了相应的定量模拟分析，此结果为优化升级自由空间小纤芯光子晶体光纤耦合系统结构并实现长期稳定工作提供了理论指导。实际的实验结果表明，传统的三轴调节结构容易受到地球运动产生的振动影响而偏离，进而导致光耦合效率下降。
技术实现思路
本专利技术结合实验结果与理论分析，针对小纤芯单模光纤自由空间光耦合模块进行设计。将影响自由空间光纤耦合横向偏移量的敏感调节轴去掉，取而代之的是在耦合透镜前使用两块可调反射镜进行调节的新结构。此结构利用了中国传统的榫卯结构的思想并利用了光路的可逆性原理，设计而成的科学合理新的基于小纤芯的自由空间光纤耦合结构。为了解决现有技术中问题，本专利技术提供了一种自由空间光纤耦合系统新架构，其包括底板、光纤夹持与固定结构、位移千分尺、第一反射镜、第二反射镜及耦合透镜，所述第一反射镜、第二反射镜和耦合透镜设置在所述底板上，光束通过所述第一反射镜，进入所述第二反射镜，然后进入所述耦合透镜，进而进入光纤端面进行光耦合；所述位移千分尺调节所述光纤夹持与固定结构，从而调节所述光纤夹持与固定结构与所述耦合透镜的相对位置，所述第一反射镜、第二反射镜设有调节丝杆，调节其俯仰倾斜的角度。作为本专利技术的进一步改进，所述底板为蜂窝板。作为本专利技术的进一步改进，所述位移千分尺控制一支架移动，所述光纤夹持与固定结构与所述支架之间通过轨道相对滑动，通过设置在所述光纤夹持与固定结构上的螺丝固定两者之间的相对位置。本专利技术的有益效果是：本专利技术是为解决仪器开发过程中解决仪器稳定性与结果复现性的基础上，结合实验与理论分析之后针对自由空间小纤芯单模光纤耦合提出的一种基础性稳定架构，类似于芯片中的ARM架构，是一种非常基础的架构。ARM架构过去称作进阶精简指令集机器(AdvancedRISCMachine，更早称作：AcornRISCMachine)，是一个32位精简指令集(RISC)处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。基于此种架构的自由空间耦合系统不仅适用于单模也适用于多模光纤耦合。本专利技术架构的优点：1、结构简单紧凑；2、原理清晰明了；3、长时间稳定工作；4、结果复现性较强。附图说明图1至图3是现有技术中三轴调节自由空间光纤耦合平移台结构示意图，图中001为耦合透镜001；图4和图5为针对型号为SMF-28e光纤使用1.31μm入射波长分别给出Mathematics与Zemax软件的数值计算拟合结果，图4为使用Mathematics软件计算拟合结果，图5为使用Zemax软件计算拟合结果；图4中，横坐标表示离开纤芯的距离，单位是μm，纵坐标是归一化的耦合效率，其他图中的T也是归一化的耦合效率；图6和图7为使用Zemax软件，通过控制SMF-28e光纤改变单一变量的方式直接给出轴向与角向偏移对透过率的变化关系，图6为轴向偏移量的影响，图7为角向偏移量的影响；图7表示入射光线传播方向与光纤轴线方向的夹角；图8是本专利技术自由空间光纤耦合系统新架构顶视结构示意图；图9和图10是本专利技术自由空间光纤耦合系统新架构结构示意图；图11是固定结构102、位移千分尺103及耦合透镜106的结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。本专利技术的系统模块结构，为新的伪五维自由空间光纤耦合模块(后面简称新三维因为可调的元件只有三个)，称之为模块是因为它的应用范围比较广且可移植性比较强，设计理念与思路都与传统的自由空间光纤耦合系统新架构模块设计思路完全不同，所采用的结构与市面上现行的自由空间光纤耦合结构亦不同。新三维稳定的自由空间光纤耦合系统新架构是经过实验检验重力维度与地球自转对水平维度对耦合稳定性影响的基础上，为了消除重力方向及水平方向的影响，本专利技术的新结构仅保留了光纤轴向位移的维度与反射镜之间形成的新三维自由空间光纤耦合系统新架构结构。其结构示意图如图8所示。其变体可以将千分尺沿着光轴方向调转180°，形成仍是这种结构。从图中可知，此自由空间光纤耦合结构是基于小纤芯光子晶体光纤结合理论及实际的实验验证并且融合了中国传统的榫卯结构思想进而设计成的，具有非常高的稳定性。精髓体现在较少的元件、较少的可调谐维度，可以形成较为紧凑的结构，利于高度集成化。好处是本专利技术对于提高了耦合系统的稳定性并延长了仪器稳态的工作时间，从当下市面上现有的以小时为调节周期提高到以月为周期。本专利技术的核心部分在于：仅存在光纤轴向一维位移，结合反射镜控制横向偏移量来减小单模小纤芯光纤自由空间光耦合系统实现一段较长时间(按月为单位进行计算)光耦合效率的稳定输出也就是较长时间的稳态工作时间。因此，本专利技术创造要保护的核心有两点，1、光纤沿着轴向位移的结构；2、光耦合前方的可调反射镜。此两点一起共同形成有机的整体且独一无二的新结构需要保护。如图9和图10所示，自由空间光纤耦合系统新架构包括底板101(为固定用的蜂窝板)、光纤夹持与固定结构102、位移千分尺103、第一反射镜105、第二反射镜104、耦合透镜106，所述第一反射镜105、第二反射镜104和耦合透镜106设置在所述固定用的蜂窝板101上，光束(线)通过所述第一反射镜105，进入所述第二反射镜104，然后进入所述耦合透镜106，进而进入光纤端面进行光耦合105104。所述位移千分尺103调节所述光纤夹持与固定结构102，从而调节所述光纤夹持与固定结构102与所述耦本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自由空间光纤耦合系统新架构，其特征在于：其包括底板（101）、光纤夹持与固定结构（102）、位移千分尺（103）、第一反射镜（105）、第二反射镜（104）及耦合透镜（106），所述第一反射镜（105）、第二反射镜（104）和耦合透镜（106）设置在所述底板（101）上，光束通过所述第一反射镜（105），进入所述第二反射镜（104），然后进入所述耦合透镜（106），进而进入光纤端面进行光耦合；所述位移千分尺（103）调节所述光纤夹持与固定结构（102），从而调节所述光纤夹持与固定结构（102）与所述耦合透镜（106）的相对位置，所述第一反射镜（105）、第二反射镜（104）设有调节丝杆，调节其俯仰倾斜的角度。

【技术特征摘要】
1.一种自由空间光纤耦合系统新架构，其特征在于：其包括底板（101）、光纤夹持与固定结构（102）、位移千分尺（103）、第一反射镜（105）、第二反射镜（104）及耦合透镜（106），所述第一反射镜（105）、第二反射镜（104）和耦合透镜（106）设置在所述底板（101）上，光束通过所述第一反射镜（105），进入所述第二反射镜（104），然后进入所述耦合透镜（106），进而进入光纤端面进行光耦合；所述位移千分尺（103）调节所述光纤夹持与固定结构（102），从而调节所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯国辉，黄志凡，李向召，李名兆，周永生，郑欢欢，
申请(专利权)人：深圳市计量质量检测研究院国家高新技术计量站，国家数字电子产品质量监督检验中心，
类型：发明
国别省市：广东,44