CN114371534A - 一种准直***耦合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种准直***耦合方法，应用于光器件领域，针对现有的准直***的耦合时，存在的耦合动作复杂的问题；本发明把整个耦合过程分解为两个部分：第一部分，将光纤与会聚透镜耦合成准直器组件；第二部分，选择固定准直透镜，让光源与准直器组件进行移动，首先使用两套耦合台的角度调节使得光源与准直透镜，准直透镜与准直器组件进行贴平；贴平之后，调节光源与准直透镜的相对位置，使得光纤中接收到的功率最大；最后调整准直器组件的位置使得其光轴与准直透镜光轴重合；本发明所提供的方法耦合复杂度低，耦合速度快，可以自动化耦合等优势。

Description

一种准直***耦合方法

技术领域

本发明属于光器件领域，特别涉及一种准直***耦合技术。

背景技术

光器件经常会使用波分复用方案，通过滤波片将不同波长的光进行复用和解复用，有 时候需要复用和解复用的波长间隔很小，为了是的光信号在经过滤波片时的***损耗尽量 小或者反射率尽量高，就会要求通过滤波片的光束为准直光束。如图1所示，准直光学系 统一般包含：光源，准直透镜，会聚透镜以及光纤，需要将光源(通常为半导体激光器)耦合到单模光纤中，使得耦合效率尽量高并且确保光在准直透镜以及会聚透镜之间以准直光束传播。

一般这种***耦合时会固定光源位置，同时调节准直透镜，会聚透镜以及光纤的位置， 这三个部件都需要独立调节，而且每个部件都需要X，Y，Z三轴调节，如果搭配角度调节，则需要再增加三轴，导致整个***的耦合动作非常复杂且缺少规律，无法实现自动化。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种准直***耦合方法，每次耦合只需要调准一个 元件，相较于一般的准直透镜、会聚透镜和光纤同时调节的方式具有，耦合复杂度低，耦 合速度快，可以自动化耦合等优势。

本发明采用的技术方案为：一种准直***耦合方法，所基于的准直***包括：光源、 准直透镜、汇聚透镜、光纤；所述耦合方法包括：

S1、将光纤与会聚透镜耦合成准直器组件；

S2、使用两套耦合台调整光源和准直器组件分别与准直透镜进行贴平；

S3、贴平之后，调节光源与准直透镜的相对位置，使得光纤中接收到的功率最大；

S4、调整准直器组件的位置使得其光轴与准直透镜光轴重合。

步骤S1采用光斑法，将光纤与会聚透镜耦合成准直器组件；具体的：

将一束激光接入到单模光纤中，将光束分析仪置于会聚透镜后，激光经过会聚透镜后 在光束分析仪上呈现出实时的光斑形状；

光束分析仪实时计算光斑中心的位置以及光斑的大小；

并仿真计算得到不同光束分析仪与会聚透镜位置的光斑模拟值；

选择一个光束分析仪与会聚透镜的位置，若得到的光斑大小与光斑模拟值相差较大， 则微调会聚透镜与光纤沿光束传播方向上的相对位置，使光斑尺寸接近模拟值；

固定光纤与会聚透镜，使其成为一个准直器组件。

步骤S2贴平的过程中使得这三者的位置处于设计值附近。

所述光纤为单模光纤。

所述单模光纤为单模PC光纤，在贴平之后，还包括：

A1、通过其中一套耦合台调节光源与准直透镜的相对位置，使得光纤中接收到的功率 最大；

A2、若此时的耦合效率未达到理想值，则固定光源，通过另一套耦合台调节准直器组 件的位置使得其光轴与准直透镜光轴重合，即耦合效率达到理想值，结束调节。

所述单模光纤为带倾角的单模光纤时，在贴平之后，重复执行以下步骤，直到耦合效 率达到理想值：

B1、调节光源与准直透镜的相对位置，使得光纤中接收到的功率最大；

B2、保持光源位置不变，调节准直组件位置使得光纤中接收到功率最大。

本发明的有益效果：本发明所设计准直***耦合方式，通过先制作准直器组件，固定 准直透镜，分别调整光源和准直器组件进行耦合，每次耦合只需要调准一个元件，相较于 一般的准直透镜、会聚透镜和光纤同时调节的方式具有，耦合复杂度低，耦合速度快，可以自动化耦合等优势。

附图说明

图1为现有技术中的准直光学***；

图2为实施例2中的最终耦合状态示意图；

图3为实施例2中对光源进行耦合后的示意图；

图4为实施例3中对光源进行耦合后的示意图；

图5为实施例3中的最终耦合状态示意图；

图6为实施例2中耦合完成后的状态示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐 释。

实施例1

本发明方法的工作原理为：

本发明介绍一种简单高效的耦合方式，能够极大的简化耦合动作提高耦合效率。把整 个耦合过程分解为两个部分：第一部分，将光纤与会聚透镜耦合成准直器组件，目前产业 有多种方法制作准直器组件，例如光斑法以及准直光源对耦法，在此就不展开介绍；第二 部分，耦合光源、准直透镜以及第一部分完成的准直器组件，这部分耦合时，本发明选择 固定准直透镜，让光源与准直器组件进行移动，这需要两套六维耦合台(xyz三轴+xyz角度)，第二部分的耦合过程为：

首先使用两套六维耦合台的角度调节使得光源与准直透镜，准直透镜与准直器组件进 行贴平，这样就使得光源、准直透镜以及准直器组件这三者的中轴处于平行状态，贴平的 过程中使得这三者的位置处于设计值附近，这样能减少一些耦合的时间；本实施例中的设 计值具体指同轴状态时光源、准直透镜以及准直器组件这三者的位置；

贴平之后首先使用其中一套六维耦合台调节光源，使得光源在XYZ方向进行移动，使用功率计检测光纤端的功率，当功率为最大时，停止调节光源位置；本发明中对光源位置的调节是为了使得光源的光信号经过准直透镜后以合适的角度入射到准直器组件中，只有以这个合适的角度光信号才能经过会聚透镜聚焦到光纤上，这时的耦合效率可能会比较低，这是因为经过准直透镜后的主光线与会聚透镜的光轴距离较大不在设计相对位置上，使得主光线经过会聚透镜后以一个与设计角度相差较大的角度入射到光纤，这时只需通过六维耦合台XYZ三轴调节移动准直器组件，使得经过准直透镜后的主光线与会聚透镜匹 配即可达到较高的耦合效率。

本实施例中使用功率计检测光纤端的功率时，功率计与光纤的连接方式根据光纤的类 型进行确定，具体的：若光纤维指跳线类型，则光纤直接与功率计连接，即可测试光纤功 率；若光纤是带有光纤的适配器，则使用测试跳线与适配器对接后，测试跳线另一端连接 功率计，既可以测试光纤功率。

本实施例中经过准直透镜后的主光线与会聚透镜的光轴的设计相对位置即主光线与 会聚透镜的光轴接近同轴的位置，一般为耦合效率达到92.55％对应的位置。

实施例2

本实施例中的光源为半导体激光器，波长为1310nm，其发散角为25x25°，准直透镜为ALPS的FLWQCSE11D，会聚透镜为IOSolution的CCH24BW1，光纤为单模PC光纤。

首先将单模PC光纤与会聚透镜耦合成准直器组件，可以选用光斑法进行制作，具体 的：

将一束1310nm的激光接入到单模PC光纤中，将光束分析仪置于会聚透镜后，1310nm 激光经过会聚透镜后就可以在光束分析仪上呈现出实时的光斑形状，光束分析仪可以实时 计算光斑中心的位置以及光斑的大小，通过调整单模PC光纤与会聚透镜的相对位置，可 以改变光斑的尺寸以及入射到光束分析的角度，通过调整光束分析仪与会聚透镜的位置可 以计算出入射到光束分析仪激光的角度，并通过不同位置的光斑大小来分析经过会聚透镜 后的激光的准直效果，不同位置光斑的大小可以通过软件计算出来，如表1所示。

表1 不同位置光斑的大小

L(mm)	20	40	60	80	100	120	140
								光斑大小(mm)	0.3060	0.3643	0.4460	0.5407	0.6427	0.7489	0.8579

本实施例中计算出光束分析仪距离会聚透镜L为20～140mm的光斑尺寸，选取40mm以及120mm这两个位置，先将光束分析仪的位置调整到距离会聚透镜40mm处，调整会 聚透镜的位置，使得此处的光斑大小为0.3643mm，并记录此时光斑能量中心坐标为(x1,y1)； 这里的调整会聚透镜的位置包括沿光轴方向的移动调节光斑大小，沿垂直光轴方向的移动调节出光的角度，所移动的距离均为微米级，相较于40mm的距离可以忽略，因此，可以 认为调整会聚透镜的位置不影响光束分析仪与会聚透镜之间40mm的距离；

然后将光束分析仪的位置调整到距离会聚透镜120mm，调整会聚透镜的位置使得光斑 能量中心坐标同样为(x1,y1)，示例中的单模PC光纤为不带倾角的PC单模光纤，所以准 直后的激光将垂直入射到光束分析仪上，理论上不管光束分析仪的位置距离会聚透镜多远， 光束的能量中心均不会改变，所以40mm处与120mm处光斑的能量中心均为(x1,y1)；

查看120mm处的光斑尺寸是否为模拟值0.7489mm，如果相差较大则微调会聚透镜与 光纤沿光束传播方向上的相对位置，光斑尺寸接近模拟值，均满足要求后固定会聚透镜与 单模PC光纤，使其成为一个准直器组件；当光斑尺寸与模拟值的差值在模拟值±5％范围 之外，则认为相差较大，否则认为接近模拟值。

接下来将进行光源、准直透镜以及准直器组件的耦合。整个***耦合完成后的示意图 如图2所示，由于示例中光源主光线是垂直入射到准直透镜的，并且光纤为PC光纤，所以 整个***中光源、准直透镜、会聚透镜以及单模PC光纤的光轴都是同轴状态，这个***的 耦合效率为94.49％，准直透镜与会聚透镜之间的平行光边缘光线与光轴角度为0.02379°。

在耦合光源、准直透镜以及准直器组件的过程中，本实施例选择固定准直透镜，光源 和准直器组件为可调节状态，具体过程为：

首先把光源、准直透镜以及准直器组件装夹到治具上，调整光源和准直器组件分别与 准直透镜进行贴平，这是为了使得光源、准直透镜以及准直器组件这三者的光轴尽量处于 平行状态，在贴平的过程中使得准直透镜与准直器组件在垂直光轴平面上的相对距离(即 准直透镜和准直器组件两者光轴的相对位置)尽量处于设计值附近，如果偏差较大，很可 能出现无论如何都耦合不大的情况，因为准直器组件的通光孔径是有限的，偏差较大会使 得准直透镜出射的光无法入射到准直器组件的接受孔径内，本实施例中假设准直透镜与准 直器组件的光轴相差0.2mm，调节光源与准直透镜的相对位置，使得光纤中接收到的功率 最大，耦合后的状态如图3所示，模拟结果显示，此时最大耦合效率最大为16.54％，准直 透镜与会聚透镜之间平行光边缘光线角度为0.07049°。

此时的耦合效率16.54％与最终状态耦合效率94.49％的差距是由于准直透镜与准直器 组件光轴的相对位置差导致的，使得从准直透镜出射的光线并没有通过准直器组件的光轴， 这使得主光线以一个比较大的角度入射到光纤上，使得耦合效率降低，只需调整准直器组 件的位置使得其光轴与准直透镜光轴尽量重合即可，所以这步耦合时只需要调节准直器组 件，光源的位置保持不动，耦合完成后其状态示意图如图3所示，与图2几乎一样，此时的 耦合效率为92.55％，准直透镜与会聚透镜之间平行光边缘光线角度为0.07049°，均都非常 接近理想状态(即耦合效率均在理想值94.49％的±5％误差范围内，角度偏差在0.05°范围内， 认为接近理想值)。

这种耦合方案的优势在于，每次耦合只需对其中一个元件进行调整，大大的简化了耦 合难度，在准直器组件的耦合时，只需调整会聚透镜与光纤的相对位置，在光源、准直透 镜和准直器的耦合过程中，首先调整光源与准直透镜的相对位置，调整到功率最大时固定 光源位置，然后对准直器组件的位置进行调整，调整到功率最大时固定准直器组件位置， 耦合完成，整个过程中相较于一般的准直透镜、会聚透镜以及光纤联动调节要简单很多， 减少了复杂度，可以自动化操作。

实施例3

在本实施例中，单模光纤可以根据需要选择带倾角的类型，倾角可以为4°、6°等等。

在准直器组件耦合中，也不可能保证准直器的出射光完全垂直的入射到光束分析仪上， 不过一般能保证在0.5°以内。在本实施例中假设单模光纤倾角为4°，准直器组件出光角度 为0.5°，这种状态下理想耦合效率为94.39％，准直透镜与会聚透镜之间平行光边缘光线角 度为0.052°。同样的本实施例首先对光源的位置进行调节至光功率最大，耦合完成示意图 如图4所示，此时耦合效率约为6.3％，准直透镜与会聚透镜之间平行光边缘光线角度为0.14°； 保持光源位置不变，调节准直组件位置使得功率最大，此时耦合效率约为86.4％；保持准 器组件位置不变，再次调节光源位置，使得功率最大，此时耦合效率为94.2％，准直透镜 与会聚透镜之间平行光边缘光线角度为0.052°；保持光源位置不变，再次对准直器逐渐进 行调节，耦合至光功率最大，此时耦合效率为94.39％已经达到理论最大值，最终耦合状态 如图5所示。从模拟过程来看，为了达到最佳状态可能需要重复耦合动作2～3次，不过所有 的耦合动作依旧只需要耦合其中一个元件，可以使用自动耦合设备完成。

本发明所设计准直***耦合方式，通过先制作准直器组件，固定准直透镜，分别调整 光源和准直器组件进行耦合，每次耦合只需要调准一个元件，相较于一般的准直透镜、会 聚透镜和光纤同时调节的方式；本发明的方法具有：耦合复杂度低，耦合速度快，可以自动化耦合等优势。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的 原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的 技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任 何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种准直***耦合方法，其特征在于，所基于的准直***包括：光源、准直透镜、汇聚透镜、光纤；所述耦合方法包括：

S1、将光纤与会聚透镜耦合成准直器组件；

S2、固定准直透镜，使用两套耦合台调整光源和准直器组件分别与准直透镜进行贴平；

S3、贴平之后，调节光源与准直透镜的相对位置，使得光纤中接收到的功率最大；

S4、调整准直器组件的位置使得其光轴与准直透镜光轴重合。

2.根据权利要求1所述的一种准直***耦合方法，其特征在于，步骤S1采用光斑法，将光纤与会聚透镜耦合成准直器组件；具体的：

将一束激光接入到单模光纤中，将光束分析仪置于会聚透镜后，激光经过会聚透镜后在光束分析仪上呈现出实时的光斑形状；

光束分析仪实时计算光斑中心的位置以及光斑的大小；

并仿真计算得到不同光束分析仪与会聚透镜位置的光斑模拟值；

选择一个光束分析仪与会聚透镜的位置，若得到的光斑大小与光斑模拟值相差较大，则微调会聚透镜与光纤沿光束传播方向上的相对位置，使光斑尺寸接近模拟值；

固定光纤与会聚透镜，使其成为一个准直器组件。

3.根据权利要求2所述的一种准直***耦合方法，其特征在于，步骤S2贴平的过程中使得光源、准直器组件、准直透镜三者的位置处于设计值附近。

4.根据权利要求3所述的一种准直***耦合方法，其特征在于，所述光纤为单模光纤。

5.根据权利要求4所述的一种准直***耦合方法，其特征在于，所述单模光纤为单模PC光纤。

6.根据权利要求5所述的一种准直***耦合方法，其特征在于，在贴平之后，还包括：

A1、通过其中一套耦合台调节光源与准直透镜的相对位置，使得光纤中接收到的功率最大；

A2、若此时的耦合效率未达到理想值，则固定光源，通过另一套耦合台调节准直器组件的位置使得其光轴与准直透镜光轴重合，即耦合效率达到理想值，结束调节。

7.根据权利要求4所述的一种准直***耦合方法，其特征在于，所述单模光纤为带倾角的单模光纤时。

8.根据权利要求7所述的一种准直***耦合方法，其特征在于，在贴平之后，重复执行以下步骤，直到耦合效率达到理想值：

B1、调节光源与准直透镜的相对位置，使得光纤中接收到的功率最大；

B2、保持光源位置不变，调节准直组件位置使得光纤中接收到功率最大。

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