CN115079346A - 一种空间光耦合至光纤的装调装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间光耦合至光纤的装调装置和方法。本发明的装调方法为：首先进行搭建检测装置使相机感光面位于平行光管焦点处，再搭建耦合装置使调整耦合透镜与平行光管同轴，然后使用角锥标示检测装置的光轴位置，最后根据探测耦合光纤和耦合透镜发射出的激光光束的光轴指向、发散角、衍射能量分布使影响耦合效率的五个自由度参量表现为可量化计算的光斑信息，快速判断光纤的失调项和大小，从而快速精确判别下一步装调步骤。具有简化装调步骤，提高耦合效率提升过程的收敛速度的优点。

Description

一种空间光耦合至光纤的装调装置和方法

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种空间光耦合至光纤的装调装置和方法。

背景技术

光纤具有低损耗、可弯曲的特点，自问世以来广泛应用于光通信、传感、激光器等领域。自由空间中传播的光束耦合进入光纤的耦合效率是光能量利用率的重要环节。光纤芯径通常在十微米到数百微米之间，尺寸较小，且理论计算表明光纤的位置姿态误差严重影响耦合效率，敏感程度很高。因此如何快速精确定位光纤是一个重要问题。

光纤的空间位置XYZ和姿态θxθy是影响耦合效率的五个重要参数。在实验室中，通常将光纤端口固定在五维或者六维调节架上，不断调整光纤与耦合透镜的相对位置姿态，根据调节过程中光纤输出的功率变化趋势判断调节项和调节方向，直至达到目标值。通常这个过程较为繁琐耗时，特别是光纤通信中常用的红外波段，难以通过目视初步定位。在涉及到光纤耦合的实际产品中，光纤与耦合透镜一般需要机械固定连接，不存在调节机构，依赖机械尺寸的精度保证耦合效率成本较高，并且由于耦合效率关于光纤位置姿态的敏感度很高，机械定位精度不足以保证耦合效率接近理论极限，无法避免装调过程。在相关的工业产品生产过程中，因为无法连续调整光纤的位置姿态，从而无法通过耦合效率的变化趋势判断下一步的调节方向，导致耦合效率不达标且难以判断失调的光纤自由度和大小，最后使调整过程也更为繁琐费时。

发明内容

本发明是针对现有技术的不足，提供了一种光纤耦合中快速定位光纤位置的装调***和方法，该方法是将影响耦合效率的光纤位置姿态的五个自由度进行可视化的表现，在无法连续调整光纤位置的情况下，依然可以直观的指导下一步的装调方向，简化装调步骤，快速收敛至耦合***的目标耦合效率。

为实现以上目的，本发明提供的技术方案是一种空间光耦合至光纤的装调装置和方法，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种空间光耦合至光纤的装调装置，包括耦合装置和检测装置：

所述耦合装置包括第一光源、功率计、光纤环形器、耦合光纤耦合透镜、小孔光阑、和固定结构件；

所述检测装置包括角锥棱镜、平行光管、分束镜、相机和第二光源；

所述的光纤环形器的三个端口分别与第一光源、功率计、耦合光纤连接；

所述耦合光纤另一端通过固定结构件与耦合透镜固定连接；

所述的小孔光阑为直径可变光阑，放置在耦合透镜前；

所述的角锥棱镜放置在耦合装置和检测装置间，居中放置，且在平行光管通光口径的边缘；

所述相机和第二光源位置关于分束镜的反射面对称，且相机和第二光源都位于平行光管的焦点处。

所述方法包括以下步骤：

（1）搭建装调装置：所述装调装置的搭建为耦合装置和检测装置的搭建，所述耦合装置的搭建为：在光纤环形器的一个端口连接第一光源，另外两个端口分别连接耦合光纤、功率计，耦合透镜与耦合光纤通过固定结构件连接，调整耦合透镜与平行光管同轴；所述检测装置的搭建为：将第二光源放置在平行光管的焦点处，分束镜放置在第二光源和平行光管之间，相机放置在分束镜的垂直方向反射出光口，调整相机位置，使相机感光面位于平行光管焦点处；

（2）标示检测光路光轴：标示检测光路的光轴是将角锥棱镜放置于平行光管光束出射一侧，并放置于平行光管的通光口径边缘处，第二光源发射出的光束经过平行光管准直后，再经过角锥棱镜反射，再经过平行光管聚焦到相机成像，记录相机上的光斑坐标，即检测光路的光轴；

（3）确定耦合光纤Z轴位置：所述的耦合光纤Z轴的方向为光束传播的方向，Z轴位置即是耦合光纤与耦合透镜的距离，确定耦合光纤Z轴位置的具体步骤为：

第一光源经过耦合透镜准直，再经过平行光管聚焦，由相机观察到焦面上光斑大小后，根据光斑计算耦合透镜输出的光束的发散角，再通过固定结构件调整耦合透镜与耦合光纤的间距直到发散角等于理论值，则耦合光纤Z轴位置确定；所述耦合透镜输出的光束的发散角半角等于光斑半径R与平行光管的焦距比值的反正切值；

当耦合光纤端面位于耦合透镜的焦点上，发散角半角理论值等于耦合光纤模场半径除以焦距，通过固定结构件调整耦合透镜与耦合光纤的间距直到发散角等于理论值，则耦合光纤Z轴位置确定；

（4）确定耦合光纤XY轴位置：所述确定耦合光纤XY轴位置的具体步骤为：第一光源经过耦合透镜准直，再经过平行光管聚焦，由相机（11）观察到光斑坐标，耦合光纤在XY平面上的位置可视化的表现为相机（11）上的光斑坐标，调整耦合光纤XY位置，直至相机上光斑位于步骤（2）记录的检测光路的光轴位置，完成耦合光纤XY位置确定；

（5）确定耦合光纤XY轴倾斜：所述确定耦合光纤绕XY轴的倾斜的具体步骤为：调整耦合透镜前小孔光阑的位置和直径，光阑中心与耦合透镜的镜头光轴同轴，可在透镜装配时同步完成小孔的定心或者通过可见光激光器与镜头镜片自准直方法实现光阑小孔与镜头同轴，由第一光源发光，经过平行光管聚焦成像到相机，相机上可观察到小孔的衍射环，调整耦合光纤的倾斜直至衍射环沿轴向能量分布均匀时，耦合光纤绕XY轴的倾斜确定；

（6）计算耦合效率：关闭第一光源，打开第二光源，使用功率计分别测得耦合透镜前的自由空间激光功率值和光纤环形器端口的激光功率值，所述耦合效率为：光纤环形器端口处的功率值与耦合透镜前的功率值的比值。

具体地，所述固定结构件材料为金属铝。

具体地，所述分束镜的分束比例为50:50；所述的平行光管参数包括口径和焦距；第二光源输出的激光由平行光管准直后再入射到耦合透镜的光束分布接近自由空间中的平行光。

进一步地，所述步骤（2）中的标示检测光路的光轴需要角锥棱镜，角锥棱镜将第二光源的激光信号原路反射，进入相机，记录相机上的光斑坐标，此坐标代表检测光路的光轴。

进一步地，所述的步骤（4）中耦合光纤在XY平面上的位置可视化地表现为相机上的光斑坐标，调整耦合光纤XY位置，直至相机上光斑位于检测光路的光轴坐标，即完成耦合光纤XY位置确定。

进一步地，所述步骤（1）-（5）中搭建装调装置、标示检测光路光轴、确定耦合光纤Z轴位置、确定耦合光纤XY轴位置和确定耦合光纤XY轴倾斜中的任一因素都能导致耦合效率没有达到最佳范围。

进一步地，所述耦合效率是根据比值结果进行判断的，当最大比值为81.45%时，装调效果最好。

本发明的有益效果如下：

本发明的目的在于快速实现自由空间激光耦合至光纤的装调过程，并且耦合效率接近理论极限，通过由耦合光纤连接光源发射激光的方法，探测耦合光纤发射的激光的发散角、光束方向、衍射能量环能性质，可快速判断失调项，在激光通信、光纤传感等领域有重要应用。

附图说明

图1是是本发明的总体装置示意图；

图2是本发明的装调方法流程示意图。

附图标记说明：1-第一光源；2-功率计；3-光纤环形器；4-耦合光纤；5-固定结构件；6-耦合透镜；7-小孔光阑；8-角锥棱镜；9-平行光管；10-分束镜；11-相机；12-第二光源。

具体实施方式

下面结合具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明：为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参见图1和图2，本发明提供了一种空间光耦合至光纤的装调装置，该装置包括该一种空间光耦合到光纤的装调装置包括：第一光源1、分束镜10、相机11、平行光管9、耦合光纤4、耦合透镜6、光纤环形器3、功率计2、固定结构件5、角锥棱镜8和小孔光阑7和第二光源12。第二光源12的波长应与最终产品使用的波长相同，本实例选用波长1550nm，最大输出功率100mW，且连续可调。第一光源1优选第二光源12的同参数产品。选用分束比为50：50的分束镜10，相机11选用近红外相机，平行光管9选用单片透镜，口径D为300mm，焦距f为4000mm。耦合光纤4为1550波段单模光纤，耦合透镜6为自行设计的透镜组，光纤环形器3为三端口环形器，功率计2为波长1550nm波段的功率计，固定结构件为金属铝垫片或其他金属材料。

所述耦合装置包括第一光源1、功率计2、光纤环形器3、耦合光纤4耦合透镜6、小孔光阑7、和固定结构件5；

所述检测装置包括角锥棱镜8、平行光管9、分束镜10、相机11和第二光源12；

所述的光纤环形器3的三个端口分别与第一光源1、功率计2、耦合光纤4连接；

所述耦合光纤4另一端通过固定结构件5与耦合透镜6固定连接；

所述的小孔光阑7为直径可变光阑，放置在耦合透镜6前；

所述的角锥棱镜8放置在耦合装置和检测装置间，居中放置，且在平行光管9通光口径的边缘；

所述相机11和第二光源12位置关于分束镜10的反射面对称，且相机11和第二光源都位于平行光管9的焦点处。

使用上述装置搭建装调装置，包括检测装置和耦合装置两部分：

检测装置的***构成：将第二光源12放置在平行光管9的焦点处，分束镜10放置在第二光源12和平行光管9之间，相机放置在分束镜10的垂直方向反射出光口，调整相机11位置，使相机感光面位于平行光管9焦点处。

耦合装置的***构成：在光纤环形器3的一个端口连接第一光源1，另外两个端口分别连接耦合光纤4、功率计2，耦合透镜6与耦合光纤4通过固定结构件5连接，调整耦合透镜6与平行光管9同轴。第一光源1输出的激光进入耦合光纤4，耦合透镜6接收的激光耦合进入耦合光纤4传至功率计2。角锥棱镜8和小孔光阑7为装调过程中使用到的附件。检测装置和耦合装置中使用到的耦合透镜6、平行光管9、分束镜10、小孔光阑7应共轴，可以使用可见激光器自准直或其他可行方式调整各元件共轴。

所述光纤环形器三个端口：第一端口连接第一光源1，第二端口连接耦合光纤4，第三端口连接功率计2；当第一端口为输入端，那么第二端口为输出端，当第二端口为输出端，则第三端口为输入端。

装调步骤包括：

1.1 搭建装调***：按上述的构成方式搭建装调装置。

1.2 标示检测光路光轴：标示检测光路的光轴是将角锥棱镜8放置于平行光管9光束出射一侧，并放置于平行光管9的通光口径边缘处，打开第二光源12，第二光源12发射出的光束经过平行光管9准直后，再经过角锥棱镜8反射，再经过平行光管9聚焦到相机11成像，记录相机11上的光斑坐标(X₀，Y₀)，即检测光路的光轴。然后取下角锥棱镜8，关闭第二光源12。

1.3 确定耦合光纤4的Z轴位置：打开第一光源1，粗略调整耦合光纤4的XY位置，直 至相机11上出现光斑，读取光斑直径，由公式

计算耦合透镜6输出的光束 发散角，式中D为光斑直径，

为平行光管的焦距。不断修磨垫片的厚度，直至计算得到的发 散角接近理论值

，本实例取理论值±10%误差范围，完成耦合光纤4的Z轴位置确定。

1.4 确定耦合光纤4的XY轴位置：耦合光纤4的XY轴位置直观的体现在相机11的光斑坐标上，不断调整耦合光纤4的XY位置直至光斑坐标为(X₀，Y₀)，此时耦合光纤4端面位于耦合透镜6的焦点上。

1.5 确定耦合光纤4的XY轴倾斜：在耦合透镜6和平行光管9间加入小孔光阑7，光阑口径为2mm，***光轴穿过光阑孔中心，可以配合使用可见光激光器确定此位置。由于小孔的加入，相机上呈现出小孔光阑7的衍射图样，由于上一步已将耦合光纤4的XY位置确定，此时影响衍射环的轴向能量分布的变量只有耦合光纤4的XY方向倾斜，不断修磨垫片的楔角，直至衍射环能量分布均匀，均匀的判定标准可选取不同径向的衍射环能量对比，误差控制在10%内。

1.6 耦合效率测试：打开第二光源12，读取光纤环形器3端口处的功率计2上显示 的功率值

，再测量耦合透镜6前的自由空间激光的功率值

，

和

的比值为耦合效率，根 据自由空间光束耦合理论，所述耦合效率是根据比值结果进行判断的，该耦合效率理论最 大值为81.45%时，装调完成效果最好。

进一步地，所述步骤（2）-（5）中搭建装调装置、标示检测光路光轴、确定耦合光纤Z轴位置、确定耦合光纤XY轴位置和确定耦合光纤XY轴倾斜中的任一因素都能导致耦合效率没有达到最佳范围。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种空间光耦合至光纤的装调装置，其特征在于，包括耦合装置和检测装置：

所述耦合装置包括第一光源、功率计、光纤环形器、耦合光纤耦合透镜、小孔光阑、和固定结构件；

所述检测装置包括角锥棱镜、平行光管、分束镜、相机和第二光源；

所述的光纤环形器的三个端口分别与第一光源、功率计、耦合光纤连接；

所述耦合光纤另一端通过固定结构件与耦合透镜固定连接；

所述的小孔光阑为直径可变光阑，放置在耦合透镜前；

所述的角锥棱镜放置在耦合装置和检测装置间，居中放置，且在平行光管通光口径的边缘；

所述相机和第二光源位置关于分束镜的反射面对称，且相机和第二光源都位于平行光管的焦点处。

2.根据权利要求1所述的一种空间光耦合至光纤的装调装置，其特征在于，所述固定结构件材料为金属铝。

3.根据权利要求1所述的一种空间光耦合至光纤的装调装置，其特征在于，所述分束镜的分束比例为50:50；平行光管的参数包括口径和焦距；第二光源输出的激光由平行光管准直后再入射到耦合透镜的光束分布接近自由空间中的平行光。

4.一种空间光耦合至光纤的装调方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）搭建装调装置：所述装调装置的搭建为耦合装置和检测装置的搭建，所述耦合装置的搭建为：在光纤环形器的一个端口连接第一光源，另外两个端口分别连接耦合光纤、功率计，耦合透镜与耦合光纤通过固定结构件连接，调整耦合透镜与平行光管同轴；所述检测装置的搭建为：将第二光源放置在平行光管的焦点处，分束镜放置在第二光源和平行光管之间，相机放置在分束镜的垂直方向反射出光口，调整相机位置，使相机感光面位于平行光管焦点处；

（2）标示检测光路光轴：标示检测光路的光轴是将角锥棱镜放置于平行光管光束出射一侧，并放置于平行光管的通光口径边缘处，第二光源发射出的光束经过平行光管准直后，再经过角锥棱镜反射，再经过平行光管聚焦到相机成像，记录相机上的光斑坐标，即检测光路的光轴；

（3）确定耦合光纤Z轴位置：所述的耦合光纤Z轴的方向为光束传播的方向，Z轴位置即是耦合光纤与耦合透镜的距离，确定耦合光纤Z轴位置的具体步骤为：

第一光源经过耦合透镜准直，再经过平行光管聚焦，由相机观察到焦面上光斑大小后，根据光斑计算耦合透镜输出的光束的发散角，再通过固定结构件调整耦合透镜与耦合光纤的间距直到发散角等于理论值，则耦合光纤Z轴位置确定；所述耦合透镜输出的光束的发散角半角等于光斑半径R与平行光管的焦距比值的反正切值；

当耦合光纤端面位于耦合透镜的焦点上，发散角半角理论值等于耦合光纤模场半径除以焦距，通过固定结构件调整耦合透镜与耦合光纤的间距直到发散角等于理论值，则耦合光纤Z轴位置确定；

（4）确定耦合光纤XY轴位置：所述确定耦合光纤XY轴位置的具体步骤为：第一光源经过耦合透镜准直，再经过平行光管聚焦，由相机（11）观察到光斑坐标，耦合光纤在XY平面上的位置可视化的表现为相机（11）上的光斑坐标，调整耦合光纤XY位置，直至相机上光斑位于步骤（2）记录的检测光路的光轴位置，完成耦合光纤XY位置确定；

（5）确定耦合光纤XY轴倾斜：所述确定耦合光纤绕XY轴的倾斜的具体步骤为：调整耦合透镜前小孔光阑的位置和直径，光阑中心与耦合透镜的镜头光轴同轴，可在透镜装配时同步完成小孔的定心或者通过可见光激光器与镜头镜片自准直方法实现光阑小孔与镜头同轴，由第一光源发光，经过平行光管聚焦成像到相机，相机上可观察到小孔的衍射环，调整耦合光纤的倾斜直至衍射环沿轴向能量分布均匀时，耦合光纤绕XY轴的倾斜确定；

（6）计算耦合效率：关闭第一光源，打开第二光源，使用功率计分别测得耦合透镜前的自由空间激光功率值和光纤环形器端口的激光功率值，所述耦合效率为：光纤环形器端口处的功率值与耦合透镜前的功率值的比值。

5.根据权利要求4所述的一种空间光耦合至光纤的装调方法，其特征在于，所述步骤（2）中的标示检测光路的光轴需要角锥棱镜，角锥棱镜将第二光源的激光信号原路反射，进入相机，记录相机上的光斑坐标，此坐标代表检测光路的光轴。

6.根据权利要求4所述的一种空间光耦合至光纤的装调方法，其特征在于，所述的步骤（4）中耦合光纤在XY平面上的位置可视化地表现为相机上的光斑坐标，调整耦合光纤XY位置，直至相机上光斑位于检测光路的光轴坐标，即完成耦合光纤XY位置确定。

7.根据权利要求4所述的一种空间光耦合至光纤的装调方法，其特征在于，所述步骤（1）-（5）中搭建装调装置、标示检测光路光轴、确定耦合光纤Z轴位置、确定耦合光纤XY轴位置和确定耦合光纤XY轴倾斜中的任一因素都能导致耦合效率没有达到最佳范围。

8.根据权利要求4所述的一种空间光耦合至光纤的装调方法，其特征在于，所述耦合效率是根据比值结果进行判断的，当最大比值为81.45%时，装调效果最好。

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