CN118311710A - 一种扇形光纤波导阵列模块 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种扇形光纤波导阵列模块，所述扇形光纤波导阵列模块，包括波导衬底、光纤波导和微透镜，其中，所述衬底，设置有光纤波导槽，用于将所述光纤波导嵌入所述衬底中，且所述光纤波导与所述衬底在同一平面上；所述光纤波导，末端按照扇形排列，且任意两条所述光纤波导之间的夹角为固定特征角；所述微透镜，设置于所述光纤波导的末端。应用本申请实施例提供的扇形光纤波导阵列模块，可以实现在不改变激光出射功率、不降低激光的发散角、无机械运动部件支持情况下实现激光出射方向调整。

Description

一种扇形光纤波导阵列模块

技术领域

本申请涉及激光通信技术领域，尤其涉及一种扇形光纤波导阵列模块。

背景技术

在自由空间激光通信领域，激光通信发射终端和接收终端两者之间通常采用瞄准捕获跟踪设备(PAT)实时调整激光方向，该功能通常由电机驱动的二维旋转机构和压电驱动的二维振镜机构配合完成。

PAT是一种高精度高灵敏度精密光机设备，自由空间中两个终端相互位置随时间动态变化，导致PAT处于连续机械运动(微调)状态，机械部件长时间连续运动对搭载PAT的飞行器平台的能量消耗、姿轨控制产生不利影响，此外对于搭载多个PAT的平台情况，其功耗、体积、重量、展开包络等方面对平台的设计产生不同程度的不利影响。

有鉴于此，如何提供一种在不改变出射功率、不降低激光的发散角、无机械运动部件支持情况下，实现对激光出射方向进行调整，成为当前亟需解决的技术问题。

发明内容

本申请实施例提供一种扇形光纤波导阵列模块，用以解决现有技术中存在的在不改变出射功率、不降低激光的发散角、无机械运动部件支持情况下，难以实现激光出射方向调整的问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种扇形光纤波导阵列模块，所述扇形光纤波导阵列模块，包括波导衬底、光纤波导和微透镜，其中，

所述波导衬底，设置有光纤波导槽，用于将所述光纤波导嵌入所述衬底中，且所述光纤波导与所述波导衬底在同一平面上；

所述光纤波导，末端按照扇形排列，且任意两条所述光纤波导之间的夹角为固定的特征角，用于控制激光的出射方向；

所述微透镜，设置于所述光纤波导的末端，其中，所述微透镜的一端面为准直光纤，用于对入射的激光进行准直。

可选的一种实施例中，所述任意两条所述光纤波导之间的夹角为固定的特征角中，所述特征角满足第一公式，其中，所述第一公式为：

其中

其中，L为激光最小有效作用距离；r为所述光纤波导的扇形弧面曲率半径；θ为扇形光纤波导阵列模块中任意两条所述光纤波导之间的固定的特征角；ψ为激光束被准直为准平行光后的发散角。

可选的一种实施例中，所述微透镜的一端面，为入射端为凸球面的的准直光纤。

可选的一种实施例中，所述光纤波导，包括光纤波导纤芯和光纤包层，其中，

在目标温度区域范围内，所述光纤波导纤芯的折射率不小于目标折射率。其中，所述光纤波导纤芯的末端为平面；

所述光纤包层的折射率小于所述光纤波导纤芯的折射率。

可选的一种实施例中，所述光纤波导横截面的直径，与所述光纤包层的外径的差满足预设差值，其中，所述光纤包层的外径符合预设外径阈值。

可选的一种实施例中，所述波导衬底上，根据光传输方向，将所述光纤波导槽的始端确定为入射端，将所述光纤波导槽的末端确定为出射端。

可选的一种实施例中，所述波导衬底，包括梯形区域、矩形区域和扇形区域，其中，

设置于所述波导衬底上的光纤波导槽，依次按照所述梯形区域、所述矩形区域和所述扇形区域的形状进行排列，且所述光纤波导槽在经过所述扇形区域、所述矩形区域和所述梯形区域时，其衔接位置以圆角过渡。

可选的一种实施例中，所述光纤波导模块，用于与开关组合，控制单束激光的出射方向沿着圆弧改变。

可选的一种实施例中，所述扇形光纤波导阵列模块，还包括：光纤法兰，其中，所述光纤法兰，用于连接所述光纤波导始端，将激光光源从任意所述光纤波导始端，入射到所述光纤波导。

本申请提供了一种扇形光纤波导阵列模块，所述扇形光纤波导阵列模块，包括波导衬底、光纤波导和微透镜，其中，所述波导衬底，设置有光纤波导槽，用于将所述光纤波导嵌入所述衬底中，且所述光纤波导与所述波导衬底在同一平面上；所述光纤波导，末端按照扇形排列，且任意两条所述光纤波导之间的夹角为固定的特征角，用于控制激光的出射方向；所述微透镜，设置于所述光纤波导的末端，其中，所述微透镜的一端面为准直光纤，用于对入射的激光进行准直。

应用本申请实施例提供的扇形光纤波导阵列模块，可以实现在不改变激光出射功率、不降低激光的发散角、无机械运动部件支持情况下实现激光出射方向调整。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本申请实施例提供的一种扇形光纤波导阵列模块结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种扇形光纤波导阵列模块的准直光纤与光纤波导相对位置的示意图；

图3是本申请实施例提供的一种扇形光纤波导阵列模块的角度覆盖示意图；

图4是本申请实施例提供的一种扇形光纤波导阵列模块的作用距离示意图；

图5是本申请实施例提供的一种扇形光纤波导阵列模块的空间扫描角度范围示意图；

其中，1-波导衬底；2-光纤波导；3-准直光纤；4-光纤法兰；21-光纤波导纤芯；22-光纤包层。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在自由空间激光通信领域，激光通信发射终端和接收终端两者之间通常采用瞄准捕获跟踪设备(即PAT)实时调整激光方向，该功能通常由电机驱动的二维旋转机构和压电驱动的二维振镜机构配合完成。

在太空的卫星平台上，为保证电机驱动的二维旋转机构和压电驱动的二维振镜机构正常工作，通常需要热控模块辅助加热确旋转机构和振镜机构处于合适的温度。

PAT是一种高精度高灵敏度精密光机设备，自由空间中两个终端相互位置随时间动态变化导致PAT处于连续机械运动(微调)状态，机械部件长时间连续运动对搭载PAT的飞行器平台的能量消耗、姿轨控制产生不利影响，此外对于搭载多个PAT的平台情况，其功耗、体积、重量、展开包络等方面对平台的设计产生不同程度的不利影响。

体小积、重量小、功耗低是微小卫星载荷发展方向。光机设备小型化是必然趋势，二维旋转设备是影响体积和功耗的重要因素。有数据证明光纤在太空环境中具有良好的性能，其柔韧性和稳定性为激光在太空的应用奠定良好的基础。使得光纤波导替代机械设备成为可能。

随着卫星姿态轨道测量与定位技术的不断提高，姿态位置相对稳定的两颗卫星之间可以采用压电驱动的振镜机构完成小范围内激光链路捕获跟踪。美国林肯实验室卫星已经实现无旋转机构的星地激光通信，表明卫星姿态高精度控制的可行性。

光纤波导在光通信、传感器、分析仪器、光子晶体等方面具有较为广泛的应用。光纤波导易于高密度集成，通常用于解决特殊的光传输问题。

当前的光学设备已经证明光纤在光路分束、合束、相位调制方面具有独特优势。通过结合光开关等模块，光纤波导阵列可实现光能量合并或分散、光波分复用或解波分复用、光传输方向调制等多种用途。根据激光光束特性，合理设计和优化，形成光纤波导阵列模块，实现一定角度范围内光束覆盖，应用于卫星激光通信，弥补现有PAT设备不足，对未来卫星互联网发展具有深远意义。

本申请实施例提供一种扇形光纤波导阵列模块，本申请一个或多个实施例同时涉及一种激光出射方向调整方法，将在下述实施例中进行详细介绍。

参见图1，图1是本申请实施例提供的一种扇形光纤波导阵列模块结构示意图。如图1所示，所述扇形光纤波导阵列模块，包括波导衬底1、光纤波导2、准直光纤3和光纤法兰4。

其中，所述波导衬底1，一面设置为弧面，此外，在所述波导衬底1上设置有光纤波导槽，用于将所述光纤波导2嵌入所述衬底中，且所述光纤波导2与所述波导衬底1在同一平面上。

所述光纤波导2，末端按照固定的角度θ扇形排列，且任意两条所述光纤波导2之间的夹角为固定的特征角，用于控制激光的出射方向。

所述微透镜，设置于所述光纤波导2的末端，其中，所述微透镜的一端面为准直光纤3，用于对入射的激光进行准直。需要说明的是，所述微透镜的一端面，为入射端为凸球面的的准直光纤3。

所述光纤法兰4，用于连接所述光纤波导2始端，将激光光源从任意所述光纤波导2始端，入射到所述光纤波导2。实际应用中，准直光纤3位于光纤波导2的末端，光纤法兰4连接光纤波导2始端，将激光光源从任意波导始端入射到波导，激光经过波导入射到准直光纤3，经准直光纤3准直后射出器件，选择不同的波导出射激光，可实现激光从波导1到波导n任意方向出射，切换选择的光波导可实现该器件覆盖的nθ角度范围内一维扫描。

所述波导衬底1的材料为陶瓷或金属合金，本申请实施例中，所述波导衬底1的材料选为陶瓷材料，但本领域技术人员应当知晓，这里的波导衬底1的材料选择可以根据实际需要进行确定。

参见图1，所述波导衬底1，包括梯形区域(T)、矩形区域(J)和扇形区域(S)，其中，设置于所述波导衬底1上的光纤波导槽，依次按照所述梯形区域、所述矩形区域和所述扇形区域的形状进行排列，且所述光纤波导槽在经过所述扇形区域、所述矩形区域和所述梯形区域时，其衔接位置以圆角过渡。实际应用中，在扇形区域，所述光纤波导槽按扇形排列；在矩形区域，所述光纤波导槽按矩形排列；在梯形区域，所述光纤波导槽按梯形排列。此外，衔接位置以圆角过渡，这里的圆角半径大于等于100毫米。

需要说明的是，在光纤波导2区域，波导槽直径与所述光纤波导2外径相近，在准直光纤3区域，波导槽直径与所述准直光纤3外径相近。

还需要说明的是，这里的光纤波导槽的横截面为圆形，本申请实施例中，设该圆形的直径为D1。

还需要说明的是，波导衬底1的矩形区(J)两侧配置4个固定卡槽(G)，用于装配器件螺钉固定。

参见图2，图2是本申请实施例提供的一种扇形光纤波导阵列模块的准直光纤与光纤波导相对位置的示意图。如图2所示，所述光纤波导2，包括光纤波导纤芯21和光纤包层22。

实际应用中，按照光传输方向顺序，光纤波导2始端通过光纤法兰4固定在波导衬底1后端面，光纤波导2在光纤波导槽内，依次经过在梯形区(T)、矩形区(J)、扇形区(S)，光纤波导2末端的端面位于所述准直光纤3的焦点，光纤波导2的末端与所述准直光纤3入射端面距离f等于准直光纤3的焦距f₀(f₀＝5mm)。

其中，在目标温度区域范围内，所述光纤波导纤芯21的折射率不小于目标折射率。其中，所述光纤波导纤芯21的末端为平面；所述光纤包层22的折射率小于所述光纤波导纤芯21的折射率。

需要说明的是，这里的目标温度区域范围，本申请实施例中设为-100℃～100℃温度范围内；这里的目标折射率，本申请实施例设为1.5。

还需要说明的是，光纤包层22的折射率小于纤芯折射率，其折射率比变化范围为[1.3,1.4]。

实际应用中，在-100℃～100℃温度范围内，光纤波导纤芯21折射率大于等于1.5，其光纤波导纤芯21折射率变化范围为[1.5,1.7]。

还需要说明的是，光纤波导纤芯21直径为d(8μm≤d≤100μm，本申请实施例中d取值为20μm)，包层与光纤波导纤芯21材料之间热膨胀系数之差小于1×10^-6；包层与波导衬底1材料之间热胀系数之差小于1×10^-6。

本申请实施例中，所述光纤波导横截面的直径，与所述光纤包层22的外径的差满足预设差值，其中，所述光纤包层22的外径符合预设外径阈值。需要说明的是，本说明书实施例中，将光纤波导包层的外径设为D₂，其中，3d≤D₂≤50d，D₁-D₂≤20μm。

本申请实施例中，所述微透镜的折射率大于等于1.5，准直光纤纤芯直径D₂，(准直光纤长度为h(1mm≤h≤20mm)。

需要说明的是，光纤波导纤芯21末端为平面，准直光纤3入射端面为凸球面，焦距为f₀，f₀≥5mm。

此外，微透镜为一端面为凸球面的准直光纤3，在-100℃～100℃温度范围内，准直光纤3折射率等于1.5，准直光纤3纤芯直径等于D₂，准直光纤3长度为h(h取值5mm)；准直光纤3入射端面为凸球面，焦距为f₀，f₀＝5mm。

需要说明的是，同一型号器件上的每一支光纤波导2除长度参数有差异外，其他参数均相同。

还需要说明的是，同一型号器件上的光纤波导2数量为固定值n，针对不同的型号，n的取值范围为离散值(n＝8,16,32,64,128)，本申请实施例优选n＝16.

还需要说明的是，同一型号器件上的光纤波导2中，任意相邻的两支波导夹角均为θ(θ为该器件的特征角，θ根据激光器发散角取值)。

本申请实施例中，所述光纤波导模块，用于与开关组合，控制单束激光的出射方向沿着圆弧改变。

参见图3，图3是本申请实施例提供的一种扇形光纤波导阵列模块的角度覆盖示意图。

如图3所示，采用本申请提供的扇形光纤波导阵列模块，定义第1波导的入射角为0°，激光从任意波导i(1≤i≤n)入射，则激光出射角为(i-1)θ；选择不同的入射波导，可使激光在(i-1)θ(1≤i≤16)角度方向出射。

参见图4，图4是本申请实施例提供的一种扇形光纤波导阵列模块的作用距离示意图。

如图4所示，定义扇形曲率半径为r，经过准直光纤3出射后，激光束被准直后发散角为ψ，扇形光纤波导阵列模块的特征角为θ，相邻两波导出射的光束在距离为L的区域相交，则在目标距离大于L的面内(与扇形波导阵列同一平面内)区域角度覆盖范围为0-(i-1)θ。

因此，θ，ψ，L的关系满足关系式：

其中

其中，L为激光最小有效作用距离；r为所述光纤波导的扇形弧面曲率半径；θ为扇形光纤波导阵列模块中任意两条所述光纤波导之间的固定的特征角；ψ为激光束被准直为准平行光后的发散角。

实际应用中，按照特征角θ、扇形曲率半径、激光光束发散角、目标距离及上述计算公式确定具体使用型号，采用本申请提供的扇形光纤波导阵列模块或其采用其集成的组件，可在空间激光通信终端实现一维或二维扫描。

需要说明的是，L是实际应用环境中两个通信终端的最小距离，根据激光的功率值确定L距离处激光有效半径R(即，在半径为R的光斑内，目标接收到该激光均有效)，由R和L确定激光的发散角ψ(发散角的值约等于R和L的比值)，再根据上述关系式选择合适的r和θ值，确定扇形光纤波导阵列模块型号，本实施例根据上述关系式列出部分典型特征值如表1所示。

表1扇形光纤波导阵列模块典型参数对应关系

L(km)	ψ(rad)	θ(rad)	r(m)	R(m)
					100	0.005	4E-8	100000	500
400	0.00125	1E-8	400000	500
					1000	0.0005	4E-9	1000000	500
4000	0.000125	1E-9	4000000	500
					10000	0.00005	4E-10	10000000	500
40000	0.0000125	1E-10	40000000	500

表1中激光功率对应的有效半径取值为500m，根据L不同，可选择不同的发散角，本实施例扇形光纤波导阵列模块的曲率半径r取值与L相等，根据激光的有效光斑半径和目标距离，计算对应特征角θ。

需要说明的是，在本申请实施例提供的扇形光纤波导阵列模块中，波导阵列模块的波导数量用n表示，其中，这里的n的取值为8，16，32，64，128。

扇形光纤波导阵列模块中任意两条所述光纤波导的夹角用θ表示，这里的θ为该扇形光纤波导阵列模块的特征角。

光纤波导的扇形排列的波导弧面曲率半径用r表示。

第1波导的入射角用0°表示，激光从任意波导i(1≤i≤n)入射，激光出射角为(i-1)θ，经过微透镜出射后，激光束被准直为准平行光(发散角为ψ)。

激光最小有效作用距离用L表示。

扇形光纤波导阵列模块所有波导出射光覆盖角度范围0～(i-1)θ。

还需要说明的是，波导数量n值对应一个θ值，不同型号的光纤波导纤芯21和准直光纤3材料适用的激光波长范围包含但不仅限于400nm～550nm，550nm～650nm，650nm～850nm，850nm～1260nm，1260nm～1660nm，1660nm～10600nm。

参见图5，图5是本申请实施例提供的一种扇形光纤波导阵列模块的空间扫描角度范围示意图。

准直光纤3发散角为ψ(ψ取值0.000125rad)，在满足上述关系式的条件下，该器件独立使用时，其在三维空间覆盖的角度范围分别为0.00025rad(x-y方向)和1.6×10^-8rad(x-z方向)，在x-z方向上，扫描覆盖范围对应8000m，工作距离为4000km；采用本实施例提供的扇形光纤波导阵列模块，可实现1.6×10^-8rad(x-z方向)角度范围内扫描。

采用本发明提供的一种扇形光纤波导阵列模块，根据激光的有效光斑半径和目标距离，选择扇形光纤波导阵列模块特征角，确定光纤波导阵列模块特征角型号，可实现0～iθ范围内自由扫描，将其与光开关组合实现单束激光的出射方向沿着圆弧改变。采用本发明，在不改变激光出射功率、不降低激光的发散角、无机械运动部件支持情况下实现激光出射方向调整，对空间激光通信技术发展有重要意义。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未做相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必需具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制，方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定为(旋转90°或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。

此外需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本领域技术人员可以理解，虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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保护范围之内。

Claims (9)

1.一种扇形光纤波导阵列模块，其特征在于，所述扇形光纤波导阵列模块，包括波导衬底、光纤波导和微透镜，其中，

所述波导衬底，设置有光纤波导槽，用于将所述光纤波导嵌入所述衬底中，且所述光纤波导与所述波导衬底在同一平面上；

所述光纤波导，末端按照扇形排列，且任意两条所述光纤波导之间的夹角为固定的特征角，用于控制激光的出射方向；

所述微透镜，设置于所述光纤波导的末端，其中，所述微透镜的一端面为准直光纤，用于对入射的激光进行准直。

2.根据权利要求1所述的一种扇形光纤波导阵列模块，其特征在于，所述任意两条所述光纤波导之间的夹角为固定的特征角中，所述特征角满足第一公式，其中，所述第一公式为：

其中

其中，L为激光最小有效作用距离；r为所述光纤波导的扇形弧面曲率半径；θ为扇形光纤波导阵列模块中任意两条所述光纤波导之间的固定的特征角；ψ为激光束被准直为准平行光后的发散角。

3.根据权利要求1所述的一种扇形光纤波导阵列模块，其特征在于，所述微透镜的一端面，为入射端为凸球面的的准直光纤。

4.根据权利要求1所述的一种扇形光纤波导阵列模块，其特征在于，所述光纤波导，包括光纤波导纤芯和光纤包层，其中，

在目标温度区域范围内，所述光纤波导纤芯的折射率不小于目标折射率。其中，所述光纤波导纤芯的末端为平面；

所述光纤包层的折射率小于所述光纤波导纤芯的折射率。

5.根据权利要求4所述的一种扇形光纤波导阵列模块，其特征在于，所述光纤波导横截面的直径，与所述光纤包层的外径的差满足预设差值，其中，所述光纤包层的外径符合预设外径阈值。

6.根据权利要求1所述的一种扇形光纤波导阵列模块，其特征在于，所述波导衬底上，根据光传输方向，将所述光纤波导槽的始端确定为入射端，将所述光纤波导槽的末端确定为出射端。

7.根据权利要求6所述的一种扇形光纤波导阵列模块，其特征在于，所述波导衬底，包括梯形区域、矩形区域和扇形区域，其中，

设置于所述波导衬底上的光纤波导槽，依次按照所述梯形区域、所述矩形区域和所述扇形区域的形状进行排列，且所述光纤波导槽在经过所述扇形区域、所述矩形区域和所述梯形区域时，其衔接位置以圆角过渡。

8.根据权利要求1所述的一种扇形光纤波导阵列模块，其特征在于，所述光纤波导模块，用于与开关组合，控制单束激光的出射方向沿着圆弧改变。

9.根据权利要求1所述的一种扇形光纤波导阵列模块，其特征在于，所述扇形光纤波导阵列模块，还包括：光纤法兰，其中，所述光纤法兰，用于连接所述光纤波导始端，将激光光源从任意所述光纤波导始端，入射到所述光纤波导。