本實用新型涉及一種光波分復(fù)用器，尤其涉及一種微型低損耗光波分復(fù)用器，屬于光纖通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)方案的光波分復(fù)用器的結(jié)構(gòu)一般類似說明書附圖的圖l所示：由雙光纖頭101中的一根光纖發(fā)射多通道光信號，經(jīng)過Grin-Lens(自聚焦透鏡)104準(zhǔn)直，入射多層介質(zhì)膜濾波片105；經(jīng)多層介質(zhì)膜濾波片105的多光束干涉選擇出透射的通道光信號入射透鏡106，經(jīng)透鏡106會聚，耦合進(jìn)單光纖頭108；從多層介質(zhì)膜濾波片105表面反射的其余光信號經(jīng)自聚焦透鏡104會聚，耦合進(jìn)雙光纖頭101中的另外一根光纖；完成光波分復(fù)用功能。

其中，膠110用于固定多層介質(zhì)膜濾波片105在Grin-Lens(自聚焦透鏡)104的平面端，膠111用于固定Grin-Lens(自聚焦透鏡)104的斜面端與雙光纖頭101的斜面端；雙光纖準(zhǔn)直器組件通過膠固定在第一套管102內(nèi)，再被用膠103固定在第二套112內(nèi)，再用膠密封；通過膠把Grin-Lens(自聚焦透鏡)106在第三套管107內(nèi)，單光纖頭108通過膠固定在第三套管107內(nèi)，膠109把第三套管107固定在第二套管112內(nèi)，再用膠密封。

現(xiàn)有技術(shù)方案的光波分復(fù)用器的缺點在于使用預(yù)先固定工作距離和束腰大小的單光纖準(zhǔn)直器，當(dāng)雙光纖準(zhǔn)直器與單光纖準(zhǔn)直器耦合時，除了工作距離和束腰大小的失配特別是對于密集波分復(fù)用領(lǐng)域，還會有更嚴(yán)重的耦合失配：由于多層介質(zhì)膜濾波片105的多光束干涉時所導(dǎo)致的光斑擴(kuò)束和光斑中心位移的高斯光束參數(shù)變化所帶來的耦合失配。

理論分析如下：

一、工作距離和束腰大小的失配：

兩光纖通過透鏡耦合的光路圖如說明書附圖的圖4所示。

光纖a發(fā)出的束腰半徑為ω₀₀，數(shù)值孔徑為NA₁的高斯光束，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡L，作用后，束腰半徑和數(shù)值孔徑分別為ω₀₁和NA₂,再由光纖b接收。而光纖b只接收滿足ω₀₁≤ω_0b和NA₂≤NA_b光束，其中ω_0b和NA_b由光纖b決定。

為將光纖a發(fā)出的光全部耦合進(jìn)光纖b，需要確定合適的光纖a物距d₁，光纖a像距d₂，光纖b像距d₃和光纖b物距d₄，準(zhǔn)直透鏡焦距F₁和聚焦透鏡焦距F₂。

由于光通信器件內(nèi)部的各準(zhǔn)直器一般采用同一種規(guī)格的光纖，而光纖出射光的高斯光束的束腰就在光纖端面，當(dāng)光纖端面置于透鏡焦距為f的透鏡的前焦點處時，此時在透鏡右邊的高斯光束具有最大的束腰值ω₀₁，根據(jù)基模高斯光束空間變換，可以得到：

其中，光信號的中心波長為λ。當(dāng)光纖a采用透鏡焦距為f的準(zhǔn)直透鏡得到最大值則光纖b應(yīng)相應(yīng)采用透鏡焦距為f的準(zhǔn)直透鏡得到最大值ω₀₁，當(dāng)兩高斯光束在同樣大小束腰ω₀₁的位置耦合時，得到最佳耦合，則光纖a出射的光全部禍合進(jìn)光纖b。

考慮到兩準(zhǔn)直器對調(diào)裝配相合的各不確定因素，兩光纖通過透鏡準(zhǔn)直的高斯光束的相合失配情況如說明書附圖的圖5所示。

根據(jù)模場相合理論，兩個單模光纖準(zhǔn)直器耦合時，光場分布為E₁的高斯光束1與光強(qiáng)分布為E₂高斯光束2的耦合效率T為：

式中：為E₂的共軛復(fù)數(shù)，x和y為坐標(biāo)。

根據(jù)模場耦合理論，運用高斯光束傳輸理論，經(jīng)進(jìn)一步推導(dǎo)，可以分別從模場失配耦合、橫向偏離耦合、軸向偏離耦合和偏角耦合這四個方面理論計算出兩個單模光纖準(zhǔn)直器之間的插入損耗。

1)模場失配耦合損耗IL₁：

式中：Δω＝ω₁-ω₂，即表示Δω為耦合兩準(zhǔn)直器的束腰半徑ω₁和ω₂之差。

2)橫向偏離耦合損耗IL₂：

式中：dx為橫向偏離距離。

3)軸向偏離耦合損耗IL₃：

式中：Δz為軸向偏離距離，λ為光波波長。

4)偏角耦合損耗IL₄：

式中：dθ為偏角角度。

現(xiàn)有技術(shù)方案的光波分復(fù)用器使用預(yù)先固定工作距離和束腰大小的準(zhǔn)直器，由于光波分復(fù)用器的光路設(shè)計已經(jīng)固定了雙光纖準(zhǔn)直器和單光纖準(zhǔn)直器的位置，在這樣的限制條件下，單光纖準(zhǔn)直器與雙光纖準(zhǔn)直器進(jìn)行對調(diào)時，通過細(xì)調(diào)調(diào)整架的俯仰、升降、旋轉(zhuǎn)、X軸平移和Y軸平移等調(diào)節(jié)螺桿，只能盡可能地消除單光纖準(zhǔn)直器與雙光纖準(zhǔn)直器耦合時的角度失配損耗，而不能解決束腰失配損耗和軸向失配損耗。

這是采用預(yù)先固定工作距離和束腰大小的準(zhǔn)直器的光波分復(fù)用器的固有缺點。

二、多層介質(zhì)膜濾波片的多光束干涉時所導(dǎo)致的光斑擴(kuò)束和中心光路錯位的高斯光束參數(shù)變化所帶來的耦合失配。

當(dāng)一束光以一定的角度入射到多層介質(zhì)膜的表面時，光束在多層介質(zhì)膜內(nèi)各介質(zhì)的交界面發(fā)生多次反射和折射，總反射光和透射光都是由多光束合成，在空氣中就是多次反射光相干疊加的結(jié)果。光束的電矢量和磁矢量各分為兩個分量，平行于入射面的分量為P波，垂直于入射面的分量為S波。

以空氣與多次介質(zhì)膜的第一層介質(zhì)薄膜的反射光為例：

設(shè)定φ₀為入射角，φ₁和φ₂為第一層薄膜和第二層薄膜的折射角，n₀為空氣的折射率，n₁為第一層薄膜的折射率，n₂為第二層薄膜的折射率。由菲涅爾反射公式，可以給出P波和S波的振幅反射系數(shù)(r_p，r_s)。對于空氣與第一層介質(zhì)薄膜的界面，P波和S波的反射系數(shù)分別為：

根據(jù)折射定律，φ₀和φ₁應(yīng)滿足下面關(guān)系：

n₀sinφ₀＝n₁sinφ₁

對于第一層介質(zhì)薄膜與第二層介質(zhì)薄膜的界面，同理有上述確定的關(guān)系式。進(jìn)而可以算出，任意兩相鄰反射光間的光程差L：

L＝2n₁dcosφ₁

其中d為第一層介質(zhì)薄膜的厚度。由此光程差引起的相鄰兩級反射光的位相差為2δ，則：

由于第一層介質(zhì)薄膜上下表面對光多次反射和折射，我們在空氣中看到的是多次反射光相干疊加的結(jié)果,引入P波、S波的總振幅反射系數(shù)：

其中：(E_p)_反為P波反射振幅，(E_p)_入為其入射振幅；(E_s)_反為S波的反射振幅，(E_s)_入為其入射振幅。根據(jù)多光束干涉理論，我們可以求得總振幅反射系數(shù)：

其中：r_2p表示第二層介質(zhì)薄膜的P波的反射系數(shù)；r_2s表示第二層介質(zhì)薄膜的S波的反射系數(shù)；i表示虛數(shù)。

由于P波的振幅反射系數(shù)r_p和S波的反射系數(shù)r_s不等，總振幅反射系數(shù)也各不相同；多信道光信號多光束干涉后，各波長的P波和S波的振幅衰減比或相對振幅衰減也各不相同，最終多信道光信號的P波和S波的組合波形就不相同；外在表現(xiàn)就是多信道光信號的反射光斑變大并且光斑中心產(chǎn)生位移。同理分析可以得到多信道光信號的透射光斑變大并且光斑中心產(chǎn)生位移。

多層介質(zhì)膜濾波片105的介質(zhì)膜層數(shù)越多，則上述現(xiàn)象越嚴(yán)重。由于多層介質(zhì)膜濾波片105的多光束干涉所導(dǎo)致的光斑擴(kuò)束和光斑中心位移，透射光的高斯光束參數(shù)發(fā)生變化，從而對預(yù)先固定工作距離和束腰大小的準(zhǔn)直器帶來橫向位移耦合損耗和束腰耦合損耗失配。粗波分復(fù)用領(lǐng)域的光波分復(fù)用器會有上述耦合失配問題，對于密集波分復(fù)用領(lǐng)域的光波分復(fù)用器，會有更嚴(yán)重的耦合失配問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種微型低損耗光波分復(fù)用器，解決現(xiàn)有技術(shù)中光波分復(fù)用器耦合適配問題嚴(yán)重，插入損耗較大的技術(shù)問題。

本實用新型所采用的技術(shù)方案是：一種微型低損耗光波分復(fù)用器，多層介質(zhì)膜濾波片205通過膠分別與第二套管203右端面和第三套管206左端面相固接；雙光纖頭201通過膠固定在第一套管202內(nèi)，左邊第一透鏡204通過膠固定在第二套管203內(nèi)，右邊第二透鏡209通過膠固定在第三套管206內(nèi)，單光纖頭208通過膠固定在第四套管207內(nèi)；第一套管202右端面與第二套管203左端面通過膠固接，第三套管206右端面通過膠與第四套管207左端面通過膠相固接，構(gòu)成光波分復(fù)用結(jié)構(gòu)；

第一套管202、第二套管203、第三套管206以及第四套管207都通過膠固定在最外層金屬套管210內(nèi)。

所述第一透鏡204以及第二透鏡209是自聚焦透鏡、雙曲面透鏡、C透鏡或非球面透鏡中的任何一種。

所述膠是熱固化膠、紫外固化膠或雙固化膠中的任何一種。

第一套管202、第二套管203、第三套管206以及第四套管207均采用石英玻璃、硼硅玻璃、陶瓷、可伐合金或因瓦合金材料中的任何一種。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型所產(chǎn)生的有益效果是：不僅能夠消除單光纖準(zhǔn)直器與雙光纖準(zhǔn)直器耦合的角度失配損耗和橫向失配損耗，而且同時能夠解決其他耦合失配問題，減少插入損耗；具有體積小，損耗低的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的光波分復(fù)用器。

圖2為本實用新型提供的微型光波分復(fù)用器實施例一。

圖3為本實用新型提供的微型光波分復(fù)用器實施例二。

圖4為兩光纖通過透鏡耦合的光路原理圖。

圖5為兩光纖通過透鏡準(zhǔn)直的高斯光束的耦合失配情況。

圖6為光纖經(jīng)過透鏡準(zhǔn)直出射光的束腰直徑與空氣間隙長度的關(guān)系。

圖7為光纖經(jīng)過透鏡準(zhǔn)直出射光的工作距離與空氣間隙長度的關(guān)系。

圖中：201、金屬套管；202、第一套管；203、第二套管；204、第一透鏡；205、多層介質(zhì)膜濾波片；206、第三套管；207、第四套管；208、單光纖頭；209、第二透鏡。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本實用新型的技術(shù)方案，而不能以此來限制本實用新型的保護(hù)范圍。

本實用新型引進(jìn)多個套管，使得雙光纖頭、單光纖頭、透鏡等各自獨立，從而可以動態(tài)調(diào)節(jié)雙光纖準(zhǔn)直器與透鏡之間以及單光纖準(zhǔn)直器的光纖頭與透鏡之間的間隙，并動態(tài)調(diào)節(jié)雙光纖準(zhǔn)直器的光纖頭與透鏡以及單光纖準(zhǔn)直器的光纖頭與透鏡的轉(zhuǎn)動的角度和幾何中心的錯位，動態(tài)調(diào)節(jié)雙光纖準(zhǔn)直器以及單光纖準(zhǔn)直器的工作距離、束腰大小和束腰位置的方法。在實際制作過程中，通過調(diào)節(jié)雙光纖準(zhǔn)直器的光纖頭與透鏡以及單光纖準(zhǔn)直器的光纖頭與透鏡的間隙，動態(tài)轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)雙光纖準(zhǔn)直器的光纖頭與透鏡以及單光纖準(zhǔn)直器與透鏡的角度，動態(tài)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)兩透鏡斜端面之間的相對角度，動態(tài)調(diào)節(jié)單光纖準(zhǔn)直器與雙光纖準(zhǔn)直器之間的工作距離、束腰大小和束腰位置的失配，以及多層介質(zhì)膜濾波片的多光束干涉所導(dǎo)致的光斑擴(kuò)束的束腰大小失配；并通過動態(tài)調(diào)整雙光纖準(zhǔn)直器的光纖頭與透鏡以及單光纖準(zhǔn)直器的光纖頭與透鏡的幾何中心的錯位，動態(tài)調(diào)節(jié)單光纖準(zhǔn)直器與雙光纖準(zhǔn)直器的角度失配，以及多層介質(zhì)膜濾波片的多光束干涉所導(dǎo)致的光斑中心位移的橫向失配；盡可能消除單光纖準(zhǔn)直器與雙光纖準(zhǔn)直器耦合的角度失配損耗、橫向失配損耗、束腰失配損耗和軸向失配損耗，實現(xiàn)最低損耗時才用膠固定第一套管202左端面和第二套管203右端面以及第三套管206右端面和第四套管207左端面，最終解決現(xiàn)有技術(shù)方案中使用預(yù)先固定工作距離和束腰大小的單光纖準(zhǔn)直器只能盡可能消除單光纖準(zhǔn)直器與雙光纖準(zhǔn)直器耦合時的角度失配損耗和橫向失配損耗，而不能解決其它耦合失配的缺點。

理論分析如下：

光纖準(zhǔn)直器的基本工作原理是：將光纖端面置于準(zhǔn)直透鏡的焦點處，使出射光束得到準(zhǔn)直，然后在焦點附近輕微調(diào)節(jié)光纖端面與準(zhǔn)直透鏡的間隙，得到所需要的工作距離。

通過采用MathCAD(一種工程計算軟件)仿真模擬某個選定光纖參數(shù)和準(zhǔn)直透鏡參數(shù)的準(zhǔn)直器：通過調(diào)節(jié)光纖端面與準(zhǔn)直透鏡的間隙得到“光纖經(jīng)過透鏡準(zhǔn)直出射光的束腰直徑與空氣間隙氏度的關(guān)系”(參見說明書附圖的圖6)；通過調(diào)節(jié)光纖端面與準(zhǔn)直透鏡的間隙得到“光纖經(jīng)過透鏡準(zhǔn)直出射光的工作距離與空氣間隙長度的關(guān)系”(參見圖7)。從兩個MathCAD軟件模擬準(zhǔn)直器的關(guān)系圖可以得知，通過調(diào)節(jié)光纖端面與準(zhǔn)直透鏡的間隙可以得到較大動態(tài)范圍的準(zhǔn)直器的束腰大小和工作距離。

這樣就使得本實用新型通過動態(tài)調(diào)節(jié)雙光纖準(zhǔn)直器的光纖頭與透鏡之間以及單光纖準(zhǔn)直器的光纖頭與透鏡之間的間隙，并動態(tài)調(diào)整雙光纖準(zhǔn)直器的光纖頭與透鏡以及單光纖準(zhǔn)直器的光纖頭與透鏡的幾何中心的錯位，動態(tài)調(diào)整雙光纖準(zhǔn)直器的光纖頭與透鏡以及單光纖準(zhǔn)直器的光纖頭與透鏡的相對角度，加上通過細(xì)調(diào)調(diào)整架的旋轉(zhuǎn)、X軸平移、Y軸平移和Z軸平移等調(diào)節(jié)螺桿，就可以盡可能地消除單光纖準(zhǔn)直器與雙光纖準(zhǔn)直器耦合時的角度失配損耗、橫向失配損耗、束腰失配損耗和軸向失配損耗等失配。從而使單光纖準(zhǔn)直器與雙光纖準(zhǔn)直器耦合得到最小的插入損耗。

如圖2所示，是本實用新型提供的微型低損耗光波分復(fù)用器的實施例一，在實際制作過程中，通過調(diào)節(jié)雙光纖準(zhǔn)直器的光纖頭201與第一透鏡204之間以及單光纖準(zhǔn)直器的單光纖頭208與第二透鏡209之間的間隙，并動態(tài)調(diào)整雙光纖準(zhǔn)直器的光纖頭201與第一透鏡204以及單光纖準(zhǔn)直器的單光纖頭209與透鏡205的幾何中心的錯位，動態(tài)調(diào)節(jié)雙光纖準(zhǔn)直器的光纖頭201與第一透鏡204以及單光纖準(zhǔn)直器的工作距離、束腰大小和束腰位置，盡可能消除雙光纖準(zhǔn)直器與單光纖準(zhǔn)直器耦合的角度失配損耗、橫向失配損耗、束腰失配損耗和軸向失配損耗，以及消除多層介質(zhì)膜濾波片205的多光束干涉所導(dǎo)致的光斑擴(kuò)束和光斑中心位移的高斯光束參數(shù)變化所帶來的耦合失配；實現(xiàn)最低損耗時才用膠固定第一套管202左端面和第二套管203右端面以及第三套管206右端面和第四套管207左端面，并同時用膠固定第四套管207和第一套管202在最外層金屬套管210上，實現(xiàn)單光纖準(zhǔn)直器與雙光纖準(zhǔn)直器之間的最低耦合損耗。

由雙光纖頭201中的一根光纖發(fā)射多通道光信號，經(jīng)過第一透鏡204入射多層介質(zhì)膜濾波片205；經(jīng)多層介質(zhì)膜濾波片205的多光束干涉選擇所透射的通道光信號入射第二透鏡209，經(jīng)第二透鏡209會聚，耦合進(jìn)單光纖頭208；從多層介質(zhì)薄膜濾波片205表面反射的其光信號經(jīng)第一透鏡204會聚，耦合進(jìn)雙光纖頭201中的另外一根光纖，完成光波分復(fù)用功能。

所述的第一透鏡204和第二透鏡209可以是Grin-Lens(自聚焦透鏡)、D-Lens(雙曲面透鏡)、C-Lens(C透鏡)或非球面透鏡等光學(xué)透鏡。所述的膠可以是熱固化膠、紫外固化膠和雙固化膠等固化膠。所述的套管可以是石英玻璃、硼硅玻璃、陶瓷、Kovar(可伐合金)和Invar(因瓦合金)等熱膨脹系數(shù)與透鏡和光纖頭的基質(zhì)的熱膨脹系數(shù)接近的材料。

本實用新型的動態(tài)調(diào)節(jié)準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直透鏡可以采用Grin-Lens、D-Lens、C-Lens或非球面透鏡等光學(xué)透鏡，下面以C-Lens為具體實施例子：

根據(jù)低損耗光波分復(fù)用器設(shè)計所定的雙光纖準(zhǔn)直器的透鏡參數(shù)，計算出雙光纖準(zhǔn)直器入射多層介質(zhì)膜濾波片時的束腰大小，加上考慮多層介質(zhì)膜濾波片的多光束干涉所導(dǎo)致的光斑擴(kuò)束因素得到單光纖準(zhǔn)直器與雙光纖準(zhǔn)直器耦合的虛擬束腰大小結(jié)合光纖的和通道波長，根據(jù)下列公式：

可以計算出C-Lens的焦距f，再根據(jù)C-Lens的焦距f公式：

其中R為C-Lens球面的曲率半徑，結(jié)合通道光信號的中心波長λ對應(yīng)的C-Lens材料的折射率n就可以推算出C-Lens的球面曲率半徑。

具體結(jié)構(gòu)的實施方案如下：

圖2為新技術(shù)方案的光波分復(fù)用器實施例一。

首先用膠將第一透鏡204固接在第二套管203中的目標(biāo)位置，然后通過膠把多層介質(zhì)薄膜濾波片205和第二套管203的右端面相固接，形成濾波片組件。然后用膠將第二透鏡209固定在第三套管206中目標(biāo)位置，組成右邊透鏡組件。

在調(diào)節(jié)架上旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)濾波片組件和右邊透鏡組件，使得第一透鏡204斜面端和第二透鏡209的斜面端達(dá)到目標(biāo)的相對角度。然后用膠將濾波片組件中濾波片205的左端面和右邊透鏡組件中第三套管206的右端面相固接，形成波分復(fù)用器的中間組件。

通過膠把雙光纖頭201固定在第一套管202中的目標(biāo)位置，形成雙光纖頭組件。通過膠把單光纖頭208固定在第四套管207中的目標(biāo)位置，形成單光纖頭組件。

把波分復(fù)用器的中間組件部分固定在夾具上，對調(diào)雙光纖組件與單光纖頭組件。通過動態(tài)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)雙光纖頭組件和單光纖頭組件達(dá)到它們之間的目標(biāo)相對角度，并動態(tài)調(diào)整雙光纖頭201與第一透鏡204的幾何中心的錯位以及調(diào)整單光纖頭208與第二透鏡209的幾何中心的錯位，加上通過細(xì)調(diào)固定雙光纖頭組件以及單光纖頭組件的調(diào)節(jié)架的旋轉(zhuǎn)、X軸平移、Y軸平移和Z軸平移等調(diào)節(jié)螺桿，就可以盡可能地消除單光纖準(zhǔn)直器與雙光纖準(zhǔn)直器耦合時的角度失配損耗、橫向失配損耗、束腰失配損耗和軸向失配損耗等失配，在單光纖準(zhǔn)直器與雙光纖準(zhǔn)直器耦合得到最小的插入損耗時，用膠固定雙光纖頭組件中的第一套管202右端面和第二套管203左端面，以及用膠固定單光纖頭組件中第四套管207的左端面和第三套管206右端面；最后通過膠將第一套管201、第二套管203、第三套管206、第四套管207固接在最外層金屬套管210中，最終實現(xiàn)低損耗光波分復(fù)用器。

圖3為本實用新型提供的微型光波分復(fù)用器的實施例二。

實施例二和實施例一的主要不同之處在于，第二套管203的右端和第三套管206的左端各設(shè)計了一個臺階在套管內(nèi)，這樣可以增大涂膠的面積，使得第二套管203、第三套管206能與多層介質(zhì)膜濾波片205更好地固接，提高器件的穩(wěn)固性。

以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本實用新型的保護(hù)范圍。