专利名称：光子晶体光纤熔接三维对准装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种光子晶体光纤熔接技术领域，特别是涉及一种光子晶 体光纤熔接三维对准装置及其方法。
技术背景光子晶体光纤于1996年在英国问世，该种光纤具有很多普通光纤所没有的奇异特性，如高非线性、色散可控性、高双折射性、无限单模特性等 等，能广泛地用于通信、成像、光谱学和生物医学等领域，它的性能研究 和应用开发一直是国际光电子行业的热点。而光子晶体光纤熔接技术还不 成熟，尚处于探索性研究阶段，已经成为光子晶体光纤应用开发中必须解 决的实际问题。在光子晶体光纤的熔接过程中首先必须解决的问题就是对 被熔光纤的三维对准问题，这是实现光子晶体光纤高质量熔接的前提之一。 现有的普通光纤熔接机和保偏光纤熔接机均不能高质量自动完成光子晶体光纤的三维对准，原因是常规光纤熔接机的对准是利用光纤外径对 准，保偏光纤熔接机是利用保偏光纤纤芯缺陷在不同方位消光比的不同，通过POL(Polarization Observation by Lens-effect-tracing)曲线的最大重合度 实现对准，而光子晶体光纤若只有外径对准，是无法保证微孔对准的，若 微孔错开就无法完成较低损耗的熔接。存在的主要问题有1、无法实现被 熔光纤纤芯的完全对准；2、无法光纤包层空气孔的完全对准；3、在特殊 要求下无法对不同规格的光子晶体光纤的模场实现准确的对准。 发明内容为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种光子晶体光纤熔 接三维对准装置及其方法，该发明以纤芯中心轴为对准基准，利用获取光 子晶体光纤截面信息方案中获取的光子晶体光纤截面图形确定纤芯中心轴 的坐标，进而完成纤芯对准；然后通过测定最大光强的方式完成包层空气 孔的对准，从而实现光纤的对准。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是这种光子晶体光纤熔接三维对准装置及其方法，包括光子晶体光纤熔接三维对准装置及其光子 晶体光纤熔接三维对准方法两部分所述光子晶体光纤熔接三维对准装置，包括上、下三维运动V型槽装 置(5， 14)、应力传感器解调单元13、三维对准控制器及夹具控制单元10、 双面全反射镜12、显微成像单元4、耦合式光强测定单元(1， 7， 8， 15) 和处理控制单元9。该装置的处理控制单元9和耦合式光强测定单元(1,7， 8， 15)的光电接收电路8及光源驱动电路15、应力传感器解调单元13、 三维对准控制器及夹具控制单元10相连接，以实现对上述单元的控制和应 力信息的获取；显微成像单元4通过双面全反射镜12对光子晶体光纤端面 成像；上、下三维V型槽装置(5， 14)的机械传动机构和三维对准控制器 及夹具控制单元10的对准控制器相连接，处理控制单元9可以通过对准控 制器对其进行控制，实现光纤的对准；处理控制单元9通过三维对准控制 器及夹具控制单元10的夹具控制单元控制光纤夹具22，对光纤进行夹持， 下、上应力传感器(3， 11)实时感应夹持力的大小，下、上应力传感器(3， 11)和应力传感器解调单元13相连，将力的大小反馈给处理控制单元9进 行进一步夹持力的调整，以此闭环完成夹持力大小的控制；光注入单元l、 光电探测单元7分别和光源驱动电路15、光电接收电路8相连接，实现发 光和光接收。通过三维显微成像获取光子晶体光纤端面几何结构，利用 Hough变换对光子晶体光纤端面上的纤芯的中心和芯径及包层各空气孔进 行定位和识别。所述光子晶体光纤熔接三维对准方法是对于光子晶体光纤与普通光 纤的对准，通过观测获取的光子晶体光纤截面图形确定纤芯中心轴坐标， 计算出两被熔光纤的相对位移，在保证一端被熔光纤固定不动的前提下， 使另一端被熔光纤在％、 7方向上按相对位移量进行相对移动实现中心完全 对准。对于两个光子晶体光纤的对准，首先以纤芯中心轴为对准基准，使被 熔光纤的纤芯中心能够完全对准，在此基础上观测获得的光纤端面图像， 以一端光纤为目标固定不动，并以其为对准基准使另一端光纤绕Z轴进行 旋转，通过寻找包层空气孔最大重合度的方式完成被熔光子晶体光纤空气孔的初步对准；初步对准后再使两个对准的光子晶体光纤在Z方向上相对 移动，移动至可以熔接的位置，使用测定光强的方法实现三维对准的精调， 在两个被熔光子晶体光纤一端通过光学器件实现光与光子晶体光纤的耦 合，在另一端通过光电接收，利用软件算法寻找到接收光强最大处，从而 实现光子晶体光纤空气孔的精确对准。所述显微成像单元4用于熔接前光子晶体光纤端面结构信息的获取， 以此结构信息利用Hough变换对光子晶体光纤端面上的纤芯的中心和芯径 及包层各空气孔进行定位和识别。所述上、下三维运动V型槽装置(5， 14)用于实现光子晶体光纤三维 对准过程的机械运动，对被熔光纤的固定。其控制精度在X、 y、 Z方向的 行程可达几十个毫米，分辨率为每微步0.05微米；沿轴向的行程可达360 度，分辨率为每微步0.002度；同时光纤夹具通过使用现代传感技术实现其 对光纤的夹持力大小的自动调整。所述耦合式光强测定单元(1， 7， 8， 15)用于实现光纤熔接时的精确 三维对准，确保光子晶体光纤包层空气孔的完全对准。所述处理控制单元(9)由SEED-Davinci数字平台组成，该平台集成 了双核ARM9+DM64X，具有强大的数字图像处理功能和超强的实时控制 能力等特点，智能控制和计算分析都由其完成。本发明的有益效果是1、采用Hough变换对光子晶体光纤端面上的纤 芯的中心和芯径及包层各空气孔实现定位和识别；2采用以纤芯中心轴为对 准基准，使被熔光纤的纤芯中心能够完全对准；3在纤芯中心能够完全对准 的基础上观测获得的光纤端面图像，以一端光纤为目标，使令一端光纤绕Z 轴进行旋转，通过寻找包层空气孔最大重合度的方式完成被熔光子晶体光 纤空气孔的初步对准；4、通过测定光强的方法寻找最大接收光强处实现光 子晶体光纤空气孔三维精确对准。本发明结构简单、抗振动干扰能力强、 灵敏度高、制造容易，适用于同规格光子晶体光纤、不同规格光子晶体光 纤之间及光子晶体光纤与常规光纤之间的三维对准。
图l是本发明的结构示意图；图2是光子晶体光纤端面结构示意图；图3是V型槽结构示意图；图4是耦合式光强测定单元结构示意图。在上述附图中，l.光注入单元，2.下光子晶体光纤，3.下应力传感器， 4.显微成像单元，5.上三维运动V型槽装置，6.上光子晶体光纤，7.光电探 测单元，8.光电接收电路，9.处理控制单元，IO.三维对准控制器及夹具控制 单元，ll.上应力传感器，12.双面全反射镜，13.应力传感器解调单元，14. 下三维运动V型槽装置，15.光源驱动电路，16.下光子晶体光纤包层空气孔 圆心，17.下光子晶体光纤纤芯圆心，18.下光子晶体光纤包层空气孔外径， 19.上光子晶体光纤包层空气孔圆心，20.上光子晶体光纤纤芯圆心，21.上光 子晶体光纤包层空气孔外径，22.光纤夹具，23. LED光源，24.注入光路及 光纤标准插件，25.对准点，26.光纤标准插件及接收光路，27.光电探测器。
具体实施方式
实施例本实施例中熔接对准的上光子晶体光纤6和下光子晶体光纤2是相同 规格的光子晶体光纤，光纤规格为模场半径7.5pm，纤芯直径10.9pm， 孔间距3pm，空气孔直径2pm，空气孔层数6层。a. 首先利用显微成像单元4获取被熔光子晶体光纤端面的结构信息，如 图2所示。然后利用Hough变换对光子晶体光纤端面的几何结构进行识别 定位，确定纤芯圆心(17、 20)、包层各空气孔的圆心(16、 19)邻外径(18、 21)，进而确定包层空气孔排列情况，利用软件算法对其进行坐标定位。b. 上、下三维运动V型槽装置(5， 14)根据上、下光子晶体光纤(6， 2)具体结构参数通过下、上应力传感器(3、 11)、应力传感器解调单元13、 三维对准控制器及夹具控制单元10的夹具控制单元的反馈控制自动调整光 纤夹具22对上、下光子晶体光纤(6， 2)的夹持力，对于此种光子晶体光纤所能承受的最大压力为0.09N/mn，本实施例中使用的夹持力为0.05N/,，即可避免上、下光子晶体光纤(6， 2)在夹持过程中被破坏，同时又可保证 上、下光子晶体光纤(6， 2)能够在三维空间内相对运动。c. 利用上、下三维运动V型槽装置(5、 14)的机械传动装置根据坐标定位情况首先实现被熔上、下光子晶体光纤(6， 2)纤芯中心轴的完全对 准，在此为对准基准，观测获得的光纤端面图像，以上光子晶体光纤6为 目标固定不动，并以其为对准基准使下光子晶体光纤2绕Z轴进行旋转， 通过寻找包层空气孔最大重合度的方式完成被熔光子晶体光纤包层空气孔 的初步对准；然后使两个对准的光子晶体光纤在Z方向上相对移动，移动 至可以熔接的位置。d.由于在移动过程中可能会出现微小的位置改变，需要对其进行精密对 准。这里使用测定光强的方法实现，实现方式如图4所示。在两个被熔光 子晶体光纤的两端通过光学器件实现光与光子晶体光纤的耦合，由设置在 下光子晶体光纤2处的光源23和注入光路及光纤标准插件24进行光注入， 设置在上光子晶体光纤6处的光电探测器27和光纤标准插件及接收光路单 元26进行光接收，通过软件算法寻找到接收光强最大处，最大接收光强对 应的光子晶体光纤所处的空间位置即为光子晶体光纤空气孔完全对准处。
权利要求
1.一种光子晶体光纤熔接三维对准装置，其特征是所述装置的处理控制单元(9)和耦合式光强测定单元(1，7，8，15)的光电接收电路(8)及光源驱动电路(15)、应力传感器解调单元(13)、三维对准控制器及夹具控制单元(10)相连接；上、下三维运动V型槽装置(5，14)的机械传动机构和三维对准控制器及夹具控制单元(10)的对准控制器相连接，下、上应力传感器(3，11)和应力传感器解调单元(13)相连，将力的大小反馈给处理控制单元(9)进行进一步夹持力的调整，通过三维对准控制器及夹具控制单元10的夹具控制单元自动调整光纤夹具(22)对上、下光子晶体光纤(6，2)的夹持力；显微成像单元(4)通过双面全反射镜(12)对光子晶体光纤端面成像并获取光子晶体光纤端面几何结构，利用Hough变换对光子晶体光纤端面上的纤芯的中心和芯径及包层各空气孔进行定位和识别；耦合式光强测定单元(1，7，8，15)的光注入单元(1)、光电探测单元(7)分别和光源驱动电路(15)、光电接收电路(8)相连接，实现发光和光接收。
2. 根据权利要求1所述的光子晶体光纤熔接三维对准装置，其特征是 上、下V型槽装置(5， 14)机械传动机构引出的信号线连接三维对准控制 器及夹具控制单元(10)，上、下应力传感器(11， 3)通过应力传感器解 调单元(13)连接处理控制单元(9)。
3. 根据权利要求1所述的光子晶体光纤熔接三维对准装置，其特征是 耦合式光强测定单元的光注入单元(1)、光电探测单元(7)分别和光源驱 动电路(15)、光电接收电路(8)相连接，光注入单元(1)由光源(23) 和注入光路及光纤标准插件(24)组成，光电探测单元(7)由光纤标准插 件及接收光路(26)和光电探测器(27)组成。
4. 根据权利要求1所述的光子晶体光纤熔接三维对准装置，其特征是 显微成像单元(4)通过双面全反射镜(12)对光子晶体光纤端面成像并获 取光子晶体光纤端面几何结构。
5. —种权利要求1所述的光子晶体光纤熔接三维对准装置的对准方法， 其特征是所述方法包括以下步骤 1) 将对准的上、下光子晶体光纤(6， 2)夹持在前述对准装置的上、 下三维运动V型槽装置(5， 14)的V型槽光纤夹具(22)内； 2) 显微成像单元(4)获取被熔光子晶体光纤端面的结构信息，然后 利用Hough变换对光子晶体光纤端面的几何结构进行识别定位，确定纤芯 圆心、包层各空气孔的圆心和外径，进而确定包层空气孔排列情况。 3) 上、下三维运动V型槽装置(5， 14)根据上、下光子晶体光纤(6， 2)具体结构参数通过上、下应力传感器(11 ， 3)、应力传感器解调单元(13)、 三维对准控制器及夹具控制单元(10)的夹具控制单元的反馈控制自动调 整光纤夹具(22)对上、下光子晶体光纤(6， 2)的夹持力，即可避免上、 下光子晶体光纤(6， 2)在夹持过程中被破坏，同时又可保证上、下光子 晶体光纤(6， 2)能够在三维空间内相对运动。 4) 对于光子晶体光纤与普通光纤的对准，假定(6)为光子晶体光纤， (2)为普通光纤。通过观测获取的光子晶体光纤(6)的截面图形确定纤芯中心轴坐标，计算出两个被熔光纤的相对位移，在保证一个被熔光纤固 定不动的前提下，使另一个被熔光纤在X、 r方向上按相对位移量进行相对 移动实现中心完全对准。 5) 对于光子晶体光纤与光子晶体光纤的对准，上、下三维运动V型槽 装置(5、 14)的机械传动装置首先实现上、下光子晶体光纤(6， 2)纤芯 中心轴的完全对准，在此为对准基准，观测获得的光纤端面图像，以上光 子晶体光纤(6)为目标，使下光子晶体光纤(2)绕Z轴进行旋转，通过 寻找包层空气孔最大重合度的方式完成被熔光子晶体光纤包层空气孔的初 步对准；然后使两个对准的光子晶体光纤在Z方向上相对移动，移动至可 以熔接的位置。 6) 在移动过程中可能会出现微小的位置改变，需要对其进行精密对准， 这里使用测定光强的方法实现，在两个被熔光子晶体光纤的两端通过光学 器件实现光与光子晶体光纤的耦合，由设置在下光子晶体光纤(2)处的光 注入单元(1)注入光，设置在上光子晶体光纤(6)的光电探测单元(7) 接收，通过软件算法寻找到接收光强最大处，最大接收光强对应的光子晶 体光纤所处的空间位置即为光子晶体光纤空气孔完全对准处。
6. 根据权利要求5所述的光子晶体光纤熔接三维对准方法，其特征是 所述显微成像单元(4)用于获取熔接前光子晶体光纤端面结构信息，以此 结构信息利用Hough变换对光子晶体光纤端面上的纤芯的中心和芯径及包 层各空气孔进行定位和识别。
7. 根据权利要求5所述的光子晶体光纤熔接三维对准方法，其特征是 所述上、下三维运动V型槽装置(5， 14)用于被熔光纤的固定和实现光子 晶体光纤三维对准过程的机械运动，同时光纤夹具通过下、上应力传感器(3， 11)实现其对下、上光子晶体光纤(2， 6)的夹持力大小的自动调整。
8. 根据权利要求5所述的光子晶体光纤熔接三维对准方法，其特征是 对于光子晶体光纤与普通光纤的对准，通过观测获取的光子晶体光纤截面 图形确定纤芯中心轴坐标，计算出两个被熔光纤的相对位移，在保证一个 被熔光纤固定不动的前提下，使另一个被熔光纤在Z、 F方向上按相对位移 量进行相对移动实现中心完全对准。
9. 根据权利要求5所述的光子晶体光纤熔接三维对准方法，其特征是 对于两个光子晶体光纤的对准，首先以纤芯中心轴为对准基准，使被熔光 纤的纤芯中心能够完全对准，在此基础上观测获得的光纤端面图像，以一 端光纤为目标固定不动，并以其为对准基准使另一端光纤绕Z轴进行旋转， 通过寻找包层空气孔最大重合度的方式完成被熔光子晶体光纤空气孔的初 步对准；初步对准后再使两个对准的光子晶体光纤在Z方向上相对移动， 移动至可以熔接的位置，使用测定光强的方法实现三维对准的精调，在两 个被熔光子晶体光纤一端通过光学器件实现光与光子晶体光纤的耦合，在 另一端通过光电接收，利用软件算法寻找到接收光强最大处，从而实现光 子晶体光纤空气孔的精确对准。
全文摘要
本发明公开一种光子晶体光纤熔接三维对准装置及其方法，所述装置的上、下三维运动V型槽装置(5，14)的机械传动机构和三维对准控制器及夹具控制单元(10)的对准控制器相连接，下、上应力传感器(3，11)和应力传感器解调单元(13)相连；显微成像单元(4)的双面全反射镜(12)对光子晶体光纤端面成像并获取其几何结构，利用Hough变换对光子晶体光纤进行定位和识别；耦合式光强测定单元(1，7，8，15)实现发光和光接收。所述方法是1)显微成像单元(4)获取结构信息，然后利用Hough变换对其几何结构进行识别定位；2)上、下三维运动V型槽装置(5，14)自动调整夹持力；3)初步对准；然后对其进行精密对准。本发明结构简单，抗振动干扰能力强，灵敏度高，适用于不同规格光子晶体光纤之间及光子晶体光纤与常规光纤之间的三维对准。
文档编号G02B6/255GK101251624SQ20081005462
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月22日 优先权日2008年3月22日
发明者付广伟, 毕卫红, 硕 麻 申请人:燕山大学