一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的装置及方法与流程

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的装置及方法。

背景技术：

目前单芯光纤的通信容量已经越来越接近其理论非线性香农极限，面对即将到来的光纤传输容量危机，采用多芯光纤进行信号传输的空分复用技术成为研究的热点。

空分复用/解复用器是空分复用技术中关键的光学器件，其作用是将单芯光纤中的光信号耦合到多芯光纤的各个纤芯中，以及经过传输之后将多芯光纤中的信号空分解复用至相应的单芯光纤中。

目前常用的空分复用/解复用方法有拉锥法、透镜耦合法、光纤束方法和聚合物波导耦合方法。熔融拉锥法是是将单芯光纤插入到定制的毛细管中，然后拉锥到芯间距等于多芯光纤芯间距，再进行截断，最后与多芯光纤熔接。透镜耦合法是利用聚焦透镜将多芯光纤各个纤芯中的光进行扩束，然后利用菱形棱镜改变光路，最后在单芯光纤前用准直器将各个光束聚焦到单芯光纤中。腐蚀光纤束法是将单芯光纤包层腐蚀到多芯光纤芯间距大小，然后按照多芯光纤芯排布形状插入到毛细管中，再将毛细管插入到粘合剂溶液中，利用虹吸效应将粘合剂吸入到毛细管缝隙中固定腐蚀光纤，接着将做好的腐蚀光纤束与多芯光纤进行熔接。飞秒激光器直写技术通过改变聚合物中刻写区域的折射率分布，进而创造出约束光场的波导结构。

这些方法各有其缺点，光纤束法难在其参数控制；拉锥法不仅参数难于控制，而且工艺复杂；聚合物波导法工艺复杂，损耗较大；而透镜耦合法在拓展和集成方面存在困难。

以上这些方法都存在耦合封装成本高，不能大规模推广使用的问题。

技术实现要素：

本申请实施例通过提供一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的装置及方法，解决了现有技术中空分复用/解复用的耦合封装成本较高的问题。

本申请实施例提供一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的装置，包括：透镜、反射镜组件、光纤准直器组件；

所述反射镜组件位于所述透镜与所述光纤准直器组件之间的光路上；所述光纤准直器组件包括多个单芯光纤准直器，所述单芯光纤准直器的数量与多芯光纤的纤芯数目相同；每个所述单芯光纤准直器与一个单芯光纤耦合对准；

实现空分解复用功能时，所述透镜用于对所述多芯光纤的出射光束进行扩束和准直；所述反射镜组件用于改变光束的传播方向，并拉开所述多芯光纤的不同纤芯的出射光束之间的距离；多个所述单芯光纤准直器用于分别接收来自所述多芯光纤的不同纤芯的出射光束，并耦合至多个所述单芯光纤；

实现空分复用功能时，多个所述单芯光纤准直器用于分别接收来自多个所述单芯光纤的出射光束，并传输至所述反射镜组件；所述反射镜组件用于改变光束的传播方向，并缩短多个出射光束之间的距离；所述透镜用于对出射光束进行聚焦，并耦合至所述多芯光纤。

优选的，所述反射镜组件包括：第一反射镜阵列；

所述第一反射镜阵列包括多个反射镜，所述反射镜的数量与所述多芯光纤的纤芯数目相同。

优选的，所述反射镜组件包括：第一反射镜阵列、第二反射镜阵列；

所述第一反射镜阵列中反射镜的数量与所述多芯光纤的纤芯数目相同，所述第二反射镜阵列中反射镜的数量与所述多芯光纤的纤芯数目相同；

实现空分解复用功能时，所述第一反射镜阵列用于将光束反射至所述第二反射镜阵列，所述第二反射镜阵列用于将光束反射至所述光纤准直器组件，所述第一反射镜阵列和所述第二反射镜阵列正交，所述第一反射镜阵列和所述第二反射镜阵列在相互垂直的两个方向上进行光束的分离。

优选的，所述透镜为凸透镜，所述多芯光纤的出入射端面位于所述凸透镜的焦平面。

优选的，所述反射镜为平面反射镜或棱镜。

优选的，所述第一反射镜阵列中的多个反射镜距离所述透镜的距离不同，相邻反射镜之间的间距相同，反射镜的反射面与出射光束的夹角为45°。

优选的，所述第一反射镜阵列呈阶梯状排列反射镜，所述第二反射镜阵列呈阶梯状排列反射镜。

本申请实施例提供一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的方法，通过透镜对多芯光纤的出射光束进行扩束和准直，通过反射镜组件改变光束的传播方向，并拉开所述多芯光纤的不同纤芯的出射光束之间的距离，通过光纤准直器组件包括的多个单芯光纤准直器分别接收来自所述多芯光纤的不同纤芯的出射光束，并耦合至多个单芯光纤，实现空分解复用功能；

多个单芯光纤的出射光束分别通过对应的多个所述单芯光纤准直器后，经所述反射镜组件改变光束的传播方向，并通过所述透镜进行聚焦，耦合至多芯光纤，实现空分复用功能。

优选的，实现空分解复用功能时，通过所述反射镜组件中的第一反射镜阵列对出射光束进行分散。

优选的，实现空分解复用功能时，通过所述反射镜组件中的第一反射镜阵列在第一方向上对出射光束进行第一次分散，并将光束反射至所述反射镜组件中的第二反射镜阵列；通过所述第二反射镜阵列在第二方向上对出射光束进行第二次分散，并将光束反射至所述光纤准直器组件。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，通过透镜对多芯光纤的出射光束进行扩束和准直，通过反射镜组件改变光束的传播方向，并拉开所述多芯光纤的不同纤芯的出射光束之间的距离，通过光纤准直器组件包括的多个单芯光纤准直器分别接收来自所述多芯光纤的不同纤芯的出射光束，并耦合至多个单芯光纤，实现空分解复用功能；多个单芯光纤的出射光束分别通过对应的多个所述单芯光纤准直器后，经反射镜组件改变光束的传播方向，并通过透镜进行聚焦，耦合至多芯光纤，实现空分复用功能。由于本发明仅需要简单的透镜、反射镜和常用的准直器技术，因此本发明加工组装工艺简单，且成本低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为双芯光纤与单芯光纤复用/解复用的原理图；

图2为本发明实施例1提供的一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的装置适用的三芯光纤的横截面纤芯排布图；

图3为本发明实施例1提供的一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的装置的原理图；

图4是本发明实施例2提供的一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的装置适用的十二芯光纤的横截面纤芯排布图；

图5是本发明实施例2提供的一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的装置的直观图；

图6是本发明实施例2提供的一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的装置的主视图；

图7是本发明实施例2提供的一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的装置的右视图。

其中，1-双芯光纤、2-透镜、3-单芯光纤准直器、4-单芯光纤、5-包层、6-纤芯、7-三芯光纤、8-反射镜、9-十二芯光纤、10-第一反射镜阵列、11-第二反射镜阵列、12-第一纤芯、13-第二纤芯。

具体实施方式

双芯光纤与单芯光纤复用/解复用原理参见图1所示，双芯光纤1相邻纤芯(第一纤芯12、第二纤芯13)的间距为d，出射端面置于透镜2的前焦平面，纤芯出射光束经透镜2准直成两束平行光，夹角为θ，传播一定距离后经单芯光纤准直器3分别耦合入单芯光纤4。平行光束夹角θ满足以下公式：

其中，d为双芯光纤相邻纤芯间距，f为透镜焦距。

但是这种基于透镜和准直器的多芯光纤复用/解复用器有一个严重缺点，由于θ角度太小导致器件体积太大。例如，设纤芯间距d为45um、透镜焦距f为2mm，计算得θ＝0.0225rad，相邻光束需要间隔d才有足够空间进行准直器调整操作，设d＝10mm，则透镜到光纤准直器的距离l＝444mm，加上多芯光纤及准直器等，复用/解复用器的长度会达到0.5米之多，给多芯光纤的集成应用化带来困难。

为了解决上述问题，本发明提供的一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的装置及方法，用于多芯光纤与单芯光纤的耦合。

本发明提供一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的装置，包括：透镜、反射镜组件、光纤准直器组件。所述反射镜组件位于所述透镜与所述光纤准直器组件之间的光路上；所述光纤准直器组件包括多个单芯光纤准直器，所述单芯光纤准直器的数量与多芯光纤的纤芯数目相同；每个所述单芯光纤准直器与一个单芯光纤耦合对准。

实现空分解复用功能时，所述透镜用于对所述多芯光纤的出射光束进行扩束和准直；所述反射镜组件用于改变光束的传播方向，并拉开所述多芯光纤的不同纤芯的出射光束之间的距离；多个所述单芯光纤准直器用于分别接收来自所述多芯光纤的不同纤芯的出射光束，并耦合至多个所述单芯光纤。

实现空分复用功能时，多个所述单芯光纤准直器用于分别接收来自多个所述单芯光纤的出射光束，并传输至所述反射镜组件；所述反射镜组件用于改变光束的传播方向，并缩短多个出射光束之间的距离；所述透镜用于对出射光束进行聚焦，并耦合至所述多芯光纤。

本发明采用的技术方案包括但不限于以下两种：方案一是基于单组反射镜阵列的空分复用/解复用装置，方案二是基于两组正交反射镜阵列的空分复用/解复用装置。方案一适用于多芯光纤纤芯数目较少(一般为少于或等于六个)的情况，方案二适用于多芯光纤纤芯数目大于六个的情况，下面分别阐述。

方案一：基于单个反射镜阵列的空分复用/解复用装置。

装置包括一个透镜、一个反射镜阵列(记为第一反射镜阵列)、一组单芯光纤准直器。所述反射镜为平面反射镜或棱镜。

优选的方案中，所述第一反射镜阵列中的多个反射镜距离所述透镜的距离不同，相邻反射镜之间的间距相同，反射镜的反射面与出射光束的夹角为45°。

其中，所述透镜为凸透镜，用于多芯光纤出射光束的扩束和准直；所述多芯光纤的出入射端面位于凸透镜的焦平面。所述第一反射镜阵列包括多个反射镜，所述反射镜的数量与所述多芯光纤的纤芯数目相同；所述反射镜可以是平面反射镜，也可以是棱镜。所述第一反射镜阵列用于折转光路，在光的传播方向上拉开不同纤芯出射光束的距离，便于单芯光纤准直器的接收。所述单芯光纤准直器在距反射镜一定位置处分别接收不同多芯光纤纤芯出射光束，耦合至单芯光纤，实现空分解复用功能。

上述光路完全可逆，因此本发明提供的技术方法可完成多芯光纤的复用/解复用功能。

方案二：基于两组正交反射镜阵列的空分复用/解复用装置。

装置包括：一个透镜、第一反射镜阵列、第二反射镜阵列、一组单芯光纤准直器。所述反射镜为平面反射镜或棱镜。

一种具体的结构中，所述第一反射镜阵列呈阶梯状排列反射镜，所述第二反射镜阵列呈阶梯状排列反射镜。

其中，所述多芯光纤的出射端面位于所述透镜的焦平面；所述透镜为凸透镜，将来自所述多芯光纤不同的出射光准直为相互之间有一定夹角的平行光束。所述第一反射镜阵列中反射镜的数量与所述多芯光纤的纤芯数目相同，所述反射镜反射面与平行光束夹角约45度，所述第一反射镜阵列用于将光束反射至与传播方向垂直的所述第二反射镜阵列，在光的传播方向上实现平行光束的第一次分离。所述第二反射镜阵列中反射镜的数量与所述多芯光纤的纤芯数目相同，所述第二反射镜阵列用于将光束反射至所述光纤准直器组件，在垂直光传播的方向上实现平行光束的第二次分离。即所述第一反射镜阵列和所述第二反射镜阵列正交，所述第一反射镜阵列和所述第二反射镜阵列在相互垂直的两个方向上进行光束的分离。所述单芯光纤准直器在距反射镜一定位置处分别接收不同多芯光纤纤芯出射光束，耦合至单芯光纤，实现空分解复用功能。

上述光路完全可逆，因此本发明提供的技术方法可完成多芯光纤的复用/解复用功能。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1

下面结合附图2、3及具体实施例1对本发明方案一作进一步的详细描述。

实施例1采用的三芯光纤横截面如图2所示，包括包层5、纤芯6，纤芯6的直径为r，相邻纤芯的间距为d。

参见图3所示，实施例1提供一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的装置包括一个透镜2、三个反射镜8和三个单芯光纤准直器3。

三芯光纤7的出射端面位于透镜2的物方焦平面，其不同纤芯出射光束经透镜2准直后形成三束有一定夹角的平行光束，传播一段距离后即相互分离，经三个反射镜8分别反射至不同的单芯光纤准直器3，最后耦合入单芯光纤4。

以透镜的中心为原点，以垂直于透镜的中心轴为z轴(多芯光纤出射光方向为正方向)，以垂直向上为y轴，建立空间直角坐标系。

光纤数值孔径na＝0.2，透镜焦距2mm，准直后平行光束直径0.56mm，在距离透镜50mm处不同平行光束即可相互分离，为方便反射镜阵列的安放，在距透镜150mm(相邻平行光间距1.7mm)左右按一定间隔(z轴坐标分别为140mm、150mm、160mm，xy坐标以能接收到平行光束为宜)均匀放置反射镜，反射镜的反射面与z轴夹角约45度，平行光束经反射镜阵列后入射至准直器阵列，实现三芯光纤与单芯光纤的耦合。

由于反射镜阵列操作需要一定的空间，方案一适用于多芯光纤纤芯数目较少(少于等于6)的情况，当纤芯数目较多时，适用方案二，下面用实施例2来进一步说明。

实施例2

下面结合附图4-图7及具体实施例2对本发明方案二作进一步的详细描述。

本实施例2采用的十二芯光纤的横截面如图4所示，包括包层5、纤芯6，纤芯6的直径为r，相邻纤芯的间距为d。

参见图5-图7所示，实施例2提供一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的装置包括一个透镜2、两个反射镜阵列(第一反射镜阵列10、第二反射镜阵列11)、一组单芯光纤准直器3。

十二芯光纤9的出射端面位于透镜2的物方焦平面，其不同纤芯出射光束经透镜2准直后形成多束有一定夹角的平行光束，经过两组正交的反射镜阵列(第一反射镜阵列10、第二反射镜阵列11)后、在相互垂直的两个方向上进行光斑的分离，每个光斑单独加上单芯光纤准直器3后耦合入单芯光纤4。

光纤数值孔径na＝0.2，透镜焦距2mm，在距透镜150mm(相邻平行光间距1.7mm)左右按一定间隔分四排呈阶梯状放置第一反射镜阵列，四排反射镜个数分别为2、4、4、2(对应于12芯光线的纤芯排布)，z轴坐标分别为140mm、150mm、160mm、170mm，xy坐标以能接收到平行光束且不遮挡其它平行光束为准，在z轴方向实现平行光束的第一次分离。第二反射镜阵列包含十二个阶梯状排布的反射镜，在y轴方向上接收来自第一反射镜阵列的平行光束，使十二束平行光在y轴方向第二次分离，将其反射至x轴方向的准直器阵列，实现十二芯光纤与十二根单芯光纤的耦合。

应用上述装置，本发明还提供一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的方法，通过透镜对多芯光纤的出射光束进行扩束和准直，通过反射镜组件改变光束的传播方向，并拉开所述多芯光纤的不同纤芯的出射光束之间的距离，通过光纤准直器组件包括的多个单芯光纤准直器分别接收来自所述多芯光纤的不同纤芯的出射光束，并耦合至多个单芯光纤，实现空分解复用功能；多个单芯光纤的出射光束分别通过对应的多个所述单芯光纤准直器后，经所述反射镜组件改变光束的传播方向，并通过所述透镜进行聚焦，耦合至多芯光纤，实现空分复用功能。

具体的，采用方案一中的装置时，实现空分解复用功能时，通过所述反射镜组件中的第一反射镜阵列对出射光束进行分散。上述光路完全可逆，因此本发明提供的技术方法可完成多芯光纤的复用功能。即实现空分复用功能时，通过所述反射镜组件中的第一反射镜阵列对出射光束进行收缩，即缩短多个出射光束之间的距离。

采用方案二中的装置时，实现空分解复用功能时，通过所述反射镜组件中的第一反射镜阵列在第一方向上对出射光束进行第一次分散，并将光束反射至所述反射镜组件中的第二反射镜阵列；通过所述第二反射镜阵列在第二方向上对出射光束进行第二次分散，并将光束反射至所述光纤准直器组件。上述光路完全可逆，因此本发明提供的技术方法可完成多芯光纤的复用功能。即实现空分复用功能时，通过所述反射镜组件中的第一反射镜阵列、第二反射镜阵列在两个方向上对出射光束进行收缩，即两次缩短多个出射光束之间的距离。

本发明实施例提供的一种基于反射镜的多芯光纤复用和解复用的装置及方法至少包括如下技术效果：

(1)由于本发明仅需要简单的透镜、反射镜和常用的准直器技术，因此本发明加工组装工艺简单，且成本低廉。

(2)本发明的器件结构设计灵活，参数易于控制，可随多芯光纤纤芯数目的变化而变化，且适用于圆形、椭圆形、槽助式等多种纤芯类型。

(3)由于透镜和反射镜元件能在较宽波段内高效工作，因此本发明的插入损耗小，带宽较高，特别适合于空分复用与波分复用的结合。由于多芯光纤不同纤芯出射光束经透镜准直后便各自独立传播，因此本发明的串扰小。

(4)由于透镜和反射镜元件对任意偏振态入射光均能有效工作，因此本发明对光纤出射光偏振态不敏感。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。