一种自由空间光纤耦合系统和快速调节方法

本发明涉及光纤耦合领域，尤其涉及一种自由空间光纤耦合系统和快速调节方法。

背景技术：

1、光纤技术在现代通信网络中已经成为了核心的传输手段，光纤具有传输容量大、抗干扰能力强、传输距离远等优点，应用十分广泛。然而在一些特定的应用场景中，由于环境、安装条件等限制，传统光纤连接方式可能无法满足需求。自由空间光纤耦合装置因其环境适应性强、维护成本低受到了广泛的关注和应用。

2、要实现光信号在光纤之间的有效传输，需要一种高效的自由空间光纤耦合装置。市场上现有的光纤端口耦合器调节自由度多，导致耦合装置调节难度较大，同时成本较高。

3、thorlabs公司fiberport耦合器共有五个对准自由度：x和y方向的线性对准、俯仰和偏转角度对准、同时使用俯仰和偏转调节z轴。该装置调节自由度较多，其中调节z轴方向需要使用俯仰和偏转同时调节，这会导致俯仰和偏转角度对准以及z轴需要同时调节，对于操作人员的调节经验提出了很高的要求，调节难度较大。

4、吴田宜等在专利《一种提高自由空间激光向单模光纤耦合效率的方法》(cn114296186 a)中利用四象限探测器探测光束强度分布并通过微机电系统精确调节多模光纤至光强分布最大处耦合，再结合偏轴熔接技术实现的多模光纤-单模光纤之间的高效率耦合传输，实现自由空间激光向单模光纤耦合效率的提升。该装置和方法需要通过微机电系统调节，使得操作较为复杂；同时，该发明需要采用偏轴熔接技术实现多模到单模光纤之间的模式匹配熔接部，工艺的好坏影响单模光纤耦合效率，结果复现性也不强。

5、王云飞等在专利《一种空间光耦合至光纤的装调装置和方法》(cn115079346 a)中提出了耦合装置以及检测装置，根据探测耦合光纤和耦合透镜发射出的光轴指向、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，从而快速精确判别下一步装调步骤。该装置和方法需调节的自由度较多，调节步骤较为复杂，对于系统调节要求较高，会造成一定的调节偏差，影响耦合效率。

6、综上所述，现有的自由空间光纤耦合装置主要通过熔接法提高耦合效率，但生产成本较高，工艺难度较大，也有通过设计光路结构提高耦合效率，但光路较为复杂，调节难度高，会产生一定的调节误差。因此，针对上述问题，需要一种提高耦合效率的快速调节方法，适应各种应用需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出一种自由空间光纤耦合系统和快速调节方法，本发明不需要光纤熔接等复杂工艺，并采用共轴光路以及笼式结构装调装置，使得调节步骤变简单，满足光纤耦合装置快速调节需求，即在不影响耦合效率的情况下快速实现光纤耦合，提供一种自由空间光纤耦合系统和快速调节方法。

2、具体技术方案如下：

3、一种自由空间光纤耦合系统，包括：空间光源、准直镜、笼式系统结构支杆、光纤耦合组件、光功率计；所述光纤耦合组件包括：显微物镜位移装置、显微物镜、光纤、光纤位移装置、光纤固定装置；所述空间光源、准直镜、显微物镜、光纤依次同光轴布置，所述光纤和光功率计组成共轴光路；令显微物镜的光轴方向为z轴，依据右手法则，与z轴垂直的两个方向分别为x轴和y轴；

4、所述笼式系统结构支杆连接显微物镜和光纤形成笼式结构，所述显微物镜位移装置用于控制显微物镜在z方向上的移动，所述光纤位移装置用于控制光纤在x方向和y方向上的移动；所述光功率计用于实时监测耦合效率，根据光功率计的示数控制显微物镜位移装置和光纤位移装置，进而控制显微物镜和光纤的位移，实现最佳光纤耦合。

5、进一步地，所述显微物镜位移装置包括：支撑件、旋钮、螺纹杆；支撑件上开设有四个通孔，笼式系统结构支杆穿过通孔，使支撑件能在笼式系统结构支杆上滑动；支撑件的一端套设在位置固定的螺纹杆上，并与之啮合；所述螺纹杆一端同轴固连有旋钮，当转动旋钮带动螺纹杆转动时，支撑件随之发生位移；显微物镜固连在支撑件上。

6、进一步地，所述光纤位移装置包括：xy平移调整架、转接件、两个差分驱动器；xy平移调整架开设有四个通孔，笼式系统结构支杆垂直穿过通孔并与xy平移调整架固连；xy平移调整架内部中空，两个差分驱动器垂直安装在xy平移调整架内部，其轴线分别与x轴和y轴平行；两个差分驱动器分别与转接件固连，通过差分驱动器的轴向运动，带动转接件在x方向和y方向上移动；所述转接件中心位置开设有通孔，用于容纳光纤通过，并起到固定作用。

7、一种自由空间光纤耦合快速调节方法，根据所述的自由空间光纤耦合系统实现，包括以下步骤：

8、s1：将空间光源、准直镜、显微物镜、光纤依次同光轴布置，其中显微物镜和光纤通过笼式系统结构支杆形成笼式结构，使空间光源发射的光通过准直镜准直光源，再经过显微物镜会聚光束到光纤的入射端面；

9、s2：通过光纤位移装置对光纤进行x方向和y方向的粗调，使得经显微物镜会聚的光束中心初步对准光纤的纤芯中心；

10、s3：通过显微物镜位移装置沿z方向调节显微物镜，使得光纤的入射端面位置位于显微物镜的焦平面附近，此时显微物镜的位置记为原始位置；

11、s4：以原始位置为基准，用显微物镜位移装置分别沿z方向调节显微物镜的位置，记靠近光纤的方向为前方，远离光纤的方向为后方；当显微物镜相对原始位置向后位移z1时，记录此时光功率计显示的数值；将显微物镜复位至原始位置，再向前移动，直到光功率计显示的数值与向后位移时一致，记录此时相对原始位置的位移为z2；

12、s5：计算当显微物镜的焦平面与光纤的入射端面重合时，显微物镜相对原始位置发生的位移z0，并使用显微物镜位移装置沿z方向调节显微物镜移动z0，z0的表达式如下：

13、

14、s6：通过光纤位移装置对光纤进行x方向和y方向的精调，直到光功率计的示数为最大值，此时达到最佳耦合效率，调节完成。

15、本发明的有益效果是：

16、(1)本发明通过笼式结构有效将系统调节自由度减小到3个，极大提高了调节速度，同时不影响耦合效率。

17、(2)本发明通过理论计算得到显微物镜相对光纤的精确位置，避免了调节的盲目性，极大提高了调节速度，同时不影响耦合效率。

技术特征：

1.一种自由空间光纤耦合系统，其特征在于，包括：空间光源、准直镜、笼式系统结构支杆、光纤耦合组件、光功率计；所述光纤耦合组件包括：显微物镜位移装置、显微物镜、光纤、光纤位移装置、光纤固定装置；所述空间光源、准直镜、显微物镜、光纤依次同光轴布置，所述光纤和光功率计组成共轴光路；令显微物镜的光轴方向为z轴，依据右手法则，与z轴垂直的两个方向分别为x轴和y轴；

2.根据权利要求1所述的自由空间光纤耦合系统，其特征在于，所述显微物镜位移装置包括：支撑件、旋钮、螺纹杆；支撑件上开设有四个通孔，笼式系统结构支杆穿过通孔，使支撑件能在笼式系统结构支杆上滑动；支撑件的一端套设在位置固定的螺纹杆上，并与之啮合；所述螺纹杆一端同轴固连有旋钮，当转动旋钮带动螺纹杆转动时，支撑件随之发生位移；显微物镜固连在支撑件上。

3.根据权利要求1所述的自由空间光纤耦合系统，其特征在于，所述光纤位移装置包括：xy平移调整架、转接件、两个差分驱动器；xy平移调整架开设有四个通孔，笼式系统结构支杆垂直穿过通孔并与xy平移调整架固连；xy平移调整架内部中空，两个差分驱动器垂直安装在xy平移调整架内部，其轴线分别与x轴和y轴平行；两个差分驱动器分别与转接件固连，通过差分驱动器的轴向运动，带动转接件在x方向和y方向上移动；所述转接件中心位置开设有通孔，用于容纳光纤通过，并起到固定作用。

4.一种自由空间光纤耦合快速调节方法，根据权利要求1-3任意一项所述的自由空间光纤耦合系统实现，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种自由空间光纤耦合系统和快速调节方法，包括同光轴布置的空间光源、准直镜、显微物镜、光纤以及与光纤共光轴的光功率计，令显微物镜的光轴方向为Z轴，依据右手法则，与Z轴垂直的两个方向分别为X轴和Y轴；笼式系统结构支杆连接显微物镜和光纤形成笼式结构，显微物镜位移装置用于控制显微物镜在Z方向上的移动，光纤位移装置用于控制光纤在X方向和Y方向上的移动；光功率计用于实时监测耦合效率，并根据光功率计的示数控制显微物镜位移装置和光纤位移装置，进而控制显微物镜和光纤的位移，实现最佳光纤耦合。本发明通过笼式结构将系统调节自由度减小到3个，极大提高了调节速度，同时不影响耦合效率。技术研发人员：白剑,陈祺杰,张天,梁宜勇,王依受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/5/12