本實用新型涉及一種光波分復用器，尤其涉及一種微型低損耗光波分復用器，屬于光纖通信技術領域。

背景技術：

現有技術方案的光波分復用器的結構一般類似說明書附圖的圖l所示：由雙光纖頭101中的一根光纖發射多通道光信號，經過Grin-Lens(自聚焦透鏡)104準直，入射多層介質膜濾波片105；經多層介質膜濾波片105的多光束干涉選擇出透射的通道光信號入射透鏡106，經透鏡106會聚，耦合進單光纖頭108；從多層介質膜濾波片105表面反射的其余光信號經自聚焦透鏡104會聚，耦合進雙光纖頭101中的另外一根光纖；完成光波分復用功能。

其中，膠110用于固定多層介質膜濾波片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；雙光纖準直器組件通過膠固定在第一套管102內，再被用膠103固定在第二套112內，再用膠密封；通過膠把Grin-Lens(自聚焦透鏡)106在第三套管107內，單光纖頭108通過膠固定在第三套管107內，膠109把第三套管107固定在第二套管112內，再用膠密封。

現有技術方案的光波分復用器的缺點在于使用預先固定工作距離和束腰大小的單光纖準直器，當雙光纖準直器與單光纖準直器耦合時，除了工作距離和束腰大小的失配特別是對于密集波分復用領域，還會有更嚴重的耦合失配：由于多層介質膜濾波片105的多光束干涉時所導致的光斑擴束和光斑中心位移的高斯光束參數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發出的束腰半徑為ω₀₀，數值孔徑為NA₁的高斯光束，經過準直透鏡、聚焦透鏡L，作用后，束腰半徑和數值孔徑分別為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發出的光全部耦合進光纖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，準直透鏡焦距F₁和聚焦透鏡焦距F₂。

由于光通信器件內部的各準直器一般采用同一種規格的光纖，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。當光纖a采用透鏡焦距為f的準直透鏡得到最大值則光纖b應相應采用透鏡焦距為f的準直透鏡得到最大值ω₀₁，當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光纖b。

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

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

式中：為E₂的共軛復數，x和y為坐標。

根據模場耦合理論，運用高斯光束傳輸理論，經進一步推導，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。

現有技術方案的光波分復用器使用預先固定工作距離和束腰大小的準直器，由于光波分復用器的光路設計已經固定了雙光纖準直器和單光纖準直器的位置，在這樣的限制條件下，單光纖準直器與雙光纖準直器進行對調時，通過細調調整架的俯仰、升降、旋轉、X軸平移和Y軸平移等調節螺桿，只能盡可能地消除單光纖準直器與雙光纖準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。

這是采用預先固定工作距離和束腰大小的準直器的光波分復用器的固有缺點。

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

當一束光以一定的角度入射到多層介質膜的表面時，光束在多層介質膜內各介質的交界面發生多次反射和折射，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。

以空氣與多次介質膜的第一層介質薄膜的反射光為例：

設定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(r_p，r_s)。對于空氣與第一層介質薄膜的界面，P波和S波的反射系數分別為：

根據折射定律，φ₀和φ₁應滿足下面關系：

n₀sinφ₀＝n₁sinφ₁

對于第一層介質薄膜與第二層介質薄膜的界面，同理有上述確定的關系式。進而可以算出，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果,引入P波、S波的總振幅反射系數：

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。根據多光束干涉理論，我們可以求得總振幅反射系數：

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

由于P波的振幅反射系數r_p和S波的反射系數r_s不等，總振幅反射系數也各不相同；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；外在表現就是多信道光信號的反射光斑變大并且光斑中心產生位移。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生位移。

多層介質膜濾波片105的介質膜層數越多，則上述現象越嚴重。由于多層介質膜濾波片105的多光束干涉所導致的光斑擴束和光斑中心位移，透射光的高斯光束參數發生變化，從而對預先固定工作距離和束腰大小的準直器帶來橫向位移耦合損耗和束腰耦合損耗失配。粗波分復用領域的光波分復用器會有上述耦合失配問題，對于密集波分復用領域的光波分復用器，會有更嚴重的耦合失配問題。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一種微型低損耗光波分復用器，解決現有技術中光波分復用器耦合適配問題嚴重，插入損耗較大的技術問題。

本實用新型所采用的技術方案是：一種微型低損耗光波分復用器，多層介質膜濾波片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，左邊第一透鏡204通過膠固定在第二套管203內，右邊第二透鏡209通過膠固定在第三套管206內，單光纖頭208通過膠固定在第四套管207內；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，構成光波分復用結構；

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。

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。

與現有技術相比，本實用新型所產生的有益效果是：不僅能夠消除單光纖準直器與雙光纖準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，損耗低的優點。

附圖說明

圖1為現有技術的光波分復用器。

圖2為本實用新型提供的微型光波分復用器實施例一。

圖3為本實用新型提供的微型光波分復用器實施例二。

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直的高斯光束的耦合失配情況。

圖6為光纖經過透鏡準直出射光的束腰直徑與空氣間隙長度的關系。

圖7為光纖經過透鏡準直出射光的工作距離與空氣間隙長度的關系。

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

下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本實用新型的技術方案，而不能以此來限制本實用新型的保護范圍。

本實用新型引進多個套管，使得雙光纖頭、單光纖頭、透鏡等各自獨立，從而可以動態調節雙光纖準直器與透鏡之間以及單光纖準直器的光纖頭與透鏡之間的間隙，并動態調節雙光纖準直器的光纖頭與透鏡以及單光纖準直器的光纖頭與透鏡的轉動的角度和幾何中心的錯位，動態調節雙光纖準直器以及單光纖準直器的工作距離、束腰大小和束腰位置的方法。在實際制作過程中，通過調節雙光纖準直器的光纖頭與透鏡以及單光纖準直器的光纖頭與透鏡的間隙，動態轉動調節雙光纖準直器的光纖頭與透鏡以及單光纖準直器與透鏡的角度，動態旋轉調節兩透鏡斜端面之間的相對角度，動態調節單光纖準直器與雙光纖準直器之間的工作距離、束腰大小和束腰位置的失配，以及多層介質膜濾波片的多光束干涉所導致的光斑擴束的束腰大小失配；并通過動態調整雙光纖準直器的光纖頭與透鏡以及單光纖準直器的光纖頭與透鏡的幾何中心的錯位，動態調節單光纖準直器與雙光纖準直器的角度失配，以及多層介質膜濾波片的多光束干涉所導致的光斑中心位移的橫向失配；盡可能消除單光纖準直器與雙光纖準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，最終解決現有技術方案中使用預先固定工作距離和束腰大小的單光纖準直器只能盡可能消除單光纖準直器與雙光纖準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：

光纖準直器的基本工作原理是：將光纖端面置于準直透鏡的焦點處，使出射光束得到準直，然后在焦點附近輕微調節光纖端面與準直透鏡的間隙，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和準直透鏡參數的準直器：通過調節光纖端面與準直透鏡的間隙得到“光纖經過透鏡準直出射光的束腰直徑與空氣間隙氏度的關系”(參見說明書附圖的圖6)；通過調節光纖端面與準直透鏡的間隙得到“光纖經過透鏡準直出射光的工作距離與空氣間隙長度的關系”(參見圖7)。從兩個MathCAD軟件模擬準直器的關系圖可以得知，通過調節光纖端面與準直透鏡的間隙可以得到較大動態范圍的準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調節雙光纖準直器的光纖頭與透鏡之間以及單光纖準直器的光纖頭與透鏡之間的間隙，并動態調整雙光纖準直器的光纖頭與透鏡以及單光纖準直器的光纖頭與透鏡的幾何中心的錯位，動態調整雙光纖準直器的光纖頭與透鏡以及單光纖準直器的光纖頭與透鏡的相對角度，加上通過細調調整架的旋轉、X軸平移、Y軸平移和Z軸平移等調節螺桿，就可以盡可能地消除單光纖準直器與雙光纖準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。從而使單光纖準直器與雙光纖準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用器的實施例一，在實際制作過程中，通過調節雙光纖準直器的光纖頭201與第一透鏡204之間以及單光纖準直器的單光纖頭208與第二透鏡209之間的間隙，并動態調整雙光纖準直器的光纖頭201與第一透鏡204以及單光纖準直器的單光纖頭209與透鏡205的幾何中心的錯位，動態調節雙光纖準直器的光纖頭201與第一透鏡204以及單光纖準直器的工作距離、束腰大小和束腰位置，盡可能消除雙光纖準直器與單光纖準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，以及消除多層介質膜濾波片205的多光束干涉所導致的光斑擴束和光斑中心位移的高斯光束參數變化所帶來的耦合失配；實現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，實現單光纖準直器與雙光纖準直器之間的最低耦合損耗。

由雙光纖頭201中的一根光纖發射多通道光信號，經過第一透鏡204入射多層介質膜濾波片205；經多層介質膜濾波片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，經第二透鏡209會聚，耦合進單光纖頭208；從多層介質薄膜濾波片205表面反射的其光信號經第一透鏡204會聚，耦合進雙光纖頭201中的另外一根光纖，完成光波分復用功能。

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)等熱膨脹系數與透鏡和光纖頭的基質的熱膨脹系數接近的材料。

本實用新型的動態調節準直器的準直透鏡可以采用Grin-Lens、D-Lens、C-Lens或非球面透鏡等光學透鏡，下面以C-Lens為具體實施例子：

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

可以計算出C-Lens的焦距f，再根據C-Lens的焦距f公式：

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

具體結構的實施方案如下：

圖2為新技術方案的光波分復用器實施例一。

首先用膠將第一透鏡204固接在第二套管203中的目標位置，然后通過膠把多層介質薄膜濾波片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中目標位置，組成右邊透鏡組件。

在調節架上旋轉調節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的斜面端達到目標的相對角度。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中的目標位置，形成單光纖頭組件。

把波分復用器的中間組件部分固定在夾具上，對調雙光纖組件與單光纖頭組件。通過動態旋轉調節雙光纖頭組件和單光纖頭組件達到它們之間的目標相對角度，并動態調整雙光纖頭201與第一透鏡204的幾何中心的錯位以及調整單光纖頭208與第二透鏡209的幾何中心的錯位，加上通過細調固定雙光纖頭組件以及單光纖頭組件的調節架的旋轉、X軸平移、Y軸平移和Z軸平移等調節螺桿，就可以盡可能地消除單光纖準直器與雙光纖準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，在單光纖準直器與雙光纖準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，最終實現低損耗光波分復用器。

圖3為本實用新型提供的微型光波分復用器的實施例二。

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的左端各設計了一個臺階在套管內，這樣可以增大涂膠的面積，使得第二套管203、第三套管206能與多層介質膜濾波片205更好地固接，提高器件的穩固性。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本實用新型的保護范圍。