[发明专利]能够提高单模光纤空间光耦合效率的两级空间光耦合装置

说明书

能够提高单模光纤空间光耦合效率的两级空间光耦合装置属于自由空间光通信技术领域。现有技术耦合效率低。本发明沿光入射方向初级汇聚透镜、多模光纤、大数值孔径变折射率透镜、小数值孔径变折射率透镜依次同轴排列；初级汇聚透镜、多模光纤、大数值孔径变折射率透镜的数值孔径相等或者依次增大；多模光纤的入射端面位于初级汇聚透镜像方焦点，出射端面位于大数值孔径变折射率透镜物方焦点；大数值孔径变折射率透镜的出射镜面与小数值孔径变折射率透镜的入射镜面相抵；大数值孔径变折射率透镜的折射率递减速率高于小数值孔径变折射率透镜；多模光纤的多模插芯、大数值孔径变折射率透镜、小数值孔径变折射率透镜的外径相同，与套管内壁静配合。

技术领域

本发明涉及一种能够提高单模光纤空间光耦合效率的两级空间光耦合装置，属于自由空间光通信技术领域。

背景技术

自由空间光通信(Free Space Optical Communication，FSOC)是一种以光为信号载体，在自由空间实现语音、图像等数据信息无线传输的通信技术。具有通信速率高、通信容量大、抗干扰能力强、抗截获能力强、体积小、重量轻以及功耗低的优点，具有广泛的应用前景。为了更好的提升自由空间光通信性能和设计灵活性，降低自由空间光通信系统的体积和重量，在空间光通信系统中越来越多地采用了很多成熟的光纤通信的现有技术和设备。这也引入了一个新的问题，如何将更多的光耦合到单模光纤中，也就是如何提高耦合效率，这成为自由空间光通信领域的关键技术之一。

分离透镜耦合法是一种现有单模光纤空间光耦合方法，该方法的特点是光纤与组成光纤耦合系统的各光学元件彼此相互独立。单透镜耦合方法是一种常见的分离透镜耦合法，光纤端面位于单透镜焦点上，单透镜将光汇聚到光纤端面上，实现光耦合。但是，单透镜本身必然会存在多种像差，如球差等，耦合效率势必降低，即使不考虑大气环境影响，耦合效率也仅10％左右。分离透镜耦合法的另外一种情形是多透镜组合，这种方案能够大幅消减系统像差，进而提高耦合效率，但是，依然要求光纤端面精确安装于系统焦点处。即使采取多透镜组合，在实际工程应用中，由于装调、环境温度以及重力等方面的原因，光纤端面相对于系统焦点总会存在偏移，耦合效率的提高也是有限的。如果再将大气环境影像考虑进来，当光束在大气中传输时，大气湍流所引起的光束相位畸变及光纤端面的随机抖动，耦合效率会进一步降低，在实际应用中，耦合效率只在10^-3量级上，可见，问题十分严重。

为了提高耦合效率，专利申请号为201510003489.2的一篇专利文献公开了一项名称为“一种克服大气湍流的空间激光束光纤耦合效率优化方法”的方案。该方案采用自适应光学的方法在单模光纤耦合系统中增加快速反射镜和相位控制器，优化调整耦合位置和角度，并补偿大气湍流和系统静态像差带来的光束波前畸变，提高光束能量集中度，提高耦合效率。尽管如此，该方案还是有其不足，由于自适应光学系统的加入，需额外增设快速反射镜和相位控制器等部件，不仅系统结构因而变得十分复杂，而且也正如业内人所共知，快速反射镜、相位控制器价格十分昂贵，耦合装置整体的体积、重量、能耗均增加很多。

发明内容

为了大幅度提高单模光纤空间光耦合效率，同时耦合装置还应当具有结构简单、体积小、重量轻、能耗低、成本低的特点，我们发明了一种能够提高大气环境单模光纤空间光耦合效率的光耦合单元。