阅读说明：本技术 一种能使光纤快速耦合的光纤通信装置和通信方法 (Optical fiber communication device and communication method capable of enabling optical fibers to be quickly coupled ) 是由 倪演海 谷仁丰 胡建超 肖丹谊 于 2019-12-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种能使光纤快速耦合的光纤通信装置,包括结构相同的分别连接在通信光缆两端的A端装置和B端装置,所述A端装置包括互联的第一激光发射机单元和第一发射耦合单元及互联的第一激光接收机单元和第一接收耦合单元；所述B端装置包括互联的第二激光发射机单元和第二发射耦合单元及互联的第二激光接收机单元和第二接收耦合单元；第一发射耦合单元通过通信光缆中第一光纤连接第二接收耦合单元,第二发射耦合单元通过通信光缆中第二光纤连接第一接收耦合单元。这种装置具有成本低、组装方便、操作简便的特点。本发明同时还公开了能使光纤快速耦合的光纤通信方法,这种方法可简便、快速的实现或恢复异地通信。(The invention discloses an optical fiber communication device capable of realizing rapid optical fiber coupling, which comprises an A-end device and a B-end device which have the same structure and are respectively connected to two ends of a communication optical cable, wherein the A-end device comprises a first laser transmitter unit and a first transmitting coupling unit which are interconnected, and a first laser receiver unit and a first receiving coupling unit which are interconnected; the B-end device comprises a second laser transmitter unit and a second transmitting coupling unit which are interconnected, and a second laser receiver unit and a second receiving coupling unit which are interconnected; the first transmitting coupling unit is connected with the second receiving coupling unit through a first optical fiber in the communication optical cable, and the second transmitting coupling unit is connected with the first receiving coupling unit through a second optical fiber in the communication optical cable. The device has the characteristics of low cost, convenient assembly and simple and convenient operation. The invention also discloses a fiber communication method capable of realizing the rapid coupling of the optical fiber, and the method can simply, conveniently and rapidly realize or recover the communication in different places.)

一种能使光纤快速耦合的光纤通信装置和通信方法

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，具体涉及一种使用快速光纤耦合的光纤通信装置和方法。

背景技术

地震、洪灾、山体滑坡等重大自然灾害往往导致偏远山区长时间道路中断，电力不通，电话、手机通信中断等情况。这时，迫切需要一种简单、快速、便携的装置来使外界和灾区保持通信。

目前常用的应急光纤通信装置为了得到高耦合效率，要求装置和光纤的连接保持良好状态。而为了达到这一目的，其对光纤的端面要求很严格，必须使用光纤切割刀进行切割，使光纤端面平整，然后需要使用精密的夹具固定光纤，使激光器或探测器和光纤精确地对准；又或者需要使用光纤熔接机熔接一个连接器，然后使用法兰盘连接通信装置和光纤。

然而，假如发现光缆在野外某处高山峭壁或水底发生折断，而又没有携带或者不方便使用光纤切割刀、光纤熔接机等专用工具，则无法进行通信。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种能使光纤快速耦合的光纤通信装置和通信方法。这种装置具有成本低、组装方便、操作简便的特点。这种方法可简便、快速的实现或恢复异地通信。

实现本发明目的的技术方案是：

一种能使光纤快速耦合的光纤通信装置，包括结构相同的分别连接在通信光缆两端的A端装置和B端装置，其中，通信光缆中光纤数量为至少2根，所述A端装置包括互联的第一激光发射机单元和第一发射耦合单元及互联的第一激光接收机单元和第一接收耦合单元；所述B端装置包括互联的第二激光发射机单元和第二发射耦合单元及互联的第二激光接收机单元和第二接收耦合单元；第一发射耦合单元通过通信光缆中第一光纤连接第二接收耦合单元，第二发射耦合单元通过通信光缆中第二光纤连接第一接收耦合单元。

所述第一发射耦合单元和第二发射耦合单元均设有内径为φ1mm-φ3mm、长度为内径长度10倍-30倍的第一耦合圆筒，其中，第一耦合圆筒的内壁具有反射功能或第一耦合圆筒的内壁镀有反射膜，第一耦合圆筒的一端连接激光发射机单元，第一耦合圆筒的另一端用于可灵活地***需要连接的光纤，激光发射机单元输出的光信号通过第一耦合圆筒耦合进入需要连接的光纤中。

所述第一接收耦合单元和第二接收耦合单元均设有内径为φ1mm-φ3mm、长度为内径长度10倍-30倍的第二耦合圆筒，其中，第二耦合圆筒的内壁具有反射功能或第二耦合圆筒的内壁镀有反射膜，第二耦合圆筒的一端为输入端，用于可灵活地***需要连接的光纤，第二耦合圆筒另一端连接光探测器，光探测器从需要连接的光纤输出的光信号通过第二耦合圆筒耦合进入光探测器中。

激光发射机单元将信息进行编码调制后变成光信号输入到发射耦合单元中，发射耦合单元将光信号耦合进光纤中，接收耦合单元将光纤中的光信号耦合进光探测器中，激光接收机单元将光信号转变为电信号并进行解调，得到激光发射机单元发送过来的信息。

第一耦合圆筒根据通信光纤的直径不同可以选择不同的内径，第一耦合圆筒的外表面不需要作特殊设计，可以是方形的、圆形的或者其他形状的，只需要保证圆筒整体稳固即可，第一耦合圆筒为10倍-30倍内径的长度，即长度可以在10mm-60mm范围，圆筒的一端接带1.25mm或者2.5mm光纤连接头的激光器，圆筒的另一端接0.25mm光纤或者0.9mm光纤，或者1.25mm或者2.5mm光纤连接头，通信装置工作时，激光发射机单元不断发射光信号，激光光束从光纤连接头中出射，由于出射光束是发散的，并且第一耦合圆筒长度足够长，因此，光束会在第一耦合圆筒内壁中进行多次反射，当光束到达第一耦合圆筒的另一端时，激光发射机单元连接头的出射光束变成一束与第一耦合圆筒内径截面同样大小、强度分布近似均匀的光束，此时，只要第一耦合圆筒的另一端放入光纤，由于光束分布近似均匀，则入射角满足光纤数值孔径的要求，则就有面积等同于光纤有效耦合横截面积的光信号耦合进光纤中，理论上，本装置使用的发射耦合单元的最大耦合效率为光纤有效耦合横截面积与第一耦合圆筒内径的横截面积之比，因此，第一耦合圆筒内径越小，耦合效率越高，实际使用时，考虑到圆筒内壁的反射损耗、光纤端面不平整或不干净引起的损耗等会导致耦合效率有所降低，但降低不多，因此，使用φ1mm-φ3mm的圆筒以及单模光纤进行通信，发射耦合效率大约在-40dB--60dB范围，另外，由上述耦合原理可知，耦合效率只与光纤的有效耦合横截面积有关系，而与光纤的横向位置没有关系，也就是说，只要光纤的光轴方向与第一耦合圆筒的轴心方向保持大致相同，光纤可以放置在第一耦合圆筒中的任意位置，这就可以简单、快速的建立激光器和通信光纤的连接了。

其中，实现快速耦合功能的关键之处还在于接收耦合单元，接收耦合单元使用了与发射耦合单元结构一致的第二耦合圆筒，第二耦合圆筒的内径同样为φ1mm-φ3mm范围，第二耦合圆筒长度同样为内径的10倍-30倍，第二耦合圆筒的内部同样要求具有反射功能，输入光纤灵活地放置在第二耦合圆筒的一端，在第二耦合圆筒的另一端固定放置光探测器，光探测器可以使用宽光敏面的探测器，由前述的第一耦合圆筒耦合原理可知，光纤出射的光束经过第二耦合圆筒的多次发射后，在探测器处形成强度大致均匀分布的光斑，如果探测器的光敏面直径和第二耦合圆筒内径同样大小或者比第二耦合圆筒内径还要大，则所有光束都会进入到探测器中，因此，光纤和光探测器的耦合效率很高，考虑到第二耦合圆筒内壁的反射损耗，光纤端面不平整或不干净带来的损耗，则接收耦合效率大约在-1dB--10dB范围。

综上所述，使用第一耦合圆筒结构的发射耦合单元和使用第二耦合圆筒结构接收耦合单元，可以不需要精密夹具对准光纤中心位置，也可以不需要使用光纤切割刀切割光纤使其端面平整，更不需要使用光纤熔接机熔接光纤连接器，即可简便、快捷地实现光纤发射和接收耦合。

使用上述能使光纤快速耦合的光纤通信装置的通信方法，包括如下步骤：

1）在通信光缆的一端即A端，使第一激光发射机单元不断发射光信号、使第一激光接收机单元不断解调光信号，然后将通信光缆中一根光纤放进第一发射耦合单元的第一耦合圆筒中并固定，再将通信光缆中剩余的光纤放进第一激光接收机单元的第二耦合圆筒中并固定；

2）在通信光缆的另一端即B端，同样使第二激光发射机单元不断发射光信号、使第二激光接收机单元不断解调光信号，然后将通信光缆中的所有光纤一起放进第二接收耦合单元中固定，此时，可以在第二激光接收机单元中接收到信息；

3）在B端，将第二接收耦合单元中的光纤抽出一根，如果此时第二激光接收机单元中不再接收到信息，说明此光纤即是A端的发射光纤，则将第二接收耦合单元中的其余光纤拿出来放进第二发射耦合单元中固定，再将确定为A端发射光纤的光纤放回第二接收耦合单元中固定；如果抽出的这根光纤不影响第二激光接收机单元的信息接收，说明此光纤不是A端的发射光纤，则将此光纤放进第二发射耦合单元中固定，此时，可以在A端的第一激光发射机单元中接收到B端发送的信息；

4）完成以上步骤，即可快速实现光缆A端和B端之间的双向通信。

这种装置具有成本低、组装方便、操作简便的特点。这种方法可简便、快速的实现或恢复异地通信。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图中，5.第一光纤 6.第二光纤 7.通信光缆 11.第一激光发射机单元 12. 第一发射耦合单元 21. 第一激光接收机单元 22. 第一接收耦合单元 31.第二激光发射机单元 32.第二发射耦合单元41. 第二激光接收机单元42. 第二接收耦合单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1，一种能使光纤快速耦合的光纤通信装置，包括结构相同的分别连接在通信光缆7两端的A端装置和B端装置，其中，通信光缆7中光纤数量为至少2根，所述A端装置包括互联的第一激光发射机单元11和第一发射耦合单元12及互联的第一激光接收机单元21和第一接收耦合单元22；所述B端装置包括互联的第二激光发射机单元31和第二发射耦合单元32及互联的第二激光接收机单元41和第二接收耦合单元42；第一发射耦合单元12通过通信光缆7中第一光纤5连接第二接收耦合单元42，第二发射耦合单元32通过通信光缆7中第二光纤6连接第一接收耦合单元22。

所述第一发射耦合单元12和第二发射耦合单元32均设有内径为φ1mm-φ3mm、长度为内径长度10倍-30倍的第一耦合圆筒，其中，第一耦合圆筒的内壁具有反射功能或第一耦合圆筒的内壁镀有反射膜，第一耦合圆筒的一端连接激光发射机单元，第一耦合圆筒的另一端用于可灵活地***需要连接的光纤，激光发射机单元输出的光信号通过第一耦合圆筒耦合进入需要连接的光纤中。

所述第一接收耦合单元22和第二接收耦合单元42均设有内径为φ1mm-φ3mm、长度为内径长度10倍-30倍的第二耦合圆筒，其中，第二耦合圆筒的内壁具有反射功能或第二耦合圆筒的内壁镀有反射膜，第二耦合圆筒的一端为输入端，用于可灵活地***需要连接的光纤，第二耦合圆筒另一端连接光探测器，光探测器从需要连接的光纤输出的光信号通过第二耦合圆筒耦合进入光探测器中。

激光发射机单元将信息进行编码调制后变成光信号输入到发射耦合单元中，发射耦合单元将光信号耦合进光纤中，接收耦合单元将光纤中的光信号耦合进光探测器中，激光接收机单元将光信号转变为电信号并进行解调，得到激光发射机单元发送过来的信息。

激光发射机单元通常采用FPGA芯片和通用逻辑门电路驱动芯片组成，本例为EP3C55F484C8和74F04，本例激光接收机单元采用雪崩光电二极管加跨阻放大器再加主放大器构成，可将微弱的光信号转换为电信号并进行有效放大，以便后续处理，跨阻放大器采用OPA657构成，主放大器采用OPA699构成，然后采用高速模拟-数字转换器ADC10065进行信号采集和模拟-数字转换，最后送到FPGA芯片EP3C55F484C8中进行信号解调处理。

第一耦合圆筒根据通信光纤的直径不同可以选择不同的内径，本例中第一耦合圆筒的内径为φ3mm，则可以放入0.25mm光纤、0.9mm光纤、1.25mm的光纤连接头、2.5mm的光纤连接头，第一耦合圆筒的外表面不需要作特殊设计，可以是方形的、圆形的或者其他形状的，只需要保证圆筒整体稳固即可，第一耦合圆筒为10倍-30倍内径的长度，即长度可以在10mm-60mm范围，圆筒的一端接带1.25mm或者2.5mm光纤连接头的激光器，圆筒的另一端接0.25mm光纤或者0.9mm光纤，或者1.25mm或者2.5mm光纤连接头，通信装置工作时，激光发射机单元不断发射光信号，激光光束从光纤连接头中出射，由于出射光束是发散的，并且第一耦合圆筒长度足够长，因此，光束会在第一耦合圆筒内壁中进行多次反射，当光束到达第一耦合圆筒的另一端时，激光发射机单元连接头的出射光束变成一束与第一耦合圆筒内径截面同样大小、强度分布近似均匀的光束，此时，只要第一耦合圆筒的另一端放入光纤，由于光束分布近似均匀，则入射角满足光纤数值孔径的要求，则就有面积等同于光纤有效耦合横截面积的光信号耦合进光纤中，理论上，本装置使用的发射耦合单元的最大耦合效率为光纤有效耦合横截面积与第一耦合圆筒内径的横截面积之比，因此，第一耦合圆筒内径越小，耦合效率越高，例如，使用直径φ3mm的圆筒以及纤芯直径9um的单模光纤，则最大耦合效率为2.78x10^-4。理论上，单模光纤的有效耦合直径一般为50um~60um，本例取为50um。实际使用时，考虑到圆筒内壁的反射损耗、光纤端面不平整或不干净引起的损耗等会导致耦合效率有所降低，但降低不多，因此，使用φ1mm-φ3mm的圆筒以及单模光纤进行通信，发射耦合效率大约在-40dB--60dB范围，另外，由上述耦合原理可知，耦合效率只与光纤的有效耦合横截面积有关系，而与光纤的横向位置没有关系，也就是说，只要光纤的光轴方向与第一耦合圆筒的轴心方向保持大致相同，光纤可以放置在第一耦合圆筒中的任意位置，这就可以简单、快速的建立激光器和通信光纤的连接了。

其中，实现快速耦合功能的关键之处还在于接收耦合单元，接收耦合单元使用了与发射耦合单元结构一致的第二耦合圆筒，第二耦合圆筒的内径同样为φ1mm-φ3mm范围，第二耦合圆筒长度同样为内径的10倍-30倍，第二耦合圆筒的内部同样要求具有反射功能，输入光纤灵活地放置在第二耦合圆筒的一端，在第二耦合圆筒的另一端固定放置光探测器，光探测器可以使用宽光敏面的探测器，本例中，探测器为φ1mm-φ3mm的宽光敏面探测器，由前述的第一耦合圆筒耦合原理可知，光纤出射的光束经过第二耦合圆筒的多次发射后，在探测器处形成强度大致均匀分布的光斑，如果探测器的光敏面直径和第二耦合圆筒内径同样大小或者比第二耦合圆筒内径还要大，则所有光束都会进入到探测器中，因此，光纤和光探测器的耦合效率很高，最高可能达到90%以上，考虑到第二耦合圆筒内壁的反射损耗，光纤端面不平整或不干净带来的损耗，则接收耦合效率大约在-1dB--10dB范围。

综上所述，使用第一耦合圆筒结构的发射耦合单元和使用第二耦合圆筒结构接收耦合单元，可以不需要精密夹具对准光纤中心位置，也可以不需要使用光纤切割刀切割光纤使其端面平整，更不需要使用光纤熔接机熔接光纤连接器，即可简便、快捷地实现光纤发射和接收耦合。

使用上述能使光纤快速耦合的光纤通信装置的通信方法，包括如下步骤：

1）在通信光缆7的一端即A端，使第一激光发射机单元11不断发射光信号、使第一激光接收机单元21不断解调光信号，然后将通信光缆7中一根光纤放进第一发射耦合单元12的第一耦合圆筒中并固定，再将通信光缆7中剩余的光纤放进第一激光接收机单元21的第二耦合圆筒中并固定；

2）在通信光缆7的另一端即B端，同样使第二激光发射机单元31不断发射光信号、使第二激光接收机单元41不断解调光信号，然后将通信光缆7中的所有光纤一起放进第二接收耦合单元42中固定，此时，可以在第二激光接收机单元41中接收到信息；

3）在B端，将第二接收耦合单元42中的光纤抽出一根，如果此时第二激光接收机单元41中不再接收到信息，说明此光纤即是A端的发射光纤，则将第二接收耦合单元42中的其余光纤拿出来放进第二发射耦合单元32中固定，再将确定为A端发射光纤的光纤放回第二接收耦合单元42中固定；如果抽出的这根光纤不影响第二激光接收机单元41的信息接收，说明此光纤不是A端的发射光纤，则将此光纤放进第二发射耦合单元32中固定，此时，可以在A端的第一激光发射机单元11中接收到B端发送的信息；

4）完成以上步骤，即可快速实现光缆A端和B端之间的双向通信。