阅读说明：本技术 一种非球面无热化高效光纤耦合器 (Aspheric athermal high-efficiency optical fiber coupler ) 是由 王泰升 张红鑫 史成勇 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种非球面无热化高效光纤耦合器,属于光纤传输及光电技术领域。解决传统光纤耦合器像差难以控制,成像不清,耦合器效率低的技术问题。本发明的光纤耦合器首先引入非球面设计,利用非球面透镜有效控制像差,以此来改进聚焦光斑的质量,达到提高耦合效率的目的；其次引入光机一体无热化设计,将光学材料和机械结构的热性能统一考虑,使得耦合器在高温工作时,焦距、工作距离不变,从而确保耦合效率不下降；同时采用两体独立的无接触设计,镜体之间以平行光配合,对配合精度无要求,使得两体之间的装配距离误差对耦合效率无影响,从而降低装配难度,提高了耦合器的使用可靠性。(The invention relates to an aspheric athermal high-efficiency optical fiber coupler, and belongs to the technical field of optical fiber transmission and photoelectricity. The technical problems that the aberration of a traditional optical fiber coupler is difficult to control, imaging is unclear and the coupler efficiency is low are solved. The optical fiber coupler firstly introduces an aspheric surface design, and utilizes an aspheric lens to effectively control aberration so as to improve the quality of a focused light spot and achieve the aim of improving the coupling efficiency; secondly, a light-machine integrated athermalization design is introduced, and the thermal performance of optical materials and the thermal performance of a mechanical structure are considered uniformly, so that the focal length and the working distance of the coupler are unchanged when the coupler works at high temperature, and the coupling efficiency is ensured not to be reduced; meanwhile, the two bodies are independent and are in a non-contact design, the lens bodies are matched with each other through parallel light, the matching precision is not required, the coupling efficiency is not affected by the assembling distance error between the two bodies, the assembling difficulty is reduced, and the use reliability of the coupler is improved.)

一种非球面无热化高效光纤耦合器

技术领域

本发明属于光纤传输及光电技术领域，具体涉及一种非球面无热化高效光纤耦合器。

背景技术

光纤耦合器是光纤与光纤，光纤与光学系统之间进行连接的器件，利用光纤耦合器可以将光束与光纤对接起来，以使光能量最大限度地耦合到接收光纤，提高整个光纤系统的光能量传输效率，这对于激光传导、信息传输等光电系统来说具有重要的意义。

传统的光纤耦合器存在以下不足之处：(1)绝大多数耦合器采用球面系统设计，耦合效率理论上可以达到92％。但由于诸多因素的影响，会出现光束聚焦效果不好，像差和光束变形增大，成像不清等现象，最终导致耦合效率降低。(2)未进行无热化设计，所谓的无热化设计就是指在系统设计时，利用光学材料和机械材料不同的热特性，使得系统在温度升高或降低时相互补偿相，以保证光学系统在一个较大的温度范围内保持稳定的像面位置和稳定的像质。因此缺少无热化设计就不能在温度变化时始终保持良好的工作特性，就会导致耦合器效率下降。(3)传统耦合器由于工艺制作与成本费用的控制，通常采用单体结构，这种结构对系统装配的误差，以及用户的操作误差非常敏感，极易出现操作失误或效率下降的情况。

发明内容

本发明要解决传统光纤耦合器像差难以控制，成像不清，耦合器效率低的技术问题，提供一种非球面无热化高效光纤耦合器。本发明的光纤耦合器首先引入非球面设计，利用非球面透镜有效控制像差，以此来改进聚焦光斑的质量，达到提高耦合效率的目的；其次引入光机一体无热化设计，将光学材料和机械结构的热性能统一考虑，使得耦合器在高温工作时，焦距、工作距离不变，从而确保耦合效率不下降；同时采用两体独立的无接触设计，镜体之间以平行光配合，对配合精度无要求，使得两体之间的装配距离误差对耦合效率无影响，从而降低装配难度，提高了耦合器的使用可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

本发明提供一种非球面无热化高效光纤耦合器，包括非球面光学系统、光纤定位装置及系统外壳；

所述非球面光学系统设置在所述光纤定位装置内，所述光纤定位装置设置在所述系统外壳内；

所述非球面光学系统利用非球面透镜有效控制像差，以此来改进聚焦光斑的质量，进而提高耦合效率；

所述非球面光学系统与所述光纤定位装置采用光机一体化无热化设计，使得耦合器在高温工作时，焦距、工作距离不变，从而确保耦合效率不下降。

在上述技术方案中，所述非球面光学系统是采用两片非球面透镜组成，其中一片非球面透镜将发射光纤的光以平行光的形式传递至另一片非球面透镜，再汇聚至接收光纤端面。两个非球面透镜之间、光纤与非球面镜之间均无接触，并以平行光配合，无需进行精密装调。

在上述技术方案中，所述非球面透镜为膨胀系数极小的石英玻璃，所述光纤定位装置为金属材料，所述系统外壳为金属材料。

在上述技术方案中，所述非球面光学系统的两个非球面焦点处分别设置有光纤限位卡口，分别限定发射光纤和接收光纤的插入深度，保证各光纤的端面定位于非球面焦点处。

在上述技术方案中，所述光纤定位装置内部设置有光纤插拔通道，分别将发射光纤和接收光纤定位于所述非球面光学系统的两个焦点处。

在上述技术方案中，所述光纤定位装置设有兼容标准光纤接头的光纤外部端口。

在上述技术方案中，所述系统外壳设置有光纤插口。

本发明的有益效果是：

本发明的非球面无热化高效光纤耦合器，采用非球面设计控制像差，以此来改进聚焦光斑的质量，达到提高耦合效率的目的；引入光机一体无热化设计，使得耦合器在高温工作时，焦距、工作距离不变，从而确保耦合效率不下降；同时采用两体独立的无接触设计，镜体之间以平行光配合，对配合精度无要求，使得两体之间的装配距离误差对耦合效率无影响，从而降低装配难度，提高了耦合器的使用可靠性。本发明可以提高光纤耦合器耦合效率，对激光传导、信息传输等光电系统来说具有重要的意义。

附图说明

图1是非球面无热化高效光纤耦合器内部结构图；

图2是非球面无热化高效光纤耦合器外部结构图；

图3是光纤定位装置剖面图。

其中：1-非球面光学系统，2-光纤定位装置，3-系统外壳，4-光纤插口，5-光纤限位卡口，6-光纤插拔通道，7-光纤外部端口。

具体实施方式

本发明的发明思想为：为了解决传统光纤耦合器像差难以控制，成像不清，耦合器效率低的问题，本发明提出一种非球面无热化高效光纤耦合器。该光纤耦合器首先引入非球面设计，利用非球面透镜有效控制像差，以此来改进聚焦光斑的质量，达到提高耦合效率的目的；其次引入光机一体无热化设计，将光学材料和机械结构的热性能统一考虑，使得耦合器在高温工作时，焦距、工作距离不变，从而确保耦合效率不下降；同时采用两体独立的无接触设计，镜体之间以平行光配合，对配合精度无要求，使得两体之间的装配距离误差对耦合效率无影响，从而降低装配难度，提高了耦合器的使用可靠性。

本发明的非球面无热化高效光纤耦合器，主要包括三个部分：非球面光学系统1、光纤定位装置2及系统外壳3。

本发明的非球面无热化高效光纤耦合器中，所述非球面光学系统1是指采用两片非球面透镜组成，其中一片非球面透镜将发射光纤的光以平行光的形式传递至另一片非球面透镜，再汇聚至接收光纤端面。两个非球面透镜之间、光纤与非球面透镜之间均无接触，并以平行光配合，无需进行精密装调。

本发明的非球面无热化高效光纤耦合器中，所述光纤定位装置2是采用插拔式结构设计，整体为金属结构，结构内设计有光纤插拔通道6，并在非球面透镜焦点处设计光纤限位卡口5，限定光纤插入深度，保证光纤端面定位于非球面透镜焦点处。同时该光纤定位装置2设有光纤外部端口7，所述光纤外部端口7兼容标准光纤接头，无需对光纤端口进行特殊处理。

所述光纤定位装置2与非球面光学系统1采用光机一体无热化设计，将光学材料和机械结构的热性能统一考虑，采用膨胀系数极小的石英玻璃作为非球面透镜材料，同时系统外壳3采用全金属结构，保证良好的散热效果，使得耦合器在高温工作时，焦距、工作距离不变，从而确保耦合效率不下降和光纤能量的稳定传输。

本发明的非球面无热化高效光纤耦合器中，所述系统外壳3是将整个系统限定在一个密闭空间内的外部结构，一般采用金属材料。为了保证系统良好的散热效果，系统外壳3与光纤定位装置2通过物理贴合的方式紧密接触，保证热量快速传导，同时外部留有外接螺孔，方便与其他外部设备连接。系统外壳3除了留有光纤插口4以外，其他部分完全封闭，避免外部光线进入系统，影响耦合效率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明的非球面无热化高效光纤耦合器，由非球面光学系统1、光纤定位装置2及系统外壳3三部分组成，所述耦合器的内部结构如图1所示，外部结构(系统外壳3)如图2所示，光纤定位装置2如图3所示。

所述非球面光学系统1是采用两片非球面透镜组成，引入两片非球面透镜控制光学像差，其中一片非球面透镜将发射光纤的光以平行光的形式传递至另一片非球面透镜，再汇聚至接收光纤端面，如图1所示。两个非球面透镜之间、光纤与非球面镜之间均无接触，并以平行光配合，无需进行精密装调。

所述光纤定位装置2，采用插拔式结构设计，如图3所示。整体为金属结构，结构内设计有光纤插拔通道6，并在非球面透镜焦点处设计光纤限位卡口5，限定光纤插入深度，保证光纤端面定位于非球面焦点处。同时该光纤定位装置2设有光纤外部端口7，所述光纤外部端口7兼容标准光纤接头，无需对光纤端口进行特殊处理。

所述光纤定位装置2与非球面光学系统1采用光机一体无热化设计，将光学材料和机械结构的热性能统一考虑，采用膨胀系数极小的石英玻璃作为非球面透镜材料，同时外壳采用全金属结构，保证良好的散热效果，使得耦合器在高温工作时，焦距、工作距离不变，从而确保耦合效率不下降和光纤能量的稳定传输。

所述系统外壳3是将整个系统限定在一个密闭空间内的外部结构，如图2所示，一般采用金属材料。为了保证系统良好的散热效果，系统外壳3与光纤定位装置2通过物理贴合的方式紧密接触，保证热量快速传导，同时外部留有外接螺孔，方便与其他外部设备连接。系统外壳3除了留有光纤插口4以外，其他部分完全封闭，避免外部光线进入系统，影响耦合效率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。