CN101852894B - 悬挂芯光纤的耦合连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种悬挂芯光纤的耦合连接方法。将悬挂芯光纤与单芯光纤各自一端的涂覆层剥离、剥离后清洗并切割使光纤端面平整，通过光纤焊接机在剥离处进行焊接，在两段光纤熔点处进行加热实行熔融拉锥，同时进行光功率监测，当锥体腰部拉细到光功率监测值达到预定耦合光功率时停止拉锥形成锥体耦合区，在锥体耦合区外套有石英保护套管，并将石英保护套管两端与标准光纤和悬挂芯光纤之间密封。本发明简单易于操作、造价低、光学性能稳定、结构紧凑、耦合光功率高、可在线监控，便于光纤集成及传感应用，为悬挂芯光纤器件直接嵌入标准单模光纤通信链路中提供了一种有效的方法和技术。

Description

悬挂芯光纤的耦合连接方法

技术领域

本发明涉及的是光纤技术领域，具体地说是一种悬挂芯光纤与标准单模光纤或多模光纤的耦合连接方法。

背景技术

光连接器与光耦合器主要功能是对光信号或光能量进行连接、合成、分叉、转换以及有目的衰减等。因此，在光纤通信系统、光纤局域网(包括计算机光纤网、微波光纤网、光纤传感网等)以及各类光纤传感系统中是必不可少的重要器件。

光纤连接技术是指把两根光纤端面结合在一起。对连接的基本要求是使光能量最大限度的从输入光纤耦合过渡到接收光纤中。对光纤连接技术除了要求连接损耗小，回波损耗大外，还要求环境温度变化时性能保持稳定，并有足够的机械强度。因此需要精密的机械和光学设计加工装配，以保证两个光纤达到高精度匹配。

光纤连接的方式主要有三类：固定连接、活动连接、临时连接。固定连接主要用于光缆线路中光纤间的永久性连接，多采用焊接，也有采用粘结和机械连接。活动连接主要用于光纤与传输系统设备以及与仪表间的连接，主要是通过光纤连接插头进行连接。临时连接一般用于测量尾纤与被测光纤间的耦合连接。

全光纤定向耦合器的制造工艺有三类：磨剖法、腐蚀法和融锥法。磨抛型单模光纤定向耦合器是利用光学冷加工(机械抛磨)除去光纤的部分包层，使光纤波导能相互靠近，以形成消逝场互相渗透构成定向耦合器。这种方法的缺点是器件的热稳定性和机械稳定性差。在一定条件下，它还具有波分复用器和光滤波器的功能。腐蚀法是用化学方法把一段裸光纤包层腐蚀掉，再把两根已腐蚀后的光纤扭绞在一起，构成光纤耦合器。其缺点是工艺的一致性较差，且损耗大，热稳定性差。融锥法是把两根裸光纤靠在一起，在高温火焰中加热使之熔化，同时在光纤两端拉伸光纤，使光纤熔融区成为锥形过渡段，从而构成耦合器，这种方法已成为当前制作光纤耦合器的主要方法。

接续技术是十分关键的技术，简化接续技术，提高接续质量，对扩大光纤应用领域将起到积极的促进作用。早先技术所解决的多数是标准光纤之间的连接问题，为了解决两根直径相同，纤芯数不同的光纤中光波转换与连接的问题，公开号为CN 1967302A的中国发明专利文件中给出了一种单芯光纤与多芯光纤耦合器及其熔融拉锥耦合的方法，该技术中，两根光纤虽然纤芯数不同，但都是实心的光纤。对于实心光纤与中空光纤的连接情况，公开号为CN 101339275A的中国发明专利文件中给出了毛细管光纤与标准光纤的耦合连接方法，该方法中，两根光纤分别为实心光纤与空心光纤且波导形状不同。但这些技术均没有涉及单芯光纤与具有空气腔的悬挂芯光纤耦合的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单实用，可以实现悬挂芯光纤与标准单模或多模光纤的连接的悬挂芯光纤的耦合连接方法。

本发明的目的是这样实现的：

将悬挂芯光纤与单芯光纤各自一端的涂覆层剥离、剥离后清洗并切割使光纤端面平整，通过光纤焊接机在剥离处进行焊接，在两段光纤熔点处进行加热实行熔融拉锥，同时进行光功率监测，当锥体腰部拉细到光功率监测值达到预定耦合光功率时停止拉锥形成锥体耦合区，在锥体耦合区外套有石英保护套管，并将石英保护套管两端与标准光纤和悬挂芯光纤之间密封。

本发明还可以包括这样一些特征：

1、所述的悬挂芯光纤与单芯光纤为单模光纤或多模光纤。

2、所述的悬挂芯光纤为具有至少一个纤芯，且含有至少一个空气腔的石英光纤，其空气腔位于该光纤包层内的任意位置，空气腔相对于光纤的中心轴线为轴对称或非轴对称。

3、所述的单芯光纤纤芯位置居于轴心或偏离轴心；悬挂芯光纤纤芯位于空气腔与包层的交界面上，相对于光纤的中心轴线为轴对称或非对称。

4、所述的耦合光功率分配为均匀或非均匀，预定分光比为1％-99％。

5、所述的密封为在石英保护套管两端用CO₂激光器加热焊接。

6、所述的密封为连接耦合后对锥体耦合区加套石英管并在石英管两端用环氧树脂封装固化。

本发明给出了一种悬挂芯光纤与单芯光纤通过焊接后在焊点处进行熔融拉锥实现光波耦合的方法。本发明的技术特征在于将单芯光纤与单芯或多芯悬挂芯光纤焊接后，利用熔融拉锥技术在焊点处实施熔融拉锥，当锥体腰部拉细到一定程度后，单芯光纤中传输的光就可以通过锥体进入悬挂芯光纤并对光波进行分光，从而形成一个光功率分配区，实现光功率的分配，分光/合光是通过锥体耦合区实现的。本发明的优点在于制作方法简单易行，极大地改善了单芯光纤与悬挂芯光纤的连接耦合方法，插入损耗低，耦合效率高，为悬挂芯光纤器件直接嵌入标准单模光纤通信链路中提供了一种有效的方法和技术。

本发明给出了一种悬挂芯光纤与单芯光纤焊接后利用熔融拉锥法实现悬挂芯光纤与单芯光纤耦合连接的技术。几种典型悬挂芯光纤的横截面结构示意图如图1所示，悬挂芯光纤含有一个或多个纤芯，且同时含有一个或多个空气腔，空气腔可位于该光纤包层内的任意位置，空气腔中心轴线可与该种光纤的中心轴线重合或非重合。本发明的基本原理是将悬挂芯光纤和单芯光纤利用光纤焊接机进行焊接，如图2所示。对于空气腔中心轴线与悬挂芯光纤中心轴线相重合的悬挂芯光纤，此时使用CCD可监测到的出射端已有光场出射，这是由于悬挂芯光纤的空气腔在光纤焊接机电极高压放电下会塌陷形成实心光纤，如图3所示。此时光源发出的光已经有一部分通过单芯光纤落在悬挂芯光纤的数值孔径内并被悬挂芯光纤捕捉，在悬挂芯光纤的纤芯中传输，经过一段距离的传输后在其出射端出射。然而，由于单芯光纤与悬挂芯光纤焊接时中会出现焊接偏心，以及悬挂芯光纤所设计的几何结构会存在不完全轴对称或非轴对称等问题，如图1-e，图1-f所示，这些都会造成悬挂芯光纤纤芯与单芯光纤纤芯不完全匹配，因此焊接后形成实心光纤的悬挂芯光纤纤芯与标准单芯光纤纤芯不完全匹配，会造成悬挂芯光纤的耦合光功率较低或在各纤芯内分配不均匀等情况。本发明解决这一问题的方法为熔融拉锥耦合法，即将焊接好的两段光纤置于光纤熔锥机上对单芯光纤与悬挂芯光纤焊接点处进行熔融拉锥操作，如图5所示。光纤锥在氢氧焰的热力场下逐渐形成，这个过程中传输光逐渐从单芯光纤转换成锥腰处的迅衰场，在悬挂芯光纤表面传输，经过锥腰区后，光又逐渐聚集到悬挂芯光纤高折射率的纤芯中，熔融拉锥的同时可通过显微镜与CCD构成的光电成像系统对悬挂芯光纤的出射光场进行监测，从而可控制耦合光功率的大小及其耦合光功率的分配。本发明的主要优点体现在克服了早先技术的不足，解决了直径相同、横截面积配比不同、纤芯数不同的空心悬挂芯光纤与标准光纤的连接问题，该方法制作工艺简单易行，光波转换效率高，通过使用显微镜与CCD构造的监测系统即可对悬挂芯光纤出射光场进行实时在线监控，可通过控制拉锥长度ΔL控制耦合光功率的大小及光功率在各纤芯中的分配。本发明为悬挂芯光纤器件直接嵌入标准单模或多模光纤通信链路中提供了一种有效的耦合连接方法和技术。

附图说明

图图1-a至图1-f是六种典型的悬挂芯光纤横截面结构示意图。

图2是悬挂芯光纤与标准单模或多模光纤的焊接示意图。

图3-a至图3-f是悬挂芯光纤经焊接后焊点处横截面的结构示意图。

图4-a至图4-b是悬挂芯光纤焊接后轴向截面结构示意图。

图5悬挂芯光纤于标准单模或多模光纤焊接后实施熔融拉锥示意图。

图6是悬挂芯光纤与标准单模或多模光纤在完成直接焊接和熔融拉锥后，加装保护石英套管封装后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

图1是六种典型的悬挂芯光纤横截面结构示意图，其纤芯均位于空气腔与包层的交界面上，图1-a，1-b，1-c，1-d是四种空气腔中心轴线与光纤中心轴线相重合的悬挂芯多芯光纤，纤芯数从1-4不等。其中1.1为悬挂芯光纤基体，是折射率较低的石英或玻璃；1.2是悬挂芯光纤的纤芯；1.3是悬挂芯光纤的空气腔。图1-e，图1-f是另外两种悬挂芯光纤的横截面图，其空气腔从1-2不等，且空气腔中心轴线与光纤中心轴线不重合。其中1.1为悬挂芯光纤基体，是折射率较低的石英或玻璃；1.2是悬挂芯光纤的纤芯；1.3是悬挂芯光纤的空气腔。

图2是悬挂芯光纤与标准单模或多模光纤的焊接示意图。其中2.1为标准单芯光纤，2.2为具有空气腔的悬挂芯光纤；2.3为尖端电极。

图3是悬挂芯光纤经焊接后焊点处横截面的结构示意图。图3-a，图3-b，图3-c，图3-d对应于图1-a，1-b，1-c，1-d中的四种悬挂芯多芯光纤焊接后焊点处横截面结构示意图。其中3.1为悬挂芯光纤基体，是折射率较低的石英或玻璃；3.2是悬挂芯光纤的纤芯；图3-e，图3-f对应于图1-e，1-f中的两种悬挂芯多芯光纤焊接后焊点处横截面结构示意图。其中3.1为悬挂芯光纤基体，是折射率较低的石英或玻璃；3.2是悬挂芯光纤的纤芯。

图4是悬挂芯光纤焊接后轴向截面结构示意图。悬挂芯光纤与标准单芯光纤在焊接机中对准之后在电极的高压电火花作用下，悬挂芯光纤空气腔将发生塌陷，在焊点处形成实心光纤。对于图1-a，1-b，1-c，1-d所示的空气腔中心轴线与光纤中心轴线相重合的四种光纤，焊接后在表面张力的作用下在焊点处将形成悬挂芯光纤纤芯位于光纤中心的实心光纤。图4-a为对应于图1-b所示的双芯单腔悬挂芯光纤焊接后轴向截面结构示意图。其中4.1为标准单芯光纤；4.21悬挂芯光纤基体，是折射率较低的石英或玻璃；4.22是悬挂芯光纤的纤芯；4.23是悬挂芯光纤的空气腔；4.3是标准单芯光纤与悬挂芯光纤焊点位置。对于图1-e，1-f所示的空气腔中轴线与光纤中轴线不重合的两种光纤，焊接后在表面张力的作用下焊点处将形成悬挂芯光纤纤芯偏离光纤中心的实心光纤。图4-b为对应于图1-f所示的双芯双腔悬挂芯光纤焊接后轴向截面结构示意图。其中4.1为标准单芯光纤；4.21悬挂芯光纤基体，是折射率较低的石英或玻璃；4.22是悬挂芯光纤的纤芯；4.23是悬挂芯光纤的空气腔。4.3是标准单芯光纤与悬挂芯光纤焊点位置。

图5悬挂芯光纤于标准单模或多模光纤焊接后实施熔融拉锥示意图。其中5.1为标准单芯光纤，5.2为悬挂芯光纤，5.4为氢氧焰，5.5是固定两个光纤端的V形槽。

图6是悬挂芯光纤与标准单模或多模光纤在完成直接焊接和熔融拉锥后，加装保护石英套管封装后的结构示意图。其中6.1为标准单芯光纤，6.2为具有中空结构的悬挂芯光纤；6.12为拉制成双锥体的两光纤连接区，6.16为加装的保护石英套管，ΔL是锥体拉伸区的长度。

实施例(一)：

包括以下几个步骤：

1.如图1-b所示的悬挂芯光纤，将其一端的涂敷层剥离，然后清洗干净，在清洗的过程中要避免液体进入悬挂芯光纤的空心腔中；

2.小心切割出平整的悬挂芯光纤端面；

3.将待连接的标准单芯光纤按上述同样的步骤制备光纤端；

4.将制备好的一段石英保护管套在标准单芯光纤或悬挂芯光纤的一端；

5.将制备好的两光纤端在光纤焊接机进行对接并焊接，如图2所示；电极高压放电使得焊接后的悬挂芯光纤其空气腔在表面张力的作用下发生塌陷，焊点处横截面形成双芯位于光纤中心的双芯实心光纤，如图3-b所示；焊接后轴向截面图如图4-a所示。此时光源发出的光经过标准单芯光纤后可直接耦合进入悬挂芯光纤，并在焊点处进行光功率的重新分配。

6.将石英毛细套管调至锥体耦合区，然后在石英套管两端用CO₂激光器加热焊接密封，或者用还氧树脂封装固化，然后进行二次涂覆完成整体保护。

实施例(二)：

本发明的第二个实施例在制作实施过程中是这样实现的，包括以下几个步骤：

1.取如图1-f所示的悬挂芯光纤，将其一端的涂敷层剥离，然后清洗干净，在清洗的过程中要避免液体进入悬挂芯光纤的空心腔体中；

2.小心切割出平整的悬挂芯光纤端面；

3.将待连接的标准实体单芯光纤按上述同样的步骤制备光纤端；

4.将制备好的一段石英保护管套在标准单芯光纤或悬挂芯光纤的一端；

5.将制备好的两光纤端在光纤焊接机进行对接并焊接，如图2所示；电极高压放电使得焊接后的悬挂芯光纤其空气腔在表面张力的作用下发生塌陷，焊点处横截面形成双芯偏离光纤中心的双芯实心光纤，焊点处横截面如图3-f所示；焊接后轴向截面图如图4-b所示。此时光源发出的光经过标准单芯光纤后不能直接耦合进入悬挂芯光纤，针对这一问题，本发明使用熔融拉锥耦合技术。

6.焊接后由于表面张力的作用使原本直径相同(均为125微米)的两种光纤在焊接后焊点及焊点附近对应直径仍相同。因此在实施熔融拉锥时由于悬挂芯光纤材料的软化点和标准光纤所用材料的软化点也相同，因而在本实施例中，火焰加热区中心对准焊点处进行拉锥，如图5所示。

7.在拉锥的同时，在悬挂芯光纤一端进行光功率监测，当输出光功率达到最大时，停止拉锥；

8.将石英套管调至锥体耦合区，然后在石英套管两端用CO₂激光器加热焊接密封，或者用还氧树脂封装固化，然后进行二次涂覆完成整体保护，如图6所示。

Claims (6)

1.一种悬挂芯光纤的耦合连接方法，其特征是：将悬挂芯光纤与单芯光纤各自一端的涂覆层剥离、剥离后清洗并切割使光纤端面平整，通过光纤焊接机在剥离处进行焊接，电极高压放电使得焊接后的悬挂芯光纤其空气腔在表面张力的作用下发生塌陷，焊点处横截面形成实心光纤，在两段光纤熔点处进行加热实行熔融拉锥，同时进行光功率监测，当锥体腰部拉细到光功率监测值达到预定耦合光功率时停止拉锥形成锥体耦合区，在锥体耦合区外套装石英保护套管，并将石英保护套管两端与单芯光纤和悬挂芯光纤之间密封；所述的悬挂芯光纤为具有至少一个纤芯，且含有至少一个空气腔的石英光纤，其空气腔位于该光纤包层内的任意位置，空气腔相对于光纤的中心轴线为轴对称或非轴对称。

2.根据权利要求1所述的悬挂芯光纤的耦合连接方法，其特征是：所述的悬挂芯光纤与单芯光纤为单模光纤或多模光纤。

3.根据权利要求2所述的悬挂芯光纤的耦合连接方法，其特征是：所述的单芯光纤纤芯位置居于轴心或偏离轴心；悬挂芯光纤纤芯位于空气腔与包层的交界面上，相对于光纤的中心轴线为轴对称或非对称。

4.根据权利要求3所述的悬挂芯光纤的耦合连接方法，其特征是：所述的耦合光功率分配为均匀或非均匀，预定分光比为1％-99％。

5.根据权利要求4所述的悬挂芯光纤的耦合连接方法，其特征是：所述的密封为在石英保护套管两端用CO₂激光器加热焊接。

6.根据权利要求4所述的悬挂芯光纤的耦合连接方法，其特征是：所述的密封为连接耦合后对锥体耦合区加套石英管并在石英管两端用环氧树脂封装固化。

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