CN102062901B - 双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体公开了一种双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法，包括以下步骤：先通过熔融拉锥工艺减小双包层光纤的外径，使其与光子晶体光纤的外径相同；再通过加热塌缩光子晶体光纤纤芯周围的空气孔，使其模场直径与双包层光纤的模场直径相匹配，同时使光子晶体光纤的外径基本保持不变；最后利用常规的熔接工艺对经过前述处理后的双包层光纤和光子晶体光纤进行熔接。本发明的熔接方法具有低成本、高效率、高质量且简单方便的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤的熔接方法，尤其涉及一种光子晶体光纤的熔接方法。
背景技术
光子晶体光纤，又叫微结构光纤或者多孔光纤，由于其新奇的光学特性在近几年备受关注，这类光纤在通信传输以及新型光电子器件、测量和传感等领域有着广阔的应用前景，而且光子晶体光纤在非线性效应领域具有独特的优势。通过将脉冲光耦合进光子晶体光纤，研究非线性效应和超连续谱的产生已经成为一个研究热点。
在光纤激光器领域，由于现有的光纤激光器大多采用双包层光纤的包层泵浦技术，所以一般光纤激光器的激光都是由双包层光纤输出。双包层光纤具有纤芯和模场直径较大的特点，这有效地抑制了激光器中的非线性效应的产生，对提高光纤激光器的输出功率具有重要意义。但光纤激光器在光子晶体光纤的应用方面，由于外径和模场不匹配，双包层光纤与光子晶体光纤的耦合存在困难，而且现在还没有一种很有效的解决方法。以往一般是通过光具组将双包层光纤输出的激光耦合进光子晶体光纤，但是这种耦合方式存在难度大、稳定性差、耦合效率低等缺点，所以人们希望通过熔接的方法来解决这一难题。因为熔接与传统的光具组耦合相比具有很多优点：避免了透镜反射，紧凑性好，可靠性高，对光子晶体光纤起到保护作用，低的熔接损耗更加突显了熔接异于光具组耦合的优越性(参见J.H. Chong，M.K.Rao，Y.Zhu et al.“An effective splicing method on photonic crystal fiber using CO2laser”，IEEE Photon.Technol.Lett.，2003，15(7)：942-944])。因此，实现双包层光纤和光子晶体光纤的低损耗熔接，并且达到能够使用的熔接损耗值(小于1dB)，对于高功率光纤激光器在光子晶体光纤方面的研究和应用具有重要的意义。在双包层光纤和光子晶体光纤的熔接过程中，存在的困难主要有：1)光子晶体光纤空气孔的塌缩导致其传导机制破坏而引入高损耗；2)两种光纤模场直径不匹配引入的高损耗；3)两种光纤的外径不匹配导致熔接强度不够或根本不能进行熔接。这些技术问题需要同时克服才能够达到较好的效果，例如对于模场直径不匹配的两种光纤，即使光子晶体光纤的空气孔没有塌缩，由于模场直径不匹配仍能引入高损耗。
对于模场直径不匹配的两种光纤的熔接，英国巴斯大学研究小组提出了在做预制棒时就使光子晶体光纤和普通光纤进行连接，在拉制光子晶体光纤时实现模场直径不匹配的光子晶体光纤和普通光纤的连接(参见[S.G.Leon-Saval，T.A.Birks，N Y.Joly，A.K.George，W.J.Wadsworth，G.Kakarantzas，and P.S.J.Russell，“Splice-free interfacing of photonic crystalfibers”，Opt.Lett.，30(13)：1629-1631(2005)])，但是这种方法相当复杂，而且还需要拉丝塔设备才能实现，所以此方法实用性不大。还有人提出引入过渡光纤降低模场直径不匹配引入的熔接损耗，这样的熔接损耗相对于直接熔接损耗值有所降低，但其熔接损耗值还是相对较高，有需要进一步改善的空间。
此外，由于双包层光纤与光子晶体光纤的熔接不仅仅是模场不匹配，还存在外径不匹配的问题，外径不匹配将可能导致普通熔接机无法实现熔接操作或者熔接强度过低。因此，如何使外径和模场直径都不匹配的双包层光纤和光子晶体光纤间熔接损耗降低是本领域技术人员极为关注的技术问题，但目前还未见有公开的相关报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种低成本、高效率、高质量且简单方便的双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法，包括以下步骤：
(1)双包层光纤的处理：通过熔融拉锥工艺减小所述双包层光纤的外径，使其与所述光子晶体光纤的外径相同；
(2)光子晶体光纤的处理：通过加热塌缩所述光子晶体光纤纤芯周围的空气孔，使光子晶体光纤的模场直径与熔融拉锥后的双包层光纤的模场直径相匹配，同时使光子晶体光纤的外径基本保持不变；
(3)熔接：利用常规的熔接工艺对经过步骤(1)和步骤(2)处理后的双包层光纤和光子晶体光纤进行熔接。
上述双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法，在所述双包层光纤的处理步骤中，所述熔融拉锥工艺应用于双包层光纤以前，最好是先将双包层光纤的保护层和外包层去除。
上述双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法，在进行所述的熔融拉锥过程中，通过控制火焰的加热时间使双包层光纤变形后的过渡锥区长度优选在1cm以上。通过使双包层光纤变形后的过渡锥区长度足够长(例如大于1cm)，则由熔融拉锥引入的损耗将会变得非常小(可小于0.1dB)，这对后续步骤中的低损耗熔接具有非常积极的意义。
上述双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法，在所述光子晶体光纤的处理步骤中，加热塌缩空气孔的具体操作方法优选为：将所述光子晶体光纤一端纤芯周围的多圈空气孔进行胶水密封，并在该密封端进行充气，同时将该光子晶体光纤另一端的所有空气孔进行塌缩密封，当空气孔内的气压达到平衡后(长度为2m的光子晶体光纤一般充气两个小时左右就可达到平衡)，利用熔融拉锥机加热该光子晶体光纤上的一段(长度可设为L，L的值优选在6cm以上)，使位于该段内的所述胶水密封的多圈空气孔塌缩，并与塌缩前的纤芯构成一个整体，得到与所述熔融拉锥处理后双包层光纤的模场直径相匹配的新纤芯(按照本发明的光子晶体光纤不同圈数空气孔塌缩后的横截面显微镜照片可参见图6)。
上述双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法中，所述胶水密封的空气孔的圈数优选为n，且
(该符号为下取整)，其中d′1为所述步骤(1)处理后双包层光纤的模场直径，d2为所述步骤(2)处理前光子晶体光纤的模场直径。
上述双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法，在利用熔融拉锥机加热该光子晶体光纤上的一段长度L的过程中，通过控制加热次数来逐渐减少该加热区段两端的加热时间，使该加热区段内的多圈空气孔完全塌缩区两端各形成一个过渡区(所述过渡区的长度优选在1cm以上)。
上述双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法，所述熔接步骤中，利用普通的熔接机对已塌缩空气孔的光子晶体光纤和拉锥处理的双包层光纤进行熔接即可。熔接过程中需要控制的熔接参数包括放电电流和放电时间、电极位置的设置、重叠长度以及重复放电的电流和时间。不同光子晶体光纤的熔接，其熔接参数可能会有所变化，本领域人员可以根据具体实践的不同选择熔接参数，但经过我们的反复实验，优选的工艺控制参数为：放电电流为5mA～16mA，放电时间为100ms～400ms；电极位置优选设置在远离光子晶体光纤端的2μm～8μm处，重叠长度为4μm～8μm；重复放电的电流为5mA～10mA，重复放电的时间为100ms～300ms。
在实际的光子晶体光纤熔接过程中，通过选择合适的放电电流、放电时间、电极位置及重叠长度等就可以实现模场直径相当或者相差不大的光子晶体光纤与普通光纤的低损耗熔接，即通过优化熔接参数可以完全消除光子晶体光纤空气孔的变形所引入的塌缩。基于此，上述的技术方案首先利用熔融拉锥技术减小双包层光纤的外径，消除两种光纤在外径上的不匹配，然后通过塌缩光子晶体光纤中心的空气孔增加其模场直径，使要熔接的两种光纤的模场直径也基本相同，所以模场直径不匹配引入的损耗也得以克服。据此，通过熔融拉锥减小双包层光纤的外径使得外径匹配、通过塌缩光子晶体光纤纤芯附近的空气孔使得模场直径匹配、再选择合适的熔接工艺参数消除熔接过程中引入的损耗，这使得上述两种光纤熔接过程中面临的三个主要问题均得以克服，最终累积的熔接损耗依然可以控制在很小的范围内(实践证明本发明熔接方法的熔接损耗只有0.7dB左右)。
由上可见，与现有技术相比，本发明最大的优势在于：通过采用低成本、高效率、高质量且简单方便的熔接工艺，可以实现光子晶体光纤与双包层光纤之间的低损耗熔接，为光子晶体光纤在通信传输、新型光电子器件、测量和传感等领域的应用提供了广阔的前景。
附图说明
图1为本发明实施例中的双包层光纤的结构示意图。
图2为本发明实施例中的光子晶体光纤的结构示意图。
图3为本发明实施例中双包层光纤与光子晶体光纤对接时的光场传输原理图。
图4为本发明实施例的工艺流程图。
图5为本发明实施例的熔接方法中熔融拉锥过程的原理图。
图6为本发明的熔接方法中光子晶体光纤不同圈数空气孔塌缩后的横截面显微镜照片；其中，a图为塌缩前的光子晶体光纤横截面显微镜照片；b图为中心一圈空气孔塌缩后的光子晶体光纤横截面显微镜照片；c图为本实施例的中心两圈空气孔塌缩后的光子晶体光纤横截面显微镜照片；d图为中间三圈空气孔塌缩后的光子晶体光纤横截面显微镜照片。
图7为本发明实施例的熔接方法中光子晶体光纤中心空气孔塌缩原理图。
图8为本发明实施例的熔接方法熔接两种光纤后连接段的结构示意图。
图例说明
1、保护层；2、外包层；3、内包层；4、纤芯；5、外保护层；6、包层；7、光子晶体光纤纤芯；8、空气孔。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例
一种如图1所示的双包层光纤，其由外向内依次是由保护层1、外包层2、内包层3和纤芯4构成。激光是在纤芯4中传输，纤芯4外包覆的内包层3是由折射率比纤芯4小的二氧化硅制成，内包层3是泵浦光的传输通道，其直径为D1；内包层3外包覆的外包层2是由折射率更小的聚合物组成。双包层光纤的模场直径一般都比较大，外径也比普通光纤和光子晶体光纤的大，例如本实施例使用的双包层光纤(Nufern公司生产，LMA-GDF-30/250型号)的外径D1(亦即内包层3的直径)为250μm，纤芯直径为30μm，模场直径d1在1064nm波长下为26μm。
一种如图2所示的光子晶体光纤(长飞公司生产的PCF)，其由外向内依次是由外保护层5、包层6和光子晶体光纤纤芯7构成，其中的包层6是由多圈微米量级的空气孔8组成，每圈空气孔8以光子晶体光纤纤芯7为中心呈正六边形排列。D2为光子晶体光纤的外径(本实施例中D2＝125μm)，d2为光子晶体光纤的模场直径(6.1μm1064nm)，d为空气孔8的直径(本实施例中d＝3.54μm)，Λ为空气孔8的间距(本实施例中Λ＝5.42μm)。光子晶体光纤的模场直径d2和其纤芯直径基本相同，只有几个微米。
由图1和图2可见，本实施例中用来进行熔接的光子晶体光纤的外径D2要小于双包层光纤的外径D1(亦即D2＜D1)，而光子晶体光纤的模场直径d2也要小于双包层光纤的模场直径d1(亦即d2＜d1)。本实施例的双包层光纤与光子晶体光纤对接时的光场传输原理如图3所示，光场强度为E的光从模场直径为d1的双包层光纤入射到模场直径为d2的光子晶体光纤中，其在光子晶体光纤中光场强度变为E’，由于两种光纤的模场直径相差较大，在两种光纤的对接处将引起能量的高损耗，损耗一般达到几个dB，甚至更高。同时，由于两种光纤的外径(D1和D2)相差太大，这也会影响熔接的强度，甚至不能熔接。本实施例要实现双包层光纤与光子晶体光纤的低损耗熔接就是需要将双包层光纤纤芯4的光高效的耦合进光子晶体光纤纤芯7中。因此，在熔接时双包层光纤可以看成是外径D1和模场直径d1都较大的普通光纤。对于这种特殊的普通光纤，要减小它与光子晶体光纤的熔接损耗首先需要解决两个问题：即外径不匹配问题和模场直径不匹配问题。
一种如图4所示的本发明双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法，具体包括以下步骤：
1、双包层光纤的处理：首先，将双包层光纤的保护层1和外包层2去除，露出由玻璃材料构成的内包层3和纤芯4；然后，根据上述两种光纤的外径D1和D2，确定双包层光纤的拉锥比例，再通过熔融拉锥工艺减小双包层光纤的外径D1，使双包层光纤的外径D1拉锥到与光子晶体光纤的外径D2相等；经过熔融拉锥过程，双包层光纤的模场直径d1(本实施例中模场直径大约由26μm减小到13μm)和纤芯直径(纤芯直径大约由30μm减小到15μm)也大致以相同的比例缩小，双包层光纤的外径D1变为D′1(D′1＝D2)，模场直径d1则缩小为d′1＝d1/(D1/D2)。熔融拉锥后的双包层光纤如图5所示，该双包层光纤两端的A区和E区为拉锥前的原始光纤段，最中间的C区(长度为L1)为拉锥后用于熔接的均匀区，原始光纤段与均匀区C区之间则是通过左右两侧的左过渡锥区B区(长度为L2)和右过渡锥区D区(长度为L3，一般L2＝L3)进行连接；均匀区C区的外径即为D′1，模场直径即为d′1。完成拉锥后从均匀区中间截断，就得到了外径变小的双包层光纤。通过对双包层光纤进行本步骤的处理，可以基本解决外径不匹配的问题，但熔融拉锥后的双包层光纤的模场直径d′1还是比光子晶体光纤的模场直径d2要大(即d′1＞d2)，所以仍需要通过以下的步骤(2)来增大光子晶体光纤的模场直径，使两种光纤的模场直径相匹配。
2、光子晶体光纤的处理：如上所述，由于经过步骤(1)后双包层光纤的模场直径d′1还是大于光子晶体光纤的模场直径d2，在本步骤我们通过塌缩光子晶体光纤纤芯7周围的空气孔8，以增大光子晶体光纤的模场直径d2，同时保持其外径D2基本不变，使光子晶体光纤与熔融拉锥后双包层光纤在模场直径和外径上都实现匹配。本步骤处理的具体操作方法是：先根据光子晶体光纤和熔融拉锥后双包层光纤模场直径的比值确定光子晶体光纤中心空气孔的塌缩圈数为两圈，然后将光子晶体光纤一端中心附近的两圈空气孔8用胶水密封，并在此端进行充气，再将光子晶体光纤另一端的所有空气孔8利用熔融拉锥机(或者普通熔接机)塌缩密封，当空气孔8内的气压达到平衡后，用熔融拉锥机加热一段长为L＝6cm的光子晶体光纤，该光子晶体光纤加热区段内被胶水密封的n圈空气孔将会发生塌缩，并和光子晶体光纤纤芯7构成一个整体，进而在加热区段内形成直径较大的新纤芯，光子晶体光纤的模场直径也随之变大，塌缩后的模场直径d′2接近于熔融拉锥后的双包层光纤的模场直径d′1(即d′2≈d′1)，使两种光纤的模场直径相匹配。在利用熔融拉锥机加热该光子晶体光纤上长为L的加热区段的过程中，通过控制加热次数以逐渐减少该加热区段两端的加热时间(即火焰的移动轨迹为单程逐渐变小的“之”字形)，使该加热区段内的空气孔完全塌缩区(见图7中的L4所示区域)两端各形成一个过渡区(见图7中的L5和L6所示区域)(L4＝3cm，L5＝L6＝1.5cm，L＝L4+L5+L6＝6cm)。经过本步骤光子晶体光纤的塌缩空气孔处理所引入的损耗非常小(小于0.2dB)。光子晶体光纤纤芯7附近的空气孔8塌缩后，从空气孔完全塌缩区中间断开就是两段端口处模场直径变大的光子晶体光纤，由于塌缩的空气孔只占加热光子晶体光纤总体积的很小一部分，所以塌缩后光子晶体光纤外径D2总体上变化不大(可以忽略不计)。通过本步骤处理前、后的光子晶体光纤的横截面如图6中的a图和c图所示(b图和d图为对照)，处理后的光子晶体光纤结构示意图如图7所示。由图7可见，该光子晶体光纤两端的F区和M区为塌缩前的原始光纤段，最中间的J区(长度为L4)为塌缩后用于熔接的空气孔完全塌缩区，原始光纤段与空气孔完全塌缩区J区之间则是通过左右两侧的左过渡区I区(长度为L5)和右过渡区K区(长度为L6，一般L2＝L3)进行连接；空气孔完全塌缩区J区的模场直径即为d′2。本步骤的处理使得待熔接的光子晶体光纤与第一步熔融拉锥后的双包层光纤的外径和模场直径都匹配。
3、熔接：确定熔接机的最佳熔接参数为：放电电流10.8mA，放电时间300ms，电极位置设置在远离光子晶体光纤端4μm处，重叠长度为6μm，重复放电的电流5.4mA，重复放电的时间300ms，利用熔接机和确定熔接工艺条件实现塌孔处理后光子晶体光纤与拉锥后双包层光纤的低损耗熔接，完成本发明的整个熔接工艺过程。
经过上述本实施例熔接方法熔接后两种光纤连接段的一种结构示意图如图8所示，熔接点O点左侧为双包层光纤，熔接点O点右侧即为光子晶体光纤。熔接的最低损耗值仅为0.7dB，实现了具有实用价值的低损耗熔接。
利用本发明的方法实现了外径不匹配、模场不匹配的双包层光纤和光子晶体光纤间具有实用价值的低损耗熔接，在熔接实验中检测熔接损耗所用的光源是1064nm的带尾纤的半导体激光器。
Claims (7)
1.一种双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法，包括以下步骤：
(1)双包层光纤的处理：通过熔融拉锥工艺减小所述双包层光纤的外径，使其与所述光子晶体光纤的外径相同；
(2)光子晶体光纤的处理：通过加热塌缩所述光子晶体光纤纤芯周围的空气孔，使光子晶体光纤的模场直径与熔融拉锥后的双包层光纤的模场直径相匹配，同时使光子晶体光纤的外径基本保持不变；本步骤中，加热塌缩空气孔的具体操作方法为：将所述光子晶体光纤一端纤芯周围的多圈空气孔进行胶水密封，并在该密封端进行充气，同时将该光子晶体光纤另一端的所有空气孔进行塌缩密封，当空气孔内的气压达到平衡后，利用熔融拉锥机加热该光子晶体光纤上的一段，使位于该段内的所述胶水密封的多圈空气孔塌缩，并与塌缩前的纤芯构成一个整体，得到与所述熔融拉锥处理后双包层光纤的模场直径相匹配的新纤芯；
(3)熔接：利用常规的熔接工艺对经过步骤(1)和步骤(2)处理后的双包层光纤和光子晶体光纤进行熔接。
2.根据权利要求1所述的双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法，其特征在于：所述双包层光纤的处理步骤中，所述熔融拉锥工艺应用于双包层光纤以前，先将双包层光纤的保护层和外包层去除。
3.根据权利要求1或2所述的双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法，其特征在于：在进行所述的熔融拉锥过程中，通过控制火焰的加热时间使双包层光纤变形后的过渡锥区长度在1cm以上。
4.根据权利要求1所述的双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法，其特征在于，所述胶水密封的空气孔的圈数为n，
其中d′1为所述步骤(1)处理后双包层光纤的模场直径，d2为所述步骤(2)处理前光子晶体光纤的模场直径。
5.根据权利要求1或4所述的双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法，其特征在于，在利用熔融拉锥机加热该光子晶体光纤上的一段的过程中，通过控制加热次数来逐渐减少该加热区段两端的加热时间，使该加热区段内的多圈空气孔完全塌缩区两端各形成一个过渡区。
6.根据权利要求5所述的双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法，其特征在于，所述过渡区的长度在1cm以上。
7.根据权利要求1所述的双包层光纤和光子晶体光纤的熔接方法，其特征在于，所述熔接步骤中，控制的工艺条件如下：放电电流为5mA～16mA，放电时间为100ms～400ms；电极位置设置在远离光子晶体光纤端的2μm～8μm处，重叠长度为4μm～8μm；重复放电的电流为5mA～10mA，重复放电的时间为100ms～300ms。
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- 2010-11-30 CN CN2010105672685A patent/CN102062901B/zh not_active Expired - Fee Related
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