CN102096154A - 双芯光纤的耦合装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双芯光纤的耦合装置及其制造方法。其中，该耦合装置包括依次连接的双芯光纤、电光晶体和一端经熔融拉锥结合在一起的与电光晶体相连接的第一单芯光纤和第二单芯光纤；电光晶体加载有大小可调的横向加载电压；电光晶体的纵向长度

且δ＝0或

电光晶体的纵向长度为光在晶体中的传输长度；k为电光晶体中波导间的交叉耦合系数；δ为传播常数。本发明实现了从双芯光纤到单芯光纤的耦合以及通过调节电压V使双芯光纤中两根纤芯中的光输出到两根单芯光纤，进而实现了双芯光纤到单芯光纤的分束，同时还能够实现输入端双芯光纤的任一纤芯到输出端任一单芯光纤输出比例的改变。

Description

双芯光纤的耦合装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及光纤耦合器技术领域，尤其涉及一种双芯光纤的耦合装置及其制造方法。

背景技术

光纤耦合器是光纤通信网络、光纤传感以及光纤测量中广泛使用的一种无源器件，通常采用光纤熔融拉锥及器件封装技术来实现光纤中的功率和波长的稳定分配。

全光纤耦合器的制造工艺目前主要有熔锥法、磨抛法和腐蚀法。熔锥法是把两根光纤的涂覆层去掉，然后靠在一起用高温的火焰加热使之熔化，在光纤熔化时在光纤两端加力拉伸光纤，使光纤熔融区成为锥形过渡段，从而构成耦合器。抛磨法就是把裸光纤按一定的曲率固定在开槽的石英基片上，然后进行光学研磨、抛光，之后把两块这样磨抛好的裸光纤拼接在一起，利用光纤之间的模场耦合以构成光纤耦合器。腐蚀法则是利用化学方法把一段裸光纤包层腐蚀掉，再把两根腐蚀后的光纤扭绞在一起，构成光纤耦合器。但是，这些光纤耦合器的制造方法都涉及到两根或两根以上光纤的并行耦合实现不同光纤之间的光波耦合。

近年来，多芯光纤得到广泛的研究并逐渐实用化，但是多芯光纤接续以及多芯光纤到单芯光纤的接续问题却没有获得有效的解决。即使能够实现将多芯光纤中传输的光最终通过单芯光纤输出，也不能够实现多芯光纤的分束，不能将多芯光纤里面每一根纤芯中传输的光通过尾端分别输出。

发明内容

本发明提供了一种双芯光纤的耦合装置及其制造方法，基于本发明，能够使双芯光纤中传输的光分离并通过两个单芯光纤分别输出。

一方面，本发明公开了一种双芯光纤的耦合装置，包括：双芯光纤、与所述双芯光纤相连接的电光晶体；以及，分别与所述电光晶体相连接的第一单芯光纤和第二单芯光纤；所述双芯光纤包括熔融拉锥后形成第一锥区，所述第一单芯光纤和所述第二单芯光纤包括熔融拉锥后形成第二锥区；所述第一锥区的中心线与所述第二锥区的中心线为同一直线；第一锥区中两个芯心线构成的平面与第二锥区中两个芯心线构成的平面为同一平面；并且所述第一锥区的端头、电光晶体的端头和所述第二锥区的端头分别镀有增透膜，所述增透膜的工作波长相同；并且所述电光晶体加载有大小可调的横向加载电压；所述电光晶体的纵向长度

且δ＝0或

所述电光晶体的纵向长度为光在晶体中的传输长度；k为电光晶体中波导间的交叉耦合系数；δ为传播常数。

上述双芯光纤的耦合装置，优选所述电光晶体为LiNbO₃晶体。

另一方面，本发明还公开了一种双芯光纤的耦合装置的制造方法，包括如下步骤：双芯光纤处理步骤，选择双芯光纤，对所述双芯光纤进行去涂覆、清洗和熔融拉锥后形成第一锥区，并进行切割、端面抛光和镀增透膜的处理；电光晶体处理步骤，选择长方形的电光晶体，在所述电光晶体的两个横向表面沉积导电层，并对所述电光晶体的输入端和输出端镀增透膜；给所述电光晶体设置大小可调的横向加载电压；并且，设定所述电光晶体的纵向长度

且δ＝0或

所述电光晶体的纵向长度为光在晶体中的传输长度；k为电光晶体中波导间的交叉耦合系数；δ为传播常数；两个单芯光纤处理步骤，选择两个单芯光纤，对所述两个单芯光纤进行去涂覆和清洗，然后将所述两段光纤靠紧进行熔融拉锥后形成第二锥区，并进行切割、端面抛光和镀增透膜的处理；对接步骤，将所述第一锥区的端面、所述电光晶体的两纵向端面与所述第二锥区的端面对接；所述第一锥区的中心线与所述第二锥区的中心线为同一直线；第一锥区中两个芯心线构成的平面与第二锥区中两个芯心线构成的平面为同一平面。

上述双芯光纤的耦合装置的制造方法，其特征在于，所述电光晶体为LiNbO₃晶体。

本发明利用电光晶体的电光效应，通过设定晶体的长度、调节横向所加电压改变晶体中的电场，改变晶体中的传播常数，从而实现从双芯光纤到单芯光纤的耦合以及通过调节电压V来调节双芯光纤中两根纤芯中的光到输出端两根单芯光纤的耦合状态，进而实现了双芯光纤到单芯光纤的分束，同时还能够通过调节外部电压V实现输入端双芯光纤的任一纤芯到输出端任一单芯光纤输出比例的改变。

附图说明

图1为本发明双芯光纤的耦合装置实施例的结构示意图；

图2为双芯光纤拉锥后第一锥区的示意图；

图3本发明双芯光纤的耦合装置制造方法实施例的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明中，通过对双芯光纤熔融拉锥，使双芯光纤的两个纤芯靠在一起，经过横向加载电压的LiNbO₃晶体使两纤芯中传输的光产生耦合，通过调节横向加载电压来调节耦合强度，实现控制从输出端两臂的输出光比例，从而达到对双芯光纤传输光分束的目的。

下面对本发明所依据的原理进行说明。

参照图1和图2，双芯光纤经过拉锥后，两个纤芯之间的距离非常靠近，可以将其视为两个平行的波导。两个平行介质波导的耦合方程式可以写为：

$\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dz}}=-{\mathrm{ikBe}}^{-i2\mathrm{\δz}}---\left(1\right)$

$\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dz}}=-{\mathrm{ikAe}}^{i2\mathrm{\δz}}---\left(2\right)$

其中A、B分别为双芯光纤中纤芯1、2传输模式的振幅，k为波导间的交叉耦合，2δ为相位失配。

经过推导变换，可得到如下表达式：

P_a(z)＝P₀-P_b(z)                        (3)

$P_b\left(z\right)=P_0\frac{k^2}{k^2+{\mathrm{\δ}}^2}{\sin }^2\left[{(k^2+{\mathrm{\δ}}^2)}^{1/2}z\right]---\left(4\right)$

式中P_a(z)＝|A(z)|²、P_b(z)＝|B(z)|²、P₀＝|A(0)|²。

式(3)、(4)对应输入端纤芯1在输出端的情况，即输入端1输入的光由耦合常数k和传播常数δ决定在输出端3、4所输出光的比例。同理，也可以得到由2口输入端在输出端3、4所输出光的比例。

在LiNbO₃电光晶体中，传输的两波导之间由于电场E引起的折射率变化为：

Δn∝n³rE                          (5)

式中n为波导基底折射率、r为电光张量元、E为波导间电场。

同时，折射率变化Δn引起传播常数δ的变化：

$\mathrm{\δ}\≈\frac{w}{c}\mathrm{\Δn}\≈\frac{w}{c}{n}^3\mathrm{rE}---\left(6\right)$

式中n为波导基底折射率、r为电光张量元、E为波导间电场。根据以上原理分析，在确定LiNbO₃电光晶体纵向长度(光在晶体中的传输长度)时，使得其长度L满足

δ＝0。

假定输入端1、2输入的功率分别为P₁，P₂，由式(3)、(4)可知，输出端3、4的功率P₃、P₄分别为P₃＝P_a＝P₂，P₄＝P_b＝P₁，也即输入端双芯光纤中两个纤芯传输的光与两个输出端口的传输状态为：输入纤芯1→输出纤芯4、输入纤芯2→输出纤芯3。通过调节加载在LiNbO₃晶体横向的电压改变晶体中的电场，晶体中的传播常数δ随电场E变化。当

时，由式(3)、(4)可知，输出端3、4的功率P₃、P₄分别为P₃＝P_a＝P₁，P₄＝P_b＝P₂，也即输入端双芯光纤中两个纤芯传输的光与两个输出端口的传输状态为：输入纤芯1→输出纤芯3、输入纤芯2→输出纤芯4。

双芯光纤的耦合装置实施例

实施例一

参照图1和图2，该实施例中，双芯光纤的耦合装置包括：双芯光纤106(包括输入纤芯1和输入纤芯2)、与双芯光纤106相连接的电光晶体101；以及，分别与电光晶体101相连接的第一单芯光纤105(包括输出纤芯3)和第二单芯光纤107((包括输出纤芯4))；双芯光纤106包括熔融拉锥后形成第一锥区103，第一单芯光纤105和第二单芯光纤107包括熔融拉锥后形成第二锥区104；第一锥区103的中心线与第二锥区104的中心线为同一直线；第一锥区103中两个芯心线构成的平面与第二锥区104中两个芯心线构成的平面为同一平面；并且，第一锥区103端头、电光晶体102的端头和第二锥区104的端头分别设置有增透膜，各个增透膜的工作波长相同；电光晶体102加载有大小可调的横向加载电压，通过极板102实现；电光晶体101的纵向长度

调节横向加载电压，使δ＝0；电光晶体的纵向长度为光在晶体中的传输长度；k为电光晶体中波导间的交叉耦合系数；δ为传播常数。此时，输入端双芯光纤中两个纤芯传输的光与两个输出端口的传输状态为：输入纤芯1→输出纤芯4、输入纤芯2→输出纤芯3。

这里的电光晶体可以为LiNbO₃晶体，也可以为其他电光晶体，例如KDP电光晶体，本发明在此不再赘述。第一单芯光纤105和第二单芯光纤107可以为单模光纤，也可以是多模光纤。

实施例二

参照图1和图2，该实施例中，双芯光纤的耦合装置包括：双芯光纤106(包括输入纤芯1和输入纤芯2)、与双芯光纤106相连接的电光晶体101；以及，分别与电光晶体101相连接的第一单芯光纤105(包括输出纤芯3)和第二单芯光纤107((包括输出纤芯4))；双芯光纤106包括熔融拉锥后形成第一锥区103，第一单芯光纤105和第二单芯光纤107包括熔融拉锥后形成第二锥区104；第一锥区103的中心线与第二锥区104的中心线为同一直线；第一锥区中两个芯心线构成的平面与第二锥区中两个芯心线构成的平面为同一平面；并且，第一锥区103端头、电光晶体102的端头和第二锥区104的端头分别设置有增透膜，各个增透膜的工作波长相同；电光晶体102加载有大小可调的横向加载电压，通过极板102实现；电光晶体101的纵向长度

调节横向加载电压，使

电光晶体的纵向长度为光在晶体中的传输长度；k为电光晶体中波导间的交叉耦合系数；δ为传播常数。此时，输入端双芯光纤中两个纤芯传输的光与两个输出端口的传输状态为：输入纤芯1→输出纤芯3、输入纤芯2→输出纤芯4。

这里的电光晶体可以为LiNbO₃晶体，也可以为其他电光晶体，例如KDP电光晶体，本发明在此不再赘述。

双芯光纤的耦合装置制造方法实施例

参照图3，图3为本发明双芯光纤的耦合装置制造方法实施例的步骤流程图，包括：双芯光纤处理步骤S310，选择双芯光纤，对双芯光纤进行去涂覆、清洗和熔融拉锥后形成第一锥区，并进行切割、端面抛光和镀增透膜的处理；电光晶体处理步骤S320，选择长方形的电光晶体，在电光晶体的两个横向表面沉积导电层，并对电光晶体的输入端和输出端镀增透膜；给电光晶体设置大小可调的横向加载电压；并且，设定电光晶体的纵向长度且δ＝0或

电光晶体的纵向长度为光在晶体中的传输长度；k为电光晶体中波导间的交叉耦合系数；δ为传播常数；两个单芯光纤处理步骤S330，选择两个单芯光纤，对两个单芯光纤进行去涂覆和清洗，然后将两段光纤靠紧进行熔融拉锥后形成第二锥区，并进行切割、端面抛光和镀增透膜的处理；对接步骤S340，将第一锥区的端面、电光晶体的两纵向端面与第二锥区的端面对接；第一锥区的中心线与第二锥区的中心线为同一直线；第一锥区中两个芯心线构成的平面与第二锥区中两个芯心线构成的平面为同一平面。

需要说明的是，步骤S310、S320和S330没有严格时间先后顺序之分，先进行哪个步骤都可以，只要保证在进行S340之间，之前的三个步骤都已经执行完毕即可。

下面，对双芯光纤处理步骤S310进行详细的说明。

对双芯光纤106进行涂覆层剥离、熔融拉锥、切割、端面处理等步骤制备双芯光纤熔锥区103，其具体的步骤如下：

步骤1，选用一段双芯光纤106，长度根据实际需求确定，去除双芯光纤一端的涂覆层，剥离长度约10cm，然后用酒精清洗去掉涂覆层的裸纤，待用。

步骤2，对去掉涂覆层用氢氧焰对制备好的裸纤进行高温熔融，加温部位选在裸纤段的中部位置，当温度加到约1800℃时进行拉锥，拉锥时必须缓慢匀速。拉锥过程中进行实时监测，当锥区的最细部位直径大约为光纤直径1/3时停止拉锥。

步骤3，用切割刀对锥区进行切割，切割部位为锥区最细处(即处于光纤1/3外径处)，切割方向必须与光纤轴向保持垂直。

步骤4，对切割面进行研磨、抛光，然后再镀增透膜，增透膜的工作波段根据实际需求改变。

另外，对两根单芯光纤进行涂覆层剥离、熔融拉锥、切割、端面处理等步骤制备输出端光纤熔锥区，其具体的步骤如下：

步骤1，选用两段单芯光纤，光纤长度由实际需求确定，分别去除两根光纤某一端的涂覆层，剥离长度约10cm，然后用酒精清洗去掉涂覆层的裸纤，待用。

步骤2，将两根光纤去掉涂覆的一端紧紧靠在一起，然后用氢氧焰对紧贴在一起的两根裸纤进行高温熔融，加温部位选在裸纤段的中部位置，当温度加到约1800℃时进行拉锥，拉锥时必须缓慢匀速。拉锥过程中进行实时监测，当锥区的最细部位直径大约为光纤自身直径1/3时停止拉锥。

步骤3，用切割刀对锥区进行切割，切割部位为锥区最细处(即处于光纤1/3外径处)，切割方向必须与光纤轴向保持垂直。

步骤4，对切割面进行研磨、抛光，然后再镀增透膜，增透膜的工作波段与双芯光纤熔锥区103所镀增透膜一致。

综上，本发明通过调节加载在LiNbO₃晶体上的电压，改变晶体的折射率，从而实现对通过晶体传输的光进行相位与强度的调制，有效地将输入端双芯光纤中每个芯中传输的光通过输出端单芯光纤分别耦合出来。并且，本发明的端面采用了镀膜增透的方法，大大减少了光在本器件中的损耗，还抑制了由于端面反射形成F-P腔对光路产生的影响，同时还能够通过调节LiNbO₃晶体101横向电压实现耦合状态的调节。

以上对本发明所提供的一种双芯光纤的耦合装置及其制造方法进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种双芯光纤的耦合装置，其特征在于，包括：

双芯光纤、与所述双芯光纤相连接的电光晶体；以及，一端经熔融拉锥结合在一起的与所述电光晶体相连接的第一单芯光纤和第二单芯光纤；

所述双芯光纤包括熔融拉锥后形成第一锥区，所述第一单芯光纤和所述第二单芯光纤包括熔融拉锥后形成第二锥区；所述第一锥区的中心线与所述第二锥区的中心线为同一直线；第一锥区中两个芯心线构成的平面与第二锥区中两个芯心线构成的平面为同一平面；并且

所述第一锥区的端头、电光晶体的端头和所述第二锥区的端头分别镀有增透膜，所述增透膜的工作波长相同；并且

所述电光晶体加载有大小可调的横向加载电压；所述电光晶体的纵向长度

且δ＝0或

所述电光晶体的纵向长度为光在晶体中的传输长度；k为电光晶体中波导间的交叉耦合系数；δ为传播常数。

2.根据权利要求1所述的双芯光纤的耦合装置，其特征在于，所述电光晶体为LiNbO₃晶体。

3.一种双芯光纤耦合装置的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

双芯光纤处理步骤，选择双芯光纤，对所述双芯光纤进行去涂覆、清洗和熔融拉锥后形成第一锥区，并进行切割、端面抛光和镀增透膜的处理；

电光晶体处理步骤，选择长方形的电光晶体，在所述电光晶体的两个横向表面沉积导电层，并对所述电光晶体的输入端和输出端镀增透膜；给所述电光晶体设置大小可调的横向加载电压；并且，设定所述电光晶体的纵向长度

且δ＝0或

所述电光晶体的纵向长度为光在晶体中的传输长度；k为电光晶体中波导间的交叉耦合系数；δ为传播常数；

两个单芯光纤处理步骤，选择两个单芯光纤，对所述两个单芯光纤进行去涂覆和清洗，然后将所述两段光纤靠紧进行熔融拉锥后形成第二锥区，并进行切割、端面抛光和镀增透膜的处理；

对接步骤，将所述第一锥区的端面、所述电光晶体的两纵向端面与所述第二锥区的端面对接；所述第一锥区的中心线与所述第二锥区的中心线为同一直线；第一锥区中两个芯心线构成的平面与第二锥区中两个芯心线构成的平面为同一平面。

4.根据权利要求3所述的双芯光纤耦合装置的制造方法，其特征在于，所述电光晶体为LiNbO₃晶体。

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