CN103728696B

CN103728696B - 一种1×n光纤耦合器

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Publication number: CN103728696B
Application number: CN201410016501.9A
Authority: CN
Inventors: 杨远洪; 宋奎岩; 代文
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2034-01-14
Also published as: CN103728696A

Abstract

本发明提出一种1×N光纤耦合器，该耦合器包含一根输入光纤、输入端加工成凸棱锥的径向渐变折射率（GRIN）透镜和多根单芯光纤（或一根多芯微结构光纤）。其中径向渐变折射率透镜的一端为N面凸棱锥面，另一面为平面，将输入的单束光分成N束输出，输入为单根单芯光纤，输出为N根单芯光纤（或单根N芯微结构光纤），N根单芯光纤的芯（或单根N芯微结构光纤的芯）被对准到径向渐变折射率透镜输出光束位置，实现低损耗耦合。本发明的微结构光纤耦合器具有结构紧凑、容易加工和装配、低损耗等优点，可实现单根光纤与N根光纤、单根光纤与单根N芯微结构光纤之间的分光和合光。为各类光纤，如普通光纤、多芯光纤、光子晶体光纤和光纤组束等，实现高效率耦合提供了实用的方法。

Description

一种1×N光纤耦合器

技术领域

本发明属于光纤应用领域，涉及一种1×N光纤耦合器及其制备方法。

背景技术

微结构光纤泛指一类具有特殊包层和纤芯结构的光纤，如光子晶体光纤(PCF:Photoniccrystalfiber)和多芯光纤(MCF:Multi-corefiber)等，与传统光纤相比，微结构光纤具有独特的特性，在光通信、传感以及大功率光纤激光器等领域具有广泛用途。

微结构光纤的结构复杂性使其在诸如能量耦合、多纤芯激励及激光合束等耦合技术领域受到很大限制。目前，光子晶体光纤耦合器的制作方法主要有抛磨法和熔锥法，但这些方法容易破坏光纤的二维光子晶体包层结构而引入大量损耗。对全固PCF耦合器的制作研究表明，这两种方法的附加损耗分别不小于3dB和10dB；而对空芯PCF，还没有有效的办法。MCF在光纤包层中排布有多根相互平行的纤芯，难与常规单芯光纤(SCF:Single-corefiber)耦合。目前报道的方法主要有熔接拉锥法和寻芯对接法等，前者通过将SCF与MCF熔接并拉锥实现耦合；后者通过SCF的纤芯与MCF的对接损耗情况找到纤芯位置以修正熔接参数。基于多透镜也可实现多芯耦合，通过多个准直镜将光束耦合进不同的纤芯，该方法插入损耗可达到0.6dB，但透镜系统对器件加工和对轴精度要求极高，体积大、工艺复杂。

对于普通的全光纤定向耦合器，其制造工艺主要有抛磨法、腐蚀法和熔锥法。由于抛磨法是将抛磨好的裸光纤拼接在一起，所以采用这种方法制造的光纤耦合器件热稳定性和机械稳定性差。采用腐蚀法的光纤耦合器件是将光纤包层腐蚀后将它们扭绞在一起，所以其制造工艺的一致性差，并且损耗大，热稳定性差。熔锥法是将裸光纤高温熔化并进行拉伸后熔融在一起形成耦合器，这种方法虽然优于其它两种方法，但工艺实现难点高，需要严格控制拉锥长度、熔区形状和锥体光滑度等。

为克服上述光纤耦合器存在的问题，本发明提供了一种基于单个径向渐变折射率透镜的1×N光纤耦合器设计方案。该发明可实现低损耗光分多束耦合，结构紧凑，容易加工和装配，避免了对光纤的直接加工，为各类光子晶体光纤、多芯光纤、光纤组束的合光、分光提供了实用的方法。

发明内容

本发明提供了一种新的1×N光纤耦合器及其制作方法。根据本发明产生的光纤耦合器具有结构简单灵活、低损耗、容易加工等优点，具有分光比和分束比可自由设计等特点。

本发明采用的技术方案为：一种1×N光纤耦合器，包括单根输入光纤、输入端加工成凸棱锥的径向渐变折射率（GRIN）透镜和单根N芯微结构光纤，N为待耦合单根多芯微结构光纤的芯的数量，N为大于等于2的自然数，径向渐变折射率透镜的输入端为N面凸棱锥面，即GRIN透镜输入端的凸棱锥面数量为N，径向渐变折射率透镜的另一端为平面，输入为单根单芯光纤，单芯光纤输出光沿光轴入射到凸棱锥面进入GRIN透镜传输，输出到单根N芯微结构光纤，单根N芯微结构光纤的每个芯被对准到GRIN透镜输出光束位置，实现低损耗耦合。

其中，GRIN透镜每个锥面的倾斜角和输入光纤输出点到GRIN透镜锥顶的距离均能够根据单根N芯微结构光纤中的待耦合单根芯离单根N芯微结构光纤中心的半径值计算。

其中，在该耦合器装配时，可以通过调节输入光纤输出点到GRIN透镜锥顶的距离实现输出光束位置的微调，保证与输出微结构光纤芯精确对准，实现高效率耦合。

本发明另外提供一种1×N光纤耦合器，包括单根输入光纤、输入端加工成凸棱锥的径向渐变折射率（GRIN）透镜和N根单芯光纤，N为待耦合单芯光纤数量，N为大于等于2的自然数，GRIN透镜的输入端为N面凸棱锥面，即GRIN透镜输入端的凸棱锥面数量为N，径向渐变折射率透镜的另一端为平面，输入为单根单芯光纤，单芯光纤输出光沿光轴入射到凸棱锥面进入GRIN透镜传输，输出为N根单芯光纤，N根单芯光纤的每个芯被对准到GRIN透镜输出光束位置，实现低损耗耦合。

其中，GRIN透镜每个锥面的倾斜角和输入光纤输出点到GRIN透镜锥顶的距离均能够根据N根单芯光纤待耦合光纤芯到N根单芯光纤组成的光纤束的中心的半径值计算。

其中，在该耦合器装配时，可以通过调节输入光纤输出点到GRIN透镜锥顶的距离实现输出光束位置的微调，保证与输出所有单芯光纤芯精确对准，实现高效率耦合。

其中，上述耦合器光路具备互易性，当光传输方向从单根光纤到多芯或多根光纤时，为1×N分光耦合器；当光传输方向从多芯或多根光纤到单根光纤时，为N×1合光耦合器；即该耦合器可实现分光和合光耦合。

本发明一种1×N光纤耦合器的优点在于：

1、本发明加工工艺简单，结构灵活。通过对径向折射率渐变透镜的端面进行多棱锥面加工，使得棱锥面的面数与待耦合多芯微结构光纤的芯数(或多根单芯光纤的光纤数量)相等，理论上可获得任意分束比的耦合器。

2、本发明机械稳定性高，避免了对光纤的直接加工，从而减小加工过程对光纤造成的损伤，所以本发明的光纤耦合器非常适用于光子晶体光纤等微结构光纤，因为机械加工极易破坏其空气孔结构包层，造成空气孔坍塌。

3、本发明插入损耗低，本发明仅用单个透镜元件就实现了光纤分光/合光功能。

附图说明

图1为凸棱锥的径向渐变折射率透镜分光原理图；

图2(a)为输出光束位置与锥面倾角关系曲线；

图2(b)为输出光束位置与输入位置关系曲线；

图3为1×N单根单芯光纤与单根多芯微结构光纤耦合器；

图4为1×N单根单芯光纤与多根单芯光纤耦合器；

图5为1×3微结构光纤耦合器作为实施例的耦合器三维效果示意图；

图6为1×3光纤耦合器作为实施例的耦合器三维效果示意图；

图7为1×3微结构光纤耦合器在聚焦平面上的聚焦光斑点列图；

附图符号说明：

1、输入光纤，2、凸棱锥径向渐变折射率透镜，3、单根多芯微结构光纤，4、多根单芯光纤组束，5、3棱锥径向渐变折射率透镜，6、三芯微结构光纤，7、三根单芯光纤组束。

具体实施方式

为更清楚地说明本发明，下面将结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明。

根据本发明所提供的一种1×N构光纤耦合器，其工作原理为：根据理想成像原理，发光点发出的光束在经过透镜系统后都会在同一点汇聚，因此理想情况下轴上点光源P发出的光束也会在像平面F上径向位置为r₀的点P'聚焦，且P和P'的轴向距离略大于径向渐变折射率透镜2的半节距，其中，d₁的值约为毫米量级、d₂的值在微米量级，如图1所示。

输入光束到达多棱锥径向渐变折射率透镜2时，由于其入射端面的多棱锥斜面结构，使得投影到不同斜面的光线具有不同的入射方向。光线在径向渐变折射率透镜2内的传播轨迹方程可表示为：

其中r₀是光线传播时的径向位置，为棱锥面的倾角，A为GRIN透镜2的聚焦常数，l为光线在径向渐变折射率透镜2内沿z方向传播的长度。从公式可以看出，r₀为周期函数，其节距为。由于d₂为微米量级，为便于计算，近似认为光束在d₂区间内的传输轨迹与在径向渐变折射率透镜2中的轨迹相同。

根据本发明所提供的一种1×N光纤耦合器包括：单根单芯输入光纤1、输入端加工成凸棱锥的径向渐变折射率透镜2和单根多芯微结构光纤3。

根据本发明所提供的一种1×N光纤耦合器，其中，径向渐变折射率透镜2的一端为N面凸棱锥面，另一面为平面。棱锥面的面数N等于待耦合单根多芯微结构光纤的纤芯数量。

根据本发明所提供的一种1×N光纤耦合器，其中，单根N芯微结构光纤3的每个芯被对准到径向渐变折射率透镜2输出光束位置，实现输出光束的低损耗耦合。

根据本发明的1×N光纤耦合器，径向渐变折射率透镜2锥面的倾角与光束经透镜后聚焦点的径向位置r₀相关，随着倾角的增加，r₀也随着增大。当较小时，Zemax软件仿真结果与理论计算值有很高的拟合度；当逐渐增大，光束傍轴性变差，使二者差距逐渐拉大，如图2(a)所示。实际工艺加工过程中，锥面的倾斜角可以根据单根N芯微结构光纤中的单根芯离单根N芯微结构光纤中心的半径值r₀计算。例如，当单根N芯微结构光纤中的单根芯离单根N芯微结构光纤中心的半径值r₀=0.0969mm，d₁=1.2mm时，通过理论计算可以得到。

根据本发明的1×N光纤耦合器，其中，所述的输入光纤1为普通单模光纤、多模光纤或光子晶体光纤。其中，输入光纤1输出点距径向渐变折射率透镜2顶点的位置d₁与光束聚焦点的径向位置r₀相关，当棱锥面的倾角固定时，随着d₁的增加，聚焦点的径向位置r₀也随着增大，如图2(b)所示。所以，在该耦合器装配时，可以通过调节输入光纤1到径向渐变折射率透镜2顶点的距离d₁实现输出光束位置的微调，保证与输出微结构光纤芯精确对准，实现高效率耦合。

根据本发明所提供的一种1×N光纤耦合器包括单根单芯输入光纤1、输入端加工成凸棱锥的径向渐变折射率透镜2和多根单芯光纤组束4。

根据本发明所提供的一种1×N光纤耦合器，其中，输出光纤为多根单芯光纤组束，N根单芯光纤的每个芯被对准到径向渐变折射率透镜2输出光束位置，实现低损耗耦合。

根据本发明所提供的一种1×N光纤耦合器具有良好的光学互易性，根据实际应用需求可实现分光/合光功能。当光传输方向从单根光纤到多芯（或多根）光纤时，为1×N光纤耦合器，可实现分光功能；当光传输方向从多芯（或多根）光纤到单根光纤时，为N×1光纤耦合器，可实现合光功能。

本发明提供了一种新型1×N微结构光纤耦合器设计方法。其关键是径向渐变折射率(GRIN)透镜的制作，选取径向渐变折射率透镜2材料为美国NSG公司的SLS-1.0型径向梯度折射率透镜。以1×3光纤耦合器为实施例进行说明，首先，将径向渐变折射率透镜2的一端切割成具有预定倾角的3棱锥面，的角度越小越满足傍轴条件，像差也越小。然后根据透镜材料研磨的工艺步骤，依次对透镜各个棱锥面进行粗磨、中磨、细磨以及抛光处理，直到所有的面加工完成。

根据本发明的实施例，输入光纤1有多种选择，如普通单模光纤、光子晶体光纤等，以Thorlabs公司的ESM-12-01无截止单模光子晶体光纤作为输入光纤1，预设分光比为1：1：1的1×3微结构光纤耦合器为实施例进行说明，如图5所示。首先，通过三维位移平台初步调整输入光纤1、径向渐变折射率透镜2和三芯微结构光纤6的位置，使其共轴。然后固定径向渐变折射率透镜2，沿光轴方向调节三芯微结构光纤6与其相对位置d₂，根据仿真结果使d₂达到预设值(微米量级)，其中仿真结果显示输出光束聚焦后的光斑形状及光斑间相互位置关系如图7所示。最后，通过调节输入光纤到锥顶的距离d₁实现输出光束位置的微调，保证光束与输出微结构光纤6的芯精确对准。

根据本发明的实施例，3芯微结构光纤的芯呈正三角形分布，工作波长为1550nm，纤芯模场直径为8μm，数值孔径NA=0.12，芯间距为62.5μm。三芯微结构光纤纤芯间距可以做到很小，这样系统傍轴性质好。仿真结果显示，当，d₁=0.621mm，光束聚焦点间距为62.5μm，透镜长度为5.25mm，每个纤芯的耦合效率可达到93.48%。

根据本发明的实施例，若输出光纤为三根单芯光纤组束7，如图6所示，则需要先调整三根光纤间的相对位置，使其纤芯对准输出光束聚焦点，按预定位置固定后再进行耦合。若输入和三根输出光纤均为SMF-28单模光纤，其工作波长为1550nm，模场直径为10.5μm，数值孔径NA=0.13。仿真设计结果显示，当d₁=0.675mm，透镜长度为5.23mm时，三根输出光纤间距为0.125mm，成正三角形分布，每个输出光纤的耦合效率相同，仿真得到的最大耦合效率为91.3%。

根据本发明的实施例，聚焦位置r₀由d₁共同确定，固定一个值，可以通过调节另一个值调整r₀大小，聚焦位置r₀与斜面倾角物距d₁的关系如图2(a)、(b)所示。

同样，上述耦合过程也适用于其它1×N光纤耦合器。

根据本发明的1×N光纤耦合器，在耦合器的制作过程中，需具备高精度的位移平台来调整光纤及透镜的相对位置，并实时监控输出光功率及光斑的大小形状等。

在上述制备过程中，光纤端面的清洁对耦合效率影响很大。需先使用乙醇溶液初步清洁，再使用专用的无尘纸擦拭后再检查光纤端面清洁度。在径向渐变折射率透镜2的研磨抛光过程中研磨片应经常更换，旧的研磨片会影响研磨精度。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，实施方式中的参数及附图仅是说明实施方式的示意图，并非对本发明形成限制。对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种1×N光纤耦合器，包括单根输入光纤、输入端加工成凸棱锥的径向渐变折射率(GRIN)透镜和单根N芯微结构光纤，N为待耦合单根多芯微结构光纤的芯的数量，N为大于等于2的自然数，其特征在于：径向渐变折射率透镜的输入端为N面凸棱锥面，即GRIN透镜输入端的凸棱锥面数量为N，径向渐变折射率透镜的另一端为平面，输入为单根单芯光纤，单芯光纤输出光沿光轴入射到凸棱锥面进入GRIN透镜传输，输出到单根N芯微结构光纤，单根N芯微结构光纤的每个芯被对准到GRIN透镜输出光束位置，实现低损耗耦合；

GRIN透镜每个锥面的倾斜角和输入光纤输出点到GRIN透镜锥顶的距离均能够根据单根N芯微结构光纤中的待耦合单根芯离单根N芯微结构光纤中心的半径值计算；

在该耦合器装配时，可以通过调节输入光纤输出点到GRIN透镜锥顶的距离实现输出光束位置的微调，保证与输出微结构光纤芯精确对准，实现高效率耦合。

2.一种1×N光纤耦合器，包括单根输入光纤、输入端加工成凸棱锥的径向渐变折射率(GRIN)透镜和N根单芯光纤，N为待耦合单芯光纤数量，N为大于等于2的自然数，其特征在于：GRIN透镜的输入端为N面凸棱锥面，即GRIN透镜输入端的凸棱锥面数量为N，径向渐变折射率透镜的另一端为平面，输入为单根单芯光纤，单芯光纤输出光沿光轴入射到凸棱锥面进入GRIN透镜传输，输出为N根单芯光纤，N根单芯光纤的每个芯被对准到GRIN透镜输出光束位置，实现低损耗耦合；

GRIN透镜每个锥面的倾斜角和输入光纤输出点到GRIN透镜锥顶的距离均能够根据N根单芯光纤待耦合光纤芯到N根单芯光纤组成的光纤束的中心的半径值计算；

在该耦合器装配时，可以通过调节输入光纤输出点到GRIN透镜锥顶的距离实现输出光束位置的微调，保证与输出所有单芯光纤芯精确对准，实现高效率耦合。

3.根据权利要求1所述的一种1×N光纤耦合器或者权利要求2所述的一种1×N光纤耦合器，其特征在于：该耦合器光路具备互易性，当光传输方向从单根光纤到多芯或多根光纤时，为1×N分光耦合器；当光传输方向从多芯或多根光纤到单根光纤时，为N×1合光耦合器；即该耦合器可实现分光和合光耦合。