CN104536100A - 一种基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光纤连接技术领域，具体涉及的是一种基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器。一种基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器，由多芯光纤，双梯度折射率透镜组和与多芯光纤芯数相同的单模光纤束同轴连接组成，单模光纤束与多芯光纤纤芯以相同的排布方式布置，透镜组将多芯光纤纤芯在径向方向上拉开成像，对应到单模光纤束的各个纤芯上。本发明与已有技术不同，采用双梯折透镜组，轴向组装、旋转对准。随着多芯光纤制造工艺的进步，多芯光纤的尺寸和参数都已经比较稳定，单模光纤束的排布相对固定，保证了本发明多芯光纤连接器的可行性。梯折透镜或类似的梯度折射率多模光纤具有比传统光学透镜更小的离轴像差，因此可以得到更低的损耗和窜扰。

Description

一种基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器
技术领域
本发明属于光纤连接技术领域，具体涉及的是一种基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器。
背景技术
随着光纤通信网络的应用和普及，光纤网络传输容量也成倍地增长，然而如今的光纤网络通信传输容量依然面临严峻的挑战，人们对传输容量的需求似乎永无止境。为此，多芯光纤(MCF)作为一种典型的空分复用(SDM)解决方案，以其高密度、低造价、低能耗等优点最有可能大规模应用于光纤通信，极大提升传输容量。有文献报道19芯低窜扰多芯光纤可以在1550nm波长，超过10.1km距离实现305Tb/s传输容量(19-core fiber transmission of19x100x172-Gb/s SDM-WDM-PDM-QPSK signals at 305Tb/s,National Fiber Optic EngineersConference,OSA,2012)。但MCF面临一个挑战，即与现有系统的兼容性问题，这就需要发展一种可靠性高、低损耗、低窜扰以及可量产的多芯光纤连接器。
美国专利(US5608827)提出了一种四芯光纤与四根单光纤之间互连的多芯光纤连接器，这种连接器要求MCF与单模光纤束在几何结构上是直接匹配的。这会导致单模光纤束中单根SMF包层直径小于普通单模光纤，而且随着纤芯数目增加，这种差别将更大。美国专利(US20120251045)采用特殊结构的柱透镜实现了MCF之间或者MCF与集成光电子器件(比如光源VCSEL)之间的互连。其突出的特点是实现了不同口径之间的匹配互连。但是这种双面柱透镜端面加工比较复杂，且要求较高的加工精度。美国专利(US201300444978)则利用一对梯度折射率透镜或球透镜实现MCF之间的互连，这种方法难于匹配对准两端的MCF。并且在多芯光纤狭小的空间尺寸限制下，多个纤芯信道的扇入扇出很难实现，不利于光源或光学器件与MCF多个纤芯的分别对接。
文献(Low loss optical connection module for 7-core multi-core fiber and seven single modefibers,Photonics Society Summer Topical Meeting Series,IEEE 2012)和(Free-Space CouplingOptics for Multicore Fibers,Photonics Technology Letters,IEEE 2012)提出的一种透镜耦合系统，利用透镜将MCF多个纤芯出射光束空间分开，使用转向棱镜进一步分层分离，最后使用光纤准直器接收，实现将MCF各个纤芯光信道分别耦合进入单个的SMF。这种方法通过精确的操作和控制，窜扰和损耗较低，但结构体积较大，操作调节复杂难于量产，并且随着MCF的纤芯数目越多，这个缺点越明显。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制作简单、结构紧凑、操作调节简易、低损耗和低窜扰的基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器，由多芯光纤，双梯度折射率透镜组和与多芯光纤芯数相同的单模光纤束同轴连接组成，单模光纤束与多芯光纤纤芯以相同的排布方式布置，透镜组将多芯光纤纤芯在径向方向上拉开成像，对应到单模光纤束的各个纤芯上。
双梯度折射率透镜组由两个0.25节距长度，梯度常数比等于间距放大比的两个梯折透镜无间距共轴构成。
双梯度折射率透镜组由两个相同梯度常数，中间存在间隙的两个梯折透镜共轴构成，前梯折透镜长度为0.3节距时得到最低耦合损耗。
双梯度折射率透镜组中前梯折透镜用一段直接焊接在多芯光纤上的梯度折射率多模光纤替代。
单模光纤束带有纤端准直器是一段焊接的0.25节距长度梯度折射率多模光纤。
多芯光纤连接器中与多芯光纤相对应的分接端光纤是普通单模光纤或者是特殊光纤。
本发明的有益效果在于：
本发明与已有技术不同，采用双梯折透镜组，轴向组装、旋转对准。随着多芯光纤制造工艺的进步，多芯光纤的尺寸和参数都已经比较稳定，单模光纤束的排布相对固定，保证了本发明多芯光纤连接器的可行性。梯折透镜或类似的梯度折射率多模光纤具有比传统光学透镜更小的离轴像差，因此可以得到更低的损耗和窜扰。这种双梯折透镜耦合系统不需要转向棱镜，结构更加紧凑，操作难度大大降低，制作更加简单。
附图说明
图1为对称双芯光纤与对应单模光纤束截面图和七芯光纤与对应单模光纤束截面图；
图2为基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器结构示意图；
图3为无间隙双梯折透镜组合式多芯光纤连接器结构示意图；
图4为有间隙双梯折透镜组合式多芯光纤连接器结构示意图；
图5为多模光纤与梯折透镜组合式多芯光纤连接器结构示意图；
图6为单模光纤束组装方法示意图。
具体实施方式
本发明提供的是一种基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器。由多芯光纤，双梯度折射率透镜组和对应芯数的单模光纤束同轴连接组成；所述的单模光纤束与多芯光纤纤芯排布精确相似，透镜组将多芯光纤纤芯在径向方向上拉开成像，对应到单模光纤束的各个纤芯上，旋转调节多芯光纤和单模光纤束使对应纤芯对准，实现多芯光纤连接器。本发明具有制作简单、结构紧凑、操作调节简易、低损耗和低窜扰等优点。
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：
本发明由多芯光纤，双梯度折射率透镜组和对应芯数的单模光纤束同轴连接组成；所述的单模光纤束与多芯光纤纤芯排布精确相似，透镜组将多芯光纤纤芯在径向方向上拉开成像，对应到单模光纤束的各个纤芯上，旋转调节多芯光纤和单模光纤束使对应纤芯对准，实现多芯光纤连接器。
本发明还可以包括：
1、所述的透镜组可以由两个0.25节距长度，梯度常数比等于间距放大比的两个梯折透镜无间距共轴构成；或者两个相同梯度常数，中间存在一定长度间隙的两个梯折透镜共轴构成。后梯折透镜和间隙长度依赖于前梯折透镜长度和间距放大比，前梯折透镜长度为0.3节距长度时得到最低耦合损耗。间隙可以是空气间隙，也可以填充折射率相近的均匀匹配介质(比如石英棒或玻璃棒等)。
所述透镜组中前梯折透镜可以用一定长度的梯度折射率多模光纤代替，优点在于可以直接焊接在多芯光纤上。所述透镜长度由于其周期性，可以增加几个节距长度。所述透镜组成像的物平面为多芯光纤末端面，亦为前梯折透镜前端面；像平面为后梯折透镜后端面，亦为单模光纤束的前端面。
所述的单模光纤束是相同纤芯数目的几根单模光纤排布成与多芯光纤纤芯分布精确相似的结构，每根单模光纤端面平整且位于一个平面上，即单模光纤束接收端面(垂直于轴线)。单模光纤束芯间距与多芯光纤芯间距之比等于透镜组前后梯折透镜的后前焦距比。所述的单模光纤束和多芯光纤可以绕中轴线旋转调节，使对应纤芯分布位置匹配对准。
所述单模光纤束带有纤端准直器，降低耦合损耗。所述纤端准直器可以是焊接一段0.25节距长度梯度折射率多模光纤，或者直接将单模光纤端或研磨、或腐蚀构成半球面等。
多芯光纤各纤芯作为一个通道，输出光经过双梯折透镜组后沿轴方向出射，在透镜组的作用下光束排布与多芯光纤纤芯分布相似且间距拉开。光纤排布与多芯光纤精确相似的单模光纤束在透镜组后端面对应光束位置接收，经纤端准直器耦合进各单模光纤中，这样就实现了低损耗，低窜扰的多芯光纤连接器。
本发明还可包括这样一些特点：
1、所述的多芯光纤，透镜组和单模光纤束具有一个相同的组装轴线，最后固定封装在一个外套金属管中。
2、所述的梯度折射率多模光纤无论作为替代梯折透镜还是作为纤端准直器，都是先裸纤焊接，然后用光纤切割刀定长度切割。
3、所述的透镜组中一个梯折透镜可以增加0.5节距长度，结果会导致对应接收多芯光纤某纤芯通道的单模光纤位置向连接器轴线对称位置处迁移；若透镜组两梯折透镜长度各自增加0.5节距，则相对应原来的连接器发生两次迁移，结果回到原位置；当相同连接器成对使用时，迁移抵消。
4、所述的透镜组透镜长度以及两透镜间距大小由其折射率分布和间距放大比决定，可以用光线追迹的方法进行计算，具体长度关系满足：
其中，d、D分别为多芯光纤和单模光纤束芯间距；n1g1、n2g2和n3分别为前、后梯折透镜轴心折射率与聚焦参数(梯度参数)的积和两透镜间隙折射率；L1、L2和L3分别为前、后梯折透镜长度和两透镜间距大小；表示多芯光纤纤芯光通道与对应单模光纤光通道位于整个组装轴线的同侧(-)和异侧(+)。
5、所述的单模光纤束是相同纤芯数目的单模光纤组合，排布成与多芯光纤纤芯分布精确相似的结构。对于芯间距不同的多芯光纤，为使排布结构相似，需要辅助玻璃管或玻璃棒等匹配成对应分布。
6、所述连接器中与多芯光纤相对应的分接端光纤可以是普通单模光纤，也可以根据需求部分或全部替换成其他特殊光纤。虽然间距放大比因分接端光纤而变，但原理上是一致的。
7、所述的多芯光纤连接器需要旋转多芯光纤或单模光纤束进行调节，使各纤芯光通道位置对准。
8、所述的多芯光纤，透镜组和单模光纤束端面都要进行抛光和清洗，防止端面不平整或不干净导致的额外损耗。相接端面可以点入折射率匹配液以降低端面反射带来的光损耗。
本发明提出的多芯光纤连接器具有制作简单、结构紧凑、操作调节简易、低损耗和低窜扰等优点，主要应用于多芯光纤通信、光纤传感和集成光学器件等领域。
图1为对称双芯光纤(a)与对应单模光纤束(b)截面图和七芯光纤(c)与对应单模光纤束(d)截面图。对称双芯光纤(a)是一种典型的纤芯数目最少的多芯光纤(MCF)，包含包层110和两个轴对称分布的纤芯111。其对应的单模光纤束(b)是将两根带纤端准直器的单模光纤120紧密相邻排布，约束在外套玻璃管121中，两边间隙填入支撑玻璃棒122辅助固定。七芯光纤(c)是一种典型的等芯间距高分布密度的MCF，未来可能用于SDM光纤网络通信，包含位于光纤轴线的中心芯130和环绕其外、中心重合、正六边形分布的外层芯131，包层132直径大于普通单模光纤。一个标记孔133嵌于包层132用于辨识六个外层芯131。其对应的单模光纤束(d)由七根带纤端准直器的单模光纤140按照七芯光纤(c)纤芯分布，紧密相邻排布成一圈正六边形外层光纤环绕一根中心光纤的形状，约束在外套玻璃管141中。MCF(a)、(b)纤芯间距为d，单模光纤束(c)、(d)纤芯间距为D，根据两者纤芯间距比d/D，选取梯折透镜并确定其相应参数。光纤的端面需经过研磨、抛光和清洗处理成垂直于中轴线的平整端面，单模光纤束光纤端面位于同一平面。
图2为基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器结构示意图，以五芯光纤210为例，两梯折透镜221、222按设定参数或无间距或定间距组合构成透镜组221-222，单模光纤束230由五根带纤端准直器231的单模光纤按五芯光纤210纤芯分布排布成相似形状，约束固定在一个外套玻璃管或金属管中(为清晰起见图中未画出)。五芯光纤210、梯折透镜组221-222和单模光纤束230共轴线组装在一起，五芯光纤210、单模光纤束230与透镜组221-222无间距连接，旋转调节五芯光纤210或单模光纤束230使各光通道对准，点胶固定构成五芯光纤连接器。旋转调节时需构成“单模光纤束—透镜组—多芯光纤—透镜组—单模光纤束”结构，在两侧单模光纤分别接入光源和探测器进行监测。
图3为本发明实施例1的结构示意图，以对称双芯光纤310为例，MCF 310、透镜组320-321和带有纤端准直器332的单模光纤束330-331共中心轴，端面依次相接，构成无间距双梯折透镜组合式多芯光纤连接器。梯折透镜320、321的梯度常数比等于单模光纤束330-331芯间距与MCF 310芯间距比D/d，其长度皆为0.25节距。MCF 310各纤芯经过透镜组320-321成像在其后端面上，距离拉开等于单模光纤束330-331纤芯间距，旋转调节使各光通道位置对准，则实现了低损耗，低窜扰的多芯光纤连接器。图中双芯光纤310与单模光纤束330-331对应纤芯光通道311-331、312-330位于组装轴线异侧。根据实施例1，调节完成后使用环氧树脂将各部件固定在外套玻璃管或金属管中，最后进行测试封装。
图4为本发明实施例2的结构示意图，与实施例1不同的是，透镜组420-421由一对梯度常数相同或相近的梯折透镜420、421分开一定间距共轴构成。间隙422可以是空气间隙，也可以填入折射率相近的均匀介质石英棒匹配支撑。间隙422和后梯折透镜421的长度取决于前梯折透镜420的长度和间距放大比，当前梯折透镜取0.3节距长度时，间隙422最短，耦合损耗也达到最小。
图5为本发明实施例3的结构示意图，与实施例1的不同之处在于将其前梯折透镜320用一段尺寸与MCF 510匹配的梯度折射率多模光纤520替代，多模光纤520与梯折透镜521的梯度常数比和实施例1一样等于间距放大比。多模光纤520与MCF 510可以通过光纤焊接机直接熔接在一起，利用光纤切割刀进行定长度(0.25节距)切割。同理，实施例2中前梯折透镜也可以用一段一定长度的梯度折射率多么光纤代替，这里不再赘述。
在实施例1、2和3中，梯折透镜或性能相同的梯折光纤长度可以增加0.5节距。单个梯折透镜长度改变会导致对应接收多芯光纤某纤芯通道的单模光纤位置向连接器轴线对称位置处迁移；若透镜组两梯折透镜长度各自增加0.5节距，则相对应原来的连接器发生两次迁移，结果回到原位置；当相同连接器成对使用时，迁移抵消。位置迁移将影响多芯光纤与单模光纤束对应纤芯光通道位于组装轴线的同侧还是异侧。
图6为单模光纤束组装方法示意图。以正四边形环绕、圆周对称分布的五芯光纤600为例，采用V型槽定位、逐层固定的方法组装单模光纤束。首先将单模光纤620贴放于V型槽610的V角，然后将起辅助支撑作用的两个垫块630贴着V型槽610和单模光纤620放置(如图6(a))，再用压块640将另外三根光纤621压向槽V角，最后点胶固定使单模光纤620、621与两个垫块630形成稳定结构。撤去压块640放入单模光纤622和另外两个垫块631用相同V角的V型槽650合围成与五芯光纤600纤芯分布精确相似的结构。点胶固定后撤去两个V型槽610、650，将其嵌套在一个外圆内方的外套玻璃管或石英管中得到单模光纤束。单模光纤620、621、622都带有纤端准直器，方法是焊接一段0.25节距长度梯度折射率多模光纤，或者直接将单模光纤端或研磨、或腐蚀构成半球面等。
V型槽610、650的V角大小、垫块630、631的尺寸、和压块640的压面斜角预先通过五芯光纤600纤芯分布进行计算。单模光纤620-622可以用中心能够插入单模光纤的圆柱状光纤插芯代替，当然这也增加了间距放大比。通过组束后研磨或利用超高功率激光器直接切割的方法使单模光纤束各光纤端面一致分布在一个平面。单模光纤束的组装方法多种多样，要求其结构稳定，纤芯分布与多芯光纤精确相似。
由上述实施例可以看出本发明基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器，它具有制作简单、结构紧凑、操作调节简易、低损耗和低窜扰等优点。可用于光纤通信、纤维集成光纤器件和光纤传感等领域。

Claims (6)

1.一种基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器，由多芯光纤，双梯度折射率透镜组和与多芯光纤芯数相同的单模光纤束同轴连接组成，其特征在于：所述的单模光纤束与多芯光纤纤芯以相同的排布方式布置，透镜组将多芯光纤纤芯在径向方向上拉开成像，对应到单模光纤束的各个纤芯上。
2.根据权利要求1所述的一种基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器，其特征在于：所述的双梯度折射率透镜组由两个0.25节距长度，梯度常数比等于间距放大比的两个梯折透镜无间距共轴构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器，其特征在于：双梯度折射率透镜组由两个相同梯度常数，中间存在间隙的两个梯折透镜共轴构成，前梯折透镜长度为0.3节距时得到最低耦合损耗。
4.根据权利要求1、2或3中任意一项所述的一种基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器，其特征在于：所述双梯度折射率透镜组中前梯折透镜用一段直接焊接在多芯光纤上的梯度折射率多模光纤替代。
5.根据权利要求1所述的一种基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器，其特征在于：所述的单模光纤束带有纤端准直器是一段焊接的0.25节距长度梯度折射率多模光纤。
6.根据权利要求1所述的一种基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器，其特征在于：多芯光纤连接器中与多芯光纤相对应的分接端光纤是普通单模光纤或者是特殊光纤。
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