CN105204119A - 一种基于微孔加工的多芯光纤耦合器制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微孔加工的多芯光纤耦合器制备方法，包括如下步骤：光纤束制备与多芯光纤预处理，光纤束套管和多芯光纤套管制备，制备光纤束端和多芯光纤端，对准封装；采用机械钻孔或激光打孔方式在圆柱体套管中进行微孔加工以获得光纤束套管和多芯光纤套，使套管中精密分布若干均匀微型通孔将经过腐蚀后的多芯光纤和光纤束置于套管的微孔中，经紫外胶或热固化胶固定，由抛光机抛光端面，再经六维调整平台对准，由玻璃套管经紫外胶固定，或使用熔接机对准熔接固定，完成多芯光纤耦合器制备。本发明提供的基于微孔加工的多芯光纤耦合器制备方法，具有适应性强，成本低，精度高，损耗低的特点。

Description

一种基于微孔加工的多芯光纤耦合器制备方法

技术领域

本发明属于光纤通信和传感技术领域，更具体地，涉及一种基于微孔加工的多芯光纤耦合器制备方法。

背景技术

为满足通信系统需求，多芯光纤由于可提供新复用维度，极大增加通信系统容量，愈发受到重视。多芯光纤通信系统需要与现有单模光纤通信系统相融合，则要求多芯光纤和单模光纤实现低损耗连接，因此多芯光纤耦合器显得尤为重要，是推广多芯光纤实际应用与降低成本的关键技术。

目前现有多芯光纤耦合器的制备方法有几种方式：

拉锥法：将多根单芯光纤拉锥，实现光纤端面与多芯光纤几何一一对应，实现多芯到单芯光场耦合；这种多芯光纤耦合器制备方法，光纤耦合模场难以匹配，加工技术复杂，难度大；

透镜耦合法：使用微小透镜，将多芯光纤不同纤芯间微小间距放大到空间中较大间距，再使用透镜聚焦耦合入单芯光纤之中实现耦合；这种多芯光纤耦合器制备方法，器件体积较大，成本高，随着多芯纤芯数增加，难以扩展；

聚合物波导法：制备聚合物波导使其波导的排列同于多芯光纤的截面，实现波导和纤芯的一一对应关系；这种多芯光纤耦合器制备方法，其对准精度易受到光纤腐蚀精度以及套管内径影响；

综上，目前各类多芯光纤耦合器制备方法，受到加工精度的影响，光纤几何对准精度不高，而几何对准偏差导致较大的插入损耗，降低了多芯光纤耦合器的性能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于微孔加工的多芯光纤耦合器制备方法，其目的在于解决多芯光纤耦合器制备中的几何对准问题，降低由几何对准偏差导致的插入损耗。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于微孔加工的多芯光纤耦合器制备方法，包括以下步骤：

(1)光纤束与多芯光纤预处理：剥除具有N根纤芯的多芯光纤涂敷层并清洁，获取第一中间件；N不小于1；

剥除N根单模光纤的涂敷层，获取第二中间件；对第二中间件的包层进行腐蚀处理获得直径为FD2的第三中间件；上述第三中间件的直径FD2小于上述多芯光纤的纤芯间距FD，并大于20微米使得光纤中光场无泄露；

(2)获取多芯光纤套管和光纤束套管：采用微孔加工的方法对第一柱体原材料进行加工，获取轴向中心具有圆形均匀通孔的多芯光纤套管；多芯光纤套管的通孔直径HD1与第一中间件的直径FD1相匹配，使得第一中间件可插入该通孔中；

采用微孔加工的方法对第二柱体原材料进行加工，获取轴向具有N个圆形通孔的光纤束套管，光纤束套管的通孔圆心的几何分布与步骤(1)中采用的多芯光纤的纤芯圆心几何分布相同，光纤束套管各通孔的直径HD2与第三中间件的直径FD2匹配，使第三中间件各单模光纤可对应插入所述光纤束套管的通孔中；

(3)制备光纤束端和多芯光纤端：将上述第一中间件的一端插入多芯光纤套管内并固定，另一端作为多芯光纤端尾纤；将插入多芯光纤套管内的第一中间件与多芯光纤套管端面抛光，获得多芯光纤端；

将第三中间件各单模光纤的一端插入光纤束套管各圆形通孔中并固定，另一端作为光纤束端尾纤；将插入光纤束套管内的第三中间件与光纤束套管抛光，获得光纤束端；

(4)对准封装：将上述多芯光纤端与光纤束端分别固定于平台上，将多芯光纤端与光纤束端对准贴合，使得第三中间件的纤芯与第一中间件的纤芯一一对准，获得第四中间件；将第四中间件置于玻璃套管中，在玻璃套管与第四中间件的间隙涂覆紫外胶，并采用紫外灯照射紫外胶使其固化，完成多芯光纤耦合器制备。

优选的，上述步骤(2)中采用的光纤束套管的通孔直径HD2是第三中间件直径FD2的K倍；

对该光纤束套管进行拉锥处理，使光纤束套管通孔圆心的几何分布公差缩减至拉锥前几何分布公差的1/K；拉锥后获得的光纤束套管的通孔直径与第三中间件单模光纤直径FD2匹配，且光纤束套管通孔圆心的几何分布与多芯光纤纤芯的几何分布相同；使第三中间件各单模光纤可插入对应通孔中；其中，K为大于等于1的实数；

通过上述拉锥处理，可极大提高光纤束套管通孔圆心的几何分布精度，有利于降低器件插入损耗。

优选的，步骤(2)中所采用的柱体原材料，其外形为方形柱体或椭圆形柱体，以提供更大的设计自由度；其材料采用玻璃或陶瓷；采用玻璃可简化工艺难度，采用陶瓷则适应现有工业加工平台；其通孔加工方法可采用激光加工以获得更高的加工精度，或采用机械加工以降低成本。

优选的，步骤(4)中，在第四中间件的多芯光纤端与光纤束端之间滴加折射率匹配液或涂覆折射率匹配膏，以降低器件反射，提高器件回波损耗。

优选的，步骤(4)中，采用六维调整机构，配合实时功率检测装置，将多芯光纤端与光纤束端对准贴合，使得第三中间件的纤芯与第一中间件的纤芯一一对准，使各纤芯探测功率最大，获得第四中间件。

优选的，步骤(4)中，采用熔接机，配合实时功率检测装置，将多芯光纤端与光纤束端对准贴合，使得第三中间件的纤芯与第一中间件的纤芯一一对准，使各纤芯探测功率最大，获得第四中间件，使用熔接机熔接第四中间件的光纤束端与多芯光纤端，完成多芯光纤耦合器制备；该方法使得光纤束端与多芯光纤端之间固定得更加稳定可靠，获得的多芯光纤耦合器的插入损耗更低，回波损耗更高。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的多芯光纤耦合器制备方法，由于采用微孔加工，提供具有高精度几何分布的光纤束套管和多芯光纤套管，解决多芯光纤耦合器制备最关键的几何对准问题，极大降低由几何对准偏差导致的插入损耗；另一方面，微孔加工自由度更高，可适用于更多种纤芯几何分布的多芯光纤耦合器的制备，且工艺成本与难度不变；

(2)本发明提供的多芯光纤耦合器制备方法，其优选方案采用拉锥的方法可极大地提高通孔的几何分布精度，可进一步降低由几何对准偏差导致的插入损耗；

(3)本发明提供的多芯光纤耦合器制备方法，其优选方案采用折射率匹配液，可有效降低对准后由非物理接触导致的反射，增大多芯光纤耦合器回波损耗，获得更加优异的性能；

(4)本发明提供的多芯光纤耦合器制备方法，其优选方案采用玻璃作为柱体原材料，由于玻璃材质更易加工且配合熔接机熔接固定，可减少多芯光纤耦合器加工步骤并获得更加优异的性能。

附图说明

图1是七芯光纤端面结构示意图；

图2为多芯光纤端通孔圆柱体结构示意图；

图3为对应于七芯光纤的光纤束端通孔圆柱体结构示意图；

图4为对准装置结构示意图；

图5为多芯光纤耦合器封装结构示意图；

图6为实施例2中光纤束通孔圆柱体拉锥后的结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-涂敷层，2-包层，3-纤芯，4-多芯端套管，5-多芯光纤套管通孔，6-光纤束端套管，7-光纤束端套管通孔，8-激光源，9-光功率耦合器，10-耦合器光纤束端，11-套管夹具，12-耦合器多芯端，13-光功率计，14-六维调整台，15-多芯光纤，16-紫外胶，17-玻璃套管，18-光纤束，19-折射率匹配液，20-光纤束套管锥区末端，21-光纤束套管锥区，22-光纤束套管锥区前端。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的基于微孔加工的多芯光纤耦合器制备方法，包括以下步骤：(1)光纤束制备与多芯光纤预处理；(2)光纤束和多芯光纤套管制备；(3)制备光纤束端和多芯光纤端；(4)对准封装；实施例以七芯光纤耦合器的制备为例，对本发明提供的基于微孔加工的多芯光纤耦合器制备方法进行详细阐述，具体如下：

(1)多芯光纤预处理：实施例采用的多芯光纤的端面结构如图1所示，1为光纤涂敷层，2为七芯光纤纤芯包层，3为七芯光纤纤芯；七芯光纤中同一包层内包含七个纤芯3，七个纤芯排列为正六边形，纤芯间距为FD；

实施例取长度为1.5米～3.5米的七芯光纤20，七芯光纤的涂敷层1直径为250微米，包层2的直径为150微米，芯间距FD为45微米；取七芯光纤一端2～3厘米长度剥除包层，并使用酒精清洁，获得第一中间件；

(2)制备光纤束：选取模场与七芯光纤一致的单模光纤22共七根，长度为1.5米～2米；剥除个各单模光纤的涂覆层，获取第二中间件；使用体积分数为10～50％的氢氟酸溶液腐蚀各单模光纤，直到单模光纤包层直径减小至20～30微米，获得第三中间件；采用无水乙醇超声清洗第三中间件5～10分钟，使用蘸有无水乙醇的无尘纸清洁端面；

(3)制备多芯光纤套管：如图2所示，取圆柱体石英玻璃柱4：对直径1.5～2.5毫米、长度为5～30毫米的实心石英玻璃柱进行激光微孔加工，使用强激光由石英玻璃柱轴向中心加工圆形均匀通孔5；通孔5的直径为150～151微米，通孔5的直径与器芯光纤包层直径匹配，使得腐蚀后的多芯光纤可插入七芯光纤套管通孔内；

(4)制备光纤束套管：如图3所示，对直径1.5～2.5毫米、长度为5～30毫米的实心石英圆玻璃柱进行激光微孔加工，获得沿石英玻璃柱轴向分布的七个均匀圆形通孔7，七个通孔7的圆心几何排列与七芯光纤纤芯3的圆心几何排列完全相同，且最中间的通孔位于石英玻璃柱轴向中心；通孔7的直径HD2比第三中间件中的光纤直径大0.1～1微米，使第三中间件的光纤可插入通孔7中；

(5)制备多芯光纤端12：将第一中间件插入通孔5中，并在通孔5与第一中间件的间隙中填充热固化胶，于160～180摄氏度环境下加热12～24分钟，使热固胶充分固化；

使用夹持器将石英玻璃柱4固定在光纤研磨机上，调整石英玻璃柱4位置使七芯光纤端面与研磨片接触，之后按照FC/PC光纤接头研磨方式对七芯光纤和七芯光纤套管端面进行研磨，使两者端面重合于同一平面，且端面平整、无裂痕、无杂物、无残缺，并使用蘸有无水乙醇的无尘纸对端面进行清洁；

(6)制备光纤束端10：将七根第三中间件分别插入石英玻璃柱6的七个通孔7中，在通孔7与第三中间件的间隙中填充热固化胶，在160～180摄氏度环境下加热12～24分钟，使热固胶充分固化；

使用夹持器将石英玻璃柱6固定在光纤研磨机上，调整石英玻璃柱6的位置使七芯光纤端面与研磨片接触；按照FC/PC光纤接头研磨方式对插入光纤束套管内的光纤束和光纤束套管共同进行抛光，使两者端面重合于同一平面，且端面平整、无裂痕、无杂物、无残缺，并使用蘸有无水乙醇的无尘纸对端面进行清洁；

(7)对准多芯光纤端12和光纤束端10：如图4所示，使用波长1550nm激光光源8，经3dB耦合器9将光功率等分为两路输出O1和O2，其中O1接光纤束10的中间芯尾纤，O2接光纤束10任意一路旁芯尾纤，多芯光纤端12的多芯光纤尾纤由裸纤适配器接入光功率计13；

另一方面，将光纤束端10和多芯光纤端12分别由精密夹具夹持固定于六维调整平台14上；调整六个不同的维度使光纤束与多芯光纤完全对准，光纤束端10的每一根第三中间件均将功率耦合入多芯光纤对应纤芯中，当光功率计13获得最大功率时，光纤束端10和多芯光纤端12完全对准，平均损耗低于0.5dB；

(8)固定封装：如图5所示，对准后的多芯光纤端12和光纤束端10位于六维调整架上，光纤束端10与多芯光纤端12的端面接近，使用滴管滴加折射率匹配液19于端面之间，吸走多余折射率匹配液；使用六维调整架扩大端面距离，放入玻璃套管17，并使用点胶针在多芯光纤端12和光纤束端10靠近光纤尾端部分涂覆紫外胶，使紫外胶布满玻璃管尾端表面；

将光纤束端10和多芯光纤端12靠近，使紫外胶浸入玻璃套管和光纤束端10与多芯光纤端12缝隙中；经过1～5分钟后，紫外胶浸入充分，采用紫外灯照射紫外胶10～30分钟，使紫外胶充分固化，完成多芯光纤耦合器的封装。

实施例2提供一种优选的基于微孔加工的多芯光纤耦合器制备方法，如图6所示，在步骤(4)制备七孔圆柱体石英玻璃柱6时，通孔的位置和直径放大K倍，K为大于1的实数；

当通孔位置加工精度为±3.0微米，K为10时，采用激光微孔加工技术加工通孔，通孔直径为(20～35)*K，即200～350微米，通孔间距为FD*K，即450微米，如图6中拉锥前端22；

采用氢氧焰加热石英玻璃柱6，通过拉锥平台对石英玻璃柱6进行拉锥，锥区21长度为5～20毫米，使拉锥后形成的锥区末端20中的通孔直径为20～35微米，且同时通孔圆心的几何分布与多芯光纤纤芯3圆心几何分布完全相同，则经过拉锥后，通孔位置的精度可提升为±0.3um。

实施例3提供一种基于微孔加工的多芯光纤耦合器制备方法，在步骤(7)、步骤(8)中，将多芯光纤端12和光纤束端10分别置于特殊熔接机中，经过熔接机端面对准后，采用电弧放电或电热法使多芯光纤端12和光纤束端10端面熔接；再采用紫外胶和玻璃套管对熔接点进行加固处理。

本发明提供的基于微孔加工的多芯光纤耦合器制备方法，多芯光纤不限于七个纤芯，纤芯数至少为2，至多纤芯数无限制；采用本方法制备多芯光纤耦合器对多芯光纤的纤芯排列无限制，只需在采用微孔加工玻璃柱6获得通孔7时，按照多芯光纤纤芯排列，并使通孔直径与多芯光纤匹配。

本发明提供的基于微孔加工的多芯光纤耦合器制备方法，采用的材料易于获得且价格低廉，与传统多芯光纤耦合器制备方法相比，不需要昂贵的设备，极大降低多芯光纤耦合器制备成本，可解决多芯光纤的应用受制于多芯光纤耦合器的技术问题，有利于多芯光纤推广应用；另一方面，本方法适应性极强，只需调整加工参数即可实现适应不同数目纤芯多芯光纤，还可适应不同纤芯几何分布的多芯光纤耦合器制备；又一方面，通过利用玻璃柱通孔限制光纤束，在较低成本下获得更高精度的光纤束加工精度，优于0.3微米，从而实现多芯光纤耦合器的平均损耗低于0.5dB。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于微孔加工的多芯光纤耦合器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)剥除具有N根纤芯的多芯光纤涂敷层，获取第一中间件；剥除N根单模光纤的涂敷层，获取第二中间件；对所述第二中间件的包层进行腐蚀处理获得直径为FD2的第三中间件；所述第三中间件的直径FD2小于所述多芯光纤的纤芯间距FD，并大于20微米；

(2)采用微孔加工的方法对第一柱体原材料进行加工，获取轴向中心具有圆形均匀通孔的多芯光纤套管；多芯光纤套管的通孔直径HD1与第一中间件的直径FD1相匹配，使得第一中间件可插入该通孔中；

采用微孔加工的方法对第二柱体原材料进行加工，获取轴向具有N个圆形通孔的光纤束套管，光纤束套管的通孔圆心的几何分布与所述多芯光纤的纤芯圆心几何分布相同，光纤束套管各通孔的直径HD2与第三中间件的直径FD2匹配，使第三中间件各单模光纤可对应插入所述光纤束套管的通孔中；

(3)将所述第一中间件的一端插入多芯光纤套管内并固定，另一端作为多芯光纤端尾纤；将插入多芯光纤套管内的第一中间件与多芯光纤套管端面抛光，获得多芯光纤端；

将第三中间件各单模光纤的一端插入光纤束套管各圆形通孔中并固定，另一端作为光纤束端尾纤；将插入光纤束套管内的第三中间件与光纤束套管抛光，获得光纤束端；

(4)将多芯光纤端与光纤束端对准贴合，使得第三中间件的纤芯与第一中间件的纤芯一一对准，获得第四中间件；

将所述第四中间件置于玻璃套管中，在玻璃套管与第四中间件的间隙涂覆紫外胶，并采用紫外灯照射紫外胶使其固化，完成多芯光纤耦合器制备。

2.如权利要求1所述的多芯光纤耦合器制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，光纤束套管的通孔直径HD2是第三中间件直径FD2的K倍；

对所述光纤束套管进行拉锥处理，使光纤束套管通孔圆心的几何分布公差缩减至1/K；拉锥后获得的光纤束套管的通孔直径与第三中间件单模光纤直径FD2匹配，且光纤束套管通孔圆心的几何分布与多芯光纤纤芯的几何分布相同；K为大于等于1的实数。

3.如权利要求1或2所述的多芯光纤耦合器制备方法，其特征在于，步骤(2)中所采用的柱体原材料，其外形为方形柱体或椭圆形柱体；其材料为玻璃或陶瓷。

4.如权利要求1或2所述的多芯光纤耦合器制备方法，其特征在于，步骤(4)中，在第四中间件的多芯光纤端与光纤束端之间滴加折射率匹配液或涂覆折射率匹配膏，以降低器件反射，提高器件回波损耗。

5.如权利要求1或2所述的多芯光纤耦合器制备方法，其特征在于，步骤(4)中，采用六维调整机构与功率检测装置配合，将多芯光纤端与光纤束端对准贴合，使得第三中间件的纤芯与第一中间件的纤芯一一对准，使各纤芯探测功率最大，获得第四中间件。

6.如权利要求1或2所述的多芯光纤耦合器制备方法，其特征在于，步骤(4)中，采用熔接机与功率检测装置配合，将多芯光纤端与光纤束端对准贴合，使得第三中间件的纤芯与第一中间件的纤芯一一对准，使各纤芯探测功率最大，获得第四中间件；使用熔接机熔接第四中间件的光纤束端与多芯光纤端，完成多芯光纤耦合器制备。