CN106772803B - 多模光纤分束器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多模光纤分束器及其制作方法，所述多模光纤分束器包括固定连接的一根输入光纤和多根输出光纤，所述输入光纤为多模光纤，所述输出光纤为单模光纤。本发明提供的多模光纤分束器中，输入端光纤用多模光纤，方便功率强度较高、M²因子较大、束腰直径尺寸较大的激光耦合进输入端光纤，达到较高的输入端激光耦合效率；输出端光纤用单模光纤，可以得到发散角小、束腰直径小，功率分布均匀的输出激光；且本发明提供的多模光纤分束器的制作方法中，输出端的单模光纤设置了去除部分外包层流程，可以减少后道拉锥工序的拉锥难度，使输出端光纤纤芯拉伸长度变小，锥度小，从而纤芯尺寸和数值孔径变化小，利于与输入端光纤的对接，提高耦合效率。

Description

多模光纤分束器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种多模光纤分束器及其制作方法。

背景技术

光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。光纤通常包括纤芯，纤芯外面包围着一层折射率比纤芯低的玻璃封套，俗称包层，包层使得光线保持在纤芯内，再外面是一层薄的塑料外套，即涂覆层，用来保护包层。

按照光在光纤中的传播模式，光纤可分为多模光纤和单模光纤。多模光纤是指能够传播多种模式光波的光纤，而单模光纤只能传输一个模式的信号波。单模和多模是相对特定波长而言的，相同的光纤在不同的波长可能是单模也可能是多模，光没有单模和多模之分。在多模光纤中，纤芯的直径是50μm和62.5μm两种， 大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的纤芯直径为8μm-10μm，常用的是9/125μm。

光纤分束器就是将一根光纤内的波长、能量、偏振等特性进行重新分配到不同光纤内的一种器件。现有的光纤分束器是建立在光纤熔融拉锥耦合理论基础上的，将两根光纤进行熔融拉锥后形成如图1和图2所示的结构，从端口1输入的光信号可以通过熔融拉锥部分从直通臂4和耦合臂3输出，从端口2输入的光信号也可以通过熔融拉锥部分从端口3和4输出。目前，1*2光纤分束器拉锥工艺技术已经比较成熟，分光比和附加损耗等参数容易控制，对于1*3单模光纤分束器，虽然工艺要比1*2分束器制作工艺复杂，但仍然可以用此工艺制作；对于1*3或以上多模光纤分束器，由于多模光纤的纤芯较粗，光纤之间的光能量相互耦合比较困难，光纤耦合后的分光比和附加损耗也很难控制，利用光纤熔融拉锥耦合技术很难实现；而在传输高光功率、分光均匀性和附加损耗以及分束后的光束质量要求高的应用场合，需要分光比高度均匀和附加损耗很小的一分多路多模光纤分束器，并且要求输出端光纤为单模光纤以保证输出多根光束质量优良的激光束。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种多模光纤分束器及其制作方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

提供一种多模光纤分束器，包括固定连接的一根输入光纤和多根输出光纤，所述输入光纤为多模光纤，所述输出光纤为单模光纤。

输入端光纤用多模光纤，方便功率强度较高、M²因子较大、束腰直径尺寸较大的激光耦合进输入端光纤，达到较高的输入端激光耦合效率；输出端光纤用单模光纤，可以得到发散角小、束腰直径小，功率分布均匀的输出激光。

本发明还提供一种多模光纤分束器的制作方法，用于制作上述的多模光纤分束器，所述方法按照如下步骤进行：

S101：将准备好的石英毛细玻璃管拉伸成中间窄两头宽的结构，使所述石英毛细玻璃管的中间位置形成锥区；

S102：将准备好的单模光纤一端的光纤涂覆层分别剥除，然后将剥除端外包层去除，至所述外包层的直径为原直径的40-60%时，用去离子水冲洗后，烘干备用；去除外包层的光纤端口为去除端；

输出端的单模光纤，将外包层去除掉一部分，可以减少后道拉锥工序的拉锥难度，使输出端光纤纤芯拉伸长度变小，锥度小，从而纤芯尺寸和数值孔径变化小，利于与输入端光纤的对接，提高耦合效率，达到由多模光纤向单模光纤分光时低附加损耗、均匀性高的特点。去除外包层的方法包括但不限于机械研磨方法、氢氟酸溶液腐蚀方法等，去除外包层的程度并不限于至原直径的40-60%，此处，去除外包层的直径至原直径的40-60%只是一个典型的范围，在有些情况下，不排除其他比例，比如去除至原直径的10%-40%，60%-80%等，这些比例均有可能，外包层具体去除多少根据实际需要而定。

S103：将所述步骤S102中得到的多根单模光纤组束，使多根所述单模光纤的去除端位于同一侧，然后将去除端插入所述步骤S101中得到的石英毛细玻璃管中，使去除端进入所述石英毛细玻璃管的锥区；优选的，使去除端进入所述石英毛细玻璃管的锥区的中间最细部分，去除端在石英毛细玻璃管的锥区的中间最细部分堆积最紧密，其它位置不如中间最细部分堆积紧密，在边缘部分会留有空隙，会影响后续耦合效率，造成激光损耗。

上述步骤S101中准备好的石英毛细玻璃管的外形尺寸是依据所用的单模光纤的数量和具体外形参数，综合后续拉制工艺要求计算得出，然后根据计算得出的尺寸要求定制的石英毛细玻璃管。上述步骤S101中拉伸过的石英毛细玻璃管的锥区内径以能够将上述的多根单模光纤的去除端放进去为准，单模光纤的数量根据实际需要设定，相应的，石英毛细玻璃管的内径根据单模光纤的数量设定。

S104：将所述步骤S103得到的石英毛细玻璃管进行二次拉伸，使所述石英毛细玻璃管的中间最细部分的外直径等于准备好的多模光纤的外包层直径直径，然后将所述石英毛细玻璃管从锥区中间最细部位切开，获取带单模光纤束的一端；

所述石英毛细玻璃管的切割位置在锥区的中间部分最合适，因为多根去除端光纤紧密堆积在锥区的中间位置，其它位置不是紧密堆积，在边缘部分留有空隙，这会影响耦合效率，造成激光较大损耗。

S105：将准备好的多模光纤的一端与激光光源连接，另一端插入光纤适配器中，把光纤端面削平整后，插入光功率计中，记下此时光功率计的显示功率值，然后将光功率计一端的多模光纤接头取下，放在一对五维光纤调整架的左手边的夹具中，夹紧夹具；

S106：将所述步骤S104中获取的带单模光纤的石英毛细玻璃管放入所述步骤S105中的五维光纤调整架的右手边的夹具中，且使所述石英毛细玻璃管的切割端与所述步骤S105中的多模光纤的自由端相对，并使两端面对齐，然后用熔接系统加热，使两端面熔接。

所述石英毛细玻璃管的切割端与所述步骤S105中的多模光纤的自由端相对时，所述单模光纤端的多根单模光纤依次插入与输出端光纤数目相等的多只光功率计中，在显微镜下对调调整架的相对位置，使石英毛细玻璃管的切割端与所述步骤S105中的多模光纤的自由端对齐，对齐时，在同一位置所有光功率计上显示的多路出射光功率皆达到最大值；即：在此位置时，所有出光端光纤通过光功率计读取的功率值均最大，稍微偏移此位置时总有一根或多根光纤输出功率值变小。然后用氢氧焰小火头高温熔接系统或其他熔接系统，如环形电阻丝加热系统、多电极加热系统、激光加热系统等加热上述对齐的两端，轻微手动调节一对五维调整架的左右旋钮使其向中间靠拢，在火焰中心处相接触，观看光功率计读数，达到最小损耗值时，撤去熔接系统的加热源，完成熔接。其中，功率达到最小损耗值通过各功率计读数判断：所有输出端口的输出功率之和与输入端口输入功率的比值最接近1，此时光功率利用率最高，即损耗值最小。

优选的，所述步骤S103中，将所述多根单模光纤的去除端蘸取酒精后插入所述步骤S101中得到的石英毛细玻璃管中，使去除端进入所述石英毛细玻璃管的锥区。酒精对单模光纤的去除端起到润滑作用，有利于单模光纤的去除端顺利进入石英毛细玻璃管的锥区中，且酒精容易挥发，一段时间后去除端的酒精挥发掉，不会对后续步骤产生影响。

优选的，所述步骤S106中，所述石英毛细玻璃管的切割端与所述步骤S105中的多模光纤的自由端对齐时，多个单模光纤的出射光功率皆达到最大值。

优选的，所述步骤S106中，两端面熔接时，所述单模光纤的损耗值最小。

优选的，所述方法还包括如下步骤：

S107：将石英槽放在拉锥机的自动封装架上，点击封装阀，将封装架移动到熔接处的正下方并让熔接点处于石英槽的中间部位；上移封装架使石英槽包住熔接处，石英槽两边点上热固化胶；加热使两边的胶固化，然后在出光端的玻璃管末端点上软胶以保护出光端光纤；

S108：从封装架上取下产品，穿上一只较粗的石英玻璃管，包住石英槽，两边用紫外胶固化，固化后的玻璃管外面再套上一只钢管，两端密封；或把玻璃管放在导热性能优良的铝合金盒子里面密封。

本发明实施例提供的技术方案可以包含以下有益效果：

本发明提供一种多模光纤分束器及其制作方法，所述多模光纤分束器包括固定连接的一根输入光纤和多根输出光纤，所述输入光纤为多模光纤，所述输出光纤为单模光纤。本发明提供的多模光纤分束器中，输入端光纤用多模光纤，方便功率强度较高、M²因子较大、束腰直径尺寸较大的激光耦合进输入端光纤，达到较高的输入端激光耦合效率；输出端光纤用单模光纤，可以得到发散角小、束腰直径小，功率分布均匀的输出激光；且本发明提供的多模光纤分束器的制作方法中，输出端的单模光纤设置了去除部分外包层流程，可以减少后道拉锥工序的拉锥难度，使输出端光纤纤芯拉伸长度变小，锥度小，从而纤芯尺寸和数值孔径变化小，利于与输入端光纤的对接，提高耦合效率。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见的，对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中两根光纤进行熔融拉锥后的结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为本发明实施例提供的一种石英毛细玻璃管的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的一种石英毛细玻璃管拉伸后的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的一种单模光纤的结构示意图。

图6为本发明实施例提供的一种单模光纤外包层做部分去除后的结构示意图。

图7为本发明实施例提供的一种单模光纤去除端进入石英毛细玻璃管的锥区的结构示意图。

图8为图7的B-B截面示意图。

图9为本发明实施例提供的一种石英毛细玻璃管二次拉伸后的机构示意图。

图10为图9的C-C截面示意图。

图11为切割后获得的石英毛细玻璃管的结构示意图。

图12为多模光纤的结构示意图。

图13为多模光纤与穿进石英毛细玻璃管的单模光纤对准熔接前的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案,下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明实施例提供一种多模光纤分束器，包括固定连接的一根输入光纤和三根输出光纤，所述输入光纤为一根芯径为50微米的OM3多模光纤，所述输出光纤为三根G.652D单模光纤单模光纤。

输入端光纤用OM3多模光纤，方便功率强度较高、M²因子较大、束腰直径尺寸较大的激光耦合进输入端光纤，达到较高的输入端激光耦合效率；输出端光纤用单模光纤，可以得到发散角小、束腰直径小，功率分布均匀的输出激光。

本实施例还提供一种多模光纤分束器的制作方法，用于制作上述的多模光纤分束器，所述方法按照如下步骤进行：

S101：准备一根如图3所示的石英毛细玻璃管，如图3所示，内径为0.55mm，外径为1.375mm，长度为60mm；然后将准备好的石英毛细玻璃管在光纤熔融拉锥机器上拉伸成中间窄两头宽的结构，使所述石英毛细玻璃管的中间位置形成锥区，如图4所示，拉伸后的石英毛细玻璃管的锥区内径为0.13mm，外径为0.33mm。

S102：准备三根康宁G.652D单模光纤，如图5所示，单模光纤的芯径为0.01mm，外包层直径为0.125mm，用剥纤钳分别剥除三根单模光纤一端的光纤涂覆层，剥除长度为50mm，擦拭干净后放入浓度为15%的氢氟酸溶液中进行腐蚀，使光纤的外包层半径由0.0625毫米变为0.03毫米时取出光纤，如图6所示；然后用去离子水进行冲洗，洗去表面的氢氟酸溶液残留，烘干后备用；本实施例的浓度是采用的一个典型浓度，在本发明的其他实施例中，所述氢氟酸溶液还可以有不同浓度，其他浓度也可以完成本步骤，只是腐蚀速度有差异。

S103：将所述步骤S102中腐蚀后的三根单模光纤呈“品”字型组束，使三根所述单模光纤的去除端位于同一侧，用腐蚀后的尾端光纤蘸取酒精润滑，缓缓地插入上述步骤S101中第一次拉制后的石英毛细玻璃管中，使去除端进入所述石英毛细玻璃管的锥区的中间最细部分，如图7所示，待光纤表面的酒精挥发完毕后备用；其截面结构如图8所示。

本实施例中，如图8所示，单模光纤数量为三根且呈“品”字型组束进入所述石英毛细玻璃管的锥区时，所述石英毛细玻璃管经一次拉伸后，毛细玻璃管内直径等于腐蚀后的去除端光纤直径的(1+cos30°)/cos30°倍。在本发明的其他实施例中，若单模光纤数量为三根且呈“品”字型组束进入所述石英毛细玻璃管的锥区时，所述石英毛细玻璃管经一次拉伸后，毛细玻璃管内直径可以是大于腐蚀后的去除端光纤直径的(1+cos30°)/cos30°倍，以利于单模光纤顺利进入石英毛细玻璃管的锥区。

S104：在与所述步骤S101中的同种型号拉锥机上对所述步骤S103得到的穿入光纤的石英毛细玻璃管进行二次拉伸，使石英毛细玻璃管的中间最细部分的外直径等于准备好的多模光纤的外包层直径，即石英毛细玻璃管的中间最细部分的外直径拉伸为125微米，其内直径正好为50微米，拉伸后的结构如图9和图10所示，石英毛细玻璃管的内半径为0.025mm，外半径为0.0625mm，三根单模光纤的腐蚀端半径均为0.0115mm；然后用红宝石切割刀将二次拉伸后的石英毛细玻璃管在锥区的中间位置进行切割，获取带单模光纤的一端；切割后的形状如图11所示。本实施例切割位置在锥区中间部分：此时的三根去除端光纤呈“品”字形紧密堆积在锥区的中间位置。其它位置不是紧密堆积，在边缘部分留有空隙，会影响耦合效率，造成激光较大损耗。

S105：取一段芯径为50微米的OM3多模光纤，如图12所示，多模光纤的芯径为0.05mm，外包层直径为0.125mm，将上述准备好的多模光纤的一端与激光光源连接，另一端插入光纤适配器中并用削纤笔把光纤端面削平整后，插入光功率计中，记下此时光功率计的显示功率值；然后拔下光功率计这端的多模光纤接头，用切刀把光纤端面切平整，放在一对五维光纤调整架的左手边的夹具中，夹紧夹具。

S106：将所述步骤S104中获取的带单模光纤的石英毛细玻璃管放入所述步骤S105中的五维光纤调整架的右手边的夹具中，所述石英毛细玻璃管的切割端与所述步骤S105中的多模光纤的自由端相对，所述石英毛细玻璃管的另一端的三根单模光纤依次插入光功率计中；在显微镜下，对调调整架的相对位置，使两端面对齐：对齐时在同一位置光功率计上显示的三路出射光功率皆达到最大值，即：在此位置时，所有出光端光纤通过光功率计读取的功率值均最大，稍微偏移此位置时总有一根或多根光纤输出功率值变小。两端面对齐时的结构如图13所示；然后用氢氧焰小火头高温熔接系统加热上述对其的两端面，轻微手动调节一对五维调整架的左右旋钮使其向中间靠拢，在火焰中心处相接触，观看光功率计读数，达到最小损耗值时，撤去氢氧焰小火头，完成熔接；最小损耗值通过各功率计读数判断：所有输出端口的输出功率之和与输入端口输入功率的比值最接近1，此时光功率利用率最高，即损耗值最小。或者遵从客户定制技术指标判断，达到客户的要求即可。在本发明的其他实施例中，所述熔接系统还可以采用环形电阻丝加热系统、多电极加热系统、激光加热系统等加热上述对齐的两端面，光功率计读数达到最小损耗值时，撤去熔接系统的加热源，完成熔接。

S107：将石英槽放在自动封装架上，点击封装阀，将封装架移动到熔接处的正下方并让熔接点处于石英槽的中间部位；上移封装架使石英槽包住熔接处，石英槽两边点上热固化胶；加热使两边的胶固化，然后在出光端的玻璃管末端点上软胶以保护出光端光纤；

S108：从封装架上取下产品，穿上一只较粗的石英玻璃管，包住石英槽，两边用紫外胶固化，固化后的玻璃管外面再套上一只钢管，两端密封；或把玻璃管放在导热性能优良的铝合金盒子里面密封。

S109：产品检测：用合适波长和功率强度的光源做分光均匀性、分光效率和最大承受光功率的检测，对符合要求的产品包装、入库。

本实施例中，输入端光纤用OM3多模光纤，方便功率强度较高、M2因子较大、束腰直径尺寸较大的激光耦合进输入端光纤，达到较高的输入端激光耦合效率；输出端用单模光纤，可以得到发散角小、束腰直径小，功率分布均匀的输出激光；输出端光纤增加了腐蚀流程，可以减少后道拉锥工序的拉锥难度，使输出端光纤纤芯拉伸长度变小，锥度小，从而纤芯尺寸和数值孔径变化小，利于与输入端光纤的对接，提高耦合效率。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，所述步骤S102中，使用浓度为20%的氢氟酸溶液腐蚀单模光纤的外包层，使光纤的外包层半径由0.0625毫米变为0.025毫米，即使外包层直径为原直径的40%，其余和实施例1均相同，此处不再赘述。

实施例3

本实施例和实施例1的不同之处在于，所述步骤S102中采用机械研磨方法使单模光纤的外包层半径由0.0625毫米变为0.0375毫米，即使外包层直径为原直径的60%，相应的，所述步骤S101中，拉伸后的石英毛细玻璃管的锥区内径为0.17mm，外径为0.44mm，其余和实施例1均相同，此处不再赘述。

在本发明的其他实施例中，所述入射端的多模光纤可以换成其他类型的多模光纤，如105/125，200/220等型号的多模光纤；单模光纤可以换为其他类型的单模或多模光纤，可视输入端光纤类型而定；且输出端光纤数目可以更大：如7根、19根、37根等，当输出端光纤数目不同时，一次拉伸后的石英毛细玻璃管的内直径应能够放进去目标根数的输出端光纤，以刚好能放进去为最佳。

本发明制作的产品反向使用时，可作为单模或多模光纤合束器使用。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (5)

1.一种多模光纤分束器的制作方法，用于制作多模光纤分束器，其特征在于，所述方法按照如下步骤进行：

S101：将准备好的石英毛细玻璃管拉伸成中间窄两头宽的结构，使所述石英毛细玻璃管的中间位置形成锥区；

S102：将准备好的单模光纤一端的光纤涂覆层分别剥除，然后将剥除端外包层去除，至所述外包层的直径为原直径的40-60％时，用去离子水冲洗后，烘干备用；去除外包层的光纤端口称为去除端；

S103：将所述步骤S102中得到的多根单模光纤组束，使多根所述单模光纤的去除端位于同一侧，然后将去除端插入所述步骤S101中得到的石英毛细玻璃管中，使去除端进入所述石英毛细玻璃管的锥区；

S104：将所述步骤S103得到的石英毛细玻璃管进行二次拉伸，使所述石英毛细玻璃管的中间最细部分的外直径等于准备好的多模光纤的外包层直径，然后将所述石英毛细玻璃管从锥区切开，获取带单模光纤的一端；

S105：将准备好的多模光纤的一端与激光光源连接，另一端插入光纤适配器中，把光纤端面削平整后，插入光功率计中，记下此时光功率计的显示功率值，然后将光功率计一端的多模光纤接头取下，放在一对五维光纤调整架的左手边的夹具中，夹紧夹具；

S106：将所述步骤S104中获取的带单模光纤的石英毛细玻璃管放入所述步骤S105中的五维光纤调整架的右手边的夹具中，且使所述石英毛细玻璃管的切割端与所述步骤S105中的多模光纤的自由端相对，并使两端面对齐，然后用熔接系统加热，使两端面熔接。

2.根据权利要求1所述的多模光纤分束器的制作方法，其特征在于，所述步骤S103中，将所述多根单模光纤的去除端蘸取酒精后插入所述步骤S101中得到的石英毛细玻璃管中，使去除端进入所述石英毛细玻璃管的锥区。

3.根据权利要求2所述的多模光纤分束器的制作方法，其特征在于，所述步骤S106中，所述石英毛细玻璃管的切割端与所述步骤S105中的多模光纤的自由端对齐时，在同一位置多个单模光纤的出射光功率皆达到最大值。

4.根据权利要求3所述的多模光纤分束器的制作方法，其特征在于，所述步骤S106中，两端面熔接时，所述单模光纤的损耗值最小。

5.根据权利要求1-4任一项所述的多模光纤分束器的制作方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

S107：将石英槽放在拉锥机的自动封装架上，点击“封装阀”，将封装架移动到熔接处的正下方并让熔接点处于石英槽的中间部位；上移封装架使石英槽包住熔接处，石英槽两边点上热固化胶；加热使两边的胶固化，然后在出光端的玻璃管末端点上软胶以保护出光端光纤；

S108：从封装架上取下产品，穿上一只较粗的石英玻璃管，包住石英槽，两边用紫外胶固化，固化后的玻璃管外面再套上一只钢管，两端密封；或把玻璃管放在导热性能优良的铝合金盒子里面密封。