CN110412687B - 从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构及其制备方法 - Google Patents

从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构及其制备方法，结构包括大芯径空芯光纤与单模光纤，大芯径空芯光纤包括空芯光纤包层与空芯光纤纤芯，单模光纤的一端设有光纤腐蚀段，光纤腐蚀段部分卡接于空芯光纤纤芯中，在空芯光纤纤芯内，光纤腐蚀段的端头连接有耦合光纤，耦合光纤包括依次连接的圆球形汇光部及连接部，连接部设置于光纤腐蚀段的端头。制备方法的步骤包括熔接、平移、烧断、成球及插入。本发明的目的是解决目前从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合时耦合效率不高的技术问题。

Description

从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构及其制备方法
技术领域
本发明属于光纤领域，更具体地，涉及一种从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构及其制备方法。
背景技术
在空芯光纤(HCF)的大多数应用系统中，通常不可避免地涉及到将HCF与传统单模光纤(SMF)耦合的问题，耦合的传输效率是最重要的。为了尽量减少损耗，除了选择不适合集成设计的自由空间耦合外，熔接是HCF/SMF耦合中最常用的方法之一。
目前广泛研究的反谐振HCF，为了达到较低的损耗，其纤芯直径一般都在40～100μm范围内，而SMF模场直径小于10μm，大芯径空芯光纤与实芯光纤的耦合中，通过结构坍塌技术或过渡光纤等原始熔接技术，很难实现相差10倍的模场直径匹配。
有学者提出将SMF腐蚀后插入纤芯直径20μm的HCF的方法，当单模光纤尖端的发散角小于空芯光纤的数值孔径角，则来自单模光纤尖端的所有光将被收集并约束在空芯光纤内。但在实际情况中，能量损失主要发生在从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合点，目前已报导的文献中并未研究从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合效率提升。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构及其制备方法，其目的在于由此解决目前从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合时耦合效率不高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构，包括大芯径空芯光纤与单模光纤，所述大芯径空芯光纤包括空芯光纤包层与空芯光纤纤芯，所述单模光纤的一端设有光纤腐蚀段，所述光纤腐蚀段部分卡接于所述空芯光纤纤芯中，在所述空芯光纤纤芯内，所述光纤腐蚀段的端头连接有耦合光纤，所述耦合光纤包括依次连接的圆球形汇光部及连接部，所述连接部设置于所述光纤腐蚀段的端头。
优选地，所述汇光部的材料为二氧化硅，其不圆度小于5％。
优选地，所述连接部的材料为二氧化硅，所述连接部的直径与所述汇光部的直径之比不大于1/3。
优选地，所述汇光部的球心与所述光纤腐蚀段端面之间的距离为L，所述L与所述汇光部的直径之比为0.8～1.2。
优选地，所述单模光纤的数值孔径为0.12～0.22。
优选地，所述空芯光纤纤芯直径为20μm～200μm。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(a)熔接：拉伸一纯硅光纤，切割，获得所需目标直径的耦合光纤中间部件，将一单模光纤一端腐蚀，使得所述单模光纤的一端形成光纤腐蚀段；
将热源放置于所述耦合光纤中间部件与光纤腐蚀段相连接的部位对其进行熔接，使耦合光纤中间部件与单模光纤连接起来；
(b)平移：保持热源不动，将所述耦合光纤中间部件与单模光纤朝单模光纤方向平移，使热源到达所述耦合光纤中间部件的中间部分以将所述耦合光纤中间部件分为两部分，即为靠近单模光纤部分与远离单模光纤部分；
(c)烧断：采用热源对所述耦合光纤中间部件进行加热，加热过程中，保持单模光纤与所述热源位置不动，夹持所述耦合光纤中间部件的远离单模光纤部分朝远离单模光纤方向移动，使所述靠近单模光纤部分与远离单模光纤部分分离；
(d)成球：继续加热所述耦合光纤中间部件，夹持单模光纤朝所述热源方向缓慢移动，移动的同时旋转所述耦合光纤中间部件的靠近单模光纤部分，使所述靠近单模光纤部分靠近热源的一端在表面张力作用下形成圆球形的汇光部，远离热源的一端形成连接部；所述汇光部与所述连接部构成耦合光纤；
(e)插入：将所述耦合光纤与部分所述单模光纤的光纤腐蚀段插入空芯光纤纤芯内，以使所述光纤腐蚀段卡接于所述空芯光纤纤芯中。
优选地，所述步骤(a)中，熔接时采用热区偏移的方式，热区向单模光纤方向偏0μm～30μm。
优选地，所述耦合光纤中间部件的直径与汇光部的直径之比不大于1/3；在拉伸纯硅光纤之前，先获取所需汇光部的直径。
优选地，所述步骤(b)中，平移后所述耦合光纤中间部件与光纤腐蚀段的连接部位与所述热源间的距离为所需汇光部直径的2～6倍。
本发明的制备方法可以基于特种光纤熔接机，优选的，基于二氧化碳激光熔接加工平台LZM 100。所有加热与移动控制可由程序控制自动运行，操作难度低。
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)本发明提出一种从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构，包括大芯径空芯光纤与单模光纤，单模光纤的一端设有光纤腐蚀段，光纤腐蚀段的端头连接有由连接部与圆球形的汇光部组成的耦合光纤，耦合光纤与部分光纤腐蚀段插接于空芯光纤纤芯内，通过这种结构，从大芯径空芯光纤入射到圆球形汇光部上的光，通过汇光部汇聚到单模光纤纤芯中，提高了耦合效率。
(2)本发明还提供一种从大芯径空芯光纤向单模光纤的耦合结构的制备方法，制作工艺简单，可批量生产。
附图说明
图1是本发明提供的从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构示意图；
图2是本发明提供的从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构的制备方法流程示意图；
图3是本发明制备完成后的结构在显微镜下的示意图；
图4是本发明提供的对比例结构示意图；
图5是不同L值与不同参数的单模光纤对耦合效率的影响；
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-空芯光纤纤芯；2-空芯光纤包层；3-汇光部；4-连接部；5-单模光纤；51-光纤腐蚀段；52-光纤未腐蚀段；6-耦合光纤中间部件；7-热区；8-热源。
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。
实施例1
如图1所示，一种从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构，包括大芯径空芯光纤与单模光纤5，大芯径空芯光纤包括空芯光纤包层2与空芯光纤纤芯1，大芯径空芯光纤为反谐振空芯光纤，空芯光纤纤芯1直径为110μm，空芯光纤包层2直径为400μm。单模光纤5的数值孔径NA为0.22，纤芯直径为9μm，包层直径125μm。单模光纤5一端设有光纤腐蚀段51，光纤腐蚀段51部分卡接于空芯光纤纤芯1中，在空芯光纤纤芯1内，光纤腐蚀段51的端头连接有耦合光纤，耦合光纤包括依次连接的圆球形汇光部3及连接部4，连接部4设置于光纤腐蚀段51的端头。光纤未腐蚀段52位于空心光纤纤芯1之外，光纤腐蚀段51与光纤未腐蚀段52共同构成单模光纤5。其中，汇光部3材料为二氧化硅，直径为110μm，其不圆度为3％，连接部4直径为30μm，连接部4直径与汇光部3直径之比约为0.27；汇光部3的球心与光纤腐蚀段51端面的距离L与汇光部3的直径之比为1，L为110μm。通过这种结构，从大芯径空芯光纤入射到圆球形汇光部上的光，通过汇光部汇聚到单模光纤纤芯中，提高了耦合效率。
本发明还通过理论计算模拟了不同L值与不同参数的单模光纤对耦合效率的影响，如图5所示。其中，单模光纤1的结构参数为NA＝0.12，纤芯直径9μm；单模光纤2的结构参数为NA＝0.14，纤芯直径9μm；单模光纤3的结构参数为NA＝0.16，纤芯直径9μm；单模光纤4的结构参数为NA＝0.18，纤芯直径9μm；单模光纤5的结构参数为NA＝0.22，纤芯直径9μm；单模光纤6的结构参数为NA＝0.22，纤芯直径6μm；单模光纤7的结构参数为NA＝0.22，纤芯直径3μm。由图可知，耦合效率随着L的增加呈现先增大后减小的趋势，当L在110μm附近时，可获得最高的耦合效率。此外，选择不同数值孔径的单模光纤，最终耦合效率也不同，见图5，对于单模光纤1、2、3、4、5，纤芯直径相同，仅改变单模光纤的数值孔径，耦合效率随着单模光纤数值孔径的提高而增加，数值孔径NA决定了耦合效率的上限，对于单模光纤5，NA为0.22，耦合效率最高，可达46％。不同纤芯直径的单模光纤对耦合效率的影响见图5，对于单模光纤5、6、7，单模光纤的数值孔径NA相同，仅改变单模光纤的纤芯直径，对可达到的最高耦合效率影响不大，主要影响的是L的取值，为提高操作容错性，可适当增加单模光纤的纤芯直径。
对比例
本发明提供一个对比例，如图4所示。该对比例与本实施例的不同之处在于，不包括耦合光纤结构。由于大芯径空芯光纤与单模光纤纤芯尺寸相差巨大，通过理论计算，耦合效率仅为3.2％。
本实施例1制备的结构的耦合效率可达40％以上，相比对比例，耦合效率提升了10倍以上。
实施例2
如图2所示，一种从大芯径空芯光纤向单模光纤的耦合结构的制备方法及通过该方法得到的结构，该方法基于二氧化碳激光熔接加工平台LZM 100，主要步骤为：(a)熔接，(b)平移，(c)烧断，(d)成球，(e)插入。
步骤(a)熔接包括，使用外径125μm的纯硅光纤，在LZM 100上拉伸成直径为30μm的耦合光纤中间部件6，并切割；将一单模光纤5一端通过40％HF溶液浸泡腐蚀6min，并在腐蚀段切割，使得单模光纤5的一端形成光纤腐蚀段51；其中，单模光纤的数值孔径为0.22，纤芯直径为9μm，包层直径125μm。将热源8放置于耦合光纤中间部件6与光纤腐蚀段51相连接的部位对其进行熔接，使耦合光纤中间部件6与单模光纤5连接起来，熔接时采用热区偏移的方式，热区7向单模光纤方向偏10μm。
步骤(b)平移包括，保持热源8不动，将耦合光纤中间部件6与单模光纤5朝单模光纤方向平移，使热源8到达耦合光纤中间部件6的中间部分以将耦合光纤中间部件分为两部分，即为靠近单模光纤部分与远离单模光纤部分；平移过程保持单模光纤5与耦合光纤中间部件6两端相对固定，平移距离为330μm，平移后耦合光纤中间部件6与光纤腐蚀段51的连接部位与热源8间的距离为所需汇光部直径的3倍。
步骤(c)烧断包括，采用热源8对耦合光纤中间部件6进行加热，加热过程中，保持单模光纤5与热源8位置不动，夹持耦合光纤中间部件6的远离单模光纤部分朝远离单模光纤方向移动，使靠近单模光纤部分与远离单模光纤部分分离。
步骤(d)成球包括，继续加热耦合光纤中间部件6，夹持单模光纤5朝热源8方向缓慢移动，移动的同时旋转耦合光纤中间部件6的靠近单模光纤部分，使靠近单模光纤部分靠近热源8的一端在表面张力作用下形成圆球形的汇光部3，远离热源8的一端形成连接部4；汇光部3与连接部4构成耦合光纤。其中，夹持单模光纤5朝热源8方向移动速度为0.01μm/ms，耦合光纤中间部件6的靠近单模光纤部分的旋转速度为0.150°/ms，加热时间为28000ms左右。
步骤(e)插入包括，将耦合光纤与部分单模光纤的光纤腐蚀段51插入空芯光纤纤芯1内，以使光纤腐蚀段51卡接于空芯光纤纤芯1中，空芯光纤纤芯1直径为110μm。考虑到准确度，可以通过准直设备与大芯径空芯光纤准直后，再将连接有耦合光纤的单模光纤插入空芯光纤纤芯中。该制作方法简单，可批量生产。
本实施例制备的结构在显微镜下的结果如图3所示，圆球形汇光部直径为110μm，连接部直径为30μm，汇光部球心与光纤腐蚀段51端面的距离L为110μm。
实施例3
一种从大芯径空芯光纤向单模光纤的耦合结构的制备方法及通过该方法得到的结构，该实施例3与实施例2的不同之处在于：
步骤(a)，使用外径125μm的纯硅光纤，在LZM 100上拉伸成直径为5μm的耦合光纤中间部件6，单模光纤的数值孔径为0.12。
步骤(b)平移，平移后耦合光纤中间部件6与光纤腐蚀段51的连接部位与热源8间的距离为所需汇光部直径的2倍。
形成的圆球形汇光部直径为20μm，连接部直径为5μm，汇光部球心与光纤腐蚀段51端面的距离L为16μm。空芯光纤纤芯1直径为20μm。
实施例4
一种从大芯径空芯光纤向单模光纤的耦合结构的制备方法及通过该方法得到的结构，该实施例4与实施例2的不同之处在于：
步骤(a)，使用外径125μm的纯硅光纤，在LZM 100上拉伸成直径为50μm的耦合光纤中间部件6，单模光纤的数值孔径为0.12。
步骤(b)平移，平移后耦合光纤中间部件6与光纤腐蚀段51的连接部位与热源8间的距离为所需汇光部直径的6倍。
形成的圆球形汇光部直径为200μm，连接部直径为50μm，汇光部球心与光纤腐蚀段51端面的距离L为240μm。空芯光纤纤芯1直径为200μm。
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 (10)

1.一种从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构，包括大芯径空芯光纤与单模光纤，所述大芯径空芯光纤包括空芯光纤包层与空芯光纤纤芯，其特征在于，所述单模光纤的一端设有光纤腐蚀段，所述光纤腐蚀段部分卡接于所述空芯光纤纤芯中，在所述空芯光纤纤芯内，所述光纤腐蚀段的端头连接有耦合光纤，所述耦合光纤包括依次连接的圆球形汇光部及连接部，所述连接部设置于所述光纤腐蚀段的端头；所述连接部的直径与所述汇光部的直径之比不大于1/3。
2.如权利要求1所述的从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构，其特征在于，所述汇光部的材料为二氧化硅，其不圆度小于5％。
3.如权利要求1所述的从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构，其特征在于，所述连接部的材料为二氧化硅。
4.如权利要求1所述的从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构，其特征在于，所述汇光部的球心与所述光纤腐蚀段端面之间的距离为L，所述L与所述汇光部的直径之比为0.8～1.2。
5.如权利要求1所述的从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构，其特征在于，所述单模光纤的数值孔径为0.12～0.22。
6.如权利要求1所述的从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构，其特征在于，所述空芯光纤纤芯直径为20μm～200μm。
7.一种如权利要求1～6中任一项所述的从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(a)熔接：拉伸一纯硅光纤，切割，获得所需目标直径的耦合光纤中间部件，将一单模光纤一端腐蚀，使得所述单模光纤的一端形成光纤腐蚀段；
将热源放置于所述耦合光纤中间部件与光纤腐蚀段相连接的部位对其进行熔接，使耦合光纤中间部件与单模光纤连接起来；
(b)平移：保持热源不动，将所述耦合光纤中间部件与单模光纤朝单模光纤方向平移，使热源到达所述耦合光纤中间部件的中间部分以将所述耦合光纤中间部件分为两部分，即为靠近单模光纤部分与远离单模光纤部分；
(c)烧断：采用热源对所述耦合光纤中间部件进行加热，加热过程中，保持单模光纤与所述热源位置不动，夹持所述耦合光纤中间部件的远离单模光纤部分朝远离单模光纤方向移动，使所述靠近单模光纤部分与远离单模光纤部分分离；
(d)成球：继续加热所述耦合光纤中间部件，夹持单模光纤朝所述热源方向缓慢移动，移动的同时旋转所述耦合光纤中间部件的靠近单模光纤部分，使所述靠近单模光纤部分靠近热源的一端在表面张力作用下形成圆球形的汇光部，远离热源的一端形成连接部；所述汇光部与所述连接部构成耦合光纤；所述连接部的直径与所述汇光部的直径之比不大于1/3；
(e)插入：将所述耦合光纤与部分所述单模光纤的光纤腐蚀段插入空芯光纤纤芯内，以使所述光纤腐蚀段卡接于所述空芯光纤纤芯中。
8.如权利要求7所述的从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中，熔接时采用热区偏移的方式，热区向单模光纤方向偏0μm～30μm。
9.如权利要求7所述的从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构的制备方法，其特征在于，所述耦合光纤中间部件的直径与汇光部的直径之比不大于1/3；在拉伸纯硅光纤之前，先获取所需汇光部的直径。
10.如权利要求9所述的从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(b)中，平移后所述耦合光纤中间部件与光纤腐蚀段的连接部位与所述热源间的距离为所需汇光部直径的2～6倍。
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