CN110501782B - 一种大模场光子晶体光纤的低损耗、高强度熔接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于全光纤技术领域，具体为一种大模场光子晶体光纤的低损耗、高强度熔接方法。本发明方法包括：获取两种待熔接光纤，第一待熔接光纤的模场直径大于第二待熔接光纤的模场直径，第一待熔接光纤的包层直径大于第二待熔接光纤的包层直径；对第二待熔接光纤进行反向拉锥和热致扩芯混合处理，使第二待熔接光纤的模场直径和包层直径均在第一待熔接光纤的匹配范围内；将第一待熔接光纤与混合技术处理后的第二待熔接光纤进行熔接。本发明提出的熔接方法，熔接损耗超低、熔接点机械强度高，增加了大模场光子晶体光纤在实际应用过程中的可靠性。此外，本发明在熔接系统中未插入其他光学元件，操作过程简单，将推进大模场光子晶体光纤的更多实际应用。

Description

一种大模场光子晶体光纤的低损耗、高强度熔接方法

技术领域

本发明属于全光纤技术领域，具体涉及到一种大模场、大外径光子晶体光纤的熔接方法。

背景技术

大模场光子晶体光纤，其纤芯尺寸大于传统单模光纤，具有大模场面积、低非线性系数、高激光损伤阈值、无截止单模等显著优势，因此被广泛应用在高功率光纤激光器、产生与传输高功率超连续谱、生物光子学光纤成像等领域。

在涉及到大模场光子晶体光纤的实际应用中，例如，在将激光器出射的激光耦合到其中时，一种传统方法是采用自由空间耦合的方式。但是，光子晶体光纤独特的空气孔结构导致当其长期暴露在空气中时，端面结构被破坏，从而耦合效率大大降低；此外，自由空间耦合的方式减少了系统的集成度，因而整个系统一旦实现，很难在保持原有光学特性的基础上再进行移动，这给实际使用带来了众多不便。若采用另一种方法，将激光器尾纤（大多为传统单模光纤）与光子晶体光纤进行低损耗、高强度的熔接，即可解决上述问题。其中，两种光纤的熔接损耗与光纤的模场匹配程度有关，而熔接强度于光纤的包层匹配程度有关。但是，大模场光子晶体光纤和传统单模光纤之间往往存在具有明显差异的模场直径和包层直径，因此完成高质量的熔接极具挑战。例如，一种大模场光子晶体光纤LMA-25，其外径为258μm，在1550 nm波长下的模场直径约为20μm，而传统单模光纤，如SMF-28，其外径为125μm，在1550 nm波长下的模场直径约为10.4μm。

现有的已报道的针对大模场光子晶体光纤的熔接方法，主要有以下几种。D. J.J. Hu等人采用电弧放电的方式进行熔接。为了增加熔接强度提高了放电功率，导致熔接点处大模场光子晶体光纤的空气孔塌陷，因此插入损耗大大增加，约为6 dB。C.Jollivet等人利用渐变折射率多模光纤的自镜像效应，将一段长度设计好的多模光纤作为模场适配器插入到待熔接的大模场光子晶体光纤与传统单模光纤之间。这时为了提高接头处的强度，对大模场光子晶体光纤的外径做出化学侵蚀，然而侵蚀后的外径仍与传统单模光纤差别较大，导致熔接强度不高。此外，这种方法的单个熔接点损耗仍高达4 dB。专利文献CN107765368 A公开了一种空芯反谐振光纤的熔接方法，其中的空芯反谐振光纤模场同样大于传统单模光纤，但其中提到的熔接方法仅包括对传统单模光纤做热致扩芯技术的处理，从而实现两种光纤模场的匹配。专利文献EP 0366320 B1提到了采用反向拉锥的方式处理小芯径光纤，形成过渡区较短的锥形变化区域，通过此区域内单模到多模的模式转变提高与大芯径光纤的耦合效率。以上两项发明只涉及到通过小芯径光纤的光束扩展，提高两种光纤之间传输光的效率，但均未提及光纤的包层匹配及熔接强度问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种低损耗、高强度的大模场光子晶体光纤熔接方法。

本发明提供大模场光子晶体光纤熔接方法，具体步骤为：

步骤1：获取两种待熔接光纤，其中第一待熔接光纤的模场直径大于第二待熔接光纤的模场直径，第一待熔接光纤的包层直径大于第二待熔接光纤的包层直径；

步骤2：对所述第二待熔接光纤进行反向拉锥和热致扩芯混合处理，使第二待熔接光纤的模场直径和包层直径均在所述第一待熔接光纤的匹配范围内；

步骤3：将所述第一待熔接光纤与混合技术处理后的第二待熔接光纤进行熔接。

其中，步骤2之前还包括：

计算所述第一待熔接光纤的模场直径；

计算所述第二待熔接光纤经过反向拉锥，包层直径与第一待熔接光纤的包层直径匹配时对应的模场直径。

其中，步骤2包括：

设置光纤拉锥机拉锥参数，加热并反向推进所述第二待熔接光纤，在完成反向拉锥后测量第二待熔接光纤的包层直径；

通过估测包层直径的变化情况，找到所述两种待熔接光纤包层直径匹配情况最佳时，光纤拉锥机的参数。

其中，步骤2还包括：

在所述包层直径最佳匹配参数附近微调参数，并通过增加热致扩芯技术的时间，使第二待熔接光纤的模场直径扩大，并测量第二待熔接光纤与第一待熔接光纤的对准损耗；

当所述对准损耗最小时，找到所述两种待熔接光纤包层直径与模场直径匹配均为最佳时光纤拉锥机的参数。

其中，所述光纤拉锥机参数包括：

热推进距离，氢氧焰温度，加热时间，火头扫描速度及范围。

其中，步骤3还包括：

将混合处理后的第二待熔接光纤从包层最粗点切断；

将包层直径变粗的一端与所述第一待熔接光纤纤芯对准。

其中，两种光纤对准的过程包括：

将功率计连接到所述第一待熔接光纤的一端；

将波长为1550 nm的激光器连接到所述第二待熔接光纤的一端；

将所述第一待熔接光纤的另一端与第二待熔接光纤的另一端横向移动并对准，并观察移动过程中功率计的示数；

当所述功率计示数最大时，可基于预设熔接参数进行熔接。

其中，所述熔接基于的预设熔接参数包括：

基于第一待熔接光纤的纤芯和包层物理结构，调整熔接参数进行熔接；

所述熔接参数包括光纤预推距离、光纤热推距离、加热时间、加热功率、火头偏置距离。

本发明中，所述第一待熔接光纤为大模场光子晶体光纤。所述第二待熔接光纤为传统单模光纤。

本发明提出的光纤熔接方法，通过反向拉锥和热致扩芯技术混合处理待熔接传统单模光纤后，与待熔接的大模场光子晶体光纤的包层和模场均能互相匹配，所得熔接损耗超低、熔接点机械强度较高，增加了大模场光子晶体光纤在实际应用过程中的可靠性。

除此之外，本发明在熔接系统中未插入其他光学元件，操作过程简单，将推进大模场光子晶体光纤的更多实际应用。

附图说明

图1是本发明光纤熔接方法的流程图。

图2是本发明光纤熔接方法中使用的大模场光子晶体光纤与传统单模光纤在相同尺度下的横截面图。

图3是本发明光纤熔接方法中，对第二待熔接光纤进行反向拉锥技术处理，通过改变光纤拉锥机的参数，得到的不同腰区直径的光纤侧面图。

图4是本发明光纤熔接方法中，对第二待熔接光纤进行反向拉锥和热致扩芯技术混合处理后，通过改变光纤拉锥机参数，在白光光源的照射下，得到的不同模场大小的光纤端面图。

图5是使用本发明中提出的熔接方法，得到的包层匹配、模场匹配的熔接点图。

图中标号： 1-大模场光子晶体光纤，2-经反向拉锥和热致扩芯技术混合处理过的传统单模光纤。

具体实施方式

为了更清晰地表述本发明的目的和优势，以下结合附图，对本发明作进一步的详细阐述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明实施例提供的一种大模场光子晶体光纤的熔接方法流程图，包括：

步骤1：获取两种待熔接光纤，其中所述第一待熔接光纤的模场直径大于第二待熔接光纤的模场直径，第一待熔接光纤的包层直径大于第二待熔接光纤的包层直径；

步骤2：对所述第二待熔接光纤进行反向拉锥和热致扩芯混合处理，使第二待熔接光纤的模场直径和包层直径均在所述第一待熔接光纤的匹配范围内；

步骤3：将所述第一待熔接光纤与混合技术处理后的第二待熔接光纤进行熔接。

本发明实施例提出的一种基于反向拉锥和热致扩芯的混合技术、优化熔接参数的光纤熔接方法，其目的是解决大模场光子晶体光纤和传统单模光纤的包层与模场不匹配带来的熔接强度低、损耗大的问题。本发明实施例中，提供的方法实现了熔接后大模场光子晶体光纤的空气孔结构未被破坏，导光特性未变，在完成极低熔接损耗的同时，提高了熔接强度。

步骤1中，获取的第一待熔接光纤的包层直径和模场直径分别约是第二待熔接光纤对应直径的2倍。

步骤2中，反向拉锥技术是在对光纤局部高温加热的同时，对其进行压缩，得到的结构包括中间一段直径较粗的均匀腰部和两侧两个过渡，两侧的过渡连接到未经处理的光纤部分。通过这种技术处理光纤，可以得到预期的包层直径大小，且这个过程可实现极低的损耗。热致扩芯技术是对光纤局部高温加热，纤芯中掺杂的锗离子会逐渐向包层扩散，进而光纤的模场直径变大。这种技术可以在不改变包层直径的情况下，改变光纤的模场大小，且此过程也可实现极低的损耗。对第二待熔接光纤进行上述两种技术的混合处理后，其包层直径和模场直径均可有效增大，与第一待熔接光纤匹配。

基于以上步骤2的说明，可以在步骤2之前，先利用有限元分析软件仿真计算第一待熔接光纤的模场直径和第二待熔接光纤经过反向拉锥技术、包层直径与第一待熔接光纤匹配时的模场直径。经过计算，得到包层完全匹配时，第二待熔接光纤的模场直径仍偏小，于是可通过热致扩芯技术进一步增大模场。

基于以上步骤2的说明，本发明实施例在实际操作过程中，使用光纤拉锥机，通过调整光纤拉锥机的热推进距离、氢氧焰温度、加热时间、火头扫描速度及范围等参数，加热并反向推进第二待熔接光纤，经过多次实验，找到包层直径匹配时的参数。在包层匹配的基础上，增加热致扩芯技术作用在第二待熔接光纤上的时间，使其模场增大。将第二待熔接光纤从包层最粗点切断，与第一待熔接光纤置于光纤熔接机上。其中未处理过的一端连接1550 nm的激光器，粗的一端与第一待熔接光纤对准。第一待熔接光纤的另一端连接功率计，通过两种光纤的横向移动，对准光纤并记录对准功率。设置不同的热致扩芯技术作用时间，对不同的第二待熔接光纤进行上述对准功率的测量，找到对准功率最大时的拉锥机参数。

步骤3中，本发明实施例在熔接过程中，使用的光纤熔接机利用石墨加热丝组件对光纤加热。将最佳拉锥机参数下混合处理后已切断的第一待熔接光纤与第二待熔接光纤置于光纤熔接机上对准，连接激光器和功率计。基于预设熔接参数，在轴向对准距离下，横向调节光纤位置，当功率计示数最大时，基于预设熔接参数进行熔接。

步骤3中的预设熔接参数主要有：光纤预推距离、光纤热推距离、加热时间、加热功率、火头偏置距离等。考虑到待熔接的大模场光子晶体光纤中的空气孔结构，本发明实施例通过优化以上参数，限制空气孔塌陷，减小熔接损耗，同时增大熔接强度。

图2是本发明实施例中使用的两种光纤在同一尺度下的横截面图片。其中，(a)是大模场光子晶体光纤，(b)是传统单模光纤。

图3是对第二待熔接光纤进行反向拉锥技术处理，通过改变光纤拉锥机的热推进距离、氢氧焰温度、加热时间、火头扫描速度及范围等参数，得到的不同腰区直径的光纤侧面示意图。

图4是在第二待熔接光纤经过反向拉锥，与第一待熔接光纤包层匹配的基础上，调整热致扩芯技术作用在第二待熔接光纤上的时间，使其模场增大，在白光光源的照射下，得到的不同模场大小的光纤端面示意图。

图5是使用本发明中提出的熔接方法，对第一待熔接光纤和第二待熔接光纤进行熔接得到的熔接示意图。可以观察到，两种光纤的包层匹配，且第一待熔接光纤一侧未出现空气孔塌陷。

在上述实施例的基础上，所述第一待熔接光纤是大模场光子晶体光纤。

需要说明的是，第一待熔接光纤的纤芯是实芯二氧化硅，包层包括正六边形周期性排列的空气孔。

在上述实施例的基础上，所述第二待熔接光纤是传统单模光纤。

需要说明的是，本发明实施例中使用的两种待熔接光纤为其他符合步骤1中所述的其他种光纤时，均可通过此发明中的熔接方法减小熔接损耗且提高熔接强度。但优选的，本发明实施例提供的是大模场光子晶体光纤和传统单模光纤。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种大模场光子晶体光纤的低损耗、高强度熔接方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤1：获取两种待熔接光纤，其中，第一待熔接光纤的模场直径大于第二待熔接光纤的模场直径，第一待熔接光纤的包层直径大于第二待熔接光纤的包层直径；

步骤2：计算所述第一待熔接光纤的模场直径；计算所述第二待熔接光纤经过反向拉锥，包层直径与第一待熔接光纤的包层直径匹配时对应的模场直径；

对所述第二待熔接光纤进行反向拉锥和热致扩芯混合处理，使第二待熔接光纤的模场直径和包层直径均在所述第一待熔接光纤的匹配范围内；

包括：设置光纤拉锥机拉锥参数，加热并反向推进所述第二待熔接光纤，在完成反向拉锥后测量第二待熔接光纤的包层直径；

通过估测包层直径的变化情况，找到所述两种待熔接光纤包层直径匹配情况最佳时，光纤拉锥机的参数；

还包括：

在所述包层直径最佳匹配参数附近微调参数，并通过增加热致扩芯技术的时间，使第二待熔接光纤的模场直径扩大，并测量第二待熔接光纤与第一待熔接光纤的对准损耗；

当所述对准损耗最小时，找到所述两种待熔接光纤包层直径与模场直径匹配均为最佳时光纤拉锥机的参数；

所述光纤拉锥机参数包括：热推进距离，氢氧焰温度，加热时间，火头扫描速度及范围；

步骤3：将所述第一待熔接光纤与混合技术处理后的第二待熔接光纤进行熔接；

包括：将混合处理后的第二待熔接光纤从包层最粗点切断；将包层直径变粗的一端与所述第一待熔接光纤纤芯对准；

所述两种光纤对准的过程包括：

将功率计连接到所述第一待熔接光纤的一端；

将激光器连接到所述第二待熔接光纤的一端；

将所述第一待熔接光纤的另一端与第二待熔接光纤的另一端横向移动并对准，并观察移动过程中功率计的示数；

当所述功率计示数最大时，可基于预设熔接参数进行熔接；

所述熔接基于的预设熔接参数包括：

基于第一待熔接光纤的纤芯和包层物理结构，调整熔接参数进行熔接；

其中，所述熔接参数包括光纤预推距离、光纤热推距离、加热时间、加热功率、火头偏置距离；

所述第一待熔接光纤为大模场光子晶体光纤，所述第二待熔接光纤为传统单模光纤。

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