CN111025476A - 一种单模光纤与多环形芯空心光纤耦合器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本专利提供的是一种单模光纤与多环形芯空心光纤耦合器及其制备方法。其特征是：它由单模光纤、多环形芯空心光纤以及介于单模光纤和多环形芯空心光纤之间的绝热转换锥区组成。所述组成中，绝热转换锥区是由多环形芯空心光纤插入与多环形芯空心光纤包层相同折射率的石英毛细管内，并在高温下拉锥而成。本发明可用于单模光纤与多环形芯空心光纤之间的光路耦合连接。可广泛用于基于多环形芯空心光纤传感器的探测光输入输出用途。

Description

一种单模光纤与多环形芯空心光纤耦合器及其制备方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种单模光纤与多环形芯空心光纤的耦合器。属于光纤技术领域。

(二)背景技术

为满足光纤通信和光纤传感的应用要求，各种特殊光纤被提出，包括无芯光纤、多包层光纤、多芯光纤、环形芯光纤等等。多环形芯空心光纤就是众多新型特殊光纤中的一种，该光纤的特点是：由N(N≥2)层高低折射率材料交替包裹形成同轴多环形芯。环形芯以内无介质填充，环形芯以外为包层。根据电磁场理论与耦合模理论可知，该种光纤的环形芯内可以存在多种传输模式，并且随着环形芯间距的减小，传输模式间会产生耦合，从而光能量在环形芯内发生转移。该特性可被用于设计制作光纤传感器、光纤滤波器等光纤器件，具有优异的应用前景。

无论是在光纤通信或是光纤传感领域的应用，光纤间的连接及光能量分配都必不可少。对于常见的单模光纤，使用熔融拉锥方法制作的光纤耦合器是一种常见的光纤间连接和光能量分配方法。对于特种光纤之间，或者特种光纤与单模光纤之间的连接与光能量分配，目前也有相关的文献和专利提出多种方法，比如：

专利申请号为201580079406.6的专利提出一种适用于多芯光纤与多芯光纤连接的光纤耦合器，该方法采用具有绝缘芯的多芯光纤将多芯光纤中每根芯与单模光纤连接。

专利申请号为201811393656.9的专利提出使用数根多包层光纤拉锥后与多芯光纤熔接，实现多芯光纤与单模光纤的低损耗连接。

专利公告号为CN 103246013B的专利提出一种具有同心圆环或部分同心圆环波导分布的Airy光纤。该光纤结构为一种多环形芯实心光纤，专利中采用单模光纤与Airy光纤的实心纤芯熔接的方式，实现光能量由单模光纤输入Airy光纤。

文献(H.Deng,C.Teng,H.Liu,M.Chen,S.Deng,R.Xu,H.Yang,and L.Yuan,"Circular Airy Beam Shaping by Annular Arrayed-Core Fiber,"Journal ofLightwave Technology 37,4844–4850(2019))中提出使用一截环形芯光纤，一端拉锥后与单模光纤熔接，另一端与Airy光纤熔接，从而实现光能量从单模光纤经环形芯光纤耦合进Airy光纤中。

在上述方法中，直接与单模光纤熔接的方式不适用于多环形芯空心光纤，通过一段环形芯光纤作为中间件进行熔接的方式，虽然可用于单模光纤和多环形芯空心光纤之间的耦合，但依然存在两点不足：一是操作步骤多，可靠性与成品率均会受影响；二是如果将环形芯光纤与多环形芯空心光纤直接熔接，光纤的空心部分在高温下变形塌陷会显著影响耦合效果。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种单模光纤与多环形芯空心光纤耦合器及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种单模光纤与多环形芯空心光纤耦合器，它由单模光纤、多环形芯空心光纤以及介于单模光纤与多环形芯空心光纤之间的绝热转换锥区组成。所述组成中，绝热转换锥区是由多环形芯空心光纤插入石英毛细管，并在高温下拉锥而成。在该锥区内，毛细管内的多环形芯空心光纤直径逐渐变细，最终空心部分完全塌陷，多环形芯部分退化成直径为8～10微米的新纤芯；包层与毛细管形成新的包层；毛细管的外直径变细至与单模光纤直径相同；多环形芯空心光纤各环形芯内传输的光能量在锥区内绝热转换至新的纤芯中传输，和单模光纤高效率匹配耦合。

所述的多环形芯空心光纤的特征为：具有N(N≥2)层高低折射率材料交替包裹形成的同轴多环形芯，多环形芯以内无介质填充，多环形芯以外为石英介质的包层。

所述的石英毛细管中间空心，内径应略大于多环形芯空心光纤外径，例如多环形芯空心光纤外径为125微米时，石英毛细管内径可选126微米，此时可轻松将多环形芯空心光纤插入石英毛细管套内。外径的选择应保证在热熔拉锥过程中，当多环形芯空心光纤的空心部分(直径d1)完全塌陷后，并且在多环形芯外径d2缩小至单模光纤纤芯直径d4时，石英毛细管外径d6能缩小到与单模光纤包层d5直径一致。因此石英毛细管的外径d6可由公式确定：d6＝(d2-d1)*d5/d4+d1。

所述的石英毛细管的折射率与多环形芯空心光纤的包层一致。在熔融拉锥过程中，石英毛细管与多环形芯空心光纤的包层形成新的包层。

所述的绝热转换锥区的长度满足绝热转换条件，保证多环形芯空心光纤环形芯内的能量在锥区内传输满足绝热转换。

所述的耦合器可以在石英毛细管上再次拉锥，以改变各层环形芯内能量相互耦合效率，实现分光比可控。

一种单模光纤与多环形芯空心光纤耦合器的制备方法，其制备步骤如下：

步骤1：根据多环形芯空心光纤与单模光纤的结构参数选择石英毛细管；

步骤2：将多环形芯空心光纤插入石英毛细管内，经过高温熔融拉锥，石英毛细管变细，在锥腰处的直径减小至和单模光纤包层直径相等，其内的多环形芯外层直径退化减小至8～10微米，和单模光纤纤芯匹配。

步骤3：在步骤2中拉制得到的锥体，从锥腰处切割；

步骤4：将步骤3中切割得到的锥体与单模光纤对准并熔接；

步骤5：通过对石英管二次熔融拉锥，实现多环形芯空心光纤中各环形芯的分光比可控。

本发明提出的单模光纤与多环形芯空心光纤耦合器的优势在于：

耦合器内熔接点两侧的光纤纤芯直径一致，确保了两侧模场相匹配，从而实现光路可逆，即：光可以从单模光纤中高效耦合到多环形芯空心光纤的各层环形芯内，也可从多环形芯空心光纤的各层环形芯高效的耦合到单模光纤中。这在利用多环形芯空心光纤实现传感应用时有重要价值。

通过计算公式获得石英毛细管外径，确保耦合器两侧熔接的光纤外径相等，从而改善了器件强度，提高了器件的稳定性和可靠性。

二次热熔拉锥过程可实现多环形芯空心光纤各层环形芯内光能量的再次分配。

(四)附图说明

图1为本发明适用的多环形型空心光纤结构示意图(a)，一种二层环形型空心光纤结构图与折射率分布图(b)，一种四层环形芯空心光纤实物图与折射率分布图(c)；

图2为本发明适用的单模光纤结构示意图；

图3为本发明适用的石英毛细管结构示意图；

图4为单模光纤与多环形型空心光纤耦合器结构示意图；

图5为单模光纤与多环形型空心光纤耦合器制备方法流程图；

图6为单模光纤与多环形型空心光纤耦合器各环形芯内光能量调整方法示意图。

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、多环形芯空心光纤，1-1、多环形芯空心光纤的包层，1-2、多环形芯空心光纤中多层环形芯部分，1-3、多环形芯空心光纤空心部分，2、单模光纤，2-1单模光纤包层，2-2单模光纤纤芯，3、石英毛细管，4、热转换锥区，5、氢氧焰，6、切割到，7、电极，8、石英毛细管上的第二锥区

(五)具体实施方式

本发明提出一种通用的单模光纤与多环形芯空心光纤耦合器及其制备方法。图1(b)为一种二层环形芯空心光纤截面及折射率分布示意图；图1(c)为一种四层环形芯空心光纤实物截面照片和折射率分布测量图。因为多环形芯的具体层数对之后的实施过程表述没有影响，所以实例中将采用图1(a)表示多环形芯空心光纤。

图2所示的是发明所用的单模光纤2；图3所示的是发明所用的毛细石英管3。图4所示的是单模光纤与多环形芯空心光纤耦合器示意图，其由多环形芯空心光纤1、单模光纤2以及两种光纤中间的绝热转换维区4组成。该绝热转换锥区4是由多环形芯空心光纤1插入一段石英毛细管3后拉锥切割而成。这里石英毛细管的几何尺寸参数需要满足以下几点条件：(1)石英毛细管3的内径应略大于多环形芯空心光纤1的尺寸，如多环形芯空心光纤2的直径为125微米时，石英毛细管内径可选126微米，以保证多环形芯空心光纤1轻松插入石英毛细管3中；(2)石英毛细管的外径由公式d6＝(d2-d1)*d5/d4+d1计算得出。

石英毛细管3除几何尺寸需要满足要求外，其折射率还需跟多环形芯空心光纤2的包层折射率一致。这样在热熔拉锥过程中，可与多环形芯空心光纤1的包层形成新的包层。

实施例2：对本发明的制备步骤进行说明。

制备步骤如图5所示：

步骤1：将多环形芯空心光纤1插入合适的石英毛细管3内，使用氢氧焰5生成高温区，使石英毛细管3软化，实现熔融拉锥，石英毛细管3变细，在锥腰处的直径减小至和单模光纤2相等时，内部空心完全塌陷，多环形芯外径退化减小到与单模光纤2纤芯直径一致。

步骤2：在步骤1拉制得到的锥体，使用切割刀6在锥腰处切割；

步骤3：在步骤2中切割得到的锥体与单模光纤2对准，采用电极7产生的高温区进行二者的熔接，制得多环形芯空心光纤耦合器。

实施例3：说明多环形芯空心光纤中各层环形芯中传输光能量的调节方法：

如图6所示，在多环形芯空心光纤耦合器的石英毛细管未形变的区域，使用氢氧焰5生成高温区，使石英毛细管软化，再次拉锥形成第二锥区8，使得各层环形芯的间隔减小，以增强环形芯之间的光能量耦合，从而实现对各层环形芯传输光能量的调节。

Claims (6)

1.一种单模光纤与多环形芯空心光纤耦合器，其特征是：它由单模光纤、多环形芯空心光纤以及介于单模光纤与多环形芯空心光纤之间的绝热转换锥区组成。所述组成中，绝热转换锥区是由多环形芯空心光纤插入石英毛细管，并在高温下拉锥而成。在锥区内，毛细管内的多环形芯空心光纤的直径逐渐变细，最终空心部分完全塌陷，多环形芯蜕化成直径为8～10微米的新纤芯，包层与毛细管结合形成新的包层，新的包层直径与单模光纤直径相等。

2.根据权利1所述的单模光纤与多环形芯空心光纤耦合器，其特征是：所连接的多环形芯空心光纤具有N(N≥2)层高低折射率材料交替包裹形成的同轴多环形芯，多环形芯以内无介质填充，多环形芯以外是石英介质的包层。

3.根据权利1所述的单模光纤与多环形芯空心光纤耦合器，其特征是：所使用的石英毛细管，折射率与多环形芯空心光纤包层一致，内径略大于多环形芯空心光纤外径，可满足多环形芯空心光纤插入，外径d6根据公式d6＝(d2-d1)*d5/d4+d1计算获得，式中d1为多环形芯空心光纤空心直径,d2为多环形芯空心光纤的环形芯外径，d4为单模光纤纤芯直径,d5为单模光纤包层直径。

4.根据权利1所述的单模光纤与多环形空心光纤耦合器，其特征是：所述的绝热转换锥区的长度满足绝热转换条件，使得多环形芯空心光纤纤芯内的能量在锥体传输满足绝热转换。

5.根据权利1所述的单模光纤与多环形空心光纤耦合器，其特征是：在石英毛细管上再次拉锥，实现多环形芯空心光纤内各环形芯的分光比可控。

6.一种单模光纤与多环形芯空心光纤耦合器的制备方法，其特征是：

步骤1：根据单模光纤与多环形芯空心光纤确定石英毛细管的内外径尺寸；

步骤2：将多环形芯空心光纤插入石英毛细管中，经过高温熔融拉锥，石英管变细，在锥腰处的直径减小至和单模光纤包层相同，内部的多环形芯空心光纤空心部分完全塌陷，多环形芯部分直径蜕化减小到8～10微米，与单模光纤纤芯匹配；

步骤3：将步骤2中得到的锥体，在锥腰处切割；

步骤4：将步骤3中切割得到的锥体与单模光纤对准并熔接；

步骤5：通过对石英毛细管二次熔融拉锥，调节多环形芯空心光纤中各层环形芯中的分光比。

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