CN111045153A - 一种低损耗的单模光纤与环形芯光纤耦合器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种低损耗的单模光纤与环形芯光纤耦合器及制备方法。其特征是：将一根环形芯光纤插入到一种低折射率管中，再对插入段进行熔融拉锥，形成一个绝热锥区，其中，低折射率管外径缩小成为新的包层，插入低折射率管中的环形芯光纤直径变小成为新的纤芯，形成新的“纤芯‑包层”结构，在锥腰处进行切割，再将其与单模光纤进行熔接，制成一种低损耗的单模光纤与环形芯光纤耦合器，单模光纤中传输的光场能在锥区绝热转换至新的纤芯中传输。本发明可用于环形芯与单模光纤的低损耗耦合。

Description

一种低损耗的单模光纤与环形芯光纤耦合器及制备方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种低损耗单模光纤与环形芯光纤耦合器及制备方法，可用于单模光纤与环形芯光纤的耦合，属于光纤技术领域。

(二)背景技术

光纤定向耦合器是一种实现光信号功率在不同光纤间的分配或组合的光器件，可实现信号分路/合路，或用于延长光纤链路，在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都有大量应用。

光纤定向耦合器的制造工艺有三类：磨抛法、腐蚀法和熔锥法。磨抛法是把裸光纤按一定曲率固定在开槽的石英基片上，再进行光学研磨、抛光，以除去一部分包层，然后把两块这种磨抛好的裸光纤拼接在一起，利用两光纤之间的模场耦合以构成定向耦合器。这种方法的缺点是器件的热稳定性和机械稳定性差。腐蚀法是用化学方法把一段裸光纤包层腐蚀掉，再把两根已腐蚀后的光纤扭绞在一起、构成光纤耦合器。其缺点是工艺的一致性较差、且损耗大，热稳定性差。熔锥法是把两根裸光纤靠在一起，在高温火焰中加热使之熔化，同时在光纤两端拉伸光纤，使光纤熔融区成为锥形过渡段，从而构成耦合器。用这种方法可构成光纤滤波器、波分复用器、光纤偏振器、偏振耦合器等。目前国内外普遍采用的熔融拉锥工艺基本步骤是把已除去保护套的两根或多根裸光纤并排安装在调节架上井施加适当的力，再用火焰加热，到光纤软化时一边继续加热一边拉伸光纤，同时用光纤功率计监测两输出端的光功率比，直到耦合比符合要求时停止加热，进行成品封装。上述光纤耦合器及其制作技术均涉及到两根或两根以上光纤并行耦合实现不同光纤之间的光波耦合。就以往的耦合技术而言，已有大量的技术专利和技术论文公开发表。例如专利申请号201610328915.4的拉锥自组装法：这种光纤耦合器制备方法，需要对光纤进行腐蚀处理，整个过程的加工难度大，损耗不易控控。

专利号为CN100456066C的专利提出了一种单芯光纤与多芯光纤耦合器及其融接拉锥耦合方法，该方法将两种光纤简单地熔接在一起，然后进行拉锥，来实行光纤之间的耦合。其过程中至少存在如下问题：(1)器件脆弱，其拉锥后的锥区及其细微，所以非常脆弱；(2)锥区结构难以控制，影响耦合效果，两种光纤的熔点不同，所以在拉锥的过程中，难以控制温度使锥区对称。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种低损耗的单模光纤与环形芯光纤耦合器及制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种低损耗的单模光纤与环形芯光纤耦合器，它是通过将一根将环形芯光纤插入到一种低折射率管中，再对插入段进行熔融拉锥，形成一个绝热锥区，此时，插入到低折射率管中的环形芯光纤尺寸缩小到与单模光纤纤芯大小相同，低折射率管拉锥一侧的外径变细至与单模光纤直径相同，对其进行切割，切割出端面平整的锥体，最后将锥体与单模光纤进行熔接耦合的方法制得的低损耗的单模光纤与环形芯光纤耦合器。

所述的低折射率管是石英毛细管。

所述的绝热锥体满足绝热转换条件，使得单模光纤和环形芯光纤纤芯内的能量在锥体传输满足绝热转换。

以下对本发明的原理和结构进行说明：

单模光纤1与环形芯光纤2的结构如图1所示，环形芯光纤2和单模光纤1的折射率分布分别为2-1和1-1。

将环形芯光纤2插入低折射率管3中，其折射率分布如3-1所示。

图3所示的是单模光纤与环形芯光纤耦合器的结构示意图，其有三部分组成，包括：(1)单模光纤1；(2)绝热锥体5；(3)环形芯光纤2。其中，绝热锥体5是由环形芯光纤2插入到低折射率管3中之后熔融拉锥再切割而成。此处低折射率管3的几何尺寸需要满足以下几点要求：(1)低折射率管3的中间孔的直径略大于环形芯光纤2的外径尺寸，使得环形芯光纤2能轻松插入；(2)熔融拉锥之后，低折射率管3的外径减小到与单模光纤1直径相同；(3)插入到低折射率管3中的环形芯光纤2的直径缩小至单模光纤1纤芯大小，以上三要求使得绝热锥体5能和单模光纤1匹配熔接，并且提高了器件整体稳定性和可靠性。

进行熔融拉锥操作之后，环形芯光纤2的直径缩小至单模光纤1纤芯大小(9微米)，环形芯光纤2的纤芯几乎消失不见，而低折射率管3外径缩小至单模光纤1直径的大小(125微米)，其形成新的“包层-纤芯”结构，即锥体5，锥体5的折射率分布5-1由插入低折射率包层3的环形芯光纤2的折射率分布3-1变化而来，锥体5的折射率分布5-1类似于单模光纤折射率分布1-1，锥体5中的“包层-纤芯”结构能够将光能束缚在新的“纤芯”中传输，能完好的让光场从单模光纤1传导到环形芯光纤2中。

上述锥体结构中，只要绝热锥区4的变化缓慢，即绝热锥区4的过渡区长度足够长，切割后，环形芯光纤2内的光束就能够由绝热锥体5过渡到单模光纤1中，或者由单模光纤1过渡到环形芯光纤2中，实现两种光纤的模场匹配。

一种低损耗的单模光纤与环形芯光纤耦合器的制备方法，其制备步骤如下：

步骤1：将环形芯光纤插入到低折射率管中，对插入段进行熔融拉锥，其中，低折射率管的外径大小缩小至单模光纤的直径大小，低折射率管中的环形芯光纤缩小至单模光纤的纤芯大小，得到一个绝热锥区。

步骤2：使用切割刀在步骤1中得到的绝热锥区的锥腰处进行切割，切割出端面平整的绝热锥体，用以和单模光纤的熔接。

步骤3：将步骤2中切割得到的绝热锥体与单模光纤对准、熔接制得单模光纤与环形芯光纤耦合器。

与先前技术相比，本发明提出的低损耗的单模光纤与环形芯光纤耦合器至少具备以下几点显著的优势：

(1)整个耦合器直径不低于单模光纤的直径，改善了器件强度，提高了器件的稳定性和可靠性。

(2)本发明提出的耦合器能实现光路可逆，即光束能从单模光纤中高效耦合至环形芯光纤中，环形芯光纤中的光束也能高效耦合回单模光纤反向传输，这在利用环形芯光纤反射光探测传感应用中有重要的价值。

(3)器件受外界环境折射率、温度等因素影响小，稳定性好。

(四)附图说明

图1是本发明所使用的单模光纤与环形芯光纤示意图，(a)单模光纤；(b)环形芯光纤。

图2是插入低折射率管的环形芯光纤示意图。

图3是单模光纤与切割后所得锥体对比示意图。

图4是单模光纤、环形芯光纤与插入低折射率管的环形芯光纤以及绝热锥体的折射率对比图，(a)单模光纤折射率示意图；(b)环形芯光纤折射率示意图；(c)插入低折射率管的环形芯光纤折射率示意图；(d)绝热锥体折射率示意图。

图5是单模光纤与环形芯光纤耦合器的结构示意图。

图6是单模光纤与环形芯光纤耦合器的制备方法流程图。

(五)具体实施方式

本发明提出的是一种通用的单模光纤与环形芯光纤耦合器及其制备方法，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：对本发明的制备步骤进行说明。

制备步骤如图6所示：

步骤1：将环形芯光2纤插入到低折射率管3中，对插入段进行熔融拉锥，低折射率管3的外径大小缩小至单模光纤1的直径大小(125微米)，低折射率管3中的环形芯光纤2缩小到单模光纤1的纤芯大小(9微米)，制得绝热锥区4。

步骤2：在步骤1中拉制得到的绝热锥区4之后，使用切割刀在其锥腰处进行切割，得到端面平整的绝热锥体5用以和单模光纤1的熔接。

步骤3：将步骤2中切割得到的绝热锥体5与单模光纤1对准、熔接制得单模光纤与环形芯光纤耦合器。

Claims (4)

1.一种低损耗的单模光纤与环形芯光纤耦合器。其特征是：它是通过将一根环形芯光纤插入到一种低折射率管中，再对插入段进行熔融拉锥，形成一个绝热锥区，此时，插入到低折射率管中的环形芯光纤尺寸缩小到与单模光纤纤芯大小相同，低折射率管拉锥侧的外径变细至与单模光纤直径相同，对其进行切割，切割出平整的光纤端面，最后将其与单模光纤进行熔接耦合的方法制得的低损耗的单模光纤与环形芯光纤耦合器。

2.一种低损耗的单模光纤与环形芯光纤耦合器的制备方法。其特征在于：

步骤1：将环形芯光纤插入到低折射率管中，对插入段进行熔融拉锥，得到一个绝热锥区，其中，低折射率管的外径大小缩小至单模光纤的直径大小，低折射率管中的环形芯光纤缩小至单模光纤的纤芯大小。

步骤2：使用切割刀在步骤1中得到的锥区的锥腰处进行切割，切割出端面平整的绝热锥体，用以和单模光纤的熔接。

步骤3：将步骤2中切割得到的绝热锥体与单模光纤对准、熔接制得单模光纤与环形芯光纤耦合器。

3.根据权利要求1所述的一种低损耗的单模光纤与环形芯光纤耦合器，其特征在于：所述的低折射率管是石英毛细管。

4.根据权利要求1所述的一种低损耗的单模光纤与环形芯光纤耦合器，其特征在于：所述的绝热锥区满足绝热转换条件，使得单模光纤和环形芯光纤纤芯内的能量在锥体传输满足绝热转换。

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