CN111290075A - 一种单模式光纤及多芯光纤耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单模式光纤及多芯光纤耦合器，属于光纤技术领域。单模式光纤包括从内到外依次设置的纤芯，第一外包层，下陷外包层和机械包层，各自内部的折射率均匀分布；纤芯和第一外包层的分界面处折射率发生突变，下陷外包层与机械包层的分界面处折射率发生突变，下陷外包层的折射率小于机械包层的折射率。光纤耦合器包括套管和单模式光纤，单模式光纤嵌套在套管中且套管一端被拉锥；套管拉锥的一端用于与多芯光纤熔接；未拉锥一端中的每根单模式光纤分别与对应的标准单模光纤熔接，本发明解决了现有多芯光纤耦合器损耗较大的问题。

Description

一种单模式光纤及多芯光纤耦合器

技术领域

本发明属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种单模式光纤及多芯光纤耦合器。

背景技术

随着互联网技术的日益成熟与普及，人们对数据的需求越来越大，已接近现有传统的单模光纤技术的传输容量极限，而多芯光纤通过极大地提高光纤空间利用率，能有效地增加单根光纤的传输容量，被认为是未来实现超大容量传输的关键技术。而为了将多芯光纤更方便地付诸应用，将光信号从多芯光纤引导到独立的单芯光纤的扇入扇出装置是必不可少的。因此，多芯光纤耦合器以及制备多芯光纤耦合器的光纤就极为重要，其成为推广多芯光纤实际应用与降低成本的关键技术之一。

目前，多芯光纤耦合器制备通常使用拉锥自组装(201610328915.4)和微孔加工法(201510691273.X)，所使用的光纤都是标准单模光纤。

拉锥自组装法是通过对标准单模光纤腐蚀处理，然后将经过腐蚀处理的单模光纤插入玻璃套管中，采用氢氧焰对其进行拉锥处理，切割抛光后与多芯光纤熔接实现多芯光纤耦合器的制备。这种方法由于受到腐蚀精度的影响，使得制备得到的多芯光纤耦合器插入损耗比较大。

微孔加工法是将经过腐蚀处理的标准单模光纤和多芯光纤分别插入经过机械钻孔或激光打孔方式处理过的圆柱体套管中，由对准平台实现对准，然后点胶固定实现多芯耦合器的制备。由于腐蚀精度和打孔精度难以精确控制，这种方法的插入损耗比较大。

综上所述，目前各类多芯光纤耦合器制备过程中都受到所使用光纤的影响，使得加工精度，加工难度，成本以及损耗等方面都存在问题，解决这些问题的关键是设计一种新的光纤来满足需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明旨在解决现有多芯光纤耦合器因制备过程中受到所使用光纤的影响导致熔接损耗较大的技术问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种单模式光纤，应用于多芯光纤耦合器，包括：从内到外依次设置的纤芯、第一外包层、下陷外包层和机械包层；

纤芯、第一外包层、下陷外包层和机械包层各自内部的折射率均匀分布；纤芯和第一外包层的分界面处折射率发生变化，下陷外包层与机械包层的分界面处折射率发生变化，下陷外包层的折射率小于机械包层的折射率；因此，纤芯至机械包层的折射率呈阶跃型剖面结构。

优选地，机械包层的半径为35.0μm～45.0μm；

优选地，纤芯的半径为4.4μm～4.6μm，纤芯相对机械包层的相对折射率差为0.31％～0.45％；

优选地，第一外包层的半径为16.0μm～18.0μm，第一外包层相对机械包层的相对折射率差为0.0％；

优选地，下陷外包层的半径为23.0μm～25.0μm，下陷外包层相对机械包层的相对折射率差为-0.65％～-0.45％。

另一方面，本发明提供了一种基于上述单模式光纤的多芯光纤耦合器，包括：套管和N根单模式光纤；

N根单模式光纤嵌套在套管中且套管一端被拉锥；套管拉锥的一端用于被切割后与多芯光纤熔接；套管未拉锥一端中的每根单模式光纤分别与对应的标准单模光纤熔接；其中，N＞1。

优选地，套管为玻璃套管。

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，具有以下有益效果：

本发明提供的多芯光纤耦合器将N(N>1)根单模式光纤插入套管中，经过拉锥和切割之后，和多芯光纤熔接得到多芯光纤耦合器。单模式光纤经过拉锥之后，纤芯变细后形成新的纤芯，第一外包层、下陷外包层、机械包层构成新的包层，因此在和多芯光纤熔接时具有低的熔接损耗。

本发明提供的多芯光纤耦合器，其中单模式光纤中纤芯、第一外包层、下陷外包层和机械包层各自内部的折射率均匀分布，且在相邻分界面处均有突变，下陷外包层的折射率小于机械包层的折射率，满足上述条件的单模式光纤和标准单模光纤模场的匹配，使得单模式光纤和标准单模光纤熔接时具有低的熔接损耗。

本发明提供的多芯光纤耦合器包括多个单模式光纤，其单模式光纤包括：纤芯、第一外包层、下陷外包层以及机械包层，其制备过程简单，不需要腐蚀等处理，可扩展性好，成品率高。

本发明提供的多芯光纤耦合器，由于单模式光纤的下陷外包层的折射率小于第一外包层，可以限制场的覆盖范围，避免场向外泄露，因此单模式光纤和多芯光纤熔接后具有小的芯间串扰。

本发明提供的多芯光纤耦合器，其中将单模式光纤插入套管中进行拉锥，由于该光纤包层直径较小，使得拉锥比降低，拉锥过程更加稳定，工艺难度大大减小，成品率显著提高。

本发明提供的多芯光纤耦合器，其单模式光纤设计拉锥比小，单模式光纤的纤芯直径略大于标准单模光纤，低拉锥比情况下纤芯在拉锥前后保持良好的单模特性，折射率剖面简单。

附图说明

图1是本发明实施例提供的单模式光纤的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的单模式光纤的折射率分布示意图；

图3是本发明实施例提供的单模式光纤的相对折射率差剖面结构示意图；

图4是本发明实施例提供的多芯光纤耦合器的结构示意图；

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：100为单模式光纤；200为套管；300为多芯光纤；1为纤芯；2为第一外包层；3为下陷外包层；4为机械包层。

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。

首先，对本发明中涉及的一些术语的定义做如下说明：

相对折射率差Δi：

其中，Δi为纤芯各分层相对折射率差，n_i为从内到外第i层光纤材料的折射率；n₀为最外层机械包层的折射率；各分层的折射率分别为该分层在各径向点处的折射率值，除非另作说明，本发明中Δi均为各纤芯分层中的绝对值最大的相对折射率差。

半径：用R_j表征(j＝1,2,3,4)各分层的半径，R_i为从光纤的中心线到该分层离中心线最远的点的距离。

一方面，如图1所示，本发明提供了一种单模式光纤，其应用于多芯光纤耦合器，包括：从内到外依次设置的纤芯1、第一外包层2、下陷外包层3和机械包层4；

如图2所示，纤芯1、第一外包层2、下陷外包层3和机械包层4各自内部的折射率均匀分布；纤芯1和第一外包层2的分界面处折射率发生变化，下陷外包层3与机械包层4的分界面处折射率发生变化，下陷外包层3的折射率小于机械包层4的折射率；因此，纤芯1至机械包层4的折射率呈阶跃型剖面结构，其中，图2中的横坐标半径从0μm开始，纵坐标仅为相对参考，不含有具体数值含义。

优选地，机械包层4的半径R₄为35.0μm～45.0μm；

优选地，纤芯1为掺锗的石英玻璃层，其半径R₁为4.4μm～4.6μm，纤芯1相对机械包层4的相对折射率差Δ1为0.31％～0.45％；

优选地，第一外包层2的半径R₂为16.0μm～18.0μm，第一外包层2相对机械包层4的相对折射率差Δ2为0.0％；

优选地，下陷外包层3的半径R₃为23.0μm～25.0μm，下陷外包层3相对机械包层4的相对折射率差Δ3为-0.65％～-0.45％。

图3是本发明提供的单模式光纤的相对折射率差剖面结构示意图，具体数据可参见前面的记载，在此不做赘述。

本发明提供的单模式光纤，不仅可以和标准单模光纤实现低损耗熔接，而且通过微拉锥方法制备的多芯光纤耦合器和多芯光纤之间可以实现低损耗熔接。

另一方面，如图4所示，本发明提供了一种基于上述单模式光纤的多芯光纤耦合器，多芯光纤耦合器在标准单模光纤和多芯光纤300之间起着桥梁作用，包括套管200和N根单模式光纤100；

N根单模式光纤100嵌套在套管200中，在套管200中间一点处将套管200拉锥；套管200拉锥一端用于被切割后与多芯光纤300熔接；套管200未拉锥一端中的每根单模式光纤100分别与对应的标准单模光纤熔接；其中，N＞1。

将N根单模式光纤100嵌套在套管200拉锥后，拉锥端的每根单模式光纤100的纤芯1变细构成新的纤芯，第一外包层2、下陷外包层3以及机械包层4构成拉锥后的包层。

优选地，套管200为玻璃套管。

基于上述单模式光纤制备成的多芯光纤耦合器，通过控制单模式光纤的参数，可使其和标准单模式光纤模场匹配，因此，本发明公开的多芯光纤耦合器和标准单模光纤熔接时具有低的熔接损耗。将N(N＞1)根单模式光纤插入玻璃套管中，经过拉锥和切割之后，和多芯光纤熔接得到多芯光纤耦合器。单模式光纤经过拉锥，纤芯变细后形成新的纤芯，外包层、下陷外包层、机械包层构成新的包层，因此在和多芯光纤熔接时具有低的熔接损耗；下陷外包层的折射率小于外包层，可以限制场的覆盖范围，避免场向外泄露，因此和多芯光纤熔接后具有小的芯间串扰。

实施例

本实施例中制备单模式光纤选取的参数如表所示：

表1

	半径(μm)	相对折射率差(％)
			纤芯	4.5	0.355
第一外包层	17.1	-0.03
			下陷外包层	23.7	-0.62
机械包层	39.6	-0.04

基于上述参数制备得到单模式光纤后，经实验测得该单模式光纤在弯曲半径为3mm，1310nm波长处宏弯损耗小于0.2dB/圈，在1550nm波长处宏弯损耗小于0.5dB/圈。

基于上述单模式光纤经过拉锥制备得到多芯光纤耦合器，并基于制备的多芯光纤耦合器进行试验，测取该多芯光纤耦合器和单模光纤、多芯光纤的熔接损耗，发现该多芯光纤耦合器中单模式光纤和标准单模光纤熔接一个接点的熔接损耗小于0.1dB，多芯光纤耦合器和多芯光纤熔接一个接点的熔接损耗小于0.3dB，芯间串扰小于-60dB，整个多芯光纤耦合器损耗小于1.2dB。

其中，以制备成七芯光纤耦合器为例，说明该光纤耦合器的芯间串扰小于-60dB，具体数据参照表2(七芯光纤耦合器和七芯光纤熔接芯间串扰)所示：

表2

另外，在制备成七芯光纤耦合器后，该光纤耦合器的插入损耗如表3所示：

表3

纤芯编号	1	2	3	4	5	6	7
								插入损耗(dB)	-0.3	-1.0	-0.9	-1.1	-1.2	-0.7	-0.9

需要说明的是，本发明提供的单模式光纤的纤芯1半径R₁可取4.5μm±0.1μm，相对折射率差Δ1可取0.38％±0.07％；第一外包层2的半径R₂可取17.0μm±1.0μm，相对折射率差Δ2为0.0％；下陷外包层3的半径R₃为24.0μm±1.0μm，相对折射率差Δ3为-0.55％±0.10％；机械包层4的半径R₄为40.0μm±5.0μm。本实施例虽未做具体举例，但本领域技术人员可以理解的是，上述参数范围均可使得制备的多芯光纤耦合器相比现有技术具有改进。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

本发明提供的多芯光纤耦合器中未经拉锥端的单模式光纤可与标准单模光纤实现低损耗熔接。

本发明提供的多芯光纤耦合器中单模式光纤拉锥后可与多芯光纤实现低损耗熔接，且具备较低的插入损耗。

本发明提供的多芯光纤耦合器中单模式光纤的芯间串扰小。

本发明通过单模式光纤的半径和折射率设计，使得本发明提供的多芯光纤耦合器和标准单模光纤熔接一个接点熔接损耗小于0.1dB，制备成多芯光纤耦合器后和多芯光纤熔接一个接点熔接损耗小于0.3dB，芯间串扰小于-60dB，插入损耗小于1.2dB。且通过该光纤进行的多芯光纤耦合器制作工艺上减小拉锥比，拉锥过程更稳定，工艺难度大大减小，成品率显著提高。

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 (7)

1.一种单模式光纤，其应用于多芯光纤耦合器，其特征在于，包括：从内到外依次设置的纤芯(1)、第一外包层(2)、下陷外包层(3)和机械包层(4)；

所述纤芯(1)、第一外包层(2)、下陷外包层(3)和机械包层(4)各自内部的折射率均匀分布；纤芯(1)与第一外包层(2)的分界面处折射率发生变化，下陷外包层(3)与机械包层(4)的分界面处折射率发生变化，下陷外包层(3)的折射率小于机械包层(4)的折射率。

2.根据权利要求1所述的单模式光纤，其特征在于，所述机械包层(4)的半径为35.0μm～45.0μm。

3.根据权利要求1或2所述的单模式光纤，其特征在于，所述纤芯(1)的半径为4.4μm～4.6μm，相对机械包层(4)的相对折射率差为0.31％～0.45％。

4.根据权利要求3所述的单模式光纤，其特征在于，所述第一外包层(2)的半径为16.0μm～18.0μm，相对机械包层(4)的相对折射率差为0.0％。

5.根据权利要求2所述的单模式光纤，其特征在于，所述下陷外包层(3)的半径为23.0μm～25.0μm，相对机械包层(4)的相对折射率差为-0.65％～-0.45％。

6.基于权利要求1所述的单模式光纤的多芯光纤耦合器，其特征在于，包括套管(200)和N根单模式光纤(100)；

所述N根单模式光纤(100)嵌套在所述套管(200)中且所述套管(200)一端被拉锥；所述套管(200)拉锥的一端用于被切割后与多芯光纤(300)熔接；所述套管(200)未拉锥一端中的每根单模式光纤(100)分别与对应的标准单模光纤熔接；其中，N＞1。

7.根据权利要求6所述的多芯光纤耦合器，其特征在于，所述套管(200)为玻璃套管。

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