CN111308608A - 一种纤维集成的高斯模场分束/合束器 - Google Patents

一种纤维集成的高斯模场分束/合束器 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种纤维集成的高斯模场分束/合束器。其特征是：它由单模光纤1、双包层光纤2和多芯光纤3连接组成。所述高斯模场分束/合束器中长度在厘米量级以上的双包层光纤2位于单模光纤1和多芯高斯模场光纤3之间，两端分别熔接。所述高斯模场分束/合束器在双包层光纤2与多芯高斯模场光纤3的熔接点12处施加热扩散，热扩散目的是在热扩散区域13形成折射率渐变区，使双包层光纤2的基模能够绝热地转变为多芯高斯模场光纤3的基模。本发明可用于单芯高斯模场与多芯高斯模场之间高耦合效率的高斯模场转换，可广泛应用于基于多芯光纤的多种应用，基于多芯光纤的光纤集成器件、光纤传感器和光纤激光器等领域。

Description

一种纤维集成的高斯模场分束/合束器
(一)技术领域
本发明涉及的是一种纤维集成的高斯模场分束/合束器，可用于单芯高斯模场与多芯高斯模场之间高耦合效率的高斯模场转换，可广泛应用于基于多芯光纤的多种应用，基于多芯光纤的光纤集成器件、光纤传感器和光纤激光器等领域，属于纤维集成光纤器件技术领域。
(二)背景技术
模场转换技术在光纤激光器和光纤微光学系统设计中起着重要作用。通常，纤芯直径和数值孔径不同的光纤的模场是不同的，两种不同模场的光纤之间的连接通常损耗较大。为了减少连接损耗，模场必须相似。
近年来，引入了各种新型光纤，如微结构光纤、多芯光纤、色散补偿光纤、稀土掺杂光纤和大芯径天文光纤等。如何满足这些特种光纤之间的模场匹配是一个难题。由于这些光纤模场不同于标准单模光纤，而且与现有光学系统不兼容，所以必须在各种光纤和标准单模光纤之间引入合适的模场转换器以减少插入损耗，并尽量减小光纤激光器激光束质量的退化。
为了解决上述问题，已经提出了多种解决方法，用来转换不同光纤之间的模场，并具有低耦合损耗。第一种方法是采用光纤拉锥技术，逐渐将一个模场转换为另一个模场。Kazi S.Abedin等人于2014年公开的一种用于低损耗耦合到多芯光纤的技术和器件(美国专利：US20140119694)，通过熔融拉锥多根输入光纤，实现了多根输入光纤与多芯光纤之间的模场转换。但是，拉锥会使整个光纤器件更加脆弱，并且与现有熔接技术兼容性差。第二种方法是采用光纤热扩散技术，E M Dianov等人于1997年公开的的光纤模场直径转换器及其制造方法(俄罗斯专利：RU97103937)，通过热扩散局部加热光纤改变折射率的方法，实现了小模场直径到大模场直径的模场转换。该方法提供折射率的一定程度的平滑过渡以实现不同模场之间的完全耦合。第三种方法是结合光纤拉锥和热扩散技术，在Xuanfeng Zhou等人的文章中(Xuanfeng Zhou,Zilun Chen,et al,Applied Optics,2014,53:5053-5057)采用了拉锥和热扩散的方法来实现模场转换，分别实现了单模光纤和多模光纤之间的模场转换，单模光纤和大模场光纤之间的模场转换。
上述模场转换的方法采用了熔融拉锥或热扩散技术。主要解决了单模光纤与大模场光纤之间的模场转换，不同光纤之间的模场转换问题仍未得到很好的解决，其中之一是单芯高斯模场光纤与多芯高斯模场光纤之间的高斯模场转换。
由于热扩散技术具有易于实现、成本低和操作简单等优点，热扩散技术在微机电系统，光集成器件，光通信和光纤传感中具有巨大的应用潜力。光纤经过热扩散处理，在热扩散区域形成平滑的折射率渐变，可提供复杂模场之间的模场适配。
本发明公开了一种纤维集成的高斯模场分束/合束器，可用于单芯高斯模场与多芯高斯模场之间高耦合效率的高斯模场转换，可广泛应用于基于多芯光纤的多种应用，基于多芯光纤的光纤集成器件、光纤传感器和光纤激光器等领域。该高斯模场分束/合束器采用三段式结构(单模光纤-双包层光纤-多芯高斯模场光纤)，并通过热扩散技术在特定条件下制备。精心设计的双包层光纤的纤芯和单模光纤具有相同的基模场分布，单模光纤的高斯模场可以高效率转换为双包层光纤的基模。双包层光纤与多芯高斯模场光纤熔接处热扩散处理形成的平滑折射率过渡，可绝热地将双包层光纤基模转换为多芯高斯模场光纤的基模。与在先技术相比，精心设计的双包层光纤通过热扩散处理，在双包层光纤和多芯高斯模场光纤之间形成平滑的折射率过渡，能够高效的实现单模光纤与多芯模场光纤的高斯模场转换。该纤维集成的高斯模场分束/合束器具有制作简单、耦合效率高、可批量生产的优点。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种耦合效率高、可批量生产的一种纤维集成的高斯模场分束/合束器。
本发明的目的是这样实现的：
该纤维集成的高斯模场分束/合束器由单模光纤1、双包层光纤2和多芯高斯模场光纤3连接组成。所述模场分束/合束器中长度为厘米量级以上的双包层光纤2位于单模光纤1和多芯高斯模场光纤3之间，两端分别熔接。所述模场分束/合束器在双包层光纤2与多芯高斯模场光纤3的熔接点12处施加热扩散，热扩散目的是在热扩散区域13形成折射率渐变区，使双包层光纤2的基模能够绝热地转变为多芯高斯模场光纤3的基模。
精心设计的双包层光纤2通过热扩散处理后，在整个器件(即单模光纤-双包层光纤-多芯高斯模场光纤光纤链)上实现折射率分布在热扩散区域13处缓慢变化，使得单模光纤1的基模能够高效率的转变为多芯高斯模场光纤3的基模。光束从单模光纤1到多芯高斯模场光纤3传输时，为高斯模场分束器；光束从多芯高斯模场光纤3到单模光纤1传输时，为高斯模场合束器。
通常，热扩散光纤用于模场的扩展，值得注意的是热扩散使光纤掺杂剂分布渐变为更稳定的准高斯分布。为了实现输入模场的匹配，双包层光纤2的纤芯6和所需的输入单模光纤1具有相同的光学参数，包括数值孔径和纤芯直径。在输出多芯高斯模场光纤3和双包层光纤2之间的熔接点12处引入热扩散过程，热扩散区域为13，如图1所示，使输出多芯高斯模场光纤3和双包层光纤2的折射率分布一致。设计纤维集成的高斯模场分束/合束器的关键，是通过热扩散处理找到一个与输出多芯高斯模场光纤3相匹配的双包层光纤2的合适折射率分布。
在热扩散过程中，局部掺杂浓度C随时间t的变化情况可表示为：
Figure BDA0001903275880000031
其中D是掺杂剂扩散系数；t是加热时间。D取决于掺杂剂种类、主体材料和局部温度。在大多数情况下，当考虑锗在光纤纤芯中的扩散时，我们可以将注意力限制在轴对称几何结构上。此外，加热光纤的温度相对于径向位置r几乎是均匀的，并且假定扩散系数D相对于径向位置r恒定是合理的。在实践中，如果轴向浓度梯度非常小，并且轴向温度梯度只存在几毫米，则轴向上的掺杂剂扩散通常可以忽略。如果忽略轴向和方位角上的扩散，则在圆柱坐标系中简化扩散方程(1)为：
Figure BDA0001903275880000032
扩散物质的掺杂浓度C是径向距离r和加热时间t的函数。事实上，扩散系数D也受光纤制造工艺的影响，可表示为：
Figure BDA0001903275880000033
其中T(z)是以开尔文为单位的加热温度，通常取决于炉内光纤的纵向位置；R＝8.3145(J/K/mol)是理想气体常数；参数D0和Q从实验数据中获得。考虑初始边界条件
Figure BDA0001903275880000034
掺杂剂浓度分布C表示为：
Figure BDA0001903275880000041
其中f(r)是初始浓度分布，在光纤边界表面r＝a处的浓度将降至零。J0是第一类零阶Bessel函数，特征值αn是其正根
J0(aαn)＝0 (6)
假设光纤在整个热扩散区域的折射率分布与掺杂剂分布成比例是合理的，则可表示为：
Figure BDA0001903275880000042
其中ncl和nco分别是纤芯和包层的折射率。从图2可以看出，双包层光纤(如图2a)和三芯光纤(如图2b)的折射率分布随着加热时间t的变化在温度场为1600℃内的变化。曲线21、22、23、24分别为双包层光纤加热0小时、2小时、4小时、6小时后，沿光纤径向方向的折射率分布；曲线25、26、27、28分别为三芯光纤加热0小时、2小时、4小时、6小时后，沿光纤x轴方向的折射率分布。光纤经过一定时间的热扩散处理后，它们的折射率分布趋向于更稳定的准高斯分布。
本发明提供的高斯模场分束/合束器，通过热扩散的方法实现纤维集成的高斯模场分束/合束器的高耦合效率的高斯模场转换，需要对双包层光纤2进行精心设计。对双包层光纤2设计的两个基本原则是：(1)单模光纤1的基模与双包层光纤2的基模匹配，满足这种基模匹配条件是单模光纤1的数值孔径等于双包层光纤2的纤芯6相对于内包层7的数值孔径，并且单模光纤1的纤芯5直径等于双包层光纤2的纤芯6直径；(2)双包层光纤2与多芯高斯模场光纤3在横截面上的初始掺杂总量相同，且所述的三种光纤的掺杂物质一致。
炉子加热区温度场分布如图3所示，曲线31为炉子加热区中心轴上的温度分布；32为温度场中心位置，且温度最高。制备高斯模场分束/合束器时，将热扩散区域13放入炉子加热区中心轴上进行热扩散处理，热扩散区域13中心位置温度最高，温度场中心32与熔接点12重合。热扩散区域13长度在厘米量级以上，保证梯度温度场中形成的折射率渐变区缓慢变化。热扩散区域13范围不能覆盖到单模光纤1与双包层光纤2的熔接点11。
精心设计的双包层光纤2通过热扩散处理，在整个光纤器件(即单模光纤-双包层光纤-多芯高斯模场光纤光纤链)上实现折射率分布完全地平稳过渡，使得基模在整个光纤链上能够高耦合效率转换。本发明提供的高斯模场分束/合束器具有双向使用的特性，可以是光束从单模光纤1到多芯高斯模场光纤3传输，为高斯模场分束器；也可以是光束从多芯高斯模场光纤3到单模光纤1传输，为高斯模场合束器。
如果光纤链一端不是单模光纤，两端都是多芯光纤，且两端是不同芯数的多芯光纤，也可以用相同的原理实现两种光纤之间的高斯模场转换，制备高斯模场分束/合束器，且制备方法和步骤相同。对中间段过渡的具有外包层结构的特殊过渡光纤进行设计时仍然要满足设计的基本原则，主要的区别在于中间段过渡的具有外包层结构的特殊过渡光纤的纤芯应与低浓度多芯光纤的纤芯的参数相同。
本发明提供的高斯模场分束/合束器，由单模光纤1、双包层光纤2和多芯高斯模场光纤3连接组成。与在先技术相比，精心设计的双包层光纤通过热扩散处理，在双包层光纤和多芯高斯模场光纤之间形成平滑的折射率过渡，能够高效的实现单模光纤与多芯模场光纤的高斯模场转换。该纤维集成的高斯模场分束/合束器具有制作简单、耦合效率高、可批量生产的优点。
(四)附图说明
图1是一种纤维集成的高斯模场分束/合束器的结构示意图。
图2a是双包层光纤的折射率分布随着加热时间t的变化在温度场为1600℃内的变化的示意图，而图2b是三芯光纤折射率分布随着加热时间t的变化在温度场为1600℃内的变化的示意图。
图3是对热扩散区域13作热扩散处理的炉子加热区中心轴上的温度分布的示意图。
图4是三芯光纤的横截面示意图。
图5a是热扩散处理前熔接点12处的双包层光纤2和三芯光纤3的折射率分布图，图5b是热扩散处理后熔接点12处的双包层光纤2和三芯光纤3的折射率分布图，图5c是热扩散处理后热扩散区域13轴向剖面的折射率分布等高线图，图5d是热扩散处理后光纤链的模场传输图。
图6是四芯光纤的横截面示意图。
图7a是热扩散处理前熔接点12处的双包层光纤2和四芯光纤3的折射率分布图，图7b是热扩散处理后熔接点12处的双包层光纤2和四芯光纤3的折射率分布图，图7c是热扩散处理后热扩散区域13轴向剖面的折射率分布等高线图，图7d是热扩散处理后光纤链的模场传输图。
图8是五芯光纤的横截面示意图。
图9a是热扩散处理前熔接点12处的双包层光纤2和五芯光纤3的折射率分布图，图9b是热扩散处理后熔接点12处的双包层光纤2和五芯光纤3的折射率分布图，图9c是热扩散处理后热扩散区域13轴向剖面的折射率分布等高线图，图9d是热扩散处理后光纤链的模场传输图。
图10是七芯光纤的横截面示意图。
图11a是热扩散处理前熔接点12处的双包层光纤2和七芯光纤3的折射率分布图，图11b是热扩散处理后熔接点12处的双包层光纤2和七芯光纤3的折射率分布图，图11c是热扩散处理后热扩散区域13轴向剖面的折射率分布等高线图，图11d是热扩散处理后光纤链的模场传输图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
本发明提供的纤维集成的高斯模场分束/合束器的结构为单模光纤-双包层光纤-多芯高斯模场光纤，由单模光纤1、双包层光纤2和多芯高斯光纤3组成。所述模场分束/合束器中长度为厘米量级以上的双包层光纤2位于单模光纤1和多芯高斯模场光纤3之间，两端分别熔接。所述模场分束/合束器在双包层光纤2与多芯高斯模场光纤3的熔接点12处施加热扩散，热扩散目的是在热扩散区域13形成折射率渐变区，使双包层光纤2的基模能够绝热地转变为多芯高斯模场光纤3的基模。
精心设计的双包层光纤2通过热扩散处理后，在整个器件上实现折射率分布在热扩散区域13处缓慢变化，使得单模光纤1的基模能够高效率的转变为多芯高斯模场光纤3的基模。光束从单模光纤1到多芯高斯模场光纤3传输时，为高斯模场分束器；光束从多芯高斯模场光纤3到单模光纤1传输时，为高斯模场合束器。
本发明实施例制备高斯模场分束/合束器时，通过热扩散的方法实现单芯高斯模场光纤-多芯高斯模场光纤之间高耦合效率的高斯模场转换，需要对双包层光纤2进行精心设计。对双包层光纤2设计的两个基本原则是：(1)单模光纤1的基模与双包层光纤2的基模匹配，满足这种基模匹配条件是单模光纤1的数值孔径等于双包层光纤2的纤芯6相对于内包层7的数值孔径，并且单模光纤1的纤芯5直径等于双包层光纤2的纤芯6直径；(2)双包层光纤2与多芯高斯模场光纤3在横截面上的初始掺杂总量相同，且所述的三种光纤的掺杂物质一致。
实施例1：
本实施例高斯模场分束/合束器的结构为单模光纤-双包层光纤-三芯光纤，即多芯高斯模场光纤选用三芯光纤。本实施例所选用的单模光纤1的几何尺寸为，包层4直径为125μm、纤芯5直径为8μm，纤芯5的数值孔径为0.14；所选用双包层光纤2的几何尺寸为，外包层8直径为125μm、内包层7直径为38.4μm、纤芯6直径为8μm，纤芯6的数值孔径为0.14；所选用三芯光纤3的横截面如图4所示，三芯光纤3的包层41直径为125μm、三个芯42的直径均为8μm、三个芯42位于同一直线上，中间芯到另两芯的距离均为15μm。本实施例所选用的双包层光纤2的长度为厘米量级以上。所选用光纤的掺杂剂种类均为锗，双包层光纤2和三芯光纤3的横截面上初始掺杂总量相同。
本实施例高斯模场分束/合束器的制作步骤为：确定三芯光纤3具体参数，根据双包层光纤2设计的两个基本原则，选取相应参数的双包层光纤2。截取厘米量级以上的双包层光纤2，双包层光纤2一端与单模光纤1一端熔接，双包层光纤2另一端与三芯光纤3熔接，将连接后的光纤链热扩散区域13放入炉子加热区中心轴上作热扩散处理。
热扩散处理的具体实施方式为：热扩散区域13加热长度需要足够长，通常在厘米量级以上，保证梯度温度场中形成的折射率渐变区足够缓变。选用的炉子加热区长度为3cm，加热区温场分布如图3所示。将热扩散区域13放入炉子加热区中心轴上进行热扩散处理，热扩散区域13中心位置温度最高，温场中心位置与熔接点12位置重合，热扩散区域13范围不能覆盖到单模光纤1与双包层光纤2的熔接点11。为使熔接点12处的双包层光纤2与三芯光纤3折射率分布渐变为圆对称准高斯分布，且双包层光纤2与三芯光纤3的折射率分布相似，热扩散区域13的加热时间为6小时。
通过以上的处理方式，即可制作得到纤维集成的高斯模场分束/合束器。该高斯模场分束/合束器，具有双向使用的特性，即可以是从单模光纤1到三芯光纤3的高斯模场分束器，也可以是三芯光纤3到单模光纤1的高斯模场合束器。通过热扩散处理过程，熔接点12处实现折射率分布匹配，使该高斯模场分束/合束器的单模光纤1的基模能够高耦合效率的转变为三芯光纤3的基模，或者三芯光纤3的基模能够高耦合效率的转变为单模光纤1的基模。
利用有限元法对光纤热扩散处理过程建立模型，对热扩散处理过程中折射率分布的变化进行仿真，仿真结果如图5所示。图5a是热扩散处理前熔接点12处的双包层光纤2和三芯光纤3的折射率分布图，曲线51是双包层光纤2的折射率分布，曲线52是三芯光纤3沿x轴方向的折射率分布；图5b是热扩散处理后熔接点12处的双包层光纤2和三芯光纤3的折射率分布图，曲线53是加热6小时后双包层光纤2的折射率分布，曲线54是加热6小时后三芯光纤3沿x轴方向的折射率分布，曲线55是加热6小时后三芯光纤3沿45°方向的折射率分布，曲线56是加热6小时后三芯光纤3沿y轴方向的折射率分布，可见熔接点12处双包层光纤2和三芯光纤3的折射率分布基本匹配(即，在熔接点12处实现了双包层光纤2和三芯光纤3的折射率分布具有相同的圆对称准高斯分布)；图5c是热扩散处理后热扩散区域13轴向剖面的折射率分布等高线图，轴向剖面沿45°方向，可以看出熔接点12两端的双包层光纤2和三芯光纤3，具有平稳渐变的折射率分布过渡，且熔接点12处的折射率分布匹配，因此该高斯模场分束/合束器单模光纤1的基模能够高耦合效率的转变为三芯光纤3的基模。
双包层光纤2具有圆对称结构，在作热扩散处理之后，截面折射率分布具有非常好的圆对称分布。三芯光纤3的截面折射率分布不具有圆对称结构，因此在三芯光纤3作热扩散后，截面折射率分布不具有非常好的圆对称分布。但是在长时间的热扩散后，三芯光纤3的截面折射率分布会更加趋近于圆对称分布。曲线53与曲线55分别是热扩散处理后，双包层光纤2和三芯光纤3沿45°方向上的折射率分布，从中可以看出，在折射率分布上基本相同，因此对模耦合效率的影响较小。利用Beam Propagation Method对热扩散处理后的光纤进行仿真处理，仿真结果如图5d所示，为光纤链xz轴方向上的模场传输图。从仿真结果可以看出，具有较高的耦合效率，耦合效率为99.7％。
本发明实施例提供的高斯模场分束/合束器，具有双向使用的特性，并且具有制作简单、耦合效率高、可批量生产的优点。与在先技术相比，由于对双包层光纤2进行了精心设计，并采用热扩散技术进行处理，实现了单模光纤与三芯光纤之间高耦合效率的高斯模场转换。
实施例2：
本实施例高斯模场分束/合束器的结构为单模光纤-双包层光纤-四芯光纤，即多芯高斯模场光纤选用四芯光纤。本实施例所选用的单模光纤1的几何尺寸为，包层4直径为125μm、纤芯5直径为8μm，纤芯5的数值孔径为0.14；所选用双包层光纤2的几何尺寸为，外包层8直径为125μm、内包层7直径为44μm、纤芯6直径为8μm，纤芯6的数值孔径为0.14；所选用四芯光纤3的横截面如图6所示，四芯光纤3包层61的直径为125μm、四个芯62的直径均为8μm，中间芯位于光纤轴心，其它三个芯位于等边三角形三个角上，中间芯到其它三个芯的距离均为15 μm。本实施例所选用的双包层光纤2的长度为厘米量级以上。所选用光纤的掺杂剂种类均为锗，双包层光纤2和四芯光纤3的横截面上初始掺杂总量相同。
本实施例高斯模场分束/合束器的制作步骤为：确定四芯光纤3具体参数，根据双包层光纤2设计的两个基本原则，选取相应参数的双包层光纤2。截取厘米量级以上的双包层光纤2，双包层光纤2一端与单模光纤1一端熔接，双包层光纤2另一端与四芯光纤3熔接，将连接后的光纤链热扩散区域13放入炉子加热区中心轴上作热扩散处理。
热扩散处理的具体实施方式与实施例1相同，本实施例中热扩散区域13的加热时间为6小时。
通过以上的处理方式，即可制作得到纤维集成的高斯模场分束/合束器。该高斯模场分束/合束器，具有双向使用的特性，即可以是从单模光纤1到四芯光纤3的高斯模场分束器，也可以是四芯光纤3到单模光纤1的高斯模场合束器。通过热扩散处理过程，熔接点12处实现折射率分布匹配，使该高斯模场分束/合束器的单模光纤1的基模能够高耦合效率的转变为四芯光纤3的基模，或者四芯光纤3的基模能够高耦合效率的转变为单模光纤1的基模。
利用有限元法对光纤热扩散处理过程建立模型，对热扩散处理过程中折射率分布的变化进行仿真，仿真结果如图7所示。图7a是热扩散处理前熔接点12处的双包层光纤2和四芯光纤3的折射率分布图，曲线71是双包层光纤2的折射率分布，曲线72是四芯光纤3沿y轴方向上的折射率分布；图7b是热扩散处理后熔接点12处的双包层光纤2和四芯光纤3的折射率分布图，曲线73是加热6小时后双包层光纤2的折射率分布，曲线74是加热6小时后四芯光纤3沿x轴方向的折射率分布，曲线75是加热6小时后四芯光纤3沿45°方向的折射率分布，曲线76是加热6小时后四芯光纤3沿y轴方向的折射率分布，可见熔接点12处双包层光纤2和四芯光纤3的折射率分布完全匹配(即，在熔接点12处实现了双包层光纤2和四芯光纤3的折射率分布具有相同的圆对称准高斯分布)；图7c是热扩散处理后热扩散区域13轴向剖面的折射率分布等高线图，轴向剖面沿x轴方向，可以看出熔接点12两端的双包层光纤2和四芯光纤3，具有平稳渐变的折射率分布过渡，且熔接点12处的折射率分布匹配，因此该高斯模场分束/合束器单模光纤1的基模能够高耦合效率的转变为四芯光纤3的基模。
双包层光纤2具有圆对称结构，在作热扩散处理之后，截面折射率分布具有非常好的圆对称分布。四芯光纤3的截面折射率分布不具有圆对称结构，因此在四芯光纤3作热扩散后，截面折射率分布不具有非常好的圆对称分布。但是在长时间的热扩散后，四芯光纤3的截面折射率分布会更加趋近于圆对称分布。从图7b可以看出，热扩散处理后，双包层光纤2和四芯光纤3在多个方向上的折射率分布基本相同，因此对模耦合效率的影响较小。利用Beam Propagation Method对热扩散处理后的光纤进行仿真处理，仿真结果如图7d所示，为光纤链xz轴方向上的模场传输图。从仿真结果可以看出，具有较高的耦合效率，耦合效率为99.9％。
本发明实施例提供的高斯模场分束/合束器，具有双向使用的特性，并且具有制作简单、耦合效率高、可批量生产的优点。与在先技术相比，由于对双包层光纤2进行了精心设计，并采用热扩散技术进行处理，实现了单模光纤与四芯光纤之间高耦合效率的高斯模场转换。
实施例3：
本实施例高斯模场分束/合束器的结构为单模光纤-双包层光纤-五芯光纤，即多芯高斯模场光纤选用五芯光纤。本实施例所选用的单模光纤1的几何尺寸为，包层4直径为125μm、纤芯5直径为8μm，纤芯5的数值孔径为0.14；所选用双包层光纤2的几何尺寸为，外包层8直径为125μm、内包层7直径为63μm、纤芯6直径为8μm，纤芯6的数值孔径为0.14；所选用五芯光纤3的横截面如图8所示，五芯光纤3包层81的直径为125μm、五个芯82的直径均为8μm，中间芯位于光纤轴心，其它四个芯位于正四方形四个角上，中间芯到其它四个芯的距离均为
Figure BDA0001903275880000101
本实施例所选用的双包层光纤2的长度为厘米量级以上。所选用光纤的掺杂剂种类均为锗，双包层光纤2和五芯光纤3的横截面上初始掺杂总量相同。
本实施例高斯模场分束/合束器的制作步骤为：确定五芯光纤3具体参数，根据双包层光纤2设计的两个基本原则，选取相应参数的双包层光纤2。截取厘米量级以上的双包层光纤2，双包层光纤2一端与单模光纤1一端熔接，双包层光纤2另一端与五芯光纤3熔接，将连接后的光纤链热扩散区域13放入炉子加热区中心轴上作热扩散处理。
热扩散处理的具体实施方式与实施例1相同，本实施例中热扩散区域13的加热时间为4小时。
通过以上的处理方式，即可制作得到纤维集成的高斯模场分束/合束器。该高斯模场分束/合束器，具有双向使用的特性，即可以是从单模光纤1到五芯光纤3的高斯模场分束器，也可以是五芯光纤3到单模光纤1的高斯模场合束器。通过热扩散处理过程，熔接点12处实现折射率分布匹配，使该高斯模场分束/合束器的单模光纤1的基模能够高耦合效率的转变为五芯光纤3的基模，或者五芯光纤3的基模能够高耦合效率的转变为单模光纤1的基模。
利用有限元法对光纤热扩散处理过程建立模型，对热扩散处理过程中折射率分布的变化进行仿真，仿真结果如图9所示。图9a是热扩散处理前熔接点12处的双包层光纤2和五芯光纤3的折射率分布图，曲线91是双包层光纤2的折射率分布，曲线92是五芯光纤沿45°方向上的折射率分布；图9b是热扩散处理后熔接点12处的双包层光纤2和五芯光纤3的折射率分布图，曲线93是加热4小时后双包层光纤2的折射率分布，曲线94是加热4小时后五芯光纤3沿x轴方向的折射率分布，曲线95是加热4小时后五芯光纤3沿45°方向的折射率分布，曲线96是加热4小时后五芯光纤3沿y轴方向的折射率分布，可见熔接点12处双包层光纤2和五芯光纤3的折射率分布完全匹配(即，在熔接点12处实现了双包层光纤2和五芯光纤3的折射率分布具有相同的圆对称准高斯分布)；图9c是热扩散处理后热扩散区域13轴向剖面的折射率分布等高线图，轴向剖面沿x轴方向，可以看出熔接点12两端的双包层光纤2和五芯光纤3，具有平稳渐变的折射率分布过渡，且熔接点12处的折射率分布匹配，因此该高斯模场分束/合束器单模光纤1的基模能够高耦合效率的转变为五芯光纤3的基模。
双包层光纤2具有圆对称结构，在作热扩散处理之后，截面折射率分布具有非常好的圆对称分布。五芯光纤3的截面折射率分布不具有圆对称结构，因此在五芯光纤3作热扩散后，截面折射率分布不具有非常好的圆对称分布。但是在长时间的热扩散后，五芯光纤3的截面折射率分布会更加趋近于圆对称分布。从图9b可以看出，热扩散处理后，双包层光纤2和五芯光纤3在多个方向上的折射率分布基本相同，因此对模耦合效率的影响较小。利用Beam Propagation Method对热扩散处理后的光纤进行仿真处理，仿真结果如图9d所示，为光纤链xz轴方向上的模场传输图。从仿真结果可以看出，具有较高的耦合效率，耦合效率为99.9％。
本发明实施例提供的高斯模场分束/合束器，具有双向使用的特性，并且具有制作简单、耦合效率高、可批量生产的优点。与在先技术相比，由于对双包层光纤2进行了精心设计，并采用热扩散技术进行处理，实现了单模光纤与五芯光纤之间高耦合效率的高斯模场转换。
实施例4：
本实施例高斯模场分束/合束器的结构为单模光纤-双包层光纤-七芯光纤，即多芯高斯模场光纤选用七芯光纤。本实施例所选用的单模光纤1的几何尺寸为，包层4直径为125μm、纤芯5直径为8μm，纤芯5的数值孔径为0.14；所选用双包层光纤2的几何尺寸为，外包层8直径为125μm、内包层7直径为59μm、纤芯6直径为8μm，纤芯6的数值孔径为0.14；所选用七芯光纤3的横截面如图10所示，七芯光纤3包层101的直径为125μm、七个芯102的直径均为8μm，中间芯位于光纤轴心，其它六个芯位于正六方形六个角上，中间芯到其它六个芯的距离均为20μm。本实施例所选用的双包层光纤2的长度为厘米量级以上。所选用光纤的掺杂剂种类均为锗，双包层光纤2和七芯光纤3的横截面上初始掺杂总量相同。
本实施例高斯模场分束/合束器的制作步骤为：确定七芯光纤3具体参数，根据双包层光纤2设计的两个基本原则，选取相应参数的双包层光纤2。截取厘米量级以上的双包层光纤2，双包层光纤2一端与单模光纤1一端熔接，双包层光纤2另一端与七芯光纤3熔接，将连接后的光纤链热扩散区域13放入炉子加热区中心轴上作热扩散处理。
热扩散处理的具体实施方式与实施例1相同，本实施例中热扩散区域13的加热时间为4小时。
通过以上的处理方式，即可制作得到纤维集成的高斯模场分束/合束器。该高斯模场分束/合束器，具有双向使用的特性，即可以是从单模光纤1到七芯光纤3的高斯模场分束器，也可以是七芯光纤3到单模光纤1的高斯模场合束器。通过热扩散处理过程，熔接点12处实现折射率分布匹配，使该高斯模场分束/合束器的单模光纤1的基模能够高耦合效率的转变为七芯光纤3的基模，或者七芯光纤3的基模能够高耦合效率的转变为单模光纤1的基模。
利用有限元法对光纤热扩散处理过程建立模型，对热扩散处理过程中折射率分布的变化进行仿真，仿真结果如图11所示。图11a是热扩散处理前熔接点12处的双包层光纤2和七芯光纤3的折射率分布图，曲线111是双包层光纤2的折射率分布，曲线112是七芯光纤沿x轴方向上的折射率分布；图11b是热扩散处理后熔接点12处的双包层光纤2和七芯光纤3的折射率分布图，曲线113是加热4小时后双包层光纤2的折射率分布，曲线114是加热4小时后七芯光纤3沿x轴方向的折射率分布，曲线115是加热4小时后七芯光纤3沿y轴方向的折射率分布，可见熔接点12处双包层光纤2和七芯光纤3的折射率分布完全匹配(即，在熔接点12处实现了双包层光纤2和七芯光纤3的折射率分布具有相同的圆对称准高斯分布)；图11c是热扩散处理后热扩散区域13轴向剖面的折射率分布等高线图，轴向剖面沿x轴方向，可以看出熔接点12两端的双包层光纤2和七芯光纤3，具有平稳渐变的折射率分布过渡，且熔接点12处的折射率分布匹配，因此该高斯模场分束/合束器单模光纤1的基模能够高耦合效率的转变为七芯光纤3的基模。
双包层光纤2具有圆对称结构，在作热扩散处理之后，截面折射率分布具有非常好的圆对称分布。七芯光纤3的截面折射率分布不具有圆对称结构，因此在七芯光纤3作热扩散后，截面折射率分布不具有非常好的圆对称分布。但是在长时间的热扩散后，七芯光纤3的截面折射率分布会更加趋近于圆对称分布。从图11b可以看出，热扩散处理后，双包层光纤2和七芯光纤3在多个方向上的折射率分布基本相同，因此对模耦合效率的影响较小。利用Beam Propagation Method对热扩散处理后的光纤进行仿真处理，仿真结果如图11d所示，为光纤链xz轴方向上的模场传输图。从仿真结果可以看出，具有较高的耦合效率，耦合效率为99.2％。
本发明实施例提供的高斯模场分束/合束器，具有双向使用的特性，并且具有制作简单、耦合效率高、可批量生产的优点。与在先技术相比，由于对双包层光纤2进行了精心设计，并采用热扩散技术进行处理，实现了单模光纤与七芯光纤之间高耦合效率的高斯模场转换。
以上所述，仅为本发明的优选实施例，但本发明的保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员根据本发明的精神和范围，对本发明进行各种改动和变化，均应包含在本发明权利要求保护范围内。

Claims (3)

1.一种纤维的集成高斯模场分束/合束器。其特征是：它由单模光纤1、双包层光纤2和多芯高斯模场光纤3连接组成。所述模场分束/合束器中长度为厘米量级以上的双包层光纤2位于单模光纤1和多芯高斯模场光纤3之间，两端分别熔接。所述模场分束/合束器在双包层光纤2与多芯高斯模场光纤3的熔接点12处施加热扩散，热扩散目的是在热扩散区域13形成折射率渐变区，使双包层光纤2的基模能够绝热地转变为多芯高斯模场光纤3的基模。
2.权利要求1所述的多芯高斯模场光纤3包括但不限于纤芯数量为三芯及以上的多芯光纤。
3.根据权利要求1所述纤维集成的高斯模场分束/合束器的制备方法，其特征是包括如下步骤：
1)、设计双包层光纤2
通过热扩散的方法实现单芯高斯模场光纤-多芯高斯模场光纤之间高耦合效率的高斯模场转换，需要对双包层光纤2进行精心设计。对双包层光纤2设计的两个基本原则为：(1)单模光纤1的基模与双包层光纤2的基模匹配，满足这种基模匹配条件是单模光纤1的数值孔径等于双包层光纤2的纤芯6相对于内包层7的数值孔径，并且单模光纤1的纤芯5直径等于双包层光纤2的纤芯6直径；(2)双包层光纤2与多芯高斯模场光纤3在横截面上的初始掺杂总量相同，且所述的三种光纤的掺杂物质一致。
2)、对热扩散区域13进行热扩散处理
热扩散区域13中心位置温度最高，温度场中心与熔接点12重合。热扩散区域13长度在厘米量级以上，保证梯度温度场中形成的折射率渐变区足够缓变。
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