CN111552025A - 一种具有下凹三包层过渡光纤的多芯光纤Fan-in/out器件 - Google Patents

一种具有下凹三包层过渡光纤的多芯光纤Fan-in/out器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种具有下凹三包层过渡光纤的多芯光纤Fan‑in/out器件，其特征是：所述的多芯光纤Fan‑in/out器件包括N根标准单模光纤、N根下凹三包层过渡光纤、N孔石英套管和N芯光纤，N为大于1的整数；所述的下凹三包层过渡光纤由纤芯、内包层、低折射率环形包层和外包层组成；所述的N根下凹三包层过渡光纤的一端与N根标准单模光纤匹配熔接，另一端分别插入N孔石英套管的各个孔内，在高温下拉锥、切割后，与N芯光纤对芯匹配熔接；拉锥后，所述的三包层过渡光纤的纤芯和内包层组成新的纤芯，低折射率环形包层和外包层组成新的包层。本发明能实现纤芯排列密度高的多心光纤的超低损耗连接。

Description

一种具有下凹三包层过渡光纤的多芯光纤Fan-in/out器件
(一)技术领域
本发明涉及的是一种具有下凹三包层过渡光纤的多芯光纤Fan-in/out器件，属于多芯光纤器件技术领域。
(二)背景技术
多芯光纤在空分复用的光通讯传输系统中起到了至关重要的作用。在这样的高速、大容量的信息传输系统中，多芯光纤分束器是将信号从多芯光纤的每个纤芯互不干扰地单独分离出来，并和普通的单模光纤相连接的光纤集成器件。通常来说，多芯光纤Fan-in/out需要有以下的一些性能特点：(1)覆盖传统的光通讯波段(C+L波段)；(2)每个信号通道需要承受数十到数百毫瓦的光功率；(3)低的插入损耗；(4)低的芯间串扰；(5)小的器件尺寸；(6)长期的工作稳定性等。因此，能否制备出满足以上性能特征的多芯光纤分束器件是空分复用技术在高速、大容量光通讯网络中得到广泛应用的关键。
2015年哈尔滨工业大学提出并制备了一种四芯光纤的分束器(CUI,Jiwen,etal.Fan-out device for multicore fiber coupling application based on capillarybridge self-assembly fabrication method.Optical Fiber Technology,2015,26:234-242.)。该器件采用了氢氟酸刻蚀的方法，使四根单模光纤的一端变细后一起插入低粘性的UV胶中，然后利用毛细现象，将四根光纤的细径端自集成后，使用紫外灯固化，固定光纤位置，然后整体插入套管中，采用热固化胶使得光纤束和套管固化。采用研磨的方法使得光纤束的端面平整，最后和多芯光纤对芯连接，整个器件的插入损耗小于1.25dB。这种方法制备出的多芯光纤分束器件的连接端面有胶，因此不能和多芯光纤焊接，端面的反射会增加器件的插入损耗。
专利US20140369659A1提出一种基于消失芯原理的多芯光纤Fan-in/out。该多芯光纤Fan-in/out采用的多根双包层光纤组成一个光纤束，并使用熔融拉锥的方法，使得每根双包层光纤的直径逐渐变细，纤芯内的光束过渡到内包层内传输，形成与多芯光纤模场相似的模场分布。该方案中采用的是双包层光纤，该光纤的纤芯与外包层的折射率差很大，意味着纤芯的掺杂浓度很高，而高的纤芯掺杂浓度将会带来较大的散射损耗和较强的非线性效应等问题。
当然，在国内外的研究人员的不懈努力下，还发展出其他的器件制备方案，例如采用空间透镜组合耦合的方法、3D波导激光直写法等等。然而这些方法有着各自的缺点，不是连接损耗大，就是器件的长期稳定性难以保证。并且随着多芯光纤的发展，对空分复用的要求越来越高，单根多芯光纤早已从最初的七芯光纤发展至具有更多纤芯数量、更高纤芯密度的多芯光纤，如19芯光纤、32芯光纤等。这些高纤芯密度的多芯光纤对Fan-in/out器件的制备工艺提出了更高的要求，因为更高的纤芯密度意味着更精确的对准工艺，只有把每个纤芯通道的几何位置和多芯光纤对准，才能很好地降低各个通道的连接损耗和串扰问题。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种具有下凹三包层过渡光纤的多芯光纤Fan-in/out器件。
本发明的目的是这样实现的：
一种具有下凹三包层过渡光纤的多芯光纤Fan-in/out器件，其特征是：所述的多芯光纤Fan-in/out器件包括N根标准单模光纤、N根下凹三包层过渡光纤、N孔石英套管和N芯光纤，N为大于1的整数；
所述的下凹三包层过渡光纤由纤芯、内包层、低折射率环形包层和外包层组成；
所述的N根下凹三包层过渡光纤的一端与N根标准单模光纤匹配熔接，另一端分别插入N孔石英套管的各个孔内，在高温下拉锥、切割后，与N芯光纤对芯匹配熔接；拉锥后，所述的三包层过渡光纤的纤芯和内包层组成新的纤芯，低折射率环形包层和外包层组成新的包层。
所述的下凹三包层过渡光纤的纤芯为锗掺杂纤芯，内包层为纯石英，纤芯与内包层的相对折射率差为：0.4％～0.6％；低折射率环形包层为深氟掺杂层，低折射率环形包层与内包层的相对折射率差为：-0.7％～-0.4％；外包层为纯石英层或轻氟掺杂层，外包层与内包层的相对折射率差为：-0.4％～0。
所述的下凹三包层过渡光纤的折射率分布是阶跃折射率分布的，也可以是梯度折射率分布的。
所述的N孔石英套管通过组棒法将N个相同的单孔预制构件和若干填充预制构件组合后，插入尺寸匹配的大孔石英圆柱套管内，再经过高温控压拉制而成；
所述的N孔石英套管的孔的分布和多芯光纤的纤芯分布相同，孔直径为126-130微米；
本发明至少具备以下的几项突出的有益效果：
(1)纤芯和内包层的折射率分布和与标准单模光纤相同，能够实现完美的模场匹配，减少熔接损耗。
(2)由于三包层光纤具有环形的凹陷低折射率层，因此会减小由于弯曲带来的损耗，增强光纤的抗弯曲特性，。
(3)高的纤芯掺杂会带来较高的散射损耗，并且导致较严重的非线性效应。本发明采用的低掺杂纤芯设计的三包层过渡光纤，减小了光信号在传输过程中的散射损耗和非线性效应。
(4)本发明通过组棒法拉制多孔石英套管，能更精确地保证每个孔的直径和空间距大小，这保证了制备出来的器件输出端的纤芯的几何分布和多芯光纤纤芯的几何分布的匹配精度，尤其适合纤芯数量多、纤芯密度高的多芯光纤的每个通道的低损连接。
(四)附图说明
图1是具有下凹三包层的过渡光纤，图1(a)为其端面结构，图1(b)为其折射率分布图。
图2是下凹三包层过渡光纤1在拉锥前后的端面形状变化以及折射率分布变化图。纤芯1-1和内包层1-2在拉锥后一同组成新的纤芯2-1，低折射率环形包层1-3变化为新的包层2-2，外包层1-4变化为新的外包层2-3。
图3是下凹三包层过渡光纤1在拉锥后，传输光场的变化仿真结果。左边是锥体结构图，模场分布由旧纤芯逐渐过渡到新的纤芯；右边是基模模场的功率监控，可以看出模场在锥体变化的过程中始终保持基模传输。
图4是三根三包层过渡光纤组成的光纤束拉锥仿真结果图。
图5是对比文件专利US20140369659A1中提到的双包层光纤3的结构及折射率分布图，包括纤芯3-1，内包层3-2，外包层3-3。
图6是一种下凹三包层的过渡光纤折射率分布，该光纤纤芯采用锗元素掺杂，低折射率环形包层采用高浓度氟元素掺杂，外包层采用低浓度的氟元素掺杂。
图7是一种下凹三包层的过渡光纤，其折射率分布是渐变的。
图8是32芯光纤4的结构。
图9是32孔石英套管的制备步骤。
图10是32芯光纤Fan-in/out器件的结构图。1为下凹三包层过渡光纤，4为32芯光纤，5为32孔石英套管，6为标准单模光纤，7为制备的光纤束锥体，7-1为光纤束锥体切割后的端面结构。
图11是32芯光纤Fan-in/out器件制备的步骤图。
(五)具体实施方式
下面结合附图说明本发明的工作原理，并以32芯光纤Fan-in/out器件为具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1：
首先，举一具体实例对具有下凹三包层的过渡光纤和器件的工作原理进行具体的描述。
图1(a)所示的是本发明所采用的具有下凹三包层过渡光纤1的结构图，图1(b)对应其折射率分布。
优选地，该光纤的纤芯为锗掺杂纤芯1-1，内包层为纯石英1-2，纤芯1-1半径r1为8～10微米，内包层1-2半径r2为20～35微米，纤芯1-1与内包层1-2的相对折射率差Δn1为0.4％～0.6％；低折射率环形包层1-3为深氟掺杂层，半径r3为35～62.5微米，低折射率环形包层1-3与内包层1-2的相对折射率差Δn2为：-0.7％～-0.4％；外包层1-4为纯石英，光纤半径为r4＝62.5微米。
这种三包层过渡光纤在拉锥后，随着光纤直径的变化，其对光场束缚和传导特性会发生变化。如图2所示，拉锥后，其纤芯1-1和内包层1-2组成新的纤芯2-1，低折射率环形包层1-3和外包层1-4组成新的包层(2-2和2-3)。采用光束传播法对这种拉锥结构进行仿真，结果如图3所示，左边是锥体结构图，模场分布由旧纤芯逐渐过渡到新的纤芯；右边是基模模场的功率监控，可以看出模场在锥体变化的过程中始终保持基模传输。
如图4所示，基于上述的光场过渡原理，对三根三包层过渡光纤组成的光纤束拉锥仿真，由仿真结果可见，输入光场输入每根光纤，光纤之间间隔为250微米，经过光纤束锥体后，光场稳定传输，在输出端形成很好的基模输出，并且输出光场之间的间距被压缩到了40微米。显然这种过渡传输，能够实现多芯光纤和多根标准单模光纤的光路连接。
当然，在专利US20140369659A1中也提到过采用如图5所示的双包层光纤3作为过渡光纤。该光纤包含纤芯3-1、内包层3-2和外包层3-3，其纤芯3-1与外包层3-3的折射率差很大，意味着纤芯3-1的掺杂浓度很高，而高的纤芯掺杂浓度将会带来较大的散射损耗和较强的非线性效应等问题。并且在上述的光纤束拉锥的过程中，在光纤束外围的光纤在拉锥的过程会有一定的弯曲(如图4仿真结果图)，而这种双包层光纤的抗弯曲损耗特性显然不好，这就增加了整个器件的损耗。本发明就此方面有显著的优势。首先，本发明采用的三包层过渡光纤的纤芯并不需要高浓度的掺杂，其掺杂工艺采用标准单模光纤的制备工艺即可，并能和标准单模光纤焊接时实现完美的模场匹配，减少连接损耗。其次，相对低的锗掺杂浓度显然对于降低散射损耗也是有所帮助。最后，三包层过渡光纤具有低折射率的掺杂层，这增加了光纤的抗弯曲损耗特性。
从光纤的制备工艺和进一步改进来看，本发明提出的三包层过渡光纤还可以进行进一步的演化，进而提高器件性能。如图6所示，光纤的外包层1-4除了采用纯石英外，也可采用具有轻微氟掺杂的低折射率层作为外包层，外包层与内包层的折射率差为Δn3。如图7所示，三包层过渡光纤的折射率变化除了阶跃的，也可以是渐变的。
实施例2：
其次，举一具体实例对制备器件的必要组成部件多孔套管进行具体实施描述。
多芯光纤Fan-in/out器件的一个十分重要的地方是其输出端的每个通道的几何分布要和多芯光纤精密匹配。尤其是对于纤芯数量多，纤芯密度高的多芯光纤来说，这是一个比较棘手的技术难题。为此本发明提出的多芯光纤Fan-in/out器件采用了精密的多孔套管。
为了实现如图8所示的32芯光纤4的Fan-in/out器件，需要按照图9所示的步骤制备32孔套管5。
步骤1：预制构件制备：通过研磨，打孔工艺，制备弧形填充预制构件5-1、实心的方条形填充构件5-2、带孔的方条形填充构件5-3、薄皮圆柱套管5-4，材料均选用纯石英，如图9(a)所示。
步骤2：组棒。按照32芯光纤4的纤芯分布，对步骤1中的预制构件组合，形成如图9(b)所示的组合预制件。
步骤3：拉制。将组合预制件穿过1900摄氏度的石墨炉，控制组合预制件孔内的气压，对其进行拉制，形成32孔石英套管5，如图9(c)所示。
具体来说，三包层过渡光纤1、32芯光纤4、32孔石英套管5的几何尺寸参数可以如下表所示：
表1单位：微米
Figure BDA0002444850010000051
实施例3：
最后，对32芯光纤Fan-in/out器件制备方法进行优选的实施例描述。
如图10所示的是32芯光纤Fan-in/out器件的结构图，其中包括32根标准单模光纤6、32根下凹三包层过渡光纤1、32孔石英套管5和32芯光纤4。
具体地，这种32芯光纤Fan-in/out器件的制备步骤如图11所示。
步骤1：组合。32根下凹三包层过渡光纤1的一端剥去涂覆层6cm后，分别插入32孔石英套管5的各个孔内。
步骤2：拉锥。将组合好的石英套管两端用夹具8-1/8-2夹持，使用来回扫描移动的氢氧焰9对石英套管进行加热1分钟，使三包层过渡光纤1和石英套管5在孔内粘合，接着夹具8-1和8-2向两侧背向以1mm/min的速度运动，使光纤束拉锥，待锥腰处直径为220微米(与32芯光纤直径相同)时停止拉锥。
步骤3：切割。使用光纤切割刀10，在光纤束锥腰直径均匀处，切割。
步骤4：熔接。使用光纤熔接机完成三包层过渡光纤1与标准单模光纤6的熔接，完成光纤束锥体一端与32芯光纤4的对芯熔接。
经过上述的步骤，即可完成一个32芯光纤Fan-in/out器件的制备。当然，为了保证器件的稳定性及易用性，需要对器件进行很好的封装。
在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护的范围。

Claims (5)

1.一种具有下凹三包层过渡光纤的多芯光纤Fan-in/out器件，其特征是：所述的多芯光纤Fan-in/out器件包括N根标准单模光纤、N根下凹三包层过渡光纤、N孔石英套管和N芯光纤，N为大于1的整数；
所述的下凹三包层过渡光纤由纤芯、内包层、低折射率环形包层和外包层组成；
所述的N根下凹三包层过渡光纤的一端与N根标准单模光纤匹配熔接，另一端分别插入N孔石英套管的各个孔内，在高温下拉锥、切割后，与N芯光纤对芯匹配熔接；拉锥后，所述的三包层过渡光纤的纤芯和内包层组成新的纤芯，低折射率环形包层和外包层组成新的包层。
2.根据权利要求1所述的一种具有下凹三包层过渡光纤的多芯光纤Fan-in/out器件，其特征是：所述的下凹三包层过渡光纤的纤芯为锗掺杂纤芯，内包层为纯石英，纤芯与内包层的相对折射率差为：0.4％～0.6％；低折射率环形包层为深氟掺杂层，低折射率环形包层与内包层的相对折射率差为：-0.7％～-0.4％；外包层为纯石英层或轻氟掺杂层，外包层与内包层的相对折射率差为：-0.4％～0。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种具有下凹三包层过渡光纤的多芯光纤Fan-in/out器件，其特征是：所述的下凹三包层过渡光纤的折射率分布是阶跃折射率分布的，也可以是梯度折射率分布的。
4.根据权利要求1所述的一种具有下凹三包层过渡光纤的多芯光纤Fan-in/out器件，其特征是：所述的N孔石英套管通过组棒法将N个相同的单孔预制构件和若干填充预制构件组合后，插入尺寸匹配的大孔石英圆柱套管内，再经过高温控压拉制而成。
5.根据权利要求1所述的一种具有下凹三包层过渡光纤的多芯光纤Fan-in/out器件，其特征是：所述的N孔石英套管的孔的分布和多芯光纤的纤芯分布相同，孔直径为126-130微米。
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