CN111552034A - 多芯光纤m×n型多路分束器 - Google Patents

多芯光纤m×n型多路分束器 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种多芯光纤M×N型多路分束器。其特征是：它由单模光纤、一根M芯多芯光纤、一根N芯多芯光纤以及两个将单模光纤两端和两根多芯光纤分别连接起来的绝热转换锥区组成。所述组成中，绝热转换锥区是由多芯光纤插入具有低折射率隔离层的石英套管，并在高温下拉锥而成。M芯多芯光纤的任意纤芯通道中传输的光能通过绝热转换锥区，高效耦合进单模光纤中。然后再通过另一个绝热转换锥区，单模光纤内的光分束耦合到N芯多芯光纤的各个通道内传输。本发明可用于两根多芯光纤之间的分束耦合连接。

Description

多芯光纤M×N型多路分束器
(一)技术领域
本发明涉及的是一种多芯光纤M×N型多路分束器，可用于不同纤芯数量的多芯光纤的光路耦合，属于光纤器件技术领域。
(二)背景技术
光纤定向耦合器是一种重要的光纤无源器件，通常来说，人们采用熔融拉锥法来制备光纤定向耦合器。传统的光纤定向耦合器是将两根或多根单模单芯光纤靠在一起，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。
随着光纤传感和光纤通讯应用需求的不断增加，光纤技术的不断发展，多芯光纤应运而生。随之而来的问题便是如何解决基于多芯光纤的分束器，完成多芯光纤的光路耦合的问题。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，其简单地将单芯光纤和多芯光纤熔接，然后在焊点处拉锥，将焊点两端的单芯光纤和多芯光纤拉至很细，然后实现光束由单芯光纤到多芯光纤的各个纤芯耦合。这种耦合器虽然能实现光束由单芯光纤向多芯光纤的耦合，将光束的能量分束到不同的纤芯通道中传输，但是其至少具备以下的几个缺点：(1)由于拉锥后的锥区直径很细，使得器件极其脆弱；(2)通常来说单芯光纤和多芯光纤的熔点会有所区别，因此在拉锥过程中难以控制温度，使锥区对称，从而影响耦合效果；(3)锥区的光场耦合受外界空气环境的影响大。
单芯光纤和多芯光纤能通过拉锥的方式实现耦合器的制备，实现多芯光纤的分束。那么，如何实现两个多芯光纤，甚至是纤芯数量不同的多芯光纤之间的任意纤芯光路之间的分束连接呢？将两根多芯光纤直接焊接，然后在焊点处拉锥也能实现各个纤芯之间的分束连接，但这种方法难以权衡各个纤芯之间的能量耦合分配问题。也可以采用上述专利CN100456066C中的方案，在同一个单模光纤的两端分别和不同的多芯光纤熔接并制备两个多芯光纤分束器，单模光纤起到过渡的作用。但是同样的，这种分束器存在上述的多个明显缺点。
所以，如何实现不同多芯光纤(如不同纤芯数量的两根多芯光纤)的每个纤芯通道之间的光能耦合，并且能够控制每个纤芯通道内所分配的能量比例，制备出稳定、可靠的多芯光纤分束器是急需解决的一个问题。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种稳定、可靠的多芯光纤M×N型多路分束器，实现两根多芯光纤任意纤芯通道之间的分束耦合功能。
本发明的目的是这样实现的：
一种多芯光纤M×N型多路分束器，它由单模光纤、一根M芯多芯光纤、一根N芯多芯光纤以及两个将单模光纤两端和两根多芯光纤分别连接起来的绝热转换锥区组成。所述组成中，绝热转换锥区是由多芯光纤插入具有低折射率隔离层的石英套管，并在高温下拉锥而成。在该锥区中，石英套管的低折射率隔离层变细形成新的包层；低折射率隔离层的内部及多芯光纤变细形成新的纤芯。套管的外直径变细至锥腰处与单模光纤直径相同，于锥腰处切割并和单模光纤熔接。M芯多芯光纤的任意纤芯通道中传输的光能通过绝热转换锥区，高效耦合进单模光纤中。然后再通过另一个绝热转换锥区，单模光纤内的光分束耦合到N芯多芯光纤的各个通道内传输。
所述的两根多芯光纤的纤芯数量分别为M、N，M≥2，N≥2。
所述的石英套管是两层结构的套管，该套管的中间空心，可插入多芯光纤；套管内壁是一层氟元素掺杂形成的低折射率隔离层，外层是纯石英层。
所述的石英套管是三层结构的套管，该套管的中间空心，可插入多芯光纤；套管的三层结构分别是纯石英的外层、纯石英的内壁层、夹在外层和内壁层之间的低折射率隔离层。
所述的石英套管是三层结构的套管，其夹在外层和内壁层之间的低折射率隔离层可以是氟元素掺杂的低折射率隔离层，也可以是若干个环形均匀分布的微孔形成的低折射率隔离层。
所述的绝热锥区的长度满足绝热转换条件，使得多芯光纤纤芯内的能量在锥体传输满足绝热转换。
所述的多芯光纤M×N型多路分束器通过对绝热锥区热熔同轴扭转，实现多芯光纤每个纤芯内分光比例调节。
所述的多芯光纤M×N型多路分束器通过对绝热锥区加热至1400～1650摄氏度，实现锥区纤芯掺杂物质热扩散，达到绝热锥区折射率调制的目的，实现多芯光纤每个纤芯内分光比例调节。
相比较于在先技术而言，本发明至少具备以下的优点：
(1)整个耦合器直径不小于单模光纤的直径，改善了器件强度，提高了器件的稳定性和可靠性。
(2)通过在绝热锥区上热扩散或热熔扭转的方法实现锥区的折射率微调，从而能够在制备器件的过程中在线控制光能由单模光纤到多芯光纤不同纤芯的分光比。
(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(a)是19芯光纤结构图，图1(b)是32芯光纤结构图。
图2是基于19芯光纤和32芯光纤的多路分束器，虚线框内为器件组成方式，箭头所指的是对应位置处的横截面结构图。其中标号分别为：19芯光纤1，32芯光纤2，石英套管3，单模光纤4，绝热锥体5-1/5-2。
图3是一种石英套管3的结构图，包含中间的孔3-1，低折射率石英层3-2，纯石英外层3-3。
图4是实施例1中，石英套管和孔内的19芯光纤拉锥前(图4(a))和拉锥后(图4(b))后的横截面结构。
图5是利用热扩散的方法，在线调控19芯光纤的每个纤芯的分光比例的系统图。
图6是一种三层结构的石英套管12的结构图，包含中间的孔12-1，纯石英的内壁层12-2，环形低折射率隔离层12-3，纯石英外层12-4。
图7是实施例2中，三层结构的石英套管和孔内的19芯光纤拉锥前(图7(a))和拉锥后(图7(b))后的横截面结构。
图8是利用电弧热熔扭转的方法，在线调控19芯光纤的每个纤芯的分光比例的系统图。
图9是一种具有环形圆孔分布的石英套管15的结构图，包含中间的孔15-1，纯石英层15-2，环形分布的微孔层15-3。
图10是是实施例3中，具有环形圆孔分布的石英套管和孔内的19芯光纤拉锥前(图10(a))和拉锥后(10图(b))后的横截面结构。16-1为新的纤芯，16-2为气孔包层，16-3为纯石英外层。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做详细的说明。
实施例1：基于19芯光纤和32芯光纤的多路分束器。
19芯光纤1和32芯光纤2的纤芯分布分别如图2(a)、(b)所示。两种多芯光纤的直径均为200微米，但是其纤芯的间距和几何分布不同。如何实现19芯光纤1内的任意纤芯传输的光耦合进32芯光纤2里去呢？又如何控制32芯光纤2的每个纤芯内耦合的光的能量的比例分配呢？
如图2所示，虚线框内的是19芯光纤和32芯光纤的多路分束器，它包括单模光纤4、一根19芯光纤1、一根32芯光纤2以及两个将单模光纤两端和两根多芯光纤分别连接起来的绝热转换锥区5-1/5-2。虚线框外，每个实线箭头所指的是器件对应位置处的横截面图。其中，绝热转换锥区5-1/5-2是由19芯光纤1和32芯光纤2分别插入具有低折射率隔离层的石英套管3，并在高温下拉锥而成。19芯光纤1的任意纤芯通道中传输的光能通过绝热转换锥区5-1，高效耦合进单模光纤4中。然后再通过另一个绝热转换锥区5-2，单模光纤1内的光分束耦合到32芯光纤2的各个通道内传输。
石英套管3的端面结构如图3所示，其包括一个中间孔3-1，内壁层是氟掺杂的低折射率石英层3-2，外层3-3是纯石英层。石英套管的中间孔直径比多芯光纤直径稍大，使得多芯光纤能轻松插入孔内。
该19芯光纤和32芯光纤的多路分束器的制备步骤如下：
步骤1：取一段19芯光纤1，剥去涂覆层10～15厘米，插入石英套管3；
步骤2：将插入的19芯光纤1和石英套管3一起，于温度不低于1700摄氏度的氢氧焰下拉锥，使得石英套管的锥腰处直径变细至125微米，形成绝热转换锥区5-1。在该锥区中，19芯光纤的纤芯变细到1微米以下，其对光场的束缚能力几乎消失，可忽略不计，传输光场会泄漏至19芯光纤的包层内。石英套管3及套管内的19芯光纤1在拉锥前后横截面的变化如图4所示，整个19芯光纤1变细形成新的纤芯6-1，石英套管的低折射率隔离层3-2变细形成新的包层6-2，石英套管外层3-3变为石英外层6-3。图中各项参数如表1所示。
步骤3：在锥腰处切割，得到平整的端面，并将其与单模光纤4熔接。
步骤4：在线调控19芯光纤的每个纤芯的分光比例。如图5所示，用夹具7-1/7-2固定器件两端，单模光纤4自由端接入光源8，19芯光纤1接上19芯光纤Fan-in/out器件9，将每个纤芯通道接入不同的功率计10进行功率监控。在石英套管拉锥形成的绝热锥区处，使用1500～1600摄氏度的氢氧焰11加热，使其内部的掺杂物质发生热扩散，从而调制其折射率分布，达到调制19芯光纤内各个纤芯耦合功率比例的目的。待功率计10上各个通道的光功率比例达到要求后，停止热扩散。
步骤5：按照上述步骤制备32芯光纤的耦合器，将32芯光纤与单模光纤耦合连接。
步骤6：将步骤4和步骤5中制备得到的两个耦合器的单模光纤端熔接，得到如图2所示的基于19芯光纤和32芯光纤的多路分束器。
表1
Figure BDA0002444968810000051
实施例2：
本实施例与实施例1的不同之处有两点：
1、采用的石英套管有所不同。本实施例采用的石英套管12如图6所示。除了中间孔12-1外，其具有三层结构，分别是纯石英的外层12-4、纯石英的内壁层12-2、夹在外层和内壁层之间的环形低折射率隔离层12-3。19芯光纤1插入这种石英套管拉锥前后的横截面如图7所示。其中19芯光纤1和纯石英内壁层12-2在拉锥后共同形成新的纤芯13-1，环形低折射率隔离层12-3形成新包层13-2，纯石英的外层12-4变化成外层13-3。相比较实施例1而言，这样的设计是为了调节拉锥前后的比例，可让19芯光纤1的纤芯在拉锥后变得更细，对输出光场影响更小，从而提高绝热锥体输出的光场与单模光纤的耦合效率。
2、采用的在线调控19芯光纤的每个纤芯的分光比例的方法不同。本实施例采用同轴扭转的方法来调制绝热锥区的折射率分布，从而实现每个纤芯的分光比例。如图8所示，用夹具7-1/7-2固定器件两端，单模光纤4自由端接入光源8，19芯光纤1接上19芯光纤Fan-in/out器件9，将每个纤芯通道接入不同的功率计10进行功率监控。在石英套管拉锥形成的绝热锥区处，使用电弧14加热，并固定器件一端，另一端同轴扭转，使其内部的逐渐变细的纤芯产生渐变螺旋结构，从而调制其折射率分布，达到调制各个纤芯耦合功率比例的目的。待功率计10上各个通道的光功率比例达到要求后，停止加热扭转。
实施例3：
本实施例与实施例2的区别之处在于采用的石英套管有所不同。本实施例采用的石英套管15如图9所示。这里的隔离层是若干个环形均匀分布的微孔形成的低折射率隔离层15-3。如图10所示，在拉锥前后，石英套管15的环形微孔内层部形成新的纤芯16-1，微孔作为限制光的包层16-2。
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 (8)

1.一种多芯光纤M×N型多路分束器。其特征是：它由单模光纤、一根M芯多芯光纤、一根N芯多芯光纤以及两个将单模光纤两端和两根多芯光纤分别连接起来的绝热转换锥区组成；
所述组成中，绝热转换锥区是由多芯光纤插入具有低折射率隔离层的石英套管，并在高温下拉锥而成。在该锥区中，石英套管的低折射率隔离层变细形成新的包层；低折射率隔离层的内部及多芯光纤变细形成新的纤芯。套管的外直径变细至锥腰处与单模光纤直径相同，于锥腰处切割并和单模光纤熔接。M芯多芯光纤的任意纤芯通道中传输的光能通过绝热转换锥区，高效耦合进单模光纤中。然后再通过另一个绝热转换锥区，单模光纤内的光分束耦合到N芯多芯光纤的各个通道内传输。
2.根据权利要求1所述的一种多芯光纤M×N型多路分束器，其特征是：所述的两根多芯光纤的纤芯数量分别为M、N，M≥2，N≥2。
3.根据权利要求1所述的一种多芯光纤M×N型多路分束器，其特征是：所述的石英套管是两层结构的套管，该套管的中间空心，可插入多芯光纤；套管内壁是一层氟元素掺杂形成的低折射率隔离层，外层是纯石英层。
4.根据权利要求1所述的一种多芯光纤M×N型多路分束器，其特征是：所述的石英套管是三层结构的套管，该套管的中间空心，可插入多芯光纤；套管的三层结构分别是纯石英的外层、纯石英的内壁层、夹在外层和内壁层之间的低折射率隔离层。
5.根据权利要求1和权利要求4所述的一种多芯光纤M×N型多路分束器，其特征是：所述的石英套管是三层结构的套管，其夹在外层和内壁层之间的低折射率隔离层可以是氟元素掺杂的低折射率隔离层，也可以是若干个环形均匀分布的微孔形成的低折射率隔离层。
6.根据权利要求1所述的一种多芯光纤M×N型多路分束器，其特征是：所述的绝热锥区的长度满足绝热转换条件，使得多芯光纤纤芯内的能量在锥体传输满足绝热转换条件。
7.根据权利要求1所述的一种多芯光纤M×N型多路分束器，其特征是：所述的多芯光纤M×N型多路分束器通过对绝热锥区热熔同轴扭转，实现多芯光纤每个纤芯内分光比例调节。
8.根据权利要求1所述的一种多芯光纤M×N型多路分束器，其特征是：所述的多芯光纤M×N型多路分束器通过对绝热锥区加热至1400～1650摄氏度，实现锥区纤芯掺杂物质热扩散，达到绝热锥区折射率调制的目的，实现多芯光纤每个纤芯内分光比例调节。
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