CN112162365B - 单模光纤与多芯光纤快速耦合装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种单模光纤与多芯光纤快速耦合装置及方法，单模光纤与单偏心光纤连接，单偏心光纤插入第一插芯，多芯光纤插入第二插芯连接；第一插芯与第二插芯之间以可转动的方式连接；第一插芯与第二插芯的端面接触，单偏心光纤与多芯光纤的端面接触，且第一插芯与第二插芯可相对转动。通过将单模光纤先与单偏心光纤连接，然后再与偏心距相同的多芯光纤利用插芯定位连接的方案，实现了单模光纤与多芯光纤的快速耦合，可以实现多芯光纤与单偏芯光纤之间的快速对准，从而实现与普通单模光纤与之间的连接，方便快捷，适用现场环境的使用。通过旋转特制的插芯完成纤芯对准，还能够实现多芯光纤纤芯的交替利用。

Description

单模光纤与多芯光纤快速耦合装置及方法
技术领域
本发明涉及光纤通信和传感技术领域，特别是一种单模光纤与多芯光纤快速耦合装置及方法。
背景技术
多芯光纤可简单定义为在一个共同的包层区中存在多个纤芯，由于单模光纤信道容量提升至100Tbit/s，已接近极限，多芯光纤为增大光纤通信容量提供可能。但目前使用的通信设备均是由单模光纤输出信号，若需充分的将多芯光纤通信融合至通信系统，则要求多芯光纤和单模光纤间实现低损耗连接，因此多芯光纤耦合技术显得尤为重要，是推广多芯光纤实际应用与降低成本的关键因素。
目前多芯光纤耦合技术主要分为以下几种：
基于光纤束型：（1）毛细管堆叠法：利用薄包层单芯单模光纤束在毛细管内进行紧密排布，实现与多芯光纤的耦合，这种制备方法有两个难点，一是光纤束的排布，二是端面磨抛，加工技术相对复杂；例如中国专利文献CN 105204119 A中记载的一种基于微孔加工的多芯光纤耦合器制备方法。（2）熔融拉锥法：将多根普通单芯单模光纤拉锥，实现与多芯光纤的耦合，这种多芯光纤耦合器制备方法，其光纤耦合模场难以匹配，较难实现产品化。例如中国专利文献CN 105785511 A中记载的一种基于拉锥自组装的多芯光纤耦合器制备方法。
聚合波导型：利用波导将多芯光纤通道之间进行光束分离，简化光通道之间的分束和连接，这种制备方法损耗大，成本高。
空间棱镜型：使用各种类型的透镜，将实现单模光纤与多芯光纤的耦合；这种多芯光纤耦合器制备方法，器件积较大，使用不便，成本高，随着多芯纤芯数增加，难以扩展。因此需要寻找一种能够将单模光纤与多芯光纤连接的方案，以实现快速的线路增容改造。
光纤连接器：一种无源光器件，采用冷接技术方便快捷的实现光纤端面的对准的连接，与热熔接相比无需熔接设备以及对光纤的预处理，简单易操作，适用实际的应用场景。光纤连接器按连接头的结构形式来分类，有FC、SC、ST、LC、D4、DIN、MU、MT等；按光纤端面形状分有PC(SPC或UPC)和APC；按光纤芯数划分，有单芯和多芯(MT、MPO)之分。但是现有的光纤连接器不能实现单模光纤与多芯光纤的连接。
以上技术仅是对本发明技术基础的描述，以便于理解，并不是对上述技术属于现有技术的认可。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单模光纤与多芯光纤快速耦合装置及方法，能够方便的实现单模光纤与多芯光纤的快速耦合连接。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种单模光纤与多芯光纤快速耦合装置，单模光纤与单偏心光纤连接，单偏心光纤插入第一插芯，多芯光纤插入第二插芯连接；
第一插芯与第二插芯之间以可转动的方式连接；
第一插芯与第二插芯的端面接触，单偏心光纤与多芯光纤的端面接触，且第一插芯与第二插芯可相对转动。
优选的方案中，单偏心光纤的偏心距与多芯光纤的偏心距相同。
优选的方案中，第一插芯与第二插芯之间通过连接螺母连接；
第二插芯的外壁设有凸台，连接螺母的内壁设有阶台，第二插芯穿过连接螺母，凸台被阶台限位，在第一插芯的外壁设有螺纹，连接螺母与第一插芯的外壁螺纹连接。
优选的方案中，在第一插芯和第二插芯内设有沿轴向的通孔，通孔内设有光纤定位座，光纤定位座由轴向对剖的第一半圆定位座和第二半圆定位座组成，第一半圆定位座和第二半圆定位座中心设有用于固定光纤的槽。
优选的方案中，在光纤定位座的外壁设有限位锥台，限位锥台靠近连接螺母的一端直径较大，远离连接螺母的一端直径较小；
还设有锁紧螺母，锁紧螺母分别与第一插芯和第二插芯螺纹连接，在锁紧螺母的内壁设有压紧锥孔；
限位锥台的端面与第一插芯或第二插芯的端面接触用于限定光纤定位座在第一插芯或第二插芯内的轴向位置，压紧锥孔与限位锥台的锥面接触，用于使光纤定位座夹紧光纤且轴向顶紧光纤定位座。
优选的方案中，在第一半圆定位座和第二半圆定位座之间设有互相咬合的定位卡口，以限定第一半圆定位座和第二半圆定位座之间的位置。
优选的方案中，在第一插芯与第二插芯的端面设有互相咬合的径向定位槽和径向定位环，以使第一插芯和第二插芯中的单偏心光纤和多芯光纤同心。
优选的方案中，当连接螺母固定时，两个光纤定位座的端面紧密接触，第一插芯与第二插芯的端面之间设有间隙。
一种采用上述的单模光纤与多芯光纤快速耦合装置的制备方法，包括以下步骤：
S1、将单模光纤与单偏心光纤以纤芯为基准熔接在一起；
S2、将单偏心光纤自由端处理平整，插入到第一插芯，将多芯光纤自由端处理平整，插入到第二插芯；
单偏心光纤的偏心距与多芯光纤的偏心距相同；
S3、将第一插芯与第二插芯以可相对转动的方式固定连接；
S4、转动第一插芯或第二插芯，直到单偏心光纤与多芯光纤中的一根纤芯导通；
通过以上步骤实现单模光纤与多芯光纤快速耦合连接。
优选的方案中，单模光纤、单偏心光纤和多芯光纤的模场相同；
在单偏心光纤和多芯光纤的自由端的端面还设有减反镀膜。
本发明提供了一种单模光纤与多芯光纤快速耦合装置及方法，通过将单模光纤先与单偏心光纤连接，然后再与偏心距相同的多芯光纤利用插芯定位连接的方案，实现了单模光纤与多芯光纤的快速耦合，该方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明的方案简单易操作，可以实现多芯光纤与单偏芯光纤之间的快速对准，从而实现与普通单模光纤与之间的连接，方便快捷，适用现场环境的使用。
2、本发明通过旋转特制的插芯完成纤芯对准，还能够实现多芯光纤纤芯的交替利用。
3、本发明适用于不同芯数和结构的多芯光纤，例如三芯、四芯、六芯、八芯等等，只要为环形对称排布，即纤芯排布可构成唯一的规则等边多边形，且偏心距相同即可。
4、本发明可制备各种结构和端面类型的多芯光纤连接器，例如FC、SC、LC、MU或其它SPC、UPC、APC等。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的连接结构示意图。
图2为单模光纤的结构示意图。
图3为单偏心光纤的结构示意图。
图4为多芯光纤的结构示意图。
图5为本发明中第一插芯和第二插芯连接结构示意图。
图6为图5中A处局部放大示意图。
图7为本发明中光纤定位座的结构示意图。
图8为测试单偏心光纤与多芯光纤是否对准的结构示意图。
图中：单模光纤1，单偏心光纤2，多芯光纤3，第一插芯4，径向定位槽41，第二插芯5，径向定位环51，连接螺母6，收缩套管7，光源8，光功率计9，锁紧螺母10，第一光纤定位座11，第二光纤定位座12，第一半圆定位座100，第二半圆定位座101，限位锥台102，压紧锥孔103，定位卡口104。
具体实施方式
实施例1：
如图1~7中，一种单模光纤与多芯光纤快速耦合装置，单模光纤1与单偏心光纤2连接，单偏心光纤2插入第一插芯4，多芯光纤3插入第二插芯5连接；优选的，单模光纤1与单偏心光纤2之间通过对准装置连接，以二者的纤芯为基准熔接在一起并通过收缩套管7对熔点附近区域进行加热固定。
第一插芯4与第二插芯5之间以可转动的方式连接；
第一插芯4与第二插芯5的端面接触，单偏心光纤2与多芯光纤3的端面接触，且第一插芯4与第二插芯5可相对转动。直至单偏心光纤2的纤芯与多芯光纤3中其中一个纤芯对齐。
本例中的单偏心光纤2具有单个纤芯，其光纤包层直径为125μm，纤芯直径为8μm。可选的，多芯光纤3为具有3个纤芯的多芯光纤，其光纤包层直径为125μm，纤芯直径为8μm，纤芯间距为55μm，纤芯排布可构成等边三角形。优选的方案中，单偏心光纤2的偏心距与多芯光纤3的偏心距相同。此处的单偏心光纤2的偏心距是指纤芯与单偏心光纤2圆心的偏心距离。多芯光纤3的偏心距是指多芯光纤3的其中一个纤芯与多芯光纤3的圆心的偏心距离。
优选的方案如图6中，第一插芯4与第二插芯5之间通过连接螺母6连接；可替换的，此处连接螺母6也可以替换为法兰结构。
第二插芯5的外壁设有凸台，连接螺母6的内壁设有阶台，第二插芯5穿过连接螺母6，凸台被阶台限位，在第一插芯4的外壁设有螺纹，连接螺母6与第一插芯4的外壁螺纹连接。
优选的方案如图5~7中，在第一插芯4和第二插芯5内设有沿轴向的通孔，通孔内设有光纤定位座，光纤定位座由轴向对剖的第一半圆定位座100和第二半圆定位座101组成，第一半圆定位座100和第二半圆定位座101中心设有用于固定光纤的槽。采用光纤定位座的方案，能够准确的夹持光纤，确保定位精度。
优选的方案如图5~7中，在光纤定位座的外壁设有限位锥台102，限位锥台102靠近连接螺母6的一端直径较大，远离连接螺母6的一端直径较小；
还设有锁紧螺母10，锁紧螺母10分别与第一插芯4和第二插芯5螺纹连接，在锁紧螺母10的内壁设有压紧锥孔103；
限位锥台102的端面与第一插芯4或第二插芯5的端面接触用于限定光纤定位座在第一插芯4或第二插芯5内的轴向位置，压紧锥孔103与限位锥台102的锥面接触，用于使光纤定位座夹紧光纤且轴向顶紧光纤定位座。设置的限位锥台102的结构，能够利用锥形面将光纤可靠夹紧，而其端面也能够确保轴向精度，进而确保两个光纤定位座的端面的定位精度。
优选的方案如图5、6中，在第一半圆定位座100和第二半圆定位座101之间设有互相咬合的定位卡口104，以限定第一半圆定位座100和第二半圆定位座101之间的位置。由此结构，还能够确保第一半圆定位座100和第二半圆定位座101之间端面的定位精度，尤其是能够获得光纤端面与第一半圆定位座100和第二半圆定位座101端面的对齐精度。
优选的方案如图5中，在第一插芯4与第二插芯5的端面设有互相咬合的径向定位槽41和径向定位环51，以使第一插芯4和第二插芯5中的单偏心光纤2和多芯光纤3同心。
优选的方案如图5中，当连接螺母6固定时，两个光纤定位座的端面紧密接触，第一插芯4与第二插芯5的端面之间设有间隙。由此结构，能够尽量减少单偏心光纤2的纤芯与多芯光纤3其中一个纤芯之间的间隙，减少耦合损耗。
实施例2：
一种采用上述的单模光纤与多芯光纤快速耦合装置的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用对准装置，将单模光纤1与单偏心光纤2以纤芯为基准熔接在一起；熔接时以二者的纤芯为基准熔接在一起并通过收缩套管7对熔点附近区域进行加热固定。
S2、将单偏心光纤2自由端处理平整，插入到第一插芯4，将多芯光纤3自由端处理平整，插入到第二插芯5；
单偏心光纤2的偏心距与多芯光纤3的偏心距相同；
S3、将第一插芯4与第二插芯5以可相对转动的方式固定连接；
具体的如图5中，将单偏心光纤2装入到第一光纤定位座11的第一半圆定位座100和第二半圆定位座101之间，确保单偏心光纤2的端面与第一光纤定位座11的端面平齐。将多芯光纤3装入到第二光纤定位座12的第一半圆定位座100和第二半圆定位座101之间，确保多芯光纤3的端面与第二光纤定位座12的端面平齐。将第一光纤定位座11插入第一插芯4中，拧紧锁紧螺母10，使第一光纤定位座11的第一半圆定位座100和第二半圆定位座101将单偏心光纤2可靠夹持，且限位锥台102紧贴第一插芯4的左侧端面；将第二光纤定位座12插入第二插芯5，拧紧锁紧螺母10，使第二光纤定位座12将多芯光纤3夹紧，且限位锥台102紧贴第二插芯5的右侧端面。拧紧连接螺母6使第一光纤定位座11与第二光纤定位座12的端面紧贴，即完成了连接安装。
本例中的优势在于无需对光纤进行热处理，降低了现场加工难度，提高成功率。
S4、转动第一插芯4或第二插芯5，直到单偏心光纤2与多芯光纤3中的一根纤芯导通；本例中，采用第一插芯4固定，第二插芯5可转动的方案，在第二插芯5上设有便于转动的六角棱结构。
通过以上步骤实现单模光纤与多芯光纤快速耦合连接。
优选的方案中，单模光纤1、单偏心光纤2和多芯光纤3的模场相同；
在单偏心光纤2和多芯光纤3的自由端的端面还设有减反镀膜。以减少耦合损耗。
检测时，单模光纤1一端通过裸纤适配器与波长1550nm的光源8连接，多芯光纤3与裸纤适配器接入光功率计9；若单偏心光纤2与多芯光纤3某一纤芯对准，此时光功率检测为最大值。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单模光纤与多芯光纤快速耦合装置，其特征是：单模光纤（1）与单偏心光纤（2）连接，单偏心光纤（2）插入第一插芯（4），多芯光纤（3）插入第二插芯（5）连接；
第一插芯（4）与第二插芯（5）之间以可转动的方式连接；
第一插芯（4）与第二插芯（5）的端面接触，单偏心光纤（2）与多芯光纤（3）的端面接触，且第一插芯（4）与第二插芯（5）可相对转动。
2.根据权利要求1所述的一种单模光纤与多芯光纤快速耦合装置，其特征是：单偏心光纤（2）的偏心距与多芯光纤（3）的偏心距相同。
3.根据权利要求1所述的一种单模光纤与多芯光纤快速耦合装置，其特征是：第一插芯（4）与第二插芯（5）之间通过连接螺母（6）连接；
第二插芯（5）的外壁设有凸台，连接螺母（6）的内壁设有阶台，第二插芯（5）穿过连接螺母（6），凸台被阶台限位，在第一插芯（4）的外壁设有螺纹，连接螺母（6）与第一插芯（4）的外壁螺纹连接。
4.根据权利要求3所述的一种单模光纤与多芯光纤快速耦合装置，其特征是：在第一插芯（4）和第二插芯（5）内设有沿轴向的通孔，通孔内设有光纤定位座，光纤定位座由轴向对剖的第一半圆定位座（100）和第二半圆定位座（101）组成，第一半圆定位座（100）和第二半圆定位座（101）中心设有用于固定光纤的槽。
5.根据权利要求4所述的一种单模光纤与多芯光纤快速耦合装置，其特征是：在光纤定位座的外壁设有限位锥台（102），限位锥台（102）靠近连接螺母（6）的一端直径较大，远离连接螺母（6）的一端直径较小；
还设有锁紧螺母（10），锁紧螺母（10）分别与第一插芯（4）和第二插芯（5）螺纹连接，在锁紧螺母（10）的内壁设有压紧锥孔（103）；
限位锥台（102）的端面与第一插芯（4）或第二插芯（5）的端面接触用于限定光纤定位座在第一插芯（4）或第二插芯（5）内的轴向位置，压紧锥孔（103）与限位锥台（102）的锥面接触，用于使光纤定位座夹紧光纤且轴向顶紧光纤定位座。
6.根据权利要求4所述的一种单模光纤与多芯光纤快速耦合装置，其特征是：在第一半圆定位座（100）和第二半圆定位座（101）之间设有互相咬合的定位卡口（104），以限定第一半圆定位座（100）和第二半圆定位座（101）之间的位置。
7.根据权利要求4~6任一项所述的一种单模光纤与多芯光纤快速耦合装置，其特征是：在第一插芯（4）与第二插芯（5）的端面设有互相咬合的径向定位槽（41）和径向定位环（51），以使第一插芯（4）和第二插芯（5）中的单偏心光纤（2）和多芯光纤（3）同心。
8.根据权利要求4~6任一项所述的一种单模光纤与多芯光纤快速耦合装置，其特征是：当连接螺母（6）固定时，两个光纤定位座的端面紧密接触，第一插芯（4）与第二插芯（5）的端面之间设有间隙。
9.一种采用权利要求1~8任一项所述的单模光纤与多芯光纤快速耦合装置的光纤连接方法，其特征是包括以下步骤：
S1、将单模光纤（1）与单偏心光纤（2）以纤芯为基准熔接在一起；
S2、将单偏心光纤（2）自由端处理平整，插入到第一插芯（4），将多芯光纤（3）自由端处理平整，插入到第二插芯（5）；
单偏心光纤（2）的偏心距与多芯光纤（3）的偏心距相同；
S3、将第一插芯（4）与第二插芯（5）以可相对转动的方式固定连接；
S4、转动第一插芯（4）或第二插芯（5），直到单偏心光纤（2）与多芯光纤（3）中的一根纤芯导通；
通过以上步骤实现单模光纤与多芯光纤快速耦合连接。
10.根据权利要求9所述的一种采用单模光纤与多芯光纤快速耦合装置的光纤连接方法，其特征是：单模光纤（1）、单偏心光纤（2）和多芯光纤（3）的模场相同；
在单偏心光纤（2）和多芯光纤（3）的自由端的端面还设有减反镀膜。
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