CN112180512A - 一种多功能侧抛光纤耦合器的制备方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能侧抛光纤耦合器的制备方法与装置。该制备方法通过光纤夹持器来完成侧抛光纤的夹取与转移，借助显微相机观测进行侧抛光纤耦合区域的调平与对准，通过多维调节台来进行侧抛光纤耦合参数的调节，通过实时监测系统来获取侧抛光纤耦合器性能参数，可以适用于制备单模光纤、少模光纤、多模光纤及各种特种光纤的多功能侧抛光纤耦合器；该制备装置包括光纤夹持器、垂直升降平台、多维调节台、第一玻片、光源、性能检测模块和显微相机。本发明可以解决传统方案效率低、成本高以及需要定制化模块和兼容性不强等系列问题，在光纤微加工领域有着广泛的应用前景，填补了相关技术领域的空白。

Description

一种多功能侧抛光纤耦合器的制备方法与装置
技术领域
本发明属于光学微器件领域，更具体地，涉及一种多功能侧抛光纤耦合器的制备方法与装置。
背景技术
侧抛光纤是指通过微加工技术去除掉大部分包层的光纤。因为侧抛光纤的纤芯与外界环境在包层被剥离后十分靠近，所以光消逝场与外界环境的作用十分明显。因此，可以通过两根侧抛光纤消逝场之间的相互耦合作用，来实现通过消逝场进行耦合的光纤耦合器，即侧抛光纤耦合器。
侧抛光纤耦合器有许多明显的优点，其核心是可以用来实现众多不同的功能。利用侧抛光纤的单模定向耦合器在1980年被提出(R.A.Bergh,G.Kotler,H.J.Shaw,“Single-mode fibre optic directional coupler,”Electronics Letters,vol.16,no.7,pp.260-261,1980)。此后，人们开始利用侧抛光纤耦合器来实现众多不同的功能。侧抛光纤不仅可以实现光纤通信中较为传统的单模功率分束器、波分复用器、模式耦合器，还可以实现较为特殊的偏振模选择耦合器、模式滤波器等。
同时，受益于侧抛技术的光纤兼容性，侧抛光纤耦合器也具有兼容绝大多数光纤的优点。凡是可以完成侧抛工艺的光纤，都可以通过相似的途径组合成侧抛光纤耦合器，无论是较为传统的单模光纤、少模光纤、多模光纤，还是多芯光纤以及特种光纤如光子晶体光纤、椭圆芯光纤、环芯光纤，甚至可以是特殊的塑料光纤。
然而，现在的侧抛光纤耦合器制备方法具有很大的局限性，无法将侧抛光纤耦合器的优势充分发挥。由于侧抛光纤耦合器需要通过外力来实时保证两根光纤的抛磨面始终接触，并且需要特定的光学液体浸润光纤之间微小的缝隙，所以现在通用的侧抛光纤耦合器的制备，是利用定制的石英块与便携式位移块完成的。首先利用定制的带有V型槽的石英块获得特定抛磨深度与长度的侧抛光纤，在不将光纤取下的情况下使两个石英块抛磨面紧密贴合并滴加折射率匹配液，最后将石英块用便携式位移块固定，通过位移块的位移调节旋钮来调节两石英块的位错，从而进行耦合器中两光纤的平行对准、调节耦合长度等操作。
但是，这种工艺存在诸多问题。比如无法实时观测光纤耦合的相对位置、耦合距离和耦合长度信息，调节起来也十分盲目。同时，因为石英块的定制问题，无法兼容不同侧抛深度、侧抛长度、材质、外径等规格不同的侧抛光纤。也正因为该工艺的诸多限制，导致其在耦合器功能拓展方面受到严重约束。
综上所述，侧抛光纤耦合器具有可实现多种功能且兼容绝大多数种类光纤的显著优势，但是传统的制备方法存在速度慢、效率低、成本高以及需要定制化模块因此兼容性不强等系列问题，这些限制了目前侧抛光纤耦合器的可实现功能及其兼容拓展。鉴于此，寻找一种新的多功能侧抛光纤耦合器的制备方法与装置，完成侧抛光纤耦合器的精密调控，进行侧抛光纤耦合参数与多功能耦合器的实时监测，同时兼容各种侧抛参数或规格参数不同的侧抛光纤，正是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多功能侧抛光纤耦合器的制备方法与装置，旨在解决传统侧抛光纤耦合器可调控性差、可实现功能少、可兼容光纤种类少、效率低、成本高等问题。
本发明一方面提供了一种多功能侧抛光纤耦合器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，夹取与转移侧抛光纤：利用光纤侧面抛磨装置获得侧抛光纤，利用光纤夹持器进行侧抛光纤的夹取和转移。其中，精密可调控的光纤夹持器夹取时，光纤侧抛平面始终向外，光纤夹持器可根据抛磨长度调节夹取长度，使夹持的光纤始终处于平直张紧状态。
步骤2，固定光纤夹持器：通过重复步骤2获得两个由光纤夹持器夹持的侧抛光纤，将光纤夹持器固定在多维调节台上，并使两根侧抛光纤的侧抛平面保持平行与对齐，形成侧抛光纤耦合器，两根侧抛光纤的耦合区段为侧抛光纤耦合器的耦合区段；
步骤3，滴加折射率匹配液：在两根侧抛光纤形成的平面正下方，放置用于承载折射率匹配液的第一玻片，并通过垂直升降平台进行玻片与光纤夹持器之间的距离调节，使该玻片在两根侧抛光纤相对位置调节过程中与光纤夹持器保持尽可能平行靠近但不接触，滴加与两根侧抛光纤中任意一根侧抛光纤包层折射率相同或相近的折射率匹配液，使折射率匹配液充分覆盖并浸润侧抛光纤耦合器的耦合区段。
步骤4，耦合区段调平对准：通过多维调节台调节两根侧抛光纤的相对位置，使用耦合区段正上方的显微相机进行观测，在耦合区段内进行两根侧抛光纤侧抛平面的调平与对准；
步骤5，调节耦合器性能至最佳：两根侧抛光纤的两端均分别接通光源与性能检测模块，调节两根侧抛光纤的耦合距离与耦合长度，通过显微相机与性能检测模块观察耦合器性能变化，持续调节使得耦合器性能到达最佳预期；
步骤6，用固化剂封装固定耦合器：首先在两根侧抛光纤与第一玻片之间没有折射率匹配液浸润的地方滴加固化剂，再在光纤夹持器的伸出槽之上放置第二玻片，并与第一玻片对准，最后在第一玻片与第二玻片的边缘间隙以及伸出槽与玻片的接触面，滴加固化剂，待固化剂凝固，松开光纤夹持器压板，取出耦合器。
根据以上步骤，可以实现多功能耦合器的制备。包括但不限于，利用两根单模光纤可以制备不同分光比的单模光纤耦合器(50:50，10:90，1:99等)、波分复用器(980/1550nm，1480/1550nm)；利用单模光纤与少模/多模光纤可以制备不同高阶模式(线偏振LP模式、轨道角动量OAM模式、矢量模式等)产生器、模式复用解复用器；利用两根少模/多模光纤可以制备不同分光比的高阶模式耦合器(50:50，10:90，1:99等)、高阶模式波分复用器(980/1550nm，1480/1550nm)等器件。
本发明另一方面提供了一种多功能侧抛光纤耦合器的制备装置，包括对称设置的两个可调控光纤夹持器和两个多维调节台，垂直升降平台，第一玻片，光源，性能检测模块，显微相机。
其中，可调控光纤夹持器包括：伸出式光纤固定槽，滑块固定座，可拆卸压板，滑槽，夹持长度调节螺丝。其中，伸出式光纤固定槽为非金属件，采用低成本材料制备，是一次性使用的零部件。滑块固定座固定在滑槽中，滑块固定座之间由弹簧结构连接，两侧分别与夹持长度调节螺丝相接触，通过夹持长度调节螺丝与弹簧的共同作用来完成滑块在滑槽中自动归位运动。伸出式光纤槽通过螺丝与可拆卸压板固定在滑块固定座上。伸出式光纤固定槽的外侧是一个圆弧槽，内侧是与固定槽平滑连接的平面，用于使所夹持光纤侧抛部分凸出，方便与另一根侧抛光纤靠近时调节侧抛光纤的耦合距离与耦合长度。
其中，第一玻片安放于垂直升降平台上，通过调节垂直升降平台来保证第一玻片在整个过程中始终与光纤夹持器保持尽可能平行靠近但不接触。第一玻片用于承载折射率匹配液，保证其在耦合器调节过程中始终浸润耦合器。
其中，两个多维调节平台相对放置，用于承载相对放置的两个光纤夹持器。显微相机放置于两光纤夹持器所在平面上方，并对准两光纤夹持器靠近的光纤耦合区域，用于观测耦合距离与耦合长度。
优选地，光纤夹持器具有两部分，一部分是与光纤直接接触并滴胶固定的光纤固定部分，另一部分是用于调控夹取长度并提供张力的调节部分。其中，光纤固定部分与光纤为滴胶固定，所以为一次性器件，制备成本低，可以使用塑料或其他低成本材料制备。调节部分为可拆卸重复使用部分，可以使用金属或其他硬质材料进行制备。
优选地，多维调节台具备调节光纤的上下、左右、前后平移与俯仰、旋转角度的能力，对耦合精度要求高的情况下，两根光纤的相对运动需要具有六维空间自由度，可以使用精密六维调节架；对耦合精度要求不高的情况下，也可以使用精密三维调节架。
优选地，在耦合器功能完成调节后，先在两光纤夹持器的伸出式光纤固定槽与第一玻片的间隙滴加固化剂，待粘合且耦合器性能没有变化后，再在载玻片与两侧光纤的非耦合区域进行固化剂滴加。最后另取与第一玻片大小相同的第二玻片置于耦合器上方并对准第一玻片和第二玻片，在第一玻片和第二玻片的间隙滴加固化剂，使耦合器完全密封于第一玻片和第二玻片之间，保证折射率匹配液在其中无法挥发与流动。
优选地，当用于制备不同功能的光纤耦合器时，需要使用的光纤性能检测模块也不同。包括但不限于，利用两根单模光纤制备耦合器(50:50，10:90，1:99等)、波分复用器(980/1550nm，1480/1550nm)或者利用两根少模/多模光纤制备耦合器(50:50，10:90，1:99等)、波分复用器(980/1550nm，1480/1550nm)时，光纤性能检测模块可以采用光功率计检测光功率；利用单模光纤与少模/多模光纤制备不同高阶模式产生器(线偏振LP模式、轨道角动量OAM模式、矢量模式等)、模式复用解复用器时，光纤性能检测模块可以采用相机来检测模场分布和功率分布。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明实现了侧抛光纤在无依托背景下进行耦合，实现了侧抛光纤耦合的全程可视化直观监测，实现了侧抛光纤耦合参数的精确有效控制，提高了侧抛光纤调节的准确性，极大减少了耦合器性能调试时间，极大提高了侧抛光纤耦合器制备的成功率。
(2)本发明突破了传统侧抛光纤耦合器对定制模具与夹具的高度依赖性，实现了灵活可拆卸光纤夹持与模块化性能调节，具有很强的兼容性，利用一套设备即可完成反复多次不同侧抛光纤耦合器的制备，极大降低了侧抛光纤耦合器的制备成本。
(3)本发明实现了多功能侧抛光纤耦合器，可以广泛应用于各种光纤通信系统中，包括但不限于利用两根单模光纤制备的不同分光比单模光纤耦合器(50:50，10:90，1:99等)、波分复用器(980/1550nm，1480/1550nm)，利用单模光纤与少模/多模光纤制备的不同高阶模式(线偏振LP模式、轨道角动量OAM模式、矢量模式等)产生器、模式复用解复用器，利用两根少模/多模光纤制备的不同分光比的高阶模式耦合器(50:50，10:90，1:99等)、高阶模式波分复用器(980/1550nm，1480/1550nm)等器件。
附图说明
图1为本发明提供的功能侧抛光纤耦合器的制备方法的流程示意图。
图2为本发明提供的一种光纤侧面抛磨装置的结构示意图。
图3为本发明提供的一种光纤夹持器的结构示意图。
图4为本发明提供的一种多功能侧抛光纤耦合器的装置示意图。
图5为本发明制备的多功能侧抛光纤耦合器样品的示意图。
图6为本发明提供的一种光纤夹持器中的伸出式光纤槽的结构示意图。
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晰，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。
下面结合附图具体说明本发明。
如图1所示，为本发明提供的一种多功能侧抛光纤耦合器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，夹取与转移侧抛光纤：利用光纤侧面抛磨装置获得侧抛光纤，利用光纤夹持器进行侧抛光纤的夹取和转移。其中，精密可调控的光纤夹持器夹取时，光纤侧抛平面始终向外，光纤夹持器可根据抛磨长度调节夹取长度，使夹持的光纤始终处于平直张紧状态。
如图2所示，用于获得侧抛光纤的光纤侧面抛磨装置包括：光纤抛磨轮16，光纤密贴合式侧抛深度测量模块17，垂直固定基板19，升降位移平台18，光纤固定夹具20，光源15，光功率计21。其中，将光纤抛磨轮16与光纤密贴合式侧抛深度测量模块17固定于垂直固定基板19。其中，光纤抛磨轮16由电机带动，在抛磨过程中，光纤密贴合式侧抛深度测量模块17始终与光纤贴合16，实时测量光纤侧抛深度。通过移动垂直固定基板19在升降位移平台18的高度，可以调节光纤贴合在光纤抛磨轮16上的长度，从而改变有效侧抛长度。同时，通过光源15和光功率计21实时检测侧抛光纤的损耗。
步骤2，固定光纤夹持器：通过重复步骤2获得两个由夹持器夹持的侧抛光纤，将光纤夹持器固定在多维调节台7上，并使两根侧抛光纤侧抛平面保持平行与对齐，形成侧抛光纤耦合器，两根侧抛光纤的耦合区段为侧抛光纤耦合器的耦合区段；
步骤3，滴加折射率匹配液：在两根侧抛光纤形成的平面正下方，放置用于承载折射率匹配液的第一玻片8，并通过垂直升降平台6进行玻片与光纤夹持器之间的距离调节，使该玻片在两根侧抛光纤相对位置调节过程中与光纤夹持器保持尽可能平行靠近但不接触，滴加与两根侧抛光纤中任意一根侧抛光纤包层折射率相同或相近的折射率匹配液，使折射率匹配液充分覆盖并浸润侧抛光纤耦合器的耦合区段。
步骤4，耦合区段调平对准：通过多维调节台7调节两根侧抛光纤的相对位置，使用耦合区段正上方的显微相机11进行观测，在耦合区段内进行两根侧抛光纤侧抛平面的调平与对准；
步骤5，调节耦合器性能至最佳：两根侧抛光纤的两端均分别接通光源9与性能检测模块10，调节光纤的耦合距离与耦合长度，通过显微相机11与性能检测模块10观察耦合器性能变化，持续调节使得耦合器性能到达最佳预期；
步骤6，用固化剂封装固定耦合器：首先在两根侧抛光纤与第一玻片8之间没有折射率匹配液浸润的地方滴加固化剂，再在光纤夹持器的伸出槽之上放置第二玻片14，并与第一玻片8对准，最后在第一玻片8与第二玻片14的边缘间隙以及伸出槽与玻片的接触面，滴加固化剂，待固化剂凝固，松开光纤夹持器压板，取出耦合器。
如图3所示，为本发明提供的一种精密可调控光纤夹持器具体装置图，包括，伸出式光纤槽1，滑块固定座2，可拆卸压板3，滑槽4，夹持长度调节螺丝5。其中，伸出式光纤槽1由塑料或其他低成本材料制成。其中，滑块固定座2固定在滑槽4中，滑块固定座2之间由弹簧结构连接，两侧分别与夹持长度调节螺丝5相接触，通过夹持长度调节螺丝5与弹簧的共同作用来完成滑块在滑槽中自动归位运动。伸出式光纤槽1通过螺丝与可拆卸压板3固定在滑块固定座2上。其中，伸出式光纤固定槽1的外侧是一个圆弧槽24，内侧是与固定槽平滑连接的平面23，用于使所夹持光纤侧抛部分凸出，方便与另一根侧抛光纤靠近时调节侧抛光纤的耦合距离与耦合长度。
图4为本发明提供的一种多功能侧抛光纤耦合器制备装置的结构示意图，包括，对称设置的两个光纤夹持器和两个多维调节台7，垂直升降平台6，第一玻片8，光源9，性能检测模块10，显微相机11；
第一玻片8放置于垂直升降平台6上，通过调节垂直升降平台6来保证第一玻片8在整个过程中始终与光纤夹持器保持平行靠近但不接触，第一玻片8用于承载折射率匹配液12，保证其在耦合器调节过程中始终浸润耦合器；
两个多维调节台7相对放置，用于承载相对放置的两个光纤夹持器；显微相机11放置于两光纤夹持器所在平面上方，并对准两光纤夹持器靠近的光纤耦合区域，用于观测耦合距离与耦合长度。
如图5所示，为本发明制备的多功能侧抛光纤耦合器样品示意图。包括侧抛光纤13，伸出式光纤槽1，第一玻片8，第二玻片14。其中，伸出式光纤槽1为侧抛光纤夹持器的一部分，由塑料或其他低成本材料制成。
如图6所示，为本发明提供的一种精密可调控侧抛光纤夹持器中的伸出式光纤固定槽。包括，平面23，用于支撑光纤侧抛区段，弧形固定槽24，光纤可嵌入其中并通过粘合剂固定，定位孔22，用于可拆卸装配在精密可调控侧抛光纤夹持器上。
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 (10)

1.一种多功能侧抛光纤耦合器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
使两根侧抛光纤的侧抛平面保持平行与对齐，形成侧抛光纤耦合器，两根侧抛光纤的耦合区段为侧抛光纤耦合器的耦合区段；两根侧抛光纤中，每根侧抛光纤侧抛平面始终向外，使夹持的光纤始终处于平直张紧状态；
两根侧抛光纤两根侧抛光纤使折射率匹配液充分覆盖并浸润侧抛光纤耦合器的耦合区段，折射率匹配液的折射率与两根侧抛光纤中的任意一根相同；
两根侧抛光纤在耦合区段内进行两根侧抛光纤侧抛平面的调平与对准；
两根侧抛光纤的一端接通光源，在另一端进行性能检测，持续调节两根侧抛光纤的耦合距离与耦合长度，直至性能到达最佳预期；
将调节好的侧抛光纤耦合器进行封装。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，利用光纤夹持器进行侧抛光纤的夹取和转移。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在两根侧抛光纤形成的平面正下方，放置用于承载折射率匹配液的第一玻片，该玻片在两根侧抛光纤相对位置调节过程中与光纤夹持器保持平行靠近但不接触。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，封装具体包括：首先在两根侧抛光纤与第一玻片之间没有折射率匹配液浸润的地方滴加固化剂，再在光纤夹持器的伸出槽之上放置第二玻片，并与第一玻片对准，最后在第一玻片与第二玻片的边缘间隙以及伸出槽与第二玻片的接触面滴加固化剂，待固化剂凝固，松开光纤夹持器压板，取出耦合器。
5.一种多功能侧抛光纤耦合器的制备装置，其特征在于，包括对称设置的两个光纤夹持器和两个多维调节台(7)，垂直升降平台(6)，第一玻片(8)，光源(9)，性能检测模块(10)，显微相机(11)；
其中光纤夹持器包括伸出式光纤固定槽(1)，滑块固定座(2)，可拆卸压板(3)，滑槽(4)，夹持长度调节螺丝(5)，伸出式光纤固定槽(1)通过螺丝与可拆卸压板(3)固定在滑块固定座(2)上，滑块固定座(2)固定在滑槽(4)中，两侧分别与夹持长度调节螺丝(5)相接触，通过夹持长度调节螺丝(5)与弹簧的共同作用来完成滑块在滑槽中自动归位运动；
第一玻片(8)放置于垂直升降平台(6)上，通过调节垂直升降平台(6)来保证第一玻片(8)在整个过程中始终与光纤夹持器保持平行靠近但不接触，第一玻片(8)用于承载折射率匹配液(12)，保证其在耦合器调节过程中始终浸润耦合器；
两个多维调节台(7)相对放置，用于承载相对放置的两个光纤夹持器；显微相机(11)放置于两光纤夹持器所在平面上方，并对准两光纤夹持器靠近的光纤耦合区域，用于观测耦合距离与耦合长度。
6.根据权利要求5所述的制备装置，其特征在于，伸出式光纤固定槽(1)的外侧是一个圆弧槽，内侧是与圆弧槽平滑连接的平面，用于使所夹持光纤侧抛平面凸出，从而和另一侧抛光纤的侧抛平面靠近形成侧抛光纤耦合器的耦合区段。
7.根据权利要求5所述的制备装置，其特征在于，所述伸出式光纤固定槽(1)使用塑料制备，滑块固定座(2)、可拆卸压板(3)、长距离滑滑槽(4)、夹持长度调节螺丝(5)为金属材料。
8.根据权利要求7所述的制备装置，其特征在于，滑块固定座(2)之间由弹簧结构连接。
9.根据权利要求5所述的制备装置，其特征在于，多维调节台(7)具备调节光纤的上下、左右、前后平移与俯仰、旋转角度的能力，当两根光纤的相对运动需要具有六维空间自由度时，多维调节台为六维调节台；当两根光纤的相对运动不需要具有六维空间自由度时，多维调节台为三维调节台。
10.根据权利要求5所述的制备装置，其特征在于，光纤性能检测模块(10)为光功率计或者相机。
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