CN112666661A - 一种宽带宽、长工作距离的光子晶体光纤微透镜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤通信技术领域，具体为一种宽带宽、长工作距离的光子晶体光纤微透镜及其制备方法。本发明方法包括：精确对准两根光子晶体光纤并调整间距；通过石墨加热的方式对光纤进行加热处理，制得不同结构的光纤微透镜；测量各组光纤微透镜的端面光斑质量，确定结构参数阈值；测量光纤微透镜的插入损耗随着两根光纤透镜纵向以及横向偏移距离的变化，确定工作距离与光纤微透镜结构参数的关系；根据测量的结构参数阈值调节加热参数，制得工作距离最长的光纤微透镜；测量光纤微透镜的插入损耗随着波长的变化趋势。本发明可以降低光纤微透镜的材料成本以及制备精度要求，有效提高光子晶体光纤微透镜的工作距离并扩充光纤微透镜的使用波长范围。

Description

一种宽带宽、长工作距离的光子晶体光纤微透镜及其制备 方法

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种全光纤微透镜及其制备方法。

背景技术

随着光通信与光纤传感技术的不断发展，对先进的光耦合与光聚焦技术的需求不断增加。光纤透镜，也被称为光纤微透镜或者透镜光纤，就是通过在光纤端面进行加工处理，制作成某种透镜的形状。它可以将来自光纤中的光束扩束、准直或者聚焦，从而起到光路改变或者模式转换的作用。光纤微透镜不仅在各种光学实验中被广泛地用于实现诸如自由空间的光互连、光束准直、光学传感以及光学微流控等多种功能，在实际生产和使用中，光纤微透镜组件也是光通讯系统中需求数量非常庞大的零组件。同时，光纤微透镜也是诸如光开关、光隔离器、光衰减器以及光波分复用器等多种光学元件的重要组成零件。因此，对光纤微透镜的工作性能的研究十分迫切。

传统的光纤微透镜技术主要包含两个方面，一是透镜的选择，二是组装的方式。目前光纤微透镜的选择主要根据其透镜端面的形状来划分，包括斜面，楔形，球形，圆锥形，弧形等等。透镜形状的选择取决于光纤微透镜的应用，斜面形光纤透镜可以使光路发生大角度的全发射，也可以增大光线受光面积，主要应用于光纤激光、光纤通讯等领域；楔形光纤透镜大多用于实现光束的耦合，增大LD耦合进入光纤的光束质量；圆锥形光纤透镜可以扩大光纤的数值孔径，因此多用于输出光束截面为圆形的DFB、SLD激光器等的耦合。虽然这些种类的激光器在某些领域有针对性的优势，但是对于这些结构的光纤微透镜的加工往往需要涉及到包括熔融拼接，精密微切割，机械抛光，熔融和热成型等复杂且精密的制作过程，同时材料成本也较昂贵，无法满足光器件向低成本、高性能的方向发展。相比较而言，在目前各种结构的光纤透镜里，弧形的光纤微透镜是应用范围最广的一种光纤透镜，它可以应用到光学耦合、生物医学、光学传感等等各个领域，在一定程度上可以替代其它形状结构的光纤透镜进行使用。同时，弧形微透镜相较于其他几种光纤微透镜来说，具有低成本、低损耗以及长工作距离等优良的特性，并且可以较方便地通过调节透镜的弧形结构来调节焦距满足光纤微透镜的不同工作需求，具有可调谐性，因此目前弧形微透镜在光通讯领域也得到了非常广泛的使用。而在光纤微透镜的组装上，目前主要有两种组装方式，一种是在透镜与光纤之间有一个微小的空气间隙，并且两个相邻的表面需要涂覆减反膜来增加光束的透射，另一种是将透镜与光纤直接熔接，相对来说制作方式更为简单且引入的插入损耗相对更小。

全光纤弧形微透镜作为弧形光纤微透镜的一种，因为体积小，并且光束质量的优越性近年来引起了广泛的关注。传统的全光纤微透镜的制作方法是通过将光纤与一段精确长度的无芯石英光纤熔接，然后再将无芯石英光纤末端通过电弧放电等形式形成弧形透镜。从光纤输出的光将在无芯石英光纤区域扩束，然后再在末端弧形透镜的作用下准直或者聚焦。这种制作方法的优势在于可以熔接各种不同直径的无芯石英光纤，实现不同的工作性能并且可以实现相对较长的工作距离。诸如J. Kim等人通过将单模光纤与大孔径无芯石英光纤熔接实现了接近6 mm工作距离的全光纤微透镜。虽然这种全光纤微透镜相对于传统光纤微透镜有很多优越的性能，但是其制作工艺上存在一定的缺陷，需要精密的切割技术得到一截精确长度的无芯石英光纤，还需要精确的熔融参数来保证无芯石英光纤能够精确地拼接在目标光纤上，因此工艺上的精度要求很高。

而无芯石英光纤制作光纤微透镜的缺陷完全可以通过使用光子晶体光纤（PCF）来克服。相较于单模光纤，光子晶体光纤是一种介电常数随着空间呈现周期性变化的新型光学微结构材料。由于其结构上的特殊性，光子晶体光纤具有在很大的频率范围内可以实现光的单模传输，可以灵活的调节色散和色散斜率，提供宽带色散补偿等光学特性。同时由于其空气孔周期型排列的特殊的结构特性，可以通过电弧放电或者其他加热的方式将光子晶体光纤末端空气孔塌陷并且形成水滴状的弧形，构成透镜结构，输出平行的高斯光束，从而构成全光纤系统实现光束聚焦的效果，有利于光学系统的集成。目前关于光子晶体全光纤微透镜的研究也有很大的进展，G.J. Kong通过电弧放电加热的方式将大模场光子晶体光纤（LMA-10）塌陷得到了工作距离约为1 mm的光纤微透镜。除此之外， H. Y. Choi等人报道了一种利用飞秒激光器进行侧面抛光实现的具有侧面聚焦功能的透镜化PCF探针；G.Mudhana等人提出了一种基于双功能透镜PCF的用于液体折射率测量的光纤探针。然而，对于细径的光子晶体光纤，由于光纤空气孔塌陷区域参数的优化困难，以及光纤微透镜制备精度的限制，并没有实现长工作距离的工作特性，并且光子晶体光纤的宽带宽特性并没有得到充分利用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种宽带宽、长工作距离的光子晶体光纤微透镜及其制备方法。

本发明提供的宽带宽、长工作距离的光子晶体光纤微透镜的制备方法，是通过石墨电极加热实现的，即通过石墨电极加热处理光子晶体光纤末端，使得末端周期型排列的空气孔塌陷并且在端面形成水滴状透镜弧形结构；其有益效果至少可从以下三方面评估：一是石墨电极加热的区域更大，使光纤受热更为均匀，不会引起光纤的过度弯曲形变；二是石墨电极加热过程可以通过CCD进行实时监控并且及时调节参数，更有利于调节空气孔塌陷的区域以及长度的精度，实现更为精确的塌陷范围；三是便于调节加热的时间以及功率，有利于制作多组结构参数不同的光纤微透镜并进行比较。

本发明提供的宽带宽、长工作距离的光子晶体光纤微透镜的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：选取两根待处理光子晶体光纤，剥除光子晶体光纤的涂覆层，并进行光纤清洁，将两根光纤精确对准，测量单一波长下光纤插入损耗随着对准距离变化趋势；

步骤2：通过石墨电极加热光纤末端，改变不同的加热时长以及加热功率，采用单次加热或者多次分步加热的方式制备多组光纤微透镜，确定石墨电极加热参数的调节对光纤微透镜的结构参数的影响；

步骤3：制备多组结构参数不同的光纤微透镜，测量出射端面光斑质量，确定光纤微透镜的结构参数阈值；

步骤4：将制备得到的光子晶体光纤微透镜再次精确对准，测量光纤微透镜的插入损耗随着光纤微透镜纵向以及横向偏移距离的变化趋势，确定工作距离与结构参数的变化关系；

步骤5：根据测量的光纤微透镜的结构参数阈值调整石墨加热参数，通过石墨分步加热的方式制得结构参数阈值范围内工作距离最长的光纤微透镜；

步骤6：通入连续白光光源，测量在宽波长范围内光纤微透镜的插入损耗随着波长的变化趋势。

其中，步骤2中所述制备多组光纤微透镜包括：

选取多根光子晶体光纤，剥除光纤的涂覆层，并进行光纤清洁；

调节不同的加热参数对光子晶体光纤末端进行石墨电极加热，对比不同的加热参数对光子晶体末端弧形结构参数的影响，将光纤微透镜结构参数与石墨加热参数对应。

其中，步骤2或5中所述多次分步加热包括：

通过小功率，长时间加热方式将光子晶体光纤末端空气孔塌陷到目标长度，塌陷过程中末端弧形曲率半径基本不变；

调节光纤位置，只对光纤最末端进行加热处理，通过大功率，短时间加热方式将光子晶体光纤末端弧形熔融至目标曲率半径。

其中，步骤3中所述测量出射端面光斑质量的方法包括：

不接入光源，通过红外CCD观察光纤截面，将CCD聚焦到光纤微透镜的端面上；

光纤微透镜和CCD的位置不变，接入光源，观察并测量CCD观察得到的光斑强度，调节光源功率到光斑最大强度正好达到CCD测量饱和强度附近，测量整个光斑的强度分布；

用所述测量出射端面光斑质量的方法测量多组光纤微透镜的出射端面光斑质量并进行比较。

其中，步骤4所述将CCD聚焦到光纤微透镜的端面上的方法包括：

将红外CCD与显微镜连接，将光纤微透镜竖直放置在显微镜物镜下；

使用连续光源照亮光纤末端位置，在电脑上观察聚焦图像，调节物镜与光纤端面的位置，使聚焦图像固定在光纤微透镜的端面上。

其中，步骤6中所述测量在宽带宽波长范围内光纤微透镜插入损耗随着波长的变化趋势方法包括：

将一根光纤微透镜与一根普通单模光纤一端熔接，将光谱仪连接到所述单模光纤的另一端；

将另一根光纤微透镜与普通单模光纤的一端熔接，将白光连续光源连接到单模光纤的另一端；

将两根光纤微透镜精确对准并固定在插入损耗最小的位置，观察白光宽光源输入后光谱仪的曲线。

其中，步骤1所述将两种光纤精确对准的过程包括：

将一根光子晶体光纤与一根普通单模光纤一端熔接，将功率计连接到所述单模光纤的另一端；

将另一根光子晶体光纤与普通单模光纤的一端熔接，将激光器连接到单模光纤的另一端；

横向二维调节两根光子晶体光纤的位置，观察移动过程中功率计的示数，将两根光纤固定在损耗最小的位置。

其中，步骤1或2所述光纤微透镜的结构参数包括：

光子晶体光纤末端空气孔塌陷的长度、光纤末端热熔融后形成的弧形的曲率半径大小、光纤的弯曲程度。

本发明制备的光子晶体光纤微透镜，其光子晶体光纤一端空气孔完全塌陷形成一段折射率均匀的无芯区域，在空气孔未塌陷区域与完全塌陷区域之间存在一段折射率渐变区域，且光纤无芯区域的末端端面具有弧形透镜结构。

本发明提出的宽带宽、长工作距离的光子晶体全光纤微透镜，在1dB损耗的容差范围内横向偏移的范围达到±20 μm，可降低实际使用中对准精度要求，有效提高自由空间的光耦合效率；在1dB损耗的容差范围内纵向偏移1dB损耗的可以实现的最大对准距离长达4.84mm，大大提高了光子晶体光纤全光纤微透镜的工作距离以及工作范围；在1dB损耗的容差范围内，光纤微透镜实现了超过770 nm的超宽工作带宽，这是传统光纤透镜几乎不可能实现的。

除此之外，本发明是一种全光纤熔接系统，系统简单、集成度高，将加速光纤微透镜在光纤通信系统中的更多实际应用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的具有长工作距离、宽带宽的光子晶体光纤微透镜示意图。

图2是本发明实施例提供的长工作距离、宽带宽的光子晶体光纤微透镜的制备方法的流程图。

图3是本发明实施例提供的长工作距离、宽带宽的光子晶体光纤微透镜制备方法中，分步多次石墨电极加热的示意图。

图4是本发明实施例提供的长工作距离、宽带宽的光子晶体光纤微透镜中采用不同石墨电极加热参数制得的光纤微透镜的侧面图。

图5是本发明实施例提供的长工作距离、宽带宽的光子晶体光纤微透镜中制得的不同空气孔塌陷长度出射端面光斑图。

图6是本发明实施例提供的采用分步多次石墨电极加热制得的长工作距离、宽带宽的光子晶体光纤微透镜侧面图。

图中标号：1-透镜弧形区域，2-光子晶体光纤空气孔塌陷完全区域，3-光子晶体光纤空气孔塌陷完全截面，4-光子晶体光纤空气孔塌陷不完全区域，5-光子晶体光纤空气孔塌陷开始截面，6-光子晶体光纤未塌陷区域，7-光子晶体光纤输入端面，8-石墨加热电极。

具体实施方式

为了更清晰地表述本发明的目的和优势，以下结合附图，对本发明作进一步的详细阐述。可以理解的是，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。需要说明的是，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，就可以互相组合。

图1是本发明实施例提供的光子晶体光纤微透镜示意图，包括：透镜弧形区域1，光子晶体光纤空气孔塌陷区域2，光子晶体光纤空气孔塌陷完成截面3，光子晶体光纤空气孔塌陷不完全区域4，光子晶体光纤空气孔塌陷开始截面5，光子晶体光纤未塌陷区域6，光子晶体光纤输入端面7。其具体制备方法可按照图2所示流程图中的以下步骤进行：

步骤1：选取两根待处理光子晶体光纤，剥除光子晶体光纤的涂覆层，并进行光纤清洁，将两根光纤精确对准，测量单一波长下光纤插入损耗随着对准距离变化趋势；

步骤2：通过石墨电极加热光纤末端，改变不同的加热时长以及加热功率，采用单次加热或者多次分步加热的方式制备多组光纤微透镜，确定石墨电极加热参数的调节对光纤微透镜的结构参数的影响；

步骤3：制备多组结构参数不同的光纤微透镜，测量出射端面光斑质量，确定光纤微透镜的结构参数阈值；

步骤4：将制备得到的光子晶体光纤微透镜再次精确对准，测量光纤微透镜的插入损耗随着光纤微透镜纵向以及横向偏移距离的变化趋势，确定工作距离与结构参数的变化关系；

步骤5：根据测量的光纤微透镜的结构参数阈值调整石墨加热参数，通过石墨分步加热的方式制得结构参数阈值范围内工作距离最长的光纤微透镜；

步骤6：通入连续白光光源，测量在宽波长范围内光纤微透镜的插入损耗随着波长的变化趋势。

步骤1中，首先要对光子晶体光纤进行涂覆层的剥离与清洁。需要说明的是，为尽可能避免剥离、清洁过程给所述光子晶体光纤表面带来的微观裂缝在后期使用中削弱光纤强度，可使用商用光纤剥离设备。其次是通过损耗监测，实现两根光纤的精确对准。

步骤2中，调节石墨电极的加热参数，需要说明的是，需要调节的加热参数为石墨电极加热的功率，加热时间，光纤对准的间隔距离，光纤加热的位置。石墨电极加热的参数范围为：加热功率设定在为70～85W，加热时间设定在0.5～5s，两根光纤间隔距离大于20 μm。

图3是本发明实施例提供的基于石墨加热的光子晶体光纤全光纤微透镜制备中，采用石墨分步多次加热的示意图。石墨加热电极8加热区域大且电极加热功率分步均匀，两根光纤以一定的间隔距离对准放置在石墨加热电极中。光子晶体光纤一端放置于石墨加热电极中的区域6在电极加热的过程中周期型排列的空气孔将因为受热而塌陷，形成一段折射率均匀的区域2，同时光纤末端由于受热熔融形成弧形的透镜结构1。如果单次加热没有得到所需的结构参数的光子晶体光纤微透镜，可以将光纤微透镜再次精确对准放置在石墨电极中，通过调节光纤微透镜的加热位置以及调节石墨电极的加热参数再次对光纤微透镜进行石墨加热处理。

图4是本发明实施例提供的基于石墨加热的光子晶体光纤微透镜制备中，调节不同的石墨电极加热参数得到的光纤微透镜样品的侧面图。图4（a）是固定石墨电极加热时间为2.5s，调节石墨加热功率制得的多组光纤微透镜。随着石墨加热功率的增大，空气孔塌陷区域逐渐增长，但是末端透镜的曲率半径几乎不发生变化；图4（b）是固定石墨电极加热功率为85W，调节石墨加热时间制得的多组光纤微透镜。随着石墨加热时间的增大，空气孔塌陷区域长度几乎不变，维持在610 μm左右，但是末端透镜弧形的曲率半径随着石墨电极的加热时间的增大而逐渐增大。通过调节石墨电极的加热功率和加热时间，可以精确地制得目标结构参数的光子晶体光纤微透镜。

图5是制得多组不同的光子晶体光纤微透镜后，测量得到的光纤微透镜出射端面光斑随着光纤空气孔塌陷长度的增加的变化情况。可以看出在空气孔塌陷距离过长的时候，光纤微透镜出射端面光斑质量降低，因此光纤微透镜的空气孔塌陷长度需要保持在一定的阈值范围内。

图6是使用本发明所提出的多次分步石墨电极加热的方法最终制得的光子晶体光纤微透镜的示意图。

基于以上对图1、2、3、4、5、6的说明，总的来说，本发明实施例提出的一种长工作距离、宽带宽的光子晶体光纤微透镜的制备方法，可实现以下有益效果。在1dB损耗的容差范围内横向偏移的范围达到±20 μm，说明损耗对横向位移的敏感度降低，可有效降低实际使用中对准精度要求，有效提高自由空间的光耦合效率；在1dB损耗的容差范围内纵向偏移1dB损耗的可以实现的最大对准距离长达4.84mm，大大提高了光子晶体光纤微透镜的工作距离以及工作范围；在1dB损耗的容差范围内，光纤微透镜实现了超过770 nm的超宽工作带宽，这是传统光纤透镜几乎不可能实现的。

在上述实施例的基础上，所述光子晶体光纤是一种商用大模场光子晶体光纤。

需要说明的是，所述光子晶体光纤的纤芯是实芯二氧化硅，包层包括正六边形周期性排列的空气孔。

需要说明的是，本发明实施例中只做得到的光纤微透镜可与其他多种不同的光纤熔接后使用。但优选的，本发明实施例自提供的是与传统单模光纤熔接后使用。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽带宽、长工作距离的光子晶体光纤微透镜的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤1：选取两根待处理光子晶体光纤，剥除光子晶体光纤的涂覆层，并进行光纤清洁，将两根光纤精确对准，测量单一波长下光纤插入损耗随着对准距离变化趋势；

步骤2：通过石墨电极加热光纤末端，改变不同的加热时长以及加热功率，采用单次加热或者多次分步加热的方式制备多组光纤微透镜，确定石墨电极加热参数的调节对光纤微透镜的结构参数的影响；

步骤3：制备多组结构参数不同的光纤微透镜，测量出射端面光斑质量，确定光纤微透镜的结构参数阈值；

步骤4：将制备得到的光子晶体光纤微透镜再次精确对准，测量光纤微透镜的插入损耗随着光纤微透镜纵向以及横向偏移距离的变化趋势，确定工作距离与结构参数的变化关系；

步骤5：根据测量的光纤微透镜的结构参数阈值调整石墨加热参数，通过石墨分步加热的方式制得结构参数阈值范围内工作距离最长的光纤微透镜；

步骤6：通入连续白光光源，测量在宽波长范围内光纤微透镜的插入损耗随着波长的变化趋势。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中所述制备多组光纤微透镜包括：

选取多根光子晶体光纤，剥除光纤的涂覆层，并进行光纤清洁；

调节不同的加热参数对光子晶体光纤末端进行石墨电极加热，对比不同的加热参数对光子晶体末端弧形结构参数的影响，将光纤微透镜结构参数与石墨加热参数对应。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多次分步加热包括：

通过小功率，长时间加热方式将光子晶体光纤末端空气孔塌陷到目标长度，塌陷过程中末端弧形曲率半径基本不变；

调节光纤位置，只对光纤最末端进行加热处理，通过大功率，短时间加热方式将光子晶体光纤末端弧形熔融至目标曲率半径。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中所述测量出射端面光斑质量的方法包括：

不接入光源，通过红外CCD观察光纤截面，将CCD聚焦到光纤微透镜的端面上；

光纤微透镜和CCD的位置不变，接入光源，观察并测量CCD观察得到的光斑强度，调节光源功率到光斑最大强度正好达到CCD测量饱和强度附近，测量整个光斑的强度分布；

用所述测量出射端面光斑质量的方法测量多组光纤微透镜的出射端面光斑质量并进行比较。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述将CCD聚焦到光纤微透镜的端面上的方法包括：

将红外CCD与显微镜连接，将光纤微透镜竖直放置在显微镜物镜下；

使用连续光源照亮光纤末端位置，在电脑上观察聚焦图像，调节物镜与光纤端面的位置，使聚焦图像固定在光纤微透镜的端面上。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤6中所述测量在宽带宽波长范围内光纤微透镜插入损耗随着波长的变化趋势方法包括：

将一根光纤微透镜与一根普通单模光纤一端熔接，将光谱仪连接到所述单模光纤的另一端；将另一根光纤微透镜与普通单模光纤的一端熔接，将白光连续光源连接到单模光纤的另一端；将两根光纤微透镜精确对准并固定在插入损耗最小的位置，观察白光宽光源输入后光谱仪的曲线。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，两种光纤精确对准的过程包括：

将一根光子晶体光纤与一根单模光纤一端熔接，将功率计连接到所述单模光纤的另一端；

将另一根光子晶体光纤与普通单模光纤的一端熔接，将激光器连接到单模光纤的另一端；

横向二维调节两根光子晶体光纤的位置，观察移动过程中功率计的示数，将两根光纤固定在损耗最小的位置。

8.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述光纤微透镜的结构参数包括：

光子晶体光纤末端空气孔塌陷的长度、光纤末端热熔融后形成的弧形的曲率半径大小、光纤的弯曲程度。

9.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述光子晶体光纤与普通单模光纤之间的平均熔接损耗小于0.5dB。

10.由权利要求1-9之一所述制备方法制备得到的宽带宽、长工作距离的光子晶体光纤微透镜，其特征在于，光子晶体光纤一端空气孔完全塌陷形成一段折射率均匀的无芯区域，在空气孔未塌陷区域与完全塌陷区域之间存在一段折射率渐变区域，且光纤无芯区域的末端端面具有弧形透镜结构。

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