CN112946821A - 基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法，采用单模光纤作为输入光纤，将各输入光纤的第一端均剥离一定长度的涂覆层后再插入到氢氟酸溶液对其包层进行腐蚀，使其芯包比达到设定的尺寸；将所有输入光纤按对称的几何排布，利用套管法组束形成输入光纤束，在满足绝热近似的条件下对输入光纤束进行熔融拉锥；将熔融拉锥后的输入光纤束的端面切割平整后与输出光纤进行低损耗熔接，即可，其中输出光纤为多模光纤。本发明能够实现基于任意输入光纤数量和任意输出光纤尺寸的模组选择光子灯笼的制作，能够保证光子灯笼的输入光纤束和输出光纤的模场直径相匹配，降低插入损耗并保持光纤模式不退化。

Description

基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法

技术领域

本发明涉及光纤激光技术领域，具体涉及一种基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法。

背景技术

光子学被誉为“光束塑性”的科学，它为操控光线在光纤或者其他波导中的行为提供了广泛的选择。由光子学思想发展出的常用器件有光纤布拉格光栅、光环流器、光纤耦合器等等，但大多数情况下，这些器件的性能局限于只能在单模传输过程中使用。而实际上，很多应用领域更需要在多模光纤系统中也能实现模式控制和光束整形，比如：在激光切割应用中，需要控制模式的偏振来影响材料的吸收能力、需要环形光束用于钻孔；在光通信应用中，需要空分复用技术将信息加载在高阶模上，以提升通信容量和数据传输速率；更重要的是，在一些军事应用场合，比如战术高能激光系统中，要求光源能够达到高功率高光束质量大模场稳定输出的标准。

为了满足以上应用需求，急需研制一种低插入损耗、高模式选择性的新型全光纤线性光学器件——光子灯笼，以综合单模光纤系统与多模光纤系统的优势，实现大摸场、高功率条件下的的光纤激光模式控制。

根据结构和功能差异，光子灯笼可分为两种：模式选择光子灯笼(MS-PL)和模组选择光子灯笼(MGS-PL)。模式选择光子灯笼结构固定、制备简单，但在实际系统中，模式选择光子灯笼的输入输出光纤易受弯曲、扭转等环境外力影响造成无法控制和逆转的模式耦合。而模组选择光子灯笼由于其结构对称，光场在锥区中的模式演化过程缓慢且可逆，可视为线性光学器件，因此可以配合控制系统对该类光子灯笼的输入光场组合进行相位、偏振、振幅等因素的控制，抵消环境因素对光场传输的影响，以实现稳定可调的大模场光纤激光输出。

目前，模组选择光子灯笼的制备方案通常是直接将单模光纤进行组束套管，熔融拉锥到与输出光纤尺寸匹配大小进行切割和熔接。这种方案虽然比较简便，但忽略了输入单模光纤芯包比对拉锥过程和模式演化过程的影响，导致拉制出的光纤束锥区存在空气孔且模式演化结果与输出光纤的纤芯模场不匹配，从而引起传输损耗增加和模式退化等问题。此外，根据此种方法，对于特定的输出光纤，必须选取确定的输入光纤数量来尽可能减小模场不匹配程度的同时保证光纤束组束的紧密性，大大降低了光子灯笼的实用性。

发明内容

针对传统的模组选择光子灯笼制作方案中因忽略输入光纤芯包比而与输出光纤纤芯模场不匹配所导致的传输损耗增大和模式退化等问题，本发明提出了一种基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法，能够根据任意输出光纤尺寸来制作任意输入光纤组束模组选择光子灯笼的一种方案，以此降低器件的信号插入损耗并且保持其模式演化特性，进而实现更高功率、更大模场的、模式稳定可控的光纤激光输出。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法，包括：

采用单模光纤作为输入光纤，将各输入光纤的第一端均剥离一定长度的涂覆层后再插入到氢氟酸溶液对其包层进行腐蚀，使其芯包比达到设定的尺寸；

将所有输入光纤按对称的几何排布，利用套管法组束形成输入光纤束，在满足绝热近似的条件下对输入光纤束进行熔融拉锥，使输入光纤束在高温下熔紧并按比例缩小到与输出光纤匹配的尺寸；

将熔融拉锥后的输入光纤束的端面切割平整后与输出光纤进行低损耗熔接，即可，其中输出光纤为多模光纤。

作为本发明的优选方案，输入光纤的第一端的腐蚀程度需满足以下要求：输入光纤束进行熔融拉锥后形成的腰区直径与输出光纤的纤芯直径相同，各输入光纤之间排布紧密无空气孔，输入光纤束进行熔融拉锥后形成的腰区可视为一个新的多芯波导结构且该波导所支持的模场与输出光纤模场匹配。

作为本发明的优选方案，利用套管法组束的方法是：利用一个低折射率的玻璃管实现腐蚀后的输入光纤束的组束。为了使组束而成的输入光纤束更为紧密，所述玻璃管的管腔形状尺寸与待组束而成的输入光纤束的形状尺寸相适应，玻璃管的一端为腰锥端，其对应组束形成的输入光纤束经腐蚀后的腐蚀端。所述玻璃管的管腔尺寸要求满足：将腐蚀后的输入光纤束套入玻璃管内后，输入光纤束充满玻璃管的腰锥端且玻璃管内的各光纤之间以及光纤与玻璃管之间紧密贴合。

作为本发明的优选方案，利用套管法组束形成输入光纤束后，对含输入光纤束的玻璃管进行熔融拉锥，使得输入光纤束熔紧无空气孔。整个拉锥过程需保证绝热近似条件，即保证拉锥区足够平缓，纤芯中的光线就会随着纤芯尺寸的减小，稳定地、渐进地扩散开来，支持的模式逐渐进行演化。最终，熔融拉锥形成的拉锥区包括锥区和腰区，并以包层所支持的模式作为熔融拉锥所形成的腰区的基本模式。熔融拉锥所形成的锥区直径(r)随拉锥长度(z)的变化需满足：

其中β₁、β₂是纤芯中可能进行能量耦合的两个模式的传播常数。

为保证光子灯笼输入、输出光纤纤芯的模场匹配，本发明根据输出光纤的包层大小来决定输入光纤的数量和腐蚀程度，这样也确保后续光纤束组束的紧密性。

本发明的有益效果如下：

本发明改善了模组选择光子灯笼中由于输入光纤束拉锥形成的新的多芯波导结构和输出多模光纤纤芯模场不匹配而引入的插入损耗，同时提升了系统的模式可控性，使得光纤激光器系统性能得到改善。

本发明基于输入单模光纤的包层腐蚀法，结合套管法组束的方式，能够实现基于任意输入光纤数量和任意输出光纤尺寸的模组选择光子灯笼的制作，提高了其实用价值。

综上，本发明提供一种基于任意输出光纤尺寸模组选择光子灯笼制作方案，保证光子灯笼的输入单模光纤束和输出光纤的模场直径相匹配，降低插入损耗并保持光纤模式不退化，进而实现更高功率、更大模场、模式稳定可调的光纤激光器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为实施例1中腐蚀后的输入光纤的结构示意图；

图2为实施例1中腐蚀后的三根单模光纤在低折射率的玻璃管中组束的示意图；

图3为实施例1中最终制作而成的光子灯笼的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，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用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本发明提供一种基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法，其是一种基于任意输出光纤尺寸的N×1的模组选择光子灯笼制作方法。本实施例以内径/外径大小为30/130μm(NA＝0.06)的多模光纤以及3根结构参数为10/130μm(NA＝0.15)的单模光纤为例，采用本发明所提供的基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法进行3×1模组选择光子灯笼的制作，具体步骤如下：

1)制作输入光纤。

图1为实施例1中腐蚀后的输入光纤的结构示意图；输入光纤1采用10/130μm(NA＝0.15)的单模光纤，其中11为10/130μm(NA＝0.15)单模光纤的涂覆层，12为10/130μm(NA＝0.15)单模光纤的包层。13为腐蚀形成的过渡区，长度约为2mm。14为腐蚀形成的腐蚀区，为后期制作穿管方便，长度约为6-7cm。

准备3根10/130μm(NA＝0.15)的单模光纤作为输入光纤，将10/130μm(NA＝0.15)的单模光纤的一端均剥掉长度为10cm左右的涂覆层之后利用氢氟酸进行腐蚀，使其在纤芯大小不变的情况下，直至包层直径减小到90μm，腐蚀后的过渡区长度为2mm左右。通过切割腐蚀区使得输入光纤的一端保留6-7cm长度的腐蚀区。

2)输入光纤束组束并拉锥。

图2为实施例1中腐蚀后的三根输入光纤在低折射率的玻璃管中组束并拉锥的示意图。2为低折射率玻璃管，利用低折射率玻璃管2实现腐蚀后的三根输入光纤的组束，三根单模光纤成正三角形排布，均匀且紧密的充满玻璃。所述玻璃管2的管内形状尺寸与待组束而成的输入光纤束的形状尺寸相适应，玻璃管的一端为腰锥端21，其对应组束形成的输入光纤束的腐蚀区。所述玻璃管2的管腔尺寸要求满足：将腐蚀后的输入光纤束套入玻璃管2内后，输入光纤束充满玻璃管的腰锥端21且玻璃管2内的各光纤之间以及光纤与玻璃管2之间紧密贴合。

利用套管法组束形成光纤束后，对含光纤束的玻璃管进行熔融拉锥，使得三根光纤组成的输入光纤束在高温下熔紧并按比例缩小到与输出光纤匹配的尺寸。

熔融拉锥过程中，利用拉锥机设置相应的参数，使得拉锥角度足够小以满足绝热近似条件，22为拉锥形成的锥区，锥区长度约1.5cm，23为拉锥形成的腰区，腰区长度约2cm，24为腰区光纤束直径，光纤束腰区直径约为30μm，25为玻璃管腰区直径，玻璃管腰区直径约为65μm。

将熔融拉锥后的含光纤束的玻璃管利用切割刀在腰区进行切割，要求切割位置处距锥区尾部1cm左右，切割形成的端面平整且切割角度较小。

3)输入光纤束与输出光纤熔接。

图3为实施例1中所制作的而成的光子灯笼的结构示意图。输出光纤3为多模光纤，采用30/130μm(NA＝0.06)多模光纤。其中输出光纤3包括光纤涂覆层31和光纤包层32。

首先将输出光纤3的一端剥去光纤涂覆层31并且擦拭干净，确保光纤包层32无污染物，用切割刀在将输出光纤3剥去涂覆层的这端的端头切割平整，保证端面质量良好。

将腰区端面切割平整后的光纤束以及玻璃管，利用熔接机设置相应的参数与输出光纤剥去光纤涂覆层的一端熔接得到完整的光子灯笼，熔接过程保证光纤束中心与输出多模光纤的纤芯对准，以降低插入损耗，减少对系统光斑特性的影响。

为保证3×1模组选择光子灯笼输入单模光纤形成的锥形光纤束和输出多模光纤纤芯的模场匹配，本实施例中的输入单模光纤包层腐蚀到90μm，腐蚀到该尺寸的光纤经过组束拉锥后，形成的新的锥形波导结构。将熔融拉锥后的含光纤束的玻璃管利用切割刀在腰区进行切割，其切割处的腰区直径基本与输出多模光纤的包层尺寸相等，其所支持的模式与输出多模光纤所支持的模式互相匹配，在熔融拉锥过程中单模光纤束间的空气孔完全消失，三根光纤包层边缘紧密的融合在一起且纤芯互不干扰的等比缩小。本实施例解决了传统3×1光子灯笼因输入光纤束拉锥形成的锥形光纤束与输出光纤纤芯模场不匹配所导致的传输损耗增大和模式退化等问题。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法，其特征在于，包括：

采用单模光纤作为输入光纤，将各输入光纤的第一端均剥离一定长度的涂覆层后再插入到氢氟酸溶液对其包层进行腐蚀，使其芯包比达到设定的尺寸；

将所有输入光纤按对称的几何排布，利用套管法组束形成输入光纤束，在满足绝热近似的条件下对输入光纤束进行熔融拉锥，使输入光纤束在高温下熔紧并按比例缩小到与输出光纤匹配的尺寸；

将熔融拉锥后的输入光纤束的端面切割平整后与输出光纤进行低损耗熔接，即可，其中输出光纤为多模光纤。

2.根据权利要求1所述的基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法，其特征在于，输入光纤的第一端的腐蚀程度需满足以下要求：输入光纤束进行熔融拉锥后形成的腰区直径与输出光纤的纤芯直径相同，各输入光纤之间排布紧密无空气孔，输入光纤束进行熔融拉锥后形成的腰区可视为一个新的多芯波导结构且该波导所支持的模场与输出光纤模场匹配。

3.根据权利要求2所述的基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法，其特征在于，利用套管法组束的方法是：利用一个低折射率的玻璃管实现腐蚀后的输入光纤束的组束。

4.根据权利要求3所述的基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法，其特征在于，所述玻璃管的管腔形状尺寸与待组束而成的输入光纤束的形状尺寸相适应，玻璃管的一端为腰锥端，其对应组束形成的输入光纤束经腐蚀后的腐蚀端。

5.根据权利要求4所述的基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法，其特征在于，所述玻璃管的管腔尺寸要求满足：将腐蚀后的输入光纤束套入玻璃管内后，输入光纤束充满玻璃管的腰锥端且玻璃管内的各光纤之间以及光纤与玻璃管之间紧密贴合。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法，其特征在于，对含输入光纤束的玻璃管进行熔融拉锥，使得输入光纤束熔紧无空气孔，整个拉锥过程需保证绝热近似条件，即保证拉锥区足够平缓。

7.根据权利要求6所述的基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法，其特征在于，熔融拉锥形成的拉锥区包括锥区和腰区，并以包层所支持的模式作为熔融拉锥所形成的腰区的基本模式。

8.根据权利要求7所述的基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法，其特征在于，熔融拉锥所形成的锥区直径r随拉锥长度z的变化需满足：

其中β₁、β₂是纤芯中可能进行能量耦合的两个模式的传播常数。

9.根据权利要求1、2、3、4、5、7或8所述的基于套管法的模组选择光子灯笼制备方法，其特征在于，根据输出光纤的包层大小来决定输入光纤的数量和腐蚀程度。

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