CN112965170B - 一种利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，属于导波光学和光纤通信技术领域。该方法利用玻璃套管对多根光纤进行熔融拉锥制备光纤模式选择性耦合器，包括光纤和玻璃套管规格选取、除杂干燥、一次拉锥、光纤插入低折射率玻璃套管和二次拉锥五个步骤，操作简单，相比于传统拉锥方法中的缠绕操作来说，光纤结构保持较好，且保证了拉锥器件结构的稳定性以及进一步缩小锥区直径的可能。对基于熔融拉锥制备的光纤模式选择性耦合器件具有实际意义。

Description

一种利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法
技术领域
本发明属于导波光学和光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法。
背景技术
随着光纤通信的发展，为了满足人们对高传输速率和大传输容量的需求，波分复用技术、时分复用技术、码分复用技术以及相干接收和多阶调制等新技术使得单模光纤的传输容量以每四年约十倍速度增长，但是还远远赶不上人们对容量需求的指数级增长速度。于是有人提出了增加空间这个自由度来继续提高光纤通信系统的传输容量。空分复用技术是利用少模光纤或者多芯光纤来实现在单根光纤中同时传输多个独立信道的信息，因此能成倍地提高传输系统的容量。基于少模光纤的空分复用技术又称为模分复用技术，利用该技术的光通信传输系统主要由发送端、传输系统和接收端组成。发送端将产生的电信号转化为光信号送入各个模式转换器，在模式转换器中将LP01模转换成不同的高阶模式，每种模式可以单独传输一路信号。转换完成的各路信号在少模光纤中进行传输，到达模式解复用器后各个模式被分离开来，然后在光电探测器中被探测接收。
目前可以用于制作模式转换器的光纤器件有光纤光栅、光子灯笼和耦合器等，基于光纤耦合器的模式转换器又称为模式选择性耦合器(Mode Selective Coupler,MSC)，是目前最常见的一种实现形式，MSC一般由一根或多根单模光纤和一根少模光纤熔融拉锥制备而成，光纤耦合器是指将两根(或两根以上)除去涂覆层的光纤以一定方法靠拢来形成特殊的波导结构，若采用在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式，该方法称为多根光纤的熔融拉锥。
由于多根光纤采用熔融拉锥制备的光纤耦合器在几何结构上不规则，整体呈哑铃状，因此针对实际的熔融拉锥制备过程的问题，寻求更简易地控制拉伸长度以及发生耦合的腰区直径对耦合器制备具有非常重要的意义。
目前光纤模式选择性耦合器主流的熔融拉锥制备方法，以两根光纤为例，为了让两根光纤在拉伸过程中实现侧面烧结在一起，需要提前将两根光纤缠绕或扭转数圈，然后利用熔融拉锥机对缠绕部位进行加热，同时夹具将两根光纤向两端拉伸，加热温度足够高时，可以实现加热部位融化变细形成一个完整的波导(见图1)，但是这种熔融拉锥操作存在一些问题：第一，两根甚至多根光纤放在一起时，整体结构松散不稳定，需要专门定制夹具来对光纤束进行固定，增加了器件制备的成本；第二，使用拉锥机火头对多根光纤接触部位加热过程中，由于热源自身的不对称性以及与缠绕光纤束触点的相对位置不同，很难保证熔融腰区的直径的一致性；第三，拉锥结束后，虽然通常采取立即封装以保护拉锥区域不被损坏，但封装部件也是通过加热来实现将拉锥完成的结构进行保护，该操作本身有损坏锥区结构的风险。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，该方法利用玻璃套管对多根光纤进行熔融拉锥制备光纤模式选择性耦合器，包括光纤和玻璃套管规格选取、除杂干燥、一次拉锥、光纤插入低折射率玻璃套管和二次拉锥五个步骤，操作简单，相比于传统拉锥方法中的缠绕操作来说，光纤结构保持较好，且保证了拉锥器件结构的稳定性以及进一步缩小锥区直径的可能。对基于熔融拉锥制备的光纤模式选择性耦合器件具有实际意义。
本发明解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
本发明的一种利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，为将两根或多根光纤插入保护性的玻璃套管中，再对此复合结构进行熔融拉锥，具体包括以下步骤：
步骤一：选规格
根据光纤模式选择性耦合器的光纤要求，准备多根光纤；
根据光纤模式选择性耦合器中光纤的尺寸、数量以及后续拉锥夹具的尺寸，选择玻璃套管；所述的玻璃套管材质的折射率<石英折射率；
步骤二：除杂干燥
去除所取光纤的全部涂覆层，清洗除杂，干燥，得到制备光纤模式选择性耦合器的光纤束；
对玻璃套管进行清洗除杂、干燥，得到除杂后的玻璃套管；
步骤三：一次拉锥
将除杂后的玻璃套管采用拉锥夹具夹持固定，采用对电极对除杂后的玻璃套管加热，控制拉锥速度，对除杂后的玻璃套管进行一次拉锥，当玻璃套管内径大于其内部插入的光纤束的整体最大直径1～2μm，停止拉锥，静置至室温，得到一次拉锥后的玻璃套管；
步骤四：插入光纤束
将制备光纤模式选择性耦合器的所需的光纤，全部插入并贯穿一次拉锥后的玻璃套管，得到插入光纤束的玻璃套管；
步骤五：二次拉锥
将插入光纤束的玻璃套管用拉锥夹具夹持固定，采用对电极调整加热温度对该结构的腰区加热，进行二次拉锥，直至达到所制备光纤模式选择性耦合器中光纤腰区的尺寸要求，得到光纤模式选择性耦合器。
所述步骤一中，光纤的数量至少为两根。
所述步骤一中，光纤为单模光纤、MSC中匹配的少模光纤中的一种。
所述步骤一中，玻璃套管内径>多根光纤排布后的整体直径，玻璃套管外径和拉锥设备夹具的尺寸对应。
所述步骤一中，所述的玻璃套管材质的折射率<石英折射率，是因为由于常规熔融拉锥制备方法中，光信号从一根光纤中激励后，在锥区会在光纤束熔融后的整体包层结构中以超模形态传输，为了降低玻璃套管对该超模的影响，应选择玻璃套管材质的折射率<纯石英的折射率，更优选为玻璃套管材质为掺氟石英，掺氟的质量百分比在满足掺杂工艺的前提下≥1％。
所述步骤二中，去除光纤全部涂覆层的方法为采用机械方法剥除或加热方法剥除。
所述步骤二中，清洗除杂为以酒精为试剂，超声清洗，超声频率为40kHz，超声清洗时间为10～15min。
所述步骤二中，干燥为置于干燥箱中，在100～110℃干燥30～60min。
所述步骤三中，一次拉锥的放电强度为320～360bit，电极距离为2～3mm，拉锥速度为0.1～0.15mm/s。
所述步骤五中，二次拉锥的放电强度为360～400bit，电极距离为2～3mm，拉锥速度为0.1～0.15mm/s。
所述步骤五中，增大电极放电强度后，在第一次拉锥完成得到结构的腰区进行二次拉锥，玻璃套管和内部光纤束均能融化，拉锥时，拉锥夹具夹持固定玻璃套管，仅对玻璃套管拉伸，玻璃套管拉伸时，带动整体结构同时拉伸。
采用上述玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，制备的光纤模式选择性耦合器，在选取壁更厚的玻璃套管(外径/内径>2)的情况下锥区直径能够达到10μm以下，对于直接对标准光纤拉锥而言，不仅作为拉锥设备的熔接机不支持该情况下的拉锥比，传统制备方法即便能通过多次拉锥实现也很难有效保护。
与现有技术相比，本发明的一种利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，其优势是：
1、本发明对光纤束中光纤的数量没有限制，相较于基于传统熔融拉锥的光纤模式选择性耦合器制备方法，不需要专门定制特定数量孔的模具，仅需采用适合玻璃套管尺寸的夹具进行拉锥操作；
2、本发明提出的利用玻璃套管拉锥制备光纤模式选择性耦合器的方法，拉锥前无需对光纤束进行缠绕，整体结构前后一致，不仅对于建模仿真更为友好，同时也避免了传统熔融拉锥方法中锥区直径波动较大的问题；
3、本发明中玻璃套管除了可以在拉锥过程中保持光纤束的结构，还具有保护光纤束锥区的作用，因此可以使得除去玻璃套管的融锥区域更容易实现更小的锥区直径，且拉锥完成后其结构稳定性也得到极大的改善，避免了封装过程对锥区产生的不利影响。
附图说明
图1为常规熔融拉锥方法的通过光纤缠绕加热的拉锥过程。
图2为单模光纤基模与少模光纤模式有效折射率随拉锥比的变化曲线。
图3为本发明实施例1的一种利用玻璃套管和两根直径相同的光纤进行熔融拉锥制备光纤模式选择性耦合器的过程示意图。
图4为本发明实施例1制备的光纤模式选择性耦合器的腰区截面图。
图5为本发明实施例2的一种利用玻璃套管和两根直径不同的光纤进行熔融拉锥制备光纤模式选择性耦合器的过程示意图。
图6为本发明实施例3的一种利用玻璃套管和多根直径光纤进行熔融拉锥制备光纤模式选择性耦合器的过程示意图。
具体实施方式
为使上述目的，优点更加易懂，下面将通过实施例和附图详细描述本发明一种利用玻璃套管的光纤模式选择性耦合器制备方法的实施过程。本领域的技术人员应该意识到在权利要求的范围内，可以做出形式和细节上多种变形，这些实施方式仅起说明性作用，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例中以基于两根等直径的单模光纤和少模光纤的光纤模式选择性耦合器为例，对于直径相同的其他光纤同样适用。
图2所示为单模光纤基模与少模光纤各模式有效折射率随拉锥比例的变化曲线图，当单模光纤基模与少模光纤中模式的有效折射率相同时，即当单模光纤和少模光纤拉锥到特定的拉锥比时，满足相位匹配条件，可发生模式的选择性耦合，图中所选有效折射率1.4435，此时少模光纤中的LP01模式所需拉锥比相当小，虽可采用二次拉锥实现，但若采用图1中的常规熔融拉锥方法进行缠绕，一次拉锥后的结构及其脆弱，不仅操作困难，而且二次拉锥后也很难有效地保护，本实施例的一种利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，其拉伸过程如图3所示，包括以下步骤：
步骤一：选规格
准备两根光纤，并根据所选光纤的直径之和选择对应内径的玻璃套管，根据拉锥夹具的夹持尺寸，确定玻璃套管外径，本实施例中，两根光纤为标准直径光纤，外径均为125μm，两根情况下，初始外径之和为250μm，因此玻璃套管内径必须大于此数值，经选择标称400μm的拉锥机夹具较为合适，夹持范围在390～489μm，因此，选择一根内外径比例为4:5、外径为450μm的掺氟玻璃套管，内径为360μm。玻璃套管的材质为掺氟石英，掺氟的质量百分比为1％。
步骤二：除杂干燥
先通过机械方法剥除两根单模光纤全部的涂覆层，采用酒精、超声波清洗机和干燥箱等设备对两根光纤以及玻璃套管进行除杂干燥；
步骤三：一次拉锥
拉锥操作采用藤仓FSM-100P+熔接机的拉锥功能进行拉锥，考虑到两边拉锥夹具的间距，玻璃套管长度在12～15cm，使用拉锥夹具固定好玻璃套管后，在玻璃套管两侧设置对电极，对电极间距为3mm，启动对电极放电，调整电极强度为320～360bit，控制电极和马达将玻璃套管向两边拉伸，拉锥速度为0.1mm/s，玻璃套管受热软化并拉伸，当玻璃套管内径缩小至252μm时，停止拉锥，得到一次拉锥后的玻璃套管；
步骤四：插入光纤
在无尘条件下操作两根光纤，由于玻璃套管两端容差较大，仅手动操作就可以将两根光纤插入并贯穿一次拉锥后的玻璃套管，不需要微操作平台辅助，得到插入光纤束的玻璃套管。
步骤五：二次拉锥
采用拉锥夹具夹持固定插入光纤束的玻璃套管，重新启动拉锥设备，此时若保持原来的放电强度，温度不够高，可能导致管内光纤不能融化，因此将放电强度提高到360～400bit进行第二阶段的拉锥，对前一阶段的腰区进行加热，使用拉锥夹具固定玻璃套管进行二次拉锥，此时根据实际拉锥效果进一步调整放电强度以及马达移动速度，使锥区达到所需要的直径。
拉锥完成的结构腰区截面如图4所示。
当所需拉锥比特别小时，直接拉锥不仅对于拉锥设备来说有难度，而且实现无法保证锥区的机械强度。尽管可以通过多次拉锥达到更小的拉锥比，但此时被拉锥波导结构极其脆弱，因此可以通过加低折射率外套玻璃管的方法来实现，由于外套玻璃管的折射率低，对被拉锥波导结构中的光传输产生的影响很小，而且当玻璃管外径/内径大于2的时候，尽管波导的直径降低到了10μm以下，被拉锥结构的直径得到成倍地增加，也使得后续的封装过程更加容易。如图2所示，若选取的匹配折射率低于1.441，此时单模光纤与少模光纤中LP01模式匹配时，少模光纤需达到小于0.1的拉锥比，此时锥区有可能低于10μm，外套玻璃管的存在就可以增大被拉锥波导腰区的直径以保证其机械强度。
实施例2
本实施例中以基于直径不同的一根单模光纤和一根少模光纤的光纤模式选择性耦合器为例，对于不同直径的其他光纤同样适用。
本实施例一种利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，其过程如图5所示，包括以下步骤：
步骤一：选规格
准备两根光纤，并根据所选光纤的直径之和选择对应内径的玻璃套管，根据拉锥夹具的夹持尺寸，确定玻璃套管外径，本实施例中，一根光纤为标准直径光纤，外径为125μm，另一根光纤为特种少模光纤，外径为150μm，两根情况下，初始外径之和为275μm，因此玻璃套管内径必须大于此数值，经选择标称400μm的拉锥机夹具较为合适，夹持范围在390～489μm，因此，选择一根内外径比例为4:5、外径为450μm的掺氟玻璃套管，内径为360μm。玻璃套管的材质为掺氟石英，掺氟的质量百分比为1％。
步骤二：除杂干燥
先通过机械方法剥除两根单模光纤全部的涂覆层，采用酒精、超声波清洗机和干燥箱等设备对两根光纤以及玻璃套管进行除杂干燥；
步骤三：一次拉锥
拉锥操作采用藤仓FSM-100P+熔接机的拉锥功能进行拉锥，考虑到两边拉锥夹具的间距，玻璃套管长度在12～15cm，使用拉锥夹具固定好玻璃套管后，在玻璃套管两侧设置对电极，对电极间距为3mm，启动对电极放电，调整电极强度为320～360bit，控制电极和马达将玻璃套管向两边拉伸，拉锥速度为0.1mm/s，玻璃套管受热软化并拉伸，当玻璃套管内径缩小至277μm时，停止拉锥，得到一次拉锥后的玻璃套管；
步骤四：插入光纤
在无尘条件下操作两根光纤，由于玻璃套管两端容差较大，仅手动操作就可以将两根光纤插入并贯穿一次拉锥后的玻璃套管，不需要微操作平台辅助，得到插入光纤束的玻璃套管。
步骤五：二次拉锥
采用拉锥夹具夹持固定插入光纤束的玻璃套管，重新启动拉锥设备，此时若保持原来的放电强度，温度不够高，可能导致管内光纤不能融化，因此将放电强度提高到360～400bit进行第二阶段的拉锥，对前一阶段的腰区进行加热，使用拉锥夹具固定玻璃套管进行二次拉锥，此时根据实际拉锥效果进一步调整放电强度以及马达移动速度，使锥区达到所需要的直径。
实施例3
本实施例中以基于三根同直径的光纤模式选择性耦合器为例，对于更多光纤数量的光纤束同样适用。
本实施例的一种利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，其制备过程如图6所示，包括以下步骤：
步骤一：选规格
准备三根光纤，并根据所选光纤的直径之和选择对应内径的玻璃套管，根据拉锥夹具的夹持尺寸，确定玻璃套管外径，本实施例中，三根光纤为标准直径光纤，外径均为125μm，三根情况下，初始整体外径约为394μm，因此玻璃套管内径必须大于此数值，经选择标称700μm的拉锥机夹具较为合适，夹持范围在690～789μm，因此，选择一根内外径比例为4:5、外径为750μm的掺氟玻璃套管，内径为600μm。玻璃套管的材质为掺氟石英，掺氟的质量百分比为1％。
步骤二：除杂干燥
先通过机械方法剥除两根单模光纤全部的涂覆层，采用酒精、超声波清洗机和干燥箱等设备对两根光纤以及玻璃套管进行除杂干燥；
步骤三：一次拉锥
拉锥操作采用藤仓FSM-100P+熔接机的拉锥功能进行拉锥，考虑到两边拉锥夹具的间距，玻璃套管长度在12～15cm，使用拉锥夹具固定好玻璃套管后，在玻璃套管两侧设置对电极，对电极间距为3mm，启动对电极放电，调整电极强度为340～380bit，控制电极和马达将玻璃套管向两边拉伸，拉锥速度为0.1mm/s，玻璃套管受热软化并拉伸，当玻璃套管内径缩小至396μm时，停止拉锥，得到一次拉锥后的玻璃套管；
步骤四：插入光纤
在无尘条件下操作三根光纤，由于玻璃套管两端容差较大，仅手动操作就可以将三根光纤插入并贯穿一次拉锥后的玻璃套管，不需要微操作平台辅助，得到插入光纤束的玻璃套管。
步骤五：二次拉锥
将插入光纤束的玻璃套管用拉锥夹具夹持固定，重新启动拉锥设备，此时若保持原来的放电强度，温度不够高，可能导致管内光纤不能融化，因此将放电强度提高到380～420bit进行第二阶段的拉锥，对前一阶段的腰区进行加热，使用拉锥夹具固定玻璃套管进行二次拉锥，此时根据实际拉锥效果进一步调整放电强度以及马达移动速度，使锥区达到所需要的直径。

Claims (10)

1.一种利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，其特征在于，将多根光纤插入保护性的玻璃套管中，再对此复合结构进行熔融拉锥，具体包括以下步骤：
步骤一：选规格
根据光纤模式选择性耦合器的光纤要求，准备多根光纤；
根据光纤模式选择性耦合器中光纤的尺寸、数量以及后续拉锥夹具的尺寸，选择玻璃套管；所述的玻璃套管材质的折射率<石英折射率；
步骤二：除杂干燥
去除所取光纤的全部涂覆层，清洗除杂，干燥，得到制备光纤模式选择性耦合器的光纤束；
对玻璃套管进行清洗除杂、干燥，得到除杂后的玻璃套管；
步骤三：一次拉锥
将除杂后的玻璃套管采用拉锥夹具夹持固定，采用对电极对除杂后的玻璃套管加热，控制拉锥速度，对除杂后的玻璃套管进行一次拉锥，当玻璃套管内径大于其内部插入的光纤束的整体最大直径1~2μm，停止拉锥，静置至室温，得到一次拉锥后的玻璃套管；
步骤四：插入光纤束
将制备光纤模式选择性耦合器的所需的光纤，全部插入并贯穿一次拉锥后的玻璃套管，得到插入光纤束的玻璃套管；
步骤五：二次拉锥
将插入光纤束的玻璃套管用拉锥夹具夹持固定，采用对电极调整加热温度对该结构的腰区加热，进行二次拉锥，拉锥时，拉锥夹具夹持固定玻璃套管，仅对玻璃套管拉伸，玻璃套管拉伸时，带动整体结构同时拉伸；直至达到所制备光纤模式选择性耦合器中光纤腰区的尺寸要求，得到光纤模式选择性耦合器。
2.根据权利要求1所述的利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，其特征在于，所述步骤一中，光纤的数量至少为两根；光纤为单模光纤、MSC中匹配的少模光纤中的一种。
3.根据权利要求1所述的利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，其特征在于，所述步骤一中，玻璃套管内径>多根光纤排布后的整体直径，玻璃套管外径和拉锥设备夹具的尺寸对应。
4.根据权利要求1所述的利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，其特征在于，所述的玻璃套管材质为掺氟石英，掺氟的质量百分比在满足掺杂工艺的前提下≥1%。
5.根据权利要求1所述的利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，其特征在于，所述步骤二中，去除光纤全部涂覆层的方法为采用机械方法剥除或加热方法剥除。
6.根据权利要求1所述的利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，其特征在于，所述步骤二中，清洗除杂为以酒精为试剂，超声清洗，超声频率为40kHz，超声清洗时间为10~15min。
7.根据权利要求1所述的利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，其特征在于，所述步骤二中，干燥为置于干燥箱中，在100~110℃干燥30~60min。
8.根据权利要求1所述的利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，其特征在于，所述步骤三中，一次拉锥的放电强度为320~360bit，电极距离为2~3mm，拉锥速度为0.1~0.15mm/s。
9.根据权利要求1所述的利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，其特征在于，所述步骤五中，二次拉锥的放电强度为360~400bit，电极距离为2~3mm，拉锥速度为0.1~0.15mm/s。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的利用玻璃套管制备光纤模式选择性耦合器的方法，其特征在于，制备的光纤模式选择性耦合器，在选取外径/内径>2的玻璃套管的情况下，锥区直径能够达到10μm以下。
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