CN113341502A - 一种基于三维波导的多芯光纤耦合器和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于三维波导的多芯光纤耦合器和制备方法，利用三维波导芯片实现多芯光纤的复用与解复用，通过三维波导芯片的输入端与多芯光纤头连接、输出端与单模光纤头连接，极大的降低了制造难度，实现了低插入损耗的三维波导型多芯光纤耦合器的批量生产。本发明通过优化三维波导芯片的光波导排布，减小了三维波导芯片输出端的光波导间距，在不增加波导长度的情况下增大了波导的弯曲半径，有效降低了波导损耗。本发明采用的毛细玻璃管能够方便快捷制备多芯光纤头和单模光纤束头，提高多芯光纤耦合器的耦合效率，操作方便，并且可升级为自动耦合系统，提高了产品成品率、可扩展性和精度，实现了波光纤和三维波导的稳定耦合。
Description
技术领域
本发明属于光传输器件技术领域，具体涉及一种基于三维波导的多芯光纤耦合器和制备方法。
背景技术
随着5G技术走向商用，物联网智慧城市的不断发展，光通信容量需求不断提升。在单模光纤链路中，时分复用、波分复用和偏振复用等技术手段用于拓宽系统容量，但随着数字数据业务的增长，所需的带宽密度急剧增加导致SMF链路无法满足需求。基于多芯光纤的空分复用是解决SMF链路容量限制的最有效方法之一，近年来多芯光纤通信系统实现了更高带宽、更高布线密度和整个网络的低功耗。由于多芯光纤和单模光纤尺度和结构的不同，在多芯光纤的实际应用中，需要一个多芯光纤和单芯光纤之间的耦合元件。
已有的多芯光纤耦合器主要有以下几种制备方法：
一是使用透镜法，这种方法制备的多芯光纤耦合器体积大，当芯数增加时，光路较复杂，对调整架和光学元件的精度和稳定度要求较高。增加了系统复杂度，给实际使用带来了不便。
二是使用光纤腐蚀法，如专利文献CN201510691273.X。这种方法需要将多个单芯光纤外径通过刻蚀、定制或其他方法使之与多芯光纤的芯间距相等，然后再将多个单芯光纤按照比例和结构排列，再固定并将端面抛光，最后将光纤束与多芯光纤熔接或物理对接等方式形成多芯光纤耦合器，这种方法难度在于处理和排布多个单芯光纤，操作过程比较精细。处理单芯光纤的包层有刻蚀法或者定制，需与多芯光纤的芯间距一致。因此处理过程需要严格控制，单芯光纤的排布也需要高精度的设备，操作复杂，不利于工业化生产。
三是使用熔融拉锥法。专利文献CN201811089100.0提供了一种多芯光纤耦合器及其制备方法，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，光纤的折射率分布需要精心设计，拉锥过程需要严格控制，较难实现产品化。
四是聚合物波导法。如专利文献CN202020964625.0提供了一种多芯光纤的扇出接头组件，这种制备方法采用的波导芯片，波导弯曲损耗受弯曲半径影响很大。在一定条件下，波导弯曲半径越小，器件结构越紧凑；但弯曲半径越小，波导弯曲引起的损耗会越大。此专利中波导芯片的输出端为一维光波导排列，导致输出端一维排列的光波导中，位于中间的波导弯曲半径大，对应的波导损耗相对较小，位于两边的波导弯曲半径小，对应的波导弯曲损耗较大，输出端采用一维光波导排布的三维波导芯片制备的多芯光纤耦合器插损高，无法保证多芯光纤耦合器各通道损耗的均匀性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于三维波导的多芯光纤耦合器和制备方法，用于实现低插入损耗的三维波导型多芯光纤耦合器。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于三维波导的多芯光纤耦合器，包括三维波导芯片、多芯光纤、单模光纤束、第一毛细玻璃管、第二毛细玻璃管、金属管；去除部分涂覆层的多芯光纤插在第一毛细玻璃管中并通过胶粘剂固定，且与三维波导芯片的输入端耦合；去除部分涂覆层的单模光纤束插在第二毛细玻璃管中并通过胶粘剂固定，且与三维波导芯片的输出端耦合；三维波导芯片、三维波导芯片的输入端与多芯光纤的耦合点、三维波导芯片的输出端与单模光纤束的耦合点封装在金属管中。
按上述方案，第一毛细玻璃管为一端带喇叭口圆孔的毛细玻璃管，孔内径比多芯光纤的包层的外径大3um～5um；第二毛细玻璃管为一端带喇叭口圆孔的毛细玻璃管，孔内径比去除涂覆层的单模光纤束的外径大3um～5um；或第二毛细玻璃管为一端带喇叭口方孔的毛细玻璃管，方孔的尺寸比去除涂覆层的单模光纤束的尺寸大3um～5um。
按上述方案，多芯光纤耦合器的直径范围为2.5mm～3mm、长度为50mm；金属管为圆形封装管，直径范围为3mm～4mm、长度为60mm；或金属管为矩形封装管，宽度范围为4mm～7mm、高度范围为3～4mm、长度为60mm。
按上述方案，多芯光纤的芯数范围为4～19，单模光纤束的芯数范围为4～19；三维波导芯片的波导数量与两端分别耦合多芯光纤的芯数、单模光纤束的芯数相同。
进一步的，多芯光纤的芯数为4，多芯光纤包括4个单模纤芯，4个单模纤芯呈二维矩形排列；单模光纤束的芯数为4，单模光纤束呈二维矩形排列；三维波导芯片的波导数量为4，三维波导芯片的输入端和输出端的波导分别呈二维矩形排列。
进一步的，多芯光纤的芯数为7，多芯光纤包括7个单模纤芯，7个单模纤芯呈二维圆周及圆心排列；单模光纤束的芯数为7，单模光纤束呈二维圆周及圆心排列；三维波导芯片的波导数量为7，三维波导芯片的输入端和输出端的波导分别呈二维圆周及圆心排列。
进一步的，多芯光纤的芯数为8，多芯光纤包括8个单模纤芯，8个单模纤芯呈圆周排列；单模光纤束的芯数为8，单模光纤束呈圆周排列；三维波导芯片的波导数量为8，三维波导芯片的输入端和输出端的波导分别呈圆周排列。
一种基于三维波导的多芯光纤耦合器的制备方法，包括以下步骤：
S1：将多芯光纤去除部分涂覆层后插入经过清洗的第一毛细玻璃管中组成多芯光纤头，并通过胶粘剂固化在第一毛细玻璃管中，使多芯光纤头的纤芯分布与三维波导芯片的输入端的波导排列形状相同；
S2：将单模光纤束去除部分涂覆层后插入经过清洗的第二毛细玻璃管中组成单模光纤束头，并通过胶粘剂固化在第二毛细玻璃管中，使单模光纤束头的纤芯分布与三维波导芯片的输出端的波导排列形状相同；
S3：采用超快激光对透明材料进行结构加工制备三维波导芯片；
S4：将多芯光纤头与三维波导芯片的输入端耦合；将单模光纤束头与三维波导芯片的输出端耦合；
S5：将三维波导芯片、多芯光纤头、单模光纤束头置于金属管内并密封，将输入端光纤和输出端光纤置于金属管外，将橡胶塞置于金属管的两侧封装多芯光纤耦合器。
进一步的，制备一种基于三维波导的四芯光纤耦合器的具体步骤为：
所述的步骤S1中，具体步骤为：
S11：剥除四芯光纤前端的涂覆层，使多芯光纤的前端部分包括芯层和包层，前端部分长度为30mm，多芯光纤的后端部分为包含芯层、包层和涂覆层的完整光纤，后端部分长度为1.5m；使用蘸有无水乙醇的无尘纸清洁多芯光纤；
S12：第一毛细玻璃管采用轴向中心具有圆形通孔的高硼硅毛细玻璃管，长度为20mm；将第一毛细玻璃管的一端制作为喇叭口圆孔用于插入光纤且不损伤多芯光纤的涂覆层，圆孔的内径比多芯光纤的包层的外径大3um～5um；
S13：采用超声波清洗装置将第一毛细玻璃管的内壁清洗干净，将多芯光纤从第一毛细玻璃管的喇叭口圆孔穿入并突出于第一毛细玻璃管的端面；
S14：在多芯光纤与第一毛细玻璃管之间的缝隙中注入紫外胶，将多芯光纤与第一毛细玻璃管粘结为一个整体，形成多芯光纤头，待紫外胶固化后研磨去除突出于第一毛细玻璃管端面的多芯光纤，使多芯光纤的端面与第一毛细玻璃管的端面齐平；
所述的步骤S2中，具体步骤为：
S21：剥除四根单模光纤前端的涂覆层，使单模光纤的前端部分包括芯层和包层，前端部分长度为30mm，单模光纤的后端部分为包括芯层、包层和涂覆层的完整光纤，后端部分长度为1.5m；使用蘸有无水乙醇的无尘纸清洁单模光纤；
S22：第二毛细玻璃管采用轴向中心具有方形通孔的高硼硅毛细玻璃管，长度为20mm；将第二毛细玻璃管的一端制作为喇叭口方孔用于插入光纤且不损伤单模光纤束的涂覆层，方孔的尺寸比去除涂覆层的四根单模光纤组成的单模光纤束的尺寸大3um～5um；
S23：采用超声波清洗装置将第二毛细玻璃管的内壁清洗干净，将单模光纤束从第二毛细玻璃管的喇叭口方孔穿入并突出于第二毛细玻璃管的端面；
S24：在单模光纤束与第二毛细玻璃管之间的缝隙中注入紫外胶，将单模光纤束与第二毛细玻璃管粘结为一个整体，形成单模光纤束头，待紫外胶固化后研磨去除突出于第二毛细玻璃管端面的单模光纤，使单模光纤的端面与第二毛细玻璃管的端面齐平；
所述的步骤S3中，具体步骤为：
采用飞秒激光直写光波导技术制备三维波导芯片，飞秒激光聚焦到包括锗掺杂的硅酸盐、硼硅酸盐、钠钙硅酸盐、氟锆酸盐的透明玻璃内部，进行空间选择性的玻璃内部局域化折射率改变，使波导的硅基模场转换为标准单模光纤的模场，形成三维波导芯片，且三维波导芯片的输入端和输出端的波导分别呈二维矩形排列；
所述的步骤S4中，具体步骤为：
S41：准备三维波导芯片与光纤的耦合装置包括：光源、光开关、输入端六维调整架、输出端六维调整架、第一夹具、第二夹具、第三夹具、波导芯片支座、真空泵，第一CCD、第二CCD、直角棱镜、光功率计和紫外固化装置；
S42：清洁多芯光纤头的端面后放置并固定在第一夹具中，将第一夹具安装在输入端六维调整架上；清洁单模光纤束头的端面后放置并固定在第二夹具中，将第二夹具安装在输出端六维调整架上；清洁三维波导芯片的输入端和输出端后放置在第三夹具中并通过真空吸附的方式进行固定，将第三夹具固定在波导芯片支座上；
S43：将第一CCD设置在多芯光纤和三维波导芯片的上方，将第二CCD设置在多芯光纤和三维波导芯片的侧面；在多芯光纤头和三维波导芯片之间、三维波导芯片与单模光纤束头之间分别设置直角棱镜，将直角棱镜固定在移动滑台上；使多芯光纤头的端面经过直角棱镜反射至第一CCD，三维波导芯片输入端的端面经过直角棱镜反射至第二CCD；通过对比第一CCD和第二CCD采集的端面图像，调整输入端六维调整架，旋转多芯光纤头，使多芯光纤头的端面的纤芯排布与三维波导芯片的输入端的波导排布准确重合；完成端面对准后，将直角棱镜通过滑台从多芯光纤头与三维波导芯片之间移出；重复本步骤通过第一CCD和第二CCD分别进行多芯光纤头和三维波导芯片的正面、侧面成像，调节输入端六维调整架，实现多芯光纤与三维波导芯片的初步对准；
S44：将第一CCD和第二CCD移动到三维波导芯片与单模光纤束之间，使三维波导芯片输出端的端面经过直角棱镜反射至第一CCD，单模光纤束头的端面经过直角棱镜反射至第二CCD；通过对比第一CCD和第二CCD采集的端面图像，调整输出端六维调整架，旋转单模光纤束头，使单模光纤束头端面的纤芯排布与三维波导芯片输出端的波导排布准确重合；完成端面对准后，将直角棱镜通过滑台从单模光纤束头于三维波导芯片之间移出；重复本步骤通过第一CCD和第二CCD分别进行单模光纤束头和三维波导芯片的正面、侧面成像，调节输出端六维调整架，实现单模光纤束与三维波导芯片的初步对准；
S45：将光源通过光开关分别连接单模光纤束的各尾纤，将光功率计与多芯光纤连接，再次微调输入端六维调整架和输出端六维调整架，当测量的多芯光纤耦合器各个通道的插损值均达到预设值并保持稳定时，表明多芯光纤与三维波导芯片的输入端已经精确对准，单模光纤束与三维波导芯片的输出端已经精确对准；
S46：在多芯光纤头与三维波导芯片输入端的连接处涂覆紫外胶，在单模光纤束头与三维波导芯片输出端的连接处涂覆紫外胶，并用紫外固化系统照射使紫外胶充分固化。
进一步的，制备一种基于三维波导的环形八芯耦合器的具体步骤为：
将步骤S1的具体步骤替换为：
S11：剥除八芯光纤前端的涂覆层，使多芯光纤的前端部分包括芯层和包层，前端部分长度为30mm，多芯光纤的后端部分为包含芯层、包层和涂覆层的完整光纤，后端部分长度为1.5m；使用蘸有无水乙醇的无尘纸清洁多芯光纤；
S12：第一毛细玻璃管为轴向中心具有圆形通孔的高硼硅毛细玻璃管，长度为20mm；将第一毛细玻璃管的一端制作为喇叭口圆孔用于插入光纤且不损伤多芯光纤的涂覆层，圆孔的内径比多芯光纤的包层的外径大3um～5um；
S13：采用超声波清洗装置将第一毛细玻璃管的内壁清洗干净，将多芯光纤从第一毛细玻璃管的喇叭口圆孔穿入并突出于第一毛细玻璃管的端面；
S14：在多芯光纤与第一毛细玻璃管之间的缝隙中注入紫外胶，将多芯光纤与第一毛细玻璃管粘结为一个整体，形成多芯光纤头，待紫外胶固化后研磨去除突出于第一毛细玻璃管端面的多芯光纤，使多芯光纤的端面与第一毛细玻璃管的端面齐平；
将步骤S2的具体步骤替换为：
S21：剥除八根单模光纤前端和一根纯硅玻璃丝前端的涂覆层，使单模光纤的前端部分包括芯层和包层，单模光纤的前端部分长度均为30mm，单模光纤的后端部分为包括芯层、包层和涂覆层的完整光纤，单模光纤的后端部分长度均为1.5m；使用蘸有无水乙醇的无尘纸清洁单模光纤和纯硅玻璃丝；
S22：第二毛细玻璃管采用轴向中心具有圆形通孔的高硼硅玻璃毛细管，长度为20mm；将第二毛细玻璃管的一端制作为喇叭口圆形用于插入光纤且不损伤单模光纤的涂覆层，圆孔的直径比去除涂覆层的八根单模光纤与一根纯硅玻璃丝组成的单模光纤束的尺寸大3～5um；
S23：采用超声波清洗装置将第二毛细玻璃管的内壁清洗干净，将八根单模光纤均匀排列在纯硅玻璃丝的同心圆的圆周上，从第二毛细玻璃管的喇叭口穿入并突出于第二毛细玻璃管的端面；
S24：在单模光纤、纯硅玻璃丝与第二毛细玻璃管之间的缝隙中注入紫外胶，将单模光纤、纯硅玻璃丝与第二毛细玻璃管粘结为一个整体，形成单模光纤束头，待紫外胶固化后研磨去除突出于第二毛细玻璃管端面的单模光纤和纯硅玻璃丝，使单模光纤和纯硅玻璃丝的端面与第二毛细玻璃管的端面齐平；
将步骤S3的具体步骤替换为：
采用飞秒激光直写光波导技术制备三维波导芯片，飞秒激光聚焦到包括锗掺杂的硅酸盐、硼硅酸盐、钠钙硅酸盐、氟锆酸盐的透明玻璃内部，进行空间选择性的玻璃内部局域化折射率改变，使波导的硅基模场转换为标准单模光纤的模场，形成三维波导芯片，且三维波导芯片的输入端和输出端的波导分别呈二维环形排列。
本发明的有益效果为：
1.本发明的一种基于三维波导的多芯光纤耦合器和制备方法，利用三维波导芯片实现多芯光纤的复用与解复用，通过三维波导芯片的输入端与多芯光纤头连接，三维波导芯片的输出端与单模光纤头连接，极大的降低了制造难度，实现了低插入损耗的三维波导型多芯光纤耦合器的批量生产。
2.本发明通过优化三维波导芯片的光波导排布，减小三维波导芯片输出端的光波导间距，在不增加波导长度的情况下，增大了波导的弯曲半径，有效降低了波导损耗。
3.本发明采用的毛细玻璃管能够方便快捷制备多芯光纤头和单模光纤束头，提高多芯光纤耦合器的耦合效率，操作方便，并且可升级为自动耦合系统，提高了产品成品率，实现了波光纤和三维波导的稳定耦合。
4.本发明具有可扩展性好，制备简单，精度高，成品率高的特点。
附图说明
图1是本发明实施例的原理示意图。
图2是本发明实施例的四芯光纤头的结构示意图。
图3是本发明实施例的四芯光纤束头的结构示意图。
图4是本发明实施例的四芯三维波导芯片的立体结构示意图。
图5是本发明实施例的环形八芯光纤头的结构示意图。
图6是本发明实施例的环形八芯光纤束头的结构示意图。
图7是本发明实施例的八芯三维波导芯片的立体结构示意图。
图8是本发明实施例的圆形封装示意图。
图9是本发明实施例的矩形封装示意图。
图中：1.第一毛细玻璃管；2.第二毛细玻璃管。
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。
本发明提供的多芯光纤耦合器的制备方法，包括如下步骤：
将去除部分涂覆层的多芯光纤插入经过清洗的第一毛细玻璃管1中，组成多芯光纤头，其中，所述多芯光纤的纤芯分布与三维波导芯片输入端的波导排列形状相同；
将去除部分涂覆层的单模光纤束插入经过清洗第二毛细玻璃管2中，组成单模光纤束头，其中，所述单模光纤束的纤芯分布与三维波导芯片输出端的波导排列形状相同；
所述的多芯光纤头与所述三维波导芯片的输入端耦合；所述的单模芯光纤束头与所述三维波导芯片的输出端耦合；所述的多芯光纤耦合器采用金属管进行封装。
为了便于理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合附图对具体的实施例进行详细的描述。本发明提供的基于三维波导的多芯光纤耦合器制备方法，包括以下步骤：(1)多芯光纤头制备；(2)单模光纤束头制备；(3)三维波导芯片制备；(4)三维波导芯片输入端与多芯光纤头耦合，三维波导芯片输出端与单模光纤束头耦合；(5)多芯光纤耦合器封装；
实施例一：制备一种基于三维波导芯片的四芯光纤耦合器
(1)多芯光纤头制备：剥除四芯光纤前端的涂覆层，使用蘸有无水乙醇的无尘纸对多芯光纤进行清洁，多芯光纤前端部分包含芯层和包层，长度约30mm，后端部分为包含芯层、包层和涂覆层的完整光纤，后端长度为1.5m左右；第一毛细玻璃管1为轴向中心具有圆形通孔的高硼硅玻璃毛细管，长度约20mm，其一端可以制作为喇叭口方便光纤插入且不损伤多芯光纤的涂覆层，圆孔内径比所述多芯光纤包层的外径略大3～5um。采用超声波清洗装置将第一毛细玻璃管1的内孔清洗干净，多芯光纤从第一毛细玻璃管1的喇叭口穿入并突出于第一毛细玻璃管1的端面。在多芯光纤和第一毛细玻璃管1之间的缝隙中注入胶水，从而将多芯光纤和第一毛细玻璃管1粘结为一个整体，形成多芯光纤头，待胶水固化后研磨去除突出于第一毛细玻璃管1端面的多芯光纤，使得多芯光纤的端面与第一毛细玻璃管1的端面齐平，以便后续与三维波导芯片耦合，制备的4芯光纤头的端面参考图2。
(2)单模光纤束头制备：剥除四根单模光纤前端的涂覆层，使用蘸有无水乙醇的无尘纸对单模光纤进行清洁，单模光纤前端部分包含芯层和包层，长度约30mm，后端部分为包含芯层、包层和涂覆层的完整光纤，后端长度为1.5m左右；第二毛细玻璃管2为轴向中心具有方形通孔的高硼硅玻璃毛细管，长度约20mm，其一端可以制作为喇叭口方便光纤插入且不损伤多芯光纤的涂覆层，方孔尺寸比所述单模光纤组合的光纤束的尺寸略大3～5um。采用超声波清洗装置将第二毛细玻璃管2的内孔清洗干净，单模光纤从第二毛细玻璃管2的喇叭口穿入并突出于第二毛细玻璃管2的端面。在单模光纤和第二毛细玻璃管2之间的缝隙中注入胶水，从而将单模光纤和第二毛细玻璃管2粘结为一个整体，形成单模光纤束头，待胶水固化后研磨去除突出于毛细玻璃管2端面的单模光纤，使得单模光纤的端面与第二毛细玻璃管2的端面齐平，以便后续与三维波导芯片耦合，制备的单模光纤束头的端面图参考图3。
(3)三维波导芯片制备：
利用飞秒激光直写光波导技术制备三维波导芯片，飞秒激光聚焦到锗掺杂的硅酸盐、硼硅酸盐、钠钙硅酸盐、氟锆酸盐等透明玻璃内部，进行空间选择性的玻璃内部局域化折射率改变，形成光波导芯片。结合飞秒激光光场整形技术，实现光波导的硅基模场转换为标准单模光纤的模场。所述三维芯片的输入端光波导呈二维矩形排列，所述三维波导芯片的输出端光波导呈二维矩形排列，参见图4所示。三维波导芯片的输出端波导分布采用二维紧密的排列方式，形成的光波导路径弯曲半径较大，有效的降低波导的弯曲损耗。
(4)三维波导芯片输入端与多芯光纤头耦合，三维波导芯片输出端与单模光纤束头耦合：
三维波导芯片与光纤的耦合装置包括：光源，光开关、输入端六维调整架、输出端六维调整架、第一夹具、第二夹具、第三夹具、波导芯片支座、真空泵，第一CCD、第二CCD、直角棱镜、光功率计和紫外固化装置。
将多芯光纤头的端面进行清洁，放置并固定在第一夹具中，第一夹具安装在输入端六维调整架上；将单模光纤束头的端面进行清洁，放置并固定在第二夹具中，第二夹具安装在输出端六维调整架上；将三维波导芯片的输入端和输出端进行清洁，放置在第三夹具中，通过真空吸附的方式进行固定，第三夹具固定在波导芯片支座上。第一CCD位于多芯光纤和三维波导芯片的上方，第二CCD位于多芯光纤和三维波导芯片侧面。
在多芯光纤头和三维波导芯片之间、三维波导芯片与单模光纤束头之间分别设置直角棱镜，直角棱镜固定在移动滑台上。此时多芯光纤头的端面经过直角棱镜反射至第一CCD，波导芯片输入端的端面经过直角棱镜反射至第二CCD，通过对比第一CCD和第二CCD采集的端面图像，调整输入端六维调整架，旋转多芯光纤头，此时多芯光纤头端面的纤芯排布与波导芯片输入端的光波导排布准确重合，完成端面对准后，直角棱镜通过滑台从多芯光纤头和三维波导芯片之间移出。再通过第一CCD和第二CCD进行多芯光纤头和波导芯片的正面、侧面成像，调节输入端六维调整架，实现多芯光纤与三维波导芯片的初步对准。
第一CCD和第二CCD移动至三维波导芯片与单模光纤束之间，此时波导芯片输出端的端面经过直角棱镜反射至第一CCD，单模光纤束头的端面经过直角棱镜反射至第二CCD，通过对比第一CCD和第二CCD采集的端面图像，调整输出端六维调整架，旋转单模光纤束头，此时单模光纤束头端面的纤芯排布与三维波导芯片输出端的光波导排布准确重合，完成端面对准后，直角棱镜通过滑台从单模光纤束头和三维波导芯片之间移出。再通过第一CCD和第二CCD进行单模光纤束头和波导芯片的正面、侧面成像，调节输出端六维调整架，实现单模光纤束与三维波导芯片的初步对准。
光源通过光开关与单模式光纤束各尾纤分别连接，光功率计与多芯光纤连接，再次微调输入端六维调整架和输出端六维调整架，当测量的多芯光纤耦合器各个通道的插损值均达到预设值并保持稳定，表明多芯光纤与三维波导芯的输入端已经精确对准，单模光纤与三维波导芯片的输出端已经精确对准。
可以在多芯光纤头与波导芯片输入端的连接处涂覆紫外胶水，在单模光纤束头与波导芯片输出端的连接处涂覆紫外胶水，在紫外固化系统的照射下，使紫外胶水充分固化，完成多芯光纤耦合的制作。
上述三维波导与光纤的耦合装置能够提高多芯光纤耦合器的耦合效率，操作方便，并且可升级为自动耦合系统，提高了产品成品率。
(5)多芯光纤耦合器封装：
多芯光纤耦合器封装组件为金属钢管以及橡胶塞，三维波导芯片、多芯光纤头以及光纤束头位于密封于封装钢管内，输入端多芯光纤和输出端光纤束位于封装钢管外，橡胶塞位于封装钢管的两侧避免光纤耦合器遭受损害，实现多芯光纤耦合器的小型化封装。多芯光纤耦合器的直径范围为2.5～3mm、长度为50mm。例如采用圆形封装管，封装直径为4mm，长度为60mm；例如采用矩形封装管，其尺寸范围为宽7mm、高4mm、长度为60mm。
实施例2环形八芯耦合器的制备
环形八芯耦合器的制备原理同四芯光纤耦合器，不同点在于(1)多芯光纤头的制备；(2)单模光纤束头制备(3)三维波导芯片的光波导排布。
(1)多芯光纤头制备：剥除八芯光纤前端的涂覆层，使用蘸有无水乙醇的无尘纸对多芯光纤进行清洁，多芯光纤前端部分包含芯层和包层，长度约30mm，后端部分为包含芯层、包层和涂覆层的完整光纤，后端长度为1.5m左右；第一毛细玻璃管1为轴向中心具有圆形通孔的高硼硅玻璃毛细管，长度约20mm，其一端可以制作为喇叭口方便光纤插入且不损伤多芯光纤的涂覆层，圆孔内径比所述多芯光纤包层的外径略大3～5um。采用超声波清洗装置将第一毛细玻璃管1的内孔清洗干净，多芯光纤从第一毛细玻璃管1的喇叭口穿入并突出于第一毛细玻璃管1的端面。在多芯光纤和第一毛细玻璃管1之间的缝隙中注入胶水，从而将多芯光纤和第一毛细玻璃管1粘结为一个整体，形成多芯光纤头，待胶水固化后研磨去除突出于第一毛细玻璃管1端面的多芯光纤，使得多芯光纤的端面与第一毛细玻璃管1的端面齐平，以便后续与三维波导芯片耦合，制备的4芯光纤头的端面参考图5。
(2)单模光纤束头制备：剥除八根单模光纤前端和1根纯硅玻璃丝前端的涂覆层，使用蘸有无水乙醇的无尘纸对单模光纤和玻璃丝，进行清洁，单模光纤前端部分包含芯层和包层，长度约30mm，后端部分为包含芯层、包层和涂覆层的完整光纤，后端长度为1.5m左右；第二毛细玻璃管2为轴向中心具有圆形通孔的高硼硅玻璃毛细管，长度约20mm，其一端可以制作为喇叭口方便光纤插入且不损伤多芯光纤的涂覆层，圆孔直径比所述单模光纤、玻璃丝组合的光纤束的尺寸略大3～5um。采用超声波清洗装置将第二毛细玻璃管2的内孔清洗干净，将八根单模光纤排列在一根纯硅玻璃丝周围，从第二毛细玻璃管2的喇叭口穿入并突出于第二毛细玻璃管2的端面。在单模光纤和第二毛细玻璃管2之间的缝隙中注入胶水，从而将单模光纤、玻璃丝和第二毛细玻璃管2粘结为一个整体，形成单模光纤束头，待胶水固化后研磨去除突出于第二毛细玻璃管2端面的单模光纤和玻璃丝，使得单模光纤的端面与第二毛细玻璃管2的端面齐平，以便后续与三维波导芯片耦合，制备的单模光纤束头的端面图参考图6。
(3)三维波导芯片排布：
利用飞秒激光直写光波导技术制备三维波导芯片，飞秒激光聚焦到锗掺杂的硅酸盐、硼硅酸盐、钠钙硅酸盐、氟锆酸盐等透明玻璃内部，进行空间选择性的玻璃内部局域化折射率改变，形成光波导芯片。结合飞秒激光光场整形技术，实现光波导的硅基模场转换为标准单模光纤的模场。所述三维芯片的输入端光波导呈二维环形排列，所述三维波导芯片的输出端光波导呈二维环形排列，参见图7所示。三维波导芯片的输出端波导分布采用二维紧密的排列方式，形成的光波导路径弯曲半径较大，有效的降低波导的弯曲损耗。
以上对本申请实施例提供的基于三维波导的多芯光纤耦合器进行了详细的描述，需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于三维波导的多芯光纤耦合器，其特征在于：包括三维波导芯片、多芯光纤、单模光纤束、第一毛细玻璃管、第二毛细玻璃管、金属管；去除部分涂覆层的多芯光纤插在第一毛细玻璃管中并通过胶粘剂固定，且与三维波导芯片的输入端耦合；去除部分涂覆层的单模光纤束插在第二毛细玻璃管中并通过胶粘剂固定，且与三维波导芯片的输出端耦合；三维波导芯片、三维波导芯片的输入端与多芯光纤的耦合点、三维波导芯片的输出端与单模光纤束的耦合点封装在金属管中。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维波导的多芯光纤耦合器，其特征在于：
第一毛细玻璃管为一端带喇叭口圆孔的毛细玻璃管，孔内径比多芯光纤的包层的外径大3um～5um；
第二毛细玻璃管为一端带喇叭口圆孔的毛细玻璃管，孔内径比去除涂覆层的单模光纤束的外径大3um～5um；或第二毛细玻璃管为一端带喇叭口方孔的毛细玻璃管，方孔的尺寸比去除涂覆层的单模光纤束的尺寸大3um～5um。
3.根据权利要求1所述的一种基于三维波导的多芯光纤耦合器，其特征在于：
多芯光纤耦合器的直径范围为2.5mm～3mm、长度为50mm；
金属管为圆形封装管，直径范围为3mm～4mm、长度为60mm；
或金属管为矩形封装管，宽度范围为4mm～7mm、高度范围为3～4mm、长度为60mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于三维波导的多芯光纤耦合器，其特征在于：
多芯光纤的芯数范围为4～19，单模光纤束的芯数范围为4～19；三维波导芯片的波导数量与两端分别耦合多芯光纤的芯数、单模光纤束的芯数相同。
5.根据权利要求4所述的一种基于三维波导的多芯光纤耦合器，其特征在于：
多芯光纤的芯数为4，多芯光纤包括4个单模纤芯，4个单模纤芯呈二维矩形排列；
单模光纤束的芯数为4，单模光纤束呈二维矩形排列；
三维波导芯片的波导数量为4，三维波导芯片的输入端和输出端的波导分别呈二维矩形排列。
6.根据权利要求4所述的一种基于三维波导的多芯光纤耦合器，其特征在于：
多芯光纤的芯数为7，多芯光纤包括7个单模纤芯，7个单模纤芯呈二维圆周及圆心排列；
单模光纤束的芯数为7，单模光纤束呈二维圆周及圆心排列；
三维波导芯片的波导数量为7，三维波导芯片的输入端和输出端的波导分别呈二维圆周及圆心排列。
7.根据权利要求4所述的一种基于三维波导的多芯光纤耦合器，其特征在于：
多芯光纤的芯数为8，多芯光纤包括8个单模纤芯，8个单模纤芯呈圆周排列；
单模光纤束的芯数为8，单模光纤束呈圆周排列；
三维波导芯片的波导数量为8，三维波导芯片的输入端和输出端的波导分别呈圆周排列。
8.一种用于权利要求1至7中任意一项所述的基于三维波导的多芯光纤耦合器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将多芯光纤去除部分涂覆层后插入经过清洗的第一毛细玻璃管中组成多芯光纤头，并通过胶粘剂固化在第一毛细玻璃管中，使多芯光纤头的纤芯分布与三维波导芯片的输入端的波导排列形状相同；
S2：将单模光纤束去除部分涂覆层后插入经过清洗的第二毛细玻璃管中组成单模光纤束头，并通过胶粘剂固化在第二毛细玻璃管中，使单模光纤束头的纤芯分布与三维波导芯片的输出端的波导排列形状相同；
S3：采用超快激光对透明材料进行结构加工制备三维波导芯片；
S4：将多芯光纤头与三维波导芯片的输入端耦合；将单模光纤束头与三维波导芯片的输出端耦合；
S5：将三维波导芯片、多芯光纤头、单模光纤束头置于金属管内并密封，将输入端光纤和输出端光纤置于金属管外，将橡胶塞置于金属管的两侧封装多芯光纤耦合器。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：制备一种基于三维波导的四芯光纤耦合器的具体步骤为：
所述的步骤S1中，具体步骤为：
S11：剥除四芯光纤前端的涂覆层，使多芯光纤的前端部分包括芯层和包层，前端部分长度为30mm，多芯光纤的后端部分为包含芯层、包层和涂覆层的完整光纤，后端部分长度为1.5m；使用蘸有无水乙醇的无尘纸清洁多芯光纤；
S12：第一毛细玻璃管采用轴向中心具有圆形通孔的高硼硅毛细玻璃管，长度为20mm；将第一毛细玻璃管的一端制作为喇叭口圆孔用于插入光纤且不损伤多芯光纤的涂覆层，圆孔的内径比多芯光纤的包层的外径大3um～5um；
S13：采用超声波清洗装置将第一毛细玻璃管的内壁清洗干净，将多芯光纤从第一毛细玻璃管的喇叭口圆孔穿入并突出于第一毛细玻璃管的端面；
S14：在多芯光纤与第一毛细玻璃管之间的缝隙中注入紫外胶，将多芯光纤与第一毛细玻璃管粘结为一个整体，形成多芯光纤头，待紫外胶固化后研磨去除突出于第一毛细玻璃管端面的多芯光纤，使多芯光纤的端面与第一毛细玻璃管的端面齐平；
所述的步骤S2中，具体步骤为：
S21：剥除四根单模光纤前端的涂覆层，使单模光纤的前端部分包括芯层和包层，前端部分长度为30mm，单模光纤的后端部分为包括芯层、包层和涂覆层的完整光纤，后端部分长度为1.5m；使用蘸有无水乙醇的无尘纸清洁单模光纤；
S22：第二毛细玻璃管采用轴向中心具有方形通孔的高硼硅毛细玻璃管，长度为20mm；将第二毛细玻璃管的一端制作为喇叭口方孔用于插入光纤且不损伤单模光纤束的涂覆层，方孔的尺寸比去除涂覆层的四根单模光纤组成的单模光纤束的尺寸大3um～5um；
S23：采用超声波清洗装置将第二毛细玻璃管的内壁清洗干净，将单模光纤束从第二毛细玻璃管的喇叭口方孔穿入并突出于第二毛细玻璃管的端面；
S24：在单模光纤束与第二毛细玻璃管之间的缝隙中注入紫外胶，将单模光纤束与第二毛细玻璃管粘结为一个整体，形成单模光纤束头，待紫外胶固化后研磨去除突出于第二毛细玻璃管端面的单模光纤，使单模光纤的端面与第二毛细玻璃管的端面齐平；
所述的步骤S3中，具体步骤为：
采用飞秒激光直写光波导技术制备三维波导芯片，飞秒激光聚焦到包括锗掺杂的硅酸盐、硼硅酸盐、钠钙硅酸盐、氟锆酸盐的透明玻璃内部，进行空间选择性的玻璃内部局域化折射率改变，使波导的硅基模场转换为标准单模光纤的模场，形成三维波导芯片，且三维波导芯片的输入端和输出端的波导分别呈二维矩形排列；
所述的步骤S4中，具体步骤为：
S41：准备三维波导芯片与光纤的耦合装置包括：光源、光开关、输入端六维调整架、输出端六维调整架、第一夹具、第二夹具、第三夹具、波导芯片支座、真空泵，第一CCD、第二CCD、直角棱镜、光功率计和紫外固化装置；
S42：清洁多芯光纤头的端面后放置并固定在第一夹具中，将第一夹具安装在输入端六维调整架上；清洁单模光纤束头的端面后放置并固定在第二夹具中，将第二夹具安装在输出端六维调整架上；清洁三维波导芯片的输入端和输出端后放置在第三夹具中并通过真空吸附的方式进行固定，将第三夹具固定在波导芯片支座上；
S43：将第一CCD设置在多芯光纤和三维波导芯片的上方，将第二CCD设置在多芯光纤和三维波导芯片的侧面；在多芯光纤头和三维波导芯片之间、三维波导芯片与单模光纤束头之间分别设置直角棱镜，将直角棱镜固定在移动滑台上；使多芯光纤头的端面经过直角棱镜反射至第一CCD，三维波导芯片输入端的端面经过直角棱镜反射至第二CCD；通过对比第一CCD和第二CCD采集的端面图像，调整输入端六维调整架，旋转多芯光纤头，使多芯光纤头的端面的纤芯排布与三维波导芯片的输入端的波导排布准确重合；完成端面对准后，将直角棱镜通过滑台从多芯光纤头与三维波导芯片之间移出；重复本步骤通过第一CCD和第二CCD分别进行多芯光纤头和三维波导芯片的正面、侧面成像，调节输入端六维调整架，实现多芯光纤与三维波导芯片的初步对准；
S44：将第一CCD和第二CCD移动到三维波导芯片与单模光纤束之间，使三维波导芯片输出端的端面经过直角棱镜反射至第一CCD，单模光纤束头的端面经过直角棱镜反射至第二CCD；通过对比第一CCD和第二CCD采集的端面图像，调整输出端六维调整架，旋转单模光纤束头，使单模光纤束头端面的纤芯排布与三维波导芯片输出端的波导排布准确重合；完成端面对准后，将直角棱镜通过滑台从单模光纤束头于三维波导芯片之间移出；重复本步骤通过第一CCD和第二CCD分别进行单模光纤束头和三维波导芯片的正面、侧面成像，调节输出端六维调整架，实现单模光纤束与三维波导芯片的初步对准；
S45：将光源通过光开关分别连接单模光纤束的各尾纤，将光功率计与多芯光纤连接，再次微调输入端六维调整架和输出端六维调整架，当测量的多芯光纤耦合器各个通道的插损值均达到预设值并保持稳定时，表明多芯光纤与三维波导芯片的输入端已经精确对准，单模光纤束与三维波导芯片的输出端已经精确对准；
S46：在多芯光纤头与三维波导芯片输入端的连接处涂覆紫外胶，在单模光纤束头与三维波导芯片输出端的连接处涂覆紫外胶，并用紫外固化系统照射使紫外胶充分固化。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：制备一种基于三维波导的环形八芯耦合器的具体步骤为：
将步骤S1的具体步骤替换为：
S11：剥除八芯光纤前端的涂覆层，使多芯光纤的前端部分包括芯层和包层，前端部分长度为30mm，多芯光纤的后端部分为包含芯层、包层和涂覆层的完整光纤，后端部分长度为1.5m；使用蘸有无水乙醇的无尘纸清洁多芯光纤；
S12：第一毛细玻璃管为轴向中心具有圆形通孔的高硼硅毛细玻璃管，长度为20mm；将第一毛细玻璃管的一端制作为喇叭口圆孔用于插入光纤且不损伤多芯光纤的涂覆层，圆孔的内径比多芯光纤的包层的外径大3um～5um；
S13：采用超声波清洗装置将第一毛细玻璃管的内壁清洗干净，将多芯光纤从第一毛细玻璃管的喇叭口圆孔穿入并突出于第一毛细玻璃管的端面；
S14：在多芯光纤与第一毛细玻璃管之间的缝隙中注入紫外胶，将多芯光纤与第一毛细玻璃管粘结为一个整体，形成多芯光纤头，待紫外胶固化后研磨去除突出于第一毛细玻璃管端面的多芯光纤，使多芯光纤的端面与第一毛细玻璃管的端面齐平；
将步骤S2的具体步骤替换为：
S21：剥除八根单模光纤前端和一根纯硅玻璃丝前端的涂覆层，使单模光纤的前端部分包括芯层和包层，单模光纤的前端部分长度均为30mm，单模光纤的后端部分为包括芯层、包层和涂覆层的完整光纤，单模光纤的后端部分长度均为1.5m；使用蘸有无水乙醇的无尘纸清洁单模光纤和纯硅玻璃丝；
S22：第二毛细玻璃管采用轴向中心具有圆形通孔的高硼硅玻璃毛细管，长度为20mm；将第二毛细玻璃管的一端制作为喇叭口圆形用于插入光纤且不损伤单模光纤的涂覆层，圆孔的直径比去除涂覆层的八根单模光纤与一根纯硅玻璃丝组成的单模光纤束的尺寸大3～5um；
S23：采用超声波清洗装置将第二毛细玻璃管的内壁清洗干净，将八根单模光纤均匀排列在纯硅玻璃丝的同心圆的圆周上，从第二毛细玻璃管的喇叭口穿入并突出于第二毛细玻璃管的端面；
S24：在单模光纤、纯硅玻璃丝与第二毛细玻璃管之间的缝隙中注入紫外胶，将单模光纤、纯硅玻璃丝与第二毛细玻璃管粘结为一个整体，形成单模光纤束头，待紫外胶固化后研磨去除突出于第二毛细玻璃管端面的单模光纤和纯硅玻璃丝，使单模光纤和纯硅玻璃丝的端面与第二毛细玻璃管的端面齐平；
将步骤S3的具体步骤替换为：
采用飞秒激光直写光波导技术制备三维波导芯片，飞秒激光聚焦到包括锗掺杂的硅酸盐、硼硅酸盐、钠钙硅酸盐、氟锆酸盐的透明玻璃内部，进行空间选择性的玻璃内部局域化折射率改变，使波导的硅基模场转换为标准单模光纤的模场，形成三维波导芯片，且三维波导芯片的输入端和输出端的波导分别呈二维环形排列。
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