CN113671632B - 基于多芯光纤的弧形锥体纤端全反射器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于多芯光纤的弧形锥体纤端全反射器，其特征是：对称多芯光纤的纤端具有抛物面形状的弧形反射锥体圆台，多芯光纤的周边纤芯内的光波能够被弧形锥体圆台低损耗反射到对称纤芯内反向传输，实现多芯光纤芯间低损耗连接。本发明可用于构造多种多芯光纤干涉仪，广泛应用于光纤传感技术领域。

Description

基于多芯光纤的弧形锥体纤端全反射器及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于多芯光纤的弧形锥体纤端全反射器，可用于构造多种多芯光纤传感器，属于光纤器件技术领域。

背景技术

随着5G时代的到来，数据通信容量激增，这对数据传输介质——光纤的传输容量提出了新的要求。多芯光纤作为增大光纤通信容量的重要途经之一，近年来得到了广泛注目，也得到了喜人的进展。目前已经提出了几种不同类型的多芯光纤，并集中地进行了研究。

这些研究不仅是关注于多芯光纤本身的研究，更多的是围绕多芯光纤相关集成器件进行延伸。集成光学与纤维光学的融合为多芯光纤技术的发展和深入研究注入了新的活力，借助于同一光纤内的多波导，构造了集成在一根光纤内的Michelson与Mach-Zehnder干涉仪，实现了单根光纤内的多路分光与合光，研究了集成在一根光纤中的光调制器，发展了不同结构的纤维集成光器件，实现了将各种光路与光器件微缩集成在一根光纤中。

因此，如何围绕着多芯光纤，在有效的空间中构建功能更强、性能更好的微光学器件是多芯光纤在通信和传感方面得到广泛应用的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑的多芯光纤的弧形锥体纤端全反射器。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于多芯光纤的弧形锥体纤端全反射器，对称多芯光纤的纤端具有抛物面形状的弧形反射锥体圆台，多芯光纤的周边纤芯内的光波能够被弧形锥体圆台低损耗反射到对称纤芯内反向传输，实现多芯光纤芯间低损耗连接。

所述的对称多芯光纤具有180°旋转对称分布的多个纤芯，如图1所示的是三种典型的对称多芯光纤，分别为：对称双芯光纤、方形纤芯分布的四芯光纤，对称七芯光纤。

所述的弧形锥体圆台的抛物面上镀有反射膜。

如图2所示，所述的弧形锥体圆台结构的旋转对称抛物面母线满足抛物线方程：

其中r为光纤的径向，z为光纤的轴向，d为多芯光纤周边纤芯距离中心的距离，周边纤芯的中心与弧形的交点坐标为A(d，0)。

一种基于多芯光纤的弧形锥体纤端全反射器的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：在多芯光纤的纤端熔接一段无芯光纤，切割平整；

步骤2：将纤端的无芯光纤研磨成底角为45°的锥体圆台结构；

步骤3：将步骤3中的45°锥体圆台结构放在电极下进行高温抛光塑形，形成弧形锥体圆台；

步骤4：在弧形锥体圆台的抛物面上镀制反射膜；

步骤5：将多芯光纤的另一端和多芯光纤扇入扇出器件连接，选择多芯光纤一对纤芯分别作为输入输出端，对纤端弧形锥体反射结构的品质进行评价，制备得到弧形优化的锥体纤端全反射器。

本发明至少具备有以下优点：

(1)能够实现多芯不同纤芯的光路的串联，结构简单紧凑。

(2)优化的弧形锥体圆台能实现光束的聚焦全反射，克服了衍射效应带来的光束扩散，使两纤芯间的光路耦合损耗达到极致最小。

附图说明

图1为三种典型的对称多芯光纤的端面结构图，分别为对称双芯光纤(a)、方形纤芯分布的四芯光纤(b)，对称七芯光纤(c)。

图2为纤端弧形锥体圆台的轴剖面图，其中抛物面形弧面的母线函数为抛物线函数。

图3(a)和(b)分别为多芯光纤纤端锥体圆台在弧形优化前后的三维结构图。

图4为对称双芯光纤纤端弧形锥体圆台反射器的制备方法。

图5(a)和(b)分别为多芯光纤纤端锥体圆台在弧形优化前后，光束在纤端的走向示意图。

图6(a)和(b)分别为多芯光纤纤端锥体圆台在弧形优化前后，光束在纤端的走向仿真结果图。

图7为对称双芯光纤纤端弧形锥体圆台反射器用于制备sagnac干涉仪的结构图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

本发明提出的纤端反射器适用于具有关于光纤端面180度旋转对称分布的多个纤芯的多芯光纤。典型的光纤如图1(a)所示的对称双芯光纤，其纤端弧形反射锥台结构如图3(b)所示，纤芯a内的光可通过弧形锥台结构反射至纤芯b内反向传输，反之亦然。

同理，图1(b)中的方形纤芯分布的四芯光纤可通过纤端的反射器实现纤芯a、b之间的耦合连接以及纤芯c、d之间的耦合连接。

对于具有中间芯的多芯光纤，如图1(c)所示的七芯光纤，本发明也同样适用，可实现对角分布的三对纤芯的反射串接。

下面以双芯光纤为例，介绍本发明的制备方法、优化方法以及显著效果。

制备方法如图4所示，具体如下：

步骤1：在双芯光纤1的纤端熔接一段无芯光纤2，切割平整。双芯光纤1的纤芯距离中心的距离d＝42μm，保留的无芯光纤2的长度约60μm。

步骤2：将双芯光纤1纤端的无芯光纤研磨成底角为45°的锥体圆台3。

步骤3：将步骤3中的45°锥体圆台3放在电极下进行高温抛光塑形，形成弧形锥体圆台4。

步骤4：在弧形锥体圆台的抛物面上镀制反射膜5，这里选择镀制金膜。

步骤5：将双芯光纤1的另一端和双芯光纤扇入扇出器件连接，两个纤芯分别作为输入输出端，对纤端弧形锥体反射结构的品质进行评价，制备得到弧形优化的锥体纤端全反射器。

下面通过仿真结果对比弧形优化前后的实施效果，说明本发明的优化思想和显著效果。

如图5(a)所示的是底角为45°的锥体圆台结构的轴剖面，虚线为纤芯b输出的三条光线在锥体圆台上经过两次反射后的走向。由于光线在离开纤芯b的束缚后会发生衍射效应，导致光束发散传输，因此三条光线在经过两次反射后并不能都被纤芯a收集，所以a、b纤芯的耦合连接损耗较大。

为了抵消光束在离开纤芯后的衍射扩散效应，需要将纤芯b出射后的光纤先做一个聚焦。这就需要将反射面优化为弧形的反射面。如图5(b)所示，为了实现光束在经过第二次反射后高效耦合进纤芯a，需要将第一次反射的聚焦点设置在光纤的轴线上为最优，可实现两个纤芯的对称互易耦合串接。

设计的准则主要有两点：

(1)选择抛物面作为反射面函数形状，这是因为离轴抛物面具有将平行光束聚焦于一点的特性。

(2)为了使光束为45°反射，需要抛物线(母线)满足A点切线与水平线的夹角为45°，即A点处的斜率为-1。

综上，如图2所示，所述的弧形锥体圆台结构的旋转对称抛物面母线满足抛物线方程：

其中r为光纤的径向，z为光纤的轴向，d为多芯光纤周边纤芯距离中心的距离，周边纤芯的中心与弧形的交点坐标为A(42，0)。

图6(a)和(b)分别为多芯光纤纤端锥体圆台在弧形优化前后，光束在纤端的走向仿真结果图。可以看出优化前，b纤芯输出的光束在锥台结构发生两次反射后并不能完全耦合进a纤芯。优化后，光束由b纤芯输出后经过第一次反射后聚焦于光纤的轴线上再发散，对称地经过第二次反射，完全耦合进入a纤芯。由此可见优化效果显著。

实施例2：基于双芯光纤的sagnac干涉仪

如图7所示，单模光纤6和对称双芯光纤1包层对齐熔接后，在焊点处熔融拉锥，得到双芯光纤耦合器7，单模光纤6内传输的光1:1分成两束在双芯光纤1的a、b两个纤芯中传输。当两束光传输到纤端的时候，经过弧形锥体圆台4反射器的反射分别进入对称的纤芯内反向传输，传输至耦合7器再次耦合进单模光纤6，如此两路光束走过的光路相同，构成sagnac干涉仪。

在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于多芯光纤的弧形锥体纤端全反射器，其特征是：对称多芯光纤的纤端具有抛物面形状的弧形反射锥体圆台，多芯光纤的周边纤芯内的光波能够被弧形锥体圆台低损耗反射到对称纤芯内反向传输，实现多芯光纤芯间低损耗连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于多芯光纤的弧形锥体纤端全反射器，其特征是：所述的对称多芯光纤具有180°旋转对称分布的多个纤芯。

3.根据权利要求1所述的一种基于多芯光纤的弧形锥体纤端全反射器，其特征是：所述的弧形锥体圆台的抛物面上镀有反射膜。

4.根据权利要求1所述的一种基于多芯光纤的弧形锥体纤端全反射器，其特征是：所述的弧形锥体圆台结构的旋转对称抛物面母线满足抛物线方程：

其中r为光纤的径向，z为光纤的轴向，d为多芯光纤周边纤芯距离中心的距离，周边纤芯的中心与弧形的交点坐标为(d，0)。

5.一种基于多芯光纤的弧形锥体纤端全反射器的制备方法，其特征是：

步骤1：在多芯光纤的纤端熔接一段无芯光纤，切割平整；

步骤2：将纤端的无芯光纤研磨成底角为45°的锥体圆台结构；

步骤3：将步骤3中的45°锥体圆台结构放在电极下进行高温抛光塑形，形成弧形锥体圆台；

步骤4：在弧形锥体圆台的抛物面上镀制反射膜；

步骤5：将多芯光纤的另一端和多芯光纤扇入扇出器件连接，选择多芯光纤一对纤芯分别作为输入输出端，对纤端弧形锥体反射结构的品质进行评价，制备得到弧形优化的锥体纤端全反射器。

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