CN113805280A - 一种稳定且易制备的同轴双波导光纤侧向耦合器 - Google Patents

一种稳定且易制备的同轴双波导光纤侧向耦合器 Download PDF

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苑立波
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杨世泰
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Abstract

本发明提供的是一种稳定且易制备的同轴双波导光纤侧向耦合器，其特征是：该同轴双波导光纤侧向耦合器包括光源光纤、同轴双波导光纤、V型槽块、耦合调节部件和封装部件。本发明提供的同轴双波导光纤侧向耦合器可以在不占用同轴双波导光纤前后端口的情况下，从同轴双波导光纤侧面对其环形芯耦合，使同轴双波导光纤环形芯与中心芯可分别接入不同光源。同时由于V型槽在侧抛过程中的引入，简化了侧抛流程，优化了耦合调节工作，使得同轴双波导光纤侧向耦合器制备更容易，使用中也更稳定。本发明属于光纤传输技术领域。

Description

一种稳定且易制备的同轴双波导光纤侧向耦合器
技术领域
本发明涉及的是一种稳定且易制备的同轴双波导光纤侧向耦合器，属于光纤传输技术领域。
背景技术
光纤耦合器是在光纤光路中，对光信号实现延续、分路、合路、插入和分配的无源器件，被广泛地应用于通信、传感、测量等领域，并发挥了极其重要的作用。
同轴双波导光纤是一种有两个波导和两个包层的特种光纤。两个波导层分别是光纤中轴线上的内层圆柱纤芯，和与内芯同轴的外层环形纤芯，两个纤芯之间存在折射率低于二者的内包层。使得同轴双波导光纤可以在光纤内同时激发出圆形光场和环形光场。因而如何将光注入到同轴双波导光纤中，则成了需要被解决的问题。
专利CN111025478A，使用熔融拉锥的方法，使光由单模光纤同时注入到同轴双波导光纤的两个纤芯中，再通过熔融拉锥，重新调整两个纤芯内的分光比。该方法在占用同轴双波导光纤一个端口的情况下，只能使用一个光源来注入，而且由于经历二次拉锥，会使得器件的尺寸较大，不利于封装和使用。
专利CN111603133A和专利201711070236.2也使用到了光纤耦合器，可实现光能量的侧向耦合，但这类专利中，没有光纤耦合器的具体器件或是制作方法。从实际制备的角度来说，存在重复性和鲁棒性的问题。
本专利使用V型槽侧抛法来制备同轴双波导光纤侧向耦合器，可以在保证耦合器内部器件坚固的前提下，通过操作简单的耦合调节装置，轻松实现同轴双波导光纤侧向耦合器的制备工作。同时，V型槽作为光纤耦合区域的保护装置，能够提高器件的环境适应性，减少震动等因素导致耦合面错开的情况发生。此外V型槽侧抛法可以使用特定的光纤研磨设备，实现大批量的标准化制备，提高器件的制备效率和良品率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种稳定且易制备的同轴双波导光纤侧向耦合器很好地解决了现有问题。
本发明提供了一种稳定且易制备的同轴双波导光纤侧向耦合器，侧向耦合器包括光源光纤、同轴双波导光纤、V型槽块、耦合调节部件和封装部件；光源光纤和同轴双波导光纤分别嵌入V型槽块后侧抛，两侧抛面贴合，调节耦合效率并封装。
所述的光源光纤是单模光纤。
所述的同轴双波导光纤的纤芯包括中心圆形纤芯和与其同轴心的环形纤芯。
所述V型槽块是经过高精度刻槽加工的长方体石英块，其V型槽组成包括两类多段槽，第一类槽的深度固定，位于不锈钢管的槽道中心；第二类槽为多段深度渐变槽，位于第一类槽两侧并延伸至V型槽块边缘，且槽深最大处位于V型槽块的边缘，渐变深度随延伸而加深。
所述的耦合调节部件包括底板、限位板、前后基板、横梁、螺纹顶丝、精密螺纹副和顶盖。
所述的封装部件包括外层的不锈钢管、不锈钢管内灌注的光纤跳线胶、点在V型槽块贴合面两端的光纤跳线胶、松套管和不锈钢管两端的橡胶尾柄护套。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、使用侧面耦合的方法，不会占用同轴双波导光纤的前后端口，使同轴双波导光纤环形芯与中心芯可分别接入不同光源。
2、光纤固定部分使用V型槽块装载，使得光纤侧抛深度固定，不需要中途反复测量侧抛深度，而且拆卸装载V型槽块的过程中，不会改变侧抛面相当于V型槽面的位置，避免影响到后续两光纤贴合耦合的过程。
3、使用V型槽和本专利使用的耦合调节装置，可以轻松实现耦合过程，提高耦合器的制作效率。
4、V型槽作为光纤耦合区域的保护装置，能够提高成品器件的环境适应性，减少震动等因素导致耦合面错开的情况发生。
附图说明
图1为一种稳定且易制备的同轴双波导光纤侧向耦合器的截面示意图。
图2为未装载光纤的V型槽块示意图。
图3为完成光纤侧抛流程的V型槽块和光纤的嵌合体示意图。
图4为侧抛区域，单模光纤和同轴双波导光纤的截面示意图。
图5为使用BMP法仿真，单模光纤内模场能量归一化强度与耦合区域长度变化关系的结果。
图6为单模光纤和同轴双波导光纤内能量变化的仿真结果。其中(a1)是光纤轴向截面能量分布，过程为单模光纤能量全部耦合到同轴双波导光纤中，(a2)为(a1)过程起始阶段的光纤模场分布，(a3)为(a1)过程结束阶段的光纤模场分布；(b1)是光纤轴向截面能量分布，过程为单模光纤能量最少耦合到同轴双波导光纤中，(b2)为(b1)过程起始阶段的光纤模场分布，(b3)为(b1)过程结束阶段的光纤模场分布。
图7为耦合调节部件的装置示意图。其中(a)为斜视图，(b)为前视图，(c)为后视图。
图8为耦合调节的示意图。
上述图中，1为耦合区域的光纤，2为套上松套管的光纤，3为V型槽块，4为不锈钢管，5为橡胶尾柄，6为耦合器内灌注的光纤跳线胶体，7为底板，8为限位板，9为前基板，10为后基板，11为横梁，12为前侧面螺纹顶丝，13为后侧面螺纹，14为顶部螺纹顶丝，15为精密螺纹副，16为顶盖。其中1-1为单模光纤纤芯，1-2为单模光纤包层，1-3为同轴双波导光纤内纤芯，1-4为同轴双波导光纤外纤芯，1-5为同轴双波导光纤内包层，1-6为同轴双波导光纤外包层，1-7为光纤侧抛面；3-1为V型槽块顶面，3-2为V型槽块侧抛槽，3-3为V型槽块避空槽，3-4为V型槽块的两端。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
实施例1：一种稳定且易制备的同轴双波导光纤侧向耦合器的制备方法，其包括如下步骤：
制备完成的同轴双波导光纤侧向耦合器的截面示意图，如图1所示，光纤嵌套在V型槽块3中抛磨，然后抛磨段的光纤相互贴合，组成耦合区域1，经耦合调整后，放入不锈钢管4中，灌入的其中光纤跳线胶固化成光纤跳线胶体6，两端套上橡胶尾柄5。
S11、如图2，将单模光纤和同轴双波导光纤，分别放入针对二者设计的V型槽块3内，在光纤两端套入松套管，放入V型槽块避空槽3-3内，避免松套管高过V型槽块顶面3-1，随后点胶固化；
S12、将固化完成的V型槽3放入光纤侧抛机中研磨除去高于V型槽块顶面3-3的部分，完成侧抛工作，得到如图3所示的V型槽块和光纤的嵌合体；
S21、如图3在V型槽顶面的两端涂抹少许光纤跳线胶，再于光纤侧抛面1-7周围均匀涂抹折射率匹配膏；
S22、将处理后的两V型槽块3，以侧抛面相互贴合的姿态，放入如图7所示的耦合调节部件中的横梁11上，旋紧前侧面螺纹顶丝12，
S23、调节后侧面螺纹顶丝13使贴合面上层的V型槽块3比贴合面下层的V型槽块3，略微更靠近前基板9，以留出调节空间，略微旋紧精密螺纹副15，盖上顶盖16，旋紧顶部螺纹顶丝14，使两V型槽块贴合紧密；
S24、在单模光纤一侧接入光源，在同轴双波导光纤另一侧接入光功率计，在V型槽块3的贴合面周围抹上少许光纤跳线胶，然后步进旋转左右精密螺纹副15，使光纤耦合区域1如图8出现侧抛面重合，通过控制重合区域的大小，等效实现耦合长度的变化，在光功率计示数最大时，停止操作，等待S21和本步骤中涂抹的光纤跳线胶固化；
S31、在不锈钢管4中加入一些光纤跳线胶，将不锈钢管4两端堵住，等待其固化为基床，以放置V型槽块3；
S32、等待S24和S31步骤中的光纤跳线胶固化后，将V型槽块3放入不锈钢管4中，两端套上橡胶尾柄5，使用注射器向管腔内注入光纤跳线胶，待其凝固后，在不锈钢管4和橡胶尾柄5内的形成胶体6，即完成同轴双波导光纤侧向耦合器的制备工作。
实施例2：单模光纤和同轴双波导光纤的侧向耦合仿真。
本实施例使用BMP方法，仿真单模光纤和同轴双波导光纤的侧向耦合的耦合效率，以设定理想状态下的最好耦合情形。
优选地，设置光源波长为1550nm，单模光纤和同轴双波导光纤的包层折射率为1.444，二者的纤芯折射率为1.447，纤芯距为2μm，耦合区域长度为5000-30000μm，耦合区域长度改变步进量50μm。
仿真得出的单模光纤内模场能量归一化强度与耦合区域长度变化如图6所示，说明在耦合长度调节适当的情况下，理论上是可以使能量从单模光纤内无损耦合到同轴双波导光纤的环形芯上。
优选地，图6(a1)-(a3)中，选择耦合区域长度为16200μm，(a1)提现了耦合变化的全过程，其中光从单模光纤底端输入，此时光纤的模场分布如(a2)所示；最终由同轴双波导光纤顶端射出，此时光纤的模场分布如(a3)所示，其在同轴双波导光纤的环形芯内形成环形分布的模场。
在选择耦合区域长度为9300μm时，(b1)提现了耦合变化的全过程，其中光从单模光纤底端输入，此时光纤的模场分布如(b2)所示；最终由单模光纤和同轴双波导光纤顶端射出，此时光纤的模场分布如(b3)所示，单模光纤部分仍有模场分布。
在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些实例性实施方式。具体术语仅作为通用性和说明性意义，并非为了限制本发明受保护的范围。

Claims (6)

1.一种稳定且易制备的同轴双波导光纤侧向耦合器，其特征在于，侧向耦合器包括光源光纤、同轴双波导光纤、V型槽块、耦合调节部件和封装部件；光源光纤和同轴双波导光纤分别嵌入V型槽块后侧抛，两侧抛面贴合，调节耦合效率并封装。
2.根据权利要求1所述的一种稳定且易制备的同轴双波导光纤侧向耦合器，其特征在于，所述的光源光纤是单模光纤。
3.根据权利要求1所述的一种稳定且易制备的同轴双波导光纤侧向耦合器，其特征在于，所述的同轴双波导光纤的纤芯包括中心圆形纤芯和与其同轴心的环形纤芯。
4.根据权利要求1所述的一种稳定且易制备的同轴双波导光纤侧向耦合器，其特征在于，所述V型槽块是经过高精度刻槽加工的长方体石英块，其V型槽组成包括两类多段槽，第一类槽的深度固定，位于不锈钢管的槽道中心；第二类槽为多段深度渐变槽，位于第一类槽两侧并延伸至V型槽块边缘，且槽深最大处位于V型槽块的边缘，渐变深度随延伸而加深。
5.根据权利要求1所述的一种稳定且易制备的同轴双波导光纤侧向耦合器，其特征在于，所述的耦合调节部件包括底板、限位板、前后基板、横梁、螺纹顶丝、精密螺纹副和顶盖。
6.根据权利要求1所述的一种稳定且易制备的同轴双波导光纤侧向耦合器，其特征在于，所述的封装部件包括外层的不锈钢管、不锈钢管内灌注的光纤跳线胶、点在V型槽块贴合面两端的光纤跳线胶、松套管和不锈钢管两端的橡胶尾柄护套。
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