CN113866898A - 一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件 - Google Patents

一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件，所述波分组件包括由多根光纤在光纤中段熔融连接而成的组合体，组合体一侧的光纤端口为波分组件的光输入端，组合体另一侧的一根光纤端口为波分组件的光输出端；所述多根光纤在熔融时，把各光纤的中段绞合后，对绞合区熔融拉锥使其成型为光耦合区；所述光耦合区可对多个波长的光进行复用处理或解复用处理；本发明成本低，结构灵活，技术指标高且对温度不敏感。

Description

一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，尤其是一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件。
背景技术
在不同波长的光的复用/解复用时，可用的技术有两种：
1、基于TFF的zblock方案，主要有如下问题：
(1)结构受限，目前基本上是4通道的，通道之间距离一般有0.5mm，0.75mm和1mm，而更小间距或更大间距的尺寸，此方案难以实现。对于更小间距，受限与玻璃块本身尺寸，难以实现批量生产，而对于更大间距，成本将大大增加难以满足商业应用；
(2)通道数受限，目前通道数最为常见的是4通道，当然这与实际需求有关，但针对此方案本身，如果需求多通道的产品，一是尺寸将大大增大，同时光路长度也会变长，这对实际应用中光路耦合带来了很大的挑战，会造成首尾通道耦合效率有很大的差异；
(3)工艺技术要求较高，需要精确的镀膜设计，以及镀膜工艺控制，需要昂贵的镀膜设备，这也造成了其成本较高；
基于以上几点，此方案应用比较受限，目前较多的应用在4通道的光发射/接收组件上，而且应用过程中，需要精确的光路设计和工艺。
2、基于PLC的AWG芯片方案，主要有如下问题：
(1)技术门槛高，此方案基于硅光子技术，具有很高的技术门槛，尤其对于小尺寸的芯片，比如4通道AWG波分芯片，技术难度高，工艺要求高，同时需要昂贵复杂的设备，如硅晶元生产设备，光刻机等，这些就造成了目前国内只有1～2家可以成熟批量生产；
(2)技术指标低，主要在于插损大，隔离度低，这是因为此方案是基于硅波导方案，硅波导在刻蚀时，难以保证完美的光滑，波导侧壁的粗糙度会引入额外的插损，仍以4通道产品为例，目前最好的水平插损可以做到2dB左右，而基于TFF的zblock方案，常规产品即可做到1dB以内；
(3)对温度敏感，硅的热光系数60ppm，而玻璃的只有10ppm，这尤其对于大尺度多通道的AWG产品，设计封装时需要考虑温度的影响。
基于以上问题，这两种方案在技术和成本上，都很难有进一步的改善。
发明内容
本发明提出一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件，成本低，结构灵活，技术指标高且对温度不敏感。
本发明采用以下技术方案。
一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件，所述波分组件包括由多根光纤在光纤中段熔融连接而成的组合体，组合体一侧的光纤端口为波分组件的光输入端，组合体另一侧的一根光纤端口为波分组件的光输出端；所述多根光纤在熔融时，把各光纤的中段绞合后，对绞合区熔融拉锥使其成型为光耦合区；所述光耦合区可对多个波长的光进行复用处理或解复用处理。
所述组合体由两根光纤在光纤中段熔融连接而成。
对绞合区熔融拉锥时，设W是加热源的热区的宽度，L是熔融拉锥时的单侧拉伸长度，设在W宽度之内的锥区直径为常数，其两边的锥区直径则按指数规律增加，则熔融所得的光耦合区各部分的直径D的计算公式为
Figure BDA0003300707370000021
设熔融拉锥时绞合区的体积不变，则以公式一计算得到熔融所得的光耦合区各部分的直径D。
所述光耦合区为两侧粗中间细的拉锥形状。
不同波段的光在光耦合区内的耦合发生在W宽度之内，其耦合功率为
Figure BDA0003300707370000022
公式二中，C为耦合系数，其计算公式为
Figure BDA0003300707370000031
其中，
Figure BDA0003300707370000032
F2为最大耦合比：
Figure BDA0003300707370000033
所述光耦合区可兼容的光波长由熔融长度决定，可通过多个光耦合区的多级连接来实现多个波长的复用或解复用。
当光耦合区工作于复用模式时，波分组件光输出一侧不是光输出端的光纤端口不使用。
当光耦合区工作于解复用模式时，波分组件光输出一侧的多个光输出端之间的隔离度与耦合比F对应，公式为
隔离度＝10*log(1-F) 公式六。
当需对所述光耦合区的光谱特性进行有效优化时，可通过优化耦合区长度W和光纤直径D0来实现，包括使用不同直径的光纤。
所述波分组件在用于光学器件时，可在光学器件内以盘绕方式固定。
本发明的优点在于：
1、工艺简单：本发明采用光纤熔融拉锥的方式，工艺简单，成熟，无需复杂的生产工艺，如镀膜，材料生产，刻蚀等；无需昂贵的生产设备，如镀膜机，MOCVD，光刻机等；
2、成本低：本发明主要或唯一原材料为光纤，材料成本极低；
3、器件结构灵活：本发明采用光纤制作器件，光纤长度、形态可根据实际需求进行灵活处理；
4、使用简单灵活：本发明采用光纤制作器件，耦合上是常规的光纤耦合，耦合工艺简单；结构上，由于光纤可根据实际需求选取任意长度尺寸，可以灵活盘绕，因此对所使用的器件设计留出了丰富的设计空间；
5、技术指标高：此方案采用光纤作为光信号的传输介质，普通单模光纤的损耗为0.2dB/km，而此产品光纤长度一般为cm级别，本身的插损基本可忽略，实际中由于工艺引入的插损也可控制在0.5dB以内；
6、对温度不敏感，光纤材质即为玻璃，热光系数10ppm，无需考虑温度的影响。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明对光纤绞合区进行熔融拉锥以形成光耦合区时的示意图；
附图2是本发明所述波分组件的示意图；
附图3是拉锥时熔融长度为9.27mm的波分组件对4通道CWDM进行波长解复用的示意图；
附图4是以熔融长度分别为9.27mm、8.88mm、8.86mm的三个波分组件进行多级连接来实现多个波长的复用或解复用的示意图。
具体实施方式
如图所示，一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件，所述波分组件包括由多根光纤在光纤中段熔融连接而成的组合体，组合体一侧的光纤端口为波分组件的光输入端，组合体另一侧的一根光纤端口为波分组件的光输出端；所述多根光纤在熔融时，把各光纤的中段绞合后，对绞合区熔融拉锥使其成型为光耦合区；所述光耦合区可对多个波长的光进行复用处理或解复用处理。
所述组合体由两根光纤在光纤中段熔融连接而成。
对绞合区熔融拉锥时，设W是加热源的热区的宽度，L是熔融拉锥时的单侧拉伸长度，设在W宽度之内的锥区直径为常数，其两边的锥区直径则按指数规律增加，则熔融所得的光耦合区各部分的直径D的计算公式为
Figure BDA0003300707370000041
设熔融拉锥时绞合区的体积不变，则以公式一计算得到熔融所得的光耦合区各部分的直径D。
所述光耦合区为两侧粗中间细的拉锥形状。
不同波段的光在光耦合区内的耦合发生在W宽度之内，其耦合功率为
Figure BDA0003300707370000051
公式二中，C为耦合系数，其计算公式为
Figure BDA0003300707370000052
其中，
Figure BDA0003300707370000053
F2为最大耦合比：
Figure BDA0003300707370000054
所述光耦合区可兼容的光波长由熔融长度决定，可通过多个光耦合区的多级连接来实现多个波长的复用或解复用。
当光耦合区工作于复用模式时，波分组件光输出一侧不是光输出端的光纤端口不使用。
当光耦合区工作于解复用模式时，波分组件光输出一侧的多个光输出端之间的隔离度与耦合比F对应，公式为
隔离度＝10*log(1-F) 公式六。
当需对所述光耦合区的光谱特性进行有效优化时，可通过优化耦合区长度W和光纤直径D0来实现，包括使用不同直径的光纤。
所述波分组件在用于光学器件时，可在光学器件内以盘绕方式固定。
实施例一、
如图3所示，以常见的4通道CWDM(1271，1291，1311，1331)波长解复用为例，假设4个波长在端口1入射，取W＝2mm，D0＝125um，通过本发明所述方案的公式可以计算得出，当熔融长度控制在9.27mm时，1271和1311波长的耦合比为1，即这两个波长会全部耦合到另一根光纤中，而1291和1331波长的耦合比为0，即这两个波长不会耦合到另一根光纤中，因此可以实现1271/1311和1291/1331的解复用。
实施例二、
如图4所示，在实施例一的基础上，再进行二级连接，每一级再分别控制拉锥长度，即可实现4个波长的解复用，相应的，根据光路可逆原理，1271/1291/1311/1331四路光在端口5/6/7/8入射，也可实现波长的复用，在端口1输出四个波长。
在波长复用时，本例中，端口2是不使用的，因此从端口2出射的背向反射光对实际应用是没有影响的，且光耦合区的方向性在55dB以上，不存在技术上的风险。
以上，仅以4波长应用为例来说明，实际中，可根据不同波长，不同数量来灵活调整拉锥长度和级联数量，以实现波长解复用/复用。
本例中，波分组件耦合比与拉锥长度有固定的曲线图，本例以1271，1291，1311，1331这4个波长的波分复用进行了举例说明，拉锥长度与光纤直径决定了熔融区的形状，而光纤直径一般是固定的，因此耦合比与拉锥长度的关系即为波长与熔融区的关系。

Claims (10)

1.一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件，其特征在于：所述波分组件包括由多根光纤在光纤中段熔融连接而成的组合体，组合体一侧的光纤端口为波分组件的光输入端，组合体另一侧的一根光纤端口为波分组件的光输出端；所述多根光纤在熔融时，把各光纤的中段绞合后，对绞合区熔融拉锥使其成型为光耦合区；所述光耦合区可对多个波长的光进行复用处理或解复用处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件，其特征在于：所述组合体由两根光纤在光纤中段熔融连接而成。
3.根据权利要求2所述的一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件，其特征在于：对绞合区熔融拉锥时，设W是加热源的热区的宽度，L是熔融拉锥时的单侧拉伸长度，设在W宽度之内的锥区直径为常数，其两边的锥区直径则按指数规律增加，则熔融所得的光耦合区各部分的直径D的计算公式为
Figure FDA0003300707360000011
设熔融拉锥时绞合区的体积不变，则以公式一计算得到熔融所得的光耦合区各部分的直径D。
4.根据权利要求3所述的一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件，其特征在于：所述光耦合区为两侧粗中间细的拉锥形状。
5.根据权利要求3所述的一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件，其特征在于：不同波段的光在光耦合区内的耦合发生在W宽度之内，其耦合功率为
Figure FDA0003300707360000012
公式二中，C为耦合系数，其计算公式为
Figure FDA0003300707360000013
其中，
Figure FDA0003300707360000021
F2为最大耦合比：
Figure FDA0003300707360000022
6.根据权利要求5所述的一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件，其特征在于：所述光耦合区可兼容的光波长由熔融长度决定，可通过多个光耦合区的多级连接来实现多个波长的复用或解复用。
7.根据权利要求5所述的一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件，其特征在于：当光耦合区工作于复用模式时，波分组件光输出一侧不是光输出端的光纤端口不使用。
8.根据权利要求5所述的一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件，其特征在于：当光耦合区工作于解复用模式时，波分组件光输出一侧的多个光输出端之间的隔离度与耦合比F对应，公式为
隔离度＝10*log(1-F) 公式六。
9.根据权利要求5所述的一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件，其特征在于：当需对所述光耦合区的光谱特性进行有效优化时，可通过优化耦合区长度W和光纤直径D0来实现，包括使用不同直径的光纤。
10.根据权利要求1所述的一种基于光纤熔融耦合结构的新型波分组件，其特征在于：所述波分组件在用于光学器件时，可在光学器件内以盘绕方式固定。
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