CN115016064A - 基于单模光纤与棒状光子晶体光纤的光纤连接方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于单模光纤与棒状光子晶体光纤的光纤连接方法。首先将单模光纤与折射率渐变光纤熔接在一起，使用光纤切割刀切割折射率渐变光纤，通过控制折射率渐变光纤的长度，利用折射率渐变光纤的光学传输特性实现与棒状光子晶体光纤匹配的模场输出。然后再使用激光光纤熔接机将折射率渐变光纤与棒状光子晶体光纤熔接在一起。因此，单模光纤中传输的激光功率可以低损耗的传输进入棒状光子晶体光纤的纤芯中，实现全光纤连接。本发明进行光纤连接时降低了器件成本与光路复杂度，从而降低了制造成本与维护成本，并通过使用折射率渐变光纤匹配棒状光子晶体光纤的模场，可以实现高效低损耗的传输。
Description
技术领域
本发明涉及激光器领域，特别涉及一种基于单模光纤与棒状光子晶体光纤的光纤连接方法。
背景技术
光子晶体光纤是指具有光子晶体结构的光纤。通过控制光子晶体结构的分布与设计，可以实现许多传统光纤所不具备的特性，在许多领域都有很广泛的应用。高功率光纤放大器具有效率高，易维护等优点，目前在科研和工业领域得到了广泛的应用，尤其是超快高功率光纤激光器，在微加工、物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中具有广泛应用，比如：在精密加工领域中的精密的切割、打孔、雕刻，能应用的材料范围包括玻璃、蓝宝石、金属薄膜、高分子有机材料薄膜、复合薄膜、半导体晶圆、陶瓷和金刚石等等。
棒状光子晶体光纤通常使用在超快高功率光纤放大器中，该光纤通常具有大纤芯，纤芯掺杂铒或镱等稀土元素，作为放大器的增益介质，光纤的纤芯支持大模场的单模的信号传输，从而实现信号的高功率高能量放大，光纤通常使用空气包层的设计结构，用来传导泵浦，在空气包层的外部使用较厚的石英外壁。外观呈棒状，在使用时也是直着平放，不像普通光纤一样可以弯曲盘绕。
棒状光子晶体光纤的特点是具有大纤芯直径，通常在50微米以上，该光纤同时具有低数值孔径，通常在0.02以下，这是该光纤可以支持单模传输的设计特点。棒状光子晶体光纤放大器的信号通常来自于单模光纤，单模光纤的纤芯通常为5微米，数值孔径在0.12左右，与棒状光子晶体光纤的纤芯的大小与数值孔径差异较大。因此，棒状光子晶体光纤放大器通常采用空间耦合的方式使用。该放大器通常使用双色镜加透镜组的结构，实现对泵浦与光纤包层，以及信号与光纤纤芯的耦合。单模光纤的输出光需要经过约为1:6的透镜组耦合进入光子晶体光纤中。
受限于耦合光路结构复杂，体积大，稳定性差的问题，现有的空间耦合光路已不能满足应用端对激光器批量工业生产的需求。可见，光纤连接是解决上述问题的有效办法。然而，如果将单模光纤与棒状光子晶体光纤直接熔接，由于两种光纤的数值孔径差异较大(相差6倍左右)，因此熔接损耗相当大(大于97％)。未耦合进入棒状光子晶体光纤的信号还可能造成熔点受热损坏等不良影响，高损耗耦合不能在高功率棒状光子晶体光纤放大器中使用。
发明内容
基于此，本申请实施例提供了一种基于单模光纤与棒状光子晶体光纤的光纤连接方法，通过利用折射率渐变光纤的特性对激光的大小与数值孔径进行控制，使得单模光纤与棒状光子晶体光纤可以进行连接并降低连接损耗。
第一方面，提供了一种基于单模光纤与棒状光子晶体光纤的光纤连接方法，该方法包括：
使用激光光纤熔接机将单模光纤与折射率渐变光纤进行熔接，其中，所述单模光纤与所述折射率渐变光纤通过第一熔接点进行熔接；
通过光纤切割刀切割折射率渐变光纤，将所述折射率渐变光纤控制在预设长度，其中，根据折射率渐变光纤子午线的轨迹确定预设长度；
使用激光光纤熔接机将切割后的折射率渐变光纤与棒状光子晶体光纤进行熔接，其中，所述切割后的折射率渐变光纤与棒状光子晶体光纤通过第二熔接点进行熔接，所述第一熔接点与所述第二熔接点位于折射率渐变光纤的中心轴线。
可选地，所述单模光纤为纤芯直径4至8微米，包层直径125至250微米的非保偏单模光纤或保偏单模光纤。
可选地，所述折射率渐变光纤为纤芯直径为50至100微米，包层直径125至250微米的非保偏折射率渐变光纤或保偏折射率渐变光纤。
可选地，所述折射率渐变光纤包括一种折射率渐变光纤或多种折射率渐变光纤组合。
可选地，所述棒状光子晶体光纤为具有光子晶体结构的棒状光纤，所述棒状光子晶体光纤包括纤芯和包层，所述纤芯的直径为50至100微米，包层的直径为200至400微米，棒状直径为800至1500微米。
可选地，所述棒状光子晶体光纤的纤芯包括稀土元素铒、镱、钕和钬。
可选地，所述单模光纤内的传输的激光波长为紫外，可见光或红外波段。
可选地，所述单模光纤、折射率渐变光纤与棒状光子晶体光纤使用激光熔接的方式进行连接，激光熔接机使用的激光器为二氧化碳激光器或飞秒激光器，其熔接原理为加热或者非线性吸收。
可选地，所述根据折射率渐变光纤子午线的轨迹确定预设长度，包括：
根据渐变型光纤子午线的轨迹方程确定预设长度，所述轨迹方程具体包括：
其中，z表示预设长度，n0N0表示射线起始条件，r表示渐变型光纤半径，n(r)表示渐变型光纤的折射指数，c表示任意常数。
第二方面，提供了光纤连接器，包括单模光纤，折射率渐变光纤以及棒状光子晶体光纤，通过上述第一方面任一项所述的光纤连接方法连接得到。
本申请实施例提供的技术方案首先将单模光纤与折射率渐变光纤熔接在一起，使用光纤切割刀切割折射率渐变光纤，通过控制折射率渐变光纤的长度，利用折射率渐变光纤的光学传输特性实现与棒状光子晶体光纤匹配的模场输出。然后再使用激光光纤熔接机将折射率渐变光纤与棒状光子晶体光纤熔接在一起。因此，单模光纤中传输的激光功率可以低损耗的传输进入棒状光子晶体光纤的纤芯中，实现全光纤连接，可以看出，本发明的有益效果在于：一方面，全光纤连接降低了器件成本与光路复杂度，降低了制造成本与维护成本。另一方面，通过使用折射率渐变光纤匹配棒状光子晶体光纤的模场，可以实现高效低损耗的传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本申请实施例提供的一种基于单模光纤与棒状光子晶体光纤的光纤连接示意图；
图2为本申请实施例提供的一种基于单模光纤与棒状光子晶体光纤的光纤连接方法流程图；
图3为本申请实施例提供的棒状光子晶体光纤的截面示意图；
图4为本申请实施例提供的光纤连接具体实施示意图；
附图标记：1-单模光纤、2-折射率渐变光纤、3-棒状光子晶体光纤。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本发明的描述中，除非另有说明“多个”的含义是两个或两个以上。本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等旨在区别指代的对象。对于具有时序流程的方案，这种术语表述方式不必理解为描述特定的顺序或先后次序，对于装置结构的方案，这种术语表述方式也不存在对重要程度、位置关系的区分等。
此外，术语“包括”、“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包括了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于已明确列出的那些步骤或单元，而是还可包含虽然并未明确列出的但对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元，或者基于本发明构思进一步的优化方案所增加的步骤或单元。
本发明公开了一种单模光纤与棒状光子晶体光纤的低损耗全光纤连接方法。连接器包括单模光纤，折射率渐变光纤，以及棒状光子晶体光纤。制作连接器需要使用的工具主要包括激光光纤熔接机，以及光纤切割刀，如图1，其示出了单模光纤与棒状光子晶体光纤的光纤连接示意图。具体地，请参考图2，本申请实施例提供的一种基于单模光纤与棒状光子晶体光纤的光纤连接方法的流程图，该方法可以包括以下步骤：
步骤101，使用激光光纤熔接机将单模光纤与折射率渐变光纤进行熔接。
其中，单模光纤与折射率渐变光纤通过第一熔接点进行熔接。
在本申请实施例中，单模光纤的一端与折射率渐变光纤的一端以光纤熔接的方式连接，单模光纤为纤芯直径4至8微米，包层直径125至250微米的非保偏单模光纤或保偏单模光纤，其中，纤芯直径与包层直径的取值范围相互独立，即纤芯直径为4至8微米任意值时，其包层直径可以为125至250微米任意值。
折射率渐变光纤为纤芯直径为50至100微米，包层直径125至250微米的非保偏折射率渐变光纤或保偏折射率渐变光纤，同样，折射率渐变光纤的纤芯直径与包层直径的取值范围相互独立。
在本申请可选的实施例中，折射率渐变光纤包括一种折射率渐变光纤或多种折射率渐变光纤组合，多种折射率渐变光纤组合指的是多种折射率渐变光纤进行前后组合连接。
步骤102，通过光纤切割刀切割折射率渐变光纤，将折射率渐变光纤控制在预设长度。
其中，渐变折射率光纤又称自聚焦光纤，光纤折射率中心最高，沿径向递减，光束在光纤中传播，可以自动聚焦而不发生色散。渐变折射率光纤通常用在通信传输领域中。渐变折射率光纤纤芯折射率是变化的，纤芯端面上不同点的集光能力不同，因此在渐变折射率光纤中引入了本地数值孔径的概念，他是指光纤端面上某一点的数值孔径，表征了渐变折射率光纤端面上某一点的集光能力的大小。
对于不能将单模光纤与棒状光子晶体光纤直接熔接，是由于两种光纤的数值孔径差异较大的问题，本申请实施例中，通过光纤切割刀切割折射率渐变光纤，将折射率渐变光纤控制在预设长度，从而实现当一个单模光纤输出的激光进入折射率渐变光纤，激光在其中传输的大小与数值孔径是随着传播长度变化的。所以，经过模拟计算，可以利用折射率渐变光纤的特性对激光的大小与数值孔径进行控制，其控制手段是控制折射率变化曲线与长度，即将折射率渐变光纤控制在预设长度以达到单模光纤与棒状光子晶体光纤的低损耗连接。
在本申请实施例中，具体根据折射率渐变光纤子午线的轨迹确定预设长度，即根据渐变型光纤子午线的轨迹方程确定预设长度，在渐变型光纤芯子中，折射指数随半径变化，因此可将纤芯分为若干层折射指数不同的介质。不管在哪层介质中，射线都满足折射定律，利用折射定律，可推导出n0cosθz0＝n(r)cosθz，其中n(r)表示渐变型光纤的折射指数，θz表示该层介质的轴向角。
若令cosθz0＝N0，则可得
n(r)cosθz0＝n0N0 (1)
该式右端表示了射线的起始条件，它等于芯子中任一层介质的折射指数与轴向角余弦的乘积。
在射线中，任取一点，其轴向角为θz，ds为该点射线的切线，当ds→0时。
(ds)2＝(dz)2+(dr)2
利用式(1)，则
经整理后，可得出
也即为轨迹方程：
式中，z表示预设长度，n0N0表示射线起始条件，其等于芯子中任一层介质的折射指数与轴向角余弦的乘积，r表示渐变型光纤半径，n(r)表示渐变型光纤的折射指数，c表示任意常数。
步骤103，使用激光光纤熔接机将切割后的折射率渐变光纤与棒状光子晶体光纤进行熔接。
其中，切割后的折射率渐变光纤与棒状光子晶体光纤通过第二熔接点进行熔接，第一熔接点与第二熔接点位于折射率渐变光纤的中心轴线。
在本申请实施例中，棒状光子晶体光纤为具有光子晶体结构的棒状光纤，如图3，给出了棒状光子晶体光纤的截面示意图，光纤使用空气包层的设计结构，用来传导泵浦，在空气包层的外部使用较厚的石英外壁。棒状光子晶体光纤中纤芯的直径为50至100微米，包层的直径为200至400微米，棒状直径为800-1500微米，棒状光子晶体光纤的纤芯包括稀土元素铒、镱、钕和钬，单模光纤内的传输的激光波长为紫外，可见光或红外波段，单模光纤、折射率渐变光纤与棒状光子晶体光纤使用激光熔接的方式进行连接，激光熔接机使用的激光器为二氧化碳激光器或飞秒激光器，其熔接原理为加热或者非线性吸收。
如图4，给出了本申请实施例提供的光纤连接具体实施示意图，具体地：
单模光纤为保偏PM980光纤，纤芯直径5.5微米，数值孔径0.12，包层直径125微米，涂覆层直径245微米，长度2米。单模光纤的一端与光纤激光器连接，激光器输出的中心波长1030nm平均功率100mW重复频率40MHz脉冲宽度500ps的光信号在单模光纤中传输。
折射率渐变光纤为GIF 625光纤，纤芯直径62.5微米，包层直径125微米，原有涂覆层已剥除，长度0.3毫米。单模光纤的另一端与折射率渐变光纤的一端连接。使用藤仓FSM-100P熔接机通过电弧放电的方式熔接单模光纤与折射率渐变光纤，熔接损耗小于1％，单模光纤中的光信号进入折射率渐变光纤后模场变大，发散角变小。在经过0.3毫米折射率渐变光纤后模场增大至约60微米。
棒状光子晶体光纤的纤芯直径为60微米，数值孔径为0.02，掺杂稀土元素镱。包层直径为350微米，数值孔径为0.6。棒状外层直径为1200微米。如图4所示。折射率渐变光纤的另一端与棒状光子晶体光纤的一端连接。使用藤仓LZM-100激光熔接机通过激光加热的方式熔接折射率渐变光纤与棒状光子晶体光纤，熔接损耗小于15％。也可以使用飞秒激光通过激光致非线性吸收的方式连接折射率渐变光纤与棒状光子晶体光纤，熔接损耗小于15％。熔接效果如图示。进入棒状光子晶体光纤的信号光大于80mW。
在棒状光子晶体光纤的另一端为泵浦空间耦合光路。中心波长为976nm，光斑直径为15mm的准直的泵浦光首先透射经过双色镜，再经过焦距为20mm的泵浦耦合透镜聚焦，泵浦耦合透镜至棒状光子晶体光纤的光程为20mm。聚焦后的泵浦光在棒状光子晶体光纤的包层处直径小于350微米，发散角小于包层的数值孔径，因此泵浦光耦合进入棒状光子晶体光纤的包层中被掺杂镱的纤芯吸收，实现粒子数反转。信号光在棒状光子晶体光纤产生增益，功率放大至100W，由空间光路的双色镜反射至激光器输出端。
本申请实施例还提供了一种光纤连接器，连接器包括单模光纤，折射率渐变光纤以及棒状光子晶体光纤，通过上述光纤连接方法连接得到，关于基于单模光纤与棒状光子晶体光纤的光纤连接方法系统的具体限定可以参见上文中对于基于单模光纤与棒状光子晶体光纤的光纤连接方法的限定，在此不再赘述。
本发明提出的单模光纤与棒状光子晶体光纤的低损耗全光纤连接方法体积小，结构简单，集成度高。一方面，全光纤连接降低了器件成本与光路复杂度，降低了制造成本与维护成本。另一方面，通过使用折射率渐变光纤匹配棒状光子晶体光纤的模场，可以实现高效低损耗的传输。本发明提出的单模光纤与棒状光子晶体光纤的低损耗全光纤连接方法更有利于集成在激光器中，降低激光器制造成本并使激光器更加稳定。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于单模光纤与棒状光子晶体光纤的光纤连接方法，其特征在于，所述方法包括：
使用激光光纤熔接机将单模光纤与折射率渐变光纤进行熔接，其中，所述单模光纤与所述折射率渐变光纤通过第一熔接点进行熔接；
通过光纤切割刀切割折射率渐变光纤，将所述折射率渐变光纤控制在预设长度，其中，根据折射率渐变光纤子午线的轨迹确定预设长度；
使用激光光纤熔接机将切割后的折射率渐变光纤与棒状光子晶体光纤进行熔接，其中，所述切割后的折射率渐变光纤与棒状光子晶体光纤通过第二熔接点进行熔接，所述第一熔接点与所述第二熔接点位于折射率渐变光纤的中心轴线。
2.根据权利要求1所述的光纤连接方法，其特征在于，所述单模光纤为纤芯直径4至8微米，包层直径125至250微米的非保偏单模光纤或保偏单模光纤。
3.根据权利要求1所述的光纤连接方法，其特征在于，所述折射率渐变光纤为纤芯直径为50至100微米，包层直径125至250微米的非保偏折射率渐变光纤或保偏折射率渐变光纤。
4.根据权利要求1所述的光纤连接方法，其特征在于，所述折射率渐变光纤包括一种折射率渐变光纤或多种折射率渐变光纤组合。
5.根据权利要求1所述的光纤连接方法，其特征在于，所述棒状光子晶体光纤为具有光子晶体结构的棒状光纤，所述棒状光子晶体光纤包括纤芯和包层，所述纤芯的直径为50至100微米，包层的直径为200至400微米，棒状直径为800至1500微米。
6.根据权利要求1所述的光纤连接方法，其特征在于，所述棒状光子晶体光纤的纤芯包括稀土元素铒、镱、钕和钬。
7.根据权利要求1所述的光纤连接方法，其特征在于，所述单模光纤内的传输的激光波长为紫外，可见光或红外波段。
8.根据权利要求1所述的光纤连接方法，其特征在于，所述单模光纤、折射率渐变光纤与棒状光子晶体光纤使用激光熔接的方式进行连接，激光熔接机使用的激光器为二氧化碳激光器或飞秒激光器，其熔接原理为加热或者非线性吸收。
9.根据权利要求1所述的光纤连接方法，其特征在于，所述根据折射率渐变光纤子午线的轨迹确定预设长度，包括：
根据渐变型光纤子午线的轨迹方程确定预设长度，所述轨迹方程具体包括：
其中，z表示预设长度，n0N0表示射线起始条件，r表示渐变型光纤半径，n(r)表示渐变型光纤的折射指数，c表示任意常数。
10.一种光纤连接器，其特征在于，连接器包括单模光纤，折射率渐变光纤以及棒状光子晶体光纤，通过如权利要求1-9任一项所述的光纤连接方法连接得到。
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