CN1979239A - 一种光纤合束器制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤合束器制作方法。本发明提供的光纤合束器制作方法，包括取两根同型光纤按一定的曲率、抛磨深度进行抛磨，然后用折射率匹配胶在抛磨面进行拼接；待粘接处胶固化后进行垂直切割，再在切割面处粘接下一级光纤的端面；不断重复上述过程，从而最终形成树杈型的多级光纤合束器。本发明通过一定参数设定的磨抛法制作而成，一致性好、操作方便、体积小、耦合率高且可调；无需光纤熔接机、光纤熔锥机等专业设备，对光纤的兼容性高；能实现高功率的耦合输出；能在大多数光纤领域内得到应用，如半导体激光器的光纤耦合输出、光纤激光器的端面泵浦等。

Description

一种光纤合束器制作方法

技术领域

本发明属于光纤耦合技术领域，具体的说，本发明涉及一种光纤合束器制作方法。

背景技术

光无源器件是一种能量消耗型器件，包括光连接器、光耦合器、光开关、光衰减器、光隔离器、光滤波器和波分复用/解复用器等器件。其主要功能是对信号或能量进行连接、合成、分叉、转换以及有目的衰减等。因此，光无源器件在光纤通信系统、光纤局域网以及各类光纤传感系统中是必不可少的重要器件。在近几十多年中随着光通信技术的发展，光无源器件在结构和性能方面都有了很大的改进和提高，并已进入实用阶段。

光无源器件的制造方法，早期多采用传统光学的方法。这种用传统光学分立元件构成的光无源器件，其缺点是：体积大，质量大，机构松，可靠性差，与光纤不兼容。于是人们纷纷转向全光纤型光无源器件的研究，其中对全光纤定向耦合器的研究最为活跃，进展也最迅速，这不仅因为定向耦合器本身是极为重要的光无源器件，而且它还是许多其他光无源器件的基础。目前全光纤定向耦合器的制造工艺有三类：磨抛法、腐蚀法和熔锥法。磨抛法是把裸光纤按一定曲率固定住进行研磨，以除去部分包层，然后把两块这种磨抛好的光纤拼接在一起，利用两光纤之间的模场耦合以构成耦合器；腐蚀法是用化学方法把一段裸光纤包层腐蚀掉，再把两根已腐蚀后的光纤扭绞在一起，构成耦合器；熔锥法是把两根裸光纤靠在一起，在高温焰火中加热使之熔化，同时在光纤两端拉伸，使光纤熔融区成为锥形过渡段，从而构成耦合器。

现在国际上有7×1、19×1等多模泵浦合束器的产品，他们基本都是通过熔锥法制作而成，虽然这种合束器在机械性方面比较稳定可靠，但由于其中分支光纤和合束光纤的芯径差距很大，且是单级结构，故功率不能大幅度地累加。

发明内容

本发明提供了一种光纤合束器制作方法，以实现高功率的光纤耦合输出。

为实现上述发明目的，本发明提供的光纤合束器制作方法包括如下步骤：

1)如图1所示，取两根同型光纤作为一级光纤4，分别缠在半径为R的圆盘、圆柱或其它旋转体的圆周面上， $R=\frac{x}{1-\cos \mathrm{\θ}}-\frac{d_1+d_2}{2},$ 其中d₁为一级光纤4的芯层直径，d₂为一级光纤4的包层直径，x是芯层抛磨深度，θ为两根光纤拼接后所形成的夹角的一半；θ≤cos^-1(n₂/n₁)，其中n₁为一级光纤4的芯层材料折射率，n₂为一级光纤4的包层材料折射率；

2)对光纤进行研磨抛光；在有长度监控的显微镜下进行精确磨抛，使其磨抛至光纤芯层1，其芯层抛磨深度x满足0.38≤x/d₁≤0.5。

3)在两个光纤的磨抛面2上均匀涂抹折射率匹配胶，然后将两个磨抛面对接、粘紧，形成一粘接结构(如图1所示)。

4)待粘接处胶固化后，用光纤切割刀在粘接面中央垂直切下，形成一垂直于光纤轴线的截断面3，该截断面3将步骤3)中形成的粘接结构分成左右两个光纤合束单元；

5)如图2所示：取另一光纤作为二级光纤5，该二级光纤5的参数满足：D₁≥d₁，NA′≥NA，其中D₁为二级光纤5的芯层直径，NA为一级光纤4的数值孔径，NA′为二级光纤5的数值孔径；在光纤5的一个端面和光纤合束单元的截断面3处均匀涂抹折射率匹配胶，将光纤5的端面与步骤4)中的光纤合束单元的截断面3拼接、粘牢并等待粘接处胶固化。

上述技术方案中，还包括步骤：

6)另取一支二级光纤，与步骤5)中的二级光纤按步骤1)、2)、3)的方法进行研磨抛光并粘接；然后再用步骤4)、5)的方法，粘接三级光纤；邻级光纤的各项参数满足：  d_N≤d_N+1，NA_N≤NA_N+1；其中d_N，d_N+1为第N，N+1级光纤的芯径，NA_N，NA_N+1为第N，N+1级光纤的数值孔径。

上述技术方案中，还包括步骤：

7)重复进行上述步骤1)、2)、3)、4)、5)的操作，粘接三级光纤11、四级光纤12直至第N级光纤，其中N≤10，从而最终形成树杈型的多级光纤合束器；其中邻级光纤的各项参数满足：d_N≤d_N+1，NA_N≤NA_N+1；其中d_N，d_N+1为第N，N+1级光纤的芯径，NA_N，NA_N+1为第N，N+1级光纤的数值孔径。

上述技术方案中，所述步骤1)中，芯层抛磨深度x根据光纤合束单元所需的功率耦合率p进行选择，它们之间的关系式为：

$P\≈{\sin }^2\left[\frac{2\mathrm{\λ}{U}^2}{\mathrm{\π}{n}_1{d}_1{V}^2}\frac{K_0(4\mathrm{Wx}/d_1)}{K_1\left(W\right)}{\left(\frac{\mathrm{\π}{d}_{1}R}{2W}\right)}^{1/2}\right],$ $W=d_1\sqrt{{\mathrm{\β}}^2-{{k_0}^2{n}_2}^2}/2,$

$U=d_1\sqrt{{k_0}^2{n_1}^2-{\mathrm{\β}}^2}/2,$ 其中P为功率耦合率，K为第二类变型贝塞尔函数，λ为耦合光波长，V为光纤归一化频率，β为传播常数，k₀＝2π/λ。

上述技术方案中，所述步骤1)中，所述折射率匹配胶包括9805型光学胶(材料为丙烯酸酯)。

这种树杈型光纤合束器的制作方法有如下优点：

它是通过一定参数设定(R，x等参数)的磨抛法制作而成，一致性好、操作方便、体积小、耦合率高且可调；

无需光纤熔接机、光纤熔锥机等专业设备，对光纤的兼容性高；

在整个系统机械性许可的条件下，能实现多级树杈型结构，而且各级光纤的芯径差距小(可以相等)，从而能实现高功率的耦合输出；

能在大多数光纤领域内得到应用，如半导体激光器的光纤耦合输出、光纤激光器的端面泵浦等。

附图说明

图1是本发明中同级光纤的抛磨拼接示意图；

图2是本发明中邻级光纤的拼接示意图；

图3是利用本发明进行端面泵浦的示意图；

图4是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

本实施例的光纤合束器制作方法包括如下步骤：

1)如图1所示，将两根同型光纤作为一级光纤4，分别缠在半径为R的圆盘、圆柱或其它旋转体的圆周面上，R值的选择原则为：保证两根光纤拼接后所形成的角度θ满足一级光纤4芯层的全反射条件，即θ≤cos^-1(n₂/n₁)，其中n₁为一级光纤4的芯层材料折射率，n₂为一级光纤4的包层材料折射率。所述角度θ是拼接后两光纤在分叉处的轴线夹角的一半。R与θ的关系可以通过几何计算得到： $R=\frac{x}{1-\cos }-\frac{d_1+d_2}{2},$ 其中d₁为一级光纤4的芯层直径，d₂为一级光纤4的包层直径，x是芯层抛磨深度，在本发明中，如图1所示，以下侧光纤为例，与抛磨面2平行的抛磨前的下侧光纤芯层的外切面为抛磨切面10，则抛磨面2至抛磨切面10的距离为芯层抛磨深度x。

2)进行研磨抛光，研磨材料为光纤研磨纸或其他研磨物质。在有长度监控的显微镜(只需在高倍显微镜上加上一面有长度标度的目镜即可)下进行精确磨抛，使其磨抛至光纤芯层1。x是芯层抛磨深度，一般0.38≤x/d₁≤0.5。适当选择x，即可调节光纤合束单元(步骤4)所述)的功率耦合率。它们之间的关系式为：

$P={\sin }^2\left[\frac{2\mathrm{\λ}{U}^2}{\mathrm{\π}{n}_1{d}_1{V}^2}\frac{K_0(4\mathrm{Wx}/d_1)}{K_1\left(W\right)}{\left(\frac{\mathrm{\π}{d}_{1}R}{2W}\right)}^{1/2}\right],$ $W=d_1\sqrt{{\mathrm{\β}}^2-{k_0}^2{n_2}^2}/2,$

$U=d_1\sqrt{{k_0}^2{n_1}^2-{\mathrm{\β}}^2}/2,$ 其中P为功率耦合率，K为第二类变型贝塞尔函数，λ为耦合光波长，V为光纤归一化频率，β为传播常数，k₀＝2π/λ。

3)在两个光纤的磨抛面2上均匀涂抹折射率匹配胶，然后将两个磨抛面对接、粘紧，形成一粘接结构(如图1所示)。本实施例中的折射率匹配胶采用了9805型光学胶，其主要材料为丙烯酸酯。

4)待粘接处稳定后(主要是胶固化，约半小时)，用光纤切割刀在粘接面中央垂直切下，形成一垂直于光纤轴线的截断面3。该截断面3将步骤3)中形成的粘接结构分成左右两部分，任取其一就是一个光纤合束单元；

5)如图2所示：取另一光纤作为二级光纤5，该二级光纤5的参数满足：D₁≥d₁；NA′≥NA，其中D₁为二级光纤5的芯层直径，NA为一级光纤4的数值孔径，NA′为二级光纤5的数值孔径。在光纤5的一个端面和光纤合束单元的截断面处均匀涂抹折射率匹配胶，将光纤5的端面与步骤4)中的光纤合束单元的截断面3拼接、粘牢。等待约半小时，使得粘接处胶固化。

6)再用另一支与光纤5同类型的光纤作为二级光纤，与上述步骤中的二级光纤5按步骤1)、2)、3)的方法进行研磨抛光并粘接；然后再用步骤4)、5)的方法，粘接三级光纤。

7)重复进行上述步骤1)、2)、3)、4)、5)的操作，粘接三级光纤11、四级光纤12直至第N级光纤(N的范围取决于光纤和匹配胶的特性，一般N≤10)，从而最终形成树杈型的多级光纤合束器。邻级光纤的各项参数满足：d_N≤d_N+1，NA_N≤NA_N+1。其中d_N，d_N+1为第N，N+1级光纤的芯径，NA_N，NA_N+1为第N，N+1级光纤的数值孔径。

在利用本发明进行端面泵浦时，如图3所示：

用若干半导体激光二极管(英文简称为LD)在树杈型光纤合束器6的输入端端面进行耦合；再将树杈型光纤合束器的输出端(图中为四级光纤)和掺稀土元素(如镱、铒等)光纤7进行耦合，在掺稀土元素光纤7的两边加上前腔镜8、后腔镜9，从而实现光纤激光器的端面泵浦；

这种端面泵浦与传统的端面泵浦的区别在于：它没有限制泵浦源的功率，可以实现高功率光纤激光器的激光输出，因为树杈型光纤合束器可以有很多分支，可以进行多个LD的绑定，以实现功率的累加。

Claims (5)

1、一种光纤合束器制作方法，其特征在于包括如下步骤：

1)取两根同型光纤作为一级光纤(4)，分别缠在半径为R的圆盘、圆柱或其它旋转体的圆周面上，其中 $R=\frac{x}{1-\cos \mathrm{\θ}}-\frac{d_1+d_2}{2},$ d₁为一级光纤(4)的芯层直径，d₂为一级光纤(4)的包层直径，x是芯层抛磨深度，θ为两根光纤拼接后所形成的夹角的一半；θ≤cos^-1(n₂/n₁)，其中n₁为一级光纤(4)的芯层材料折射率，n₂为一级光纤(4)的包层材料折射率；

2)对光纤进行研磨抛光；在有长度监控的显微镜下进行精确磨抛，使其磨抛至光纤芯层(1)，其芯层抛磨深度x满足0.38≤x/d₁≤0.5；

3)在两个光纤的磨抛面(2)上均匀涂抹折射率匹配胶，然后将两个磨抛面对接、粘紧，形成一粘接结构；

4)待粘接处胶固化后，用光纤切割刀在粘接面中央垂直切下，形成一垂直于光纤轴线的截断面(3)，该截断面(3)将步骤3)中形成的粘接结构分成左右两个光纤合束单元；

5)取另一光纤作为二级光纤(5)，该二级光纤(5)的参数满足：D₁≥d₁，NA′≥NA，其中D₁为二级光纤(5)的芯层直径，NA为一级光纤(4)的数值孔径，NA′为二级光纤(5)的数值孔径；在二级光纤(5)的一个端面和光纤合束单元的截断面(3)处均匀涂抹折射率匹配胶，将二级光纤(5)的端面与步骤4)中的光纤合束单元的截断面(3)拼接、粘牢并等待粘接处胶固化。

2、按权利要求1所述的光纤合束器制作方法，其特征在于，还包括步骤：

6)另取一支二级光纤，与所述步骤5)中的二级光纤按所述步骤1)、2)、3)的方法进行研磨抛光并粘接；然后再用所述步骤4)、5)的方法，粘接三级光纤；邻级光纤的各项参数满足：d_N≤d_N+1，NA_N≤NA_N+1；其中d_N，d_N+1为第N，N+1级光纤的芯径，NA_N，NA_N+1为第N，N+1级光纤的数值孔径，其中N＝2。

3、按权利要求1所述的光纤合束器制作方法，其特征在于，还包括步骤7)：

重复进行上述所述步骤1)、2)、3)、4)、5)的操作，粘接三级光纤(11)、四级光纤(12)直至第N级光纤，其中N≤10，从而最终形成树权型的多级光纤合束器；其中邻级光纤的各项参数满足：d_N≤d_N+1，NA_N≤NA_N+1；其中d_N，d_N+1为第N，N+1级光纤的芯径，NA_N，NA_N+1为第N，N+1级光纤的数值孔径。

4、按权利要求1所述的光纤合束器制作方法，其特征在于，所述步骤1)中，芯层抛磨深度x根据光纤合束单元所需的功率耦合率p进行选择，它们之间的关系式为： $P={\sin }^2\left[\frac{2\mathrm{\λ}{U}^2}{\mathrm{\π}{n}_1{d}_1{V}^2}\frac{K_0(4\mathrm{Wx}/d_1)}{K_1\left(W\right)}{\left(\frac{\mathrm{\π}{d}_{1}R}{2W}\right)}^{1/2}\right],$ $W=d_1\sqrt{{\mathrm{\β}}^2-{k_0}^2{n_2}^2}/2,$ $U=$ $d_1\sqrt{{k_0}^2{n_1}^2-{\mathrm{\β}}^2}$ $/2,$ 其中P为功率耦合率，K为第二类变型贝塞尔函数，λ为耦合光波长，V为光纤归一化频率，β为传播常数，k₀＝2π/λ。

5、按权利要求1所述的光纤合束器制作方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述折射率匹配胶包括9805型光学胶。

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