CN105785510A - 基于拉锥方法的光纤耦合器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于拉锥方法的光纤耦合器及其制作方法，其中，方法包括：对单模光纤按照预设的直径，采用拉锥方式，获得预设的直径的单模光纤；对所述预设的直径的单模光纤按照预设角度，采用拉锥方式，获得预设角度的单模光纤锥体；将所述预设角度的单模光纤锥体和少模光纤，采用贴熔方式，获得光纤耦合器。通过本发明提供的基于拉锥方法的光纤耦合器及其制作方法，能够获得较好的耦合效率，降低对波长的依赖性，同时可以扩大通信的容量。

Description

基于拉锥方法的光纤耦合器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种基于拉锥方法的光纤耦合器及其制作方法。

背景技术

光纤耦合器是一种定向功率耦合器，通常用于与光纤光学有关的多种应用领域，光纤耦合器一般为四端口器件，两端口输入和两端口输出，光从两个输入端口的其中一个端口入射，功率会全部耦合进两个输出端口，或者直接从一个端口全部输出。此光纤耦合器的两根光纤都为单模光纤，因此也可以视为功率在两根光纤中的基模之间的转移。图1为熔锥型光纤耦合器在中心耦合区域为两根纤芯紧靠的单模光纤。当两并行纤芯靠得足够近时，每一纤芯中传输的基模在两纤芯间的包层区域部分交叠，且两纤芯的尺寸、纤芯的折射率、光纤的折射率差完全相同时，两个模之间的倏逝波会达到相位匹配并完全耦合，从其中一根光纤注入的基模功率会完全耦合到另一根光纤中的基模功率。通过控制耦合区的耦合长度，还可以制作不同功率输出比例的功率分配器。

如果将其中一根纤芯的折射率和直径变大，V值变大，使其成为少模光纤，如图2所示，此时两根光纤中相同的模式的有效折射率将不一样，无法达到相位匹配。同时，如果合理控制直径，则基模的有效折射率将有可能和高阶模的有效折射率相同，达到相位匹配。此时，从单模光纤注入基模，其功率将会耦合到另一根光纤中的高阶模并输出。通过设计不同的纤芯直径，可以实现基模到不同高阶模的转换，该器件被称为光纤选模耦合器。

光纤选模耦合器在整个耦合区纤芯直径在纵向上都是保持不变，从而满足相位匹配，实现从一根光纤中的基模到另一根光纤中的高阶模的转换。但是此类器件的波长依赖性非常高。如图3所示，以LP01模转换为LP11模为例，当两光纤直径为一特定值时，在1550nm处耦合效率最高，但是当光纤直径保持不变，操作波长在1550nm处左右移动时，耦合效率会急剧下降。该器件只有在小于C波段的范围内有着较好的耦合效率，耦合效率大于80％。而如果要与密集型光波复用技术(DenseWavelengthDivisionMultiplexing，简称DWDM)技术融合，则要求在C+L波段，甚至更长的波段有较高的耦合效率。同样，两光纤直径为另一特定值时，在1650nm处耦合效率最高，同样直径保持不变，操作波长向右移动时，耦合效率会急剧下降。在1450nm处以及向右移动时的耦合效率。此类光纤耦合器一般是通过光纤拉锥熔接机制作而成，光纤耦合器器件一旦定型，其参数是无法改变的，其较高的波长依赖性无法避免的。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于拉锥方法的光纤耦合器及其制作方法，能够获得较好的耦合效率，降低对波长的依赖性，同时可以扩大通信的容量。

第一方面，本发明提供一种基于拉锥方法的光纤耦合器制作方法，包括：

对单模光纤按照预设的直径，采用拉锥方式，获得预设的直径的单模光纤；

对所述预设的直径的单模光纤按照预设角度，采用拉锥方式，获得预设角度的单模光纤锥体；

将所述预设角度的单模光纤锥体和少模光纤，采用贴熔方式，获得光纤耦合器。

进一步地，所述方法还包括：

将所述光纤耦合器和单模光纤进行级联，获得多模式的复用光纤耦合器。

进一步地，所述预设的直径为所述单模光纤直径的三分之二。

进一步地，所述预设的直径为所述单模光纤直径的四分之三。

进一步地，所述预设角度为0.0001度到0.003度。

第二方面，本发明提供一种基于拉锥方法的光纤耦合器，包括：

少模光纤；

具有预设角度的单模光纤的锥体；

所述少模光纤和所述具有预设角度的单模光纤的锥体，采用贴熔技术，获得光纤耦合器。

进一步地，所述预设角度为0.0001度到0.003度。

进一步地，所述具有预设角度的单模光纤的锥体，包括：

对单模光纤按照预设的直径，采用拉锥方式，获得预设的直径的单模光纤；

对所述预设的直径的单模光纤按照预设角度，采用拉锥方式，获得预设角度的单模光纤锥体。

由上述技术方案可知，通过本发明提供的基于拉锥方法的光纤耦合器及其制作方法，其中，方法包括：对单模光纤按照预设的直径，采用拉锥方式，获得预设的直径的单模光纤；对所述预设的直径的单模光纤按照预设角度，采用拉锥方式，获得预设角度的单模光纤锥体；将所述预设角度的单模光纤锥体和少模光纤，采用贴熔方式，获得光纤耦合器。通过本发明提供的基于拉锥方法的光纤耦合器及其制作方法，能够获得较好的耦合效率，降低对波长的依赖性，同时可以扩大通信的容量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中熔锥型单模光纤功率耦合器示意图；

图2为现有技术中熔锥型光纤选模耦合器示意图；

图3为选模耦合器的耦合效率随波长变化的示意图；

图4为现有技术中光纤侧面抛磨示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于拉锥方法的光纤耦合器制作方法流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种光纤拉锥选模耦合器示意图；

图7为本发明实施例提供的一种光纤拉锥选模耦合器耦合状况及模场LP01-LP11的示意图；

图8为本发明实施例提供的一种光纤拉锥选模耦合器耦合模场示意图；

图9为本发明实施例提供的一种光纤拉锥选模耦合器耦合状况及模场LP01-LP21的示意图；

图10为本发明实施例提供的一种光纤拉锥选模耦合器耦合状况及模场LP01-LP02的示意图；

图11为本发明实施例提供的一种光纤拉锥耦合器的级联模式复用器结构示意图；

图12为本发明实施例提供的一种拉锥耦合器与传统耦合器的耦合效率随波长变化情况示意图；

图13为本发明实施例提供的一种光纤拉锥耦合器LP02的性能示意图；

图14为本发明实施例提供的一种光纤拉锥耦合器LP21的性能示意图；

图15为本发明实施例提供的一种光纤拉锥耦合器LP11的性能示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。

图4为现有技术中光纤侧面抛磨示意图，如图4所示。

光纤耦合器的制作中最重要的一个技术就是侧边光纤抛磨。侧边抛磨光纤是利用光学微加工技术，在一定长度的光纤上将圆柱形的光纤包层侧边磨掉一部分。其包层被侧边抛磨过的那段光纤的横截面相似于大写英文字母D，而在未抛磨过的光纤段，仍是圆柱形，这种光纤有时也称为D形光纤。通常，足够厚度的光纤包层保证了在纤芯中传播的光场，以及在光纤包层中渐倏逝波场的能量不会泄露到光纤外面。当用侧边抛磨或化学腐蚀的方法使光纤的包层厚度减小到倏逝场存在的区域，也就是距纤芯仅几个微米的区域时，就形成了一个纤芯中传输光的倏逝波场的“泄露窗口”。在此“窗口”处，人们就有可能利用倏逝场来激发、控制、探测光纤纤芯中传输光波的无损传播或泄露。基于此原理设计出的器件一般都被称为光纤倏逝场器件。

图5为本发明实施例提供的一种基于拉锥方法的光纤耦合器制作方法流程示意图，如图5所示，本实施例的基于拉锥方法的光纤耦合器制作方法如下所述。

501、对单模光纤按照预设的直径，采用拉锥方式，获得预设的直径的单模光纤。

应理解的是，对单模光纤按照预设的直径，采用拉锥方式，获得预设的直径的单模光纤。

拉锥方法是指将两根或者数根光纤剥去涂覆层，露出大约125微米的裸纤，然后在通过功率监控下用高温烧结拉制乘双锥形波导，从而制得全光纤器件的一种技术，其加热多采用石墨丝弧形加热。

应理解的是，预设的直径为所述单模光纤直径的三分之二，或者所述预设的直径为所述单模光纤直径的四分之三，在本实施例中并不限定具体的预设的直径为单模光纤的多少，在实际应用中依据实际的情况而定。

502、对所述预设的直径的单模光纤按照预设角度，采用拉锥方式，获得预设角度的单模光纤锥体。

应理解的是，将获得的预设的直径的单模光纤按照预设角度，采用拉锥方式，获得预设角度的单模光纤锥体。

应理解的是，所述预设角度为0.0001度到0.003度。在本实施例中并不限定具体的预设角度的大小，角度的大小根据实际应用中进行确定。

503、将所述预设角度的单模光纤锥体和少模光纤，采用贴熔技术，获得光纤耦合器。

应理解的是，将预设角度的单模光纤锥体和少模光纤，采用贴熔技术，进而获得光纤耦合器。

在获得光纤耦合器后，还可以进一步的获得多模式的复用光纤耦合器。

应理解的是，将所述光纤耦合器和所述单模光纤进行级联，获得多模式的复用光纤耦合器。

通过本实施例提供的基于拉锥方法的光纤耦合器制作方法，能够获得较好的耦合效率，降低对波长的依赖性，同时可以扩大通信的容量。

图6为本发明实施例提供的一种光纤拉锥选模耦合器示意图，如图6所示，本实施例的基于拉锥方法的光纤耦合器如下所述。

基于拉锥方法的光纤耦合器，包括：

少模光纤；

具有预设角度的单模光纤的锥体；

所述少模光纤和所述具有预设角度的单模光纤的锥体，采用贴熔技术，获得光纤耦合器。

应理解的是，预设角度为0.0001度到0.003度。

应理解的是，具有预设角度的单模光纤的锥体，包括：

对单模光纤按照预设的直径，采用拉锥方式，获得预设的直径的单模光纤；

对所述预设的直径的单模光纤按照预设角度，采用拉锥方式，获得预设角度的单模光纤锥体。

通过本实施例提供的基于拉锥方法的光纤耦合器，能够获得较好的耦合效率，降低对波长的依赖性，同时可以扩大通信的容量。

图7为本发明实施例提供的一种光纤拉锥选模耦合器耦合状况及模场LP01-LP11的示意图，图8为本发明实施例提供的一种光纤拉锥选模耦合器耦合模场示意图，图9为本发明实施例提供的一种光纤拉锥选模耦合器耦合状况及模场LP01-LP21的示意图，图10为本发明实施例提供的一种光纤拉锥选模耦合器耦合状况及模场LP01-LP02的示意图，图11为本发明实施例提供的一种光纤拉锥耦合器的级联模式复用器结构示意图，图12为本发明实施例提供的一种拉锥耦合器与传统耦合器的耦合效率随波长变化情况示意图，图13为本发明实施例提供的一种光纤拉锥耦合器LP02的性能示意图，图14为本发明实施例提供的一种光纤拉锥耦合器LP21的性能示意图，图15为本发明实施例提供的一种光纤拉锥耦合器LP11的性能示意图，如图7至15所示，本实施例的光纤拉锥选模耦合器如下所述。

以LP01转换为LP11模为例，假定少模光纤直径不变，传统选模耦合器在1450nm、1550nm、1650nm处耦合效率最高时对应的单模光纤的直径各不相同，并且波长越小对应单模光纤直径越大。如果线性改变单模光纤直径，将会获得一个较宽的操作波段。在耦合区保持少模光纤直径不变，对单模光纤进行拉锥处理，则整个耦合区的两光纤中模式相位变化情况为：最初两个模式之间的相位差较大，随着单模光纤直径减小，相位差也随之减小，耦合系数随之增大，单模光纤直径继续减小，将会出现最佳的相位匹配点，此时耦合系数最大，耦合效率最高，随着拉锥的继续，又将出现相位差。当拉锥情况满足：

|Ω(z)|＜＜|β₁-β₂|ρ(z)/2π

拉锥过程中有一个直径值，使得处于该直径的纤芯里面的基模同少模光纤里面的高阶模产生相位匹配时，会达到一个较高效率的模式耦合。其中，

|Ω(z)|≌tanΩ(z)＝dρ(z)/2π

对应于z方向的锥角，β₁和β₂是光纤中相邻的两个模式的传播常数。

同样，对于更高阶模式的转换，只要满足上述条件，都能实现较高效率的模式耦合，保持少模光纤直径不变，只需要对单模光纤进行不同程度的拉锥处理，就可以得到不同模式的耦合器。因此利用一根少模光纤将多个耦合器级联起来就可以制作成为多个模式的复用器。图11结构同样也可以用做模式解复用器。

光纤拉锥选模耦合器的耦合效率由图12表示，从图中可以看出，整个200nm波段范围，耦合效率基本上都保持在80％以上，并且曲线非常平坦。较之传统选模耦合器的耦合效率，其波长依赖性大大降低。另外，耦合长度的依赖性在一定范围内也很小，从而还可以降低器件的制作难度。

耦合区对单模光纤进行不同程度拉锥处理，得到了三个高阶模耦合器，具体参数见表1，利用这三组参数设计出来的耦合器具体性能见图13至15。

表1、LP11，LP21，LP02模式耦合器具体设计参数

	LP01→LP11	LP01→LP21	LP01→LP02
				拉锥直径范围(μm)	11→9	7.2→6.2	6.2→5
耦合长度(cm)	6	6	6
				两光纤耦合间隙(μm)	4.785	6.685	7.185

图13至15对于不同模式的拉锥耦合器，取四个不同的耦合长度时得到的耦合效率在200nm波段内都相对比较高。

通过本实施例提供的基于拉锥方法的光纤耦合器，能够获得较好的耦合效率，降低对波长的依赖性，同时可以扩大通信的容量。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或者部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但是，本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替代，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于拉锥方法的光纤耦合器制作方法，其特征在于，包括：

对单模光纤按照预设的直径，采用拉锥方式，获得预设的直径的单模光纤；

对所述预设的直径的单模光纤按照预设角度，采用拉锥方式，获得预设角度的单模光纤锥体；

将所述预设角度的单模光纤锥体和少模光纤，采用贴熔方式，获得光纤耦合器。

2.根据权利要求1所述的基于拉锥方法的光纤耦合器制作方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述光纤耦合器和单模光纤进行级联，获得多模式的复用光纤耦合器。

3.根据权利要求1所述的基于拉锥方法的光纤耦合器制作方法，其特征在于，所述预设的直径为所述单模光纤直径的三分之二。

4.根据权利要求1所述的基于拉锥方法的光纤耦合器制作方法，其特征在于，所述预设的直径为所述单模光纤直径的四分之三。

5.根据权利要求1所述的基于拉锥方法的光纤耦合器制作方法，其特征在于，所述预设角度为0.0001度到0.003度。

6.一种基于拉锥方法的光纤耦合器，其特征在于，包括：

少模光纤；

具有预设角度的单模光纤的锥体；

所述少模光纤和所述具有预设角度的单模光纤的锥体，采用贴熔技术，获得光纤耦合器。

7.根据权利要求6所述的基于拉锥方法的光纤耦合器，其特征在于，所述预设角度为0.0001度到0.003度。

8.根据权利要求6所述的基于拉锥方法的光纤耦合器，其特征在于，所述具有预设角度的单模光纤的锥体，包括：

对单模光纤按照预设的直径，采用拉锥方式，获得预设的直径的单模光纤；

对所述预设的直径的单模光纤按照预设角度，采用拉锥方式，获得预设角度的单模光纤锥体。