CN106019482B - 一种光子晶体光纤与单模光纤的熔接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体光纤与单模光纤的熔接方法，包括：首先令光固化剂浸透入光子晶体光纤的第一端，并将紫外光从光子晶体光纤的第二端耦合至光子晶体光纤的纤芯中，使得所述第一端中纤芯周围的光固化剂固化而填充光子晶体光纤的空气孔；然后除去第一端中未被固化的光固化剂，并封闭所述光子晶体光纤的第二端；对光子晶体光纤的第一端施加气压，使得未被填充的空气孔的气压高于大气压，同时对光子晶体光纤中的第一端放电加热至1400℃～1900℃，使得第一端中未被填充的空气孔塌缩封闭；最后将光子晶体光纤的第一端与单模光纤熔接。本发明通过光固化材料配合紫外光对光子晶体光纤中的空气孔进行选择性区域填充，由此解决了现有技术中填充效率低，填充不均匀的技术问题。

Description

一种光子晶体光纤与单模光纤的熔接方法
技术领域
本发明属于光子晶体光纤选择性填充与扩束熔接技术领域，更具体地，涉及一种光子晶体光纤与单模光纤的熔接方法。
背景技术
因为具有无截止单模，色散可控以及高非线性等特性，光子晶体光纤(PCF)主要应用于超连续谱的产生以及激光器中的色散管理等方面。与普通光纤相比尽管光子晶体光纤具有诸多的优点，但是其要真正得到广泛应用，必须能和传统光学***简便、低损耗地驳接。而光子晶体光纤包层空气孔结构造成光纤使用过程中空气孔的污染和熔接过程中空气孔的塌陷，直接导致损耗的上升甚至无法使用，因此，在光子晶体光纤与单模光纤熔接之前，需要对其中的空气孔进行填充；然而如果空气孔全部被填充，在扩束过程中，光子晶体光纤的空气孔可能会完全塌缩，从而导致纤芯中的光泄露，而影响光子晶体光纤的输出。
现有技术通常采用液体或金属丝，来对光子晶体光纤中的空气孔实现选择性的填充，使得以光子晶体光纤中的空气孔的填充面积与单模光纤的纤芯相当，以减小与单模光纤的熔接损耗，如专利文献CNl03278883A公开了一种选择性填充光子晶体光纤的方法，通过微操控聚苯乙烯微球，到特定位置的光子晶体光纤空气孔上方，高温熔化聚苯乙烯微球封堵光子晶体光纤的气孔，然后通过毛细作用将熔融态的蜡油进入到光子晶体光纤剩下开合的气孔中。然而此类方法均需针对单个空气孔进行操作，不仅使得操作过程较为繁琐，降低了生产效率，还容易导致填充不均匀。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光子晶体光纤与单模光纤的熔接方法，其目的在于通过光固化材料配合紫外光对光子晶体光纤中的空气孔进行选择性区域填充，由此解决了现有技术中填充效率低，填充不均匀的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光子晶体光纤与单模光纤的熔接方法，包括以下步骤：
S1.令光固化剂浸透入光子晶体光纤的第一端，并将紫外光从光子晶体光纤的第二端耦合至光子晶体光纤的纤芯中，使得所述第一端中纤芯周围的光固化剂固化而填充光子晶体光纤的空气孔，且被填充的区域的直径与单模光纤的纤芯的直径相当；
S2.除去第一端中未被固化的光固化剂，并封闭所述光子晶体光纤的第二端；
S3.对光子晶体光纤的第一端施加气压，使得未被填充的空气孔内的压强高于大气压，同时对光子晶体光纤中的第一端放电加热至1400℃～1900℃，使得第一端中未被填充的空气孔塌缩封闭；
S4.将光子晶体光纤的第一端与单模光纤熔接。
优选地，所述步骤S1中的光固化剂为紫外固化胶或光纤紫外固化涂料。
优选地，所述步骤S1中的紫外光的波长为290nm～400nm，功率大于20nW。
优选地，所述步骤S2中除去光固化材料的方法具体为：对光子晶体光纤的第二端施加强度为3atm～5atm，时间为10min～30min的气压，直至未被固化的光固化剂完全从第一端中流出。
优选地，所述步骤S3中施加的气压的大小为3个大气压～5个大气压。
优选地，所述步骤S3中放电的功率为15w～17w，时间为270ms～350ms。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于利用光固化材料对空气孔进行填充，具有以下有益效果：
1、利用控制紫外光的耦合时间，可实现同时对数个空气孔同时进行填充，与现有技术相比，填充与熔接效率大为提高，且填充更为均匀；
2、在封闭未填充的空气孔的同时，利用加压的方法使得空气孔中的加强高于大气压，从而提高光子晶体光纤的模场直径，同时还最大程度的减小了对光纤端面微结构的破坏而带来的附加损耗；
3、可以通过耦合时间的控制填充不同面积大小的空气孔以与单模光纤的纤芯相配合，因而该方法能用于各种型号的光子晶体光纤与单模光纤的熔接，适用面广。
附图说明
图1为光子晶体光纤结构图；
图2为光子晶体光纤选择性填充的装置示意图；
图3为光子晶体光纤加压放电扩束的装置示意图；
图4为扩束后的光子晶体光纤与单模光纤熔接的示意图；
图5a为本发明实施例1填充前的光子晶体光纤截面图；
图5b为本发明实施例1填充后的光子晶体光纤截面图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-紫外光源，2-空间光耦合***，3-光子晶体光纤，4-紫外固化胶，5-单模光纤，6-光纤熔接机，7-加压***。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种光子晶体光纤与单模光纤的熔接方法，光子晶体光纤的结果如图1所示，其中央为纤芯，外包层具有大小均匀的多层空气孔，熔接前，需要对纤芯周围的空气孔进行填充，使得填充区域的直径与单模光纤的纤芯的直径相当；
该方法具体包括以下步骤：
S1.将光子晶体光纤的第一端浸入光固化剂(如紫外固化胶或光纤紫外固化涂料)约1mm～2mm，以保证有足够的长度进行后续的熔接操作，并将功率大于20nW，波长为290nm～400nm的紫外光从光子晶体光纤的第二端耦合至光子晶体光纤的纤芯中，控制耦合时间，使得所述纤芯周围的光固化剂固化而填充光子晶体光纤的空气孔，且被填充的区域的直径与单模光纤的纤芯的直径相当；
可以直接利用紫外光纤光源将紫外光耦合至光子晶体光纤中，也可以采用空间耦合方法将普通紫外光源耦合光子晶体光纤中，其具体方法为：将紫外光源，第一凸透镜，第二凸透镜以及光子晶体光纤依次设置于第一凸透镜以及第二凸透镜的光轴上，所述紫外光源位于所述第一凸透镜的焦点处，所述光子晶体光纤的第二端位于第二凸透镜的焦点处，使得所述紫外光源发出的紫外光从光子晶体光纤的第二端传播入光子晶体光纤；
S2.除去未被固化的光固化剂，并封闭所述光子晶体光纤的第二端；封闭的方法可选择将光子晶体光纤的第二端与光纤熔接；也可直接对第二端进行放电加热使其完全塌缩；或者使用固化胶(如光固化胶或万能胶，聚合物等)填充第二端的空气孔；为保证光固化剂无残留，可先将光子晶体光纤的第一端浸入溶液中(如乙醇)，然后对光子晶体光纤的第二端施加强度为3atm～5atm，时间为10min～30min的气压，直至液体中的第一端冒出气泡，未被固化的光固化材料完全从第一端中流出；
S3.对光子晶体光纤的第一端施加强度为3atm～5atm的气压，使得未被填充区域的空气孔内的气压高于大气压，同时避免压力过大而导致空气孔在加热时破裂；并对光子晶体光纤中的第一端放电加热270ms～350ms至1400℃～1900℃，使得外包层受热，而第一端中未被填充的空气孔塌缩封闭并与被填充的区域相融，而外部纤芯不会受到该温度的影响；
S4.将光子晶体光纤的第一端与单模光纤熔接。
实施例1
S1.本实施例所用的光子晶体光纤3的结构如图1所示，其参数为纤芯直径2.43μm，空气孔直径3.44μm，空气孔间距3.93μm，空气填充比为0.86；
对光子晶体光纤3的端部进行预处理：依次包括去除光纤涂覆层、无水乙醇清洗以及切割端面。
然后对光子晶体光纤进行选择性填充：这里使用紫外固化胶作为光子晶体光纤中空气孔的填充物。参见图2所示，波长为365nm波段的紫外光源1通过空间光耦合***2两个焦距为8mm的凸透镜将紫外光耦合到光子晶体光纤3中，光纤输出光功率大约为50nW，然后将光子晶体光纤的一端1～2mm浸入到紫外固化胶4中，通过紫外光诱导固化在纤芯周围的空气孔中的紫外固化胶。待熔接的单模光纤5的型号为HI1060，计算得出光子晶体光纤只需要填充2层空气孔即可与HI1060的6μm纤芯相匹配。在本实施例中，当紫外光的耦合时间为15s时，能够实现纤芯外一层的空气孔中的胶固化而外层空气孔中的胶还未凝固的填充效果；
S2.到时间后将填充好的光纤端面取出，然后浸入到无水乙醇中轻微振荡并使用图3中的加压***7向光纤另外一端进行加压，压力为5个大气压，将纤芯外层空气孔中未固化的紫外胶清洁干净，以是否能观察到光纤浸入端有气泡冒出作为空气孔清洁干净的标准。光纤端面清洁完毕后将光子晶体光纤放入到干燥箱中进行干燥，温度可设置为60摄氏度，干燥时间为1个小时。这样就制得了一根一端被选择性填充的光子晶体光纤。
S3.接着将填充好的光子晶体光纤进行扩束。如图3所示，将未填充的光子晶体光纤3一端与单模光纤5进行熔接保证这一端的空气孔完全被堵住；
S4.然后将光子晶体光纤中的一段去掉涂覆层、清洁，接着放入到光纤熔接机6(60s，fujikura)中固定，并使用加压***7开始向已选择性填充的光子晶体光纤一端进行加压。保持外加压力在5个大气压左右的同时使用熔接机对光子晶体光纤进行多次放电加热，将熔接机程序中的主放电量设置为-80bit，主放电时间设置为300ms，主放电次数为3次让纤芯外一层的空气孔塌陷并融于纤芯。熔接机放电结束后取出光子晶体光纤并将该加热点进行切割，获得一端扩束的光子晶体光纤；如图5所示，图5a为步骤S1中填充前的光子晶体光纤，而图5b为填充后一端扩束的光子晶体光纤，圆形所示区域各方面不同层数的空气孔，可见纤芯周围的区域被成功填充。
S5.最后将一端扩束的光子晶体光纤与单模光纤进行熔接。如图4所示，将单模光纤5与扩束后的光子晶体光纤3放入到光纤熔接机6中，进行熔接，熔接程序中偏移量设置为靠近单模光纤一端30，主放电量设置为-75bit，主放电时间设置为300ms。
同样，取步骤S1中填充前的光子晶体光纤与单模光纤进行熔接，经验证，熔接点损耗为96％，而本实施例的熔接损耗仅为33％，降低至填充前的1/3。
实施例2-实施例7的方法大致与实施例1相同，仅对部分参数作出了改动，具体如表1所示。
表1
对实施例2-实施例7进行测试，也可获得跟实施例1类似测试的结果，证实本发明能成功实现光子晶体光纤中空气孔的选择性填充，从而与单模光纤成功熔接。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光子晶体光纤与单模光纤的熔接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.令光固化剂浸透入光子晶体光纤的第一端，并将紫外光从光子晶体光纤的第二端耦合至光子晶体光纤的纤芯中，使得所述第一端中纤芯周围的光固化剂固化而填充光子晶体光纤的空气孔，且被填充的区域的直径与单模光纤的纤芯的直径相当；
S2.除去第一端中未被固化的光固化剂，并封闭所述光子晶体光纤的第二端；
S3.对光子晶体光纤的第一端施加气压，使得未被填充的空气孔内的压强高于大气压，同时对光子晶体光纤中的第一端放电加热至1400℃～1900℃，使得第一端中未被填充的空气孔塌缩封闭；
S4.将光子晶体光纤的第一端与单模光纤熔接。
2.如权利要求1所述的熔接方法，其特征在于，所述步骤S1中的紫外光的波长为290nm～400nm，功率大于20nW。
3.如权利要求1所述的熔接方法，其特征在于，所述步骤S2中除去光固化材料的方法具体为：对光子晶体光纤的第二端施加强度为3个大气压～5个大气压，时间为10min～30min的气压，直至未被固化的光固化剂完全从第一端中流出。
4.如权利要求1所述的熔接方法，其特征在于，所述步骤S3中施加的气压的大小为3个大气压～5个大气压。
5.如权利要求1所述的熔接方法，其特征在于，所述步骤S3中放电的功率为15w～17w，时间为270ms～350ms。
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