CN111025477A - 一种单模光纤与毛细管光纤耦合器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种单模光纤与毛细管光纤耦合器及其制备方法。其特征是：它由一根单模光纤、一根毛细管光纤以及介于单模光纤和毛细管光纤之间的绝热锥组成。所述组成中，绝热锥是由嵌入在石英毛细套管内的毛细管光纤，在高温下拉制而成，毛细管光纤纤芯内传输的光能够通过绝热锥传输到单模光纤内，可实现和单模光纤高效率匹配耦合。本发明可用于毛细管光纤与单模光纤之间的光路耦合连接，可广泛用于微纳光子器件与光纤传感领域。

Description

一种单模光纤与毛细管光纤耦合器及其制备方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种单模光纤与毛细管光纤耦合器，可用于毛细管光纤的光路耦合连接，属于光纤器件技术领域。

(二)背景技术

随着光纤技术的发展以及光纤通信和传感器产业的发展，光纤器件已成为最重要的光电子器件之一。光纤耦合器是用于实现光信号分路或者合路，用于延长光纤链路的元件，属于光被动元件领域，在电信网路、有线电视网路、用户回路***、区域网中都会应用到。光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。光纤传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。

在光纤传感技术应用的迫切需求下，产生了适合各个传感应用领域，各种特殊环境而特别制备的，在结构或制备工艺上有别于常规通信的光导纤维，我们统称这些光纤为特种光纤。特种光纤有很多种，大致上分三类：特殊波导结构光纤，特殊材料组成光纤，特殊涂层材料光纤。

毛细管光纤作为一种特殊波导结构光纤，具有普通光纤的特性，因此光纤的基本原理和理论也适用于毛细管光纤。由于毛细管光纤纤芯内部的空心结构，导致了它具有一系列的特殊性能，从而构成了许多特殊的应用，拓宽了光纤的应用范围。1983年，美国的Giuliani等人用一个带有染色剂的小型玻璃质毛细管光纤成功实现了空气中的氨浓度的检测，为毛细管光纤在传感测量领域的应用开创了先河。毛细管光纤作为一类特种光纤，与普通毛细管相比，具有更小的直径，柔韧度显著增强。与传统光纤结构相比，由于其中间的空气孔以及特殊的波导结构，可以使光纤中空孔的物质很自然地与毛细管光纤波导层中泄露出来的倏逝波场相互作用，这些特性都说明了毛细管光纤在传感领域的重要性。

公开号为CN101339275A的专利中提出了一种毛细管光纤与标准光纤的连接方法，该专利提出一种简单实用，可以实现毛细管光纤与标准单模或多模光纤的连接方法，通过熔融、拉锥、再套毛细管密封的操作进行。本发明虽然解决了直径相同、横截面积配比不同的空心毛细管光纤与标准光纤的连接问题，但没有解决毛细管光纤与单模光纤之间的耦合问题。

公开号为CN105785511B的专利中将经过腐蚀处理的单模光纤***玻璃套管中，采用氢氧焰对其进行拉锥处理，切割、抛光后与多芯光纤熔接实现多芯光纤耦合器的制备。这种耦合器制备方法的缺点是：对单模光纤进行腐蚀处理，操作难度较大。

公开号为CN129239845A的专利中提出了一种多芯光纤耦合器及其制备方法。本专利提出了一种基于低熔点套管的多芯光纤耦合器，但是其至少具备以下的几个缺点：(1)由于拉锥后的锥区直径很细，使得器件极其脆弱；(2)两种光纤的熔点不同，因此在拉锥过程中难以控制温度，从而影响耦合效果；(3)锥区的光场耦合受外界空气环境的影响大。该技术中，两种光纤都是实心光纤，本发明所采用的毛细管光纤为空心内壁环形芯光纤，由于其有空气孔结构，因此在拉锥过程中面临诸多困难，如何克服在先技术的不足，实现毛细管光纤与单模光纤的耦合，将是本发明拟解决的技术问题。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种单模光纤与毛细管光纤耦合器及其制备方法。

本发明是这样实现的：

一种单模光纤与毛细管光纤耦合器及其制备方法。其特征是：它由一根单模光纤、一根毛细管光纤以及介于单模光纤和毛细管光纤之间的绝热锥组成。所述组成中，绝热锥是由嵌入在石英毛细套管内的毛细管光纤，在高温下拉制而成，石英毛细套管的管壁变细形成新的包层，石英毛细套管的外直径变细至与单模光纤直径相同。毛细管光纤纤芯内传输的光能够通过绝热锥传输到单模光纤内，可实现和单模光纤高效率匹配耦合。

所述的毛细管光纤含有中间空气孔、内壁环形纤芯波导和包层，为空心内壁环形芯光纤，这种光纤的环形纤芯波导层环绕在中央空气孔周围且光能量主要在折射率较高的环形纤芯波导层内传播。

所述的石英毛细套管中间空心可***毛细管光纤，石英毛细套管折射率应低于毛细管光纤包层折射率。

所述的绝热锥满足绝热转换条件，毛细管光纤纤芯内的能量在锥体传输中满足绝热转换，且中空孔在拉锥过程中坍塌后，形成易于毛细管光纤和单模光纤的导通光路。

一种单模光纤与毛细管光纤耦合器及其制备方法，其制备方法如下：

步骤1：将毛细管光纤的涂覆层去掉，并***合适的石英毛细套管内；

步骤2：利用光纤夹持拉伸装置将毛细管光纤固定，同时利用氢氧焰对嵌套毛细管光纤的石英毛细套管和毛细管光纤进行等比例绝热拉锥，通过拉伸距离调整耦合区域长度。经过高温熔融拉锥，石英毛细套管变细，在锥腰处的直径减小至和单模光纤相等，内部的毛细管光纤直径减小至8-10微米，和单模光纤纤芯匹配；

步骤3：利用测径仪对拉锥区域进行测量，观察其直径变化，用光纤切割刀在均匀锥区切割，得到所需的绝热锥；

步骤4：将步骤3中切割得到的锥体与单模光纤对准、熔接。将光功率计与光源分别连接毛细管光纤和绝热锥一端，判断其损耗大小，若形成的绝热锥损耗满足所需条件，利用光纤焊接机与单模光纤焊接，最后对耦合器进行封装，形成一种单模光纤与毛细管光纤耦合器。

与在先技术相比，本发明提出的一种单模光纤与毛细管光纤耦合器至少具备以下几点显著的进步：

(1)整个耦合器直径不低于单模光纤的直径，改善了器件强度，提高了器件的稳定性和可靠性。

(2)本发明提出的耦合器能实现光路可逆，即光束能从单模光纤中高效耦合至毛细管光纤中，毛细管光纤的光束也能高效耦合回单模光纤反向传输，这在利用毛细管光纤反射光探测传感应用中有重要的价值。

(3)器件受外界环境折射率、温度等因素影响小，稳定性好。

(四)附图说明

图1(a)是单模光纤的端面图和折射率分布情况；(b)是内壁波导环形芯毛细管光纤和折射率分布情况。

图2(a)是本发明采用的石英毛细套管的端面图和折射率分布图，(b)是将毛细管光纤***石英毛细套管的端面图和折射率分布图。

图3是毛细管光纤耦合器的结构示意图。

图4是毛细管光纤耦合器的制备方法流程图。

图5是经过拉锥的无芯光纤***毛细管光纤的中空孔进行制备的毛细管光纤耦合器示意图。

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

实施例1：以毛细管光纤耦合器为例说明本发明原理、结构及制备方法。

图1所示的单模光纤(a)，毛细管光纤(b)。其中，毛细管光纤1为空心内壁环形芯光纤，它由三个折射率不同的区域构成，低折射率的石英外层结构1-1，环形纤芯波导1-2，和折射率为1的空气孔结构1-3。

石英毛细套管2的折射率分布如图2(a)所示，石英毛细套管2中间空心2-2可***毛细管光纤1，管壁2-1是低折射率的掺氟石英材料，其折射率低于毛细管光纤1包层折射率。图2(b)是毛细管光纤1***石英毛细套管2的结构及其折射率分布图，其中毛细管光纤1在拉锥后直径由125微米减小成8-10微米。由折射率分布可知，石英毛细套管2的管壁2-1直径也会变小，其和变细的毛细管光纤1组成新的“纤芯-包层”结构，能够将能量束缚在新的纤芯中传输。

图3所示的是毛细管光纤耦合器的结构示意图，其有毛细管光纤1，单模光纤3以及两种光纤中间的绝热锥4组成，4-1为毛细管光纤1***石英毛细套管2的截面图，4-2是拉锥后的毛细管光纤耦合器截面图。该绝热锥4是由毛细管光纤1***一段石英毛细套管2后拉锥切割而成。这里石英毛细套管2的几何尺寸参数需要满足以下的几点条件：(1)石英毛细套管2中间孔的直径应略大于毛细管光纤1的尺寸；(2)在熔融拉锥后，石英毛细套管2内部的毛细管光纤1的直径减小为和单模光纤3纤芯相同的直径；(3)在熔融拉锥后，石英毛细套管2的外直径减小为与单模光纤3的直径相同，方便绝热锥区4能和单模光纤3匹配熔接。

在上述的锥体结构中，只要锥区的变化缓慢，即过渡区4足够长，那毛细管光纤1内的光束就能够绝热地由毛细管光纤1的纤芯内过渡到新的“纤芯-包层”中传输，从而和单模光纤3的模场实现匹配。

一种单模光纤与毛细管光纤耦合器的制备方法流程图如图4所示，其制备方法是：

步骤1：将毛细管光纤1的涂覆层去掉，并***合适的石英毛细套管2内；

步骤2：利用光纤夹持拉伸装置将毛细管光纤1固定，同时利用氢氧焰5对嵌套毛细管光纤1的石英毛细套管2和毛细管光纤1进行等比例绝热拉锥，通过拉伸距离调整耦合区域4的长度。经过高温熔融拉锥，石英毛细套管2变细，在锥腰4处的直径减小至和单模光纤3相等，内部的毛细管光纤1直径减小至8-10微米，和单模光纤3的纤芯匹配；

步骤3：利用测径仪对拉锥区域4进行测量，观察其直径变化，用光纤切割刀6在均匀锥区切割，得到所需的绝热锥4；

步骤4：将步骤3中切割得到的锥体4与单模光纤3对准、熔接。将光功率计与光源分别连接毛细管光纤1和绝热锥4一端，判断其损耗大小，若形成的绝热锥4损耗满足所需条件，利用光纤焊接机7与单模光纤3焊接，最后对耦合器进行封装。

实施例2：以经过拉锥的无芯光纤***毛细管光纤中空孔进行制备的毛细管光纤耦合器为例，对本发明进行说明。

如图5所示，将一根无芯光纤8经过拉锥变成合适尺寸后，***毛细管光纤1的中空孔，由于本发明使用的无芯光纤8折射率与毛细管光纤1的包层折射率相同，即相当于变成环形芯光纤。对所产生的新结构***尺寸合适的石英毛细套管2中，对该新结构进行拉锥，形成介于单模光纤3和新结构的毛细管光纤1之间的绝热锥9。所述组成中，绝热锥9是在高温下拉锥形成，石英毛细套管2的管壁变细形成新的包层，石英毛细套管2的外直径变细至与单模光纤3直径相同，新结构毛细管光纤1直径变细，变成直径为8-10微米的新纤芯。新结构的毛细管光纤1纤芯内传输的光能够通过绝热锥9传输到单模光纤内，可实现和单模光纤3的高效率匹配耦合。

Claims (5)

1.一种单模光纤与毛细管光纤耦合器及其制备方法。其特征是：它由一根单模光纤、一根毛细管光纤以及介于单模光纤和毛细管光纤之间的绝热锥组成。所述组成中，绝热锥是由嵌入在石英毛细套管内的毛细管光纤，在高温下拉制而成，石英毛细套管的管壁变细形成新的包层，石英毛细套管的外直径变细至与单模光纤直径相同。毛细管光纤纤芯内传输的光能够通过绝热锥传输到单模光纤内，可实现和单模光纤高效率匹配耦合。

2.根据权利要求1所述的一种单模光纤与毛细管光纤耦合器，其特征是：所述的毛细管光纤含有中间空气孔、内壁环形纤芯波导和包层，为空心内壁环形芯光纤，这种光纤的环形纤芯波导层环绕在中央空气孔周围且光能量主要在折射率较高的环形纤芯波导层内传播。

3.根据权利要求1所述的一种单模光纤与毛细管光纤耦合器，其特征是：所述的石英毛细套管中间空心可***毛细管光纤，石英毛细套管折射率应低于毛细管光纤包层折射率。

4.根据权利要求1所述的一种单模光纤与毛细管光纤耦合器，其特征是：所述的绝热锥满足绝热转换条件，毛细管光纤纤芯内的能量在锥体传输中满足绝热转换。

5.一种单模光纤与毛细管光纤耦合器及其制备方法，其制备方法如下：

步骤1：将毛细管光纤的涂覆层去掉，并***合适的石英毛细套管内；

步骤2：利用光纤夹持拉伸装置将毛细管光纤固定，同时利用拉锥***对嵌套毛细管光纤的石英毛细套管和毛细管光纤进行等比例绝热拉锥，通过拉伸距离调整耦合区域长度。经过高温熔融拉锥，石英毛细套管变细，在锥腰处的直径减小至和单模光纤相等，内部的毛细管光纤直径减小至和单模光纤纤芯匹配；

步骤3：利用测径仪对拉锥区域进行测量，观察其直径变化，用光纤切割刀在均匀锥区切割，得到所需的绝热锥；

步骤4：将步骤3中切割得到的锥体与单模光纤对准、熔接。将光功率计与光源分别连接毛细管光纤和绝热锥一端，判断其损耗大小，若形成的绝热锥损耗满足所需条件，利用光纤焊接机与单模光纤焊接，最后对耦合器进行封装，形成一种单模光纤与毛细管光纤耦合器。

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