一种大芯径光纤耦合器及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种大芯径光纤耦合器，所述耦合器包括一根输入光纤和n根的输出光纤，1≤n≤6；所述输入光纤芯径为200-600um，输入光纤芯皮比范围为1:1.04至1:1.25；所述输出光纤芯径为200-400um,输出光纤芯皮比与输入光纤的芯皮比一致；所述输入光纤和输出光纤在耦合区固定打绞，所述输入光纤在耦合区的一端为输入光纤的输出端，另一端为输入光纤的输入端，所述输出光纤在耦合区的一端为输出光纤的输入端，另一端为输出光纤的输出端。本发明光纤耦合难度低、耦合器分光比均匀、降低耦合区光纤堆积造成的光纤不同轴，光斑发散角小于30°；透过率≥70%；分光比可实现任意比，分光比偏差±7%。
【专利说明】一种大芯径光纤耦合器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种采用熔融拉锥法制作的大芯径光纤耦合器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]实现光纤耦合常用的方法有三种:侵蚀法、研磨法、熔融拉锥法。侵蚀法是化学工艺处理方法，这种方法相对比较简易，但制作的分束器对环境温度要求高，光纤的绞合影响其使用寿命，实用价值低。研磨法是比较传统的工艺制作方法，属于光学冷加工范畴，这种工艺方法比较繁琐、磨抛工艺难度大、且制成的分束器体积也比较大，目前已不再使用这种方法制作分束器。熔融拉锥工艺优点有:方向性好、制作的器件附加损耗较低、环境稳定性较高、成本比较低廉、制作简单适合大批量生产。
[0003]通信用多模光纤所采用的熔融拉锥工艺是利用燃烧氢氧气体的方法提供热源，而这种方式加热温度场不稳定，火焰温度的波动比较大，容易被周围环境影响。燃气温度的不稳定性会使光纤内部出现热应力而引起材质结构变脆，以致器件损耗变大。
[0004]传统的多模光纤耦合器所采用的光纤芯径为50um或62.5um，这类光纤制作的耦合器无法满足高能量激光的传输需要，且耦合效率低下。
[0005]由于大芯径光纤芯径较粗，在熔融耦合时极易造成耦合区熔融态光纤的堆积，从而影响光纤耦合器的分光比、透过率等光学性能，堆积严重甚至影响器件结构稳定性。
[0006]由于光纤输出激光能量为高斯分布，在实际应用中探测器所接收到不均匀的能量，影响探测的准确性；而采用透镜耦合的方式也可以实现光纤准直输出，但微型透镜价格昂贵且外观结构较大，不适合应用于微型的探测器设备中。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是传统的多模光纤耦合器所采用的光纤芯径为50um或62.5um，这类光纤制作的耦合器无法满足高能量激光的传输需要，且耦合效率低下；而大芯径光纤耦合器的现有制作方法存在耦合区熔融态光纤堆积、光纤输出的激光能量不均匀、光纤不同轴或者造价过高。
[0008]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种大芯径光纤耦合器，所述耦合器包括一根输入光纤和η根的输出光纤，I ^ n ^ 6 ;所述输入光纤芯径为200-600um,输入光纤芯皮比范围为1: 1.04至1: 1.25 ;所述输出光纤芯径为200-400um，输出光纤芯皮比与输入光纤的芯皮比一致；所述输入光纤和输出光纤在耦合区固定打绞，所述输入光纤在率禹合区的一端为输入光纤的输出端，另一端为输入光纤的输入端，所述输出光纤在I禹合区的一端为输出光纤的输入端，另一端为输出光纤的输出端。
[0009]由于米用的输入光纤的光纤芯径为200-600um,光纤芯皮比范围为1:1.04至1: 1.25，比现有的多模光纤耦合器芯径粗的多，因此，该光纤耦合器能传输的激光能量也较现有的多模光纤耦合器高的多，能满足高能量激光的需要；此外，熔融拉伸时可以降低拉锥区扭曲的风险，同时，相同的芯皮比使得光纤加热区受热较为均匀，更好地提高了大芯径光纤耦合效果。
[0010]为使输出的光纤能量均匀，每一根输出光纤的输出端通过毛细管连接球透镜，所述球透镜的前、后表面均为球面，毛细管的一端紧配合套接输出光纤，另一端紧配合套接球透镜，球透镜的直径大于耦合光纤芯径，且透镜的数值孔径NA1大于输出光纤的数值孔径NA2。大芯径光纤耦合器出射光斑呈高斯分布，这种能量分布不均匀，现有的方法通常采用端头熔融成球状能够使光纤出射光斑弥散，从而实现能量高斯分布的振幅降低，这种方式实现的能量匀化是相对的；而另外一种方式即在尾纤固化自聚焦透镜，光纤出射光经过渐变折射率的透镜，其能量得到充分匀化，但是由于自聚焦透镜制作的时候长度难控制，经常出现偏差，长度不同输出的角度就有变化，最终引起光斑尺寸不一，不适合于批量生产，本发明采用输出光纤耦合球透镜的方法即实现了能量匀化，也适合批量生产，此外，数值孔径大于输出光纤的数值孔径，则接收角大，那么利于球透镜接收输出光纤的光，使得输出光纤的出射光能量均勻分布，且光斑发散角小于30°。
[0011]为提高球透镜的出射光效果，输出光纤与所述的球透镜之间为紫外光学胶固化连接。用紫外线照射进行快速固化，可避免粘合用胶流到前后两个球面影响球透镜的出射光效果。
[0012]作为本发明的进一步改进方案，所述输出光纤数目为六根，耦合区的七根光纤成正六边形排列，且输入光纤位于正六边形的中心轴线处。正六边形的排布更有利于夹持打绞时，耦合区各个光纤均受力均匀，打绞角度一致，不容易出现拉锥区扭曲，进一步提高了大芯径光纤耦合的效果，减小了光纤分光比的误差，分光比可实现任意比，分光比偏差±7%。
[0013]—种大芯径光纤稱合器制作方法，所述稱合器包括一根输入光纤和η根的输出光纤，I彡η彡6 ;所述输入光纤芯径为200-600um,输入光纤芯皮比范围为1: 1.04至1: 1.25 ;所述输出光纤芯径为200-400um,输出光纤芯皮比与输入光纤的芯皮比一致,熔融I禹合包括以下步骤:1)将两根以上的光纤的待熔融耦合的部分除去包层，利用夹具将光纤的耦合区夹持并打绞，所述输入光纤在耦合区的一端为输入光纤的输出端，另一端为输入光纤的输入端，所述输出光纤在I禹合区的一端为输出光纤的输入端，另一端为输出光纤的输出端；2)通过热源对光纤的打绞部位加热后进行熔融拉锥，即将光纤加热后在同一轴线上向两侧拉伸，在拉伸过程中拉锥速度采用变拉锥速度，即拉锥速度从初期到中期到后期逐渐加快，直至在熔锥区形成双锥形状的波导结构。拉锥初期光纤未达到熔融状态，所以速度不宜过快，而中后期拉锥速度的加快有利于光纤实现规整的双锥结构，因此，采用变拉锥速度可解决大芯径光纤熔融过程中的光纤堆积问题。
[0014]作为改进，每一根输出光纤的输出端通过毛细管连接球透镜，所述球透镜的前、后表面均为球面，毛细管的一端紧配合套接输出光纤，另一端紧配合套接球透镜，球透镜的直径大于耦合光纤芯径，且透镜的数值孔径NA1小于输出光纤的数值孔径NA2。
[0015]作为改进，输出光纤与所述的球透镜之间为紫外光学胶固化连接。
[0016]作为改进，所述输出光纤数目为六根，稱合区的七根光纤成正六边形排列，且输入光纤位于正六边形的中心轴线处。
[0017]为进一步提高光纤耦合的效果，前述热源采用激光器。选取激光器作为热源，能够充分利用激光的高能量、集中度好的特点，为大芯径熔融提供稳定可靠的均匀热能，不容易造成熔融态光纤堆积。
[0018]本发明的优点是:实现大芯径光纤的熔融耦合，利用激光作为热源，降低了大芯皮比结构的光纤耦合难度；耦合区两端夹持位置的大芯径光纤采用正六边形排列，解决了耦合器分光比不均匀问题，，有效降低耦合区光纤堆积造成的光纤不同轴等问题，能够实现一定的批量化生产；在分支光纤出射光实现能量均匀分布的光斑，光斑发散角小于30° ;其主要性能参数:透过率彡70% ;分光比可实现任意比，分光比偏差±7%。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明大芯径光纤耦合的理论模型。
[0020]图2为本发明大芯径光纤与单模光纤耦合特点的对比。
[0021]图3为本发明大芯径光纤耦合器耦合区两端的夹片结构。
[0022]图4为本发明大芯径光纤I禹合器输出光纤端头的微结构。
【具体实施方式】
[0023]下面结合说明附图以及实施例对本发明做进一步的说明。
[0024]实施例1:
如图1所不，本实施例大芯径光纤I禹合器包括一根输入光纤I以及两根输出光纤2 ;所述光纤的芯径在200_600um范围内，输入光纤I与输出光纤2可以为不同芯径的光纤,光纤芯皮比为1:1.04或1:1.25。
[0025]结合大芯径光纤区别于通信光纤的几何结构，建立了大芯径光纤稱合的理论模型。
[0026]如图2所示，通常单模光纤3耦合时，由于光纤的芯径4比较细(大约是9-lOum)，在熔融拉伸时芯径会越来越细，在纤芯中传播的光逐渐泄漏到包层5中，形成以包层5-空气层所构成的光纤传光介质层。而大芯径光纤6在熔融拉伸过程中光纤包层7会越来越细，光一直在光纤纤芯8中传播，最终形成纤芯8-空气层所构成的传光介质层。
[0027]光纤结构的差异决定了实现耦合的工艺方式的不同，大芯径光纤特殊的芯皮比熔融时所需热量较大，而窄范围的高能量又容易造成熔融态光纤堆积；温度较低时，又易造成熔融不充分。
[0028]将两根或者多根光纤根据需要除去一定长度的包层，用脱脂棉蘸酒精擦拭除去包层的纤芯，待擦拭干净后，利用特种夹具将光纤夹持并打绞。打开激光器，利用激光对光纤的打绞部位加热，在拉锥过程中控制好激光器输出功率，将光纤加热后在同一轴线上向两侧拉伸，在拉伸过程中拉锥速度采用特定拉伸长度后选择不同的拉锥速度，拉锥初期速度控制在0.02-0.06mm/s,中期拉锥速度控制在0.07-0.09 mm/s，后期拉锥速度控制在
0.1-0.12 mm/s。拉锥初期光纤未达到熔融状态，所以速度不宜过快，而中后期拉锥速度的加快有利于光纤实现规整的双锥结构。最后在熔锥区形成双锥形状的特殊波导结构。由于拉伸的过程会使光纤芯径变细，光纤的包层逐渐变薄直至可以不计影响，这时几乎所传输功率完全由光纤纤芯和四周的介质(通常为空气)所传导，形成了新的光波导结构。
[0029]实施例2:
如图3所示，耦合区两端采用夹具内腔为正六边形的夹具进行夹持，两端结构的内部为七根光纤相关排列，其中输入光纤位置在中心，六根f禹合光纤在四周，七根光纤按照正六边形紧密排列，且相对位置一一对应。将排列好的光纤用细绳6捆扎，然后根据七根光纤所排成的外径尺寸，设计一种通过两片加工件7挤压胶合来固定光纤排列，加工件7需用线切割的方式来保证内壁光洁度，以免损伤光纤。这种在I禹合区两端固化加工件稳定光纤排列能有效保证光纤熔融后分光比的均匀性，同时这种结构配合光纤熔融过程中变拉锥速度来解决大芯径光纤熔融易造成堆积所引起的光纤不同轴问题。
[0030]实施例3:
如图4显示，耦合器出射端头的微结构处理，该外部结构包括固定用的金属管11，但内部结构与现有技术不同，区别在于其球透镜12和大芯径光纤6，透镜的前表面12a和后表面12b均为球面，金属管前段Ila的内径尺寸与所用光纤的外径尺寸紧密配合，金属管后段Ilb的内径尺寸与球透镜的直径尺寸紧密配合，金属管内径的精度保证了大芯径光纤与球透镜的同轴度。球透镜的直径应大于耦合光纤芯径，透镜的数值孔径为NAl小于输出光纤的数值孔径为NA2。在净化车间洁净操作台上进行固化，先用40倍的显微镜检测球透镜，保证球面无污迹；在400倍光纤端面检测仪上检测光纤端面，确保磨抛后的大芯径光纤端面无麻点划痕，只有充分保证端面质量才能得到更均匀的能量分布。在金属管前段Ila和后段Ilb内壁上涂覆一定量的UV光学胶13，先将球透镜放进金属管Ilb内，内壁上胶不宜过多，以免流到前后两个球面影响出射光，用紫外线照射进行快速固化。大芯径光纤6插入到金属管内，通过定位热缩管14控制插入长度，光纤与球透镜间有一定的距离。最后再用紫外光进行光纤与金属管的固化，将形成的牢固的密封结构再与常用的光纤连接器固化。连接器可以为FC, ST或SMA905。输出光纤的端面进行微结构处理,处理后光纤的出射光斑能量分布不是高斯分布，而是均匀分布，且出射光斑的角度小余30°。
【权利要求】
1.一种大芯径光纤稱合器，其特征在于:所述稱合器包括一根输入光纤和η根的输出光纤，I n ^ 6 ;所述输入光纤芯径为200-600um,输入光纤芯皮比范围为1: 1.04至1:1.25 ;所述输出光纤芯径为200-400um,输出光纤芯皮比与输入光纤的芯皮比一致； 所述输入光纤和输出光纤在稱合区固定打绞，所述输入光纤在稱合区的一端为输入光纤的输出端，另一端为输入光纤的输入端，所述输出光纤在I禹合区的一端为输出光纤的输入端，另一端为输出光纤的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种大芯径光纤稱合器，其特征在于:每一根输出光纤的输出端通过毛细管连接球透镜，所述球透镜的前、后表面均为球面，毛细管的一端紧配合套接输出光纤，另一端紧配合套接球透镜，球透镜的直径大于耦合光纤芯径，且透镜的数值孔径NA1大于输出光纤的数值孔径NA2。
3.根据权利要求2所述的一种大芯径光纤耦合器制作方法，其特征在于:输出光纤与所述的球透镜之间为紫外光学胶固化连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种大芯径光纤稱合器,其特征在于:所述输出光纤数目为六根，耦合区的七根光纤成正六边形排列，且输入光纤位于正六边形的中心轴线处。
5.一种大芯径光纤稱合器制作方法，其特征在于:所述稱合器包括一根输入光纤和η根的输出光纤，I n ^ 6 ;所述输入光纤芯径为200-600um,输入光纤芯皮比范围为1: 1.04至1:1.25 ;所述输出光纤芯径为200-400um,输出光纤芯皮比与输入光纤的芯皮比一致,熔融耦合包括以下步骤: 1)将两根以上的光纤的待熔融耦合的部分除去包层，利用夹具将光纤的耦合区夹持并打绞，所述输入光纤在稱合区的一端为输入光纤的输出端，另一端为输入光纤的输入端，所述输出光纤在I禹合区的一端为输出光纤的输入端，另一端为输出光纤的输出端； 2)通过热源对光纤的打绞部位加热后进行熔融拉锥，即将光纤加热后在同一轴线上向两侧拉伸，在拉伸过程中拉锥速度采用变拉锥速度，即拉锥速度从初期到中期到后期逐渐加快，直至在熔锥区形成双锥形状的波导结构。
6.根据权利要求5所述的一种大芯径光纤I禹合器制作方法,其特征在于:每一根输出光纤的输出端通过毛细管连接球透镜，所述球透镜的前、后表面均为球面，毛细管的一端紧配合套接输出光纤，另一端紧配合套接球透镜，球透镜的直径大于耦合光纤芯径，且透镜的数值孔径NA1大于输出光纤的数值孔径NA2。
7.根据权利要求6所述的一种大芯径光纤耦合器制作方法，其特征在于:输出光纤与所述的球透镜之间为紫外光学胶固化连接。
8.根据权利要求5或6或7所述的一种大芯径光纤耦合器制作方法，其特征在于:所述输出光纤数目为六根，稱合区的七根光纤成正六边形排列，且输入光纤位于正六边形的中心轴线处。
9.根据权利要求5或6或7所述的一种大芯径光纤耦合器制作方法，其特征在于:前述热源采用激光器。
【文档编号】G02B6/255GK104345388SQ201410595057
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月30日 优先权日:2014年10月30日
【发明者】李辉, 王蓉, 李刚, 殷志东, 陈莉, 曾新华, 朱源圆, 冯陈 申请人:南京春辉科技实业有限公司