专利名称：多模光纤抛磨选模器的制作方法
技术领域：
本发明涉及多模光纤，具体涉及到多模光纤选模和多模光纤通信。
背景技术：
多模光纤在通信等领域具有广泛的应用，具有芯径大，接合误差要求低，易于施工等优点，尤其是塑料多模光纤，更是具有芯径大，操作简单，重量轻、价格便宜等优点，在通信、传感等领域的应用前景越来越广泛。
多模光纤具有多个模式可以同时在纤内传输的特点，在通信系统中，由于模间色散和耦合，导致多模光纤带宽受到限制，因此，减少传输模式和进行模分复用的需求非常迫切。但是，在制作材料相同的情况下，减少模式需要减小纤芯半径，而这又将减弱多模光纤芯径大，操作简单，接合误差要求低的优势。因此，在大芯径下进行模式选择和模分复用将能够提高多模光纤的传输带宽。尤其是塑料光纤，商用光纤一般芯径在mm量级，传输的模式数在数万甚至数百万，进行模式选择将能够显著提高传输性能。
现有技术中，在光纤通信系统中使用光纤抛磨型耦合器已经较为成熟，它是由两根光纤各自将包层抛去一部分后紧贴在一起构成，它们通过倏逝场作用来实现耦合器功能。这种耦合器的输出口有两个光纤臂，分别称为直通臂和耦合臂。但这种通过倏逝场作用制作的耦合器只能起到功率耦合作用。多模光纤中利用少量模式传输来抑制色散从而提高传输带宽的技术一直被关注，其关键技术是低模间耦合传输和选择模式激发，比较常见的模式激发方式是采用单模光纤偏心注入到多模渐变折射率光纤中激发起少量模式，这种方式需要首先将光耦合到单模光纤中，对耦合精度和光源要求很高，而且单模光纤和多模光纤之间采用端面耦合，对准精度要求很高，制作实现较为困难。也有利用扰模方法进行模式选择的技术，其原理是利用对光纤进行弯曲等结构改变增大高阶模的损耗，从而将高阶模从传输场中去掉，只剩下低阶模，但这种方法只能实现选出低阶模，有一定限制。至今尚未发现有关利用抛磨方法制作选模器的报道。
发明内容
本发明提供了一种既能进行多模光纤之间的耦合，又能同时实现多模光纤的模式选择的装置。
本发明通过以下方式来实现本项发明是多模光纤抛磨选模器，它包括耦合臂和直通臂两个光纤臂及其各自的夹持件，其特征在于，所述耦合臂、直通臂中的光纤是多模光纤，所述夹持件是两块紧密闭合、并由螺纹连接件固定构成整体的平板，两平板的闭合面均为抛光面，在每块平板的闭合面上分别设有深度等于用作耦合臂或直通臂多模光纤外半径的光滑凹槽，两块平板上的凹槽位置相对，使用作耦合臂或直通臂的多模光纤分别被包容并过盈配合固定在其中；所述设在两块平板上的凹槽由中间的平直段和两端的弯曲段组成，弯曲段延伸到平板侧端，其中平直区域的长度为光纤纤芯直径的0-500倍；两端弯曲段的弯曲半径为纤芯直径的10-10,000倍；所述夹持件上与其中光滑凹槽的弯曲外切面平行的表面分别被抛磨，使包容在其中的多模光纤被抛磨露出光纤纤芯，其被抛开的区域呈双锥形，抛磨光纤弧顶处纤芯被横向抛入的深度为多模光纤纤芯直径的0.01-0.9倍；所述耦合臂和直通臂固定组合时两者被抛磨露出纤芯的面互相紧密接触，并使两根光纤抛磨露出部分的交叠面积大于0而小于抛开区面积，两臂光纤的轴向夹角在0-90°之间。
在实际应用中，为实现选模目的，可将所述的耦合臂和直通臂的夹持平板设置在具有二维运动的装置中，例如能实现相对转动并滑动的支架，使两块夹持平板之间能产生相对转动，以及位置的直线变化，即使耦合臂和直通臂之间产生相对转动，以及位置的直线变化。其转动角通常为0-90°，最好为0-45°；角度的变化可以改变选出模式的数量，位置的变化可以改变选出模式的级数。所述光滑凹槽两端弯曲段的弯曲半径可以取相同值，也可以根据需要取不同值；弯曲半径越小，选模时每个模式群中选出的模式越多；其耦合臂与直通臂上的光纤弯曲半径及平直区域长度也可根据需要选择相同或不同。
本发明的多模光纤抛磨选模器的工作原理为光通过耦合装置从直通臂光纤的输入端注入后逐渐形成稳定光场分布，光在直通臂光纤内传输的模式分布只受光纤波导结构的限制形成一定的模场分布，此模场包含了从基模到光纤截止模之间的各个模式；当传输光经过选模器时，由于纤芯已经被抛磨破坏了稳定的波导结构，直通臂光纤中的光会从被抛开的纤芯泄露出来；在两臂接触区域的泄漏光在两臂的耦合区来回反射，由于选模器两臂之间具有一定的交叠和夹角，则只有一部分角度的模式能够进入耦合臂在其中形成传输模，从而实现选模的目的。当两光纤轴向之间的夹角加大时，耦合臂选出的模式将减少，输出光环变窄；当耦合臂沿直通臂轴向平行移动时，随着接触点中心位置远离直通臂抛开区域的输入端顶点，选出的模式群的级数增大，输出光环的出射角度增大。
本发明的优点是(1)选模过程在多模光纤耦合过程进行，器件结构简单，无需在光路中插入其它器件；(2)制造工艺简单，只需要进行抛磨、开孔等机械加工，对精度要求较低，易于生产，成本低；(3)由于本器件在进行抛磨加工时抛开了纤芯，直通臂光纤中的传输模式在被抛开区变成了泄漏模，耦合臂通过改变与直通臂的夹角和相交位置实现对泄漏模进行选择性的接收，就可以在耦合臂实现选择性的模式激发，因此能够同时进行耦合和选模操作。(4)通过对抛磨长度的控制以及两臂交叉角度的选择，可以单独选择出低阶或高阶模式；还可以通过多个光纤臂将不同阶的模式注入到不同路光纤中，模式利用率高。
下面通过附图和实施例作出进一步说明。
图1是本发明所述多模光纤抛磨选模器主要部件-光纤臂的实施例结构示意图。
图2是图1实施例的示意俯视图。
图3是图1实施例的示意正视图。
图4是本发明所述多模光纤抛磨选模器一种两臂参数相同的实施例结构示意图。
图5是图4实施例的示意俯视图。
图6是本发明所述多模光纤抛磨选模器一种两臂参数不同的实施例结构示意图。
图7是图6实施例的示意俯视图。
图8是本发明所述具有多端口的多模光纤抛磨选模器一种实施例示意图。
图9是本发明所述抛磨选模器具有固定支架的结构示意图。
图10是本发明所述抛磨选模器具有能相对移动并转动的调节型支架的结构示意图。
具体实施例方式
实施例1参见图1，图2和图3，图中表达了选模器的主要部件光纤臂的结构，用作直通臂和耦合臂的两个光纤臂结构构型完全相同，但其平直段长度和弯曲段半径可不同。其中1为左夹持板，2为右夹持板，两块夹持板的内侧面为抛光面，在该抛光面上分别加工有光滑凹槽3，每个光滑凹槽分为三段，即中间的平直段8和两端的弯曲段9，光滑凹槽的深度略小于多模光纤的外半径，使二者为过盈配合。4为被包容固定在上述两块夹持板的光滑凹槽中用作耦合臂或直通臂的多模光纤。5为设在两块夹持板上的通孔，使用螺纹连接件可使两块夹持板闭合固定，形成一个光纤臂整体。光纤4的上外表面有抛磨平面，该抛磨平面至光纤纤芯外圆弧顶的深度为光纤纤芯直径的0.01-0.9倍；6为光纤纤芯被抛磨露出部分，由图可看出该抛开的区域呈双锥形，由8和9的被抛开区域组成，以下简称抛开区；7为两夹持板的闭合线。10和11分别为光纤纤芯和夹持板抛磨前的位置。
本实施例中用作耦合臂或直通臂的光纤臂的加工过程是首先加工两块大小相同的长方形夹持板，并将夹持板的一面进行抛光，抛光后在被抛光面上挖凹槽，凹槽由平直段和弯曲段构成，深度略小于使用的多模光纤外半径，凹槽需要具有一定的光洁度，凹槽的外弧边沿距离夹持板的边有1mm左右的距离以便抛磨。两块夹持板的凹槽为对称的形状，两开槽面扣在一起时两凹槽要完全对称。将多模光纤置于弯曲凹槽中，使两块夹持板的凹槽相对闭合在一起，在闭合后的两块夹持板未开槽区域钻两个贯通孔，并使用螺杆进行连接紧固，连成一个整体。然后对包容在夹持板中的多模光纤外弧所对的夹持板平面进行抛磨，抛磨使光纤纤芯露出并横向被抛磨到需要深度为止。抛磨后的多模光纤和夹持板整体构成一个光纤臂，用作直通臂或耦合臂。
本实施例中，采用纤芯直径为1mm的塑料光纤，其包层厚度为0.01mm，涂敷层厚1mm，平直区域长度为10mm，两端的弯曲半径均为300mm，夹持板采用透明有机玻璃材料，每块夹板厚5mm，做成50mm*40mm的长方形，平面抛光后按光纤走向开槽深度1.49mm，槽的弧顶距离边缘1mm。光纤弧顶所对表面被抛磨2.2mm，则光纤纤芯径向抛磨深度为0.2mm，据此，纤芯被抛开区域的轴向长度约为32mm。
实施例2参见图4和图5，图中表达了两光纤臂的参数完全相同的选模器的组合情况。图中，1、2为直通臂夹持板，4为直通臂光纤，12、13为耦合臂夹持板，14为耦合臂光纤，16为耦合臂多模光纤纤芯被抛开露出部分。17、18、19分别为工作过程中的注入光、直通光和耦合光，其箭头表示光的前进方向。两光纤臂的具体结构如前述实施例1。15为两臂多模光纤抛开区6和16的交叠区中心点。两臂多模光纤的抛开区轴向夹角为α。
本实施例中，采用纤芯直径为1mm的塑料光纤，其包层厚度为0.01mm，涂敷层厚1mm；夹持板采用透明有机玻璃材料，每块夹板厚5mm，做成50mm*40mm的长方形，平面抛光后按光纤走向开槽深度1.49mm，槽的弧顶距离边缘1mm。直通臂与耦合臂结构相同，平直区域长度为0mm，两端的弯曲半径均为300mm，光纤弧顶所对表面被抛磨2.2mm，则光纤纤芯径向抛磨深度为0.2mm，据此，纤芯被抛开区域的轴向长度约为21.9mm。
本实施例选模器的组合过程为将直通臂抛磨面向上放置，耦合臂抛磨面向下放置，将两抛磨面接触，首先使两抛磨面完全重合，此时组合成两臂光纤夹角为零，完全对称的选模器。使用此选模器可选出由多个同心圆环组成的模式图。然后固定直通臂，使耦合臂能绕垂直于抛磨面的中心轴旋转，选择合适的夹角α后再固定耦合臂。如果需要改变选出模式，则改变两光纤臂的交点位置，即使耦合臂在保证两臂抛开区有效接触的情况下平行移动或者转动一定角度(即改变夹角α，其旋转角度在0-90°范围内。)。
实施例3参见图6和图7，图中表达了不同参数的直通臂和耦合臂组合成选模器的结构。其部件组成同实施例2。
本实施例中，采用纤芯直径为1mm的塑料光纤，其包层厚度为0.01mm，涂敷层厚1mm；夹持板采用透明有机玻璃材料，每块夹板厚5mm，做成50mm*40mm的长方形，平面抛光后按光纤走向开槽深度1.49mm，槽的弧顶距离边缘1mm。直通臂平直区域长度为10mm，两端的弯曲半径分别为100mm和400mm，光纤弧顶所对表面被抛磨2.2mm，则光纤纤芯径向抛磨深度为0.2mm，据此，直通臂纤芯被抛开区域的轴向长度约为25.3mm。耦合臂平直区域长度为5mm，两端弯曲半径均为250mm，光纤弧顶所对表面被抛磨2.2mm，则光纤纤芯径向抛磨深度0.2mm，据此，直通臂纤芯被抛开区域的轴向长度约为25mm。
本实施例选模器的组合过程可参见实施例2。使用时直通臂光纤弯曲半径小的一端作为注入端，可以提高选择模式的精度。
实施例4参见图8，图中表达了一种多端口选模器的结构。图中，选模器的直通臂4和耦合臂14分别由5个单纤光纤臂组合而成，这些单独的光纤臂具有相同的结构参数(也可以根据需要选择不同的结构参数)。加工过程中，处于两根多模光纤之间的夹持板需要两面抛光，并在两面都开出相应的凹槽。本例中的直通臂和耦合臂均含有5根光纤，每根光纤采用与实施例1相同的结构参数，不同的是每臂中间的三块处于光纤之间的夹持板进行双面抛光和开凹槽。其组合方法与实施例2的组合方法相同，但首先要保证所有的直通臂光纤抛开区与所有耦合臂光纤抛开区都能够交叠。
实施例5参见图9，图中表达了一种使用了固定型支架的选模器组合结构。图中，20为选模器的直通臂，21为耦合臂，两光纤臂的加工参数与实施例1相同，组合结构和方法与实施例2相同。固定支架由底板22、顶板23、两根连接柱24和相应的固定部件固定螺母25、缓冲弹簧26、限位螺母27组成，组合好的光纤臂位于顶板和底板之间。22和23均为刚性材料制成的具有一定厚度的长方形平板；连接柱24底端有一小段外螺纹，顶端有较长段外螺纹，外螺纹外径与连接柱外径相同或略小，中间的无螺纹光滑区小于选模器两光纤臂按照实施例2中方法组合后的总高度；底板22上两端有与连接柱24底端螺纹相配合的内螺纹通孔，连接柱通过螺纹与22连接；顶板23的两端与底板内螺孔相同位置有稍大于连接柱外径的光滑通孔；固定螺母25位于连接杆最上端；缓冲弹簧26套于连接杆24之外并位于固定螺母25与顶板23之间，其内径稍大于顶板23两端通孔的直径；限位螺母27位于顶板下方限定顶板的最低位置。
本实施例的固定支架选模器组合过程为将按照实施例2方法组合好的选模器两臂按照图5所示置于底板上，将两根连接杆底端旋入底板两端的螺孔中并旋紧；将两只限位螺母分别旋到连接杆顶端并旋至上螺纹区底部；将连接杆穿入顶板两通孔中，顶板压住耦合臂夹持板顶端；在连接杆顶部套上缓冲弹簧，旋上固定螺母，并将固定螺母旋到适当位置使顶板压力能够保持两臂较好固定，将限位螺母向上旋到与顶板接触即可。
本实施例中顶板与底板采用钢板制成，长120mm，宽50mm，厚8mm；底板螺孔中心距100mm，位于底板长轴上对称分布；顶板通孔位置相同，内直径8.2mm；连接杆直径8mm，长度110mm，底端螺纹区长度5mm，顶端螺纹区长度45mm，中间光滑区长度60mm；缓冲弹簧长度10mm，内直径9mm，弹性系数20,000N/m。两光纤臂组合高度为75.6mm。
实施例6参见图10，图中表达了一种使用了能相对移动并转动的调节型支架的选模器组合结构。图中，20为选模器的直通臂，21为耦合臂，两光纤臂的加工参数与实施例1相同。支架由底板22、顶板23、四根连接柱24和相应的固定部件固定螺母25、缓冲弹簧26、限位螺母27组成。22和23均为刚性材料制成的具有一定厚度的正方形平板，底板在四个角上有内螺孔，顶板在对应位置有光滑通孔，连接杆的结构与实施例5相似，不同点是中间光滑区长度加大。底板上固定有二维位移调整部件；二维位移调整部件由纵向平移台28、纵向平移调节旋钮29、横向平移台30和横向平移调节旋钮31组成，两平移台上均带有位移刻度指示；二维平移台的上层平移台带有光纤臂固定槽32，固定槽两侧有两颗顶丝用于顶紧固定光纤臂。顶板上固定有角度调整部件，角度调整部件由转动槽33、转动圆盘34、转动把手35、角度指针36和角度刻度37组成，其中转动槽23贯通顶板，位于顶板中心位置；转动圆盘34由上中下三个独立圆盘组成，其中上下两圆盘为外径大于转动槽33内径的圆盘，中间圆盘外径略小于转动槽内径，厚度与顶板相同，嵌于转动槽中，上下圆盘与中间圆盘使用螺丝连接；在下层圆盘下面带有光纤臂固定槽32。
本实施例的调节型支架选模器组合和使用过程为将二维平移台先固定于底板中心，选模器直通臂按照图6所示置于下固定槽32中，顶丝旋紧固定光纤臂；将角度调整部件按照图6所示及前述连接关系安装好，选模器耦合臂按照图6所示置于上固定槽32中，顶丝旋紧固定光纤臂；将四根连接杆底端旋入底板四角的螺孔中并旋紧；将四只限位螺母分别旋到连接杆顶端并旋至上螺纹区底部；将连接杆穿入顶板通孔中，带有耦合臂的顶板顺着连接杆下移直到直通臂与耦合臂夹持板紧密接触；在连接杆顶部套上缓冲弹簧，旋上固定螺母，仔细调节固定螺母和限位螺母到适当位置使顶板压力能够使两臂紧贴且平移台和角度调整装置能够自由调节即可。使用时持角度调整装置的转动把手调整圆盘来改变光纤臂的轴向夹角α，角度指针与角度刻度配合指示转动角度；转动二维位移台调节旋钮来调整两臂光纤交叠点的位置，位移台上自带的位移刻度指示位移量。
权利要求
1.一种多模光纤抛磨选模器，它包括耦合臂和直通臂两个光纤臂及其各自的夹持件，其特征在于，所述耦合臂、直通臂中的光纤是多模光纤，所述夹持件是两块紧密闭合、并由螺纹连接件固定构成整体的平板，两平板的闭合面均为抛光面，在每块平板的闭合面上分别设有深度等于用作耦合臂或直通臂多模光纤外半径的光滑凹槽，两块平板上的凹槽位置相对，使用作耦合臂或直通臂的多模光纤分别被包容并过盈配合固定在其中；所述设在两块平板上的凹槽由中间的平直段和两端的弯曲段组成，弯曲段延伸到平板侧端，其中平直区域的长度为光纤纤芯直径的0-500倍；两端弯曲段的弯曲半径为纤芯直径的10-10,000倍；所述夹持件上与其中光滑凹槽的弯曲外切面平行的表面分别被抛磨，使包容在其中的多模光纤被抛磨露出光纤纤芯，其被抛开的区域呈双锥形，抛磨光纤弧顶处纤芯被横向抛入的深度为多模光纤纤芯直径的0.01-0.9倍；所述耦合臂和直通臂固定组合时两者被抛磨露出纤芯的面互相紧密接触，并使两根光纤抛磨露出部分的交叠面积大于0而小于抛开区面积，两臂光纤的轴向夹角在0-90°之间。
2.如权利要求1的多模光纤抛磨选模器，其特征在于，所述的耦合臂和直通臂的夹持平板设置在具有二维运动的装置中，耦合臂和直通臂之间产生相对转动，以及位置的直线变化。
3.如权利要求1或2的多模光纤抛磨选模器，其特征在于，所述的耦合臂和直通臂的之间的相对转动角为0-90°。
4.如权利要求1或2的多模光纤抛磨选模器，其特征在于，所述的耦合臂和直通臂的之间的相对转动角为0-45°。
5.如权利要求1的多模光纤抛磨选模器，其特征在于，所述光滑凹槽两端弯曲段的弯曲半径取相同值，或者根据需要取不同值。
6.如权利要求1的多模光纤抛磨选模器，其特征在于，所述耦合臂与直通臂上的光纤弯曲半径及平直区域长度根据需要选择相同或者不同。
全文摘要
本发明涉及多模光纤，具体涉及多模光纤选模和多模光纤通信。选模器包括耦合臂和直通臂两个光纤臂及其夹持件，夹持件是两块紧密闭合、并由螺纹连接件固定成整体的平板，每块平板闭合面上分别设有深度等于多模光纤外半径的光滑凹槽，使多模光纤分别被包容并过盈配合固定在其中；设在两块平板上的凹槽由中间的平直段和两端的弯曲段组成，夹持件上与其中光滑凹槽的弯曲外切面平行的表面分别被抛磨，使包容在其中的多模光纤被抛磨露出光纤纤芯，其被抛开的区域呈双锥形，其弧顶处纤芯被横向抛入的深度为多模光纤纤芯直径的0.01－0.9倍；耦合臂和直通臂固定组合时两者被抛磨露出纤芯的面互相紧密接触。本发明结构简单，对精度要求较低，制造成本低；能够同时进行耦合和选模操作。
文档编号H04B10/12GK1837870SQ20061003997
公开日2006年9月27日 申请日期2006年4月28日 优先权日2006年4月28日
发明者李锋, 许立新, 纪帆, 吕亮, 顾春, 明海, 吴云霞 申请人:中国科学技术大学