基于单包层光纤的多芯光纤耦合器及其拉锥比例设计方法

本发明涉及光纤的，更具体地，涉及基于单包层光纤的多芯光纤耦合器及其拉锥比例设计方法。

背景技术：

1、随着互联网技术的快速普及与发展，人民的生活工作方式得到了根本性的改变，极大地促进了经济社会的转型与发展。与此同时，也使得人民对数据流量需求的不断增长。以单模光纤为基础的现行骨干网，已逼近其最大传输容量极限，无法满足即将到来的万物互连需求。

2、基于多芯光纤的空分复用技术，通过利用单个包层结构内存在多个纤芯，可以提供空间的新复用维度来成倍增加通信系统的容量，成为了研究的热点。在多芯光纤的应用过程中，为了与现有的基于标准单模光纤的通信系统相兼容，能够提供标准单模光纤与多芯光纤之间低损耗连接的多芯光纤耦合器是必不可少的。因此多芯光纤耦合器件的设计与制备成为了推广多芯光纤的关键技术之一。

3、目前，全光纤型多芯光纤耦合器的制备方法主要有微孔加工法、腐蚀光纤束拉锥法与多包层光纤拉锥法。

4、微孔加工法将经过腐蚀处理的标准单模光纤和多芯光纤分别插入经过机械钻孔或激光打孔方式处理过的圆柱体套管中，由对准平台实现对准后进行点胶固定。由于腐蚀精度和打孔精度问题，使得耦合器损耗较大。

5、腐蚀光纤束拉锥法将经过腐蚀处理的标准单模光纤插入套管中，进行拉锥处理，切割抛光后与多芯光纤连接实现耦合器的制备。光纤经过腐蚀后容易产生尺寸偏差以及脆性上升，导致插入损耗较大与光纤易断裂。

6、多包层光纤拉锥法采用拥有多个包层的光纤进行拉锥，通过对不同包层的折射率与尺寸进行设计优化，可以有效降低多芯光纤耦合器的损耗。但是由于光纤具有多包层结构，在拉锥的过程中会引入干涉效应，限制了可透过光的光谱波段范围，并且传输损耗随着波长的变化出现明显波动。

7、综上所述，目前各类多芯光纤耦合器的制备方法，在腐蚀精度、光纤几何对准精度、加工难度、成本以及损耗方面都存在问题。

技术实现思路

1、本发明为克服上述现有技术存在的多芯光纤耦合器制备难度大、制备成本高且连接损耗大的缺陷，提供制备难度小、制备成本低且连接损耗小的基于单包层光纤的多芯光纤耦合器。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、一种单包层光纤，所述单包层光纤包括从内到外依次设置的纤芯，包层与涂覆层。

4、本发明还提出了基于单包层光纤的多芯光纤耦合器，包括单包层光纤和套管；

5、其中，所述套管嵌套有若干根单包层光纤，且所述单包层光纤的总数与目标多芯光纤中的纤芯总数相等；

6、所述套管的一端经拉锥处理，另一端未经拉锥处理；所述套管经拉锥处理的一端用于与目标多芯光纤连接；所述套管未经拉锥处理的一端中的每根单包层光纤分别用于与标准单模光纤连接，且所述套管未经拉锥处理的一端中的单包层光纤的模场直径与所述目标多芯光纤的单个纤芯的模场直径相匹配。

7、本发明还提出了基于多芯光纤耦合器的拉锥比例设计方法，应用上述基于单包层光纤的多芯光纤耦合器，包括以下步骤：

8、根据目标多芯光纤中单个纤芯的模场直径a调整所述单包层光纤的参数，使得所述套管未经拉锥处理的一端中的单包层光纤的模场直径b与模场直径a之间的差值不大于预设阈值；

9、令所述多芯光纤耦合器的拉锥比例r的初始值为1，利用仿真软件或数值计算方法，在将拉锥比例r设为递减变量的情况下，计算套管经拉锥处理的一端中的单包层光纤的模场直径c；

10、当拉锥比例r不为1且所述模场直径c等于所述模场直径b时，停止计算，并将此时的拉锥比例r的大小记为r，得到所述拉锥比例r的最优取值范围[r,1]。

11、本发明还提出了基于多芯光纤耦合器的设计方法，包括以下步骤：

12、根据目标多芯光纤的纤芯间距λ，计算所述套管未经拉锥处理的一端中的单包层光纤的包层直径d2，所述包层直径d2的计算表达式包括：

13、d2＝λ/r

14、式中，r表示所述多芯光纤耦合器的拉锥比例；

15、确定包层直径d2的大小后，按照目标多芯光纤的纤芯排布方案，将单包层光纤束紧排布下的外接圆直径d1的大小设为所述套管的最优内径；

16、根据目标多芯光纤的包层直径d3计算所述套管的最小外径d2，所述最小外径d2的表达式包括：

17、d2＝d3/r。

18、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

19、所述单包层光纤包括从内到外依次设置的纤芯，包层与涂覆层，结构简单，相比于双包层光纤，其制备难度较小且制备成本较低；所述基于单包层光纤的多芯光纤耦合器中的所述单包层光纤的总数与目标多芯光纤中的纤芯总数相等，且所述套管未经拉锥处理的一端中的单包层光纤的模场直径与所述目标多芯光纤的单个纤芯的模场直径相匹配，能够有效减小所述多芯光纤耦合器与所述目标多芯光纤的连接损耗。

技术特征：

1.一种单包层光纤，其特征在于，所述单包层光纤(1)包括从内到外依次设置的纤芯(13)，包层(12)与涂覆层(11)。

2.根据权利要求1所述的基于单包层光纤的多芯光纤耦合器，其特征在于，所述纤芯(13)和包层(12)的分界面折射率发生突变，包层(12)与涂覆层(11)的分界面折射率发生突变，包层(12)折射率小于纤芯(13)射率，涂覆层(11)折射率小于包层(12)折射率。

3.根据权利要求1所述的基于单包层光纤的多芯光纤耦合器，其特征在于，所述纤芯(13)折射率呈阶跃型分布或渐变型分布。

4.基于单包层光纤的多芯光纤耦合器，应用权利要求1～4任一项所述单包层光纤，其特征在于，包括单包层光纤(1)和套管(2)；

5.根据权利要求4所述的基于单包层光纤的多芯光纤耦合器，其特征在于，所述若干根单包层光纤(1)组成的光纤束按照目标多芯光纤(3)的纤芯排布嵌套进套管(2)；

6.根据权利要求4所述的基于单包层光纤的多芯光纤耦合器，其特征在于，所述多芯光纤耦合器的拉锥比例r的表达式包括：

7.根据权利要求4～6任一项所述的基于单包层光纤的多芯光纤耦合器，其特征在于，所述套管(2)未经拉锥处理的一端中的单包层光纤(1)的包层(12)的直径的表达式包括：

8.根据权利要求4～6任一项所述的基于单包层光纤的多芯光纤耦合器，其特征在于，所述套管(2)的最小外径的表达式包括：

9.基于多芯光纤耦合器的拉锥比例设计方法，应用权利要求4～8任一项所述基于单包层光纤的多芯光纤耦合器，其特征在于，包括以下步骤：

10.基于多芯光纤耦合器的设计方法，应用权利要求4～8任一项所述基于单包层光纤的多芯光纤耦合器，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及光纤的技术领域，提出基于单包层光纤的多芯光纤耦合器及其拉锥比例设计方法，所述单包层光纤(1)包括从内到外依次设置的纤芯(13)，包层(12)与涂覆层(11)；所述基于单包层光纤的多芯光纤耦合器包括单包层光纤(1)和套管(2)；套管(2)嵌套有若干根单包层光纤(1)，且单包层光纤(1)的总数与目标多芯光纤(3)中的纤芯总数相等；套管(2)的一端经拉锥处理，另一端未经拉锥处理；且套管(2)未经拉锥处理的一端中的单包层光纤(1)的模场直径与目标多芯光纤(3)的单个纤芯的模场直径相匹配；所述单包层光纤及多芯光纤耦合器具有制备难度小、成本低且可与多芯光纤和标准单模光纤实现低损耗连接的优点。

技术研发人员：张聪,付松年,秦玉文
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5