一种宽带宽、长工作距离的光子晶体光纤微透镜及其制备方法技术

本发明专利技术属于光纤通信技术领域，具体为一种宽带宽、长工作距离的光子晶体光纤微透镜及其制备方法。本发明专利技术方法包括：精确对准两根光子晶体光纤并调整间距；通过石墨加热的方式对光纤进行加热处理，制得不同结构的光纤微透镜；测量各组光纤微透镜的端面光斑质量，确定结构参数阈值；测量光纤微透镜的插入损耗随着两根光纤透镜纵向以及横向偏移距离的变化，确定工作距离与光纤微透镜结构参数的关系；根据测量的结构参数阈值调节加热参数，制得工作距离最长的光纤微透镜；测量光纤微透镜的插入损耗随着波长的变化趋势。本发明专利技术可以降低光纤微透镜的材料成本以及制备精度要求，有效提高光子晶体光纤微透镜的工作距离并扩充光纤微透镜的使用波长范围。使用波长范围。使用波长范围。

【技术实现步骤摘要】
一种宽带宽、长工作距离的光子晶体光纤微透镜及其制备方法


[0001]本专利技术属于光纤通信
，具体涉及一种全光纤微透镜及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着光通信与光纤传感技术的不断发展，对先进的光耦合与光聚焦技术的需求不断增加。光纤透镜，也被称为光纤微透镜或者透镜光纤，就是通过在光纤端面进行加工处理，制作成某种透镜的形状。它可以将来自光纤中的光束扩束、准直或者聚焦，从而起到光路改变或者模式转换的作用。光纤微透镜不仅在各种光学实验中被广泛地用于实现诸如自由空间的光互连、光束准直、光学传感以及光学微流控等多种功能，在实际生产和使用中，光纤微透镜组件也是光通讯系统中需求数量非常庞大的零组件。同时，光纤微透镜也是诸如光开关、光隔离器、光衰减器以及光波分复用器等多种光学元件的重要组成零件。因此，对光纤微透镜的工作性能的研究十分迫切。
[0003]传统的光纤微透镜技术主要包含两个方面，一是透镜的选择，二是组装的方式。目前光纤微透镜的选择主要根据其透镜端面的形状来划分，包括斜面，楔形，球形，圆锥形，弧形等等。透镜形状的选择取决于光纤微透镜的应用，斜面形光纤透镜可以使光路发生大角度的全发射，也可以增大光线受光面积，主要应用于光纤激光、光纤通讯等领域；楔形光纤透镜大多用于实现光束的耦合，增大LD耦合进入光纤的光束质量；圆锥形光纤透镜可以扩大光纤的数值孔径，因此多用于输出光束截面为圆形的DFB、SLD激光器等的耦合。虽然这些种类的激光器在某些领域有针对性的优势，但是对于这些结构的光纤微透镜的加工往往需要涉及到包括熔融拼接，精密微切割，机械抛光，熔融和热成型等复杂且精密的制作过程，同时材料成本也较昂贵，无法满足光器件向低成本、高性能的方向发展。相比较而言，在目前各种结构的光纤透镜里，弧形的光纤微透镜是应用范围最广的一种光纤透镜，它可以应用到光学耦合、生物医学、光学传感等等各个领域，在一定程度上可以替代其它形状结构的光纤透镜进行使用。同时，弧形微透镜相较于其他几种光纤微透镜来说，具有低成本、低损耗以及长工作距离等优良的特性，并且可以较方便地通过调节透镜的弧形结构来调节焦距满足光纤微透镜的不同工作需求，具有可调谐性，因此目前弧形微透镜在光通讯领域也得到了非常广泛的使用。而在光纤微透镜的组装上，目前主要有两种组装方式，一种是在透镜与光纤之间有一个微小的空气间隙，并且两个相邻的表面需要涂覆减反膜来增加光束的透射，另一种是将透镜与光纤直接熔接，相对来说制作方式更为简单且引入的插入损耗相对更小。
[0004]全光纤弧形微透镜作为弧形光纤微透镜的一种，因为体积小，并且光束质量的优越性近年来引起了广泛的关注。传统的全光纤微透镜的制作方法是通过将光纤与一段精确长度的无芯石英光纤熔接，然后再将无芯石英光纤末端通过电弧放电等形式形成弧形透镜。从光纤输出的光将在无芯石英光纤区域扩束，然后再在末端弧形透镜的作用下准直或者聚焦。这种制作方法的优势在于可以熔接各种不同直径的无芯石英光纤，实现不同的工
作性能并且可以实现相对较长的工作距离。诸如J. Kim等人通过将单模光纤与大孔径无芯石英光纤熔接实现了接近6 mm工作距离的全光纤微透镜。虽然这种全光纤微透镜相对于传统光纤微透镜有很多优越的性能，但是其制作工艺上存在一定的缺陷，需要精密的切割技术得到一截精确长度的无芯石英光纤，还需要精确的熔融参数来保证无芯石英光纤能够精确地拼接在目标光纤上，因此工艺上的精度要求很高。
[0005]而无芯石英光纤制作光纤微透镜的缺陷完全可以通过使用光子晶体光纤（PCF）来克服。相较于单模光纤，光子晶体光纤是一种介电常数随着空间呈现周期性变化的新型光学微结构材料。由于其结构上的特殊性，光子晶体光纤具有在很大的频率范围内可以实现光的单模传输，可以灵活的调节色散和色散斜率，提供宽带色散补偿等光学特性。同时由于其空气孔周期型排列的特殊的结构特性，可以通过电弧放电或者其他加热的方式将光子晶体光纤末端空气孔塌陷并且形成水滴状的弧形，构成透镜结构，输出平行的高斯光束，从而构成全光纤系统实现光束聚焦的效果，有利于光学系统的集成。目前关于光子晶体全光纤微透镜的研究也有很大的进展，G.J. Kong通过电弧放电加热的方式将大模场光子晶体光纤（LMA
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10）塌陷得到了工作距离约为1 mm的光纤微透镜。除此之外， H. Y. Choi等人报道了一种利用飞秒激光器进行侧面抛光实现的具有侧面聚焦功能的透镜化PCF探针；G. Mudhana等人提出了一种基于双功能透镜PCF的用于液体折射率测量的光纤探针。然而，对于细径的光子晶体光纤，由于光纤空气孔塌陷区域参数的优化困难，以及光纤微透镜制备精度的限制，并没有实现长工作距离的工作特性，并且光子晶体光纤的宽带宽特性并没有得到充分利用。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种宽带宽、长工作距离的光子晶体光纤微透镜及其制备方法。
[0007]本专利技术提供的宽带宽、长工作距离的光子晶体光纤微透镜的制备方法，是通过石墨电极加热实现的，即通过石墨电极加热处理光子晶体光纤末端，使得末端周期型排列的空气孔塌陷并且在端面形成水滴状透镜弧形结构；其有益效果至少可从以下三方面评估：一是石墨电极加热的区域更大，使光纤受热更为均匀，不会引起光纤的过度弯曲形变；二是石墨电极加热过程可以通过CCD进行实时监控并且及时调节参数，更有利于调节空气孔塌陷的区域以及长度的精度，实现更为精确的塌陷范围；三是便于调节加热的时间以及功率，有利于制作多组结构参数不同的光纤微透镜并进行比较。
[0008]本专利技术提供的宽带宽、长工作距离的光子晶体光纤微透镜的制备方法，具体步骤如下：步骤1：选取两根待处理光子晶体光纤，剥除光子晶体光纤的涂覆层，并进行光纤清洁，将两根光纤精确对准，测量单一波长下光纤插入损耗随着对准距离变化趋势；步骤2：通过石墨电极加热光纤末端，改变不同的加热时长以及加热功率，采用单次加热或者多次分步加热的方式制备多组光纤微透镜，确定石墨电极加热参数的调节对光纤微透镜的结构参数的影响；步骤3：制备多组结构参数不同的光纤微透镜，测量出射端面光斑质量，确定光纤微透镜的结构参数阈值；
步骤4：将制备得到的光子晶体光纤微透镜再次精确对准，测量光纤微透镜的插入损耗随着光纤微透镜纵向以及横向偏移距离的变化趋势，确定工作距离与结构参数的变化关系；步骤5：根据测量的光纤微透镜的结构参数阈值调整石墨加热参数，通过石墨分步加热的方式制得结构参数阈值范围内工作距离最长的光纤微透镜；步骤6：通入连续白光光源，测量在宽波长范围内光纤微透镜的插入损耗随着波长的变化趋势。
[0009]其中，步骤2中所述制备多组光纤微透镜包括：选取多根光子晶体光纤，剥除光纤的涂覆层，并进行光纤清洁；调节不同的加热参数对光子晶体光纤末端进行石墨电极加热，对比不同的加热参数对光子晶体末端弧形结构参数的影响，将光纤微透镜结构参数与石墨加热参数对应。
[0010]其中，步骤2或5中所述多次分步加热包括：通过小功率，长时间加热方式将光子晶体光纤末端空气孔塌陷到目本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽带宽、长工作距离的光子晶体光纤微透镜的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：步骤1：选取两根待处理光子晶体光纤，剥除光子晶体光纤的涂覆层，并进行光纤清洁，将两根光纤精确对准，测量单一波长下光纤插入损耗随着对准距离变化趋势；步骤2：通过石墨电极加热光纤末端，改变不同的加热时长以及加热功率，采用单次加热或者多次分步加热的方式制备多组光纤微透镜，确定石墨电极加热参数的调节对光纤微透镜的结构参数的影响；步骤3：制备多组结构参数不同的光纤微透镜，测量出射端面光斑质量，确定光纤微透镜的结构参数阈值；步骤4：将制备得到的光子晶体光纤微透镜再次精确对准，测量光纤微透镜的插入损耗随着光纤微透镜纵向以及横向偏移距离的变化趋势，确定工作距离与结构参数的变化关系；步骤5：根据测量的光纤微透镜的结构参数阈值调整石墨加热参数，通过石墨分步加热的方式制得结构参数阈值范围内工作距离最长的光纤微透镜；步骤6：通入连续白光光源，测量在宽波长范围内光纤微透镜的插入损耗随着波长的变化趋势。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中所述制备多组光纤微透镜包括：选取多根光子晶体光纤，剥除光纤的涂覆层，并进行光纤清洁；调节不同的加热参数对光子晶体光纤末端进行石墨电极加热，对比不同的加热参数对光子晶体末端弧形结构参数的影响，将光纤微透镜结构参数与石墨加热参数对应。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多次分步加热包括：通过小功率，长时间加热方式将光子晶体光纤末端空气孔塌陷到目标长度，塌陷过程中末端弧形曲率半径基本不变；调节光纤位置，只对光纤最末端进行加热处理，通过大功率，短时间加热方式将光子晶体光纤末端弧形熔融至目标曲率半径。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中所述测量出射端面光斑质量的方法包括：不接入光源，通过红外CCD观察光纤截面，将CCD聚焦到光纤微透镜的端面上；光纤微透镜和CCD的位置不变，接入光源，观察并测量CCD观察得到的光斑强度，调节光源功率到光斑最大强度正好...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖力敏，陈雨星，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：