一种实芯光纤与空芯光纤耦合装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供的是一种实芯光纤与空芯光纤耦合装置。其特征是：它由实芯光纤1、空芯光纤2以及玻璃毛细管3组成。本发明专利技术基于实芯光纤端面引入的满足光学模式低传输损耗与机械稳定性的拉锥结构，实现了实芯光纤与空芯光纤之间的高效耦合，使得空芯光纤与实芯光纤的特定模式在无需附加对准的情况下实现激发。与传统的空间光路耦合方案相比，该装置形成了全光纤集成的实芯

【技术实现步骤摘要】
一种实芯光纤与空芯光纤耦合装置
(一)

[0001]本专利技术涉及的是一种实芯光纤与空芯光纤耦合装置，主要涉及光纤耦合器
，更具体地，涉及一种全光纤集成的实芯
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空芯光纤接口，无需任何空间光路器件，且对于不同结构和参数的实芯
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空芯光纤，可实现接近100％的光纤耦合效率。
(二)
技术介绍

[0002]光纤耦合器是实现光信号分路和合路的光无源器件，是光纤传感、光纤通讯等领域的重要基础元件。空芯光纤(HCF)相比普通光纤具有非线性系数低、色散小、抗辐射能力强、温度稳定性高等特点。在空芯光纤的大多数应用中，不可避免地会涉及HCF与传统单模光纤(SMF)耦合的问题，耦合效率是重要的参数之一。
[0003]为降低耦合损耗，大部分方法在处理空芯与实芯光纤的耦合时采用空间光路耦合方案或直接耦合方案。空间光路耦合方案是指应用合适数值孔径的透镜系统将空芯光纤纤芯模场变换为平行光，再应用另一透镜系统将该平行光耦合入实芯光纤。为实现耦合精确调节，透镜系统与光纤需要固定在三维运动平台上。该方案是实芯
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空芯光纤耦合问题的标准解决方案。光纤直接熔接耦合方案需应用光纤熔接设备，如Vytran FFS
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2000
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PM等，通过调节优化熔接参数，实现特定空芯光纤与单模光纤之间的有效耦合。
[0004]例如中国专利CN10540633A公开了一种空间光束耦合系统及其闭环控制方法，该系统和方法在耦合过程中提高了工作效率和系统的稳定性，但是特种空芯光纤在采用此种耦合方式时，会不可避免地造成空间光耦合进光纤包层的情况，使得耦合效率较低，同时通过功率来判断空芯光纤的耦合情况使得耦合精度较低；中国专利CN110412687B提出了从大芯径空芯光纤向单模光纤耦合的结构及其制备方法，该耦合器结构虽然解决了耦合效率不高的问题且制备方法较为简单，但其结构制备的可重复性有待提高。
[0005]现有实芯
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空芯光纤耦合实现方案主要存在以下问题：空间光路耦合方案需应用光学透镜与三维运动平台，使得系统体积庞大，难以实现小型化与全光纤化集成，且系统耦合效率与激发模式对外界扰动极其敏感，系统工作不稳定。同时，光学透镜表面与实芯光纤表面所引入的菲涅尔反射无法避免，导致耦合效率提升存在瓶颈，且不兼容全密封需求。直接熔接耦合方案在熔接过程会不可避免地引入空芯光纤包层结构塌陷和变形，导致激发出光纤高阶模式，耦合效率受限于实芯光纤与空芯光纤(空芯光子带隙光纤、毛细管光纤、空芯反谐振光纤、Ka gome光纤、嵌套式反谐振光纤以及多孔光纤)的模式失配，熔接损耗不可避免，且由实芯光纤表面引入的菲涅尔反射无法避免。
[0006]与在先技术相比，本专利技术提出了一种实芯光纤与空芯光纤耦合装置。基于实芯光纤端面引入的满足光学模式低传输损耗与机械稳定性的拉锥结构，实现了实芯光纤与空芯光纤之间的高效耦合，使得空芯光纤与实芯光纤的特定模式在无需附加对准的情况下实现激发。相较于传统的空间光路耦合方案，该装置的技术优势包括：形成了全光纤集成的实芯、空芯光纤接口，无需任何空间光路器件，系统尺寸小；拉锥过程可完全抑制菲涅尔反射，系统对耦合效率无任何限制因素，可实现效率接近100％的光纤耦合；系统对外界扰动具有
鲁棒性；系统完全封闭，可封闭气体在空芯光纤中。本专利技术所提出装置的技术优势，使之能够适用于高功率激光传输、超高灵敏气体传感、数据通讯、光纤陀螺、宽谱激光采集等领域。
(三)
技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的光路固定稳定性不好、实芯
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空芯光纤耦合器难以小型化、直接熔接过程中存在熔接损耗等不足之处，提供了一种实芯光纤与空芯光纤耦合装置。该装置仅依靠实芯光纤端面引入的满足光学模式低传输损耗与机械稳定性的拉锥结构，实现了实芯光纤与空芯光纤之间的高效耦合，使得空芯光纤与实芯光纤的特定模式在无需附加对准的情况下实现激发，从而简化了操作流程和提升了耦合器的稳定性，使整个装置更加微型化和集成化。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]该实芯光纤与空芯光纤耦合装置是由实芯光纤、空芯光纤以及玻璃毛细管组成，所述装置中实芯光纤由纤芯、包层以及拉锥结构组成；空芯光纤由空气芯和管状包层组成；玻璃毛细管由内孔和外壁组成；实芯光纤的拉锥结构同轴插入到空芯光纤的空气芯中，并将其放置在玻璃毛细管的内孔中，玻璃毛细管起到保护作用，胶封位置位于玻璃毛细管的两端，由于设计的拉锥结构同时具有光学模式的传输低损耗和机械稳定的特性，实芯光纤的纤芯中传输的特定模式在经过拉锥结构后，被稳定高效地耦合为空芯光纤的空气芯中传输的空芯光纤特定模式；同时由于光路的可逆性原理，装置实现了实芯光纤与空芯光纤之间的高效耦合，使得空芯光纤与实芯光纤的特定模式在无需附加对准的情况下实现激发。
[0010]所述的拉锥结构的制备方法如下：(1)热拉锥：将实芯光纤固定在热拉锥机中，控制热拉锥参数，直至将实芯光纤拉断。热拉锥机包括光纤熔接机、氢氧焰拉锥机、CO2熔接机等熔融拉锥机；(2)化学拉锥：取拉制完成的实芯光纤，置于化学腐蚀溶液中6
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12小时，控制腐蚀参数，得到满足模式耦合条件的拉锥结构。化学腐蚀溶液包括氢氟酸、浓强碱、浓磷酸、硼酸盐以及硼酐等腐蚀性溶液；拉锥结构的参数需满足模式耦合条件，其锥尖直径为3
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5μm，锥区长度为0.8
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1.2mm。
[0011]所述的实芯光纤的纤芯形状为圆形、环形、三角形、正方形或者其他多边形中的一种；实芯光纤的纤芯折射率分布为单层阶跃分布、多层阶跃分布、单层渐变分布或者多层渐变分布中的一种。
[0012]所述的空芯光纤的类型为空芯光子带隙光纤、毛细管光纤、空芯反谐振光纤、Kagome光纤、嵌套式反谐振光纤或者多孔光纤中的一种；空芯光纤的空气芯形状为圆形、三角形、四边形或者其他多边形中的一种。
[0013]所述的玻璃毛细管的内孔直径要同时大于实芯光纤和空芯光纤的外径；玻璃毛细管的内孔形状为圆形、三角形、四边形或者其他多边形中的一种。
[0014]所述的玻璃毛细管的保护作用可以替代为采用光纤熔接机或者波导对准系统在拉锥结构和空气芯的界面进行熔接或固定，熔接时需要控制熔接机的放电时间、位置和功率，固定时要确保两段光纤处于同一轴线。
[0015]所述的拉锥结构的制备标准为在所应用的光波长处满足低传输损耗条件，同时拉锥结构的机械劲度系数足够大以实现稳定光耦合。
[0016]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下
有益效果：
[0017]1、相对于传统的光纤耦合器件，本专利技术方案采用独特设计的拉锥结构，形成了一种全光纤集成的实芯、空芯光纤接口，无需任何空间光路器件，适用于不同纤芯直径的空芯光纤，拉锥结构的设计可同时满足光学传输低损耗与机械稳定性。
[0018]2、本专利技术方案所采用主体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实芯光纤与空芯光纤耦合装置，其特征是：它由实芯光纤(1)、空芯光纤(2)以及玻璃毛细管(3)组成，所述装置中实芯光纤(1)由纤芯(101)、包层(102)以及拉锥结构(103)组成；空芯光纤(2)由空气芯(201)和管状包层(202)组成；玻璃毛细管(3)由内孔(301)和外壁(302)组成；实芯光纤(1)的拉锥结构(103)同轴插入到空芯光纤(2)的空气芯(201)中，并将其放置在玻璃毛细管(3)的内孔(301)中，玻璃毛细管(3)起到保护作用，胶封位置(4)位于玻璃毛细管(3)的两端，由于设计的拉锥结构(103)同时具有光学模式的传输低损耗和机械稳定的特性，实芯光纤(1)的纤芯(101)中传输的特定模式(5)在经过拉锥结构(103)后，被稳定高效地耦合为空芯光纤(2)的空气芯(201)中传输的空芯光纤特定模式(6)；同时由于光路的可逆性原理，装置实现了实芯光纤(1)与空芯光纤(2)之间的高效耦合，使得空芯光纤(2)与实芯光纤(1)的特定模式在无需附加对准的情况下实现激发。2.根据权利要求1所述的一种实芯光纤与空芯光纤耦合装置，其特征是：所述的拉锥结构的制备方法如下：(1)热拉锥：将实芯光纤固定在热拉锥机中，控制热拉锥参数，直至将实芯光纤拉断；(2)化学拉锥：取拉制完成的实芯光纤，置...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢尚然，王瑞，江毅，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：