專利名稱：一種熱擴(kuò)芯光纖準(zhǔn)直器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種擴(kuò)大光纖傳輸光束直徑的熱擴(kuò)芯光纖準(zhǔn)直器。該準(zhǔn)直器主要用于光纖之間、光纖和波導(dǎo)以及其它芯片之間耦合連接的光通信及光電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖準(zhǔn)直器是光無源器件中的一個(gè)重要的組件，在光通信系統(tǒng)中有著非常普遍的應(yīng)用，其主要作用是將出射的光束變成平行光束，或者將平行光束匯聚到光纖中。常規(guī)的準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)為兩件套式，即由光纖頭和一個(gè)起準(zhǔn)直作用的透鏡組成。目前準(zhǔn)直透鏡主要有三種自聚焦透鏡、C透鏡和球透鏡。該類準(zhǔn)直器的使用減少了光纖與光纖以及光纖與其他光學(xué)器件耦合時(shí)的連接損耗，起到準(zhǔn)直和擴(kuò)大光纖傳輸中光束直徑的作用，被廣泛地應(yīng)用于光束準(zhǔn)直，光束耦合，光隔離器，光衰減器，光開關(guān)，環(huán)形器，MEMS，密集波分復(fù)用器中。隨著光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，準(zhǔn)直器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，同時(shí)對準(zhǔn)直器的要求也不斷提高，在有些場合下，比如要求器件小型化的場合，普通準(zhǔn)直器由于出射光斑孔徑角太大已經(jīng)難以滿足要求。常規(guī)的準(zhǔn)直器工作距離達(dá)到IOOOmm時(shí)損耗會(huì)達(dá)到15dB左右，這對于光通信來說是很難接受的。常規(guī)0.23p的自聚焦透鏡準(zhǔn)直器，其最大工作距離僅70mm左右，理論上可將節(jié)長縮短來增加工作距離，如將節(jié)長縮短為0. 05p,其最大工作距離也僅約400mm，且此時(shí)透鏡太短難以加工，插損等指標(biāo)也較差。常規(guī)C透鏡準(zhǔn)直器的最大工作距離約300mm左右，如果要達(dá)到大工作距離、大光斑的要求，如工作距離500mm、光斑0. 5mm，理論上一個(gè)長度約9. 7mm、曲率半徑約4. 2mm的C透鏡可以滿足此要求，但具體實(shí)施起來非常困難，因?yàn)橥哥R較長不利于加工及準(zhǔn)直器的裝配；另外光束到達(dá)透鏡球面時(shí)偏離中心的距離較大，偏離旁軸成像條件，使得出射光的橢圓度增加，導(dǎo)致插損和指向精度也增大；再者，采用長透鏡時(shí)熱特性也不穩(wěn)定。由此可見，常規(guī)的自聚焦透鏡或C透鏡準(zhǔn)直器都難以達(dá)到工作距離大于500mm這個(gè)要求，更不用說1000mm。且由于單模光纖(SMF)的芯徑只有多模光纖的十分之一，即8 ΙΟμπι左右，單模光纖之間的耦合，單模光纖和其他波導(dǎo)器件的耦合一直都是光耦合中的難題。一些特殊的光纖如摻鉺光纖的模場直徑4 5 μ m,色散位移光纖7 μ m左右，都比單模光纖還要小一些， 一般波導(dǎo)尺寸比單模光纖更小，寬度僅幾個(gè)微米，厚度甚至不到一微米，它們和單模光纖耦合時(shí)存在模場尺寸的不匹配，這種不匹配導(dǎo)致耦合連接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大損耗。尤其是在大規(guī)模波導(dǎo)陣列(幾十甚至幾百通道)耦合中，要實(shí)現(xiàn)陣列中所有通道的快速精確耦合對準(zhǔn)是有困難的。傳統(tǒng)的光纖準(zhǔn)直器在其使用過程中的出射光斑，孔徑角，插入損耗及工作距離等因素的改進(jìn)中并沒有得到良好的改善。如果能夠改變光纖纖芯半徑從而控制輸出光斑的模場直徑以適合不同尺寸的耦合對象就可以使耦合對準(zhǔn)過程大大簡化。如果能降低光纖準(zhǔn)直器插入損耗的同時(shí)使出射光束具有大出射光斑、小孔徑角，就可以在相同低損耗的情況下獲得更大的工作距離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種熱擴(kuò)芯光纖準(zhǔn)直器，可以有效克服傳統(tǒng)的光纖準(zhǔn)直器在其使用過程中出射光斑小，孔徑角大，插入損耗高及工作距離短等弊端，本發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡單，工作距離長，而且制成的光纖準(zhǔn)直器的出射光斑直徑更大，出射孔徑角更小，準(zhǔn)直度更高，具有高的耦合容忍度和低插入損耗。一種熱擴(kuò)芯光纖準(zhǔn)直器，包括一個(gè)熱擴(kuò)芯光纖頭、一段外徑與熱擴(kuò)芯光纖頭外徑大小相同的石英光纖、一個(gè)非球面透鏡和固定熱擴(kuò)芯光纖頭、石英光纖和非球面透鏡的外套管，安裝在外套管內(nèi)的熱擴(kuò)芯光纖頭、石英光纖和非球面透鏡呈一直線依次首尾相接，熱擴(kuò)芯光纖頭的前端面對接石英光纖的后端面，與非球面透鏡具有同一條光軸，外套管具有其固定的中心軸；其特點(diǎn)是所述非球面透鏡的后端面與外套管中心軸垂直，非球面透鏡的光軸與外套管的中心軸平行，非球面透鏡的后端面與熱擴(kuò)芯光纖頭前端面之間連接石英光纖，石英光纖的長度，等于非球面透鏡的有效焦距與非球面透鏡后端面距非球面透鏡主面距離的差值。所述的熱擴(kuò)芯光纖頭，其熱擴(kuò)展芯徑為擴(kuò)展前芯徑的3 5倍，熱擴(kuò)展長度為 0. 2 20mm。所述熱擴(kuò)芯光纖頭的前端面與外套管的中心軸垂直。所述非球面透鏡為用于通信波長的平凸透鏡，后端面為平面，前端面為非球面。所述石英光纖是其外徑大小等于熱擴(kuò)芯光纖頭外徑大小的細(xì)圓柱形玻璃棒。本發(fā)明的有益效果在普通光纖準(zhǔn)直器的基礎(chǔ)上做了特殊的處理與改進(jìn)，使在準(zhǔn)直器組裝時(shí)不需要繁瑣的對光程序；從熱擴(kuò)芯光纖出射光束經(jīng)過石英光纖再經(jīng)過非球面透鏡傳輸，相對兩件套式的準(zhǔn)直器大大降低了入射光束的插入損耗；熱擴(kuò)芯光纖芯徑比普通單模光纖芯徑增大3 5倍，使從光纖準(zhǔn)直器出射的光束具有大光斑直徑，小出射孔徑角； 光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)具有低對準(zhǔn)誤差。


圖1是本發(fā)明中的熱擴(kuò)芯光纖結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是非球面透鏡的光學(xué)特性示意圖。圖3是本發(fā)明所制成的熱擴(kuò)芯光纖準(zhǔn)直器的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。1.熱擴(kuò)芯光纖未加熱部分，2.熱擴(kuò)芯光纖錐形區(qū)，3.熱擴(kuò)芯光纖芯徑擴(kuò)展區(qū)， 5.非球面透鏡，101.光纖，102.熱擴(kuò)芯光纖頭，103.外套管，104.石英光纖，105.非球面透
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具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1是本發(fā)明使用的熱擴(kuò)芯光纖結(jié)構(gòu)示意圖。熱擴(kuò)芯光纖是由于高溫加熱普通單模光纖時(shí)，纖芯中摻雜的Ge4+離子向包層中擴(kuò)散，使光纖橫截面上沿徑向的折射率呈高斯分布，從而達(dá)到擴(kuò)大模場直徑的目的。高溫加熱形成的熱擴(kuò)芯光纖，其熱擴(kuò)展芯徑為擴(kuò)展前芯徑的3 5倍，熱擴(kuò)展長度為0. 2 20mm，出射光束仍具有單模特性。
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圖2為非球面透鏡的光學(xué)特性示意圖，其中該非球面透鏡5為一個(gè)最佳化、極小像差，有效焦距為f的非球面透鏡；當(dāng)自熱擴(kuò)芯光纖端面出射的高斯光束的束腰半徑《in，經(jīng)過長度dl(dl為熱擴(kuò)芯光纖前端面至非球面透鏡后端面的距離)及非球面透鏡5后，聚焦于距離非球面透鏡前端面d2位置，而兩倍d2為此時(shí)光纖準(zhǔn)直器系統(tǒng)的最佳工作距離。出射光束的腰寬，即為光斑半徑，大小為《。ut。圖3是本發(fā)明所制成的熱擴(kuò)芯光纖準(zhǔn)直器的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。包括光纖101，光纖 101與毛細(xì)管膠合制成的熱擴(kuò)芯光纖頭102，連接熱擴(kuò)芯光纖頭102和非球面透鏡105的石英光纖104，固定熱擴(kuò)芯光纖頭102、石英光纖104和非球面透鏡105的外套管103。安裝在外套管內(nèi)的熱擴(kuò)芯光纖頭102、石英光纖104和非球面透鏡105呈直線首尾連接，熱擴(kuò)芯光纖頭102的前端面對接石英光纖104的后端面，與非球面透鏡105具有同一條光軸，外套管 103具有其固定的中心軸。光纖101是經(jīng)過熱擴(kuò)芯處理的具有圖1所示結(jié)構(gòu)的熱擴(kuò)芯光纖，其處理方法可以是圓柱形微電爐加熱、帶有丙烷/氧氣火焰的小型燃燒器燃燒加熱或CO2激光器加熱。光纖 101的熱擴(kuò)展芯徑為擴(kuò)展前芯徑的3 5倍，熱擴(kuò)展長度為0. 2 20mm，擴(kuò)展后光束在芯徑中仍保持單模特性傳輸，模場直徑增大。光纖101與毛細(xì)管膠合制成的熱擴(kuò)芯光纖頭102的前端面與外套管103的中心軸垂直。毛細(xì)管的材料可以是金屬、玻璃、陶瓷、塑料或者其他行業(yè)內(nèi)常見的材料。外套管103起到精確定位和固定熱擴(kuò)芯光纖頭102、石英光纖104和非球面透鏡 105的作用。外套管的材料可以是金屬、玻璃、陶瓷、塑料或者其他行業(yè)內(nèi)常見的材料。石英光纖104是其外徑大小等于熱擴(kuò)芯光纖頭102外徑大小的細(xì)圓柱形玻璃棒， 其長度由非球面透鏡105的特性決定。非球面透鏡105為一個(gè)用于通信波長的最佳化的平凸透鏡，與石英光纖104連接端為平面，另一端為非球面。熱擴(kuò)芯光纖頭102、石英光纖104和非球面透鏡105的外徑大小與外套管103的內(nèi)
徑大小匹配，保證準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)嚴(yán)密。準(zhǔn)直器制作時(shí)根據(jù)制備得到的熱擴(kuò)芯光纖特性和由光波長檢測出的非球面透鏡的有效焦距長度和主面位置，計(jì)算出石英光纖的長度。由于熱擴(kuò)芯光纖的芯徑大小的不確定性，針對各組所制成的光纖準(zhǔn)直器，由光學(xué)儀器檢測出不同的工作距離。將工作距離大小分成多個(gè)級別，使各光纖準(zhǔn)直器依各自的工作距離篩選分級，并歸屬入不同級別，供需要不同工作距離光纖準(zhǔn)直器的組件選用。在實(shí)施方案中，使用機(jī)械方法來將熱擴(kuò)芯光纖頭、石英光纖和非球面透鏡固定于外套管中。將熱擴(kuò)芯光纖頭的前端面對接石英光纖后端面，石英光纖前端面對接非球面透鏡后端面，并使用膠黏、錫焊、激光焊接等方法來永久固定。
權(quán)利要求
1.一種熱擴(kuò)芯光纖準(zhǔn)直器，包括一個(gè)熱擴(kuò)芯光纖頭、一段外徑與熱擴(kuò)芯光纖頭外徑大小相同的石英光纖、一個(gè)非球面透鏡和固定熱擴(kuò)芯光纖頭、石英光纖和非球面透鏡的外套管，安裝在外套管內(nèi)的熱擴(kuò)芯光纖頭、石英光纖和非球面透鏡呈一直線依次首尾相接，熱擴(kuò)芯光纖頭的前端面對接石英光纖的后端面，與非球面透鏡具有同一條光軸，外套管具有其固定的中心軸；其特征在于所述非球面透鏡的后端面與外套管中心軸垂直，非球面透鏡的光軸與外套管的中心軸平行，非球面透鏡的后端面與熱擴(kuò)芯光纖頭前端面之間連接石英光纖，石英光纖的長度，等于非球面透鏡的有效焦距與非球面透鏡后端面距非球面透鏡主面距離的差值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱擴(kuò)芯光纖準(zhǔn)直器，其特征在于，所述的熱擴(kuò)芯光纖頭，其熱擴(kuò)展芯徑為擴(kuò)展前芯徑的3 5倍，熱擴(kuò)展長度為0. 2 20mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱擴(kuò)芯光纖準(zhǔn)直器，其特征在于，所述熱擴(kuò)芯光纖頭的前端面與外套管的中心軸垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱擴(kuò)芯光纖準(zhǔn)直器，其特征在于，所述非球面透鏡為用于通信波長的平凸透鏡，后端面為平面，前端面為非球面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱擴(kuò)芯光纖準(zhǔn)直器，其特征在于，所述石英光纖是其外徑大小等于熱擴(kuò)芯光纖頭外徑大小的細(xì)圓柱形玻璃棒。
全文摘要
一種熱擴(kuò)芯光纖準(zhǔn)直器，包括熱擴(kuò)芯光纖頭、石英光纖、非球面透鏡和外套管，安裝在外套管內(nèi)的熱擴(kuò)芯光纖頭、石英光纖和非球面透鏡呈直線依次首尾相接，熱擴(kuò)芯光纖頭的前端面對接石英光纖的后端面，與非球面透鏡具有同一條光軸，外套管有固定的中心軸；其特點(diǎn)是非球面透鏡的后端面與外套管中心軸垂直，非球面透鏡的光軸與外套管的中心軸平行，非球面透鏡的后端面與熱擴(kuò)芯光纖頭前端面之間連接石英光纖，石英光纖的長度，等于非球面透鏡的有效焦距與非球面透鏡后端面距非球面透鏡主面距離的差值。該準(zhǔn)直器具有低插入損耗，大光斑直徑，小出射孔徑角和低系統(tǒng)對準(zhǔn)誤差，可廣泛應(yīng)用于光通信和光電子領(lǐng)域。
文檔編號G02B3/02GK102253457SQ20111022619
公開日2011年11月23日 申請日期2011年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月8日
發(fā)明者佟國香, 周晟, 孫若曦, 張宇明, 方寶英, 朱慧群, 李榴, 李毅, 沈雨剪, 鄭秋心, 黃毅澤 申請人:上海理工大學(xué)