一種1×n光纖耦合器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種1×N光纖耦合器，該耦合器包含一根輸入光纖、輸入端加工成凸棱錐的徑向漸變折射率（GRIN）透鏡和多根單芯光纖（或一根多芯微結(jié)構(gòu)光纖）。其中徑向漸變折射率透鏡的一端為N面凸棱錐面，另一面為平面，將輸入的單束光分成N束輸出，輸入為單根單芯光纖，輸出為N根單芯光纖（或單根N芯微結(jié)構(gòu)光纖），N根單芯光纖的芯（或單根N芯微結(jié)構(gòu)光纖的芯）被對準(zhǔn)到徑向漸變折射率透鏡輸出光束位置，實現(xiàn)低損耗耦合。本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)光纖耦合器具有結(jié)構(gòu)緊湊、容易加工和裝配、低損耗等優(yōu)點，可實現(xiàn)單根光纖與N根光纖、單根光纖與單根N芯微結(jié)構(gòu)光纖之間的分光和合光。為各類光纖，如普通光纖、多芯光纖、光子晶體光纖和光纖組束等，實現(xiàn)高效率耦合提供了實用的方法。
【專利說明】—種1 X N光纖耦合器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種IXN光纖耦合器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微結(jié)構(gòu)光纖泛指一類具有特殊包層和纖芯結(jié)構(gòu)的光纖，如光子晶體光纖(PCF:Photonic crystal fiber)和多芯光纖(MCF:Mult1-core fiber)等，與傳統(tǒng)光纖相t匕，微結(jié)構(gòu)光纖具有獨特的特性，在光通信、傳感以及大功率光纖激光器等領(lǐng)域具有廣泛用途。 [0003]微結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性使其在諸如能量耦合、多纖芯激勵及激光合束等耦合【技術(shù)領(lǐng)域】受到很大限制。目前，光子晶體光纖耦合器的制造方法主要有拋磨法和熔錐法，但這些方法容易破壞光纖的二維光子晶體包層結(jié)構(gòu)而引入大量損耗。對全固PCF耦合器的制作研究表明，這兩種方法的附加損耗分別不小于3dB和IOdB ;而對空芯PCF，還沒有有效的辦法。MCF在光纖包層中排布有多根相互平行的纖芯，難與常規(guī)單芯光纖(SCF: Single-corefiber)耦合。目前報道的方法主要有熔接拉錐法和尋芯對接法等，前者通過將SCF與MCF熔接并拉錐實現(xiàn)耦合；后者通過SCF的纖芯與MCF的對接損耗情況找到纖芯位置以修正熔接參數(shù)?；诙嗤哥R也可實現(xiàn)多芯耦合，通過多個準(zhǔn)直鏡將光束耦合進(jìn)不同的纖芯，該方法插入損耗可達(dá)到0.6dB，但透鏡系統(tǒng)對器件加工和對軸精度要求極高，體積大、工藝復(fù)雜。
[0004]對于普通的全光纖定向耦合器，其制造工藝主要有拋磨法、腐蝕法和熔錐法。由于拋磨法是將拋磨好的裸光纖拼接在一起，所以采用這種方法制造的光纖耦合器件熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性差。采用腐蝕法的光纖耦合器件是將光纖包層腐蝕后將它們扭絞在一起，所以其制造工藝的一致性差，并且損耗大，熱穩(wěn)定性差。熔錐法是將裸光纖高溫熔化并進(jìn)行拉伸后熔融在一起形成耦合器，這種方法雖然優(yōu)于其它兩種方法，但工藝實現(xiàn)難點高，需要嚴(yán)格控制拉錐長度、熔區(qū)形狀和錐體光滑度等。
[0005]為克服上述光纖耦合器存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于單個徑向漸變折射率透鏡的IXN光纖耦合器設(shè)計方案。該發(fā)明可實現(xiàn)低損耗光分多束耦合，結(jié)構(gòu)緊湊，容易加工和裝配，避免了對光纖的直接加工，為各類光子晶體光纖、多芯光纖、光纖組束的合光、分光提供了實用的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種新的I XN光纖耦合器及其制作方法。根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的光纖耦合器具有結(jié)構(gòu)簡單靈活、低損耗、容易加工等優(yōu)點，具有分光比和分束比可自由設(shè)計等特點。
[0007]本發(fā)明米用的技術(shù)方案為:一種I XN光纖稱合器,包括單根輸入光纖、輸入端加工成凸棱錐的徑向漸變折射率(GRIN)透鏡和單根N芯微結(jié)構(gòu)光纖，N為待耦合單根多芯微結(jié)構(gòu)光纖的芯的數(shù)量，N為大于等于2的自然數(shù)，徑向漸變折射率透鏡的輸入端為N面凸棱錐面，即GRIN透鏡輸入端的凸棱錐面數(shù)量為N，徑向漸變折射率透鏡的另一端為平面，輸入為單根單芯光纖，單芯光纖輸出光沿光軸入射到凸棱錐面進(jìn)入GRIN透鏡傳輸，輸出到單根N芯微結(jié)構(gòu)光纖,單根N芯微結(jié)構(gòu)光纖的每個芯被對準(zhǔn)到GRIN透鏡輸出光束位置,實現(xiàn)低損耗耦合。
[0008]其中，GRIN透鏡每個錐面的傾斜角和輸入光纖輸出點到GRIN透鏡錐頂?shù)木嚯x均能夠根據(jù)單根N芯微結(jié)構(gòu)光纖中的待耦合單根芯離單根N芯微結(jié)構(gòu)光纖中心的半徑值計
笪
[0009]其中，在該耦合器裝配時，可以通過調(diào)節(jié)輸入光纖輸出點到GRIN透鏡錐頂?shù)木嚯x實現(xiàn)輸出光束位置的微調(diào)，保證與輸出微結(jié)構(gòu)光纖芯精確對準(zhǔn)，實現(xiàn)高效率耦合。
[0010]本發(fā)明另外提供一種1XN光纖f禹合器,包括單根輸入光纖、輸入端加工成凸棱錐的徑向漸變折射率(GRIN)透鏡和N根單芯光纖，N為待耦合單芯光纖數(shù)量，N為大于等于2的自然數(shù)，GRIN透鏡的輸入端為N面凸棱錐面，即GRIN透鏡輸入端的凸棱錐面數(shù)量為N，徑向漸變折射率透鏡的另一端為平面，輸入為單根單芯光纖，單芯光纖輸出光沿光軸入射到凸棱錐面進(jìn)入GRIN透鏡傳輸，輸出為N根單芯光纖，N根單芯光纖的每個芯被對準(zhǔn)到GRIN透鏡輸出光束位置，實現(xiàn)低損耗f禹合。
[0011]其中，GRIN透鏡每個錐面的傾斜角和輸入光纖輸出點到GRIN透鏡錐頂?shù)木嚯x均能夠根據(jù)N根單芯光纖待耦合光纖芯到N根單芯光纖組成的光纖束的中心的半徑值計算。
[0012]其中，在該耦合器裝配時，可以通過調(diào)節(jié)輸入光纖輸出點到GRIN透鏡錐頂?shù)木嚯x實現(xiàn)輸出光束位置的微調(diào)，保證與輸出所有單芯光纖芯精確對準(zhǔn)，實現(xiàn)高效率耦合。
[0013]其中，上述耦合器光路具備互易性，當(dāng)光傳輸方向從單根光纖到多芯或多根光纖時，為1XN分光稱合器；當(dāng)光傳輸方向從多芯或多根光纖到單根光纖時，為NX1合光f禹合器；即該耦合器可實現(xiàn)分光和合光耦合。
[0014]本發(fā)明一種1XN光纖耦合器的優(yōu)點在于:
[0015]1、本發(fā)明加工工藝簡單，結(jié)構(gòu)靈活。通過對徑向折射率漸變透鏡的端面進(jìn)行多棱錐面加工，使得棱錐面的面數(shù)與待耦合多芯微結(jié)構(gòu)光纖的芯數(shù)(或多根單芯光纖的光纖數(shù)量)相等，理論上可獲得任意分束比的耦合器。
[0016]2、本發(fā)明機(jī)械穩(wěn)定性高，避免了對光纖的直接加工，從而減小加工過程對光纖造成的損傷，所以本發(fā)明的光纖耦合器非常適用于光子晶體光纖等微結(jié)構(gòu)光纖，因為機(jī)械加工極易破壞其空氣孔結(jié)構(gòu)包層，造成空氣孔坍塌。
[0017]3、本發(fā)明插入損耗低，本發(fā)明僅用單個透鏡元件就實現(xiàn)了光纖分光/合光功能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為凸棱錐的徑向漸變折射率透鏡分光原理圖；
[0019]圖2(a)為輸出光束位置與錐面傾角關(guān)系曲線；
[0020]圖2(b)為輸出光束位置與輸入位置關(guān)系曲線；
[0021]圖3為1XN單根單芯光纖與單根多芯微結(jié)構(gòu)光纖耦合器；
[0022]圖4為1 XN單根單芯光纖與多根單芯光纖耦合器；
[0023]圖5為1X3微結(jié)構(gòu)光纖耦合器作為實施例的耦合器三維效果示意圖；
[0024]圖6為1X3光纖耦合器作為實施例的耦合器三維效果示意圖；
[0025]圖7為1X3微結(jié)構(gòu)光纖耦合器在聚焦平面上的聚焦光斑點列圖；[0026]附圖符號說明:
[0027]1、輸入光纖，2、凸棱錐徑向漸變折射率透鏡，3、單根多芯微結(jié)構(gòu)光纖，4、多根單芯光纖組束，5、3棱錐徑向漸變折射率透鏡，6、三芯微結(jié)構(gòu)光纖，7、三根單芯光纖組束。
【具體實施方式】
[0028]為更清楚地說明本發(fā)明，下面將結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0029]根據(jù)本發(fā)明所提供的一種IXN構(gòu)光纖耦合器，其工作原理為:根據(jù)理想成像原理，發(fā)光點發(fā)出的光束在經(jīng)過透鏡系統(tǒng)后都會在同一點匯聚，因此理想情況下軸上點光源P發(fā)出的光束也會在像平面F上徑向位置為r(ι的點P’聚焦，且P和P’的軸向距離略大于徑向漸變折射率透鏡2的半節(jié)距，其中，Cl1的值約為毫米量級、d2的值在微米量級，如圖1所示。
[0030]輸入光束到達(dá)多棱錐徑向漸變折射率透鏡2時，由于其入射端面的多棱錐斜面結(jié)構(gòu)，使得投影到不同斜面的光線具有不同的入射方向。光線在徑向漸變折射率透鏡2內(nèi)的傳播軌跡方程可表示為:
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種IXN光纖耦合器，包括單根輸入光纖、輸入端加工成凸棱錐的徑向漸變折射率(GRIN)透鏡和單根N芯微結(jié)構(gòu)光纖,N為待稱合單根多芯微結(jié)構(gòu)光纖的芯的數(shù)量,N為大于等于2的自然數(shù)，其特征在于:徑向漸變折射率透鏡的輸入端為N面凸棱錐面，即GRIN透鏡輸入端的凸棱錐面數(shù)量為N，徑向漸變折射率透鏡的另一端為平面，輸入為單根單芯光纖，單芯光纖輸出光沿光軸入射到凸棱錐面進(jìn)入GRIN透鏡傳輸，輸出到單根N芯微結(jié)構(gòu)光纖，單根N芯微結(jié)構(gòu)光纖的每個芯被對準(zhǔn)到GRIN透鏡輸出光束位置，實現(xiàn)低損耗耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種IXN光纖耦合器，其特征在于:GRIN透鏡每個錐面的傾斜角和輸入光纖輸出點到GRIN透鏡錐頂?shù)木嚯x均能夠根據(jù)單根N芯微結(jié)構(gòu)光纖中的待耦合單根芯離單根N芯微結(jié)構(gòu)光纖中心的半徑值計算。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種IXN光纖耦合器，其特征在于:在該耦合器裝配時，可以通過調(diào)節(jié)輸入光纖輸出點到GRIN透鏡錐頂?shù)木嚯x實現(xiàn)輸出光束位置的微調(diào)，保證與輸出微結(jié)構(gòu)光纖芯精確對準(zhǔn)，實現(xiàn)高效率耦合。
4.一種IXN光纖耦合器，包括單根輸入光纖、輸入端加工成凸棱錐的徑向漸變折射率(GRIN)透鏡和N根單芯光纖，N為待耦合單芯光纖數(shù)量，N為大于等于2的自然數(shù)，其特征在于:GRIN透鏡的輸入端為N面凸棱錐面，即GRIN透鏡輸入端的凸棱錐面數(shù)量為N，徑向漸變折射率透鏡的另一端為平面，輸入為單根單芯光纖，單芯光纖輸出光沿光軸入射到凸棱錐面進(jìn)入GRIN透鏡傳輸，輸出為N根單芯光纖，N根單芯光纖的每個芯被對準(zhǔn)到GRIN透鏡輸出光束位置，實現(xiàn)低損耗I禹合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種IXN光纖耦合器，其特征在于:GRIN透鏡每個錐面的傾斜角和輸入光纖輸出點到GRIN透鏡錐頂?shù)木嚯x均能夠根據(jù)N根單芯光纖待耦合光纖芯到N根單芯光纖組成的光纖束的中心的半徑值計算。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種IXN光纖耦合器，其特征在于:在該耦合器裝配時，可以通過調(diào)節(jié)輸入光纖輸出點到GRIN透鏡錐頂?shù)木嚯x實現(xiàn)輸出光束位置的微調(diào)，保證與輸出所有單芯光纖芯精確對準(zhǔn)，實現(xiàn)高效率耦合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種IXN光纖稱合器或者權(quán)利要求4所述的一種IXN光纖耦合器，其特征在于:該耦合器光路具備互易性，當(dāng)光傳輸方向從單根光纖到多芯或多根光纖時，為I XN分光耦合器；當(dāng)光傳輸方向從多芯或多根光纖到單根光纖時，為NX I合光耦合器；即該耦合器可實現(xiàn)分光和合光耦合。
【文檔編號】G02B6/28GK103728696SQ201410016501
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月14日
【發(fā)明者】楊遠(yuǎn)洪, 宋奎巖, 代文 申請人:北京航空航天大學(xué)