專利名稱：一種光纖合束器制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖耦合技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，本發(fā)明涉及一種光纖合束器制作方法。
背景技術(shù)：
光無源器件是一種能量消耗型器件，包括光連接器、光耦合器、光開關(guān)、光衰減器、光隔離器、光濾波器和波分復用/解復用器等器件。其主要功能是對信號或能量進行連接、合成、分叉、轉(zhuǎn)換以及有目的衰減等。因此，光無源器件在光纖通信系統(tǒng)、光纖局域網(wǎng)以及各類光纖傳感系統(tǒng)中是必不可少的重要器件。在近幾十多年中隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，光無源器件在結(jié)構(gòu)和性能方面都有了很大的改進和提高，并已進入實用階段。
光無源器件的制造方法，早期多采用傳統(tǒng)光學的方法。這種用傳統(tǒng)光學分立元件構(gòu)成的光無源器件，其缺點是體積大，質(zhì)量大，機構(gòu)松，可靠性差，與光纖不兼容。于是人們紛紛轉(zhuǎn)向全光纖型光無源器件的研究，其中對全光纖定向耦合器的研究最為活躍，進展也最迅速，這不僅因為定向耦合器本身是極為重要的光無源器件，而且它還是許多其他光無源器件的基礎(chǔ)。目前全光纖定向耦合器的制造工藝有三類磨拋法、腐蝕法和熔錐法。磨拋法是把裸光纖按一定曲率固定住進行研磨，以除去部分包層，然后把兩塊這種磨拋好的光纖拼接在一起，利用兩光纖之間的模場耦合以構(gòu)成耦合器；腐蝕法是用化學方法把一段裸光纖包層腐蝕掉，再把兩根已腐蝕后的光纖扭絞在一起，構(gòu)成耦合器；熔錐法是把兩根裸光纖靠在一起，在高溫焰火中加熱使之熔化，同時在光纖兩端拉伸，使光纖熔融區(qū)成為錐形過渡段，從而構(gòu)成耦合器。
現(xiàn)在國際上有7×1、19×1等多模泵浦合束器的產(chǎn)品，他們基本都是通過熔錐法制作而成，雖然這種合束器在機械性方面比較穩(wěn)定可靠，但由于其中分支光纖和合束光纖的芯徑差距很大，且是單級結(jié)構(gòu)，故功率不能大幅度地累加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種光纖合束器制作方法，以實現(xiàn)高功率的光纖耦合輸出。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的光纖合束器制作方法包括如下步驟1)如圖1所示，取兩根同型光纖作為一級光纖4，分別纏在半徑為R的圓盤、圓柱或其它旋轉(zhuǎn)體的圓周面上，R=x1-cosθ-d1+d22,]]>其中d1為一級光纖4的芯層直徑，d2為一級光纖4的包層直徑，x是芯層拋磨深度，θ為兩根光纖拼接后所形成的夾角的一半；θ≤cos-1(n2/n1)，其中n1為一級光纖4的芯層材料折射率，n2為一級光纖4的包層材料折射率；2)對光纖進行研磨拋光；在有長度監(jiān)控的顯微鏡下進行精確磨拋，使其磨拋至光纖芯層1，其芯層拋磨深度x滿足0.38≤x/d1≤0.5。
3)在兩個光纖的磨拋面2上均勻涂抹折射率匹配膠，然后將兩個磨拋面對接、粘緊，形成一粘接結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。
4)待粘接處膠固化后，用光纖切割刀在粘接面中央垂直切下，形成一垂直于光纖軸線的截斷面3，該截斷面3將步驟3)中形成的粘接結(jié)構(gòu)分成左右兩個光纖合束單元；5)如圖2所示取另一光纖作為二級光纖5，該二級光纖5的參數(shù)滿足D1≥d1，NA′≥NA，其中D1為二級光纖5的芯層直徑，NA為一級光纖4的數(shù)值孔徑，NA′為二級光纖5的數(shù)值孔徑；在光纖5的一個端面和光纖合束單元的截斷面3處均勻涂抹折射率匹配膠，將光纖5的端面與步驟4)中的光纖合束單元的截斷面3拼接、粘牢并等待粘接處膠固化。
上述技術(shù)方案中，還包括步驟6)另取一支二級光纖，與步驟5)中的二級光纖按步驟1)、2)、3)的方法進行研磨拋光并粘接；然后再用步驟4)、5)的方法，粘接三級光纖；鄰級光纖的各項參數(shù)滿足 dN≤dN+1，NAN≤NAN+1；其中dN，dN+1為第N，N+1級光纖的芯徑，NAN，NAN+1為第N，N+1級光纖的數(shù)值孔徑。
上述技術(shù)方案中，還包括步驟
7)重復進行上述步驟1)、2)、3)、4)、5)的操作，粘接三級光纖11、四級光纖12直至第N級光纖，其中N≤10，從而最終形成樹杈型的多級光纖合束器；其中鄰級光纖的各項參數(shù)滿足dN≤dN+1，NAN≤NAN+1；其中dN，dN+1為第N，N+1級光纖的芯徑，NAN，NAN+1為第N，N+1級光纖的數(shù)值孔徑。
上述技術(shù)方案中，所述步驟1)中，芯層拋磨深度x根據(jù)光纖合束單元所需的功率耦合率p進行選擇，它們之間的關(guān)系式為P≈sin2[2λU2πn1d1V2K0(4Wx/d1)K1(W)(πd1R2W)1/2],]]>W=d1β2-k02n22/2,]]>U=d1k02n12-β2/2,]]>其中P為功率耦合率，K為第二類變型貝塞爾函數(shù)，λ為耦合光波長，V為光纖歸一化頻率，β為傳播常數(shù)，k0＝2π/λ。
上述技術(shù)方案中，所述步驟1)中，所述折射率匹配膠包括9805型光學膠(材料為丙烯酸酯)。
這種樹杈型光纖合束器的制作方法有如下優(yōu)點它是通過一定參數(shù)設(shè)定(R，x等參數(shù))的磨拋法制作而成，一致性好、操作方便、體積小、耦合率高且可調(diào)；無需光纖熔接機、光纖熔錐機等專業(yè)設(shè)備，對光纖的兼容性高；在整個系統(tǒng)機械性許可的條件下，能實現(xiàn)多級樹杈型結(jié)構(gòu)，而且各級光纖的芯徑差距小(可以相等)，從而能實現(xiàn)高功率的耦合輸出；能在大多數(shù)光纖領(lǐng)域內(nèi)得到應(yīng)用，如半導體激光器的光纖耦合輸出、光纖激光器的端面泵浦等。


圖1是本發(fā)明中同級光纖的拋磨拼接示意圖；圖2是本發(fā)明中鄰級光纖的拼接示意圖；圖3是利用本發(fā)明進行端面泵浦的示意圖；圖4是本發(fā)明的流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步地描述。
實施例1本實施例的光纖合束器制作方法包括如下步驟1)如圖1所示，將兩根同型光纖作為一級光纖4，分別纏在半徑為R的圓盤、圓柱或其它旋轉(zhuǎn)體的圓周面上，R值的選擇原則為保證兩根光纖拼接后所形成的角度θ滿足一級光纖4芯層的全反射條件，即θ≤cos-1(n2/n1)，其中n1為一級光纖4的芯層材料折射率，n2為一級光纖4的包層材料折射率。所述角度θ是拼接后兩光纖在分叉處的軸線夾角的一半。R與θ的關(guān)系可以通過幾何計算得到R=x1-cos-d1+d22,]]>其中d1為一級光纖4的芯層直徑，d2為一級光纖4的包層直徑，x是芯層拋磨深度，在本發(fā)明中，如圖1所示，以下側(cè)光纖為例，與拋磨面2平行的拋磨前的下側(cè)光纖芯層的外切面為拋磨切面10，則拋磨面2至拋磨切面10的距離為芯層拋磨深度x。
2)進行研磨拋光，研磨材料為光纖研磨紙或其他研磨物質(zhì)。在有長度監(jiān)控的顯微鏡(只需在高倍顯微鏡上加上一面有長度標度的目鏡即可)下進行精確磨拋，使其磨拋至光纖芯層1。x是芯層拋磨深度，一般0.38≤x/d1≤0.5。適當選擇x，即可調(diào)節(jié)光纖合束單元(步驟4)所述)的功率耦合率。它們之間的關(guān)系式為P=sin2[2λU2πn1d1V2K0(4Wx/d1)K1(W)(πd1R2W)1/2],]]>W=d1β2-k02n22/2,]]>U=d1k02n12-β2/2,]]>其中P為功率耦合率，K為第二類變型貝塞爾函數(shù)，λ為耦合光波長，V為光纖歸一化頻率，β為傳播常數(shù)，k0＝2π/λ。
3)在兩個光纖的磨拋面2上均勻涂抹折射率匹配膠，然后將兩個磨拋面對接、粘緊，形成一粘接結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。本實施例中的折射率匹配膠采用了9805型光學膠，其主要材料為丙烯酸酯。
4)待粘接處穩(wěn)定后(主要是膠固化，約半小時)，用光纖切割刀在粘接面中央垂直切下，形成一垂直于光纖軸線的截斷面3。該截斷面3將步驟3)中形成的粘接結(jié)構(gòu)分成左右兩部分，任取其一就是一個光纖合束單元；5)如圖2所示取另一光纖作為二級光纖5，該二級光纖5的參數(shù)滿足D1≥d1；NA′≥NA，其中D1為二級光纖5的芯層直徑，NA為一級光纖4的數(shù)值孔徑，NA′為二級光纖5的數(shù)值孔徑。在光纖5的一個端面和光纖合束單元的截斷面處均勻涂抹折射率匹配膠，將光纖5的端面與步驟4)中的光纖合束單元的截斷面3拼接、粘牢。等待約半小時，使得粘接處膠固化。
6)再用另一支與光纖5同類型的光纖作為二級光纖，與上述步驟中的二級光纖5按步驟1)、2)、3)的方法進行研磨拋光并粘接；然后再用步驟4)、5)的方法，粘接三級光纖。
7)重復進行上述步驟1)、2)、3)、4)、5)的操作，粘接三級光纖11、四級光纖12直至第N級光纖(N的范圍取決于光纖和匹配膠的特性，一般N≤10)，從而最終形成樹杈型的多級光纖合束器。鄰級光纖的各項參數(shù)滿足dN≤dN+1，NAN≤NAN+1。其中dN，dN+1為第N，N+1級光纖的芯徑，NAN，NAN+1為第N，N+1級光纖的數(shù)值孔徑。
在利用本發(fā)明進行端面泵浦時，如圖3所示用若干半導體激光二極管(英文簡稱為LD)在樹杈型光纖合束器6的輸入端端面進行耦合；再將樹杈型光纖合束器的輸出端(圖中為四級光纖)和摻稀土元素(如鐿、鉺等)光纖7進行耦合，在摻稀土元素光纖7的兩邊加上前腔鏡8、后腔鏡9，從而實現(xiàn)光纖激光器的端面泵浦；這種端面泵浦與傳統(tǒng)的端面泵浦的區(qū)別在于它沒有限制泵浦源的功率，可以實現(xiàn)高功率光纖激光器的激光輸出，因為樹杈型光纖合束器可以有很多分支，可以進行多個LD的綁定，以實現(xiàn)功率的累加。
權(quán)利要求
1.一種光纖合束器制作方法，其特征在于包括如下步驟1)取兩根同型光纖作為一級光纖(4)，分別纏在半徑為R的圓盤、圓柱或其它旋轉(zhuǎn)體的圓周面上，其中R=x1-cosθ-d1+d22,]]>d1為一級光纖(4)的芯層直徑，d2為一級光纖(4)的包層直徑，x是芯層拋磨深度，θ為兩根光纖拼接后所形成的夾角的一半；θ≤cos-1(n2/n1)，其中n1為一級光纖(4)的芯層材料折射率，n2為一級光纖(4)的包層材料折射率；2)對光纖進行研磨拋光；在有長度監(jiān)控的顯微鏡下進行精確磨拋，使其磨拋至光纖芯層(1)，其芯層拋磨深度x滿足0.38≤x/d1≤0.5；3)在兩個光纖的磨拋面(2)上均勻涂抹折射率匹配膠，然后將兩個磨拋面對接、粘緊，形成一粘接結(jié)構(gòu)；4)待粘接處膠固化后，用光纖切割刀在粘接面中央垂直切下，形成一垂直于光纖軸線的截斷面(3)，該截斷面(3)將步驟3)中形成的粘接結(jié)構(gòu)分成左右兩個光纖合束單元；5)取另一光纖作為二級光纖(5)，該二級光纖(5)的參數(shù)滿足D1≥d1，NA′≥NA，其中D1為二級光纖(5)的芯層直徑，NA為一級光纖(4)的數(shù)值孔徑，NA′為二級光纖(5)的數(shù)值孔徑；在二級光纖(5)的一個端面和光纖合束單元的截斷面(3)處均勻涂抹折射率匹配膠，將二級光纖(5)的端面與步驟4)中的光纖合束單元的截斷面(3)拼接、粘牢并等待粘接處膠固化。
2.按權(quán)利要求1所述的光纖合束器制作方法，其特征在于，還包括步驟6)另取一支二級光纖，與所述步驟5)中的二級光纖按所述步驟1)、2)、3)的方法進行研磨拋光并粘接；然后再用所述步驟4)、5)的方法，粘接三級光纖；鄰級光纖的各項參數(shù)滿足dN≤dN+1，NAN≤NAN+1；其中dN，dN+1為第N，N+1級光纖的芯徑，NAN，NAN+1為第N，N+1級光纖的數(shù)值孔徑，其中N＝2。
3.按權(quán)利要求1所述的光纖合束器制作方法，其特征在于，還包括步驟7)重復進行上述所述步驟1)、2)、3)、4)、5)的操作，粘接三級光纖(11)、四級光纖(12)直至第N級光纖，其中N≤10，從而最終形成樹權(quán)型的多級光纖合束器；其中鄰級光纖的各項參數(shù)滿足dN≤dN+1，NAN≤NAN+1；其中dN，dN+1為第N，N+1級光纖的芯徑，NAN，NAN+1為第N，N+1級光纖的數(shù)值孔徑。
4.按權(quán)利要求1所述的光纖合束器制作方法，其特征在于，所述步驟1)中，芯層拋磨深度x根據(jù)光纖合束單元所需的功率耦合率p進行選擇，它們之間的關(guān)系式為P=sin2[2λU2πn1d1V2K0(4Wx/d1)K1(W)(πd1R2W)1/2],]]>W=d1β2-k02n22/2,]]>U=d1k02n12-β2/2,]]>其中P為功率耦合率，K為第二類變型貝塞爾函數(shù)，λ為耦合光波長，V為光纖歸一化頻率，β為傳播常數(shù)，k0＝2π/λ。
5.按權(quán)利要求1所述的光纖合束器制作方法，其特征在于，所述步驟1)中，所述折射率匹配膠包括9805型光學膠。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖合束器制作方法。本發(fā)明提供的光纖合束器制作方法，包括取兩根同型光纖按一定的曲率、拋磨深度進行拋磨，然后用折射率匹配膠在拋磨面進行拼接；待粘接處膠固化后進行垂直切割，再在切割面處粘接下一級光纖的端面；不斷重復上述過程，從而最終形成樹杈型的多級光纖合束器。本發(fā)明通過一定參數(shù)設(shè)定的磨拋法制作而成，一致性好、操作方便、體積小、耦合率高且可調(diào)；無需光纖熔接機、光纖熔錐機等專業(yè)設(shè)備，對光纖的兼容性高；能實現(xiàn)高功率的耦合輸出；能在大多數(shù)光纖領(lǐng)域內(nèi)得到應(yīng)用，如半導體激光器的光纖耦合輸出、光纖激光器的端面泵浦等。
文檔編號G02B6/25GK1979239SQ20051012643
公開日2007年6月13日 申請日期2005年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者馮小明, 方高瞻, 劉媛媛, 王翠鸞, 王曉薇, 馬驍宇 申請人:中國科學院半導體研究所