申请/专利权人：华中科技大学

申请日：2018-11-21

公开（公告）日：2020-02-14

公开（公告）号：CN109581583B

主分类号：G02B6/036(20060101)

分类号：G02B6/036(20060101);G02B6/26(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.02.14#授权;2019.04.30#实质审查的生效;2019.04.05#公开

摘要：本发明公开一种多包层光纤及多芯光纤耦合器，包括：N根多包层光纤和套管；多包层光纤包括纤芯和包围所述纤芯的多个包层；多个包层由内至外依次包括：内包层、下陷内包层、环形包层、外包层、下陷外包层、机械包层；多芯光纤耦合器通过将N根多包层光纤插入套管后，在套管中间的一点处将套管拉锥和切割之后和多芯光纤熔接后得到；在将N根多包层光纤插入套管拉锥后，拉锥端的每根多包层光纤的纤芯、内包层、下陷内包层以及环形包层构成拉锥后的纤芯，外包层、下陷外包层以及机械包层构成拉锥后的包层。本发明提供的多芯光纤耦合器，将多包层光纤拉锥后可与多芯光纤实现低损耗熔接；且可与标准单模光纤实现低损耗熔接，并具有较低的宏弯损耗。

主权项：1.一种多包层光纤，所述多包层光纤用于制造多芯光纤耦合器，其特征在于，包括：纤芯和包围所述纤芯的多个包层；所述多个包层由内至外依次包括：内包层、下陷内包层、环形包层、外包层、下陷外包层、机械包层；所述纤芯和多个包层成阶跃型剖面结构，所述阶跃型剖面结构为纤芯以及各个包层的折射率均匀分布，且在纤芯和内包层的分界面处折射率发生突变，以及各个包层与其相邻的包层的分界面处折射率发生突变；所述下陷外包层的折射率小于外包层的折射率，所述下陷内包层的折射率小于纤芯和内包层的折射率；在将多包层光纤制备成多芯光纤耦合器的过程中，所述多包层光纤的一端被拉锥，拉锥后该拉锥端的纤芯、内包层、下陷内包层以及环形包层构成拉锥后的纤芯，外包层、下陷外包层以及机械包层构成拉锥后的包层，多包层光纤被拉锥后的一端与多芯光纤的其中一个纤芯熔接，另一端与标准单模光纤熔接。

全文数据：一种多包层光纤及多芯光纤耦合器技术领域本发明涉及光纤技术领域，更具体地，涉及一种多包层光纤及多芯光纤耦合器。背景技术为满足今后通信系统需求，多芯光纤由于可提供空间这种新的复用维度，可以极大增加通信系统容量，愈发受到重视。多芯光纤通信系统需要与现有单模光纤通信系统相兼容，就需要多芯光纤和单模光纤实现低损耗连接，多芯光纤耦合器可以在单模光纤和多芯光纤之间起到桥梁作用，因此多芯光纤耦合器以及制备多芯光纤耦合器的光纤就极为重要，其成为推广多芯光纤实际应用与降低成本的关键技术之一。目前，多芯光纤耦合器制备通常使用拉锥自组装法201610328915.4和微孔加工法201510691273.X，所使用的光纤都是标准单模光纤。拉锥自组装法是通过对标准单模光纤腐蚀处理，然后将经过腐蚀处理的单模光纤插入玻璃套管中，采用氢氧焰对其进行拉锥处理，切割抛光后与多芯光纤熔接实现多芯光纤耦合器的制备。这种方法由于受到腐蚀精度的影响，使得制备得到的多芯光纤耦合器插入损耗比较大。微孔加工法是将经过腐蚀处理的标准单模光纤和多芯光纤分别插入经过机械钻孔或激光打孔方式处理过的圆柱体套管中，由对准平台实现对准，然后点胶固定实现多芯耦合器的制备。由于腐蚀精度和打孔精度难以精确控制，这种方法的插入损耗比较大。综上所述，目前各类多芯光纤耦合器制备过程中都受到所使用光纤的影响，使得加工精度，加工难度，成本以及损耗等方面都存在问题，解决这些问题的关键是设计一种新的光纤来满足需求。发明内容针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有多芯光纤耦合器制备过程中都受到所使用光纤的影响，使得加工精度，加工难度，成本以及损耗等方面都存在不足的技术问题。为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种多包层光纤，所述多包层光纤用于制造多芯光纤耦合器，包括：纤芯和包围所述纤芯的多个包层；所述多个包层由内至外依次包括：内包层、下陷内包层、环形包层、外包层、下陷外包层、机械包层；所述纤芯和多个包层成阶跃型剖面结构，所述阶跃型剖面结构为纤芯以及各个包层的折射率均匀分布，且在纤芯和内包层的分界面处折射率发生突变，以及各个包层与其相邻的包层的分界面处折射率发生突变；所述下陷外包层的折射率小于外包层的折射率，所述下陷内包层的折射率小于纤芯和内包层的折射率；在将多包层光纤制备成多芯光纤耦合器的过程中，所述多包层光纤的一端被拉锥，拉锥后该拉锥端的纤芯、内包层、下陷内包层以及环形包层构成拉锥后的纤芯，外包层、下陷外包层以及机械包层构成拉锥后的包层，多包层光纤被拉锥后的一端与多芯光纤熔接，另一端与标准单模光纤熔接。可选地，所述纤芯的半径R1为4.7μm～4.9μm，纤芯相对所述机械包层的相对折射率差Δ1为0.54％～0.81％。可选地，所述内包层的半径R2为10.2μm～10.6μm，内包层相对所述机械包层的相对折射率差Δ2为0.21％～0.48％。可选地，所述下陷内包层的半径R3为14.8μm～16.8μm，下陷内包层相对所述机械包层的相对折射率差Δ3为-0.14％～0.14％。可选地，所述环形包层的半径R4为19.7μm～21.7μm，环形包层相对所述机械包层的相对折射率差Δ4为0.23％～0.50％。可选地，所述外包层的半径R5为30.0μm～35μm，外包层相对所述机械包层的相对折射率差Δ5为0.00％。可选地，所述下陷外包层的半径R6为40.0μm～44.6μm，下陷外包层相对所述机械包层的相对折射率差Δ6为-0.62％～-0.34％。可选地，所述机械包层的半径R7为60.0μm～65.0μm。第二方面，本发明提供一种多芯光纤耦合器，所述多芯光纤耦合器用于在单模光纤和多芯光纤之间起到桥梁作用，包括：套管和N根如上述第一方面所述的多包层光纤，N为大于1的整数；所述多芯光纤耦合器通过将N根多包层光纤插入套管后，在套管中间的一点处将套管拉锥和切割之后和多芯光纤熔接后得到；所述多芯光纤耦合器中经拉锥和切割后的一端用于与多芯光纤熔接，所述多芯光纤耦合器中未经拉锥和切割后的一端中的每根多包层光纤分别用于与对应的单模光纤熔接；在将N根多包层光纤插入套管拉锥后，拉锥端的每根多包层光纤的纤芯、内包层、下陷内包层以及环形包层构成拉锥后的纤芯，外包层、下陷外包层以及机械包层构成拉锥后的包层。具体地，套管可以为玻璃套管，或者其他可拉锥的部件。总体而言，通过本发明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：本发明提供的多芯光纤耦合器包括多个多包层光纤，其多包层光纤包括：纤芯、内包层、下陷内包层、环形包层、外包层、下陷外包层以及机械包层，其制备过程简单，不需要腐蚀等处理，可扩展性好，成品率高。本发明提供的多芯光纤耦合器包括多个多包层光纤，其下陷内包层作为沟道，其折射率小于纤芯和内包层，在光纤发生弯曲时可以限制场的覆盖范围，避免场向环形包层泄露，因此多包层光纤具有小的宏弯损耗。本发明提供的多芯光纤耦合器将NN1根多包层光纤插入套管中，经过拉锥和切割之后，和多芯光纤熔接得到多芯光纤耦合器。多包层光纤经过拉锥之后，芯层、内包层、下陷内包层、环形包层形成新的纤芯，外包层、下陷外包层、机械包层构成新的包层，因此在和多芯光纤熔接时具有低的熔接损耗。本发明提供的多芯光纤耦合器，由于多包层光纤的下陷外包层的折射率小于外包层，可以限制场的覆盖范围，避免场向外泄露，因此和多芯光纤熔接后具有小的芯间串扰。本发明提供的多芯光纤耦合器，其中通过多包层光纤和标准单模光纤模场的匹配，使得多包层光纤和标准单模光纤熔接时具有低的熔接损耗。附图说明图1是本发明实施例提供的多芯光纤耦合器的结构示意图；图2是本发明实施例提供的多包层光纤的结构示意图；图3是本发明实施例提供的多包层光纤的折射率分布示意图；图4是本发明实施例提供的多包层光纤的相对折射率差剖面结构示意图；在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：100为多包层光纤，200为套管，300为多芯光纤，1为纤芯，2为内包层，3为下陷内包层，4为环形包层，5为外包层，6为下陷外包层，7为机械包层。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。首先，对本发明中涉及的一些术语的定义做如下说明：相对折射率差Δi：其中Δi为纤芯各分层相对折射率差，ni为第i层光纤材料的折射率，n0为最外层机械包层的折射率。各分层的折射率分布为该分层在各径向点处的折射率值，除非另做说明，本发明中Δi均为所述各纤芯分层中的绝对值最大的相对折射率差。半径：用Ri来表征i＝1，2，3，4，5，6，7各分层的半径，Ri为从光纤的中心线到该分层离中心线最远的点的距离。本发明设计了一种多包层光纤，不仅可以和标准单模光纤实现低损耗熔接，而且通过微拉锥方法制备的多芯光纤耦合器和多芯光纤之间可以实现低损耗熔接。图1是本发明实施例提供的多芯光纤耦合器的结构示意图；如图1所示，100为多包层光纤，200为套管，300为多芯光纤。其中，多芯光纤耦合器通过将N根多包层光纤100插入套管200后，在套管中间的一点处将套管拉锥和切割之后和多芯光纤熔接后得到。如图1所示，拉锥和切割之后的一端与多芯光纤300熔接，未经拉锥的一端中每根多包层光纤分别用于与对应的单模光纤熔接。图2是本发明实施例提供的多包层光纤的结构示意图；如图2所示，包括纤芯1和包层，包层由内到外依次包括：内包层2、下陷内包层3、环形包层4、外包层5、下陷外包层6和机械包层7。纤芯1、内包层2、下陷内包层3、环形包层4、外包层5、下陷外包层6、机械包层7成阶跃型剖面结构。其折射率对应如图3所示，可见每层的折射率是均匀的，但是在各个层交界面处折射率发生突变，其中，图2中横坐标半径从0μm开始，纵坐标仅为相对参考，不含有具体数值含义。基于该多包层光纤制备成多芯光纤耦合器，通过控制多包层光纤的参数，使得其和标准单模光纤模场匹配，因此和标准单模光纤熔接时具有低的熔接损耗。下陷内包层作为沟道，其折射率小于纤芯和内包层，在光纤发生弯曲时可以限制场的覆盖范围，避免场向环形包层泄露，因此多包层光纤具有小的宏弯损耗。将NN1根多包层光纤插入玻璃套管中，经过拉锥和切割之后，和多芯光纤熔接得到多芯光纤耦合器。多包层光纤经过拉锥之后，芯层、内包层、下陷内包层、环形包层形成新的纤芯，外包层、下陷外包层、机械包层构成包层，因此在和多芯光纤熔接时具有低的熔接损耗；下陷外包层的折射率小于外包层，可以限制场的覆盖范围，避免场向外泄露，因此和多芯光纤熔接后具有小的芯间串扰。具体地，纤芯1为掺锗的石英玻璃层，纤芯1半径R1为4.7μm～4.9μm，相对折射率差Δ1为0.54％～0.81％。具体地，内包层2主要掺有锗，其半径R2为10.2μm～10.6μm，相对折射率差Δ2为0.21％～0.48％。具体地，下陷内包层3的半径R3为14.8μm～16.8μm，相对折射率差Δ3为-0.14％～0.14％。具体地，环形包层4主要掺有锗，其半径R4为19.7μm～21.7μm，相对折射率差Δ4为0.23％～0.50％。具体地，外包层5的半径R5为30.0μm～35μm，相对折射率差Δ5为0.0％。具体地，下陷外包层6主要掺有氟，其半径R6为40.0μm～44.6μm，相对折射率差Δ6为-0.62％～-0.34％。具体地，机械包层7的半径R7为60.0μm～65.0μm，相对折射率差Δ7为0.0％。图4是本发明提供的多包层光纤的相对折射率差剖面结构示意图。具体数据可参见前面的记载，在此不做赘述。实施例在一个具体实施例中，本发明制备出多包层光纤，选取的参数如表所示：表1光纤参数半径μm相对折射率差％纤芯4.80.68内包层10.40.34下陷内包层15.80环形包层20.70.37外包层32.50下陷外包层42.3-0.48机械包层62.10基于上述参数制备得到多包层光纤后，经实验测得该多包层光纤在弯曲半径为3mm，1310nm波长处宏弯损耗小于0.2dB圈，在1550nm波长处宏弯损耗小于0.5dB圈。基于上述多包层光纤经过拉锥制备得到多芯光纤耦合器，并基于制备的多芯光纤耦合器进行试验，测得该多芯光纤耦合器和单模光纤、多芯光纤的熔接损耗，发现该多芯光纤耦合器中多包层光纤和标准单模光纤熔接一个接点熔接损耗小于0.05dB。多芯光纤耦合器和多芯光纤熔接一个接点熔接损耗小于0.3dB，芯间串扰小于-60dB，整个多芯光纤耦合器损耗小于1.2dB。其中，以制备成七芯光纤耦合器为例，说明该光纤耦合器的芯间串扰小于-60dB，具体数据参照表2所示：表2七芯光纤耦合器和七芯光纤熔接芯间串扰另外，在制备成七芯光纤耦合器之后，该光纤耦合器的插入损耗如表3所示：表3七芯光纤耦合器和七芯光纤熔接插入损耗纤芯编号1234567插入损耗dB-0.2-1.2-1.0-0.8-0.7-1.0-1.1需要说明的是，本发明提供的多包层光纤，在制备过程中其纤芯1半径R1可取4.8μm±0.1μm，相对折射率差Δ1可取0.68％±0.14％。内包层2半径R2可取10.4μm±0.2μm，相对折射率差Δ2可取0.34％±0.14％。下陷内包层3的半径R3可取15.8μm±1.0μm，相对折射率差Δ3为0％±0.14％。环形包层4半径R4可取20.7μm±1.0μm，相对折射率差Δ4为0.37％±0.14％。外包层5的半径R5可取32.5μm±2.5μm，相对折射率差Δ5为0.0％。下陷外包层6的半径R6为42.3μm±2.3μm，相对折射率差Δ6为-0.48％±0.14％。机械包层7的半径R7为62.1μm±2.9μm。本发明实施例虽未做具体举例，但本领域技术人员可以理解的是，上述参数范围均可使得制备的多芯光纤耦合器相比现有技术具有改进。本发明提供的多芯光纤耦合器中未经拉锥端的多包层光纤可与标准单模光纤实现低损耗熔接。本发明提供的多芯光纤耦合器中多包层光纤拉锥后可与多芯光纤实现低损耗熔接，且具备较低的插入损耗。本发明提供的多芯光纤耦合器中多包层光纤的芯间串扰小且具有较低的宏弯损耗。通过多包层光纤的半径和折射率设计，使得本发明提供的多芯光纤耦合器和标准单模光纤熔接一个接点熔接损耗小于0.05dB，制备成多芯光纤耦合器后和多芯光纤熔接一个接点熔接损耗小于0.3dB，芯间串扰小于-60dB，插入损耗小于1.2dB，每个多包层光纤的宏弯损耗小于0.5dB。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种多包层光纤，所述多包层光纤用于制造多芯光纤耦合器，其特征在于，包括：纤芯和包围所述纤芯的多个包层；所述多个包层由内至外依次包括：内包层、下陷内包层、环形包层、外包层、下陷外包层、机械包层；所述纤芯和多个包层成阶跃型剖面结构，所述阶跃型剖面结构为纤芯以及各个包层的折射率均匀分布，且在纤芯和内包层的分界面处折射率发生突变，以及各个包层与其相邻的包层的分界面处折射率发生突变；所述下陷外包层的折射率小于外包层的折射率，所述下陷内包层的折射率小于纤芯和内包层的折射率；在将多包层光纤制备成多芯光纤耦合器的过程中，所述多包层光纤的一端被拉锥，拉锥后该拉锥端的纤芯、内包层、下陷内包层以及环形包层构成拉锥后的纤芯，外包层、下陷外包层以及机械包层构成拉锥后的包层，多包层光纤被拉锥后的一端与多芯光纤熔接，另一端与标准单模光纤熔接。2.根据权利要求1所述的多包层光纤，其特征在于，所述纤芯的半径R1为4.7μm～4.9μm，纤芯相对所述机械包层的相对折射率差Δ1为0.54％～0.81％。3.根据权利要求1所述的多包层光纤，其特征在于，所述内包层的半径R2为10.2μm～10.6μm，内包层相对所述机械包层的相对折射率差Δ2为0.21％～0.48％。4.根据权利要求1所述的多包层光纤，其特征在于，所述下陷内包层的半径R3为14.8μm～16.8μm，下陷内包层相对所述机械包层的相对折射率差Δ3为-0.14％～0.14％。5.根据权利要求1所述的多包层光纤，其特征在于，所述环形包层的半径R4为19.7μm～21.7μm，环形包层相对所述机械包层的相对折射率差Δ4为0.23％～0.50％。6.根据权利要求1所述的多包层光纤，其特征在于，所述外包层的半径R5为30.0μm～35μm，外包层相对所述机械包层的相对折射率差Δ5为0.00％。7.根据权利要求1所述的多包层光纤，其特征在于，所述下陷外包层的半径R6为40.0μm～44.6μm，下陷外包层相对所述机械包层的相对折射率差Δ6为-0.62％～-0.34％。8.根据权利要求1所述的多包层光纤，其特征在于，所述机械包层的半径R7为60.0μm～65.0μm。9.一种多芯光纤耦合器，所述多芯光纤耦合器用于在单模光纤和多芯光纤之间起到桥梁作用，其特征在于，包括：套管和N根如权利要求1至8任一项所述的多包层光纤，N为大于1的整数；所述多芯光纤耦合器通过将N根多包层光纤插入套管后，在套管中间的一点处将套管拉锥和切割之后和多芯光纤熔接后得到；所述多芯光纤耦合器中经拉锥和切割后的一端用于与多芯光纤熔接，所述多芯光纤耦合器中未经拉锥和切割后的一端中的每根多包层光纤分别用于与对应的单模光纤熔接；在将N根多包层光纤插入套管拉锥后，拉锥端的每根多包层光纤的纤芯、内包层、下陷内包层以及环形包层构成拉锥后的纤芯，外包层、下陷外包层以及机械包层构成拉锥后的包层。

百度查询： 华中科技大学 一种多包层光纤及多芯光纤耦合器

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