[发明专利]一种热扩芯光纤准直器

说明书

技术领域

本发明涉及一种扩大光纤传输光束直径的热扩芯光纤准直器。该准直器主要用于光纤之间、光纤和波导以及其它芯片之间耦合连接的光通信及光电子技术领域。

背景技术

光纤准直器是光无源器件中的一个重要的组件，在光通信系统中有着非常普遍的应用，其主要作用是将出射的光束变成平行光束，或者将平行光束汇聚到光纤中。常规的准直器结构为两件套式，即由光纤头和一个起准直作用的透镜组成。目前准直透镜主要有三种：自聚焦透镜、C透镜和球透镜。

该类准直器的使用减少了光纤与光纤以及光纤与其他光学器件耦合时的连接损耗，起到准直和扩大光纤传输中光束直径的作用，被广泛地应用于光束准直，光束耦合，光隔离器，光衰减器，光开关，环形器，MEMS，密集波分复用器中。随着光通信产业的发展，准直器的应用领域不断扩大，同时对准直器的要求也不断提高，在有些场合下，比如要求器件小型化的场合，普通准直器由于出射光斑孔径角太大已经难以满足要求。

常规的准直器工作距离达到1000mm时损耗会达到15dB左右，这对于光通信来说是很难接受的。常规0.23p的自聚焦透镜准直器，其最大工作距离仅70mm左右，理论上可将节长缩短来增加工作距离，如将节长缩短为0.05p，其最大工作距离也仅约400mm，且此时透镜太短难以加工，插损等指标也较差。常规C透镜准直器的最大工作距离约300mm左右，如果要达到大工作距离、大光斑的要求，如工作距离500mm、光斑0.5mm，理论上一个长度约9.7mm、曲率半径约4.2mm的C透镜可以满足此要求，但具体实施起来非常困难，因为透镜较长不利于加工及准直器的装配；另外光束到达透镜球面时偏离中心的距离较大，偏离旁轴成像条件，使得出射光的椭圆度增加，导致插损和指向精度也增大；再者，采用长透镜时热特性也不稳定。由此可见，常规的自聚焦透镜或C透镜准直器都难以达到工作距离大于500mm这个要求，更不用说1000mm。

且由于单模光纤(SMF)的芯径只有多模光纤的十分之一，即8～10μm左右，单模光纤之间的耦合，单模光纤和其他波导器件的耦合一直都是光耦合中的难题。一些特殊的光纤如掺铒光纤的模场直径4～5μm，色散位移光纤7μm左右，都比单模光纤还要小一些，一般波导尺寸比单模光纤更小，宽度仅几个微米，厚度甚至不到一微米，它们和单模光纤耦合时存在模场尺寸的不匹配，这种不匹配导致耦合连接时会产生较大损耗。尤其是在大规模波导阵列(几十甚至几百通道)耦合中，要实现阵列中所有通道的快速精确耦合对准是有困难的。

传统的光纤准直器在其使用过程中的出射光斑，孔径角，插入损耗及工作距离等因素的改进中并没有得到良好的改善。如果能够改变光纤纤芯半径从而控制输出光斑的模场直径以适合不同尺寸的耦合对象就可以使耦合对准过程大大简化。如果能降低光纤准直器插入损耗的同时使出射光束具有大出射光斑、小孔径角，就可以在相同低损耗的情况下获得更大的工作距离。

发明内容

本发明公开了一种热扩芯光纤准直器，可以有效克服传统的光纤准直器在其使用过程中出射光斑小，孔径角大，插入损耗高及工作距离短等弊端，本发明不仅结构简单，工作距离长，而且制成的光纤准直器的出射光斑直径更大，出射孔径角更小，准直度更高，具有高的耦合容忍度和低插入损耗。

一种热扩芯光纤准直器，包括一个热扩芯光纤头、一段外径与热扩芯光纤头外径大小相同的石英光纤、一个非球面透镜和固定热扩芯光纤头、石英光纤和非球面透镜的外套管，安装在外套管内的热扩芯光纤头、石英光纤和非球面透镜呈一直线依次首尾相接，热扩芯光纤头的前端面对接石英光纤的后端面，与非球面透镜具有同一条光轴，外套管具有其固定的中心轴；其特点是：所述非球面透镜的后端面与外套管中心轴垂直，非球面透镜的光轴与外套管的中心轴平行，非球面透镜的后端面与热扩芯光纤头前端面之间连接石英光纤，石英光纤的长度，等于非球面透镜的有效焦距与非球面透镜后端面距非球面透镜主面距离的差值。

所述的热扩芯光纤头，其热扩展芯径为扩展前芯径的3～5倍，热扩展长度为0.2～20mm。

所述热扩芯光纤头的前端面与外套管的中心轴垂直。

所述非球面透镜为用于通信波长的平凸透镜，后端面为平面，前端面为非球面。

所述石英光纤是其外径大小等于热扩芯光纤头外径大小的细圆柱形玻璃棒。