[发明专利]一种大芯径光纤耦合器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用熔融拉锥法制作的大芯径光纤耦合器及其制作方法。

背景技术

实现光纤耦合常用的方法有三种：侵蚀法、研磨法、熔融拉锥法。侵蚀法是化学工艺处理方法，这种方法相对比较简易，但制作的分束器对环境温度要求高，光纤的绞合影响其使用寿命，实用价值低。研磨法是比较传统的工艺制作方法，属于光学冷加工范畴，这种工艺方法比较繁琐、磨抛工艺难度大、且制成的分束器体积也比较大，目前已不再使用这种方法制作分束器。熔融拉锥工艺优点有：方向性好、制作的器件附加损耗较低、环境稳定性较高、成本比较低廉、制作简单适合大批量生产。

通信用多模光纤所采用的熔融拉锥工艺是利用燃烧氢氧气体的方法提供热源，而这种方式加热温度场不稳定，火焰温度的波动比较大，容易被周围环境影响。燃气温度的不稳定性会使光纤内部出现热应力而引起材质结构变脆，以致器件损耗变大。

传统的多模光纤耦合器所采用的光纤芯径为50um或62.5um，这类光纤制作的耦合器无法满足高能量激光的传输需要，且耦合效率低下。

由于大芯径光纤芯径较粗，在熔融耦合时极易造成耦合区熔融态光纤的堆积，从而影响光纤耦合器的分光比、透过率等光学性能，堆积严重甚至影响器件结构稳定性。

由于光纤输出激光能量为高斯分布，在实际应用中探测器所接收到不均匀的能量，影响探测的准确性；而采用透镜耦合的方式也可以实现光纤准直输出，但微型透镜价格昂贵且外观结构较大，不适合应用于微型的探测器设备中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是传统的多模光纤耦合器所采用的光纤芯径为50um或62.5um，这类光纤制作的耦合器无法满足高能量激光的传输需要，且耦合效率低下；而大芯径光纤耦合器的现有制作方法存在耦合区熔融态光纤堆积、光纤输出的激光能量不均匀、光纤不同轴或者造价过高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种大芯径光纤耦合器，所述耦合器包括一根输入光纤和n根的输出光纤，1≤n≤6；所述输入光纤芯径为200-600um，输入光纤芯皮比范围为1:1.04至1:1.25；所述输出光纤芯径为200-400um,输出光纤芯皮比与输入光纤的芯皮比一致；所述输入光纤和输出光纤在耦合区固定打绞，所述输入光纤在耦合区的一端为输入光纤的输出端，另一端为输入光纤的输入端，所述输出光纤在耦合区的一端为输出光纤的输入端，另一端为输出光纤的输出端。

由于采用的输入光纤的光纤芯径为200-600um，光纤芯皮比范围为1:1.04至1:1.25，比现有的多模光纤耦合器芯径粗的多，因此，该光纤耦合器能传输的激光能量也较现有的多模光纤耦合器高的多，能满足高能量激光的需要；此外，熔融拉伸时可以降低拉锥区扭曲的风险，同时，相同的芯皮比使得光纤加热区受热较为均匀，更好地提高了大芯径光纤耦合效果。

为使输出的光纤能量均匀，每一根输出光纤的输出端通过毛细管连接球透镜，所述球透镜的前、后表面均为球面，毛细管的一端紧配合套接输出光纤，另一端紧配合套接球透镜，球透镜的直径大于耦合光纤芯径，且透镜的数值孔径NA₁大于输出光纤的数值孔径NA₂。大芯径光纤耦合器出射光斑呈高斯分布，这种能量分布不均匀，现有的方法通常采用端头熔融成球状能够使光纤出射光斑弥散，从而实现能量高斯分布的振幅降低，这种方式实现的能量匀化是相对的；而另外一种方式即在尾纤固化自聚焦透镜，光纤出射光经过渐变折射率的透镜，其能量得到充分匀化，但是由于自聚焦透镜制作的时候长度难控制，经常出现偏差，长度不同输出的角度就有变化，最终引起光斑尺寸不一，不适合于批量生产，本发明采用输出光纤耦合球透镜的方法即实现了能量匀化，也适合批量生产，此外，数值孔径大于输出光纤的数值孔径，则接收角大，那么利于球透镜接收输出光纤的光，使得输出光纤的出射光能量均匀分布，且光斑发散角小于30°。

为提高球透镜的出射光效果，输出光纤与所述的球透镜之间为紫外光学胶固化连接。用紫外线照射进行快速固化，可避免粘合用胶流到前后两个球面影响球透镜的出射光效果。

作为本发明的进一步改进方案，所述输出光纤数目为六根，耦合区的七根光纤成正六边形排列，且输入光纤位于正六边形的中心轴线处。正六边形的排布更有利于夹持打绞时，耦合区各个光纤均受力均匀，打绞角度一致，不容易出现拉锥区扭曲，进一步提高了大芯径光纤耦合的效果，减小了光纤分光比的误差，分光比可实现任意比，分光比偏差±7%。