一种纤维集成的高斯模场分束/合束器制造技术

本发明专利技术提供的是一种纤维集成的高斯模场分束/合束器。其特征是：它由单模光纤1、双包层光纤2和多芯光纤3连接组成。所述高斯模场分束/合束器中长度在厘米量级以上的双包层光纤2位于单模光纤1和多芯高斯模场光纤3之间，两端分别熔接。所述高斯模场分束/合束器在双包层光纤2与多芯高斯模场光纤3的熔接点12处施加热扩散，热扩散目的是在热扩散区域13形成折射率渐变区，使双包层光纤2的基模能够绝热地转变为多芯高斯模场光纤3的基模。本发明专利技术可用于单芯高斯模场与多芯高斯模场之间高耦合效率的高斯模场转换，可广泛应用于基于多芯光纤的多种应用，基于多芯光纤的光纤集成器件、光纤传感器和光纤激光器等领域。

A fiber integrated Gaussian mode field beam splitter / combiner

【技术实现步骤摘要】
一种纤维集成的高斯模场分束/合束器(一)
本专利技术涉及的是一种纤维集成的高斯模场分束/合束器，可用于单芯高斯模场与多芯高斯模场之间高耦合效率的高斯模场转换，可广泛应用于基于多芯光纤的多种应用，基于多芯光纤的光纤集成器件、光纤传感器和光纤激光器等领域，属于纤维集成光纤器件
(二)
技术介绍
模场转换技术在光纤激光器和光纤微光学系统设计中起着重要作用。通常，纤芯直径和数值孔径不同的光纤的模场是不同的，两种不同模场的光纤之间的连接通常损耗较大。为了减少连接损耗，模场必须相似。近年来，引入了各种新型光纤，如微结构光纤、多芯光纤、色散补偿光纤、稀土掺杂光纤和大芯径天文光纤等。如何满足这些特种光纤之间的模场匹配是一个难题。由于这些光纤模场不同于标准单模光纤，而且与现有光学系统不兼容，所以必须在各种光纤和标准单模光纤之间引入合适的模场转换器以减少插入损耗，并尽量减小光纤激光器激光束质量的退化。为了解决上述问题，已经提出了多种解决方法，用来转换不同光纤之间的模场，并具有低耦合损耗。第一种方法是采用光纤拉锥技术，逐渐将一个模场转换为另一个模场。KaziS.Abedin等人于2014年公开的一种用于低损耗耦合到多芯光纤的技术和器件(美国专利：US20140119694)，通过熔融拉锥多根输入光纤，实现了多根输入光纤与多芯光纤之间的模场转换。但是，拉锥会使整个光纤器件更加脆弱，并且与现有熔接技术兼容性差。第二种方法是采用光纤热扩散技术，EMDianov等人于1997年公开的的光纤模场直径转换器及其制造方法(俄罗斯专利：RU97103937)，通过热扩散局部加热光纤改变折射率的方法，实现了小模场直径到大模场直径的模场转换。该方法提供折射率的一定程度的平滑过渡以实现不同模场之间的完全耦合。第三种方法是结合光纤拉锥和热扩散技术，在XuanfengZhou等人的文章中(XuanfengZhou,ZilunChen,etal,AppliedOptics,2014,53:5053-5057)采用了拉锥和热扩散的方法来实现模场转换，分别实现了单模光纤和多模光纤之间的模场转换，单模光纤和大模场光纤之间的模场转换。上述模场转换的方法采用了熔融拉锥或热扩散技术。主要解决了单模光纤与大模场光纤之间的模场转换，不同光纤之间的模场转换问题仍未得到很好的解决，其中之一是单芯高斯模场光纤与多芯高斯模场光纤之间的高斯模场转换。由于热扩散技术具有易于实现、成本低和操作简单等优点，热扩散技术在微机电系统，光集成器件，光通信和光纤传感中具有巨大的应用潜力。光纤经过热扩散处理，在热扩散区域形成平滑的折射率渐变，可提供复杂模场之间的模场适配。本专利技术公开了一种纤维集成的高斯模场分束/合束器，可用于单芯高斯模场与多芯高斯模场之间高耦合效率的高斯模场转换，可广泛应用于基于多芯光纤的多种应用，基于多芯光纤的光纤集成器件、光纤传感器和光纤激光器等领域。该高斯模场分束/合束器采用三段式结构(单模光纤-双包层光纤-多芯高斯模场光纤)，并通过热扩散技术在特定条件下制备。精心设计的双包层光纤的纤芯和单模光纤具有相同的基模场分布，单模光纤的高斯模场可以高效率转换为双包层光纤的基模。双包层光纤与多芯高斯模场光纤熔接处热扩散处理形成的平滑折射率过渡，可绝热地将双包层光纤基模转换为多芯高斯模场光纤的基模。与在先技术相比，精心设计的双包层光纤通过热扩散处理，在双包层光纤和多芯高斯模场光纤之间形成平滑的折射率过渡，能够高效的实现单模光纤与多芯模场光纤的高斯模场转换。该纤维集成的高斯模场分束/合束器具有制作简单、耦合效率高、可批量生产的优点。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种耦合效率高、可批量生产的一种纤维集成的高斯模场分束/合束器。本专利技术的目的是这样实现的：该纤维集成的高斯模场分束/合束器由单模光纤1、双包层光纤2和多芯高斯模场光纤3连接组成。所述模场分束/合束器中长度为厘米量级以上的双包层光纤2位于单模光纤1和多芯高斯模场光纤3之间，两端分别熔接。所述模场分束/合束器在双包层光纤2与多芯高斯模场光纤3的熔接点12处施加热扩散，热扩散目的是在热扩散区域13形成折射率渐变区，使双包层光纤2的基模能够绝热地转变为多芯高斯模场光纤3的基模。精心设计的双包层光纤2通过热扩散处理后，在整个器件(即单模光纤-双包层光纤-多芯高斯模场光纤光纤链)上实现折射率分布在热扩散区域13处缓慢变化，使得单模光纤1的基模能够高效率的转变为多芯高斯模场光纤3的基模。光束从单模光纤1到多芯高斯模场光纤3传输时，为高斯模场分束器；光束从多芯高斯模场光纤3到单模光纤1传输时，为高斯模场合束器。通常，热扩散光纤用于模场的扩展，值得注意的是热扩散使光纤掺杂剂分布渐变为更稳定的准高斯分布。为了实现输入模场的匹配，双包层光纤2的纤芯6和所需的输入单模光纤1具有相同的光学参数，包括数值孔径和纤芯直径。在输出多芯高斯模场光纤3和双包层光纤2之间的熔接点12处引入热扩散过程，热扩散区域为13，如图1所示，使输出多芯高斯模场光纤3和双包层光纤2的折射率分布一致。设计纤维集成的高斯模场分束/合束器的关键，是通过热扩散处理找到一个与输出多芯高斯模场光纤3相匹配的双包层光纤2的合适折射率分布。在热扩散过程中，局部掺杂浓度C随时间t的变化情况可表示为：其中D是掺杂剂扩散系数；t是加热时间。D取决于掺杂剂种类、主体材料和局部温度。在大多数情况下，当考虑锗在光纤纤芯中的扩散时，我们可以将注意力限制在轴对称几何结构上。此外，加热光纤的温度相对于径向位置r几乎是均匀的，并且假定扩散系数D相对于径向位置r恒定是合理的。在实践中，如果轴向浓度梯度非常小，并且轴向温度梯度只存在几毫米，则轴向上的掺杂剂扩散通常可以忽略。如果忽略轴向和方位角上的扩散，则在圆柱坐标系中简化扩散方程(1)为：扩散物质的掺杂浓度C是径向距离r和加热时间t的函数。事实上，扩散系数D也受光纤制造工艺的影响，可表示为：其中T(z)是以开尔文为单位的加热温度，通常取决于炉内光纤的纵向位置；R＝8.3145(J/K/mol)是理想气体常数；参数D0和Q从实验数据中获得。考虑初始边界条件掺杂剂浓度分布C表示为：其中f(r)是初始浓度分布，在光纤边界表面r＝a处的浓度将降至零。J0是第一类零阶Bessel函数，特征值αn是其正根J0(aαn)＝0(6)假设光纤在整个热扩散区域的折射率分布与掺杂剂分布成比例是合理的，则可表示为：其中ncl和nco分别是纤芯和包层的折射率。从图2可以看出，双包层光纤(如图2a)和三芯光纤(如图2b)的折射率分布随着加热时间t的变化在温度场为1600℃内的变化。曲线21、22、23、24分别为双包层光纤加热0小时、2小时、4小时、6小时后，沿光纤径向方向的折射率分布；曲线25、26、27、28分别为三芯光纤加热0小时、2小时、4小时、6小时后，沿光纤x轴方向的折射率分布。光纤经过一定时间的热扩散处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纤维的集成高斯模场分束/合束器。其特征是：它由单模光纤1、双包层光纤2和多芯高斯模场光纤3连接组成。所述模场分束/合束器中长度为厘米量级以上的双包层光纤2位于单模光纤1和多芯高斯模场光纤3之间，两端分别熔接。所述模场分束/合束器在双包层光纤2与多芯高斯模场光纤3的熔接点12处施加热扩散，热扩散目的是在热扩散区域13形成折射率渐变区，使双包层光纤2的基模能够绝热地转变为多芯高斯模场光纤3的基模。/n

【技术特征摘要】
1.一种纤维的集成高斯模场分束/合束器。其特征是：它由单模光纤1、双包层光纤2和多芯高斯模场光纤3连接组成。所述模场分束/合束器中长度为厘米量级以上的双包层光纤2位于单模光纤1和多芯高斯模场光纤3之间，两端分别熔接。所述模场分束/合束器在双包层光纤2与多芯高斯模场光纤3的熔接点12处施加热扩散，热扩散目的是在热扩散区域13形成折射率渐变区，使双包层光纤2的基模能够绝热地转变为多芯高斯模场光纤3的基模。


2.权利要求1所述的多芯高斯模场光纤3包括但不限于纤芯数量为三芯及以上的多芯光纤。


3.根据权利要求1所述纤维集成的高斯模场分束/合束器的制备方法，其特征是包括如下步骤：
1)、设计双包层光纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑立波，孟令知，陈宫傣，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45