阅读说明：本技术 一种多芯光纤微准直器 (Multi-core optical fiber micro-collimator ) 是由 苑立波 孟令知 于 2020-05-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供的是一种多芯光纤微准直器。其特征是：它由多芯光纤1、多芯光纤热扩散段2和渐变折射率大芯径多芯光纤3连接组成。本发明主要解决多芯光纤端出射光束扩束及准直的问题,同时降低各个信号之间的串扰。本发明具有制作简单、成本低、结构紧凑的优点。本发明可用于光纤通信传输系统和光纤传感系统,可广泛应用于光纤与光纤之间、光纤与波导之间以及光纤与其他光学器件之间的耦合连接。(The invention provides a multi-core optical fiber micro-collimator. The method is characterized in that: the optical fiber consists of a multi-core optical fiber 1, a multi-core optical fiber thermal diffusion section 2 and a gradient-refractive-index large-core-diameter multi-core optical fiber 3 which are connected. The invention mainly solves the problems of beam expansion and collimation of emergent light beams at the end of the multi-core optical fiber, and simultaneously reduces crosstalk among signals. The invention has the advantages of simple manufacture, low cost and compact structure. The invention can be used for optical fiber communication transmission systems and optical fiber sensing systems, and can be widely applied to coupling connection between optical fibers, between optical fibers and waveguides and between optical fibers and other optical devices.)

一种多芯光纤微准直器

(一)技术领域

本发明涉及的是一种多芯光纤微准直器，可用于光纤通信传输系统和光纤传感系统，可广泛应用于光纤与光纤之间、光纤与波导之间以及光纤与其他光学器件之间的耦合连接，属于光纤通信领域。

(二)背景技术

光纤通信系统是信息时代不可或缺的神经系统，光纤准直器是光无源器件中的一个重要组成部分，在光纤通信系统和光纤传感系统中有着极其普遍的应用。光纤准直器的主要作用是将光纤端出射的光束变成平行光，或者将平行光汇聚入射到光纤端中。目前光纤准直透镜主要有三种：自聚焦型透镜、微球透镜、衍射透镜。

自聚焦型透镜是在光纤末端加上一段具有渐变折射率梯度，且直径大于光纤直径的棒。这种类型的准直器，通常因为自聚焦棒直径比较大，约为1mm而光纤直径为125μm。因此无法做到紧凑和小尺寸。

微球透镜是在光纤末端通过特殊的制造方法，制造一个球面透镜。这种微球透镜制造难度大，设备要求高，而且因为在光纤末端制造了一个微型透镜，限制了光纤***连接的可能性。

衍射透镜是通过在二氧化硅棒末端进行光刻字产生，然后焊接到光纤上。这种技术的缺点是，需要光刻字掩模和光纤端部的精确对准，因此制造困难，无法进行批量生产。

伴随着光纤网络的普及，以及互联网行业的迅速发展，各行各业对于信息通讯的要求越来越高，对光纤通信系统的超大容量传输和长距离传输提出了更高的需求。基于此，单模光纤已经不能够满足当前的需求，多芯光纤必然会在光纤通信系统和光纤传感系统中应用的越来越普遍，因此，迫切需要一种多芯光纤微准直器，来满足多芯光纤在光纤通信系统和光纤传感系统中的应用需求，同时需要具有成本低，制作简单，结构紧凑的优势。

专利CN201110226192.4公开了一种热扩芯光纤准直器，采用热扩芯光纤头、石英光纤、非球面透镜和外套管组成。其特点是采用了非球面透镜作为准直器，实现了单模光纤的准直，但是无法解决多芯光纤端出射光束的准直。

专利CN201110226340.2公开了一种宽光谱光纤准直器，其特点是采用消色差透镜与热扩芯光纤头中心轴平行，利用消色差透镜进行准直，但是不能解决多芯光纤端出射光束的准直，且安装外套管的方式，无法与标准接口通用。

专利CN201721647567.3公开了一种激光光纤准直聚焦透镜，其特点是在玻璃管一端接入光纤，另一端连接透镜。因为使用微透镜的方式进行光束准直，无法进行***连接等情况，限制了使用的范围，而且制造比较困难，不能够实现多芯光纤端出射光束的准直。

专利CN201410777215.4公开了一种单片集成式多芯光纤分路器及其制作方法，提到使用自聚焦透镜对多芯光纤进行准直，但是自聚焦透镜参数没有进行特殊设计，不能够使多芯光纤端不同芯出射光束准直，且不同芯的光束平行出射。该专利也不能够实现对多芯光纤光束进行扩束。

专利CN201510518584.6公开了一种光纤准直器及其制作方法，其特点是将单模光纤与无心光纤和自聚焦光纤连接，能够对输出光束进行扩束并且准直，但是没有涉及对多芯光纤端出射光束进行准直。

专利CN201410777241.7公开了一种基于梯度折射率透镜的多芯光纤连接器，通过双梯度折射率透镜组连接多芯光纤和与多芯光纤芯数相同的单模光纤，由于双梯度折射率透镜组的尺寸较大，因此不能够实现紧凑尺寸的多芯光纤端出射光束准直，而且没有对双梯度折射率透镜组进行特殊设计，以解决多芯光纤各个芯之间信号串扰的问题。

专利US20050201701A1公开了一种对单模光纤进行扩芯，使用渐变折射率光纤进行准直的单模光纤准直器，该专利能够实现单模光纤的准直，但是不能够对多芯光纤端出射光束进行准直。

专利US7155096B2公开了一种用于单模光纤的光学准直器，对单模光纤进行热扩芯，然后在连接一段阶跃折射率光纤，实现了光束扩束及准直，但是没有涉及对多芯光纤端出射光束进行准直。

专利US20070147733A1公开了一种光纤准直系统，该专利主要通过自聚焦透镜对单模光纤的光束进行准直，但是不能够对单模光纤的光束进行扩束，也没有涉及对多芯光纤端出射光束进行准直。

专利US20050220401A1公开了一种单模光纤准直透镜及其方法，其主要用一段特殊的单模光纤分别连接标准单模光纤和渐变折射率光纤，实现对单模光纤出射光束的扩束及准直。但是该专利不涉及对多芯光纤端出射光束进行准直。

本发明公开了一种多芯光纤微准直器，本发明可用于光纤通信传输系统和光纤传感系统，可广泛应用于光纤与光纤之间、光纤与波导之间以及光纤与其他光学器件之间的耦合连接。该多芯光纤微准直器采用热扩散技术对多芯光纤进行扩芯，通过采用一段特殊设计的渐变折射率大芯径多芯光纤连接多芯光纤，使得多芯光纤端出射光束扩束并准直。与在先技术相比，对多芯光纤热扩散处理，以及采用特殊设计的渐变折射率大芯径多芯光纤，同时实现了对多芯光纤端出射光束进行扩束及准直，并解决了各个芯之间信号串扰的问题。该多芯光纤微准直器具有制作简单、成本低、结构紧凑的优点。

(三)

发明内容

本发明的目的在于提供一种制作简单、成本低、结构紧凑的一种多芯光纤微准直器。

本发明的目的是这样实现的：

该多芯光纤微准直器由多芯光纤1、多芯光纤热扩散段2和渐变折射率大芯径多芯光纤3连接组成。所述多芯光纤微准直器中多芯光纤热扩散段2位于多芯光纤1和渐变折射率大芯径多芯光纤3之间，多芯光纤热扩散段2与渐变折射率大芯径多芯光纤3熔接。所述多芯光纤微准直器在多芯光纤热扩散段2施加热扩散，多芯光纤热扩散段2形成折射率渐变区，能够绝热的保持基模传输，并且使多芯光纤中的光束扩束。所述多芯光纤微准直器对渐变折射率大芯径多芯光纤3进行特殊设计，实现多芯光纤端出射光束的准直。

热扩散技术常用于基模场的扩展，热扩散能够使多芯光纤中，掺杂剂分布渐变为稳定的准高斯分布。如图1所示，在多芯光纤热扩散段2进行加热，引入热扩散过程，使得多芯光纤热扩散段2中，掺杂剂分布渐变为稳定的准高斯分布，且光纤的归一化频率在加热过程中不变。准高斯分布的掺杂剂分布，使多芯光纤热扩散段2的折射率分布渐变为准高斯分布，使多芯光纤中的基模场扩展，并且可以绝热的传输，实现多芯光纤端出射光束的扩束。

在热扩散过程中，随时间t的变化，局部掺杂浓度C可表示为：

公式(1)中D是掺杂剂扩散系数；t是加热时间。D主要取决于不同掺杂剂的种类、主体材料以及局部加热温度。在大多数情况下，考虑锗在光纤的纤芯中的扩散时，在其轴对称几何结构上，光纤的加热温度相对于径向位置r几乎是均匀不变的，并且假定扩散系数D相对于径向位置r是不变的。在实践中，忽略轴向上的掺杂剂的扩散，则在圆柱坐标系中简化扩散方程(1)为：

掺杂剂的掺杂浓度C是径向距离r与加热时间t的函数。扩散系数D也受加热温度的影响，表示为：

公式(3)中T(z)表示加热温度，单位为K，与炉内光纤的纵向位置相关；R＝8.3145(J/K/mol)是理想气体常数；参数D₀和Q可以从实验数据中得到。考虑初始边界条件

掺杂剂局部掺杂浓度分布C可以表示为：

公式(5)中f(r)是初始浓度分布，在光纤边界表面r＝a处的浓度为0。J₀是第一类零阶Bessel函数，特征值α_n是其正根

J₀(aα_n)＝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，则热扩散后光纤的折射率分布可表示为：

公式(7)中n_cl和n_co分别是光纤包层和纤芯的折射率。在加热温度场为1600℃时，双芯光纤(如图2a)和三芯光纤(如图2b)的折射率分布，随加热时间t的变化。曲线21、22、23、24分别为双芯光纤加热0小时、0.1小时、0.2小时、0.3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、0.1小时、0.2小时、0.3小时后，沿光纤径向方向的折射率分布。经过一定时间的热扩散处理后，光纤的折射率分布趋向于更稳定的准高斯分布。

渐变折射率透镜已经广泛应用于准直、聚焦和耦合等光学元件和器件。渐变折射率透镜是指折射率沿轴向、径向或者球面连续变化的透镜。对于径向渐变折射率透镜，最常见的是折射率在中心轴是最大，并且随着径向距离中心轴的距离增大而减小。其折射率分布服从平方率分布：

公式(8)中n₀是渐变折射率透镜轴线上的折射率，r是距中心轴的径向距离，g是渐变折射率透镜的聚焦参数。

在渐变折射率透镜中，光线沿着正弦曲线传播，直到到达透镜的后表面。光线完成一个正弦周期传播的长度，表示为一个节距，如图3所示。曲线31表示光线沿正弦曲线前进，传播一个周期的长度32，为一个节距。一个节距用P来表示。

光束由多芯光纤热扩散段2出射，输入渐变折射率大芯径多芯光纤3后，经过0.25P长度，光束变为平行光，即实现准直效果；光束由多芯光纤热扩散段2出射，输入渐变折射率大芯径多芯光纤3后，经过0.5P长度，光束在后表面处会聚，即实现聚焦效果。

本发明制备多芯光纤微准直器时，为了实现多芯光纤端出射光束的扩束，可以根据光束扩束的需要，使用含有一种或多种掺杂的不同掺杂剂的多芯光纤，对多芯光纤热扩散段2的加热时间和加热温度进行设计，通过热扩散的方法，增长加热时间，增大加热温度，可以使得多芯光纤的光束直径变大。使用一种或多种掺杂的不同掺杂剂，不影响多芯光纤微准直器功能的实现。

本发明制备多芯光纤微准直器时，为了实现多芯光纤端出射光束的准直，并且解决多芯光纤各个芯之间信号串扰的问题，需要对渐变折射率大芯径多芯光纤3的结构进行特殊设计。对渐变折射率大芯径多芯光纤3特殊设计的两个基本原则是：(1)渐变折射率大芯径多芯光纤3的包层8与多芯光纤1的包层5尺寸相同，且纤芯9和纤芯4数量相同，具有相同的分布方式，纤芯共轴；(2)渐变折射率大芯径多芯光纤3的纤芯9芯径，大于或等于多芯光纤1的纤芯4芯径，但是渐变折射率大芯径多芯光纤3的纤芯9不互相重叠。

本发明制备多芯光纤微准直器时，为了实现多芯光纤端出射光束的准直，光束由由多芯光纤热扩散段2出射，输入渐变折射率大芯径多芯光纤3后，经过0.25P长度，光束变为平行光，即实现准直效果。输入渐变折射率大芯径多芯光纤3的总长度也可以是0.25P长度加上1P长度的整数倍，即0.25P，1.25P，2.25P，3.25P等。

本发明制备多芯光纤微准直器时，对渐变折射率大芯径多芯光纤3进行特殊设计，使得渐变折射率大芯径多芯光纤3的芯径大于或等于多芯光纤热扩散段2最大芯径，实现多芯光纤端出射光束扩束并准直。对渐变折射率大芯径多芯光纤3进行特殊设计，渐变折射率大芯径多芯光纤3的包层8与多芯光纤1的包层5尺寸相同，且纤芯9和纤芯4数量相同，具有相同的分布，纤芯共轴。渐变折射率大芯径多芯光纤3中每个纤芯9的芯径可以特殊设计，数值孔径和自聚焦常数也可以特殊设计，使每个纤芯的芯径、数值孔径和自聚焦常数都不相同，但是要满足渐变折射率大芯径多芯光纤3的纤芯9之间不互相重叠。

热扩散过程中炉子加热区温度场分布如图4所示，曲线41为炉子加热区中心轴上的温度分布；42处为温度场中心位置，温度最高。制备多芯光纤微准直器时，将一段较长多芯光纤放入炉子加热区中心轴上进行热扩散处理，经过一定时间的加热，多芯光纤热扩散区的掺杂剂的浓度分布渐变为准高斯分布。炉子加热区的长度通常在厘米量级以上，保证梯度温度场中的折射率缓慢变化为准高斯分布。

经过一定时间的加热，对多芯光纤完成了热扩散处理后，在对多芯光纤热扩散区加热温度最高处进行切割处理，即可制作获得两根相同的可以对多芯光纤1光束扩束的，多芯光纤1和多芯光纤热扩散段2。

将经过特殊设计的渐变折射率大芯径多芯光纤3的各个纤芯轴线，与多芯光纤热扩散段2的各个纤芯轴线对准，并进行纤端焊接。然后使用光纤切割刀对渐变折射率大芯径多芯光纤3定长度切割，经过切割后，渐变折射率大芯径多芯光纤3的长度变为0.25P，或者渐变折射率大芯径多芯光纤3的总长度也可以是0.25P长度加上1P长度的整数倍，即0.25P，1.25P，2.25P，3.25P等。即可实现对多芯光纤热扩散段2扩束后的出射光束的准直。

多芯光纤1包括但不限于双芯光纤，三芯光纤，五芯光纤，七芯光纤，即多芯光纤1的纤芯数大于等于2。而且对于多芯光纤不同的纤芯分布和纤芯结构，只要满足对渐变折射率大芯径多芯光纤3特殊设计的两个基本原则，都可实现对多芯光纤端出射光束的扩束及准直，且可以解决多芯光纤各个芯之间信号串扰的问题。

本发明提供的多芯光纤微准直器，由多芯光纤1、多芯光纤热扩散段2和渐变折射率大芯径多芯光纤3连接组成。与在先技术相比，对多芯光纤热扩散处理，以及采用特殊设计的渐变折射率大芯径多芯光纤，同时实现了对多芯光纤端出射光束进行扩束及准直，并解决了各个芯之间信号串扰的问题。该多芯光纤微准直器具有制作简单、成本低、结构紧凑的优点。

(四)附图说明

图1是一种多芯光纤微准直器的结构示意图。

图2a是双芯光纤的折射率分布随着加热时间t的变化在温度场为1600℃内的变化的示意图，而图2b是三芯光纤折射率分布随着加热时间t的变化在温度场为1600℃内的变化的示意图。

图3是在渐变折射率透镜中光线沿着正弦曲线传播的示意图。

图4是对多芯光纤加热时炉子加热区中心轴上的温度分布的示意图。

图5是双芯光纤的横截面示意图。

图6a是双芯光纤微准直器的折射率分布，图6b是双芯光纤微准直器的纤芯中光束传播图，图6c是双芯光纤端光束出射的光场分布，图6d是双芯光纤微准直器端光束出射的光场分布，图6e是双芯光纤端光束出射光场的光强分布，图6f是双芯光纤微准直器端光束出射光场的光强分布。

图7是三芯光纤的横截面示意图。

图8a是三芯光纤微准直器的折射率分布，图8b是三芯光纤微准直器的纤芯中光束传播图，图8c是三芯光纤端光束出射的光场分布，图8d是三芯光纤微准直器端光束出射的光场分布，图8e是三芯光纤端光束出射光场的光强分布，图8f是三芯光纤微准直器端光束出射光场的光强分布。

图9是五芯光纤的横截面示意图。

图10a是五芯光纤微准直器的折射率分布，图10b是五芯光纤微准直器的纤芯中光束传播图，图10c是五芯光纤端光束出射的光场分布，图10d是五芯光纤微准直器端光束出射的光场分布，图10e是五芯光纤端光束出射光场的光强分布，图10f是五芯光纤微准直器端光束出射光场的光强分布。

图11是七芯光纤的横截面示意图。

图12a是七芯光纤微准直器的折射率分布，图12b是七芯光纤微准直器的纤芯中光束传播图，图12c是七芯光纤端光束出射的光场分布，图12d是七芯光纤微准直器端光束出射的光场分布，图12e是七芯光纤端光束出射光场的光强分布，图12f是七芯光纤微准直器端光束出射光场的光强分布。

(五)

具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

本发明提供的多芯光纤微准直器由多芯光纤1、多芯光纤热扩散段2和渐变折射率大芯径多芯光纤3连接组成。所述多芯光纤微准直器中多芯光纤热扩散段2位于多芯光纤1和渐变折射率大芯径多芯光纤3之间，多芯光纤热扩散段2与渐变折射率大芯径多芯光纤3熔接。所述多芯光纤微准直器在多芯光纤热扩散段2施加热扩散，多芯光纤热扩散段2形成折射率渐变区，能够绝热的保持基模传输，并且使多芯光纤中的光束扩束。所述多芯光纤微准直器对渐变折射率大芯径多芯光纤3进行特殊设计，实现多芯光纤端出射光束的准直。

本发明制备多芯光纤微准直器时，为了实现多芯光纤端出射光束的扩束，可以根据光束扩束的需要，使用含有一种或多种掺杂的不同掺杂剂的多芯光纤，对多芯光纤热扩散段2的加热时间和加热温度进行设计，通过热扩散的方法，增长加热时间，增大加热温度，可以使得多芯光纤的光束直径变大。使用一种或多种掺杂的不同掺杂剂，不影响多芯光纤微准直器功能的实现。

本发明制备多芯光纤微准直器时，为了实现多芯光纤端出射光束的准直，并且解决多芯光纤各个芯之间信号串扰的问题，需要对渐变折射率大芯径多芯光纤3的结构进行特殊设计。对渐变折射率大芯径多芯光纤3特殊设计的两个基本原则是：(1)渐变折射率大芯径多芯光纤3的包层8与多芯光纤1的包层5尺寸相同，且纤芯9和纤芯4数量相同，具有相同的分布方式，纤芯共轴；(2)渐变折射率大芯径多芯光纤3的纤芯9芯径，大于或等于多芯光纤1的纤芯4芯径，但是渐变折射率大芯径多芯光纤3的纤芯9不互相重叠。

本发明制备多芯光纤微准直器时，为了实现多芯光纤端出射光束的准直，光束由由多芯光纤热扩散段2出射，输入渐变折射率大芯径多芯光纤3后，经过0.25P长度，光束变为平行光，即实现准直效果。输入渐变折射率大芯径多芯光纤3的总长度也可以是0.25P长度加上1P长度的整数倍，即0.25P，1.25P，2.25P，3.25P等。

本发明制备多芯光纤微准直器时，对渐变折射率大芯径多芯光纤3进行特殊设计，使得渐变折射率大芯径多芯光纤3的芯径大于或等于多芯光纤热扩散段2最大芯径，实现多芯光纤端出射光束扩束并准直。对渐变折射率大芯径多芯光纤3进行特殊设计，渐变折射率大芯径多芯光纤3的包层8与多芯光纤1的包层5尺寸相同，且纤芯9和纤芯4数量相同，具有相同的分布，纤芯共轴。渐变折射率大芯径多芯光纤3中每个纤芯9的芯径可以特殊设计，数值孔径和自聚焦常数也可以特殊设计，使每个纤芯的芯径、数值孔径和自聚焦常数都不相同，但是要满足渐变折射率大芯径多芯光纤3的纤芯9之间不互相重叠。

本发明制备多芯光纤微准直器时，将一段较长多芯光纤放入炉子加热区中心轴上进行热扩散处理，经过一定时间的加热，多芯光纤热扩散区的掺杂剂的浓度分布渐变为准高斯分布。炉子加热区的长度通常在厘米量级以上，保证梯度温度场中的折射率缓慢变化为准高斯分布。

本发明制备多芯光纤微准直器时，对一段较长多芯光纤进行一定时间的加热，完成了热扩散处理后，在对多芯光纤热扩散区加热温度最高处进行切割处理，即可制作获得两根相同的可以对多芯光纤1光束扩束的，多芯光纤1和多芯光纤热扩散段2。

本发明制备多芯光纤微准直器时，将经过特殊设计的渐变折射率大芯径多芯光纤3的各个纤芯轴线，与多芯光纤热扩散段2的各个纤芯轴线对准，并进行纤端焊接。然后使用光纤切割刀对渐变折射率大芯径多芯光纤3定长度切割，经过切割后，渐变折射率大芯径多芯光纤3的长度变为0.25P，或者渐变折射率大芯径多芯光纤3的总长度也可以是0.25P长度加上1P长度的整数倍，即0.25P，1.25P，2.25P，3.25P等。即可实现对多芯光纤热扩散段2扩束后的出射光束的准直。

本发明制备多芯光纤微准直器时，多芯光纤1包括但不限于双芯光纤，三芯光纤，五芯光纤，七芯光纤，即多芯光纤1的纤芯数大于等于2。而且对于多芯光纤不同的纤芯分布和纤芯结构，只要满足对渐变折射率大芯径多芯光纤3特殊设计的两个基本原则，都可实现对多芯光纤端出射光束的扩束及准直，且可以解决多芯光纤各个芯之间信号串扰的问题。

实施例1：

本实施例双芯光纤微准直器的结构为双芯光纤-双芯光纤热扩散段-渐变折射率大芯径双芯光纤，即选用双芯光纤，如图5所示。本实施例所选用的双芯光纤1的几何尺寸为，包层52直径为125μm、纤芯51直径均为9μm，两纤芯在一条线上，两纤芯轴线距中心轴间距均为30μm，纤芯51的数值孔径均为0.14；所选用渐变折射率大芯径双芯光纤3的几何尺寸为，外包层8直径为125μm、纤芯9直径均为30μm，纤芯9的数值孔径均为0.14，且纤芯聚焦常数相同。双芯光纤1和渐变折射率大芯径双芯光纤3的纤芯分布相同。所选用光纤的掺杂剂种类均为锗。

本实施例双芯光纤微准直器的制备步骤为：确定双芯光纤1的具体参数，根据渐变折射率大芯径双芯光纤3设计的两个基本原则，对渐变折射率大芯径双芯光纤3的参数进行特殊设计。选取一段双芯光纤1，放入炉子加热区中心轴上作热扩散处理。

热扩散处理的具体实施方式为：选用的炉子加热区长度为3cm，加热区温度场分布如图4所示。一段双芯光纤1放入炉子加热区中心轴上进行热扩散处理，加热区中心位置42温度最高。加热时间为0.2小时，为使双芯光纤热扩散段2渐变为圆对称准高斯分布。

经过热扩散处理的双芯光纤，在加热温度最高点的位置42处对双芯光纤进行切割，即可得到两段双芯光纤1+双芯光纤热扩散段2。取其中一段的双芯光纤1+双芯光纤热扩散段2，将经过特殊设计的渐变折射率大芯径双芯光纤3，纤芯的轴线分别与双芯光纤热扩散段2的纤芯的轴线对准，并进行焊接。在渐变折射率大芯径双芯光纤3的0.25P处进行切割，也可以根据需要在1.25P，2.25P，3.25P等处进行切割。

通过以上的处理方式，即可制备得到双芯光纤微准直器。该双芯光纤微准直器，从双芯光纤1处注入光束，即可实现光束的扩束及准直，并解决了各个芯之间信号串扰的问题。

利用有限元法对光纤热扩散处理过程建立模型，对热扩散处理过程中折射率分布的变化进行仿真，如图6a是双芯光纤微准直器的折射率分布的切面，双芯光纤热扩散段2具有平稳渐变的折射率分布过渡，且是稳定的准高斯分布，因此该双芯光纤微准直器的基模能够高耦合效率的转变为渐变折射率大芯径双芯光纤3的基模。

利用Beam Propagation Method对双芯光纤微准直器进行仿真，仿真结果如图6b所示，是双芯光纤微准直器的纤芯中光束传播的切面图。从仿真结果可以看出，光束在双芯光纤热扩散段2，即61处实现扩束，在渐变折射率大芯径双芯光纤3的62处切割可实现聚焦，在63处切割可实现准直。根据需要在光束准直处，即0.25P，1.25P，2.25P，3.25P等处进行切割，即可实现双芯光纤微准直器的扩束及准直。

利用有限元法分别对双芯光纤端光束出射的光场进行仿真，对双芯光纤微准直器端光束出射的光场进行仿真。如图图6c是双芯光纤端光束出射的光场分布，图6d是双芯光纤微准直器端光束出射的光场分布，图6e是双芯光纤端光束出射光场的光强分布，图6f是双芯光纤微准直器端光束出射光场的光强分布。64处、65处分别是双芯光纤的出射端，双芯光纤微准直器的出射端。光纤端光束出射光场的光强分布取能量最大值的1/2e，从图6e和图6f可以看出，双芯光纤微准直器的准直效果非常好，双芯光纤微准直器端出射光束的传播距离是双芯光纤端出射光束的传播距离的4倍以上。

本发明实施例提供的双芯光纤微准直器，具有制作简单、成本低、结构紧凑的优点。与在先技术相比，由于对渐变折射率大芯径双芯光纤3进行了特殊设计，并采用了热扩散技术，可实现双芯光纤端出射光束的扩束及准直，且解决了各个芯之间信号串扰的问题。

实施例2：

本实施例三芯光纤微准直器的结构为三芯光纤-三芯光纤热扩散段-渐变折射率大芯径三芯光纤，即选用三芯光纤，如图7所示。本实施例所选用的三芯光纤1的几何尺寸为，包层72直径为125μm、纤芯71直径均为9μm，三个芯在一条线上，中间芯位于中心轴上，两侧纤芯距中间芯轴线间距为38μm，纤芯71的数值孔径均为0.14；所选用渐变折射率大芯径三芯光纤3的几何尺寸为，外包层8直径为125μm、纤芯9直径均为30μm，纤芯9的数值孔径均为0.14，且纤芯聚焦常数相同。三芯光纤1和渐变折射率大芯径三芯光纤3的纤芯分布相同。所选用光纤的掺杂剂种类均为锗。

本实施例三芯光纤微准直器的制备步骤为：确定三芯光纤1的具体参数，根据渐变折射率大芯径三芯光纤3设计的两个基本原则，对渐变折射率大芯径三芯光纤3的参数进行特殊设计。选取一段三芯光纤1，放入炉子加热区中心轴上作热扩散处理。

热扩散处理的具体实施方式为：选用的炉子加热区长度为3cm，加热区温度场分布如图4所示。一段三芯光纤1放入炉子加热区中心轴上进行热扩散处理，加热区中心位置42温度最高。加热时间为0.2小时，为使三芯光纤热扩散段2渐变为圆对称准高斯分布。

经过热扩散处理的三芯光纤，在加热温度最高点的位置42处对三芯光纤进行切割，即可得到两段三芯光纤1+三芯光纤热扩散段2。取其中一段的三芯光纤1+三芯光纤热扩散段2，将经过特殊设计的渐变折射率大芯径三芯光纤3，纤芯的轴线分别与三芯光纤热扩散段2的纤芯的轴线对准，并进行焊接。在渐变折射率大芯径三芯光纤3的0.25P处进行切割，也可以根据需要在1.25P，2.25P，3.25P等处进行切割。

通过以上的处理方式，即可制备得到三芯光纤微准直器。该三芯光纤微准直器，从三芯光纤1处注入光束，即可实现光束的扩束及准直，并解决了各个芯之间信号串扰的问题。

利用有限元法对光纤热扩散处理过程建立模型，对热扩散处理过程中折射率分布的变化进行仿真，如图8a是三芯光纤微准直器的折射率分布的切面，三芯光纤热扩散段2具有平稳渐变的折射率分布过渡，且是稳定的准高斯分布，因此该三芯光纤微准直器的基模能够高耦合效率的转变为渐变折射率大芯径三芯光纤3的基模。

利用Beam Propagation Method对三芯光纤微准直器进行仿真，仿真结果如图8b所示，是三芯光纤微准直器的纤芯中光束传播的切面图。从仿真结果可以看出，光束在三芯光纤热扩散段2，即81处实现扩束，在渐变折射率大芯径三芯光纤3的82处切割可实现聚焦，在83处切割可实现准直。根据需要在光束准直处，即0.25P，1.25P，2.25P，3.25P等处进行切割，即可实现三芯光纤微准直器的扩束及准直。

利用有限元法分别对三芯光纤端光束出射的光场进行仿真，对三芯光纤微准直器端光束出射的光场进行仿真。如图图8c是三芯光纤端光束出射的光场分布，图8d是三芯光纤微准直器端光束出射的光场分布，图8e是三芯光纤端光束出射光场的光强分布，图8f是三芯光纤微准直器端光束出射光场的光强分布。84处、85处分别是三芯光纤的出射端，三芯光纤微准直器的出射端。光纤端光束出射光场的光强分布取能量最大值的1/2e，从图8e和图8f可以看出，三芯光纤微准直器的准直效果非常好，三芯光纤微准直器端出射光束的传播距离是三芯光纤端出射光束的传播距离的3倍以上。

本发明实施例提供的三芯光纤微准直器，具有制作简单、成本低、结构紧凑的优点。与在先技术相比，由于对渐变折射率大芯径三芯光纤3进行了特殊设计，并采用了热扩散技术，可实现三芯光纤端出射光束的扩束及准直，且解决了各个芯之间信号串扰的问题。

实施例3：

本实施例五芯光纤微准直器的结构为五芯光纤-五芯光纤热扩散段-渐变折射率大芯径五芯光纤，即选用五芯光纤，如图9所示。本实施例所选用的五芯光纤1的几何尺寸为，包层92直径为125μm、纤芯91直径均为9μm，中间芯位于中心轴上，在正交线上分布着其他四个芯，每个芯轴线与中心轴的间距为38μm，纤芯91的数值孔径均为0.14；所选用渐变折射率大芯径五芯光纤3的几何尺寸为，外包层8直径为125μm、纤芯9直径均为30μm，纤芯9的数值孔径均为0.14，且纤芯聚焦常数相同。五芯光纤1和渐变折射率大芯径五芯光纤3的纤芯分布相同。所选用光纤的掺杂剂种类均为锗。

本实施例五芯光纤微准直器的制备步骤为：确定五芯光纤1的具体参数，根据渐变折射率大芯径五芯光纤3设计的两个基本原则，对渐变折射率大芯径五芯光纤3的参数进行特殊设计。选取一段五芯光纤1，放入炉子加热区中心轴上作热扩散处理。

热扩散处理的具体实施方式为：选用的炉子加热区长度为3cm，加热区温度场分布如图4所示。一段五芯光纤1放入炉子加热区中心轴上进行热扩散处理，加热区中心位置42温度最高。加热时间为0.2小时，为使五芯光纤热扩散段2渐变为圆对称准高斯分布。

经过热扩散处理的五芯光纤，在加热温度最高点的位置对五芯光纤进行切割，即可得到两段五芯光纤1+五芯光纤热扩散段2。取其中一段的五芯光纤1+五芯光纤热扩散段2，将经过特殊设计的渐变折射率大芯径五芯光纤3，纤芯的轴线分别与五芯光纤热扩散段2的纤芯的轴线对准，并进行焊接。在渐变折射率大芯径五芯光纤3的0.25P处进行切割，也可以根据需要在1.25P，2.25P，3.25P等处进行切割。

通过以上的处理方式，即可制备得到五芯光纤微准直器。该五芯光纤微准直器，从五芯光纤1处注入光束，即可实现光束的扩束及准直，并解决了各个芯之间信号串扰的问题。

利用有限元法对光纤热扩散处理过程建立模型，对热扩散处理过程中折射率分布的变化进行仿真，如图10a是五芯光纤微准直器的折射率分布的切面，五芯光纤热扩散段2具有平稳渐变的折射率分布过渡，且是稳定的准高斯分布，因此该五芯光纤微准直器的基模能够高耦合效率的转变为渐变折射率大芯径五芯光纤3的基模。

利用Beam Propagation Method对五芯光纤微准直器进行仿真，仿真结果如图10b所示，是五芯光纤微准直器的纤芯中光束传播的切面图。从仿真结果可以看出，光束在五芯光纤热扩散段2，即101处实现扩束，在渐变折射率大芯径五芯光纤3的102处切割可实现聚焦，在103处切割可实现准直。根据需要在光束准直处，即0.25P，1.25P，2.25P，3.25P等处进行切割，即可实现五芯光纤微准直器的扩束及准直。

利用有限元法分别对五芯光纤端光束出射的光场进行仿真，对五芯光纤微准直器端光束出射的光场进行仿真。如图图10c是五芯光纤端光束出射的光场分布，图10d是五芯光纤微准直器端光束出射的光场分布，图10e是五芯光纤端光束出射光场的光强分布，图10f是五芯光纤微准直器端光束出射光场的光强分布。104处、105处分别是五芯光纤的出射端，五芯光纤微准直器的出射端。光纤端光束出射光场的光强分布取能量最大值的1/2e，从图10e和图10f可以看出，五芯光纤微准直器的准直效果非常好，五芯光纤微准直器端出射光束的传播距离是五芯光纤端出射光束的传播距离的3倍以上。

本发明实施例提供的五芯光纤微准直器，具有制作简单、成本低、结构紧凑的优点。与在先技术相比，由于对渐变折射率大芯径五芯光纤3进行了特殊设计，并采用了热扩散技术，可实现五芯光纤端出射光束的扩束及准直，且解决了各个芯之间信号串扰的问题。

实施例4：

本实施例七芯光纤微准直器的结构为七芯光纤-七芯光纤热扩散段-渐变折射率大芯径七芯光纤，即选用七芯光纤，如图11所示。本实施例所选用的七芯光纤1的几何尺寸为，包层112直径为125μm、纤芯111直径均为9μm，中间芯位于中心轴上，在正六边形的六个角上分布着其他六个芯，每个芯轴线与中心轴的间距为38μm，纤芯111的数值孔径均为0.14；所选用渐变折射率大芯径七芯光纤3的几何尺寸为，外包层8直径为125μm、纤芯9直径均为30μm，纤芯9的数值孔径均为0.14，且纤芯聚焦常数相同。七芯光纤1和渐变折射率大芯径七芯光纤3的纤芯分布相同。所选用光纤的掺杂剂种类均为锗。

本实施例七芯光纤微准直器的制备步骤为：确定七芯光纤1的具体参数，根据渐变折射率大芯径七芯光纤3设计的两个基本原则，对渐变折射率大芯径七芯光纤3的参数进行特殊设计。选取一段七芯光纤1，放入炉子加热区中心轴上作热扩散处理。

热扩散处理的具体实施方式为：选用的炉子加热区长度为3cm，加热区温度场分布如图4所示。一段七芯光纤1放入炉子加热区中心轴上进行热扩散处理，加热区中心位置42温度最高。加热时间为0.2小时，为使七芯光纤热扩散段2渐变为圆对称准高斯分布。

经过热扩散处理的七芯光纤，在加热温度最高点的位置对七芯光纤进行切割，即可得到两段七芯光纤1+七芯光纤热扩散段2。取其中一段的七芯光纤1+七芯光纤热扩散段2，将经过特殊设计的渐变折射率大芯径七芯光纤3，纤芯的轴线分别与七芯光纤热扩散段2的纤芯的轴线对准，并进行焊接。在渐变折射率大芯径七芯光纤3的0.25P处进行切割，也可以根据需要在1.25P，2.25P，3.25P等处进行切割。

通过以上的处理方式，即可制备得到七芯光纤微准直器。该七芯光纤微准直器，从七芯光纤1处注入光束，即可实现光束的扩束及准直，并解决了各个芯之间信号串扰的问题。

利用有限元法对光纤热扩散处理过程建立模型，对热扩散处理过程中折射率分布的变化进行仿真，如图12a是七芯光纤微准直器的折射率分布的切面，七芯光纤热扩散段2具有平稳渐变的折射率分布过渡，且是稳定的准高斯分布，因此该七芯光纤微准直器的基模能够高耦合效率的转变为渐变折射率大芯径七芯光纤3的基模。

利用Beam Propagation Method对七芯光纤微准直器进行仿真，仿真结果如图12b所示，是七芯光纤微准直器的纤芯中光束传播的切面图。从仿真结果可以看出，光束在七芯光纤热扩散段2，即121处实现扩束，在渐变折射率大芯径七芯光纤3的122处切割可实现聚焦，在123处切割可实现准直。根据需要在光束准直处，即0.25P，1.25P，2.25P，3.25P等处进行切割，即可实现七芯光纤微准直器的扩束及准直。

利用有限元法分别对七芯光纤端光束出射的光场进行仿真，对七芯光纤微准直器端光束出射的光场进行仿真。如图图12c是七芯光纤端光束出射的光场分布，图12d是七芯光纤微准直器端光束出射的光场分布，图12e是七芯光纤端光束出射光场的光强分布，图12f是七芯光纤微准直器端光束出射光场的光强分布。124处、125处分别是七芯光纤的出射端，七芯光纤微准直器的出射端。光纤端光束出射光场的光强分布取能量最大值的1/2e，从图12e和图12f可以看出，七芯光纤微准直器的准直效果非常好，七芯光纤微准直器端出射光束的传播距离是七芯光纤端出射光束的传播距离的3倍以上。

本发明实施例提供的七芯光纤微准直器，具有制作简单、成本低、结构紧凑的优点。与在先技术相比，由于对渐变折射率大芯径七芯光纤3进行了特殊设计，并采用了热扩散技术，可实现七芯光纤端出射光束的扩束及准直，且解决了各个芯之间信号串扰的问题。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，但本发明的保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员根据本发明的精神和范围，对本发明进行各种改动和变化，均应包含在本发明权利要求保护范围内。