新型多芯光纤耦合装置及制备方法
阅读说明：本技术 新型多芯光纤耦合装置及制备方法 (Novel multi-core optical fiber coupling device and preparation method ) 是由 贾大功 王绮 李明威 张红霞 杨传浩 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型多芯光纤耦合装置及制备方法,包括输入多芯光纤(1)和输出多芯光纤(3),其中：所述输入多芯光纤(1)和所述输出多芯光纤(3)耦合对准,所述输入多芯光纤(1)和所述输出多芯光纤(3)之间设置耦合件(2),所述耦合件(2)的两端通过光学胶(7)分别与述输入多芯光纤(1)和所述输出多芯光纤(3)相连接；所述耦合件(2)为近似圆台结构,所述耦合件(2)内部设置多个通孔(33),在通孔(33)内部加入折射率匹配液(5),保证光的正常传输。与现有技术相比,本发明实现多芯光纤之间信号传输,结构简单,耦合方便并且效率高。(The invention discloses a novel multi-core fiber coupling device and a preparation method thereof, wherein the novel multi-core fiber coupling device comprises an input multi-core fiber (1) and an output multi-core fiber (3), wherein: the input multi-core fiber (1) and the output multi-core fiber (3) are coupled and aligned, a coupling piece (2) is arranged between the input multi-core fiber (1) and the output multi-core fiber (3), and two ends of the coupling piece (2) are respectively connected with the input multi-core fiber (1) and the output multi-core fiber (3) through optical cement (7); coupling piece (2) are approximate round platform structure, coupling piece (2) inside sets up a plurality of through-holes (33), adds refracting index matching fluid (5) inside through-hole (33), guarantees the normal transmission of light. Compared with the prior art, the multi-core fiber coupling device realizes signal transmission among the multi-core fibers, and has the advantages of simple structure, convenience in coupling and high efficiency.)
技术领域
本发明涉及光纤耦合技术领域，特别是涉及一种新型多芯光纤耦合装置。
背景技术
由于多芯光纤具有多个通道，沿着不同通道传输大量的信息，是未来光通信重要传输媒介物。现在对于多芯光纤的研究越来越多，多芯光纤的规格种类也随之增加。对于不同规格的多芯光纤而言，由于内外径的尺寸不同导致光纤耦合存在困难。常用的光纤耦合的方法主要有拉锥法、透镜耦合法与聚合物波导法。
公开号为US20140119694的美国专利《Techniques and Devices For Low-lossCouplingToAMulticore Fiber》公开了一种具有锥型光纤束的光纤耦合器》，将多根单模光纤按照多芯光纤的芯径间距进行排布，制成锥型光纤束，该锥形光纤束在锥形端部的直径与常规多芯光纤的直径相同，同时在多个输入光纤与多芯光纤的各个纤芯之间实现纤芯间距、模场直径的匹配，该专利主要目的是实现多芯光纤与多根单芯光纤之间低损耗的信号传输，但不适用于两根多芯光纤之间的信号耦合。
授权号为US10234632的美国专利《Connectors For Multicore Optical FibersAnd Methods Thereof》公开了一种用于多芯光纤的连接器。通过改变透镜的尺寸、形状以及微透镜阵列的排布实现多芯光纤与多芯光纤或者其他光学设备之间的耦合。但该方法主要是利用透镜组进行光的空间耦合，不利于后续的封装，及移动，且具有耦合机构复杂的缺点，对于不同结构的多芯光纤，其耦合形式需要重新进行调整，操作困难，且成本较高。
公开号为CN111796361A的中国发明专利《一种多芯光纤耦合器的制备方法》公开了本发明主要适用于含有多个包层的多包层光纤与单模光纤、少模光纤等非多包层光纤之间的连接。将非多包层光纤和多包层光纤熔接后，插入经过加热拉伸的圆形毛细管，并对圆形毛细管的锥腰区进行二次加热拉伸，之后通过切割二次拉伸形成的锥腰区，得到包含非多包层光纤和多包层光纤的中间件，由该中间件的切割端与多芯光纤熔接实现多芯光纤的耦合。该耦合器可扩展性好，但操作繁琐，结构复杂，多次加热拉伸对于带有空气孔的光纤并不适合，容易造成空气孔的塌陷或断裂，破坏多芯光纤结构。
公开号为CN105785511B的中国发明专利《一种基于拉锥自组装的多芯光纤耦合器制备方法》公开了本发明主要是利用拉锥的技术将七芯光纤与七根单模光纤组成的光纤束进行对准耦合。该方法的可扩展性好、成品率高、工艺简洁、操作简单，但是不适合用于纤芯排布结构不同的多芯光纤之间进行耦合，同时对于带有空气孔结构的光纤，拉锥会破坏光纤结构。
公开号为CN105204119A的中国专利《一种基于微孔加工的多芯光纤耦合器制备方法》公开了本发明采用机械钻孔或激光打孔方式在圆柱体套管中加工与多芯光纤的纤芯排布相同的圆柱孔，并将单模光纤插入微孔内构成光纤束，将多芯光纤和单模光纤构成的光纤束置于套管加工出的微孔中，经紫外胶或热固化胶固定，由抛光机抛光端面，再经六维调整平台对准，通过玻璃套管利用紫外胶固定，或使用熔接机对准熔接固定，完成多芯光纤耦合器制备。但该圆柱体套管中加工的通孔主要是用于放置单模光纤，并且该方法主要针对多芯与多根单模光纤之间的耦合，耦合器中加工的通孔的直径为定值，限制其使用的场景。
上述几种耦合器制备方法主要针对两根相同规格的多芯光纤，或者是多芯光纤与具有相同排布的单芯光纤束之间进行耦合，而对于不同规格的光纤，如带空气孔的多芯光纤，包层粗细不同的光纤等并不适用。因此，设计出适用于不同规格的多芯光纤耦合器以实现同种或不同种光纤之间的连接，如何解决这一技术问题显得尤为重要
发明内容
本发明旨在提出一种新型多芯光纤耦合装置及制备方法，利用光学波导耦合的方式实现两根多芯光纤冷连接，所获得的新型多芯光纤耦合装置实现了两根不同类型的多芯光纤之间的连接。
本发明利用以下技术方案实现：
一种新型多芯光纤耦合装置，该装置包括输入多芯光纤1和输出多芯光纤3，其中：
所述输入多芯光纤1和所述输出多芯光纤3耦合对准，所述输入多芯光纤1和所述输出多芯光纤3之间设置耦合件2，所述耦合件2的两端通过光学胶7分别与所述输入多芯光纤1和所述输出多芯光纤3相连接；
所述耦合件2内部设置多个通孔33，放置在两根光纤之间进行耦合；
在通孔33内部加入折射率匹配液5，保证光的正常传输。
所述输入多芯光纤1与输出多芯光纤3分别采用两种不同包层直径、纤芯直径以及纤芯距离的多芯光纤；所述输入多芯光纤1中具有多个输入多芯光纤的纤芯4，所述输出多芯光纤2中具有多个输出多芯光纤的纤芯6。
所述耦合件2为近似圆台结构，所述通孔33为锥形通孔，进一步包括小孔径端8、大孔径端9；位于所述锥形通孔两端的小孔径端8、大孔径端9的直径分别与所述输入多芯光纤的纤芯4、所述输出多芯光纤的纤芯6的直径相同，所述锥形通孔的分布按照输入多芯光纤的纤芯4、输出多芯光纤的纤芯6的分布间距来设置。
所述输入多芯光纤1与输出多芯光纤3采用同种多芯光纤。
所述耦合件2为圆柱形，所述通孔33为圆形通孔。
所述耦合件2进一步包括靠近输入多芯光纤1一侧的为输入端面和靠近输出多芯光纤3一侧的输入端面；输入端面的孔直径与间距与输入多芯光纤的纤芯4直径与间距相同，输出端面的结构与输出多芯光纤的纤芯6的内部结构相同。
所述耦合件2一侧设置有标记结构10。
一种新型多芯光纤耦合装置制备方法，该制备方法包括以下步骤：
首先，利用显微镜观察到输入多芯光纤1和输出多芯光纤3的端面，将多芯光纤分别固定在调整架上，进行光纤对准；
然后，将耦合件2放置在两根输入多芯光纤1和所述输出多芯光纤3之间，利用凸起结构10作为标记，将耦合件2按照所要求的角度进行放置，接下来移动固定有输入多芯光纤1和所述输出多芯光纤3的调整架进行对准，在光纤耦合件2内部加工多个通孔33，该通孔33的任输入孔与输出孔的大小与圆心距均不相同；在耦合件2的通孔33内填满折射率匹配液，构成一种固-液微流体光波导结构；将该耦合件2放置于两种多芯光纤之间，保证光信号的持续传输；待传输的光信号从一侧的多芯光纤中入射到连接件中，通过连接件内将光信号的传输到另一侧的多芯光纤中，完成信号的耦合；
最后，利用点胶针在耦合件2两端涂敷光学胶7进行固定，完成输入多芯光纤1和输出多芯光纤3这两种不同多芯光纤的连接。
与现有技术相比，本发明能够达成以下有益技术效果：
1)实现多芯光纤之间信号传输，无需对多芯光纤进行二次加工，结构简单，不破坏光纤结构，耦合方便并且效率高，方便整体移动，适应性强，
2)适用于任意两种不同纤芯布局、不同直径的光纤之间的耦合，或者两种相同纤芯布局、相同直径的光纤之间的耦合，具有更大的应用范围。
附图说明
图1为本发明的新型多芯光纤耦合装置结构示意图；
图2为耦合件结构示意图；
图3为多芯光纤(以七芯为例)的端面结构示意图，(a)输入多芯光纤；(b)输出多芯光纤；
附图标记：
1、输入多芯光纤，2、耦合件，3、输出多芯光纤，4、输入多芯光纤的纤芯，5、折射率匹配液，6、输出多芯光纤的纤芯，7、光学胶，8、小孔径端，9、大孔径端，10、标记结构，11～17、纤芯，18～24为普通多芯光纤的纤芯，25-31为带有空气孔的多芯光纤的不同纤芯，32、空气孔，33、通孔，34、多芯光纤包层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细说明如下。
如图1所示，本发明的新型多芯光纤耦合装置包括输入多芯光纤1和输出多芯光纤3，所述输入多芯光纤1和所述输出多芯光纤3通过耦合件2相连接，所述输入多芯光纤1中具有多个输入多芯光纤的纤芯4，所述输入多芯光纤1中具有多个输入多芯光纤的纤芯4，所述输出多芯光纤2中具有多个输出多芯光纤的纤芯6。输入多芯光纤1与输出多芯光纤分别采用两种不同包层直径、纤芯直径以及纤芯距离的多芯光纤或者采用同种多芯光纤。在输入多芯光纤1和所述输出多芯光纤3耦合对准后，利用光学胶7将输入多芯光纤1、输出多芯光纤3以及耦合件2进行连接。
如图2所示，为耦合件结构示意图。①对于不同多芯光纤耦合时通孔33为所述耦合件2整体结构类似一个圆台，包括靠近输入多芯光纤1一侧的为输入端面，靠近输出多芯光纤2一侧的输入端面；输入端面的孔直径与间距需要与输入光纤内部的纤芯直径与间距相同，同理输出端面的结构要与输出光纤的内部结构相同。在内部加工多个通孔33，所述通孔33包括小孔径端8、大孔径端9。位于通孔33两端的小孔径端8、大孔径端9的直径分别与输入多芯光纤的纤芯4、输出多芯光纤的纤芯6的直径相同，通孔33的分布按照输入多芯光纤的纤芯4、输出多芯光纤的纤芯6的分布间距来设置。在通孔33内部加入折射率匹配液5，保证光的正常传输。在耦合件2的一侧设置可以用于区别的标记结构10，该结构具体形状例如凸起、凹糟或者T型台，能够保证在放置连接件时，内部孔的排布位置确定，以便后续的对准过程。在实际应用中，耦合件外部的尺寸、内部锥孔的尺寸以及位置需要依据实际应用的多芯光纤进行特定的设计。折射率匹配液5主要用于填充耦合件内部的通孔，其作用是能够保证光信号在耦合件内部进行稳定的传输。位于锥形通孔前后的两端的小孔径端8、大孔径端9的直径与间距要根据所需要进行耦合的输入输出多芯光纤的截面图进行确定。②对于同种多芯光纤耦合时，耦合件2则变成圆柱形，中间的锥形通孔变为圆形通孔，放置在两根光纤之间进行耦合。
如图3所示，为多芯光纤(以七芯为例)的端面结构示意图，(a)为输入多芯光纤1的端面结构示意图，包括纤芯11～17。(b)为输出多芯光纤3的两种端面结构示意图，输出多芯光纤3可以是不同种类的多芯光纤(例如普通多芯光纤包括普通多芯光纤的纤芯18～24；或者带有空气孔的多芯光纤包括带有空气孔的多芯光纤的纤芯25～31，多芯光纤包层34；多芯光纤内部具有空气孔32，在每根纤芯周围呈六边形围绕，降低纤芯之间的串扰。
输入多芯光纤与输出多芯光纤的内部结构、纤芯直径和间距均不同，两根光纤不能直接耦合，常规的耦合方式并不适用，同时当使用带有空气孔的多芯光纤时，拉锥法也会破坏光纤的内部结构，因此设计耦合件实现两根多芯光纤的连接。
利用光学仿真软件进行分析，根据输出光纤的最低损耗确定连接件的长度、材料以及内置匹配液的折射率。由于耦合件2是一个圆台结构，在耦合件的侧边添加一个T型台的结构10，相比于其他的标记能够提供一个安装固定的基准面，可以稳定的放置在调整架上，在光纤进行耦合时，方便后续的调整与连接。
本发明的新型多芯光纤耦合装置制备方法包括以下步骤：
首先利用显微镜观察到输入多芯光纤1和输出多芯光纤3的端面，将多芯光纤光纤以该角度分别固定在调整架上，进行光纤对准；
然后将耦合件2放置在两根输入多芯光纤1和所述输出多芯光纤3之间，利用凸起结构10作为标记，将耦合件2按照所要求的角度进行放置，接下来移动固定有输入多芯光纤1和所述输出多芯光纤3的调整架进行对准，光纤耦合件内部是多个通孔，该锥形通孔输入与输出孔的大小与圆心距均不相同；在耦合件2的通孔33内填满折射率匹配液，构成一种固-液微流体光波导结构；该耦合件2放置于两种多芯光纤之间，保证光信号的持续传输；待传输的光信号从一侧的多芯光纤中入射到连接件中，通过连接件内将光信号的传输到另一侧的多芯光纤中，完成信号的耦合；最后利用点胶针在耦合件2两端涂敷光学胶7进行固定，完成输入多芯光纤1和输出多芯光纤3这两种不同多芯光纤的连接。实际应用中，耦合件需要按照所要连接的两种多芯光纤的纤芯直径和间距进行设计。
该连接件的核心在于通孔33的位置、直径精确，保证通孔33的位置要与多芯光纤的每根对应纤芯对准，同时两端平面加工精度高，端面平整，保证与光纤更好的连接。
该光纤耦合方法主要应用于两根多芯光纤的耦合，光纤耦合件内部是多个通孔，该通孔的输入孔与输出孔的大小与圆心距均不相同。在使用时将耦合件与两侧的多芯光纤对准，然后点涂光学胶(可以是紫外、环氧胶)将多芯光纤与耦合件固定，实现两根多芯光纤的连接。该发明专利可本发明专利中采用的光学胶可以是紫外光学胶、光学环氧胶和特种光学胶等。
所述多芯光纤选择2芯及以上的多芯光纤，如3芯、7芯、19芯及更多，同时适用于各种不同的纤芯间距以及不同内部结构的多芯光纤。
对于同种多芯光纤耦合时，耦合件2则变成圆柱形，中间的锥形通孔变为圆形通孔，放置在两根光纤之间进行耦合。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，不应理解为对本发明的限制。凡本领域的一般技术人员依据本发明的思想相同(或实质等同)、或进行替换的技术方案，均落入本发明专利保护范围。
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