专利名称：一种光纤合束器制作方法
技术领域：
本发明属于光纤耦合技术领域，具体的说，本发明涉及一种光纤合束器制作方法。
背景技术：
光无源器件是一种能量消耗型器件，包括光连接器、光耦合器、光开关、光衰减器、光隔离器、光滤波器和波分复用/解复用器等器件。其主要功能是对信号或能量进行连接、合成、分叉、转换以及有目的衰减等。因此，光无源器件在光纤通信系统、光纤局域网以及各类光纤传感系统中是必不可少的重要器件。在近几十多年中随着光通信技术的发展，光无源器件在结构和性能方面都有了很大的改进和提高，并已进入实用阶段。
光无源器件的制造方法，早期多采用传统光学的方法。这种用传统光学分立元件构成的光无源器件，其缺点是体积大，质量大，机构松，可靠性差，与光纤不兼容。于是人们纷纷转向全光纤型光无源器件的研究，其中对全光纤定向耦合器的研究最为活跃，进展也最迅速，这不仅因为定向耦合器本身是极为重要的光无源器件，而且它还是许多其他光无源器件的基础。目前全光纤定向耦合器的制造工艺有三类磨抛法、腐蚀法和熔锥法。磨抛法是把裸光纤按一定曲率固定住进行研磨，以除去部分包层，然后把两块这种磨抛好的光纤拼接在一起，利用两光纤之间的模场耦合以构成耦合器；腐蚀法是用化学方法把一段裸光纤包层腐蚀掉，再把两根已腐蚀后的光纤扭绞在一起，构成耦合器；熔锥法是把两根裸光纤靠在一起，在高温焰火中加热使之熔化，同时在光纤两端拉伸，使光纤熔融区成为锥形过渡段，从而构成耦合器。
现在国际上有7×1、19×1等多模泵浦合束器的产品，他们基本都是通过熔锥法制作而成，虽然这种合束器在机械性方面比较稳定可靠，但由于其中分支光纤和合束光纤的芯径差距很大，且是单级结构，故功率不能大幅度地累加。
发明内容
本发明提供了一种光纤合束器制作方法，以实现高功率的光纤耦合输出。
为实现上述发明目的，本发明提供的光纤合束器制作方法包括如下步骤1)如图1所示，取两根同型光纤作为一级光纤4，分别缠在半径为R的圆盘、圆柱或其它旋转体的圆周面上，R=x1-cosθ-d1+d22,]]>其中d1为一级光纤4的芯层直径，d2为一级光纤4的包层直径，x是芯层抛磨深度，θ为两根光纤拼接后所形成的夹角的一半；θ≤cos-1(n2/n1)，其中n1为一级光纤4的芯层材料折射率，n2为一级光纤4的包层材料折射率；2)对光纤进行研磨抛光；在有长度监控的显微镜下进行精确磨抛，使其磨抛至光纤芯层1，其芯层抛磨深度x满足0.38≤x/d1≤0.5。
3)在两个光纤的磨抛面2上均匀涂抹折射率匹配胶，然后将两个磨抛面对接、粘紧，形成一粘接结构(如图1所示)。
4)待粘接处胶固化后，用光纤切割刀在粘接面中央垂直切下，形成一垂直于光纤轴线的截断面3，该截断面3将步骤3)中形成的粘接结构分成左右两个光纤合束单元；5)如图2所示取另一光纤作为二级光纤5，该二级光纤5的参数满足D1≥d1，NA′≥NA，其中D1为二级光纤5的芯层直径，NA为一级光纤4的数值孔径，NA′为二级光纤5的数值孔径；在光纤5的一个端面和光纤合束单元的截断面3处均匀涂抹折射率匹配胶，将光纤5的端面与步骤4)中的光纤合束单元的截断面3拼接、粘牢并等待粘接处胶固化。
上述技术方案中，还包括步骤6)另取一支二级光纤，与步骤5)中的二级光纤按步骤1)、2)、3)的方法进行研磨抛光并粘接；然后再用步骤4)、5)的方法，粘接三级光纤；邻级光纤的各项参数满足 dN≤dN+1，NAN≤NAN+1；其中dN，dN+1为第N，N+1级光纤的芯径，NAN，NAN+1为第N，N+1级光纤的数值孔径。
上述技术方案中，还包括步骤
7)重复进行上述步骤1)、2)、3)、4)、5)的操作，粘接三级光纤11、四级光纤12直至第N级光纤，其中N≤10，从而最终形成树杈型的多级光纤合束器；其中邻级光纤的各项参数满足dN≤dN+1，NAN≤NAN+1；其中dN，dN+1为第N，N+1级光纤的芯径，NAN，NAN+1为第N，N+1级光纤的数值孔径。
上述技术方案中，所述步骤1)中，芯层抛磨深度x根据光纤合束单元所需的功率耦合率p进行选择，它们之间的关系式为P≈sin2[2λU2πn1d1V2K0(4Wx/d1)K1(W)(πd1R2W)1/2],]]>W=d1β2-k02n22/2,]]>U=d1k02n12-β2/2,]]>其中P为功率耦合率，K为第二类变型贝塞尔函数，λ为耦合光波长，V为光纤归一化频率，β为传播常数，k0＝2π/λ。
上述技术方案中，所述步骤1)中，所述折射率匹配胶包括9805型光学胶(材料为丙烯酸酯)。
这种树杈型光纤合束器的制作方法有如下优点它是通过一定参数设定(R，x等参数)的磨抛法制作而成，一致性好、操作方便、体积小、耦合率高且可调；无需光纤熔接机、光纤熔锥机等专业设备，对光纤的兼容性高；在整个系统机械性许可的条件下，能实现多级树杈型结构，而且各级光纤的芯径差距小(可以相等)，从而能实现高功率的耦合输出；能在大多数光纤领域内得到应用，如半导体激光器的光纤耦合输出、光纤激光器的端面泵浦等。
图1是本发明中同级光纤的抛磨拼接示意图；图2是本发明中邻级光纤的拼接示意图；图3是利用本发明进行端面泵浦的示意图；图4是本发明的流程图。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1本实施例的光纤合束器制作方法包括如下步骤1)如图1所示，将两根同型光纤作为一级光纤4，分别缠在半径为R的圆盘、圆柱或其它旋转体的圆周面上，R值的选择原则为保证两根光纤拼接后所形成的角度θ满足一级光纤4芯层的全反射条件，即θ≤cos-1(n2/n1)，其中n1为一级光纤4的芯层材料折射率，n2为一级光纤4的包层材料折射率。所述角度θ是拼接后两光纤在分叉处的轴线夹角的一半。R与θ的关系可以通过几何计算得到R=x1-cos-d1+d22,]]>其中d1为一级光纤4的芯层直径，d2为一级光纤4的包层直径，x是芯层抛磨深度，在本发明中，如图1所示，以下侧光纤为例，与抛磨面2平行的抛磨前的下侧光纤芯层的外切面为抛磨切面10，则抛磨面2至抛磨切面10的距离为芯层抛磨深度x。
2)进行研磨抛光，研磨材料为光纤研磨纸或其他研磨物质。在有长度监控的显微镜(只需在高倍显微镜上加上一面有长度标度的目镜即可)下进行精确磨抛，使其磨抛至光纤芯层1。x是芯层抛磨深度，一般0.38≤x/d1≤0.5。适当选择x，即可调节光纤合束单元(步骤4)所述)的功率耦合率。它们之间的关系式为P=sin2[2λU2πn1d1V2K0(4Wx/d1)K1(W)(πd1R2W)1/2],]]>W=d1β2-k02n22/2,]]>U=d1k02n12-β2/2,]]>其中P为功率耦合率，K为第二类变型贝塞尔函数，λ为耦合光波长，V为光纤归一化频率，β为传播常数，k0＝2π/λ。
3)在两个光纤的磨抛面2上均匀涂抹折射率匹配胶，然后将两个磨抛面对接、粘紧，形成一粘接结构(如图1所示)。本实施例中的折射率匹配胶采用了9805型光学胶，其主要材料为丙烯酸酯。
4)待粘接处稳定后(主要是胶固化，约半小时)，用光纤切割刀在粘接面中央垂直切下，形成一垂直于光纤轴线的截断面3。该截断面3将步骤3)中形成的粘接结构分成左右两部分，任取其一就是一个光纤合束单元；5)如图2所示取另一光纤作为二级光纤5，该二级光纤5的参数满足D1≥d1；NA′≥NA，其中D1为二级光纤5的芯层直径，NA为一级光纤4的数值孔径，NA′为二级光纤5的数值孔径。在光纤5的一个端面和光纤合束单元的截断面处均匀涂抹折射率匹配胶，将光纤5的端面与步骤4)中的光纤合束单元的截断面3拼接、粘牢。等待约半小时，使得粘接处胶固化。
6)再用另一支与光纤5同类型的光纤作为二级光纤，与上述步骤中的二级光纤5按步骤1)、2)、3)的方法进行研磨抛光并粘接；然后再用步骤4)、5)的方法，粘接三级光纤。
7)重复进行上述步骤1)、2)、3)、4)、5)的操作，粘接三级光纤11、四级光纤12直至第N级光纤(N的范围取决于光纤和匹配胶的特性，一般N≤10)，从而最终形成树杈型的多级光纤合束器。邻级光纤的各项参数满足dN≤dN+1，NAN≤NAN+1。其中dN，dN+1为第N，N+1级光纤的芯径，NAN，NAN+1为第N，N+1级光纤的数值孔径。
在利用本发明进行端面泵浦时，如图3所示用若干半导体激光二极管(英文简称为LD)在树杈型光纤合束器6的输入端端面进行耦合；再将树杈型光纤合束器的输出端(图中为四级光纤)和掺稀土元素(如镱、铒等)光纤7进行耦合，在掺稀土元素光纤7的两边加上前腔镜8、后腔镜9，从而实现光纤激光器的端面泵浦；这种端面泵浦与传统的端面泵浦的区别在于它没有限制泵浦源的功率，可以实现高功率光纤激光器的激光输出，因为树杈型光纤合束器可以有很多分支，可以进行多个LD的绑定，以实现功率的累加。
权利要求
1.一种光纤合束器制作方法，其特征在于包括如下步骤1)取两根同型光纤作为一级光纤(4)，分别缠在半径为R的圆盘、圆柱或其它旋转体的圆周面上，其中R=x1-cosθ-d1+d22,]]>d1为一级光纤(4)的芯层直径，d2为一级光纤(4)的包层直径，x是芯层抛磨深度，θ为两根光纤拼接后所形成的夹角的一半；θ≤cos-1(n2/n1)，其中n1为一级光纤(4)的芯层材料折射率，n2为一级光纤(4)的包层材料折射率；2)对光纤进行研磨抛光；在有长度监控的显微镜下进行精确磨抛，使其磨抛至光纤芯层(1)，其芯层抛磨深度x满足0.38≤x/d1≤0.5；3)在两个光纤的磨抛面(2)上均匀涂抹折射率匹配胶，然后将两个磨抛面对接、粘紧，形成一粘接结构；4)待粘接处胶固化后，用光纤切割刀在粘接面中央垂直切下，形成一垂直于光纤轴线的截断面(3)，该截断面(3)将步骤3)中形成的粘接结构分成左右两个光纤合束单元；5)取另一光纤作为二级光纤(5)，该二级光纤(5)的参数满足D1≥d1，NA′≥NA，其中D1为二级光纤(5)的芯层直径，NA为一级光纤(4)的数值孔径，NA′为二级光纤(5)的数值孔径；在二级光纤(5)的一个端面和光纤合束单元的截断面(3)处均匀涂抹折射率匹配胶，将二级光纤(5)的端面与步骤4)中的光纤合束单元的截断面(3)拼接、粘牢并等待粘接处胶固化。
2.按权利要求1所述的光纤合束器制作方法，其特征在于，还包括步骤6)另取一支二级光纤，与所述步骤5)中的二级光纤按所述步骤1)、2)、3)的方法进行研磨抛光并粘接；然后再用所述步骤4)、5)的方法，粘接三级光纤；邻级光纤的各项参数满足dN≤dN+1，NAN≤NAN+1；其中dN，dN+1为第N，N+1级光纤的芯径，NAN，NAN+1为第N，N+1级光纤的数值孔径，其中N＝2。
3.按权利要求1所述的光纤合束器制作方法，其特征在于，还包括步骤7)重复进行上述所述步骤1)、2)、3)、4)、5)的操作，粘接三级光纤(11)、四级光纤(12)直至第N级光纤，其中N≤10，从而最终形成树权型的多级光纤合束器；其中邻级光纤的各项参数满足dN≤dN+1，NAN≤NAN+1；其中dN，dN+1为第N，N+1级光纤的芯径，NAN，NAN+1为第N，N+1级光纤的数值孔径。
4.按权利要求1所述的光纤合束器制作方法，其特征在于，所述步骤1)中，芯层抛磨深度x根据光纤合束单元所需的功率耦合率p进行选择，它们之间的关系式为P=sin2[2λU2πn1d1V2K0(4Wx/d1)K1(W)(πd1R2W)1/2],]]>W=d1β2-k02n22/2,]]>U=d1k02n12-β2/2,]]>其中P为功率耦合率，K为第二类变型贝塞尔函数，λ为耦合光波长，V为光纤归一化频率，β为传播常数，k0＝2π/λ。
5.按权利要求1所述的光纤合束器制作方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述折射率匹配胶包括9805型光学胶。
全文摘要
本发明涉及一种光纤合束器制作方法。本发明提供的光纤合束器制作方法，包括取两根同型光纤按一定的曲率、抛磨深度进行抛磨，然后用折射率匹配胶在抛磨面进行拼接；待粘接处胶固化后进行垂直切割，再在切割面处粘接下一级光纤的端面；不断重复上述过程，从而最终形成树杈型的多级光纤合束器。本发明通过一定参数设定的磨抛法制作而成，一致性好、操作方便、体积小、耦合率高且可调；无需光纤熔接机、光纤熔锥机等专业设备，对光纤的兼容性高；能实现高功率的耦合输出；能在大多数光纤领域内得到应用，如半导体激光器的光纤耦合输出、光纤激光器的端面泵浦等。
文档编号G02B6/25GK1979239SQ20051012643
公开日2007年6月13日 申请日期2005年12月9日 优先权日2005年12月9日
发明者冯小明, 方高瞻, 刘媛媛, 王翠鸾, 王晓薇, 马骁宇 申请人:中国科学院半导体研究所