本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种光纤耦合方法、系统、光纤和信号传输装置。
背景技术
目前，空气芯光子带隙光纤独特的光子带隙导光机理使得光在空气中传输，避免了纤芯材料自身的吸收和散射问题，因此不存在传统玻璃光纤中的传输窗口限制，整个波段都可以传输光，且理论上可实现极低的损耗，被认为是下一代光纤通信技术的最佳选择。
由于目前大部分光纤器件都是基于普通单模石英光纤，所以实现空气芯光子带隙光纤与普通单模光纤的高效光耦合十分重要。然而，用传统的电弧放电熔接光纤的方法熔接空气芯光子带隙光纤与普通单模光纤不可避免地造成空气芯光子带隙光纤空气孔的塌陷，从而引入较大的耦合损耗。虽然研究者过去一些年对空气芯光子带隙光纤与普通单模光纤的熔接参数进行了大量优化，例如降低放电强度、减小放电时间以及放电位置偏移中心等，但是每个熔接点引入的耦合损耗仍然高达-2db，更重要的是低损耗的熔接造成熔接点处的机械强度极差。所以空气芯光子带隙光纤与普通单模光纤之间更高效、低损耗和高机械强度的耦合方法还没有实现。
技术实现要素：
本发明实施例的主要目的在于提供一种光纤耦合方法、系统、光纤和信号传输装置，可以有效降低空气芯光子带隙光纤与单模光纤的耦合损耗，并提升两者之间的连接部位的机械强度。
为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供一种光纤耦合方法，该光纤耦合方法包括：
将辅助光纤塞入空气芯光子带隙光纤的空气纤芯中，其中，所述辅助光纤中纤芯材料的折射率高于所述空气芯光子带隙光纤的包层材料的折射率；
对所述空气芯光子带隙光纤中塞入所述辅助光纤的部位进行预设处理，使所述空气芯光子带隙光纤中塞入所述辅助光纤的部位的空气孔塌陷，其中，所述辅助光纤和塌陷的所述空气芯光子带隙光纤形成实芯的折射率引导型光纤，且所述空气芯光子带隙光纤中未塞入所述辅助光纤的部位的空气孔未塌陷；
切割所述折射率引导型光纤以使所述折射率引导型光纤的切割面与待连接的单模光纤的端面适配；
将所述折射率引导型光纤和所述单模光纤连接。
为实现上述目的，本发明实施例第二方面提供一种光纤耦合系统，该光纤耦合系统包括：
第一光纤连接装置，用于将辅助光纤塞入空气芯光子带隙光纤的空气纤芯中，其中所述辅助光纤中纤芯材料的折射率高于所述空气芯光子带隙光纤的包层材料的折射率；
第二光纤连接装置，用于对所述空气芯光子带隙光纤中塞入所述辅助光纤的部位进行预设处理，使所述空气芯光子带隙光纤中塞入所述辅助光纤的部位的空气孔塌陷，其中，所述辅助光纤和塌陷的所述空气芯光子带隙光纤形成实芯的折射率引导型光纤，且所述空气芯光子带隙光纤中未塞入所述辅助光纤的部位的空气孔未塌陷；
光纤切割装置，用于切割所述折射率引导型光纤以使得所述折射率引导型光纤的切割面与待连接的单模光纤的端面适配；
第三光纤连接装置，用于将所述折射率引导型光纤和所述单模光纤连接。
为实现上述目的，本发明实施例第三方面提供一种光纤，该光纤包括：辅助光纤、空气芯光子带隙光纤以及单模光纤；
所述辅助光纤中纤芯材料的折射率大于所述空气芯光子带隙光纤的包层材料的折射率；所述辅助光纤位于所述空气芯光子带隙光纤的空气纤芯内，所述辅助光纤被所述空气芯光子带隙光纤的空气孔塌陷后形成的结构包住以形成实芯的折射率引导型光纤，且所述空气芯光子带隙光纤中未塞入所述辅助光纤的部位未塌陷，所述折射率引导型光纤与所述单模光纤连接，其中，所述折射率引导型光纤的纤芯与所述单模光纤的纤芯连接。
为实现上述目的，本发明实施例第四方面提供一种信号传输装置，该信号传输装置包括上述的光纤。
本发明实施例提供了一种光纤耦合方法、系统、光纤以及信号传输装置，通过本发明通过将辅助光纤塞入空气芯光子带隙光纤的空气纤芯中，对空气芯光子带隙光纤中塞入辅助光纤的部位进行预设处理，使空气芯光子带隙光纤中塞入辅助光纤的部位的空气孔塌陷，以及切割空气孔塌陷形成的折射率引导型光纤以使折射率引导型光纤的切割面与待连接的单模光纤的端面适配，将折射率引导型光纤和单模光纤连接，可以得到新的耦合光纤的结构，相对于采用现有技术对空气芯光子带隙光纤与普通单模光纤进行耦合，会因为空气孔塌陷造成包层对称性晶体结构破坏而产生光能量损耗提升、耦合部位机械强度弱等问题。本发明的实施例中，在耦合的部位，空气芯光子带隙光纤和辅助光纤形成了实芯的折射率引导型光纤，这种结构大大增加了耦合部位的机械强度，降低了空气芯光子带隙光纤与单模光纤的耦合损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种光纤耦合方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中空气芯光子带隙光纤中插入辅助光纤的示意图；
图3为本发明实施例中对插入了辅助光纤的空气芯光子带隙光纤进行电弧放电塌陷空气芯光子带隙光纤的空气孔的示意图；
图4为本发明实施例中切割折射率引导型光纤的示意图；
图5为本发明实施例中连接折射率引导型光纤和单模光纤的示意图；
图6为本发明实施例中采用图1中的光纤耦合方法得到的光纤的结构示意图；
图7为本发明实施例中另一种辅助光纤插入空气芯光子带隙光纤的示意图；
图8为本发明实施例中一种光纤耦合系统的结构示意图；
图9为本发明实施例中一种光纤的结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
采用现有的耦合技术中对空气芯光子带隙光纤和普通的单模光纤进行耦合，在耦合部位，空气芯光子带隙光纤的包层对称性晶体结构被较大程度地破坏，所以耦合部位的光能量损耗较大，传输损耗较大，并且耦合部位的结构比较单薄，所以机械强度较低，增加了传输和敷设的难度。
为了解决上述问题，本实施例提出了一种光纤耦合方法，通过本方法可以得到机械强度更高和耦合损耗更低的光纤。参见图1，本实施例的光纤耦合方法包括：
步骤101、将辅助光纤塞入空气芯光子带隙光纤的空气纤芯中，其中，辅助光纤中纤芯材料的折射率高于空气芯光子带隙光纤的包层材料的折射率；
本实施例中，空气芯光子带隙光纤可以是各种类型、规格和传输波段的空气芯光子带隙光纤。为了保证耦合后光纤的传输质量，需要辅助光纤中纤芯的折射率满足一定的要求。本实施例中，辅助光纤的纤芯材料的折射率略高于空气芯光子带隙光纤的包层材料的折射率，辅助光纤和空气芯光子带隙光纤形成的折射率引导型光纤是单模传输的光纤。可选的，本实施例中，辅助光纤根据通信用的普通单模光纤制成。在一示例中，辅助光纤可以基于纤芯材料的折射率比空气芯光子带隙光纤的包层材料的折射率至少高0.01的普通单模光纤制成。
可选的，辅助光纤的种类包括但不限于微纳光纤。辅助光纤的纤芯材料的折射率可以远大于空气芯光子带隙光纤的包层材料的折射率。
在一个示例中，辅助光纤为通信用单模光纤纤芯，在另一个示例中，辅助光纤由单模光纤的纤芯和部分包层形成的阶跃折射率结构构成。可以理解的是，为了将辅助光纤塞入空气芯光子带隙光纤的空气纤芯中，辅助光纤的直径要略小于空气芯光子带隙光纤的空气纤芯的直径，也即本实施例的辅助光纤和空气芯光子带隙光纤的空气纤芯为间隙配合。但可以理解的是，为了避免耦合部位的机械强度不足，需要避免辅助光纤和空气芯光子带隙光纤的空气纤芯之间的间隙过大。
在本实施例中，将辅助光纤塞入空气芯光子带隙光纤的空气纤芯中的步骤可以由光纤熔接机完成。具体的，将切平端面的空气芯光子带隙光纤和辅助光纤分别放置在光纤熔接机的左、右两个夹具中，在光纤熔接机的观察下，调节光纤熔接机的马达，精确控制空气芯光子带隙光纤的空气纤芯与辅助光纤的位置对准，从而将辅助光纤插入空气芯光子带隙光纤的空气纤芯中。在其它示例中，这个步骤也可以由用户手动完成，例如用户将辅助光纤和空气芯光子带隙光纤分别固定在精密位移平台上，在显微镜的观察下，将辅助光纤塞入空气芯光子带隙光纤的光纤中。
步骤102、对空气芯光子带隙光纤中塞入辅助光纤的部位进行预设处理，使空气芯光子带隙光纤中塞入辅助光纤的部位的空气孔塌陷，其中，辅助光纤和塌陷的空气芯光子带隙光纤形成实芯的折射率引导型光纤，且空气芯光子带隙光纤中未塞入辅助光纤的部位的空气孔未塌陷；
在上述的步骤102中，预设处理的目的是使空气芯光子带隙光纤中塞入辅助光纤的部位的空气孔塌陷形成实芯的折射率引导型光纤，所以预设处理为可以对精确位置进行加热的一种处理方式，具体的加热参数视空气芯光子带隙光纤中隔离各个空气柱的包层材料的熔化参数而定。可选的，在一个示例中，空气芯光子带隙光纤的空气孔的塌陷由电弧放电处理完成。
具体的，上述记载的对空气芯光子带隙光纤中塞入辅助光纤的部位进行预设处理，使空气芯光子带隙光纤中塞入辅助光纤的部位的空气孔塌陷包括：对空气芯光子带隙光纤中塞入辅助光纤的部位进行电弧放电处理，使空气芯光子带隙光纤中塞入辅助光纤的部位的空气孔塌陷。
其中，电弧放电时的放电参数与空气芯光子带隙光纤的材料、粗细、空气柱的多少等有关。放电参数包括但不限于放电强度、放电时长等等。在实芯的折射率引导型光纤的形成过程中，是需要对准空气芯光子带隙光纤的不同位置(属于插入了辅助光纤的部位)进行电弧放电处理(一个位置可能需要多次放电)，可选的，每次放电的放电参数都可以根据实际需要进行调整。
例如，本实施例中选用光纤熔接机对插入辅助光纤的空气芯光子带隙光纤进行电弧放电时，可以在光纤熔接机上选择放电功率：“标准—50bit”，放电时间:“400ms”，根据设置的放电参数对空气芯光子带隙光纤上的一个塌陷位置放电，其中，对相同的塌陷位置的放电次数一般在3-5次，重复放电的实际次数视实际的塌陷情况而定，本实施例中可以通过光纤熔接机对每一次放电的参数进行设置。光纤上一个位置塌陷后，可以将光纤轴向移动一定距离如移动约50微米，再对光纤上与当前塌陷位置相邻的还未塌陷的位置进行放电塌陷。
本实施例中，为了避免空气芯光子带隙光纤上没有插入辅助光纤的部位也塌陷，带来传输损耗，需要辅助光纤塞入空气芯光子带隙光纤的长度足够长，例不低于4cm等。进一步的，辅助光纤插入空气芯光子带隙光纤的部分长于空气芯光子带隙光纤塌陷的部分。
下面结合图2和图3对塌陷塞入了辅助光纤的空气芯光子带隙光纤以得到实芯的折射率引导型光纤的过程进行示例说明。
图2是空气芯光子带隙光纤中插入辅助光纤的示意图，图3为对空气芯光子带隙光纤进行电弧放电塌陷空气芯光子带隙光纤的空气孔的示意图。
图2中的21为空气芯光子带隙光纤，22为辅助光纤。图2中辅助光纤深入空气芯光子带隙光纤的一端为a端，另一端为b端，图2中的辅助光纤的结构为纤芯和部分包层构成的阶跃折射率结构，图2中辅助光纤22外层浅灰色的部分是包层，内层颜色更深的部分是单模光纤纤芯。
本实施例对空气芯光子带隙光纤进行塌陷时，可以从a端附近开始，然后按照从a端向b端的方向依次塌陷空气芯光子带隙光纤的空气孔，每塌陷一个位置，就将两根配合的光纤(21和22)整体向左边移动当前塌陷的位置的长度，然后再继续放电塌陷下一个未塌陷的位置；本实施例也可以从b端附近开始，然后按照从b端向a端的方向依次塌陷空气芯光子带隙光纤的空气孔，本实施例对此没有限制。可选的，从a端开始有一段一定长度(如不低于预设长度)的辅助光纤对应空气芯光子带隙光纤未塌陷。电弧放电后，空气芯光子带隙光纤的空气孔塌陷后的结构紧紧包裹住辅助光纤形成了如图3中31所示的实芯的折射率引导型光纤。
步骤103、切割折射率引导型光纤以使折射率引导型光纤的切割面与待连接的单模光纤的端面适配；
为了便于折射率引导型光纤和单模光纤的连接，需要对折射率引导型光纤进行切割。可选的，可以采用光纤切割刀进行切割，也可以使用飞秒激光切割，使用光纤切割刀时，光纤切割刀的参数可以根据实际的需要调节。
本实施例中，为了切割后折射率引导型光纤的余量还可以继续后续步骤，在步骤102中，折射率引导型光纤的长度要满足一定要求，例如折射率引导型光纤的长度不低于预设长度阈值。
为了便于后续的连接，可选的，如图4所示，切割后的折射率引导型光纤的切割面与其轴线垂直。
步骤104、将折射率引导型光纤和单模光纤连接。
本实施例的一个示例中，可以通过熔接方式连接折射率引导型光纤和单模光纤，可选的，将折射率引导型光纤和单模光纤连接包括：通过熔接的方式对折射率引导型光纤和单模光纤进行连接。
为了便于熔接，如图5所示，将折射率引导型光纤31与待连接的单模光纤51的纤芯对准(单模光纤的端面也是垂直于自身的轴线)，保证两者的轴线在一条直线上，然后进行熔接。本实施例中，可以采用普通单模光纤的熔接参数来对折射率引导型光纤与单模光纤进行熔接得到如图6所示的耦合的光纤。
本实施例的一个示例中，辅助光纤为通信用单模光纤纤芯(这里的单模光纤与步骤104中和折射率引导型光纤连接的单模光纤不同)，将辅助光纤塞入空气芯光子带隙光纤的空气纤芯中前还包括：
通过预设的化学腐蚀法腐蚀待使用光纤的光纤包层得到光纤纤芯作为辅助光纤。
上述的待使用光纤为通信用的普通单模光纤。可选的，本实施例中预设的化学腐蚀法包括但不限于使用氢氟酸腐蚀光纤包层。在本实施例中，可以通过控制腐蚀参数(包括但不限于酸的浓度，腐蚀的时长等)将待使用光纤的包层材料完全腐蚀而保留光纤纤芯不被腐蚀。
本实施例的另一个示例中，辅助光纤由单模光纤的纤芯和部分包层形成的阶跃折射率结构构成，将辅助光纤塞入空气芯光子带隙光纤的空气纤芯中前还包括：
通过预设的化学腐蚀法腐蚀待使用光纤，以得到具有由单模光纤的纤芯和部分包层形成的阶跃折射率结构的辅助光纤。
上述的待使用光纤为通信用的普通单模光纤。可选的，本实施例中预设的化学腐蚀法包括但不限于使用氢氟酸腐蚀一部分光纤包层。在本实施例中，可以通过控制腐蚀参数(包括但不限于酸的类型，浓度以及腐蚀的时长等)，对待使用光纤的包层进行不完全腐蚀以得到辅助光纤。
本实施例中，在腐蚀待使用光纤的光纤包层前，可以通过光纤钳剥掉待使用光纤上光纤包层以外的层结构例如涂覆层等以便进行后续的腐蚀操作。
在本实施例中，直接由结构完整的单模光纤制备辅助光纤时，可以在辅助光纤的一端保留有未被腐蚀的具有完整光纤结构的光纤(如图7中的71)，可便于光纤熔接机夹紧辅助光纤，将其插入空气芯光子带隙光纤的空气纤芯中，
可以理解的是，在对光纤进行腐蚀后，还需要对辅助光纤进行如酸中和等步骤。
本实施例为了解决现有技术中的问题，还提供一种光纤耦合系统，如图8所示，光纤耦合系统包括：
第一光纤连接装置81，用于将辅助光纤塞入空气芯光子带隙光纤的空气纤芯中，其中，辅助光纤中纤芯材料的折射率高于空气芯光子带隙光纤的包层材料的折射率；
第二光纤连接装置82，用于对空气芯光子带隙光纤中塞入辅助光纤的部位进行预设处理，使空气芯光子带隙光纤中塞入辅助光纤的部位的空气孔塌陷，其中，辅助光纤和塌陷的空气芯光子带隙光纤形成实芯的折射率引导型光纤，且空气芯光子带隙光纤中未塞入辅助光纤的部位的空气孔未塌陷；
光纤切割装置83，用于切割折射率引导型光纤以使得折射率引导型光纤的切割面与待连接的单模光纤的端面适配；
第三光纤连接装置84，用于将折射率引导型光纤和单模光纤连接。
可选的，第一光纤连接装置、第二光纤连接装置和第三光纤连接装置均为光纤熔接机，光纤熔接机具体用于对空气芯光子带隙光纤中塞入辅助光纤的部位进行电弧放电处理，使空气芯光子带隙光纤中塞入辅助光纤的部位的空气孔塌陷，以及通过熔接的方式对折射率引导型光纤和单模光纤进行连接。
可选的，辅助光纤为单模光纤的光纤纤芯，或者辅助光纤由单模光纤的纤芯和部分包层形成的阶跃折射率结构构成。
进一步的，本实施例的光纤耦合系统还包括：制备装置，用于通过预设的化学腐蚀法腐蚀待使用光纤的光纤包层得到单模光纤的光纤纤芯作为辅助光纤；或者，通过预设的化学腐蚀法腐蚀待使用光纤，以得到由单模光纤的纤芯和部分包层形成的阶跃折射率结构构成的辅助光纤。在制备装置腐蚀待使用光纤的光纤包层前，可以通过光纤钳剥掉待使用光纤上包层以外的层结构例如涂覆层。
可选的，本示例的辅助光纤的种类包括微纳光纤。辅助光纤插入空气芯光子带隙光纤的部分长于空气芯光子带隙光纤中塌陷的部分。
为了解决现有技术中的问题，本实施例还提供一种光纤，该光纤可通过上述示例中的光纤耦合方法得到。如图9所示，该光纤包括：辅助光纤91、空气芯光子带隙光纤92以及单模光纤93；图9中虚线左边的结构可以认为是辅助光纤91和空气芯光子带隙光纤92形成的包含折射率引导型光纤921的结构，虚线右边的结构可以认为是单模光纤93。
辅助光纤91中纤芯材料的折射率大于空气芯光子带隙光纤92的包层材料的折射率；辅助光纤91位于空气芯光子带隙光纤92的空气纤芯内，辅助光纤91被空气芯光子带隙光纤92的空气孔塌陷后形成的结构包住以形成实芯的折射率引导型光纤921，且空气芯光子带隙光纤中未塞入辅助光纤的部位未塌陷，折射率引导型光纤921与单模光纤93连接，其中，折射率引导型光纤921的纤芯与单模光纤93的纤芯连接。
其中，辅助光纤91为单模光纤的光纤纤芯，或者辅助光纤由单模光纤的纤芯和部分包层形成的阶跃折射率结构构成。辅助光纤的制备方法可以参见其它示例的说明，本示例在此不再赘述。
本示例的辅助光纤为通信用的普通单模光纤，其类型包括但不限于微纳光纤。辅助光纤和空气芯光子带隙光纤形成的实芯的折射率引导型光纤为单模传输的光纤。
本示例的折射率引导型光纤921与单模光纤93连接时互相接触的两个端面匹配(面积大小不一定相等)。本示例中折射率引导型光纤的纤芯与单模光纤可通过熔接的方式连接。熔接参数为普通单模光纤的熔接参数。
本示例中，辅助光纤91塞入空气芯光子带隙光纤92的部分长于空气芯光子带隙光纤中塌陷的部分。
进一步的，本实施例还提供一种信号传输装置，该信号传输装置包括上述示例中的光纤(如图9中的光纤)。
采用本实施例中的方案，可以通过将辅助光纤塞入空气芯光子带隙光纤的空气纤芯中，对空气芯光子带隙光纤中塞入辅助光纤的部位进行预设处理，使空气芯光子带隙光纤中塞入辅助光纤的部位的空气孔塌陷，以及切割折射率引导型光纤以使折射率引导型光纤的切割面与待连接的单模光纤的端面适配，将折射率引导型光纤和单模光纤连接，可以得到新的耦合光纤的结构，相对于采用现有技术对空气芯光子带隙光纤与普通单模光纤进行耦合，会因为空气孔塌陷造成包层对称性晶体结构破坏而产生光能量损耗提升、耦合部位机械强度弱等问题。本发明的实施例中，在耦合的部位，空气芯光子带隙光纤和辅助光纤形成了实芯的折射率引导型光纤，降低了现有技术中因为空气孔塌陷造成的耦合损耗，进而实现空气芯光子带隙光纤与普通单模光纤的高效率、高机械强度耦合，降低了光信号的传输损耗。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置、系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的一种光纤耦合方法、系统、光纤和信号传输装置的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。