一种多芯光纤耦合器及其制备方法与流程

本发明属于光纤通信和传感技术领域，更具体地，涉及一种多芯光纤耦合器及其制备方法。

背景技术：

为满足今后通信系统需求，多芯光纤由于可提供空间这种新的复用维度，可以极大增加通信系统容量，愈发受到重视。多芯光纤通信系统需要与现有单模光纤通信系统相兼容，就需要多芯光纤和单模光纤实现低损耗连接，因此多芯光纤耦合器显得尤为重要，成为推广多芯光纤实际应用与降低成本的关键技术之一。

目前现有多芯光纤耦合器的制作方法主要有几种方式：

拉锥自组装法(专利申请号：201610328915.4)：将经过腐蚀处理的单模光纤插入玻璃套管中，采用氢氧焰对其进行拉锥处理，切割抛光后与多芯光纤熔接实现多芯光纤耦合器的制备。这种多芯光纤耦合器制备方法，需要对单模光纤进行腐蚀处理，其损耗主要由熔接过程所决定。

微孔加工法(专利申请号：201510691273.x)：将经过腐蚀处理的单模光纤和多芯光纤分别插入经过机械钻孔或激光打孔方式处理过的圆柱体套管中，由对准平台实现对准，然后点胶固定实现多芯耦合器的制备。这种多芯光纤耦合器制备方法，其损耗和对准精度主要由打孔精度所决定。

综上所述，目前各类多芯光纤耦合器制备方法，受到加工精度，加工难度，成本以及损耗等各方面影响，造成多芯光纤耦合器成本与性能难以兼得。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多芯光纤耦合器及其制备方法，其目的在于通过将若干部分被去掉涂覆层而另一部分仍保留涂覆层的单模光纤插入经过第一次拉锥的圆形套管中，然后在同一位置进行第二次拉锥，使得单模光纤被圆形套管固定，再对第二次拉锥锥区进行第三次拉锥，使锥腰部分和多芯光纤包层直径大小一致，对锥腰部分进行切割，最后直接和多芯光纤熔接，完成多芯耦合器的制备。本发明提供的基于低熔点套管的多芯光纤耦合器制备方法，具有可扩展性好，制备简单，精度高，成品率高的特点，由此解决现有技术各类多芯光纤耦合器制备方法，受到加工精度，加工难度，成本以及损耗等各方面影响，造成多芯光纤耦合器成本与性能难以兼得的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多芯光纤耦合器的制备方法，包括如下步骤：

(1)剥除n根单模光纤表面的部分涂覆层后获得n根第一中间件；所述第一中间件分为两部分，一部分为仅包含芯层和包层的光纤，另一部分为包含芯层、包层和涂覆层的完整的光纤；

(2)将圆形套管进行第一次拉锥后获得第二中间件；所述第二中间件两端为没有处理过的圆形套管，中间部分为拉锥部分；

(3)将n根所述第一中间件仅包含芯层和包层的光纤按照待熔接的多芯光纤的排列规则插入所述第二中间件中，使n根所述第一中间件仅包含芯层和包层的光纤穿过所述第二中间件的拉锥部分，获得第三中间件；

(4)对所述第三中间件进行第二次拉锥，拉锥位置与所述第一次拉锥的位置相同，获得第四中间件；进行所述第二次拉锥直至所述第四中间件的锥区部分的直径大小能够确保n根所述第一中间件不发生相对位置偏移；

(5)对所述第四中间件进行第三次拉锥，拉锥位置与所述第二次拉锥的位置相同，获得第五中间件；所述第五中间件中的n根单模光纤的排列形状与所述待熔接多芯光纤排列形状相同；

(6)将所述第五中间件的锥区部分进行切割，然后与待熔接多芯光纤对准熔接获得多芯光纤耦合器。

优选地，步骤(2)所述拉锥部分的内径比待熔接多芯光纤直径包含的纤芯数与所述第一中间件的单模光纤去除涂覆层后的直径的乘积大1～2微米。

优选地，所述圆形套管为比石英玻璃熔点低的低熔点套管。

优选地，所述圆形套管材质为高硼硅玻璃或氟化物玻璃。

优选地，所述圆形套管材质为高硼硅玻璃，其熔点为800～900℃；按照质量分数计，其包含80.0％二氧化硅，13.0％氧化硼，4.0％氧化钠，2.0％氧化铝，0.4％氧化钾与0.1％氧化钙。

优选地，步骤(3)插入所述第一中间件时，直至n根第一中间件的剥除涂覆层与未剥除涂覆层的分界处到达第二中间件拉锥部分与未拉锥部分的分界处。

优选地，所述圆形套管为轴向中心具有均匀通孔的套管，或为具有与所述多芯光纤纤芯几何分布排列相同孔径的圆柱体套管。

优选地，步骤(4)所述锥区部分的内径比多芯光纤直径包含的纤芯数和第一中间件单根单模光纤去除涂覆层后的直径乘积小0～5微米。

优选地，步骤(4)所述第四中间件的锥区部分圆形套管的壁厚为30～50微米，使得步骤(6)能够使用材料熔点相同的熔接方法进行熔接。

优选地，步骤(6)所述第五中间件和多芯光纤的熔接过程为：加热源偏向多芯光纤一侧0.01～5毫米，先加热多芯光纤，然后第五中间件以0.1～1.0微米/毫秒的速度靠近多芯光纤，完成熔接；或者加热源在多芯光纤端面处，第五中间件在靠近的过程中进行熔融，然后和多芯光纤完成熔接。

按照本发明的另一个方面，提供了一种多芯光纤耦合器，按照所述的制备方法制备得到。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的多芯光纤耦合器制备方法，只需对单模光纤除去部分涂覆层，不需要腐蚀等操作，可以大大简化前期处理单模光纤的过程；然后将除去部分涂覆层的单模光纤插入进行第一次拉锥处理后的套管中，然后连续在相同的位置再进行两次拉锥，直至与待耦合多芯光纤排列形状相同，切割后与多芯光纤熔接，即获得本发明的多芯光纤耦合器，制备简单，精度高，成品率高。

(2)本发明提供的多芯光纤耦合器制备方法，圆形套管熔点比石英光纤熔点低，其实际为一种基于低熔点套管的多芯光纤耦合器制备方法，其加工难度小，可以达到更高的精度，从而可以提高拉锥精度，实现更高的对准精度和更小的损耗。

(3)本发明提供的多芯光纤耦合器制备方法，相比拉锥自组装法，不需要对单模光纤进行腐蚀，而且拉锥后的低熔点套管可以有不同厚度，方便和多芯光纤的熔接；相比微孔加工法，不需要打孔，操作过程简化，提高了对准精度。

(4)本发明提供的多芯光纤耦合器制备方法，可扩展性良好，例如对于22芯的多芯光纤耦合器，只需要将玻璃套管的内径扩展至1250微米以上即可，对工艺精度要求低。本发明提供的多芯光纤耦合器制备方法，具有适应性强，成本低，精度高，损耗低的特点。

附图说明

图1为单模光纤去除涂覆层结构示意图；

图2为第一次拉锥后的圆形套管截面示意图；

图3为插入单模光纤后圆形套管截面示意图；

图4为圆形套管第二次拉锥后截面示意图；

图5为圆形套管第三次拉锥后截面示意图；

图6为加热源偏向多芯光纤一侧熔接示意图；

图7为多芯光纤截面图和耦合器截面图；

图8为加热源在多芯光纤端面熔接示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-单模光纤，2-圆形套管，3-多芯光纤，4-单模光纤涂覆层，5-单模光纤包层，6-单模光纤芯层，7-加热源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的多芯光纤耦合器的制备方法，包括如下步骤：

(1)剥除n根单模光纤表面的部分涂覆层后获得n根第一中间件；所述第一中间件分为两部分，一部分为仅包含芯层和包层的光纤，另一部分为包含芯层、包层和涂覆层的完整的光纤。优选地，剥除n根单模光纤的涂覆层，然后用蘸有酒精的无尘纸进行除尘后获得第一中间件；第一中间件分为两部分，前端部分为包含芯层和包层的光纤，长度为4～6厘米，后端部分为包含芯层、包层和涂覆层的完整的光纤，长度为1.5～3米，n为大于1的整数；

(2)将圆形套管进行第一次拉锥后获得第二中间件；所述第二中间件两端为没有处理过的圆形套管，中间部分为拉锥部分。优选地，用酒精对圆形套管进行内外清洗，然后将其平放在拉锥装置上，由电脑控制进行第一次自动拉锥，拉锥位置距离圆形套管一端2～3厘米，获得第二中间件；第二中间件分为三部分，前端和后端为没有处理过的圆形套管，中间部分为经过拉锥的圆形套管，前端部分长度为2～3厘米，中间部分长度约为3厘米，后端部分长度为10～15厘米，中间部分的内径比多芯光纤直径包含的纤芯数和第一中间件单根单模光纤去除涂覆层后的直径乘积大1～2微米，以保证n根第一中间件可以插入第二中间件。

优选地方案，圆形套管采用为比石英玻璃熔点低的低熔点套管。比如高硼硅玻璃或氟化物玻璃，进一步优选地，采用一种高硼硅玻璃，其熔点为800～900℃；其主要组分按照质量分数计，包含80.0％二氧化硅，13.0％氧化硼，4.0％氧化钠，2.0％氧化铝，0.4％氧化钾与0.1％氧化钙。

圆形套管也可以为轴向中心具有均匀通孔的套管，或为具有与所述多芯光纤纤芯几何分布排列相同孔径的圆柱体套管。

(3)将n根所述第一中间件仅包含芯层和包层的光纤的一端按照待熔接多芯光纤的排列规则插入所述第二中间件中，使n根所述第一中间件仅包含芯层和包层的光纤穿过所述第二中间件的拉锥部分，获得第三中间件。插入所述第一中间件时，直至n根第一中间件的剥除涂覆层与未剥除涂覆层的分界处到达第二中间件拉锥部分与未拉锥部分的分界处。

(4)对所述第三中间件进行第二次拉锥，拉锥位置与所述第一次拉锥的位置相同，获得第四中间件；进行所述第二次拉锥直至所述第四中间件的锥区部分的直径大小能够确保n根所述第一中间件不发生相对位置偏移。优选地，中间部分的内径比多芯光纤直径包含的纤芯数和第一中间件单根单模光纤去除涂覆层后的直径乘积小0～5微米。具体地，将第三中间件平放在拉锥装置上，由电脑控制进行第二次自动拉锥，拉锥位置为第一次拉锥后的锥区部分，获得第四中间件；所述第四中间件经过拉锥之后可以固定住插入的n根第一中间件，使其截面形状和多芯光纤截面形状相似。

优选的方案，第二次拉锥使第四中间件的锥区部分圆形套管的壁厚为30～50微米，使得步骤(6)可以使用材料熔点相同的熔接方法进行熔接。

(5)对所述第四中间件进行第三次拉锥，拉锥位置与所述第二次拉锥的位置相同，获得第五中间件，所述第五中间件中的n根单模光纤的排列形状与所述待熔接多芯光纤排列形状相同。优选将第四中间件平放在拉锥装置上，由电脑控制进行第三次自动拉锥，拉锥位置为第二次拉锥后的锥区部分，获得第五中间件；第五中间件中的n根光纤排列和多芯光纤纤芯排列形状完全相同。

(6)将所述第五中间件的锥区部分进行切割，然后与待熔接多芯光纤熔接获得多芯光纤耦合器。

优选地，第五中间件和多芯光纤的熔接过程为：加热源偏向多芯光纤一侧0.01～5毫米，先加热多芯光纤，然后第五中间件以0.1～1.0微米/毫秒的速度靠近多芯光纤，完成熔接；或者加热源在多芯光纤端面处，第五中间件在靠近的过程中进行熔融，然后和多芯光纤完成熔接。

以下为实施例：

本发明提供的基于低熔点套管的多芯光纤耦合器制备方法，包括以下步骤：(1)单模光纤预处理；(2)圆形套管第一次拉锥；(3)单模光纤插入圆形套管进行二次拉锥；(4)圆形套管三次拉锥；(5)切割及熔接；实施例1以七芯光纤耦合器的制备为例，对本发明提供的基于低熔点套管的多芯光纤耦合器制备方法进行详细阐述。具体如下：

(1)单模光纤预处理：选取模场和七芯光纤一致的单模光纤1共七根，长度为1.5～2米；如图1所示，剥除七根单模光纤的涂覆层4后获得第一中间件；所述第一中间件分为两部分，前端部分为包含芯层和包层的光纤，长度为4厘米～6厘米，后端部分为包含芯层、包层和涂覆层的完整的光纤，后端长度为1.5米～2米；使用蘸有无水乙醇的无尘纸对第一中间件进行清洁；第一中间件的单模光纤去除涂覆层后的直径为125um。

(2)圆形套管第一次拉锥：对圆形套管2进行内外清洗，然后将其放在拉锥设备上固定，由电脑控制加进行自动拉锥，设置拉锥功率为27～33w，拉锥速度为0.1～0.2mm/s。获得第二中间件，如图2所示；所述第二中间件分为三部分，前端和后端为没有处理过的圆形套管，中间部分为拉锥部分，前端部分长度为10～15厘米，中间部分长度为3厘米，后端部分长度为2～3厘米，中间部分的内径为376～378微米，以保证第一中间件可以插入第二中间件；

上述所采用的圆形套管2，其为轴向中心具有圆形均匀通孔的毛细玻璃管，长度为15～20厘米，玻璃套管材质为高硼硅玻璃，其组分主要包含80.0％二氧化硅，13.0％氧化硼，4.0％氧化钠，2.0％氧化铝，0.4％氧化钾与0.1％氧化钙等，高硼硅玻璃熔点比石英玻璃低，约为800～900℃；

(3)单模光纤插入圆形套管进行二次拉锥：将七根第一中间件从前端插入第二中间件的后端中，使七根第一中间件前端和后端分界处插入到达第二中间件拉锥和未拉锥的分界处，获得第三中间件，其截面如图3所示；将第三中间件放在拉锥装置上，由电脑控制进行第二次自动拉锥，拉锥位置为第一次拉锥后的锥区部分，设置拉锥功率为37～43w，拉锥速度为0.1～0.2mm/s，拉锥后内径减少至375微米，其截面如图4，拉锥之后可以固定住插入的七根单模光纤，使其截面形状和多芯光纤截面形状相似，获得第四中间件；

(4)圆形套管三次拉锥：将第四中间件放在拉锥装置上，由电脑控制进行第三次自动拉锥，拉锥位置为第二次拉锥后的锥区部分，设置拉锥功率为117～123w，拉锥速度为0.1～0.2mm/s。拉锥后锥区内径约为150微米，其中光纤排列和多芯光纤纤芯排列几何相同，大小形状完全相同，截面如图5所示，获得第五中间件；

(5)切割及熔接：将所述第五中间件的锥区部分进行切割后，将包含尾纤的一端与多芯光纤熔接，熔接过程为，加热源偏向多芯光纤一侧0.01～5毫米，先加热多芯光纤，然后第五中间件以0.1～1.0微米/毫秒的速度靠近多芯光纤，完成熔接，获得多芯光纤耦合器，如图6所示。

如图7所示，图(a)为七芯光纤的截面图，图(b)为拉锥后得到的耦合器截面图，它们的纤芯几何排列完全相同。

表1给出了多芯光纤耦合器样品的插入损耗，其中纤芯1为中间芯，纤芯2～7位旁芯，中间芯和旁芯的插入损耗都小于1db，显示出这种方法制造的多芯耦合器的突出优点。

表1多芯光纤耦合器样品插入损耗

实施例2提供一种优选的基于低熔点套管的多芯光纤耦合器制备方法，步骤(2)中所采用的圆形套管，其一端可以制作为喇叭口方便光纤插入且不损伤单模光纤的涂覆层。

实施例3提供一种优选的基于低熔点套管的多芯光纤耦合器制备方法，步骤(2)中所采用的圆形套管，为与所述多芯光纤纤芯几何分布相同的圆柱体套管。

实施例4提供一种优选的基于低熔点套管的多芯光纤耦合器制备方法，步骤(2)中所采用的圆形套管，其材质可以为其他比石英光纤熔点低的材料，例如，氟化物玻璃。

实施例5提供一种优选的基于低熔点套管的多芯光纤耦合器制备方法，步骤(3)中的拉锥过程可以获得圆形套管厚度为30～50微米的第四中间件，使得步骤(5)可以使用材料熔点相同的熔接方法。

实施例6提供一种优选的基于低熔点套管的多芯光纤耦合器制备方法，步骤(5)中熔接过程为，加热源在多芯光纤端面处，第五中间件在靠近的过程中进行熔融，然后和多芯光纤完成熔接，如图8所示。

本发明提供的基于低熔点套管的多芯光纤耦合器制备方法，多芯光纤不限于七个纤芯，其纤芯数量大于2，相邻纤芯排列间距相同，至多纤芯数无限制。

本发明提供的基于低熔点套管的多芯光纤耦合器制备方法，相比拉锥自组装法，不需要对单模光纤进行腐蚀，而且拉锥后的低熔点套管可以有不同厚度，方便和多芯光纤的熔接；相比微孔加工法，不需要打孔，操作过程简化，提高了对准精度。一方面，本方法可扩展性良好，对工艺精度要求低，只需调整圆形套管的加工参数即可实现适应不同纤芯数目的多芯光纤，另一方面，由于圆形套管熔点比石英材料低，易加工，可以有更高的加工精度，从而提高拉锥精度，使成品率提高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。