一种纤维集成的高斯-环形模场适配器的制作方法

本发明涉及的是一种纤维集成的高斯-环形模场适配器，可用于高斯模场光纤与环形模场光纤之间高耦合效率的模场适配，可广泛应用于基于环形模场光纤的多种应用，基于环形模场光纤的光纤集成器件、激光器和传感器等领域，属于纤维集成光纤器件技术领域。

(二)

背景技术：

模场适配技术在光纤激光器和光纤微光学系统设计中起着重要作用。通常，纤芯直径和数值孔径不同的光纤的模场是不同的，两种不同模场的光纤之间的连接通常损耗较大。为了减少连接损耗，模场必须相似。

近年来，引入了各种新型光纤，如微结构光纤、多芯光纤、色散补偿光纤、稀土掺杂光纤和大芯径天文光纤等。如何满足这些特种光纤之间的模场匹配是一个难题。由于这些光纤模场不同于标准单模光纤，而且与现有光学系统不兼容，所以必须在各种光纤和标准单模光纤之间引入合适的模场适配器以减少插入损耗，并尽量减小光纤激光器光束质量的退化。

为了解决上述问题，已经提出了多种解决方法，用来适配不同光纤之间的模场，并具有低耦合损耗。第一种方法是采用光纤拉锥技术，逐渐将一个模场转换为另一个模场(a.ishikura,y.kato,andm.miyauchi,appliedoptics,1986,25:3460-3465)。但是，拉锥会使整个光纤器件更加脆弱，并且与现有熔接技术兼容性较差。第二种方法是采用光纤热扩散技术，局部加热光纤以产生折射率渐变，王智勇等人于2015年公开的一种具有剥离功能的全光纤化的低损耗光纤模场匹配器(中国专利：cn201420652172.2)，主要用来解决单模光纤与大模场光纤之间的模场适配。该方法使折射率具有一定程度的平滑过渡，实现不同模场之间的完全耦合。第三种方法是结合光纤拉锥和热扩散技术，董浩于2013年公开的实现lp01模场直径低损耗变换的光纤模场适配器(中国专利：cn201210320456.7)，通过对大孔径光纤拉锥、对适配光纤纤芯做热膨胀处理，主要用来解决普通单模或近单模高功率光纤激光器输出端光纤到大孔径输送光纤之间的低损耗模场适配。

上述模场适配的方法主要是指模场直径的扩大或缩小。主要解决了单模光纤与大模场光纤之间的模场匹配，不同光纤之间的模场匹配问题仍未得到很好的解决，其中之一是单模光纤与环形模场光纤之间的基模耦合。

上述公开的方法中，虽然都采用了常见的三段式结构，并采用了拉锥或热扩散技术，但是上述方法只能解决单模光纤与大模场光纤之间的模场适配，并不能够解决单模光纤与环形模场光纤之间的模场适配问题。且对适配光纤进行热扩散处理时，没有进行精心设计，使适配光纤与连接光纤的基模场适配，所以上述模场适配器的耦合损耗也相对较高。

由于热扩散技术具有易于实现、成本低和操作简单等优点，热扩散技术在微机电系统，光集成器件，光通信和光纤传感中具有巨大的应用潜力。光纤经过热扩散处理，在热扩散区域形成平滑的折射率渐变，可提供复杂模场之间的模场适配。

本发明公开了一种纤维集成的高斯-环形模场适配器，本发明可用于高斯模场光纤与环形模场光纤之间高耦合效率的模场适配，可广泛应用于基于环形模场光纤的多种应用，基于环形模场光纤的光纤集成器件、激光器和传感器等领域。该模场适配器采用三段式结构(单模光纤-双包层光纤-环形模场光纤)，并通过热扩散技术在特定条件下制备。由于精心设计的双包层光纤的纤芯和单模光纤具有相同的基模场分布，双包层光纤与环形模场光纤热扩散处理形成的平滑的折射率过渡，在熔接点处折射率分布匹配，所以两种光纤的基模具有高耦合效率。与在先技术相比，精心设计的双包层光纤通过热扩散处理，在双包层光纤和环形模场光纤之间形成平滑的折射率过渡，能够高效的实现单模光纤与环形模场光纤的模场适配。该纤维集成的高斯-环形模场适配器具有制作简单、耦合效率高、可批量生产的优点。

(三)

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种耦合效率高、可批量生产的一种纤维集成的高斯-环形模场适配器。

本发明的目的是这样实现的：

该纤维集成的高斯-环形模场适配器由单模光纤1、双包层光纤2和环形模场光纤3连接组成。所述模场适配器中长度在厘米量级以上的双包层光纤2位于单模光纤1和环形模场光纤3之间，两端分别熔接。所述模场适配器在双包层光纤2与环形模场光纤3的熔接点12施加热扩散，热扩散目的是在热扩散区域13形成折射率渐变区，使双包层光纤2的基模能够绝热地转变为环形模场光纤3的基模。所述的双包层光纤2包含纤芯6、内包层7和外包层8，三层波导同轴。

通常，热扩散技术用于模场的扩展，值得注意的是热扩散使光纤掺杂剂分布渐变为更稳定的准高斯分布。为了实现输入模场的匹配，双包层光纤2的纤芯6和所需的输入单模光纤1具有相同的光学参数，包括数值孔径和纤芯直径。在输出环形模场光纤3和双包层光纤2之间的熔接点12处引入热扩散过程，热扩散区域为13，如图1所示，使输出环形模场光纤3和双包层光纤2的折射率分布一致。设计纤维集成的模场适配器的关键，是通过热扩散处理找到一个与输出环形模场光纤3相匹配的双包层光纤2的合适折射率分布。

在热扩散过程中，局部掺杂浓度c随时间t的变化情况可表示为：

其中d是掺杂剂扩散系数；t是加热时间。d取决于掺杂剂种类、主体材料和局部温度。在大多数情况下，当考虑锗在光纤纤芯中的扩散时，我们可以将注意力限制在轴对称几何结构上。此外，加热光纤的温度相对于径向位置r几乎是均匀的，并且假定扩散系数d相对于径向位置r是恒定。在实践中，如果轴向浓度梯度非常小，并且轴向温度梯度仅为几毫米，则轴向上的掺杂剂扩散通常可以忽略。如果忽略轴向和方位角上的扩散，则在圆柱坐标系中简化扩散方程(1)为：

扩散物质的掺杂浓度c是径向距离r和加热时间t的函数。事实上，扩散系数d也受光纤制造工艺的影响，可表示为：

其中t(z)是以开尔文为单位的加热温度，通常取决于炉内光纤的纵向位置；r＝8.3145(j/k/mol)是理想气体常数；参数d0和q从实验数据中获得。考虑初始边界条件

掺杂剂浓度分布c表示为：

其中f(r)是初始浓度分布，在光纤边界表面r＝a处的浓度将降至零。j0是第一类零阶bessel函数，特征值αn是其正根

j0(aαn)＝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是合理的，则可表示为：

其中ncl和nco分别是纤芯和包层的折射率。如图2所示，双包层光纤(如图2a)和环形芯光纤(如图2b)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。曲线21、22、23、24分别为双包层光纤加热0小时、2小时、4小时、6小时后，沿光纤径向方向的折射率分布；曲线25、26、27、28分别为环形芯光纤加热0小时、2小时、4小时、6小时后，沿光纤径向方向的折射率分布。光纤经过一定时间的热扩散处理后，它们的折射率分布趋向于更稳定的准高斯分布。

本发明制备模场适配器时，通过热扩散的方法实现纤维集成的高斯-环形模场光纤高耦合效率的模场适配，需要对双包层光纤2进行精心设计。对双包层光纤2设计的两个基本原则是：(1)双包层光纤2的纤芯6相对于内包层7的数值孔径等于单模光纤1的数值孔径，并且双包层光纤2的纤芯6直径等于单模光纤1的纤芯5直径，满足双包层光纤2的基模与单模光纤1的基模的模场适配；(2)双包层光纤2与环形模场光纤3的横截面上具有相同的初始掺杂总量，且所述的三种光纤的掺杂物质必须一致，使得热扩散区域13上施加的热扩散处理最终在熔接点12实现折射率分布匹配。

炉子加热区温度场分布如图3所示，曲线31为炉子加热区中心轴上的温度分布；32为温度场中心位置，且温度最高。制备模场适配器时，将热扩散区域13放入炉子加热区中心轴上进行热扩散处理，热扩散区域13中心位置温度最高，温度场中心32与熔接点12重合。热扩散区域13长度在厘米量级以上，保证梯度温度场中形成的折射率渐变区缓慢变化。热扩散区域13范围不能覆盖到单模光纤1与双包层光纤2的熔接点11。

精心设计的双包层光纤2通过热扩散处理，在整个光纤器件(即单模光纤-双包层光纤-环形模场光纤光纤链)上实现折射率分布完全地平稳过渡，使得基模在整个光纤链上高效率的转变。本发明提供的高斯-环形模场适配器具有双向使用的特性，可以是光束从单模光纤1到环形模场光纤3传输的模场适配器，也可以是光束从环形模场光纤3到单模光纤1传输的模场适配器。且环形模场光纤3包括但不限于环形芯光纤，同轴双波导光纤，多环形芯光纤。

本发明提供的模场适配器，由单模光纤1、双包层光纤2和环形模场光纤3连接组成。与在先技术相比，精心设计的双包层光纤通过热扩散处理，在双包层光纤和环形模场光纤之间形成平滑的折射率过渡，能够高效的实现单模光纤与环形模场光纤的模场适配。该纤维集成的高斯-环形模场适配器具有制作简单、耦合效率高、可批量生产的优点。

(四)附图说明

图1是一种纤维集成的高斯-环形模场适配器的结构示意图。

图2a是双包层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是环形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是对热扩散区域13作热扩散处理的炉子加热区中心轴上的温度分布的示意图。

图4是环形芯光纤的横截面示意图。

图5a是热扩散处理前熔接点12处的双包层光纤2和环形芯光纤3的折射率分布图，图5b是热扩散处理后熔接点12处的双包层光纤2和环形芯光纤3的折射率分布图，图5c是热扩散处理后热扩散区域13轴向剖面的折射率分布等高线图，图5d是热扩散处理后光纤链的模场传输图。

图6是同轴双波导光纤的横截面示意图。

图7a是热扩散处理前熔接点12处的双包层光纤2和同轴双波导光纤3的折射率分布图，图7b是热扩散处理后熔接点12处的双包层光纤2和同轴双波导光纤3的折射率分布图，图7c是热扩散处理后热扩散区域13轴向剖面的折射率分布等高线图，图7d是热扩散处理后光纤链的模场传输图。

图8是多环形芯光纤的横截面示意图。

图9a是热扩散处理前熔接点12处的双包层光纤2和多环形芯光纤3的折射率分布图，图9b是热扩散处理后熔接点12处的双包层光纤2和多环形芯光纤3的折射率分布图，图9c是热扩散处理后热扩散区域13轴向剖面的折射率分布等高线图，图9d是热扩散处理后光纤链的模场传输图。

(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。

本发明提供的纤维集成的高斯-环形模场适配器的结构为单模光纤-双包层光纤-环形模场光纤，由单模光纤1、双包层光纤2和环形模场光纤3连接组成。所述模场适配器中长度在厘米量级以上的双包层光纤2位于单模光纤1和环形模场光纤3之间，两端分别熔接。所述模场适配器在双包层光纤2与环形模场光纤3的熔接点12施加热扩散，热扩散目的是在热扩散区域13形成折射率渐变区，使双包层光纤2的基模能够绝热地转变为环形模场光纤3的基模。所述的双包层光纤2包含纤芯6、内包层7和外包层8，三层波导同轴。精心设计的双包层光纤2通过热扩散处理在整个光纤链上实现折射率分布完全地平稳过渡，使得单模光纤1的基模能够高耦合效率的转变为环形模场光纤3的基模。

本发明实施例制备模场适配器时，通过热扩散的方法实现纤维集成的高斯-环形模场光纤高耦合效率的模场适配，需要对双包层光纤2进行精心设计。对双包层光纤2设计的两个基本原则是：(1)双包层光纤2的纤芯6相对于内包层7的数值孔径等于单模光纤1的数值孔径，并且双包层光纤2的纤芯6直径等于单模光纤1的纤芯5直径，满足双包层光纤2的基模与单模光纤1的基模的模场适配；(2)双包层光纤2与环形模场光纤3的横截面上具有相同的初始掺杂总量，且所述的三种光纤的掺杂物质必须一致，使得热扩散区域13上施加的热扩散处理最终在熔接点12实现折射率分布匹配。

实施例1：

本实施例高斯-环形模场适配器的结构为单模光纤-双包层光纤-环形芯光纤，即环形模场光纤选用环形芯光纤。本实施例所选用的单模光纤1的几何尺寸为，包层4直径为125μm、纤芯5直径为8μm，纤芯5的数值孔径为0.14；所选用双包层光纤2的几何尺寸为，外包层8直径为125μm、内包层7直径为76.4μm、纤芯6直径为8μm，纤芯6的数值孔径为0.14；所选用环形芯光纤3的横截面如图4所示，环形芯光纤3的包层41直径为125μm、环形芯42的厚度为5μm、环形芯42的内侧到环形芯光纤3轴心的距离为22.5μm。本实施例所选用的双包层光纤2的长度为厘米量级以上。所选用光纤的掺杂剂种类均为锗，双包层光纤2和环形芯光纤3的横截面上初始掺杂总量相同。

本实施例高斯-环形模场适配器的制备步骤为：确定环形芯光纤3具体参数，根据双包层光纤2设计的两个基本原则，选取相应参数的双包层光纤2。截取厘米量级以上的双包层光纤2，双包层光纤2一端与单模光纤1一端熔接，双包层光纤2另一端与环形芯光纤3熔接，将连接后的光纤链热扩散区域13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：热扩散区域13加热长度需要足够长，在厘米量级以上，保证梯度温度场中形成的折射率渐变区缓慢变化。选用的炉子加热区长度为3cm，加热区温度场分布如图3所示。将热扩散区域13放入炉子加热区中心轴上进行热扩散处理，热扩散区域13中心位置温度最高，温度场中心与熔接点12重合，热扩散区域13范围不能覆盖到单模光纤1与双包层光纤2的熔接点11。为使熔接点12处的双包层光纤2与环形芯光纤3折射率分布渐变为圆对称准高斯分布，且双包层光纤2与环形芯光纤3的折射率分布相似，热扩散区域13的加热时间为8小时。

通过以上的处理方式，即可制备得到纤维集成的高斯-环形模场适配器。该模场适配器，具有双向使用的特性，即可以是光束从单模光纤1到环形芯光纤3传输的模场适配器，也可以是光束从环形芯光纤3到单模光纤1传输的模场适配器。通过热扩散处理过程，熔接点12处实现折射率分布匹配，使该模场适配器的单模光纤1的基模能够高耦合效率的转变为环形芯光纤3的基模，或者环形芯光纤3的基模能够高耦合效率的转变为单模光纤1的基模。

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，仿真结果如图5所示。图5a是热扩散处理前熔接点12处的双包层光纤2和环形芯光纤3的折射率分布图，曲线51是双包层光纤2的折射率分布，曲线52是环形芯光纤3的折射率分布；图5b是热扩散处理后熔接点12处的双包层光纤2和环形芯光纤3的折射率分布图，曲线53和曲线54分别是加热8小时后，双包层光纤2和环形芯光纤3的折射率分布，可见熔接点12处双包层光纤2和环形芯光纤3的折射率分布完全匹配(即，在熔接点12处实现了双包层光纤2和环形芯光纤3的折射率分布具有相同的圆对称准高斯分布)；图5c是热扩散处理后热扩散区域13轴向剖面的折射率分布等高线图，可以看出熔接点12两端的双包层光纤2和环形芯光纤3，具有平稳渐变的折射率分布过渡，且熔接点12处的折射率分布匹配，因此该模场适配器单模光纤1的基模能够高耦合效率的转变为环形芯光纤3的基模。利用beampropagationmethod对热扩散处理后的光纤进行仿真处理，仿真结果如图5d所示，为光纤链轴向方向上的模场传输图。从仿真结果可以看出，具有较高的耦合效率，耦合效率为99.2％。

本发明实施例提供的模场适配器，具有双向使用的特性，并且具有制作简单、耦合效率高、可批量生产的优点。与在先技术相比，由于对双包层光纤2进行了精心设计，并采用热扩散技术进行处理，实现了单模光纤与环形芯光纤之间高耦合效率的模场适配。

实施例2：

本实施例高斯-环形模场适配器的结构为单模光纤-双包层光纤-同轴双波导光纤，即环形模场光纤选用同轴双波导光纤。本实施例所选用的单模光纤1的几何尺寸为，包层4直径为125μm、纤芯5直径为8μm，纤芯5的数值孔径为0.14；所选用双包层光纤2的几何尺寸为，外包层8直径为125μm、内包层7直径为74μm、纤芯6直径为8μm，纤芯6的数值孔径为0.14；所选用同轴双波导光纤3的横截面如图6所示，同轴双波导光纤3包层61的直径为125μm、同轴双波导光纤3的环形芯62厚度为5μm、同轴双波导光纤3的环形芯62内侧到同轴双波导光纤3轴心的距离为22.5μm，同轴双波导光纤3纤芯63的直径为8μm。本实施例所选用的双包层光纤2的长度为厘米量级以上。所选用光纤的掺杂剂种类均为锗，双包层光纤2和同轴双波导光纤3的横截面上初始掺杂总量相同。

本实施例高斯-环形模场适配器的制备步骤为：确定同轴双波导光纤3具体参数，根据双包层光纤2设计的两个基本原则，选取相应参数的双包层光纤2。截取厘米量级以上的双包层光纤2，双包层光纤2一端与单模光纤1一端熔接，双包层光纤2另一端与环形芯光纤3熔接，将连接后的光纤链热扩散区域13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与实施例1相同，本实施例中热扩散区域13的加热时间为6小时。

通过以上的处理方式，即可制备得到纤维集成的高斯-环形模场适配器。该模场适配器，具有双向使用的特性，即可以是光束从单模光纤1到同轴双波导光纤3传输的模场适配器，也可以是光束从同轴双波导光纤3到单模光纤1传输的模场适配器。通过热扩散处理过程，熔接点12处实现折射率分布匹配，使该模场适配器的单模光纤1的基模能够高耦合效率的转变为同轴双波导光纤3的基模，或者同轴双波导光纤3的基模能够高耦合效率的转变为单模光纤1的基模。

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，仿真结果如图7所示。图7a是热扩散处理前熔接点12处的双包层光纤2和同轴双波导光纤3的折射率分布图，曲线71是双包层光纤2的折射率分布，曲线72是同轴双波导光纤3的折射率分布；图7b是热扩散处理后熔接点12处的双包层光纤2和同轴双波导光纤3的折射率分布图，曲线73和曲线74分别是加热6小时后，双包层光纤2和同轴双波导光纤3的折射率分布，可见熔接点12处双包层光纤2和同轴双波导光纤3的折射率分布完全匹配(即，在熔接点12处实现了双包层光纤2和同轴双波导光纤3的折射率分布具有相同的圆对称准高斯分布)；图7c是热扩散处理后热扩散区域13轴向剖面的折射率分布等高线图，可以看出熔接点12两端的双包层光纤2和同轴双波导光纤3，具有平稳渐变的折射率分布过渡，且熔接点12处的折射率分布匹配，因此该模场适配器单模光纤1的基模能够高耦合效率的转变为同轴双波导光纤3的基模。利用beampropagationmethod对热扩散处理后的光纤进行仿真处理，仿真结果如图7d所示，为光纤链轴向方向上的模场传输图。从仿真结果可以看出，具有较高的耦合效率，耦合效率为99.5％。

本发明实施例提供的模场适配器，具有双向使用的特性，并且具有制作简单、耦合效率高、可批量生产的优点。与在先技术相比，由于对双包层光纤2进行了精心设计，并采用热扩散技术进行处理，实现了单模光纤与同轴双波导光纤之间高耦合效率的模场适配。

实施例3：

本实施例高斯-环形模场适配器的结构为单模光纤-双包层光纤-多环形芯光纤，即环形模场光纤选用多环形芯光纤。本实施例所选用的单模光纤1的几何尺寸为，包层4直径为125μm、纤芯5直径为8μm，纤芯5的数值孔径为0.14；所选用双包层光纤2的几何尺寸为，外包层8直径为125μm、内包层7直径为76.6μm、纤芯6直径为8μm，纤芯6的数值孔径为0.14；所选用多环形芯光纤3的横截面如图8所示，多环形芯光纤3包层81的直径为125μm、多环形芯光纤3的第二环形芯82内侧到多环形芯光纤3轴心的距离为27.5μm、多环形芯光纤3的第一环形芯83内侧到多环形芯光纤3轴心的距离为12.5μm，两环形芯的厚度均为5μm。本实施例所选用的双包层光纤2的长度为厘米量级以上。所选用光纤的掺杂剂种类均为锗，双包层光纤2和多环形芯光纤3的横截面上初始掺杂总量相同。

本实施例高斯-环形模场适配器的制备步骤为：确定多环形芯光纤3具体参数，根据双包层光纤2设计的两个基本原则，选取相应参数的双包层光纤2。截取厘米量级以上的双包层光纤2，双包层光纤2一端与单模光纤1一端熔接，双包层光纤2另一端与环形芯光纤3熔接，将连接后的光纤链热扩散区域13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与实施例1相同，本实施例中热扩散区域13的加热时间为6小时。

通过以上的处理方式，即可制备得到纤维集成的高斯-环形模场适配器。该模场适配器，具有双向使用的特性，即可以是光束从单模光纤1到多环形芯光纤3传输的模场适配器，也可以是光束从多环形芯光纤3到单模光纤1传输的模场适配器。通过热扩散处理过程，熔接点12处实现折射率分布匹配，使该模场适配器的单模光纤1的基模能够高耦合效率的转变为多环形芯光纤3的基模，或者多环形芯光纤3的基模能够高耦合效率的转变为单模光纤1的基模。

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，仿真结果如图9所示。图9a是热扩散处理前熔接点12处的双包层光纤2和多环形芯光纤3的折射率分布图，曲线91是双包层光纤2的折射率分布，曲线92是多环形芯光纤的折射率分布；图9b是热扩散处理后熔接点12处的双包层光纤2和多环形芯光纤3的折射率分布图，曲线93和曲线94分别是加热6小时后，双包层光纤2和多环形芯光纤3的折射率分布，可见熔接点12处双包层光纤2和多环形芯光纤3的折射率分布完全匹配(即，在熔接点12处实现了双包层光纤2和多环形芯光纤3的折射率分布具有相同的圆对称准高斯分布)；图9c是热扩散处理后热扩散区域13轴向剖面的折射率分布等高线图，可以看出熔接点12两端的双包层光纤2和多环形芯光纤3，具有平稳渐变的折射率分布过渡，且熔接点12处的折射率分布匹配，因此该模场适配器单模光纤1的基模能够高耦合效率的转变为多环形芯光纤3的基模。利用beampropagationmethod对热扩散处理后的光纤进行仿真处理，仿真结果如图9d所示，为光纤链轴向方向上的模场传输图。从仿真结果可以看出，具有较高的耦合效率，耦合效率为99.6％。

本发明实施例提供的模场适配器，具有双向使用的特性，并且具有制作简单、耦合效率高、可批量生产的优点。与在先技术相比，由于对双包层光纤2进行了精心设计，并采用热扩散技术进行处理，实现了单模光纤与多环形芯光纤之间高耦合效率的模场适配。

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。