CN109581598B - 一种同轴双波导光纤连接器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种同轴双波导光纤连接器。其特征是：它由标准单模光纤、多芯光纤连接器、多芯光纤和同轴双波导光纤组成。所述系统中：多芯光纤的一端通过多芯光纤连接器实现每根纤芯和单模光纤的连接，多芯光纤的另一端和同轴双波导光纤进行拉锥切割，调整二者几何结构参数后焊接，实现多芯光纤中间芯和同轴双波导光纤中间芯、多芯光纤偏置纤芯和同轴双波导光纤的环形芯连接。本发明可用于同轴双波导光纤的光路连接。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种同轴双波导光纤连接器，属于光纤器件技术领域。
(二)背景技术
近些年来，随着通信和传感应用的需求，各种各样的特种光纤被发明出来。例如具备有微孔结构的悬挂芯光纤，多个纤芯波导的多芯光纤，环形波导纤芯的环形芯光纤，布拉格光纤，同轴双波导光纤等等。虽然这些特种光纤都具备有很大的应用潜力和巨大的经济价值，但是由于这些光纤结构的特殊性，其光路连接并不像标准单模光纤那样，通过普通商用的光纤焊接机就能简单焊接。因此，这些特种光纤和标准光纤的高效低损耗连接是其能否得到广泛应用的关键所在。
专利CN101825741B提出过一种同轴双波导光纤，该光纤具备一个中间纤芯波导和一个同轴分布的环形纤芯波导。这种同轴双波导光纤在后续的发展中得到了很多的应用。例如专利CN101907743B中提出使用这种同轴双波导光纤制备了一种吞吐式光纤光镊，能够用于细胞等微小粒子的捕获、吞吐震荡；专利CN106770167A中提出了使用同轴双波导光纤制备了一种光镊式光纤拉曼探针，能够在稳定捕获细胞的同时对细胞进行拉曼光谱的激发与收集，在细胞生物组分分析上有很大的应用前景；在文章《Fiber based optical gunfor particle shooting》中提出了一种基于同轴双波导光纤的光枪，用于细胞微粒的定向弹射，这为细胞的操作又提供了一种新的方法(Deng H,Zhang Y,Yuan T,et al.Fiberbased optical gun for particle shooting[J].Acs Photonics,2017,4(3).)。
在现有的同轴双波导光纤的应用中，采用的向两个纤芯波导中耦合注光的方法一般有两种：熔融拉锥耦合和侧抛耦合。熔融拉锥耦合是指将同轴双波导光纤的中间芯和标准单模光纤焊接后，对同轴双波导光纤熔融拉锥，使得中间芯的光耦合进环形芯当中，该方法使得光纤变得很细，机械强度大大降低，并且两个纤芯波导内的光功率难以独立控制。侧抛耦合是将同轴双波导光纤和单模光纤侧抛后对准拼合，单模光纤纤芯和同轴双波导光纤的环形纤芯相互接近，从而实现环形芯纤芯的光路耦合，同轴双波导光纤的一端和标准单模光纤焊接，实现中间芯的光路耦合。但是侧抛耦合对光纤侧抛技术和光纤对准封装技术要求苛刻，并且受外界环境的影响很大，稳定性很差。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、稳定性好、两个纤芯波导独立控制并且耦合效率高的同轴双波导光纤连接器。
本发明的目的是这样实现的：
一种同轴双波导光纤连接器，其特征是：它由标准单模光纤、多芯光纤连接器、多芯光纤和同轴双波导光纤组成。所述系统中：多芯光纤的一端通过多芯光纤连接器实现每根纤芯和单模光纤的连接，多芯光纤的另一端和同轴双波导光纤调整几何结构参数，使得纤芯位置匹配后焊接，实现多芯光纤中间芯和同轴双波导光纤中间芯、多芯光纤偏置纤芯和同轴双波导光纤的环形芯连接。
所述的同轴双波导光纤具备一个中间纤芯波导和一个同轴的环形芯波导。
所述的多芯光纤具有一个中间纤芯波导，一个或多个同轴圆周分布的偏置纤芯波导。
所述的一种同轴双波导光纤连接器，当多芯光纤的中间纤芯和偏置纤芯的中心距与同轴双波导光纤的中间芯和环形芯的中心间距相等时，直接焊接两光纤；当多芯光纤的中间纤芯和偏置纤芯的中心距与同轴双波导光纤的中间芯和环形芯的中心间距不相等时，对多芯光纤和同轴双波导光纤熔融拉锥，进行尺寸调整，实现几何结构参数的匹配后再焊接。
所述的一种同轴双波导光纤连接器，其中多芯光纤通过商业化的多芯光纤连接器实现每个纤芯和标准单模光纤连接，从而每条光路都能得到单独控制。
所述的同轴双波导光纤连接器的制备方法为：
步骤1：选择合适的多芯光纤和多芯光纤连接器并连接，使得多芯光纤的每根纤芯和标准单模光纤连接，实现多芯光纤每个纤芯光路的单独控制；
步骤2：将多芯光纤和同轴双波导光纤分别进行熔融拉锥，调整二者在锥腰处的光纤结构尺寸，使其匹配。为了保证光纤的机械强度，两者拉锥的锥腰处的直径不应太细，纤芯仍旧能够低损耗传输光束；
步骤3：将两光纤在锥腰处切割，并对准纤芯焊接，使得多芯光纤的中间芯和同轴双波导光纤的中间芯对准连接，多芯光纤的偏置纤芯和同轴双波导光纤的环形芯对准连接。
相比较于同轴双波导光纤熔融拉锥耦合的方法，本发明不需要将光纤拉至很细，这使得光纤器件的机械强度得到了保障，并且实现了环形芯波导和中间芯波导独立光路控制的功能；相比较于侧抛耦合的方法，本发明稳定性更好，制备方法更简单。因此本发明具有简单紧凑、稳定性好、两个纤芯波导独立控制并且耦合效率高的优点。
(四)附图说明
图1是同轴双波导光纤连接器的结构示意图，虚线框内对应于多芯光纤和同轴双波导光纤的连接的局部放大图。
图2(a)是同轴双波导光纤的端面结构图，图2(b)为端面虚线处的折射率分布。
图3(a)是双芯光纤端面结构图，图3(b)为双芯光纤端面虚线处的折射率分布。
图4是可采用的多种多芯光纤端面结构图，图4(a)三芯光纤、图4(b)四芯光纤、图4(c)五芯光纤。
图5为采用双芯光纤为输入光纤的情况下，双芯光纤的偏芯向同轴双波导光纤的环形芯内注光的仿真结果。
图6为采用五芯光纤为输入光纤的情况下，五芯光纤的四个偏芯向同轴双波导光纤的环形芯内注光的仿真结果。
图7为对偏芯双芯光纤熔融拉锥进行结构尺寸调整后，切割和同轴双波导光纤焊接示意图。
图8为对同轴双波导光纤熔融拉锥进行结构尺寸调整后，切割和偏芯双芯光纤焊接示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来进一步阐述本发明。
图1是本发明所述的同轴双波导光纤连接器的结构示意图，结构中包含同轴双波导光纤1、双芯光纤2、标准的单模光纤3和双芯光纤连接器4。其中同轴双波导光纤1的端面结构图如图2(a)所示，其具备一个中间纤芯1-1和一个同轴分布的环形芯1-2，图2(b)是图2(a)中虚线处的折射率分布，中间芯和环形芯与包层之间的折射率差可以相同，也可以不同。采用的双芯光纤的端面结构图如图3(a)所示，其具备一个中间芯2-1和一个偏置的纤芯2-2，同样的，图3(b)是图3(a)中虚线处的折射率分布。实际上，双芯光纤也可以被其他的多芯光纤替代，如图4所示的3种多芯光纤，这些光纤具有一个中间芯和同轴圆周分布的多个偏置纤芯。多芯光纤的中间芯连接同轴双波导光纤，偏置的周边纤芯连接同轴双波导光纤的环形芯。
实施例1：
采用双芯光纤来进行本实施例的描述。当双芯光纤2的中间纤芯2-1和偏置纤芯2-2的中心距离与同轴双波导光纤1的中间纤芯1-1和环形芯1-2中心距离相等时，可以直接将双芯光纤2和同轴双波导光纤1直接对芯焊接，如图1虚线框内的局部放大图所示。
为了描述本发明的连接效果，对采用双芯光纤的同轴双波导光纤连接器进行了仿真分析。仿真结果如图5所示，其中图5(a)表示z＝0μm处，从双芯光纤2的偏芯2-2内输入光束，图5(b)、(c)和(d)分别表示偏芯中的光束在输入同轴双波导光纤的环形芯1-2后，在z＝500μm，z＝1000μm和z＝4000μm处的传输光场。可以看出光束从双芯光纤的偏芯2-2中输入同轴双波导光纤的环形芯1-2后，基本上全部束缚在环形芯1-2中传输，并且光场由高斯光场沿着环形芯1-2圆周扩散，直至充满环形芯内部。由于仿真采用的是单波长的相干光束，所以光束在环形芯1-2内传输会出现多模干涉，形成光束分瓣现象，如图5(d)所示。但是在同轴双波导光纤的应用中，可以采用非相干光束作为环形芯内的输入光束，就避免了分瓣现象的产生。
由于上述采用的是双芯光纤，只含有一个偏置的纤芯2-2，所以偏芯2-2中的光束在输入环形芯中，传输一段距离后仍旧会出现光场不轴对称的情况，这将会影响同轴双波导光纤的应用(如在光纤光镊的应用中，要求环形光场轴对称均匀分布，CN101907743B)。这种情况下，可以采用具有轴对称同轴分布的多个偏置纤芯的多芯光纤作为输入光纤。如图6所示，采用五芯光纤作为输入光纤，其中图6(a)表示z＝0μm处，从五芯光纤的四个偏芯5-2内输入光束，图6(b)、(c)和(d)分别表示偏芯5-2中的光束在输入同轴双波导光纤的环形芯1-2后，在z＝500μm，z＝1000μm和z＝4000μm处的传输光场，可以看出光场在环形芯1-2中传输的过程中一直保持轴对称分布。
实施例2：
采用双芯光纤来进行本实施例的描述。当双芯光纤2的中间纤芯和偏置纤芯的中心距离与同轴双波导光纤1的中间纤芯和环形芯中心距离不相等时，需要通过熔融拉锥的方法对光纤的结构尺寸进行微调整，使其匹配。为了保证光纤的机械强度，两者拉锥的锥腰处的直径不应太细，纤芯仍旧能够低损耗传输光束。图7为对偏芯双芯光纤熔融拉锥进行结构尺寸调整后，切割和同轴双波导光纤焊接示意图，部位3为熔融拉锥，调整尺寸区域。图8为对同轴双波导光纤熔融拉锥进行结构尺寸调整后，切割和偏芯双芯光纤焊接示意图，部位3为熔融拉锥，调整尺寸区域。
Claims (2)
1.一种同轴双波导光纤连接器，其特征是：它由标准单模光纤、多芯光纤连接器、多芯光纤和同轴双波导光纤组成；所述组成中：多芯光纤的一端通过多芯光纤连接器实现每根纤芯和单模光纤的连接，多芯光纤的另一端和同轴双波导光纤调整几何结构参数，使得纤芯位置匹配后焊接，实现多芯光纤中间芯和同轴双波导光纤中间芯、多芯光纤偏置纤芯和同轴双波导光纤的环形芯连接；
所述的同轴双波导光纤具备一个中间纤芯波导和一个同轴的环形芯波导；
所述的多芯光纤具有一个中间纤芯波导，一个或多个同轴圆周分布的偏置纤芯波导。
2.根据权利要求1所述的一种同轴双波导光纤连接器，其特征是：当多芯光纤的中间纤芯和偏置纤芯的中心距与同轴双波导光纤的中间芯和环形芯的中心间距相等时，直接焊接两光纤；当多芯光纤的中间纤芯和偏置纤芯的中心距与同轴双波导光纤的中间芯和环形芯的中心间距不相等时，对多芯光纤和同轴双波导光纤熔融拉锥，进行尺寸调整，实现几何结构参数的匹配后再焊接。
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Application publication date: 20190405 Assignee: Guilin Qixing District Fiber Optic New Technology Development Center Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980045912 Denomination of invention: A coaxial dual waveguide fiber optic connector Granted publication date: 20200911 License type: Common License Record date: 20231108 |