專利名稱：一種寬光譜光纖準(zhǔn)直器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于準(zhǔn)直、擴(kuò)大光纖傳輸光束直徑的具有消色差功能的寬光譜光纖準(zhǔn)直器。該準(zhǔn)直器主要用于光纖之間、光纖和波導(dǎo)以及其它芯片之間寬光譜信號耦合連接的光通信及光電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖準(zhǔn)直器是一種廣泛應(yīng)用于光纖通信等系統(tǒng)的無源器件，其主要作用是將出射的光束變成平行光束，或者將平行光束匯聚到光纖中。常規(guī)的準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)由光纖頭和一個(gè)起準(zhǔn)直作用的透鏡組成。目前準(zhǔn)直透鏡主要有三種自聚焦透鏡、C透鏡和球透鏡。該類準(zhǔn)直器的使用減少了光纖與光纖以及光纖與其他光學(xué)器件耦合時(shí)的連接損耗，起到準(zhǔn)直和擴(kuò)大光纖傳輸中光束直徑的作用，被廣泛地應(yīng)用于光束準(zhǔn)直，光束耦合，光隔離器，光衰減器，光開關(guān)，環(huán)形器，微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)，密集波分復(fù)用器中。隨著光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，準(zhǔn)直器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，同時(shí)對準(zhǔn)直器的要求也不斷提高，在有些場合下， 比如要求器件小型化的場合，普通準(zhǔn)直器由于出射光斑孔徑角太大已經(jīng)難以滿足要求。且由于單模光纖(SMF)的芯徑只有多模光纖的十分之一，即8 ΙΟμπι左右，單模光纖之間的耦合，單模光纖和其他波導(dǎo)器件的耦合一直都是光耦合中的難題。一些特殊的光纖如摻鉺光纖的模場直徑為4 5 μ m，色散位移光纖為7 μ m左右，都比單模光纖直徑還要小一些，一般波導(dǎo)尺寸比單模光纖更小，寬度僅幾個(gè)微米，厚度甚至不到一微米，它們和單模光纖耦合時(shí)存在模場尺寸的不匹配，這種不匹配導(dǎo)致耦合連接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大損耗。尤其是在大規(guī)模波導(dǎo)陣列(幾十甚至幾百通道)耦合中，要實(shí)現(xiàn)陣列中所有通道的快速精確耦合對準(zhǔn)是有困難的。單模光纖具有非常寬的帶寬，在1. 31 μ m(l. 25 1. 35 μ m)波段和 1. 55ym(l. 50 1. 60 μ m)波段，都具有高達(dá)IOOnm的低損耗傳輸范圍，總的帶寬為30THz。 而另一個(gè)方面，作為光源的半導(dǎo)體激光器的線寬已小于0. lnm，因此，在一根單模光纖中，可同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長的信號。波分復(fù)用技術(shù)正是基于這種思想，通過在一根單模光纖中傳輸多個(gè)信道信號，來大幅度增加通信容量。傳播信號的譜寬必然導(dǎo)致傳播過程中的色散損耗，色散損耗會(huì)導(dǎo)致數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的光脈沖畸變，使傳輸?shù)男盘柺д?。傳統(tǒng)的光纖準(zhǔn)直器在其使用過程中，出射光斑、孔徑角及插入損耗等并沒有得到良好的改善。如果能夠改變光纖纖芯半徑從而控制輸出光斑的模場直徑以適合不同尺寸的耦合對象就可以使耦合對準(zhǔn)過程大大簡化。如果能降低光纖準(zhǔn)直器插入損耗的同時(shí)使出射光束具有大出射光斑、小孔徑角，就可以在相同低損耗的情況下獲得更大的工作距離。如果能在一定程度上消除色散現(xiàn)象，就能在實(shí)現(xiàn)寬光譜工作的同時(shí)，提高和改善所接收到的光信號性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對以上問題提出了一種新型寬光譜光纖準(zhǔn)直器，使制成的光纖準(zhǔn)直器的出射光斑直徑更大，出射孔徑角更小，準(zhǔn)直度好，具有高的耦合容忍度和低插入損耗，結(jié)構(gòu)簡單，可消除寬光譜帶來的色散現(xiàn)象。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種寬光譜光纖準(zhǔn)直器，包括一個(gè)熱擴(kuò)芯光纖頭和一個(gè)消色差透鏡及外套管，熱擴(kuò)芯光纖頭和消色差透鏡呈一直線安裝在外套管內(nèi)，熱擴(kuò)芯光纖頭和消色差透鏡之間設(shè)置有空氣層，熱擴(kuò)芯光纖頭與消色差透鏡具有同一條光軸，外套管具有其固定的中心軸；其特點(diǎn)是所述消色差透鏡的后端面與外套管垂直，消色差透鏡的后端面與熱擴(kuò)芯光纖頭前端面的距離，即當(dāng)中空氣層的厚度，等于消色差透鏡的有效焦距長度與消色差透鏡后端面距消色差透鏡主面距離的差值。所述的光纖頭是經(jīng)過熱擴(kuò)芯處理的熱擴(kuò)芯光纖頭，其熱擴(kuò)展芯徑為擴(kuò)展前芯徑的 3 5倍，熱擴(kuò)展長度為0. 2 20mm。所述消色差透鏡的光軸與外套管的中心軸平行。所述熱擴(kuò)芯光纖頭的前端面與外套管的中心軸垂直。所述消色差透鏡為用于波長范圍為390 1750nm的具有消色差功能的兩片式透
^Mi ο本發(fā)明的有益效果在普通光纖準(zhǔn)直器的基礎(chǔ)上做了特殊的處理與改進(jìn)，使在準(zhǔn)直器組裝時(shí)不需要繁瑣的對光程序；從熱擴(kuò)芯光纖出射光束經(jīng)過空氣層再經(jīng)過消色差透鏡傳輸，相對兩件套式的準(zhǔn)直器大大降低了入射光束的插入損耗；熱擴(kuò)芯光纖芯徑比普通單模光纖芯徑增大3 5倍，使從光纖準(zhǔn)直器出射的光束具有大光斑直徑，小出射孔徑角；消色差透鏡可消除由于寬光譜導(dǎo)致的色散現(xiàn)象，提高系統(tǒng)傳輸性能；光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)具有低對準(zhǔn)誤差。


圖1是本發(fā)明中的熱擴(kuò)芯光纖結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所制成的寬光譜光纖準(zhǔn)直器的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。1.熱擴(kuò)芯光纖未加熱部分，2.熱擴(kuò)芯光纖錐形區(qū)，3.熱擴(kuò)芯光纖芯徑擴(kuò)展區(qū)， 201.光纖，202.熱擴(kuò)芯光纖頭，203.外套管，204.空氣層，205.消色差透鏡。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更清楚被理解，現(xiàn)結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1是本發(fā)明使用的熱擴(kuò)芯光纖。其中1為熱擴(kuò)芯光纖未加熱部分，2為熱擴(kuò)芯光纖錐形區(qū)，3為熱擴(kuò)芯光纖芯徑擴(kuò)展區(qū)，熱擴(kuò)芯光纖是由于高溫加熱普通單模光纖時(shí)，纖芯中摻雜的Ge4+離子向包層中擴(kuò)散，使光纖橫截面上沿徑向的折射率呈高斯分布，從而達(dá)到擴(kuò)大模場直徑的目的。高溫加熱形成的熱擴(kuò)芯光纖，其熱擴(kuò)展芯徑為擴(kuò)展前芯徑的3 5倍，熱擴(kuò)展長度為0. 2 20mm，出射光束仍具有單模特性。圖2是本發(fā)明所制成的新型寬光譜光纖準(zhǔn)直器的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。在本實(shí)施例中，所述的光纖準(zhǔn)直器，包括光纖201，光纖201與毛細(xì)管膠合制成的熱擴(kuò)芯光纖頭202， 固定熱擴(kuò)芯光纖頭202和消色差透鏡205的外套管203。安裝在外套管內(nèi)的熱擴(kuò)芯光纖頭 202和消色差透鏡205呈一直線放置，中間空氣層204的厚度等于消色差透鏡205的有效焦距長度與消色差透鏡后端面距消色差透鏡主面距離的差值，熱擴(kuò)芯光纖頭202與消色差透鏡205具有同一條光軸，外套管203具有其固定的中心軸。光纖201是經(jīng)過熱擴(kuò)芯處理的具有圖1所示結(jié)構(gòu)的熱擴(kuò)芯光纖，其處理方法可以是圓柱形微電爐加熱、帶有丙烷/氧氣火焰的小型燃燒器燃燒加熱或CO2激光器加熱。光纖 201的熱擴(kuò)展芯徑為擴(kuò)展前芯徑的3 5倍，熱擴(kuò)展長度為0. 2 20mm，擴(kuò)展后光束在芯徑中仍保持單模特性傳輸，模場直徑增大。光纖201與毛細(xì)管膠合制成的熱擴(kuò)芯光纖頭202的前端面與外套管203的中心軸垂直。毛細(xì)管的材料可以是金屬、玻璃、陶瓷、塑料或者其他行業(yè)內(nèi)常見的材料。外套管203起到準(zhǔn)確定位和固定熱擴(kuò)芯光纖頭202和消色差透鏡205的作用。外套管的材料可以是金屬、玻璃、陶瓷、塑料或者其他行業(yè)內(nèi)常見的材料。消色差透鏡205為一個(gè)可用于波長范圍為390 1750nm的具有消色差功能的兩片式透鏡，根據(jù)準(zhǔn)直器的不同使用場合，可以是雙膠合型或雙分離型。消色差透鏡根據(jù)不同的透鏡材料及不同大小的曲率半徑的組合，應(yīng)用于不同的波長范圍。熱擴(kuò)芯光纖頭202和消色差透鏡205的外徑大小與外套管203的內(nèi)徑大小匹配， 保證準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)嚴(yán)密。在實(shí)施方案中，根據(jù)制備得到的熱擴(kuò)芯光纖特性和由光波長檢測出的消色差透鏡的有效焦距長度和主面位置，計(jì)算出空氣層厚度。由于熱擴(kuò)芯光纖的芯徑大小的不確定性， 針對各組所制成的光纖準(zhǔn)直器，由光學(xué)儀器檢測出不同的工作距離。將工作距離大小分成多個(gè)級別，使各光纖準(zhǔn)直器依各自的工作距離篩選分級，并歸屬入不同級別，供需要不同工作距離光纖準(zhǔn)直器的組件選用。在實(shí)施方案中，將熱擴(kuò)芯光纖頭和消色差透鏡精確定位，使用機(jī)械方法來將它們固定于外套管中，并使用膠黏、錫焊、激光焊接等方法來永久固定。
權(quán)利要求
1.一種寬光譜光纖準(zhǔn)直器，包括一個(gè)熱擴(kuò)芯光纖頭和一個(gè)消色差透鏡及外套管，熱擴(kuò)芯光纖頭和消色差透鏡呈一直線安裝在外套管內(nèi)，熱擴(kuò)芯光纖頭和消色差透鏡之間設(shè)置有空氣層，熱擴(kuò)芯光纖頭與消色差透鏡具有同一條光軸，外套管具有其固定的中心軸；其特征在于所述消色差透鏡的后端面與外套管垂直，消色差透鏡的后端面與熱擴(kuò)芯光纖頭前端面的距離，即當(dāng)中空氣層的厚度，等于消色差透鏡的有效焦距長度與消色差透鏡后端面距消色差透鏡主面距離的差值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬光譜光纖準(zhǔn)直器，其特征在于所述的光纖頭是經(jīng)過熱擴(kuò)芯處理的熱擴(kuò)芯光纖頭，其熱擴(kuò)展芯徑為擴(kuò)展前芯徑的3 5倍，熱擴(kuò)展長度為0. 2 20mmo
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬光譜光纖準(zhǔn)直器，其特征在于所述消色差透鏡的光軸與外套管的中心軸平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬光譜光纖準(zhǔn)直器，其特征在于所述熱擴(kuò)芯光纖頭的前端面與外套管的中心軸垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬光譜光纖準(zhǔn)直器，其特征在于所述消色差透鏡為用于波長范圍為390 1750nm的具有消色差功能的兩片式透鏡。
全文摘要
一種寬光譜光纖準(zhǔn)直器，包括一個(gè)熱擴(kuò)芯光纖頭和一個(gè)消色差透鏡及外套管，熱擴(kuò)芯光纖頭和消色差透鏡呈一直線安裝在外套管內(nèi)，熱擴(kuò)芯光纖頭和消色差透鏡之間設(shè)置有空氣層，熱擴(kuò)芯光纖頭與消色差透鏡具有同一條光軸，外套管具有其固定的中心軸；其特點(diǎn)是所述消色差透鏡的后端面與外套管垂直，消色差透鏡的后端面與熱擴(kuò)芯光纖頭前端面的距離，即當(dāng)中空氣層的厚度，等于消色差透鏡的有效焦距長度與消色差透鏡后端面距消色差透鏡主面距離的差值。相對傳統(tǒng)的準(zhǔn)直器大大降低了入射光束的插入損耗；熱擴(kuò)芯光纖芯徑增大3～5倍，出射的光束具有大光斑直徑，小出射孔徑角；消除由于寬光譜導(dǎo)致的色散現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)傳輸性能；并具有低對準(zhǔn)誤差。
文檔編號G02B6/32GK102253458SQ201110226340
公開日2011年11月23日 申請日期2011年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月8日
發(fā)明者佟國香, 周晟, 孫若曦, 張宇明, 方寶英, 朱慧群, 李榴, 李毅, 沈雨剪, 鄭秋心, 黃毅澤 申請人:上海理工大學(xué)