[发明专利]光子晶体光纤的耦合方法及其耦合装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤的耦合装置。特别是涉及一种能对包层具有周期性排列空气孔的光子晶体光纤与被连接光纤进行连接的低损耗、高强度的光子晶体光纤的耦合方法及其耦合装置。

背景技术

光子晶体光纤为包层具有周期性排列空气孔的光纤，又称微结构光纤或多孔光纤，可分为折射率引导型和带隙波导型两种，前者的传输机理是改进的全内反射，后者利用的是光子带隙效应。由于其可以实现以往的纤芯/包层结构的光纤所无法实现的无截止单模传输、大色散、高非线性等特性，因而被视为各类功能性光纤或者未来传输用光纤的潜在替代品，受到了业界广泛的研究和关注。光子晶体光纤为下述结构：由于包层具有许多细孔，因而等效折射率较纤芯部低，因此传输光线可通过在纤芯全反射前进传播。并且，通过对该光纤细孔结构的具体设计配置，可获得诸如高非线性、大色散、以及高双折射等各种各样的特性。

当把这样的光子晶体光纤作为传输用光纤或各种光元件用光纤来实际应用时，必须使光子晶体光纤与其它光纤、或者光子晶体光纤彼此之间以低损耗连接。而连接损耗的来源主要是模场失配造成的损耗，模场失配损耗是由于参与连接的两段光纤的模场尺寸，形状以及分布的不同而造成的损耗，因此，为了得到足够低的连接损耗，必须尽可能的降低由于模场失配带来的损耗。此外，如果选择熔接等光纤连接方式，由于在熔接过程中光子晶体光纤空气孔内极易产生凝聚液和气泡，气泡多由毛细效应引起，会造成较大的连接损耗，所以在熔接过程中必须选择合适的熔接装置及熔接条件，抑或选择其它可行的连接方式。总的来说，现有的光子晶体光纤连接方案有如下几种：

1)电弧熔接法。电弧熔接法即根据待连接光纤的特性选择合适的电弧熔接装置及熔接条件，其中的代表性方案提出通过选择合适的放电时间、放电强度和放电次数等参数可以实现低损耗、高强度的光子晶体光纤熔接，这种方法不能从根本上解决由于模场失配而带来的损耗，因为它只是一种物理上的连接，若参与连接的两光纤的模场大小不同，这种方法并不能起到一个很好的模场变换的作用，虽然由于高温电弧的作用，熔接点两侧的区域会有一定的模场变换效果，但是这就存在一定的偶然性，从而难以保证较好的连接重复性。再有几种引申的熔接方式就是通过引入附加的光纤自聚焦透镜或相位共轭反射镜等实现单透镜熔接，如A.D.Yablon等人在OFC 2004会议上利用渐变折射率光纤透镜制成一种新型高强度熔融接头，可将耦合损耗降到0.6dB以下；虽然这种接头可用于普通结构的光子晶体光纤之间，以及光子晶体光纤与普通光纤之间的连接，但不便于加工、且受光子晶体光纤结构参数影响很大，在用电弧熔接稍大孔径的光子晶体光纤和标准单模光纤时，往往在光子晶体光纤空气孔内产生凝聚液并在接续中产生气泡，气泡多由毛细效应引起，导致接续失败；同时，对特殊结构的光子晶体光纤，例如保偏光子晶体光纤和高非线性光子晶体光纤，难以实现低损耗连接；而且总体说来此方法重复性差，部分熔接方法存在连接强度低的致命弱点。此外，对于此类方法中引申出来的单透镜耦合熔接而言，当遇到被连接光纤的模场形状不是圆对称而是轴对称的情况，如某些种类的光纤，其模场形状为椭圆或者呈多边形分布，此时用单透镜耦合方法就不能达到很好的耦合效果。

2)无熔接拉锥法。此方法首先将空芯光子晶体光纤预制棒拉制成横截面面积较大的光纤，然后将普通光纤的纤芯插入该光子晶体光纤的纤芯中一段长度，然后对此光纤组合部分进行二次拉锥，从而实现空芯光子晶体光纤与普通无细孔结构的光纤之间的低损耗连接。该方法对光子晶体光纤的结构要求相当严格，而且连接工艺复杂，难以进行大规模生产应用。

3)CO₂激光熔接法。CO₂激光熔接法是采用CO₂激光器进行熔接，由电脑控制其熔接参数。之所以可以采用此类方法是因为纯硅光纤在1060nm波长处有一个高吸收峰，因此可利用发射波长在此波长处的CO₂激光器清洁两待连接光纤端面并将两者熔接；此外，CO₂激光器容易控制光束的形状和功率，但此类方法比较适合接续大孔径光子晶体光纤，最  低熔接损耗在1.3～2.8dB，同时设计PCF-SMF的激光接续系统极具挑战性，因为诸如纤芯直径大小差异和横向偏移、光纤末端面填充物、截留在空气毛细管内的凝聚液、熔接功率和熔接时间等因素会严重影响光纤的连接质量。为了使光纤质量退化最小和不改变PCF的光谱特性，并保证低接续损耗和保持PCF的特性，对于每一种不同结构的光子晶体光纤，都必须仔细考虑其设计参量来计算熔接功率和熔接时间。

发明内容