[发明专利]一种1×N光纤耦合器

说明书

技术领域

本发明属于光纤应用领域，涉及一种1×N光纤耦合器及其制备方法。

背景技术

微结构光纤泛指一类具有特殊包层和纤芯结构的光纤，如光子晶体光纤(PCF:Photonic crystal fiber)和多芯光纤(MCF:Multi-core fiber)等，与传统光纤相比，微结构光纤具有独特的特性，在光通信、传感以及大功率光纤激光器等领域具有广泛用途。

微结构光纤的结构复杂性使其在诸如能量耦合、多纤芯激励及激光合束等耦合技术领域受到很大限制。目前，光子晶体光纤耦合器的制作方法主要有抛磨法和熔锥法，但这些方法容易破坏光纤的二维光子晶体包层结构而引入大量损耗。对全固PCF耦合器的制作研究表明，这两种方法的附加损耗分别不小于3dB和10dB；而对空芯PCF，还没有有效的办法。MCF在光纤包层中排布有多根相互平行的纤芯，难与常规单芯光纤(SCF:Single-core fiber)耦合。目前报道的方法主要有熔接拉锥法和寻芯对接法等，前者通过将SCF与MCF熔接并拉锥实现耦合；后者通过SCF的纤芯与MCF的对接损耗情况找到纤芯位置以修正熔接参数。基于多透镜也可实现多芯耦合，通过多个准直镜将光束耦合进不同的纤芯，该方法插入损耗可达到0.6dB，但透镜系统对器件加工和对轴精度要求极高，体积大、工艺复杂。

对于普通的全光纤定向耦合器，其制造工艺主要有抛磨法、腐蚀法和熔锥法。由于抛磨法是将抛磨好的裸光纤拼接在一起，所以采用这种方法制造的光纤耦合器件热稳定性和机械稳定性差。采用腐蚀法的光纤耦合器件是将光纤包层腐蚀后将它们扭绞在一起，所以其制造工艺的一致性差，并且损耗大，热稳定性差。熔锥法是将裸光纤高温熔化并进行拉伸后熔融在一起形成耦合器，这种方法虽然优于其它两种方法，但工艺实现难点高，需要严格控制拉锥长度、熔区形状和锥体光滑度等。

为克服上述光纤耦合器存在的问题，本发明提供了一种基于单个径向渐变折射率透镜的1×N光纤耦合器设计方案。该发明可实现低损耗光分多束耦合，结构紧凑，容易加工和装配，避免了对光纤的直接加工，为各类光子晶体光纤、多芯光纤、光纤组束的合光、分光提供了实用的方法。

发明内容

本发明提供了一种新的1×N光纤耦合器及其制作方法。根据本发明产生的光纤耦合器具有结构简单灵活、低损耗、容易加工等优点，具有分光比和分束比可自由设计等特点。

本发明采用的技术方案为：一种1×N光纤耦合器，包括单根输入光纤、输入端加工成凸棱锥的径向渐变折射率（GRIN）透镜和单根N芯微结构光纤，N为待耦合单根多芯微结构光纤的芯的数量，N为大于等于2的自然数，径向渐变折射率透镜的输入端为N面凸棱锥面，即GRIN透镜输入端的凸棱锥面数量为N，径向渐变折射率透镜的另一端为平面，输入为单根单芯光纤，单芯光纤输出光沿光轴入射到凸棱锥面进入GRIN透镜传输，输出到单根N芯微结构光纤，单根N芯微结构光纤的每个芯被对准到GRIN透镜输出光束位置，实现低损耗耦合。

其中，GRIN透镜每个锥面的倾斜角和输入光纤输出点到GRIN透镜锥顶的距离均能够根据单根N芯微结构光纤中的待耦合单根芯离单根N芯微结构光纤中心的半径值计算。

其中，在该耦合器装配时，可以通过调节输入光纤输出点到GRIN透镜锥顶的距离实现输出光束位置的微调，保证与输出微结构光纤芯精确对准，实现高效率耦合。

本发明另外提供一种1×N光纤耦合器，包括单根输入光纤、输入端加工成凸棱锥的径向渐变折射率（GRIN）透镜和N根单芯光纤，N为待耦合单芯光纤数量，N为大于等于2的自然数，GRIN透镜的输入端为N面凸棱锥面，即GRIN透镜输入端的凸棱锥面数量为N，径向渐变折射率透镜的另一端为平面，输入为单根单芯光纤，单芯光纤输出光沿光轴入射到凸棱锥面进入GRIN透镜传输，输出为N根单芯光纤，N根单芯光纤的每个芯被对准到GRIN透镜输出光束位置，实现低损耗耦合。

其中，GRIN透镜每个锥面的倾斜角和输入光纤输出点到GRIN透镜锥顶的距离均能够根据N根单芯光纤待耦合光纤芯到N根单芯光纤组成的光纤束的中心的半径值计算。

其中，在该耦合器装配时，可以通过调节输入光纤输出点到GRIN透镜锥顶的距离实现输出光束位置的微调，保证与输出所有单芯光纤芯精确对准，实现高效率耦合。

其中，上述耦合器光路具备互易性，当光传输方向从单根光纤到多芯或多根光纤时，为1×N分光耦合器；当光传输方向从多芯或多根光纤到单根光纤时，为N×1合光耦合器；即该耦合器可实现分光和合光耦合。

本发明一种1×N光纤耦合器的优点在于：