本發(fā)明主要涉及光纖耦合，尤其是提高實(shí)芯光纖-空芯光纖耦合效率的方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、空芯光纖由于低非線性效應(yīng)、超低群速度色散、低材料吸收損耗和高材料損傷閾值等優(yōu)勢在高功率激光光束傳輸、光纖傳感、空芯光纖氣體激光等領(lǐng)域有著廣闊的前景。而在空芯光纖的應(yīng)用中，制備全光纖器件是不可避免的，其中，空芯光纖與實(shí)芯光纖的低損耗耦合是關(guān)鍵問題。

2、實(shí)現(xiàn)空芯光纖與實(shí)芯光纖耦合常用的方法是空間光路耦合和光纖熔接?？臻g光路耦合方案是通過透鏡將實(shí)芯光纖的輸出光轉(zhuǎn)換為平行光，再用另一透鏡將其聚焦耦合進(jìn)空芯光纖中。透鏡需要選擇合適的數(shù)值孔徑和焦距，使得實(shí)芯光纖的輸出光的模場直徑與空芯光纖的模場直徑相匹配。為實(shí)現(xiàn)耦合的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，透鏡系統(tǒng)需要固定在三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。該方法存在的問題是：空間光路包含透鏡，且需要三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)體積龐大，難以實(shí)現(xiàn)小型化與全光纖集成化；由于空間光路調(diào)節(jié)，受外界干擾較大，系統(tǒng)不穩(wěn)定；另外，光學(xué)透鏡與光纖表面會(huì)引起菲涅爾反射，導(dǎo)致耦合效率降低。

3、光纖熔接是另一種常用的方法，熔接面臨一個(gè)很大的困難是模場匹配，拉錐、擴(kuò)芯等可以解決這一問題，但熔接過程面臨的問題還包括：(1)光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)塌陷；(2)無法防止回光；(3)熔點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度差，易損壞；(4)無法承受高功率激光。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出提高實(shí)芯光纖-空芯光纖耦合效率的方法及裝置，其對實(shí)芯光纖進(jìn)行拉錐或者熱擴(kuò)芯，使得實(shí)芯光纖與空芯光纖的模場相匹配，然后對實(shí)芯光纖的包層進(jìn)行腐蝕，使其包層直徑小于空芯光纖的纖芯直徑；對腐蝕后的實(shí)芯光纖端面切平角后鍍膜，防止回光；最后將實(shí)芯光纖的腐蝕段插入到空芯光纖中進(jìn)行耦合連接；其所耦合的光纖可以由于模場匹配，具有較高的耦合效率。在實(shí)芯光纖端面鍍膜有效克制了菲涅爾反射，抑制了回光，保護(hù)了前端元器件的安全。同時(shí)，因?yàn)闊o熱熔接過程，空芯光纖內(nèi)部無塌陷，無熔接損耗，因此該耦合方式適用于低損耗、高機(jī)械強(qiáng)度的熔接應(yīng)用場合，并可承受高功率激光傳輸。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一方面，本發(fā)明提供提高實(shí)芯光纖-空芯光纖耦合效率的方法，包括：

4、s1.備實(shí)芯光纖，確認(rèn)待應(yīng)用的波長；

5、s2.使用fdtd軟件對實(shí)芯光纖和空芯光纖進(jìn)行仿真，輸入實(shí)芯光纖、空芯光纖的纖芯尺寸、光纖的包層尺寸、光纖材料的折射率、待應(yīng)用的波長，設(shè)置光源和監(jiān)視器，確認(rèn)實(shí)芯光纖與空芯光纖的模場直徑；

6、s3.構(gòu)建模場失配損耗函數(shù)，根據(jù)模場失配損耗函數(shù)判斷實(shí)芯光纖與空芯光纖的模場相近或失配：

7、；

8、其中為模場失配損耗，為空芯光纖模場直徑，為實(shí)芯光纖模場直徑；

9、當(dāng)時(shí)，則判斷實(shí)芯光纖與空芯光纖模場相近，轉(zhuǎn)步驟s4；

10、當(dāng)時(shí)，則判斷實(shí)芯光纖與空芯光纖模場失配，轉(zhuǎn)步驟s5；

11、s4.對實(shí)芯光纖包層進(jìn)行腐蝕，腐蝕后的實(shí)芯光纖的包層的直徑小于空芯光纖纖芯的直徑，使得實(shí)芯光纖能夠插入空芯光纖纖芯，轉(zhuǎn)步驟s6；

12、s5.對實(shí)芯光纖進(jìn)行拉錐或擴(kuò)芯，改變實(shí)芯光纖的模場直徑，并返回s2，直至實(shí)芯光纖的模場與空芯光纖模場相近；

13、s6.確認(rèn)腐蝕后的實(shí)芯光纖的纖芯尺寸、光纖的包層尺寸、光纖材料的折射率，空芯光纖的纖芯尺寸、光纖的包層尺寸、光纖材料的折射率、待應(yīng)用的波長，使用fdtd軟件對腐蝕后的實(shí)芯光纖插入空芯光纖進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，選擇耦合效率最大的實(shí)芯光纖，即光通過率最大的實(shí)芯光纖；

14、s7.將所選腐蝕后的實(shí)芯光纖和空芯光纖進(jìn)行切割；

15、s8.對切割后的實(shí)芯光纖端面進(jìn)行研磨后鍍高透膜，防止回光；

16、s9.將實(shí)芯光纖鍍膜后的腐蝕段插入到空芯光纖的纖芯中；

17、s10.對實(shí)芯光纖與空芯光纖連接處進(jìn)行集成封裝處理。

18、進(jìn)一步地，s5中所述拉錐的方法是將實(shí)芯光纖固定在拉錐機(jī)中，通過控制拉錐的參數(shù)，減小包層和纖芯的尺寸，減小模場，其中拉錐參數(shù)包括：拉錐的錐腰和錐區(qū)的尺寸和長度，錐區(qū)的長度控制在3-5cm之間；

19、所述擴(kuò)芯的方法是通過熔接機(jī)的電極在光纖的端面放電或氫氧火焰加熱，使光纖纖芯中的摻雜擴(kuò)散到包層中，進(jìn)而擴(kuò)大模場。

20、進(jìn)一步地，s4中用化學(xué)腐蝕溶液對實(shí)芯光纖的包層進(jìn)行腐蝕需要精準(zhǔn)控制腐蝕時(shí)間來控制腐蝕后的包層尺寸，使實(shí)芯光纖的包層直徑比纖芯大1-2μm，接近暴露纖芯。

21、進(jìn)一步地，s7中切割后的實(shí)芯光纖和空芯光纖的端面是平角。

22、進(jìn)一步地，s8中對切割后的實(shí)芯光纖端面進(jìn)行研磨，確保端面平整且無明顯劃痕。

23、進(jìn)一步地，s9中將實(shí)芯光纖的腐蝕段插入到空芯光纖的纖芯中，通過移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)使得實(shí)芯光纖與空芯光纖同軸。

24、進(jìn)一步地，s9中，實(shí)芯光纖和空芯光纖分別設(shè)置在一個(gè)多維調(diào)節(jié)臺(tái)上，多維調(diào)節(jié)臺(tái)的精度控制在μm級(jí)別，通過兩個(gè)多維調(diào)節(jié)臺(tái)控制實(shí)芯光纖、空芯光纖的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，實(shí)芯光纖的腐蝕段插入到空芯光纖的纖芯中，且使得實(shí)芯光纖與空芯光纖同軸。

25、進(jìn)一步地，s9中還包括，對實(shí)芯光纖的腐蝕段插入到空芯光纖的纖芯中后進(jìn)行同軸檢測，方法為：在實(shí)芯光纖的一端連接激光器，并在空芯光纖的輸出端放置功率計(jì)進(jìn)行功率的探測，根據(jù)功率計(jì)探測到的功率信息判斷實(shí)芯光纖與空芯光纖是否滿足同軸要求，當(dāng)通過精細(xì)調(diào)節(jié)實(shí)芯光纖、空芯光纖的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)使得功率計(jì)探測到的功率信息最大，說明當(dāng)前耦合效率最高，認(rèn)為此時(shí)實(shí)芯光纖與空芯光纖實(shí)現(xiàn)精確對準(zhǔn)，實(shí)芯光纖與空芯光纖同軸。

26、進(jìn)一步地，s10中通過在實(shí)芯光纖與空芯光纖端面的接觸處涂覆膠水完成集成封裝處理。

27、另一方面，本發(fā)明基于上述的提高實(shí)芯光纖-空芯光纖耦合效率的方法，提供提高實(shí)芯光纖-空芯光纖耦合效率的裝置。

28、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明能夠產(chǎn)生的技術(shù)效果是：

29、1、相對拉錐后直接插入空芯光纖這種方法，本發(fā)明方案具有以下優(yōu)勢：（1）能夠使實(shí)芯光纖與空芯光纖模場更匹配，使耦合效率更高。拉錐后插入空芯光纖的方案，需使將實(shí)芯光纖的包層拉錐到小于空芯光纖的纖芯尺寸，此時(shí)實(shí)芯光纖的模場會(huì)小于空芯光纖，兩者模場不匹配損耗增加。而本方案中針對模場接近的實(shí)芯光纖與空芯光纖，對實(shí)芯光纖直接腐蝕后插入；針對模場失配的兩種情況，分別對實(shí)芯光纖進(jìn)行拉錐和擴(kuò)芯，使其模場直徑基本與空芯光纖進(jìn)行匹配，再通過腐蝕使包層變小，使其小于空芯光纖的纖芯插入。（2）能承受高功率。拉錐后直接插入空芯光纖的方法使光纖的錐頭過小，在高功率下更容易發(fā)熱且更容易損壞，本發(fā)明中的方法纖芯相對更大，承受功率更高。

30、2、相對于傳統(tǒng)的空間光路耦合，本發(fā)明方案采用光纖腐蝕后插入空芯光纖纖芯的方法，形成了一種全光纖集成的實(shí)芯光纖與空芯光纖耦合裝置，無需任何空間光路器件和調(diào)節(jié)裝置，使得耦合裝置小巧緊湊，極大地提高了系統(tǒng)集成度和機(jī)械穩(wěn)定性。

31、3、本發(fā)明方案通過功率反饋能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)對準(zhǔn)，提出將光纖腐蝕后插入空芯光纖纖芯的方法，使得實(shí)芯光纖的光完全進(jìn)入包層，能夠適用于各種纖芯尺寸的空芯光纖，促進(jìn)了空芯光纖的應(yīng)用。

32、4、發(fā)明方案通過膠封使整個(gè)裝置完全密封，使其在光纖氣體激光、超高靈敏氣體傳感等領(lǐng)域有較高的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。