一种多芯光纤的连接方法

1.本技术属光纤通信技术领域，具体的，涉及一种光纤间的连接方法。


背景技术：

2.随着无源光网络的迅速发展，低成本、高密度的光缆是构建未来光接入网系统的必要条件，因此光纤在光通信领域被广泛研究。光纤传输具有损耗低、传输频带宽以及通信容量大的特点。此外，光纤光缆直径小、质量轻，且不受电磁的干扰。但光纤在传输过程中会发生损耗，这制约了信号传输距离的远近和中继站间的距离，因此，在实际工程中，减小光纤熔接损耗和提升光纤熔接质量对信息的传输有着很大的影响。
3.目前，光纤间直接的连接适配通常方式是使用光纤熔接机进行熔接。在熔接两段光纤时，首先要将光纤的外表涂覆层去除，确保光纤的清洁，之后使用光纤切割机对光纤端面进行处理使光纤端面整齐。最后将两段光纤放入光纤熔接机，通过放电将两段光纤进行熔接。虽然光纤熔接机熔接光纤的技术最为成熟，但是在实际的使用中，若要熔接不同种类的光纤，如单芯光纤、多模光纤、色散补偿光纤、保偏光纤等，光纤熔接机的熔接参数，如放电量、放电时间等都要做出调整，甚至要购买不同型号的光纤熔接机。由于该熔接方式需要去除光纤涂覆层，会使光纤结构的机械强度变弱，因而实际应用中要添加保护套对熔接点部分进行保护，增强其机械强度。因而在工程应用中，为了实现光纤间简单、快速、低损耗的连接，多种机械式光纤连接器被提出。另外，公告号为cn201673283u的中国实用新型专利揭示一种由耦合套、尾套、金属支持管等结构组成的光纤连接器，通过机械方式对光纤进行固定和耦合连接。但这类连接器只适用与同种光纤间的连接，不适用与两种不同类型光纤间的连接适配。
4.但随着光纤通信系统中通信容量的不断扩大，尤其是tbps量级的传输容量的需求，多芯光纤被认为是解决超大容量光纤通信最有利的实施方案。然而，多芯光纤在传输过程中面临挑战主要为：(1)多芯光纤和单芯光纤的适配连接问题；(2)多芯光纤和多芯光纤的连接适配问题。针对第一个问题，目前的解决方法主要有两种，一种为2010年，b.zhu，t.f.taunay等人提出一种具有超低串扰和损耗的锥形七芯光纤适配器(连接器)。其通过将一束具有七根单芯光纤的光纤束，经过拉锥形成一端为七芯光纤(和商用七芯光纤对接)，一段为七根单芯光纤(和单芯光纤对接)的结构，实现了七芯光纤和单芯光纤之间的适配连接【zhu,b.,et al.“seven-core multicore fiber transmissions for passive optical network.”optics express,vol.18,no.11,2010,pp.11117
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11122.】。但是这种结构由于需要捆绑七根单芯光纤一起拉锥，而在拉锥过程中，每一根单芯光纤的随拉锥过程其直径缩小比例不均衡，因此造成拉锥之后每根光纤纤芯所对应的损耗也不一致，造成适配器整体损耗比较大，各纤芯损耗值不统一。另外一种是通过分光棱镜将多芯光纤的每一个纤芯所对应的光分别以不同角度的光输出，然后每一路光分别耦合进单芯光纤实现多芯光纤到单芯光纤之间的耦合。这种办法由于需要分光棱镜以及耦合棱镜等分立元件，实现起来极其困难。此外，由于分立器件的使用，造成器件的损耗增大，同时当多芯光纤的芯数过多时，由
于系统结构的复杂而无法实现等问题。针对第二个问题，中国发明专利cn 112255740a，揭示一种多芯光纤连接器及其制造方法，通过将切割后的多根多芯光纤插入到多孔插芯中，贯穿出多孔插芯端面一段距离。接着对各多芯光纤进行旋转对轴，将各多芯光纤中离标记单元最近的一个纤芯均旋转到在多孔插芯的预设位置后，进行固定研磨形成多芯光纤连接器。虽然该连接器可以实现多芯光纤之间的连接，但是只针对同一类型、同一纤芯数以及相同结构的多芯光纤。当连接的多芯光纤之间，芯数不一或者结构不一致时，这种方法就无法实施。


技术实现要素：

5.为解决现有光纤连接工艺复杂导致的各种不同类型光纤连接不具有通用性的问题，提出了一种多芯光纤的连接方法，该连接方式作为普适性的光纤连接方式，能够实现多芯光纤与单芯光纤、多芯光纤与多芯光纤，甚至可以实现不同特种光纤之间，如多模和单模、光子晶体光纤和普通单模光纤等光纤连接问题，其可作为普适性的光纤连接方式，能够满足各种光纤间的连接适配问题。
6.为实现上述目的，本技术采用如下的技术方案：
7.一种多芯光纤的连接方法，待连接的两段光纤为主光纤和从光纤，主光纤和从光纤的接口处之间通过连接区连接，其中主光纤为多芯光纤，从光纤包括：单芯光纤、多芯光纤，其特征在于：将主光纤和从光纤上位于接口处一端浸入于光刻胶中，对主光纤和从光纤上位于接口处的区域光刻胶进行烘干处理，规划主光纤和从光纤接口处的连接区路径及连接区形状，使用光刻曝光工艺沿设置的连接区路径按照连接区形状依次从主光纤接口处的纤芯位置曝光至从光纤接口处的纤芯位置，被曝光的区域光刻胶固化实现主光纤与从光纤的连接，未被曝光的区域通过显影工艺去除残余的光刻胶。
8.上述方案的原理是：先用光刻胶浸没主光纤和从光纤的接口区域，在其连接区形成光刻胶包裹，对光刻胶烘干，烘干过程使得光刻胶从液态变为固态，从而实现主光纤和从光纤的固定，此时的固定是不牢固的，仅仅是光刻胶从液态变固态后暂时对主光纤和从光纤的支撑式固定；使用光刻技术，沿着连接区路径按照连接区形状进行光刻后，光刻胶被曝光，曝光后的光刻胶发生固化，从而在主光纤和从光纤之间形成由被曝光而固化的光刻胶形成的连接区，未被曝光的区域通过显影工艺去除其残留的光刻胶。因此通过该技术方案实现了对光纤的连接。
9.优选方案还包括：主光纤和从光纤上接口处表面洁净处理步骤，即利用有机溶剂处理待连接的主光纤和从光纤上接口处表面，利用加热装置对接口处表面干燥处理。
10.主光纤和从光纤上位于接口处光刻胶的胶层厚度介于30-4000μm。光刻胶层厚度至少大于待连接的主光纤和从光纤外径，这样才能确保在主光纤和从光纤之间形成光刻胶构成的连接区。厚度介于30-4000μm基本上涵盖了常用主光纤和从光纤的直径范围。
11.对主光纤和从光纤上位于接口处的区域光刻胶进行烘干处理分两步进行，先利用加热装置对主光纤和从光纤上位于接口处的区域光刻胶进行20min-30min的预烘干处理，然后在光刻胶烘箱中进行30min-60min干燥和固化。
12.所述的使用光刻曝光工艺为使用双光子光刻系统对光刻胶进行曝光，将主光纤和从光纤接口处的连接区路径及连接区形状转化为三维空间坐标轴输入所述双光子光刻系
统，双光子光刻系统根据输入的三维空间坐标依次完成曝光。
13.连接区形状为锥形。
14.所使用的光刻胶为液体负性光刻胶。
15.所述的显影工艺包括：先在异丙醇中进行漂洗，以获得规划的连接区形状；再使用丙二醇甲醚乙酸酯作为显影剂进一步去除残余的光刻胶。
16.有益效果
17.本技术实施方式具有普适性，既可用于单芯光纤之间、多芯光纤之间的连接，也可实现单芯光纤和多芯光纤之间的连接；且连接区的形状可以根据设计需要便捷的控制。可实现不同种类光纤(包括：特种光纤)间的低损耗的可靠的连接，且简化了连接的工艺。
附图说明
18.图1本技术一实施例的单芯光纤之间连接示意图。
19.图2本技术一实施例的四芯光纤光刻形成的锥形连接区结构。
20.图3本技术一实施例的多模光纤与多模光纤光刻形成的锥形连接区结构。
21.图4为本技术一实施例的所使用七芯光纤截面图。
22.图5为本技术一实施例的基于适配器连接示意图。
23.图6为本技术一实施例的光刻形成的锥形连接区结构。
24.图7为本技术一实施例的光网络传输实验示意图。
具体实施方式
25.以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本技术而不限于限制本技术的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
26.本技术公开了一种多芯光纤的连接方法，采用双光子光刻系统将主光纤七芯光纤的各个纤芯引出并与从光纤单芯光纤连接适配为例，该系统配备有50倍显微镜物镜(数值孔径1.6，场数28mm，写入场直径》550μm)以及用于在横向上快速移动光束的检流计反射镜。光刻光源使用脉冲长度为100fs的飞秒激光，重复频率为90mhz。
27.第一步：对主光纤和从光纤接口处的表面用使用异丙醇或者乙醇进行洁净处理；
28.第二步：干燥处理，在热板上150-200℃下加热2-3分钟以去除主光纤和从光纤接口处表面的水汽，从而提高对光刻胶的粘附力。
29.第三步：将主光纤和从光纤接口处的表面浸没在光刻胶溶液中，使其接口处表面涂覆光刻胶，光刻胶胶层厚度约30-200μm，最佳的涂胶条件是温度20-25℃，相对空气湿度为43％，温度稳定性为
±
1℃(最佳21℃)。
30.第四步：在热板上对主光纤和从光纤接口处的表面的光刻胶胶膜进行预烘处理，时长约为20min-30min。该过程通过温度将光刻胶中的有机溶剂挥发，提高光刻胶与光纤表面的粘附性，还可以减小显影过程中的暗腐蚀的发生。
31.第五步：在烘箱中对光刻胶胶膜进一步干燥30min-60min，拿出后等待光刻胶冷。使之可以通过曝光掩模和曝光系统。
32.第六步：调整设置双光子光刻系统参数，双光子光刻系统拥有配套的控制软件，通
过调整x、y、z轴的坐标在主光纤、从光纤接口处截面设定标记点，确定主光纤各纤芯处的连接区路径及连接区形状。
33.第七步：将主光纤和从光纤接口处的连接区路径及连接区形状转化为三维空间坐标轴输入所述双光子光刻系统。
34.第八步：开始光刻，将主光纤的第一个纤芯与单芯光纤的纤芯连接。利用光刻软件的成像系统精确定位耦合界面。通过系统配备的共焦成像单元，使用光刻激光器及其光束偏转器来获取光刻时的3d图像，光刻过程中实时监测光刻制造的结构是否完全对准。
35.第九步：使用丙二醇甲醚乙酸酯作为显影剂，通过两步显影去除未曝光的光刻胶，温度范围在21-23℃误差
±
0.5
°
。
36.第十步：将光刻好的结构放在异丙醇中进行漂洗，漂洗完成后即可获得所需主光纤与从光纤的连接区。
37.第十一步：调整双光子光刻系统在主光纤的对焦位置，将对焦位置转移到下一个需要接出的纤芯位置并重复上述步骤，直至将主光纤的纤芯全部接出并与单芯光纤连接。
38.该方式解决了现有技术中光纤熔接机直接连接，机械强度较弱，不适于工程应用，难以实现不同种类光纤间的低损耗连接。机械结构光纤连接器能够实现同种光纤间的快速、低损耗连接，但不适用于两种不同类型光纤间的连接适配。特种光纤连接器(以多芯光纤为例)制备工艺复杂且价格高昂的问题。实验结果表明，本技术提出的连接适配方式使得纤芯间的连接接近0损耗。且极大降低了各纤芯间的串扰，在1550nm处，能将芯间串扰降低至平均0.2db。此外，通过调节光刻软件增加连接过程中的光刻锥区长度，可以进一步减小多芯光纤中心纤芯与其外部纤芯间的串扰。
39.光刻的过程中，在曝光过程中和曝光后都有可能产生气泡，如由于曝光剂量过高，曝光强度过大。可通过多重曝光或由间歇式曝光来优化曝光剂量。曝光时间主要由用于物镜在曝光层之间轴向移动的压电制动器的稳定时间(105ms)以及曝光速度决定。在已进行的实验中，每个纤芯接出并与单芯光纤连接所需的制造时间约为3-6分钟。
40.接下来结合具体的实施方式，来验证本技术提出的光纤间的连接方法。
41.实施例1，单芯光纤和单芯光纤的连接：
42.如图1所示为单芯光纤双光子光刻连接示意图。图中，1为单芯光纤(corning smf-28)，其模场直径为(10.3
±
0.4)μm，2为双光子光刻锥形连接区。
43.通过双光子光刻技术将单芯光纤的纤芯锥形引出后与单芯光纤连接，使损耗降低。在光刻过程中，纤芯引出后覆有光刻胶层，纤芯间抗干扰能力有了进一步提升，经测试，该适配器连接的单芯光纤无损耗。
44.实施例2，多芯光纤和单芯光纤的连接：
45.如图2所示为四芯光纤双光子光刻连接示意图。图中，1为单芯光纤，2为双光子光刻锥形连接区，3为四芯光纤。
46.通过双光子光刻技术将多模光纤的纤芯锥形引出后分别与单芯光纤连接，使纤芯分离，从而减少芯间串扰。在光刻过程中，纤芯引出后覆有光刻胶层，芯间对抗干扰能力有了进一步提升，大约提升了4db。实验结果表明，该适配器使得四芯光纤各纤芯与单芯光纤的连接损耗仅在0.05db左右。同理可用于其他多芯光纤。
47.实施例3，多模光纤和单芯光纤的连接
48.如图3所示为单芯光纤与多模光纤双光子光刻连接示意图。图中，1为单芯光纤，2为双光子光刻锥形连接区，4为多模光纤。
49.通过双光子光刻技术将多模光纤的纤芯锥形引出后与单芯光纤连接，使损耗降低。在光刻过程中，纤芯引出后覆有光刻胶层，纤芯间抗干扰能力有了进一步提升。经测试，该适配器连接的多模光纤与多模光纤间损耗为0.05db。
50.实施例4，七芯光纤和单芯光纤的连接
51.图4为七芯光纤截面图，图5为基于适配器连接示意图，其包层直径为150μm，纤芯直径为8μm，芯间距为42μm，其中，5为七芯光纤纤芯。七芯光纤的每个纤芯锥形引出并分别连接至单芯光纤。图中，1为单芯光纤，2为是双光子光刻连接结构，6为七芯光纤。通过双光子光刻技术将七芯光纤的各个纤芯锥形引出后分别与单芯光纤连接，使得各个纤芯分离，从而减少芯间串扰。图6为双光子光刻图，其中，1为单芯光纤，2为双光子光刻锥形连接区，6为七芯光纤，7为连接区路径中心轨迹(参见图6的上半部)，8为连接区形状光刻轮廓线，9为激光束，10为光刻纹线，11为光刻锥区。七芯光纤的一根与单芯光纤1连接的示意图图6下部所示。
52.在光刻过程中，纤芯引出后覆有光刻胶层，纤芯间抗干扰能力有了进一步提升。双光子光刻系统精确定位耦合界面且具有高形状保真度的能力也使得适配器的插入损耗极小。结果表明，该适配器使得七芯光纤各纤芯与单芯光纤的连接损耗仅在0.1db左右。且极大降低了各纤芯间的串扰，在1550nm处，能将芯间串扰降低至平均2db。此外，通过调节光刻软件增加连接过程中的光刻锥区长度，可以进一步减小七芯光纤中心纤芯与其外部纤芯间的串扰。
53.实施例5，多模光纤和多模光纤的连接
54.通过双光子光刻技术将多模光纤的纤芯锥形引出后与多模光纤连接，使损耗降低。在光刻过程中，纤芯引出后覆有光刻胶层，纤芯间抗干扰能力有了进一步提升。经测试，该适配器连接的多模光纤无损耗。与图1相似，区别在于单芯光纤纤芯直径8μm，多模光纤纤芯径为62.5μm。
55.实施例6，多芯光纤和多模光纤的连接：
56.通过双光子光刻技术将多模光纤的纤芯锥形引出后与多模光纤连接，使纤芯分离，从而减少芯间串扰。在光刻过程中，纤芯引出后覆有光刻胶层，纤芯间抗干扰能力有了进一步提升。实验结果表明，该适配器使得四芯光纤各纤芯与多模光纤的连接损耗仅在0.12db左右，同理可用于其他多芯光纤。图与图2相似，区别在于单芯光纤纤芯直径8μm，多模光纤纤芯径为62.5μm。
57.实施例7，七芯光纤和多模光纤的连接
58.通过双光子光刻技术将七芯光纤的各个纤芯锥形引出后分别与多模光纤连接，使得各个纤芯分离，从而减少芯间串扰。在光刻过程中，纤芯引出后覆有光刻胶层，纤芯间抗干扰能力有了进一步提升。双光子光刻系统精确定位耦合界面且具有高形状保真度的能力也使得适配器的插入损耗极小。结果表明，该适配器使得七芯光纤各纤芯与单芯光纤的连接损耗仅在0.2db左右。且极大降低了各纤芯间的串扰。此外，通过调节光刻软件增加连接过程中的光刻锥区长度，可以进一步减小七芯光纤中心纤芯与其外部纤芯间的串扰。图与图5相似，区别在于单芯光纤纤芯直径8μm，多模光纤纤芯径为62.5μm。
59.实施例8采用双光子曝光连接的七芯光纤适配器的光网络的传输实验
60.图7为光网络传输实验示意图，图中1为单芯光纤，2为双光子光刻锥形连接区，12为10km七芯光纤线圈，13为1310nm/1550nm稳定光源，14为光接收机，经测试，七芯光纤各纤芯在1310nm和1550nm处的衰减分别为0.36db/km和0.22db/km，与标准单芯光纤的损耗相近。此外，相邻磁芯之间的光学串扰是一个重要的问题，实验中，在直径20cm的卷轴上卷起10km的七芯光纤，并将其各纤芯与1m标准单芯光纤相连接，接着发射1310nm和1550nm的信号，通过扫描标准单芯光纤输出端面的光功率强度分布来测量了七芯光纤各纤芯的光串扰情况，并通过比特定义，表1为七芯光纤中心纤芯与周围纤芯在不同波长下的最大串扰以及各纤芯的连接损耗。此外，实验结果表明，各外部纤芯与中心纤芯的串扰大小与光刻锥区的长度有关，当锥区长度加长(即减小光刻时的锥度)时，两者间的串扰降低。
61.表1串扰特性
[0062][0063]
表1
[0064]
上述实施例只为说明本技术的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本技术的内容并据以实施，并不能以此限制本技术的保护范围。凡如本技术精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本技术的保护范围之内。