一种模场可控的集成式光纤准直器

1.本发明涉及的是一种模场可控的集成式光纤准直器，可用于输出不同模场直径和功率强度分布的准直光束，涉及光纤集成器件领域。


背景技术：

2.目前，光纤准直器是一种常用的光无源器件，可用于光环形器、光开关、光纤旋转连接器等光学器件中，常规的光无源器件是由一个或一对准直器加上其他器件组成的，将发散光束转化为平行的高斯光束并高效耦合进入光纤或其他光学器件中，因此光纤准直器作为基本的光学元器件常常被设计到光传感系统或任意光无源器件中。
3.一般光纤准直器是由单模尾纤和准直透镜(grin lens或c-lens)组成，通过连接准直透镜能够将光纤端面出射的发散光束转变为平行光束，或将平行光束汇聚并高效耦合进入光纤。这种传统的单模尾纤连接准直透镜的方式在将发散光束转变为平行光束时会实现一定的扩束效果，然而单只连接准直透镜所能达到的扩束效果有限，且出射光场的功率强度分布为单一的高斯分布，无法调控。
4.本发明是通过连接不同类型的第一多模光纤来控制输出光场的功率分布，改变第一多模光纤的长度以实现不同模场直径和功率分布的光场输出，再连接第二多模光纤也就是渐变折射率多模光纤，调整至准直光束输出的长度。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、制作时间短、经济成本低的一种模场分布可控的集成式光纤准直器，在有效输出面积增大、光束准直的同时做到模场直径可控，功率分布可调。
6.本发明的目的是这样实现的：
7.该集成式光纤准直器由单模光纤熔接一段第一多模光纤后，再熔接一段第二多模光纤组成，其中第一多模光纤能将单模光纤输出的较小的高斯基模模场进行扩束并进行强度分布整形，扩束和整形后的模场直径和强度分布由该段光纤的长度和折射率分布决定；第二多模光纤为渐变折射率光纤，能够将扩束整形后的光束进行准直输出，从而通过对熔接的两段多模光纤的长度的调节来控制器件输出模场分布和准直效果。
8.所述的单模光纤提供出射光束为高斯光束，光场功率分布为高斯强度分布。
9.所述的第一多模光纤为阶跃折射率多模光纤，其将单模光纤内的高斯基模模场进行扩束，但仍旧保持高斯强度分布。
10.所述的第一多模光纤为反渐变折射率多模光纤，其纤芯折射率分布为中心低凹，沿着径向折射率逐渐增大分布；所述的反渐变折射率光纤不但能够对单模光纤的高斯模场进行扩束，还能调整模场的强度分布为均匀分布的圆形平顶光束。
11.所述的第一多模光纤为渐变折射率多模光纤1，其纤芯折射率分布为中心高凸，沿着径向折射率逐渐减小分布；所述的渐变折射率多模光纤1在高斯模场的基础上微扩束，并
保持一小段准直距离。
12.所述的第二多模光纤为渐变折射率光纤2，在保持光场功率强度分布不变的情况下将扩束整形后的光束进行准直输出。
13.本发明通过更换第一多模光纤的类型来调整单模光纤输出光束的功率强度分布，以实现强度分布整形；通过调整第一多模光纤的长度以实现输出模场可控；通过第二多模光纤的长度以实现光束准直输出。
14.本发明的显著技术优势和技术效果如下：
15.(1)作为光纤准直器将发散的光束调整为准直的光束，提高之后进入其他光纤器件的耦合效率；
16.(2)准直器的输出光场不再是单一的高斯光场分布，而是可以根据需要调整至合适的模场强度分布，适用于不同场景需要。
附图说明
17.图1(a)是阶跃折射率多模光纤准直器所用的光纤折射率分布图；图1(b)是阶跃折射率多模光纤准直器的结构示意图；图1(c)是阶跃折射率多模光纤准直器的功率分布图。
18.图2是单模光纤与长度为260μm、300μm的阶跃折射率多模光纤模场分布对比图。
19.图3是阶跃折射率多模光纤准直器的连接第一、第二多模光纤的前后功率分布对比及截面模场分布图。
20.图4(a)是反渐变折射率多模光纤准直器所用的光纤折射率分布图；图4(b)是反渐变折射率多模光纤准直器的结构示意图；图4(c)是反渐变折射率多模光纤准直器的功率分布图。
21.图5是反渐变折射率多模光纤的连接第一、第二多模光纤的前后功率分布对比及截面模场分布图。
22.图6(a)是渐变折射率多模光纤准直器所用的光纤折射率分布图；图6(b)是渐变折射率多模光纤准直器的结构示意图；图6(c)是渐变折射率多模光纤准直器的功率分布图。
23.图7是渐变折射率多模光纤的连接第一、第二多模光纤的前后功率分布对比及截面模场分布图。
具体实施方式
24.在本发明的描述中，如果描述到“第一”、“第二”应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所示的技术特征的数量或隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
25.下面结合附图给出具体的实施例，来进一步阐述本发明是如何实现的。所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。
26.实施例一为：
27.图1所示的阶跃折射率多模光纤准直器，包括单模光纤、第一多模光纤即阶跃折射率多模光纤、第二多模光纤即渐变折射率多模光纤2，从下到上依次连接。所述的单模光纤的输出端与所述阶跃折射率多模光纤的第一端熔接；所述的渐变折射率多模光纤2的输入端与所述阶跃折射率多模光纤的第二端熔接。
28.所述的单模光纤包括包层1、纤芯1-1，其包层直径为125μm，纤芯直径为9μm，光纤包层折射率n0＝1.457，纤芯折射率n1＝1.462；单模光纤用于提供高斯光束及基模模场，模场直径为10.3μm。
29.所述的第一多模光纤为阶跃折射率多模光纤时，包括包层2、纤芯2-1，其包层直径为125μm，纤芯直径为70μm，纤芯折射率n2＝1.475；该光纤将单模光纤内的高斯基模模场进行扩束，仍旧保持高斯强度分布；通过rsoft仿真软件归一化处理，其模场分布图如图2，与单模光纤的基模模场相比有明显的扩束效果，阶跃折射率多模光纤的长度由所需模场直径而定，在长度l1＝260μm时，扩束后的模场直径为12.2μm；在长度l1＝300μm时，扩束后的模场直径为13.6μm。
30.所述的第二多模光纤即渐变折射率多模光纤2包括包层3、纤芯3-1，其包层直径为125μm，纤芯直径为105μm，纤芯中心折射率n3＝1.482；连接长度为l1＝260μm的阶跃折射率多模光纤、l2＝625μm的渐变折射率多模光纤2后的最终准直效果如图1(c)所示。
31.图3给出了阶跃折射率多模光纤准直器三段光纤连接前后的光场功率分布对比。在单模光纤连接阶跃折射率多模光纤后，将较小的基模光束扩束并有较小的准直效果；连接渐变折射率多模光纤2后，准直效果明显，准直输出的光束长度z0＝65μm，截面3和截面4为阶跃折射率多模光纤准直器的准直长度起点和终点。
32.实施例一所述的阶跃折射率多模光纤准直器最终输出的光束为扩束的一段高斯准直光束，便于短距离的高效耦合进入之后连接的光纤器件。
33.实施例二为：
34.图4所示的反渐变折射率多模光纤准直器，包括单模光纤、第一多模光纤即反渐变折射率多模光纤、第二多模光纤即渐变折射率多模光纤2，从左到右依次连接。所述的单模光纤的输出端与所述反渐变折射率多模光纤的第一端熔接；所述的渐变折射率多模光纤2的输入端与所述反渐变折射率多模光纤的第二端熔接。
35.所述的单模光纤与实施例一相同。
36.所述的第一多模光纤为反渐变折射率多模光纤包括包层4、纤芯4-1，其包层直径为125μm，纤芯直径为105μm，纤芯中心折射率为n4＝1.452；其纤芯折射率分布为中心低凹，沿着径向折射率逐渐增大分布；所述的反渐变折射率光纤对单模光纤的高斯模场进行扩束，将模场的强度分布调整为均匀分布的圆形平顶光束；在长度为l3＝300μm时，其功率分布图如图5所示，扩束后的模场直径为12.6μm。
37.所述的第二多模光纤即渐变折射率多模光纤2包括包层3、纤芯3-1，其包层直径为125μm，纤芯直径为105μm；连接长度为l3＝300μm的反渐变折射率光纤、l4＝280μm渐变折射率多模光纤2后的最终准直效果如图4(c)所示。
38.图5给出了反渐变折射率多模光纤准直器三段光纤连接前后的光场功率分布对比，单模光纤连接反渐变折射率光纤后，输出一小段圆形平顶光束，但由于扩束发散不准直，再连接渐变折射率多模光纤2后有明显的准直效果，准直输出的光束长度z1＝220μm，反渐变折射率多模光纤的截面3和截面4为准直长度的起点和终点。
39.实施例二所述的反渐变折射率多模光纤准直器最终输出的光束为扩束的圆形平顶准直光束，适用于对输出光束为非高斯光束的光纤器件。
40.实施例三为：
41.图6所示的渐变折射率多模光纤准直器，包括单模光纤、第一多模光纤即渐变折射率多模光纤1、第二多模光纤即渐变折射率多模光纤2，从左到右依次连接。所述的单模光纤的输出端与所述渐变折射率多模光纤1的第一端熔接；所述的渐变折射率多模光纤2的输入端与所述渐变折射率多模光纤1的第二端熔接。
42.所述的单模光纤与实施例一相同。
43.所述的第一多模光纤即渐变折射率多模光纤1包括包层5、纤芯5-1，其包层直径为125μm，纤芯直径为62.5μm，纤芯中心折射率为n5＝1.475；其纤芯折射率分布为中心高凸，沿着径向折射率逐渐减小分布，出射光场仍然保持高斯强度分布；在长度l5＝250μm时，其功率分布图如图7所示，扩束后的模场直径为11.1μm。
44.所述的第二多模光纤即渐变折射率多模光纤2包括包层3、纤芯3-1，其包层直径为125μm，纤芯直径为105μm；连接长度为l5＝250μm渐变折射率多模光纤1、l6＝400μm渐变折射率多模光纤2的准直效果，如图6(c)所示。
45.图7给出了渐变折射率多模光纤准直器三段光纤连接前后的光场功率分布对比，单模光纤连接渐变折射率多模光纤1后有短暂的聚焦准直和微扩束的效果，再连接渐变折射率多模光纤2后有明显的聚焦准直效果，且距离较单模光纤相比更长，准直输出的光束长度z2＝140μm，渐变折射率多模光纤的截面3和截面4为准直长度的起点和终点，如图7所示。
46.实施例三所述的渐变折射率多模光纤准直器最终输出的光束为聚焦准直的高斯光束，适用于较长距离的高效耦合进入之后连接的光纤器件。
47.面对不同的场景，改变第一多模光纤的长度和折射率分布，达到改变最终输出的光场模场分布的目的，再调整第二多模光纤的准直长度，最后找到最合适的输出光束以提高器件的耦合效率。