DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.02.011

熔锥型光纤耦合器耦合比与拉伸长度的关系

李文娟，郑煜，段吉安，王丽军，李继攀，吕文

(中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室，湖南 长沙，410083)

摘要：为探明光纤耦合器制造过程中耦合比与拉伸长度之间的关系，基于熔融拉锥法实验研究预设耦合比和预设拉伸长度作为拉锥停止准测，实际耦合比和实际拉伸长度的分布规律。研究结果表明：预设耦合比作为拉锥停止准测的情况下，实际拉伸长度的离散度小于0.5 mm；预设拉伸长度作为拉锥停止准测的情况下，随着预设拉伸长度的增加，实际耦合比的离散度由1.13%增加到21.16%；当预设拉伸长度在12.0~12.6 mm时，实际耦合比y与理论拉伸长度x之间存在线性关系y = 177.3-6.5x。该研究为光纤耦合器熔融拉锥制造工艺与设备的改进、优化提供理论与技术基础。

关键词：光纤耦合器；耦合比；拉伸长度；熔融拉锥；映射关系

中图分类号：TN253             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)02-0343-05

Relationship between coupling ration and elongation length for fused tapered optical fiber couplers

LI Wenjuan, ZHENG Yu, DUAN Jian, WANG Lijun, LI Jipan, L Wen

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: In order to explore the relationship between coupling ration and elongation length for fused tapered optical fiber couplers, the preset coupling ratio and the preset elongation length as the elongation stopping criterion were discussed, and also the regularities of distribution about the actual coupling ratio and elongation length were researched on the basis of the experiments about fused biconical taper. The results show that when the preset coupling ratio is treated as stopping criterion, the dispersion of actual elongation length is less than 0.5 mm; when the preset elongation length is treated as the stopping criterion, the dispersion of actual couping ratio increases from 1.13% to 21.16% with the increase of the elongation length. There is a linear relationship: y=177.3-6.5x, between the actual coupling ratio (y) and the elongation length (x) when the elongation length is undulate in 12.0 to 12.6 mm. This research provides the theoretical principle and supporting technology for improving and optimizing the manufacturing process and equipment in fiber baconical taper.

Key words: optical fiber coupler; coupling ratio; drawing length; fused biconical tapered; mapping relationship

光纤耦合器是一种是将光波从1根光纤中分至多根光纤中或者将多根光纤中合至1根光纤的无源器件，在光纤通信与光纤传感等领域有广泛的应用^[1-4]。其制造方式有熔融拉锥、微光学式以及光波导式3种^[4-6]，对于通道数较少(通道数≤4)的一般采用熔融拉锥法制造；通道数较大(通道数≥8)的一般采用光波导法制造。熔融拉锥法是将2根除涂覆层的光纤并在一起烧熔拉伸，使两纤芯合在一起，基于单模光纤间消逝场相互耦合的原理，以达到光波耦合。烧熔方法有多种，如火焰加热^[7]、电加热^[8]、激光加热^[9-10]等，目前常用的是氢氧焰加热，其过程参数由制造设备的机械参数(即工艺参数)来控制，包括火头宽度高度、氢气流量、拉伸速度以及加热时间等，拉锥停止准测以预设耦合比为准。光纤器件的性能由光学原理与结构设计、制造原理与工艺所确定。熔融拉锥制造是使光波在光纤-零件结合界面产生预期行为以实现光学原理与功能的工程，其光学性能与制造工艺参数强关联。自熔融拉锥法^[5-6]被提出以来，研究人员对耦合理论^[2-4]、制造工艺与设备^[14]、锥区微观形貌^[11-13]、光学性能(如附加损耗、偏振相关损耗、方向性等)^[15-18]进行了深入研究。而到目前为止，所有的拉锥停止准测均是以预设耦合比为准，对于预设耦合比和实际拉伸长度有何映射关系、能否以预设拉伸长度作为停止准测、预设拉伸长度与实际耦合比有何映射关系等问题鲜有文献报道。本文作者以1×2的光纤耦合器熔融拉锥制造为研究对象，通过预设耦合比和预设拉伸长度作为拉锥停止准测，以探明预设耦合比和实际拉伸长度的分布规律与映射关系，以及预设拉伸长度与实际耦合比的分布规律与映射关系。

1  实验

1.1  实验装置

根据实验需求构造了实验平台，设备的总体结构框图如图1所示。该平台由光源、运动平台、控制系统和真空吸附系统组成。光源采用激光光源，可提供1 310和1 550 nm双波长的光；熔融拉锥运动平台包括光纤夹具、拉锥装置、陶瓷火头以及封装夹具移动装置；控制系统由I/O接口将计算机和光功率探测器与氢气流量控制器相连接；真空吸附系统用于夹持光纤。

实验平台工作时，对称的光纤夹持装置在步进电机驱动下沿导轨以设定的拉锥速度向两侧移动，光功率探测器将探测到的光功率转换成电信号, 利用模数转换电路转换成数字信号并传送到计算机系统, 计算机将这些数据处理后, 计算相应的分光比、插入损耗和附加损耗等参数, 并实时显示在显示器上，当输出端达到预先设定的分光比或拉伸长度时, 计算机发出自动停止命令, 主拉锥平台自动停止工作，并退出火焰。

图1  光纤耦合器实验框图

Fig. 1  Experimental system of optical fiber coupler

1.2  实验过程

实验选用康宁SMF-28e光纤，纤芯折射率在光波波长1 550 nm下为1.465 8，芯径为 8.2 μm；芯包层折射率差为0.36%，外径为125 μm，激光光源波长为1 550 nm。实验是在拉锥速度ν为150 μm/s、火头高度为5.75 mm、室温为23 ℃、氢气流量为180 cm³/s，并保证预紧力及打结的扭绞程度和结距一定的条件下进行的，设备及环境处于稳定的状态。

在上述工艺参数下，实验1通过改变预设耦合比，获得不同预设耦合比下实际的耦合比和实际的拉伸长度，每次记录50组数据。在同样的工艺条件下，实验2通过改变预设拉伸长度，获得在不同预设拉伸长度下实际的拉伸长度和实际的耦合比，同样每次记录50组数据。实验1和实验2的附加损耗控制在0.3 dB内。实验1附加损耗的平均值为0.10~0.13 dB，且偏差为0.04~0.06 dB；实验2附加损耗的平均值为0.12~0.15 dB，标准偏差为0.05~0.07。图1和图2所示为附加损耗的离散分布情况。

图2  实验1附加损耗的分布

Fig. 2  Distribution of excess loss for experiment 1

图3  实验2附加损耗的分布

Fig. 3  Distribution of excess loss for experiment 2

2  分析与讨论

2.1  预设耦合比准测

图4所示为在预先设定耦合比的条件下，实际获得的耦合比与实际拉伸长度之间的对应关系。实验中通过改变耦合比预设值，获得不同预设耦合比条件下相应的拉伸长度，并每次记录50组数据进行规律统计。图4(a)所示为上述条件下获得的实际耦合比与实际拉伸长度的离散度(本文中离散度定义为50组实验数据耦合比和耦合长度的标准偏差)的关系；耦合比与拉伸长度的关系为以半周期内正弦曲线递减的渐变关系，如图4(b)所示。

在图4(a)所示的预设耦合比实验中，当预设耦合比由100%逐次降至0时，拉伸长度在 12~18 mm之间变化。在一定的偏差范围内，当预设耦合比为10%~90%时，拉伸长度的总体变化幅度较小，而在预设耦合比为90%~100%时，拉伸长度的变化幅度增大。总体耦合比离散度小于 1%，实际拉伸长度的离散度小于 0.5 mm。其中当预设耦合比为 10%时，所获得的50组实验数据中，平均耦合比为 2.37%，耦合比的离散度为 0.32%；平均拉伸长度为 16.71 mm，实际拉伸长度的离散度为 0.5 mm，实际耦合比的波动较小。在预设耦合比在40%时，耦合比和拉伸长度的关系曲线下降趋势减弱，其中所获得的50组实验数据中，平均耦合比为 27.64%，实际耦合比的离散度为 0.89%，平均拉伸长度为 15.18 mm，实际拉伸长度的离散度为 0.6 mm，与预设耦合比为10%时实际所得耦合比和拉伸长度相比，其离散度较大。在预设耦合比为90%时，下降趋势再度增大，平均耦合比为86.47%，实际耦合比的离散度为0.27%，其波动程度减小；平均拉伸长度为 13.8 mm，实际拉伸长度的离散度为 0.62 mm，波动较大。

图5所示为图4(a)的局部放大图。表示预设耦合比在90%~100%部分耦合比与拉伸长度的对应关系。

图4  预设耦合比时耦合比与拉伸长度的关系及离散性

Fig. 4  Relationship and deviation of coupling ratio and length in presetting coupling ratio

图5  预设定耦合比时耦合比与拉伸长度的关系及离散性(耦合比为80%~100%)

Fig. 5  Relationship and deviation of coupling ratio and  length in presetting coupling ratio when coupling ratio is between 80% and 100%

其中耦合比的离散度都在 0.2%内，拉伸长度的离散度为 0.5 mm左右。预设耦合比在90%~96%内，实际拉伸长度随耦合比的减小而降低的幅度增大，预设比为96%~100%时逐渐平缓。其中，当预设耦合比为93%时，平均耦合比为90.27%，实际耦合比的离散度为 0.18%；平均拉伸长度为 13.9 mm，实际拉伸长度的离散度为 0.67 mm，其离散程度在实验数据中最大。当预设耦合比为99%时，平均耦合比为 98.39%，离散度为0.08%；平均拉伸长度为 12.97 mm，离散度为 0.43 mm，其离散程度为全体数据中最小。

2.2  预设拉伸长度准测

图6所示为在预先设定拉伸长度的实验中，实际的拉伸长度与实际耦合比的映射关系。由图6可知：随拉伸长度增加，实际耦合比的离散度呈现线性增加的趋势，总体数据的离散度由 1.1%增加到21.1%，随拉伸长度的增加实际耦合比的离散度增大，而实际拉伸长度的离散度在 0.007 mm左右波动。

图6  预设拉伸长度时耦合比与拉伸长度的关系及离散性

Fig. 6  Relationship and deviation of coupling ratio and length under presetting length

图6中，当预设拉伸长度为12.0~13.0 mm时，实际的耦合比均值呈现的线型与理论对应关系相符，离散度很小；大于13.0 mm以后，实际耦合比均值变化趋势变缓并伴随着离散度的增大，预设拉伸长度在大于13.8 mm后又大幅度下降。

图7所示为图6中局部结果的放大图。由图7可见：预设拉伸长度在 12.0~12.6 mm间变化幅度较小，基本呈线性状态，其拟合曲线为y=177.3-6.5x。在预设拉伸长度为 12.0 mm时，实际平均拉伸长度为 11.98 mm，离散度为 0.007 7 mm；实际耦合比均值为99.36%，实际耦合比离散度为1.13%，实际拉伸长度与实际耦合比的离散度都最小。图6中，当预设拉伸长度为13.0 mm时，平均拉伸长度为12.98 mm，离散度为0.006 8 mm；实际耦合比均值为80.29%，离散度为13.29%，与预设拉伸长度为12.0 mm时相比离散程度有较大增长。预设拉伸长度为13.6 mm时，平均拉伸长度为13.58 mm，离散度为0.007 9 mm；实际耦合比均值为82.22%，实际耦合比的离散度为16.3%，与预设拉伸长度为13.0 mm时相比离散度又有较大增加。当预设拉伸长度为 14.2 mm时，平均拉伸长度为14.18 mm，实际拉伸长度的离散度为0.007 9 mm；实际耦合比均值为50.79%，实际耦合比离散度为 21.16%，离散度较开始时拉伸长度为 12.0 mm时的离散度有较大增加。

图7  预设拉伸长度时耦合比与拉伸长度映射关系及离散性(拉伸长度为12.0~12.6 mm)

Fig. 7  Relationship and deviation of coupling ratio and length under presetting the length when length is between 12.0 mm and 12.6 mm

3  结论

1) 在预设耦合比作为拉锥停止准测时，在第1个耦合周期内，实际拉伸长度的离散度小于 0.5 mm。

2) 在预设拉伸长度作为拉锥停止准测的情况下，随着拉伸长度的增加，实际耦合比的离散度由1.13%增加到21.16%，且拉伸长度为12.0~12.6 mm，实际耦合比y与理论拉伸长度x间存在1个线性关系，即y=177.3-6.5x。

参考文献：

[1] 李焕路, 娄淑琴. 熔融拉锥光纤耦合损耗的实验研究[J]. 光电子·激光, 2010, 21(10): 1459-1461.

LI Huanlu, LOU Shuqin. Experimental study on the loss of the fused tapered optical fiber couple[J]. Journal of Optoelectronics. Laser, 2010, 21(10): 1459-1461.

[2] 任建国, 胡永明. 熔锥型单模光纤耦合器的一致性模型[J]. 半导体光电, 2011, 32(1): 18-23.

REN Jianguo, HU Yongming. A united model of fused single-mode fiber coupler[J]. Semiconductor Optoelectronics, 2011, 32(1): 18-23.

[3] PAL B P, CHAUDHURI P R, SHENOY M R. Fabrication and modeling of fused biconical tapered fiber couplers[J]. Fiber and Inte-grated Optics, 2003, 22(2): 97-117.

[4] 王金娥, 郑煜, 吴宇列, 等. 熔锥型保偏光纤耦合器耦合系数分析[J]. 国防科技大学学报, 2007, 29(2): 292-295.

WANG jine, ZHENG Yu, WU Yulie, et al. Coupling coefficient analysis of fused polarization-maintaining fiber couplers[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2007, 29(2): 292-295.

[5] HSU C M, SU C T, LIAO D. A novel approach for optimizing the optical performance of the broadband tap coupler[J]. International Journal of Systems Science, 2003, 34(3): 215-220.

[6] WONG W Y, CHOY L K. The manufacturing of an optical fiber coupler by the fusion elongation method[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1997, 63(1): 301-310.

[7] YOKOHAMA I, OKAMOTO K. Fiber-coupler fabrication with automatic fusion-elongation processes for low excess loss and high coupling-ratio accuracy[J]. Journal of Lightwave Technology, 1987, 5(7): 910-915.

[8] TAKEUCHI Y, NODA J. Novel fiber coupler tapering process using a microheater[J]. Photonics Technology Letters, IEEE, 1992, 4(5): 465-467.

[9] TIMOTHY E D, GEORGE K, TIMOTHY A B. Carbon dioxide laser fabrication of fused-fiber couplers and tapers[J]. Applied Optics, 1999, 33(38): 6845-6848.

[10] BAYLE F, MEUNIER J P. Efficient fabrication of fused-fiber biconical taper structures by a scanned CO₂ laser beam technique[J]. Applied Optics, 2005, 44(30): 6405-6411.

[11] 李焕路, 娄淑琴. 熔融拉锥光纤耦合区形状对于损耗的影响[J]. 红外与激光工程, 2009, 38(S11): 292-295.

LI Huanlu, LOU Shuqin. Experimental study on the relationship between profile and loss of fused tapered optical fibre coupler[J]. Infrared and Laser Engineering, 2009, 38(S11): 292-295.

[12] 夏娟, 诸跃进. 熔融拉锥过程中熔锥形状特性的研究[J]. 光通信研究, 2006, 30(6): 17-18.

XIA Juan, ZHU Yuejin. Research on fused taper shape performances in fused tapering process[J]. Study On Optical Communications, 2006, 30(6): 17-18.

[13] HONG Zehua, LI Xinwan, ZHOU Lijie. Coupling characteristics between two conical micro/nano fibers: simulation and experiment[J]. Optics Express, 2011, 19(5): 3854-3861.

[14] YONGMIN J, GILBERTO B, DAVID J. Optical microfiber coupler for broadband single-mode operation[J]. Optics Express, 2009, 17(7): 5273-5278.

[15] LIN Bo, WANG Pengfei, SEMENOVA Y. High sensitivity fiber refractometer based on an optical microfiber coupler[J]. Photonics Technology Letters, IEEE, 2013, 25(3): 228-230.

[16] YUAN Libo, LIU Zhihai, YANG Jun. Bitapered fiber coupling characteristics between single-mode single-core fiber and single-mode multicore fiber[J]. Applied Optics, 2008, 47(18): 3307-3312.

[17] LIU Jianguo, CHENG T H, YEO T Y. Light beam coupling between standard single mode fibers and highly nonlinear photonic crystal fibers based on the fused biconical tapering technique[J]. Optics Express, 2009, 17(5): 3115-3123.

[18] PAL P, KNOX W H. Fabrication and characterization of fused microfiber resonators[J]. Photonics Technology Letters, IEEE, 2009, 21(12): 766-768.

(编辑  陈爱华)

收稿日期：2016-03-15；修回日期：2016-05-29

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51475479，51075402)；高等学校博士点基金资助项目(20110162130004)；国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA040406)；湖南省自然科学基金资助项目(14JJ2010)(Projects (51475479; 51075402) supported by the National Science Foundation of China; Project (2012AA040406) supported by the Ph.D. Programs Foundation of Ministry of Education of China; Project (2012AA040406) supported by the National High Technology Research and Development Program of China (863 Program))

通信作者：郑煜，副教授，从事集成光子器件封装制造理论与技术研究；E-mail：zhengyu@csu.edu.cn