一种光纤模场匹配器及其制备方法与流程

1.本发明属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种光纤模场匹配器及其制备方法。

背景技术：

2.近年来数据中心规模和数量不断扩大，当前国内数据中心多数采用多模光模块和多模光纤作为光信号传输载体，主要原因是数据中心传输距离短，数据速率较低，多模光纤就能满足要求，且多模光模块成本低。然而，随着数据中心对容量带宽、传输速率和传输距离的需求不断提升，传统的布局多模光纤的数据中心面临升级换代的问题。此外，随着国产单模光模块的成熟和价格逐渐降低，未来数据中心将有望采用单模光模块。从成本方面和升级简便性方面考虑，数据中心希望利用已布好的多模光纤传输速率更高的单模光模块发出的光信号，其工作波长主要涉及1310nm附近的o波段，如cwdm4单模光模块。
3.单模光模块的光输入和输出端口内部有一小段单模光纤(通常为g.652或g.657光纤)，其在1310nm的模场直径约为8～9μm，而多模光纤中基模lp
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的模场直径约为15μm。若多模光纤直接与单模光模块耦合，由于模场失配会造成功率损耗大，激发高阶模，串扰大，在传输试验中表现为误码率高。
4.此外，现有的模场匹配器通常具有以下问题：(1)采用光纤拉锥的方式来实现单模光纤和多模光纤的信号传输过渡，但拉锥后光纤与单模或多模光纤的包层直径不匹配，甚至可能有较大差异，导致熔接难度大，难以实现低损熔接，链路损耗较大，工艺流程复杂；(2)对光纤中的模式未进行限制，若激发较多高阶模，则光信号将受到较大干扰，误码率高，不能很好的适用于所需的应用场景。
5.因此，如何实现多模光纤传输单模光模块信号，满足应用场景需求，降低损耗和误码率，降低工艺流程的复杂度是本领域需要研究的技术问题。

技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提供一种光纤模场匹配器及其制备方法，能够实现多模光纤传输单模光模块信号，实现对光纤模式的限制满足应用场景需求，能够降低损耗和误码率，能够降低工艺流程的复杂度。
7.本发明提供一种光纤模场匹配器，包括第一单模光纤、第二单模光纤和多模光纤；所述第一单模光纤为截止波长低于1260nm且经扩芯处理的单模光纤；所述第一单模光纤的一端与所述第二单模光纤的一端熔接，所述第一单模光纤的另一端与所述多模光纤的一端熔接；所述第一单模光纤的一端的模场直径与所述第二单模光纤的模场直径相匹配，所述第一单模光纤的另一端的模场直径与所述多模光纤的基模的模场直径相匹配。
8.优选的，所述第一单模光纤、所述第二单模光纤和所述多模光纤的包层直径均相同。
9.优选的，所述扩芯处理为热扩芯，所述热扩芯的热源采用氢氧焰、co2激光器、石墨加热丝、钨加热丝、铱加热丝中的一种。
10.优选的，所述的光纤模场匹配器，其特征在于，还包括：封装组件；所述第一单模光纤与所述第二单模光纤的熔接点、所述第一单模光纤与所述多模光纤的熔接点，以及所述第一单模光纤封装在所述封装组件内。
11.优选的，所述第一单模光纤的截止波长低于1100nm。
12.另一方面，本发明提供一种光纤模场匹配器的制备方法，包括以下步骤：
13.获取截止波长低于1260nm的单模光纤，对该单模光纤进行扩芯处理，使扩芯后的光纤的第一端的模场直径达到第一直径，使扩芯后的光纤的第二端的模场直径达到第二直径，得到第一单模光纤；
14.获取模场直径为所述第一直径的第二单模光纤，获取基模的模场直径为所述第二直径的多模光纤；将所述第一单模光纤的所述第一端与所述第二单模光纤的一端进行熔接，将所述第一单模光纤的所述第二端与所述多模光纤的一端进行熔接。
15.优选的，所述光纤模场匹配器的制备方法还包括：对所述第一单模光纤与所述第二单模光纤的熔接点、所述第一单模光纤与所述多模光纤的熔接点，以及所述第一单模光纤进行封装。
16.优选的，所述扩芯处理为热扩芯，所述热扩芯包括以下子步骤：
17.剥除截止波长低于1260nm的单模光纤中两个位置的涂覆层，两个剥除位置的中心间距为第一距离；
18.将其中一个剥除位置的中间区域对准热源并加热第一时间，使所述第一单模光纤的所述第一端的模场直径达到所述第一直径；
19.将另一个剥除位置的中间区域对准热源并加热第二时间，使所述第一单模光纤的所述第二端的模场直径达到所述第二直径。
20.优选的，所述熔接包括以下子步骤：
21.对所述第一单模光纤的两端分别进行精密切割，两端的切割点分别位于两个加热区域的中心位置；
22.将所述第一单模光纤的一端与预先穿入封装组件的所述多模光纤进行熔接；在该熔接点处套上热缩套管，热缩保护该熔接点；
23.将所述第一单模光纤的另一端与预先穿入所述封装组件的所述第二单模光纤进行熔接；在该熔接点处套上热缩套管，热缩保护该熔接点；
24.所述封装包括以下子步骤：
25.移动所述封装组件，使所述封装组件的两端完全覆盖住两个热缩套管；
26.在所述封装组件的两端涂上胶水，拉直光纤，等待胶水固化。
27.优选的，所述第一直径为8～9μm，所述第二直径为14～16μm；所述第一距离为4～10cm；所述第一单模光纤、所述第二单模光纤和所述多模光纤的包层直径均为125μm。
28.本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
29.本发明提供的光纤模场匹配器中的第一单模光纤为截止波长低于1260nm且经扩芯处理的单模光纤，第一单模光纤的两端分别与第二单模光纤的一端、多模光纤的一端熔接，第一单模光纤的一端的模场直径与第二单模光纤的模场直径相匹配，第一单模光纤的另一端的模场直径与多模光纤的基模的模场直径相匹配。由于第一单模光纤的截止波长低于1260nm，能够限制第一单模光纤中的模式为基模，满足应用场景需求。由于模场直径相匹
配，结合包层直径相同，不仅能够降低损耗和误码率，还降低了熔接难度。由于本技术仅需要扩芯和熔接光纤，不需要拉锥光纤，使得整个工艺流程的复杂度大幅降低，制备方法简单、高效。
附图说明
30.图1为本发明实施例提供的一种光纤模场匹配器的示意图；
31.图2为多模光纤传输单模光模块信号的链路示意图。
具体实施方式
32.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
33.实施例1：
34.实施例1提供了一种光纤模场匹配器，包括第一单模光纤、第二单模光纤和多模光纤；所述第一单模光纤为截止波长低于1260nm且经扩芯处理的单模光纤；所述第一单模光纤的一端与所述第二单模光纤的一端熔接，所述第一单模光纤的另一端与所述多模光纤的一端熔接；所述第一单模光纤的一端的模场直径与所述第二单模光纤的模场直径相匹配，所述第一单模光纤的另一端的模场直径与所述多模光纤的基模的模场直径相匹配。
35.所述第一单模光纤、所述第二单模光纤和所述多模光纤的包层直径均相同。
36.所述扩芯处理为热扩芯，所述热扩芯的热源采用氢氧焰、co2激光器、石墨加热丝、钨加热丝、铱加热丝中的一种。
37.优选的方案中，所述光纤模场匹配器还可包括：封装组件；所述第一单模光纤与所述第二单模光纤的熔接点、所述第一单模光纤与所述多模光纤的熔接点，以及所述第一单模光纤封装在所述封装组件内。
38.下面对本发明做进一步的说明。
39.考虑到数据中心的高密度布线应用场景，希望在尽可能短的光纤内实现模场匹配。光纤的截止波长与光纤长度有关，长度越短，截止波长越大。在本应用场景中，优选的被扩芯单模光纤的长度小于10cm，因此其截止波长需在该长度下仍小于1260nm，因此优选截止波长低于1100nm的扩芯单模光纤作为第一单模光纤，从而实现抑制高阶模，在多模光纤中传输基模光信号的目的。
40.此外，本发明将扩芯后的单模光纤(作为第一单模光纤)两端分别与第二单模光纤、多模光纤进行熔接。为了在数据中心布线紧密的场景中使用时减小弯曲引起的附加损耗，保护熔接点和第一单模光纤，本发明将熔接点及位于中间的第一单模光纤封装在封装组件(例如，金属细管)中，使用胶水固定时拉直管内光纤，得到的模场匹配器如图1所示，包括扩芯后的第一单模光纤(封装在金属细管内部，图1中未画出)、第二单模光纤11、金属细管12、多模光纤13。其中第二单模光纤为g.652或g.657光纤，由于g.657光纤抗弯性能更优异，优选g.657光纤。
41.基于本发明提供的模场匹配器实现多模光纤传输单模光模块信号的链路示意图如图2所示，包括：单模光模块的发射端21、第一模场匹配器22、第一连接器23、多模光纤24、第二连接器25、第二模场匹配器26、单模光模块的接收端27。
42.其中，所述第一连接器23、所述第二连接器25均可根据所连接的接口或接头的类型选择相应的连接器类型，例如可采用lc连接器、sc连接器、fc连接器等。
43.实施例2：
44.实施例2提供一种如实施例1所述的光纤模场匹配器的制备方法，包括以下步骤：
45.获取截止波长低于1260nm的单模光纤，对该单模光纤进行扩芯处理，使扩芯后的光纤的第一端的模场直径达到第一直径，使扩芯后的光纤第二端的模场直径达到第二直径，得到第一单模光纤；
46.获取模场直径为所述第一直径的第二单模光纤，获取基模的模场直径为所述第二直径的多模光纤；将所述第一单模光纤的所述第一端与所述第二单模光纤的一端进行熔接，将所述第一单模光纤的所述第二端与所述多模光纤的一端进行熔接。
47.优选的方案中还可包括：对所述第一单模光纤与所述第二单模光纤的熔接点、所述第一单模光纤与所述多模光纤的熔接点，以及所述第一单模光纤进行封装。
48.具体的，所述扩芯处理为热扩芯，所述热扩芯包括以下子步骤：剥除截止波长低于1260nm的单模光纤中两个位置的涂覆层，两个剥除位置的中心间距为第一距离；将其中一个剥除位置的中间区域对准热源并加热第一时间，使所述第一单模光纤的所述第一端的模场直径达到所述第一直径；将另一个剥除位置的中间区域对准热源并加热第二时间，使所述第一单模光纤的所述第二端的模场直径达到所述第二直径。
49.所述熔接包括以下子步骤：对所述第一单模光纤的两端分别进行精密切割，两端的切割点分别位于两个加热区域的中心位置；将所述第一单模光纤的一端与预先穿入封装组件的所述多模光纤进行熔接，在该熔接点处套上热缩套管，热缩保护该熔接点；将所述第一单模光纤的另一端与预先穿入所述封装组件的所述第二单模光纤进行熔接，在该熔接点处套上热缩套管，热缩保护该熔接点；
50.所述封装包括以下子步骤：移动所述封装组件，使所述封装组件的两端完全覆盖住两个热缩套管；在所述封装组件的两端涂上胶水，拉直光纤，等待胶水固化。
51.具体的，所述第一直径为8～9μm，所述第二直径为14～16μm；所述第一距离为4～10cm；所述第一单模光纤、所述第二单模光纤和所述多模光纤的包层直径均为125μm。
52.下面对热扩芯后的效果做进一步的说明。
53.本发明的模场匹配器制作过程中最重要的一步是热扩芯。热扩芯的原理是通过加热，使纤芯的掺杂离子扩散，改变光纤折射率剖面，达到增加模场直径的目的。热扩芯可采用氢氧焰、co2激光器、石墨加热丝、钨加热丝、铱加热丝加热。下面以氢氧焰加热为例进行说明。
54.在热源温度保持恒定的前提下，扩芯后的模场直径与加热时间有关。一般扩芯后的模场直径随加热时间增加而增大，当时间达到一定程度后模场直径不再继续增加，因此需评估不同时间的扩芯效果。表1为经过不同时间热扩芯后的光纤模场直径。与多模光纤耦合，扩芯后模场直径需达到14～16μm，因此加热时间在20～30分钟左右为佳。与g.652或g.657光纤耦合，则模场直径应扩至8～9μm左右，因此加热时间在5～8分钟为佳。
55.表1热扩芯时间与热扩芯后光纤模场直径的关系表
[0056][0057]
下面结合具体参数对模场匹配器的制作方法进行说明。
[0058]
由于应用场景多为高密度布线的数据中心，因此模场匹配器中间金属细管封装不宜太长，根据现有扩芯设备的能力，以及熔接操作时对光纤长度的要求，最小封装长度为10cm。
[0059]
光纤模场匹配器的制备方法包括以下步骤：
[0060]
(1)热扩芯。
[0061]
步骤1.1：取一段第一单模光纤，剥除2个位置的涂覆层，剥除长度为20mm，控制两个剥除位置的中心间距(例如为5cm)，剥除的涂覆层用无尘纸蘸酒精擦干净；
[0062]
步骤1.2：固定光纤，先将其中一个剥除涂层位置的中间对准火头中心；
[0063]
步骤1.3：设定好加热时间1(如25分钟)，点火加热；
[0064]
步骤1.4：加热完毕后，关闭火头，平移光纤，将第2个剥除涂层位置中间对准火头中心；
[0065]
步骤1.5：设定好加热时间2(如5分钟)，点火加热；
[0066]
步骤1.6：加热完毕后，关闭火头，取下光纤。
[0067]
(2)切割和熔接。
[0068]
步骤2.1：在第1个加热位置的中间处切断光纤，与一定长度的多模尾纤熔接(带连接头，如lc)，并用热缩套管保护熔接点；其中多模尾纤在熔接前预先穿入金属细管和30cm长的热缩套管；
[0069]
步骤2.2：在第2个加热位置的中间处切断光纤，与一定长度的g.657尾纤熔接(带连接头，如lc)，并用热缩套管保护熔接点；其中g.657尾纤在熔接前预先穿入30cm长的热缩套管。
[0070]
(3)封装。
[0071]
步骤3.1：将金属细管移动至中间熔接第一单模光纤的位置，两端完全覆盖住热缩套管；
[0072]
步骤3.2：金属细管两头分别涂上胶水；
[0073]
步骤3.3：拉直两侧尾纤，固定好，放置等待胶水固化。
[0074]
下面对本发明进行性能测试。
[0075]
100g cwdm4适用于2m～2km的单模光纤，工作波长范围是1260～1340nm。当在数据中心替换现有多模光模块并利用已布局的多模光纤传输光信号时，链路布局如图2所示。
[0076]
在传输链路中，功率预算是有限制的，因此插入损耗是重点关注的指标。根据2014年发布的100g cwdm4 msa，通道插入损耗要求不大于5db，包括光缆、连接器和熔接点的损耗。通常多模光纤在1310nm的衰减系数在0.5～0.6db/km，数据中心布局的多模光纤长度往往很短，大多在100米左右，因此多模光纤本身的损耗并不大，即使延长至2km多模光纤，光纤本身的损耗在1.2db之内。通过一对模场匹配器耦合多模光纤和光模块，相比于光纤直接连接光模块增加了2个活动连接头和2个模场匹配器的损耗。链路中个至少会存在4个常规单模-单模连接头和多模-多模连接头，按照每个接头0.5db的插入损耗计算，则总损耗2db。因此2个模场匹配器的总插入损耗至少要小于(5-1.2-2)＝1.8db。
[0077]
本发明具体进行插入损耗测试时使用1310nm光源和功率计，首先接入长度约6m的g.652跳线，待光源热机后进行清零。然后在跳线中间剪断，接入被测样品，即2个模场匹配器。测试结果表明，本发明提供的2个光纤模场匹配器的插入损耗可低至0.8db，能够满足应用需求。
[0078]
此外，本发明还对多路径串扰mpi和误码率进行了测试。测试结果表明被测多模光纤长度为500m时，mpi可低至-26db，mpi损耗可低至0.5db。通过100g网络分析仪测试链路误码率，测试时间24小时，被测多模光纤长度为1000m，结果为无误码。
[0079]
综上，本发明提供的光纤模场匹配器具有良好的性能，采用本发明提供的光纤模场匹配器能够实现多模光纤传输单模光模块信号，实现对光纤模式的限制，满足应用需求。本发明提供的制备方法不需要拉锥光纤，简单、高效。
[0080]
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：

1.一种光纤模场匹配器，其特征在于，包括第一单模光纤、第二单模光纤和多模光纤；所述第一单模光纤为截止波长低于1260nm且经扩芯处理的单模光纤；所述第一单模光纤的一端与所述第二单模光纤的一端熔接，所述第一单模光纤的另一端与所述多模光纤的一端熔接；所述第一单模光纤的一端的模场直径与所述第二单模光纤的模场直径相匹配，所述第一单模光纤的另一端的模场直径与所述多模光纤的基模的模场直径相匹配。2.根据权利要求1所述的光纤模场匹配器，其特征在于，所述第一单模光纤、所述第二单模光纤和所述多模光纤的包层直径均相同。3.根据权利要求1所述的光纤模场匹配器，其特征在于，所述扩芯处理为热扩芯，所述热扩芯的热源采用氢氧焰、co2激光器、石墨加热丝、钨加热丝、铱加热丝中的一种。4.根据权利要求1所述的光纤模场匹配器，其特征在于，还包括：封装组件；所述第一单模光纤与所述第二单模光纤的熔接点、所述第一单模光纤与所述多模光纤的熔接点，以及所述第一单模光纤封装在所述封装组件内。5.根据权利要求1所述的光纤模场匹配器，其特征在于，所述第一单模光纤的截止波长低于1100nm。6.一种如权利要求1-5中任一项所述的光纤模场匹配器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：获取截止波长低于1260nm的单模光纤，对该单模光纤进行扩芯处理，使扩芯后的光纤的第一端的模场直径达到第一直径，使扩芯后的光纤的第二端的模场直径达到第二直径，得到第一单模光纤；获取模场直径为所述第一直径的第二单模光纤，获取基模的模场直径为所述第二直径的多模光纤；将所述第一单模光纤的所述第一端与所述第二单模光纤的一端进行熔接，将所述第一单模光纤的所述第二端与所述多模光纤的一端进行熔接。7.根据权利要求6所述的光纤模场匹配器的制备方法，其特征在于，还包括：对所述第一单模光纤与所述第二单模光纤的熔接点、所述第一单模光纤与所述多模光纤的熔接点，以及所述第一单模光纤进行封装。8.根据权利要求7所述的光纤模场匹配器的制备方法，其特征在于，所述扩芯处理为热扩芯，所述热扩芯包括以下子步骤：剥除截止波长低于1260nm的单模光纤中两个位置的涂覆层，两个剥除位置的中心间距为第一距离；将其中一个剥除位置的中间区域对准热源并加热第一时间，使所述第一单模光纤的所述第一端的模场直径达到所述第一直径；将另一个剥除位置的中间区域对准热源并加热第二时间，使所述第一单模光纤的所述第二端的模场直径达到所述第二直径。9.根据权利要求8所述的光纤模场匹配器的制备方法，其特征在于，所述熔接包括以下子步骤：对所述第一单模光纤的两端分别进行精密切割，两端的切割点分别位于两个加热区域的中心位置；将所述第一单模光纤的一端与预先穿入封装组件的所述多模光纤进行熔接；在该熔接点处套上热缩套管，热缩保护该熔接点；
将所述第一单模光纤的另一端与预先穿入所述封装组件的所述第二单模光纤进行熔接；在该熔接点处套上热缩套管，热缩保护该熔接点；所述封装包括以下子步骤：移动所述封装组件，使所述封装组件的两端完全覆盖住两个热缩套管；在所述封装组件的两端涂上胶水，拉直光纤，等待胶水固化。10.根据权利要求8所述的光纤模场匹配器的制备方法，其特征在于，所述第一直径为8～9μm，所述第二直径为14～16μm；所述第一距离为4～10cm；所述第一单模光纤、所述第二单模光纤和所述多模光纤的包层直径均为125μm。

技术总结

本发明属于光纤技术领域，公开了一种光纤模场匹配器及其制备方法。本发明包括第一单模光纤、第二单模光纤和多模光纤，第一单模光纤为截止波长低于1260nm且经扩芯处理的单模光纤，第一单模光纤的一端与第二单模光纤的一端熔接，第一单模光纤的另一端与多模光纤的一端熔接，第一单模光纤的一端的模场直径与第二单模光纤的模场直径相匹配，第一单模光纤的另一端的模场直径与多模光纤的基模的模场直径相匹配。采用本发明提供的光纤模场匹配器能够实现多模光纤传输单模光模块信号，并实现对光纤模式的限制。本发明提供的制备方法不需要拉锥光纤，简单、高效。高效。高效。