專利名稱：消色差耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單模光纖耦合器，這種耦合器能夠在相當(dāng)寬的波長范圍上在光纖之間進行相當(dāng)均勻的光耦合。
熔合的光纖耦合器是通過將多根光纖以邊挨邊的方式沿其適當(dāng)長度設(shè)置并與包層熔合在一起而構(gòu)成的，以保護光纖和減少線芯之間的間隔。通過在加熱和拉伸光纖之前插入一毛細(xì)管能改進各種耦合器特性，由此產(chǎn)生一種“外包層耦合器”(overcladcoupler)。為了構(gòu)成外包層耦合器，將光纖插入一管中，將管子抽真空，并在其中部區(qū)域加熱使中部區(qū)域向內(nèi)收縮裹緊光纖。此后使中部區(qū)域的中心部分變細(xì)到為獲得所需耦合度所必需的直徑和耦合長度。
線芯在耦合區(qū)域中變得如此之小以致它們的光傳播作用變得非常小。當(dāng)光纖包層直徑變得足夠小時，線芯和包層的復(fù)合物在耦合區(qū)域中起著波導(dǎo)的導(dǎo)光部分的作用、而包封的低折射率基體材料起包層作用，因此功率能在耦合區(qū)域中的相鄰光纖包層之間進行傳輸，處于耦合區(qū)域(線芯/包層/外包層波導(dǎo))的那部分光纖的基模有一個不同于耦合區(qū)域外光纖中的基模的傳播常數(shù)。這里項βCR用來表示處于耦合區(qū)域那部分耦合光纖中的基模傳播的傳播常數(shù)。耦合區(qū)域中的基模的傳播常數(shù)實際上隨幾何形狀的改變而不斷改變。為了能定性地掌握這些耦合器的性能，研究在耦合區(qū)中具有不變的幾何形狀并具有無損耗的輸入輸出光纖連接的耦合器是有用的。
至今，一直用相同的光纖來制做一種標(biāo)準(zhǔn)耦合器，其耦合比與波長的關(guān)系極大，即如果耦合器在1310nm上呈現(xiàn)3dB耦合度，則由于與波長的相關(guān)性它不能用作1550nm上的3dB耦合器。一“標(biāo)準(zhǔn)耦合器”的特性在于其在約1310nm為中心的窗口中的功率傳輸特性，該窗口稱為第一窗口。如，一個標(biāo)準(zhǔn)耦合器在60nm窗口中具有耦合比變化不超過5%。
一種“消色差耦合器”是一種其耦合比對波長的敏感性比一標(biāo)準(zhǔn)耦合器低的耦合器。對于“消色差耦合器”沒有更廣泛可采納的定義。不很嚴(yán)格的定義僅僅要求消色差耦合器比標(biāo)準(zhǔn)耦合器在第一窗口中呈現(xiàn)更好的功率傳輸特性。更實際地說，這種分類與要求消色差耦合器在那第一窗口中比標(biāo)準(zhǔn)耦合器運行得更好、或要求其在兩個規(guī)定寬度的窗口中呈現(xiàn)較低的功率傳輸斜率緊密相聯(lián)。例如這兩個窗口可規(guī)定為寬度為100nm而中心在約1310nm和1530nm上。這些窗口不需要有相同寬度;例如它們的寬度可能一個為80nm而另一個為60nm。一個做得最佳的消色差耦合器基本上在整個單模工作范圍上能呈現(xiàn)低的耦合功率斜率。對于石英基質(zhì)光纖，這種工作范圍如可規(guī)定在1260nm和1580nm之間。
采用在耦合區(qū)中對基模具有不同傳播常數(shù)的光纖已制成一類消色差耦合器，即通過使用不同直徑的光纖和/或不同折射率分布的光纖或使兩相同光纖之一根比另一根更有錐度或蝕刻更多來形成不同傳播常數(shù)。
美國專利5，011，251描述了外包層消色差光纖耦合器，其中，耦合光纖用折射率n3低于光纖包層材料折射率的基質(zhì)玻璃來包復(fù)。由于光纖具有不同的包層折射率，所以兩波導(dǎo)的βCR在耦合區(qū)中不同。在第一光纖包層的折射率n2和第二光纖包層的折射率n′2之間的差是這樣的以便耦合器在相當(dāng)寬的波長帶上使耦合比隨波長呈現(xiàn)很小的變化。

圖1表明按美國專利5，011，251所制做的典型的△β消色差耦合器的光譜特性。而兩輸出端的插入損耗曲線相交在兩長途通信窗口的中心附近，它們在兩窗口邊緣附近發(fā)散，且兩曲線之間在窗口邊緣上通常相隔1dB左右。這種相隔稱為“均勻性”，且一基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)(keystandardsbody)Bellcore在它的標(biāo)為TA1209的文件中提出需要的均勻性為1.0dB而指標(biāo)(Objective)為0.5dB。
美國專利5，011，251揭示了管子折射率n3的特征在于符號△2-3，其值從等式△2-3＝(n22-n23)/n22獲得。項△常用百分率表達、即一百乘△。市售的單模光纖的n2值通常等于或近于二氧化硅的那個值。如果二氧化硅用作管子的基質(zhì)玻璃，則把摻雜劑如B2O3(亦可選氟)添加到其中以便把管子折射率n3降低到低于n2。除了降低管子的折射率外，B2O3的優(yōu)點還在于把管子的軟化點溫度降低到比光纖的更低的值上。那專利還揭示了當(dāng)△2-3低于約0.2%時，二氧化硅管中的B2O3量不足以軟化1×2或2×2耦合器中的管子玻璃，因此它使光纖在向內(nèi)收縮裹緊(collapse)步驟期間過度變形。因此，標(biāo)準(zhǔn)耦合器的△2-3值一般在0.26%和0.35%之間，為了改進那專利中揭示的制造那種類型的消色外包層耦合器的工藝過程的重復(fù)性，△2-3最好大于0.4%。
1992年7月遞交的美國專利申請SN07/913，390(D.L.Weidman-6)揭示了一種外包層消色差光纖耦合器，其中多個單模光纖沿它們的長度部分熔合在一起以形成由折射率n3的基質(zhì)玻璃體包圍的耦合區(qū)域。耦合器錐度和n3這樣來安排使耦合器的耦合常數(shù)在兩個隔開很寬的波長上相等，于是獲得消色差的性能。為了得到這樣的消色差性能，n3必須比n2低這樣一個值，以致使△2-3的值低于0.125%，n2是光纖包層的折射率?！?-3的值最好如此選擇以便非絕熱錐度的額外損耗保持在0.5dB以下。在W.J.Stewart等人著的“關(guān)于單模光纖的錐度和耦合器的設(shè)計限制”一文(見Proc.Iopoc期刊中第559-562頁)中討論了非絕熱錐度(taper)裝置。為了滿足這種要求，似乎△2-3必須低于0.125%、最好低于0.02%。當(dāng)△2-3變得更小時，使折射率減少得較少摻雜劑出現(xiàn)在二氧化硅為基質(zhì)的玻璃管中。因此相當(dāng)硬的基質(zhì)玻璃管使其中的光纖在耦合器制造過程中的向內(nèi)收縮緊裹步驟期間產(chǎn)生變形。這樣的光纖變形會增加耦合器額外損耗，這樣就抵消了由于減少錐度陡度引起的額外損耗的減少。
本發(fā)明的目的在于提供一種制造單模外包層消色差光纖耦合器而不會使耦合區(qū)域中的光纖過度變形的方法。本發(fā)明的另一目的在于提供一種單模外包層消色差光纖耦合器，其特征在于，該耦合器在寬波長帶上耦合功率的變化很小。本發(fā)明的再一目的在于提供一種具有改進的插入損耗均勻性的1×2外包層消色差耦合器。
簡言之，本發(fā)明涉及一種1×N的消色差耦合器，其中，N為2或3。該耦合器包含一伸長的基質(zhì)玻璃(matrix glass)的殼體，和三個經(jīng)該殼體延伸的光波導(dǎo)通路。每個通路包含一由折射率低于線芯區(qū)域的包層區(qū)域包裹的線芯區(qū)域，包層區(qū)域的最低折射率為n2。光波導(dǎo)通路以足夠貼近方式延伸足夠長的距離以形成一耦合區(qū)域，在該區(qū)域中，在通路之一中傳播的部分光功率耦合到其它通路中。當(dāng)在垂直于殼體縱軸的平面中觀察時，線芯區(qū)域以三角形陣列配置在耦合區(qū)域中。至少鄰接通路的那部分殼體區(qū)域的折射率為n3，這里n3低于n2這樣一個值以下以便△2-3的值低于0.125%，這里△2-3等于(n22-n23)/n22。
用一個具有第一和第二相向端和一中間區(qū)域的玻璃管就能制造耦合器。至少在鄰接內(nèi)腔的管子的內(nèi)里部分具有折射率n3。一輸入玻璃光纖的一部分和兩輸出玻璃光纖的端部分設(shè)置在內(nèi)腔中。第一光纖的一部分延伸超過管子的第一端，而兩光纖的每一個的一部分延伸超過管子的第二端。管子中間區(qū)域被緊裹到光纖上，且中間區(qū)域的中心部分內(nèi)陷以減少它的直徑并形成耦合區(qū)域。輸入光纖和兩輸出光纖的位于耦合區(qū)域中的那些部分當(dāng)在垂直于管子縱軸的平面觀察時呈三角形陣列配置。
圖1是表明用已有技術(shù)的方法生產(chǎn)的消色差1×2耦合器的光譜耦合系數(shù)的曲線圖;
圖2為一種外包層2×2耦合器的縱剖視圖;
圖3為緊裹步驟之前通過一外包層2×2耦合器的中間區(qū)域的橫剖視圖;
圖4為一具有△2-3值為0.35%的2×2開關(guān)耦合器(switch coupler)在3個不同波長上的耦合常數(shù)對于拉伸比的倒數(shù)(inverse draw ratio)的曲線圖;
圖5為兩個具有不同拉伸比(drawratios)和不同耦合距離但具有相同耦合度的管子的外表面簡圖;
圖6為作為波長為1310nm和1550nm的△2-3的函數(shù)所作出的“NAT差”(方程(10)的差值參數(shù))的曲線圖;
圖7為光纖插入其中之后的毛細(xì)管的剖視圖;
圖8為沿圖7中線8-8的剖視圖;
圖9表明用于緊裹毛細(xì)管和拉伸其中間區(qū)域的裝置的示意圖;
圖10為用例1方法制作的一消色差1×2耦合器的光譜耦合系數(shù)曲線圖;
圖11為一消色差1×3耦合器的光譜耦合系數(shù)理論曲線圖;
圖12為一種管子作為管子半徑函數(shù)所畫的折射率的曲線圖;和圖13顯示了一光纖耦合器在其已經(jīng)拉伸并在其端部已密封后的圖形。
各附圖并不用來表明這里示出的元件尺寸或有關(guān)比例。
本發(fā)明為呈現(xiàn)由它們的相當(dāng)?shù)偷摹?-3值產(chǎn)生的消色差性的一類外包層光纖耦合器的一特定實施例。這種耦合器的運行理論將聯(lián)系圖2中所示2×2耦合器進行討論。為了制造圖2的耦合器，用光纖F1和F2穿過具有直徑d1的玻璃外包層管O。至少在與光纖相鄰的管子的內(nèi)里部分的折射率為n3。光纖F1和F2有一由折射率低于n1但大于n3的包層包裹著的折射率為n1的線芯。管子O被抽空，且它的中間區(qū)域被加熱以便使它緊裹到光纖上。然后對管子再加熱并沿兩相反方向中拉其兩端以便對緊裹的中間區(qū)域的中心部分進行拉伸。管子的緊裹和拉伸操作可按照美國專利5，011，251進行，根據(jù)參考資料在這里將那專利的揭示結(jié)合進來。在拉伸步驟期間兩管端相互移離的速度構(gòu)成組合拉伸速度。管子能以恒速拉伸，或拉伸速度以連續(xù)的方式或以離散階躍的方式變化。在達到預(yù)定的耦合后就能停止拉伸操作;此后，管子能再被加熱，且能以第二拉伸速度進行拉伸。變細(xì)區(qū)N的中心部分的原有直徑d1與直徑d2的比稱為拉伸比。區(qū)域N雖然稍有錐度，因而，區(qū)域N的縱向中心呈現(xiàn)最小直徑，但其仍圖示為具有不變的直徑。該制成的耦合器的耦合特性由管子O和光纖F1和F2的光學(xué)的機械的特性及像長度Z、變細(xì)區(qū)N、和有錐度區(qū)T等耦合器參數(shù)的參數(shù)確定。
光功率能耦合到一輸入光纖，且能對輸出信號進行監(jiān)測以控制該耦合器制造過程中的工藝步驟。例如可參看美國專利5，011，251。在下面所述的特定實施例中，拉伸期間不對輸出功率進行監(jiān)測。在先前的外包層光纖耦合器的實踐中，兩個階段的總延伸距離一般在12和16mm之間。因此在那實施例中所描述的耦合器最初在那范圍中拉伸某個距離。然后對制成的器件的光學(xué)特性進行了測量，且對此后制做的耦合器的拉伸或延伸距離進行調(diào)整以便獲得所需要的特性，用這種方法，可獲得最佳拉伸距離。據(jù)此，那種類型的所有耦合器被拉伸到獲得所需光學(xué)特性的最佳距離上。然而，對所制造的耦合器的光學(xué)特性描述的結(jié)果能細(xì)調(diào)工藝參數(shù)如延伸距離。
應(yīng)用耦合模理論對所制做的1×2或2×2光纖消色差3dB耦合器已進行了理論分析以對它們的狀況作出模型。這種分析的基礎(chǔ)是紐約Chapman和Hall出版社1983年出版的A.W.Suyder和J.D.Love著的《光波導(dǎo)理論》一書所闡述的原理。按照這一理論，則認(rèn)為圖2的2×2外包層耦合器的模式場(mode field)是在沒有其它光纖即僅用外包層折射率為n3的材料包裹的光纖的情況下每個光纖F1和F2的基本模式ψ1和ψ2的線性組合。對于這種結(jié)構(gòu)其傳播常數(shù)和模式場能精確確定(參見M.J.Adams所著《光波導(dǎo)引論》)。
描述兩芯線之間的光耦合的耦合常數(shù)可用復(fù)疊積分來表示C=φ1(γ)φ2(γ1)(n-n')dA……(2)]]>在該方程中，ψ1和ψ2為兩芯線的模式場，γ和γ′分別為距光纖F1和F2芯線中心的徑向距離，n為整個耦合器的折射率結(jié)構(gòu)(index structure)、n′為F1的芯線和包層用折射率為n3的外包復(fù)材料來代替的折射率結(jié)構(gòu)。且積分是在耦合器的整個橫截面上進行的(但是n-n′只在F1的芯線和包層上才為非零)。在該式中模式場被認(rèn)為是歸一化的，即積分φ21dA 和φ22dA]]>兩者都為1。
盡管它們是帶錐形段的器件但仍可取下述的模型來處理其定性性能，即，假設(shè)在整個給定耦合長度上具有不變的拉伸比(drawratio)，而在該長度外部沒有耦合，即認(rèn)為圖2中的N區(qū)域的直徑在整個長度Z上是不變的。由于耦合常數(shù)為隨拉伸比迅速增加的函數(shù)，所以這種近似是很準(zhǔn)確的、而耦合器的性能由最高拉伸比時的性能確定。使用這種近似，將功率導(dǎo)入芯線1，則作為Z即沿耦合器軸的長度的函數(shù)，在兩芯線中的功率為P1(Z)＝1-F2Sin2(CZ/F)……(3)P2(Z)＝F2Sin2( (C)/(F) Z)……(4)這里因子F為F = ［1+(β1-β22C)2］-1/2……(5)]]>這里β1和β2分別為光纖F1和F2的傳播常數(shù)。
對于作為本發(fā)明的三波導(dǎo)耦合器，把單位功率導(dǎo)入波導(dǎo)1和耦合到波導(dǎo)2和3，且其中，波導(dǎo)2和3相同(β3＝β2)但可與波導(dǎo)1不同，作為長度Z的函數(shù)，保留在芯線1中的功率為P1(Z)＝1-F2Sin2( (CZ)/(F) )……(6)這里F = ［1+(β1-β2-C238C12)2］-12……(7)]]>這里，波導(dǎo)1與2之間的耦合系數(shù)C12，和波導(dǎo)2與3之間的耦合系數(shù)C23用類似于式2的式子給出，但用適合于要考慮的對的折射率和模式[ψ1和ψ2用C12，ψ2和ψ3用C23]。由對稱性，C13＝C12。耦合到其它波導(dǎo)的功率為P2(Z)＝P3(Z)＝ 1/2 [1-P1(Z)]……(8)于是能看到，為了具有從輸入波導(dǎo)至P2和P3的完全的耦合(P1→O)，則必須使F＝1，這就要求β1-β2＝C23。換言之，為了獲得完全的耦合，輸放光纖必須具有一個稍大于兩輸出光纖的傳播常數(shù)。
通過沿錐削部分對耦合方程的積分能獲得更為定量的結(jié)果。使用束傳播技術(shù)(傅利葉變換、有限差分，等)能獲得更精確的模擬，不過要花費更多的計算時間。
用耦合模模型來將2×2耦合器的耦合常數(shù)定義為具有△2-3值為0.35%的耦合器中的3個不同波長的拉伸比的函數(shù)。關(guān)于耦合器參數(shù)所做的大多數(shù)設(shè)想是建立在關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)外包層耦合器的工作上的。假定光纖F1和F2為具有芯線直徑為4μm的標(biāo)準(zhǔn)125μm外直徑單模光纖。芯線和包層的折射率n1和n2分別設(shè)定為1.461000和1.455438。該模型用來產(chǎn)生圖4的曲線，它表明了本發(fā)明的在改進耦合器消色差方面的物理機制。在圖4中，描繪出了耦合常數(shù)作為平行芯線2×2耦合器的拉伸比的倒數(shù)的函數(shù)。由此可見，給定波長的耦合常數(shù)隨拉伸比的增加而迅速增加。然而，在拉伸比很大時曲線有一最大值。這是因為最終模場(mode fields)的擴張得如此之大以致在任一光纖的芯線和包層構(gòu)成的區(qū)域中(即取耦合常數(shù)復(fù)疊積分處)，兩光纖模場之間的交疊由于模場幅度的下降而實際上降低了。在大大小于拉伸比最大值的拉伸比上，較長波長的耦合常數(shù)因衍射效應(yīng)擴張得更大而變得更大。然而，這一事實說明由于最大耦合出現(xiàn)的拉伸比取決于模場進一步擴張減少了從一個芯線的模場與從另一芯線的模場交疊量的那個點而使較長波長的最大耦合出現(xiàn)在較小拉伸比上。因為模場擴張對于給定的拉長比而言波長愈長擴張愈大，所以波長愈長最大值出現(xiàn)的R值愈小。如圖4所示，這種情況使耦合常數(shù)曲線相交。
在一個具有單一拉伸比的無錐度的平行芯線器件中，為了獲得消色差性能(如在約1300和1500nm上具有相等的耦合度)，則耦合器的幾何形狀應(yīng)選擇得以便在耦合常數(shù)曲線的交叉點上工作，即在如圖4所示的兩波長的RCRoss點上工作。在一有錐度器件中，它具有包括直到拉比最大值Rmax的幾何形狀，必須使Rmax＞RCROSS(使1/Rman在圖4中的交叉點的左面)。這是由于在靠近錐削部分的端部(參見圖5的虛線5和6之間的區(qū)域LW)的低拉伸比上，波長愈長耦合愈強，因此長波長的光耦合更多。通過錐度變化使Rmax.＞RCROSS，耦合器也包括一區(qū)域SW(虛線4和5之間)，這里波長愈短耦合愈強，因此補償了小位伸比區(qū)域。區(qū)域SW和LW與圖5中管子36的錐度有關(guān)。Rmax的精確值必須通過耦合方程在整個有錐度器件上的數(shù)值積分求得。
從圖4和上面所涉及的討論可見拉伸比約為10∶1為構(gòu)成△2-3為0.35%的消色差耦合器是必須的，這樣高的拉伸比因下述原因會產(chǎn)生相當(dāng)高的額外損失。較高的拉伸比引起耦合強度的增加，由此須使耦合距離Z縮短。這種關(guān)系圖示在圖5中，其中兩拉伸管3a和3b分別用實線和虛線表示。由于管子3b比管子3a具有更大的拉伸比，所以管子3b比管子3a必須具有更短的耦合距離Z以便獲得相同的耦合(在功率傳輸曲線的第一周(cycle)上)。該功率傳輸曲線在美國專利5，011，251中結(jié)合那專利的圖6進行了討論。
我們知道，從LP01基模到高次模的不希望的模間耦合對于具有高拉伸比/短耦合區(qū)域的錐度更陡的管子3b將變得更強。這種非絕熱耦合會增加耦合器的額外損耗。
上述模型用來從理論上計算1×2雙窗口轉(zhuǎn)換器所需要的錐度參數(shù)。有錐度的耦合器的拉伸比作為沿其長度的距離Z的函數(shù)的描述(Z的原點在最大拉伸比點上)能簡單地用包括最大拉伸比RMAX和高斯寬度參數(shù)WO的高斯函數(shù)來表達。它表示為R(Z)＝1+(RMAX-1)exp[-(Z/WO)2]……(9)標(biāo)準(zhǔn)的2×2WDM耦合器的這些參數(shù)的典型值為RMAX從3到6和WO從3000至6000μm。該模型展現(xiàn)了參數(shù)RMAX和WO處于△2-3值非常小的當(dāng)前流行的耦合器值的范圍內(nèi)?！傲餍旭詈掀鳌笔侵该绹鴮＠?，011，251中揭示的一種外包層耦合器，其中△2-3大于0.26%。更低的△2-3值將會使圖4曲線移向右面(朝更低的拉伸比值方向)和向下面(朝更小的最大耦合常數(shù)值的方向)，由此能制成易獲得拉伸比的消色差耦合器。當(dāng)使△2-3值更小時，所要求的RMAX的值變得更小，因而所需要的耦合長度(用高斯寬度參數(shù)WO表示的)變得更長。于是錐度變得小些。
對于能應(yīng)用的△2-3的最大理論值可通過研究非絕熱模式耦合的限制而獲得。對于LP01和LP02?？捎嬎銈鞑コ?shù)(β)。LP02模是最低次模，在一個理想的匹配光纖耦合器中它耦合到LP01模。由式(6)和LP01和LP02模的β可確定參數(shù)1/a|da/dZ|和1/2π[β(LP01)-β(LP02)]，這里a為芯線半徑而Z為沿耦合器軸測量的距離。對于絕熱性能，必須存在如下關(guān)系1/2π[β(LP01)-β(LP02)]-1/a|da/dZ|＞O……(10)式(7)的這里稱為“NAT差值”的差值參數(shù)在圖6中描繪成波長1310和1550nm的△2-3的函數(shù)。對于△2-3值從0.02%至0.14%在兩個波長的每一個上計算了差值。在1310nm曲線上當(dāng)△2-3最大可能理論值為約0.125%時NAT差值為零。由實踐經(jīng)驗可發(fā)現(xiàn)，用△2-3值約為0.045%或更低可在波長1300-1550nm范圍內(nèi)獲得消色差方面的顯著改進。按照用圖9所示類型的拉制設(shè)備可能獲得的錐度，當(dāng)△2-3為0.09%時不可能制成消色差耦合器。然而，為了在比0.045%更大的△2-3值上制做消色差耦合器，可使用外直徑更小的管子和使用能提供一個更小更緊湊集中火焰的燃燒器。用△2-3值約為0.01%到0.02%已獲得最好的結(jié)果。能測量△2-3的下限為0.01%。
上面以兩光纖耦合器對本發(fā)明的原理進行了詳細(xì)討論，外包層耦合器能用最簡單的光纖結(jié)構(gòu)來構(gòu)成。如圖3所示，在管子T緊裹到光纖上的步驟完成之前在光纖F1和F2的相對側(cè)上有許多空間。在其背景技術(shù)部分中已提到具有更易形成有錐度區(qū)的低耗消色差耦合器要求相當(dāng)?shù)偷摹?-3值。于是，在兩光纖消色差中，在進行管子緊裹(collapse)步驟期間，由于用高粘度管子所施加的壓力而使光纖變形;這種變形會引起耦合器額外損耗的增加。
這種光纖變形問題通過采用圖7和圖8所示三角形光纖布局基本上已獲得解決。在該實施例中，包層23、24和25分別從所包復(fù)的光纖17、18和19的端部剝?nèi)ィ夜饫w的端部設(shè)有如下所述的抗反射終端。輸入光纖20插入管子10的內(nèi)腔11的一端中，而輸出光纖21和22插入另一端中。這些光纖用少量的環(huán)氧樹脂搭粘在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?。然后把耦合器的預(yù)制品放入拉制夾具中，把管子10抽空并對其中部加熱，然后收縮緊裹到光纖上。此后中部的中心部分拉伸到那直徑上和為獲得所需耦合所必須的耦合長度上。于是光纖的芯線從垂直于耦合器殼體的縱軸的平面觀察在耦合區(qū)中配置成三角形陣列。
能對耦合器進行拉制以構(gòu)成一錐削區(qū)，這樣注入到輸入光纖的功率基本上相等并完全地耦合到兩輸出光纖，由此產(chǎn)生如圖10所示的基本上平行的插入損耗曲線。輸入光纖芯線/包層/外包層波導(dǎo)在耦合區(qū)中，必須具有一個比兩輸出光纖芯線/包層/外包層波導(dǎo)的每一個的傳播常數(shù)β2CR要稍大些的傳播常數(shù)β1CR。這種情況能通過如在輸入光纖包層里摻入的氯比輸出光纖包層中的稍多些來實現(xiàn)。使得輸入光纖包層的折射率大于輸出光纖包層的折射率的這種技術(shù)在美國專利5，011，251中有描述。
上面聯(lián)系外包層消色差2×2耦合器討論的通過采用小的△2-3值來改進消色差性的理論也可用于光纖1×2和1×3耦合器。于是，通過采用一個小于0.02%的△2-3，圖7和圖8所示器件的插入損耗曲線相當(dāng)平坦;它們也顯示出極好的輸出光纖插入損耗的均勻性。
由于圖7和圖8的三角形幾何形狀使填入管腔11的玻璃比圖3的2光纖幾何形狀的多，因此這在用管子玻璃緊裹光纖步驟中產(chǎn)生較小的光纖變形。因此用圖7和圖8的實施例做成的光耦合器呈現(xiàn)較小的額外損耗。
從這種1×2三角形光纖布局還可帶來進一步的優(yōu)點。與圖3中所示2光纖實施例中要從貫穿的光纖或兩個光纖的中心剝離包層的情況相反，這里僅需剝掉光纖的端部部分。而且這種耦合器的制造方法不需要光纖穿通管子的內(nèi)腔。這些差別可使這種耦合器更易制造且適合于大批量生產(chǎn)。
這種三角形光纖布局也能用于制造消色差1×3功率分配器。在預(yù)定的波長上，輸入功率的1/3能保留在輸入光纖中，它繼續(xù)通過耦合器傳播并起第三輸出光纖的作用。要注意的是，包層必須從這輸入/繼續(xù)輸出光纖的中心區(qū)域而不是從其端部剝掉，為了使功率在所有的光纖(包括輸入光纖的輸出部分)中相等，則輸入/繼續(xù)輸出光纖必須具有不同于其余輸出光纖的傳播常數(shù)。對△βCR和錐度進行選擇以便兩耦合輸出光纖的插入損耗曲線如圖11曲線58所示那樣，和輸入/繼續(xù)輸出光纖的插入損耗曲線如曲線57所示那樣。這樣的△βCR可通過使輸入光纖具有一個不同于其余輸出光纖的包層折射率而獲得。在這樣一個1×3三光纖耦合器中，與1×2三光纖耦合器所需相比，在直通光纖和兩耦合一功率輸出光纖的包層之間，需要約3倍的含氯量之差異。除氯之外的別種摻雜劑也能用來提供在輸入/直通光纖中保持所需的輸入功率電平所必須的折射率之差異。
有許多不同的方法能獲得所需很小的△2-3值。在一種方法中使用一純SiO2管和具有氯摻雜包層的光纖以便使包層比該二氧化硅管具有更大的折射率。這種技術(shù)對管子和光纖包層兩者提供了對折射率的良好控制。極化變異(Polarization variability)也很好。這種玻璃組合的主要缺點在于它在管子和光纖之間產(chǎn)生很小的粘滯性之差別。這會使光纖變形并產(chǎn)生相當(dāng)高的額外損耗。
市售的單模光纖通常具有一個等于或接近于二氧化硅的n2值。當(dāng)采用這類光纖時，管子可用摻有少量B2O3的二氧化硅制做(B2O3的含量在0.15wt·%至1.0wt·%的范圍內(nèi))。該B2O3使管子玻璃比光纖包層玻璃軟，因此能構(gòu)成具有小的額外損耗的耦合器。
如果光纖包層玻璃含有氟，一種降低折射率的摻雜劑，則二氧化硅管能包含足夠量的B2O3以便把管子的折射率減低到為提供一個小于0.125%的△2-3值所必需的水平上。
另一種方法是用基質(zhì)玻璃(base glass)摻有一種或多種如B2O3和氟使折射率減小的摻雜劑和一或多種如GeO2和TiO2使折射率增大摻雜劑。兩類摻雜劑的組合提供一個產(chǎn)生所需△2-3值的折射率n3。采用相對軟性玻璃的管子從一定程度上增強了管子向內(nèi)收縮緊裹光纖的作用;管子玻璃圍繞光纖流動而不會使它們的形狀變形得像硬玻璃造成的那么大。由于該實施例所需要的摻雜劑的錯綜復(fù)雜的抵消作用，所以實現(xiàn)起來是困難的。
這種外包層管最好通過有時稱為火焰(flame)水解工藝的蒸發(fā)淀積技術(shù)來制做。這種管子也能由熔化玻璃或由溶膠凝膠(solgel)技術(shù)來制作。
成分具有徑向變化的管子也已用來制做消色差耦合器。鄰近管腔的管子內(nèi)區(qū)域構(gòu)成一提供所需△2-3值的層。管子的其余部分能構(gòu)成一個或多個具有不同于所述內(nèi)區(qū)域的折射率的區(qū)域，在圖12所示實施例中，在內(nèi)表面γis和躍遷半徑γt之間的管子內(nèi)區(qū)域能包含少量的B2O3以提供使耦合器具有消色差性的足夠低的△2-3值。在γt和外表面γ0之間的外管區(qū)域可包含比內(nèi)區(qū)域更高濃度的B2O3。這種更高濃度的B2O3產(chǎn)生一個更低折射率區(qū)域，因此能更好地限制光功率。使用徑向折射率基本上不變的管子和折射率在徑向上有一階躍減小的管子使耦合器具有大小相近的額外損耗。
使用不同直徑的光纖也能在輸入和輸出光纖之間獲得不同的傳播常數(shù)。
實施例1一種制造1×2雙窗口消色差光纖耦合器的方法圖示在圖7-9中。所使用的一種玻璃毛細(xì)管10長為3.8cm、外直徑為2.8mm和縱向腔直徑為265μm。由火焰水解(flame hydrolysis)工藝形成的管子10用約0.5wt·%B2O3摻雜的二氧化硅制作。
包復(fù)光纖17、18和19包含長為1.5米、直徑為125μm的單模光纖20、21和22，和各自的直徑為250μm的聚氨脂丙烯酸鹽的包層23、24和25。按照美國專利NO.5，011，251所揭示的方法制造的這些光纖具有直徑為8μm的摻有8.5wt.%GeO2的二氧化硅芯線。光纖的截止波長低于耦合器的工作波長。例如，如果最小工作波長為1260nm，則光纖的截止波長選在1200nm和1250nm之間。
制造所有光纖的各種方法的最初一些步驟是相同的，在美國專利5，011，251和4，486，212中討論了這種方法的一般描述，將其收在這里作為參考。在一心軸上淀積一層芯線玻璃的粒子而SiO2粒子的薄層再淀積在芯線玻璃的殼層上。去掉心軸，并將這樣做成的疏松的半制品漸漸插入氧化鋁馬弗爐、在里面進行干燥和固結(jié)，同時讓包含氯和氦的氣體混合物流入已除去心軸的中心孔。包含氦和氧的清洗氣體從馬弗爐的底部朝上流過。在該疏松的半制品被固結(jié)之后，通孔被抽空，且圓筒體的下端被加熱和拉制以做成一個5mm實心玻璃棒。切割該棒制成段，其每一段夾在車床中，將它作為心軸、在其上淀積SiO2包層玻璃粒子以制成最后的多孔半制品。
最后的多孔半制品通常在包含氦、氯和氧的混合氣體中進行固結(jié)。通常用于剛夠干燥淀積包層玻璃粒子的氯的含量取決于包括多孔包層玻璃殼層的密度和固結(jié)溫度等參數(shù)。該最后的輸入和輸出光纖的多孔半制品在這樣的條件下被制成和固結(jié)，即氯的濃度在輸入光纖包層中為0.10wt.%而氯的濃度在輸出光纖包層中為0.05wt.%。輸入和輸出光纖的包層的折射率的大小使得△CLADS值為0.005%，這里△CLADS＝(n22-n22′)/n22，n2是輸入光纖20的包層的折射率，而n2′為輸出光纖21和22的包層的折射率。
從各有包層的光纖段的端部剝掉一段6cm長的包層。當(dāng)光纖端部被拉出并做成錐削端時，通過將火焰引向光纖剝離區(qū)的中心制成抗反射端26、27和28。光纖20的端頭由噴燈火焰加熱使玻璃收縮并制成圓形端面，其直徑等于或稍小于原有無包層光纖的直徑。最終的剝離端區(qū)約3.2cm長。
將光纖的無包層區(qū)擦凈。光纖21和22通過漏斗口13插進腔11內(nèi)直到包層24和25的端部區(qū)進入漏斗口13內(nèi)為止，且端26位于中間區(qū)29與管端15之間。光纖20通過漏斗口12插入腔11內(nèi)直到包層23的端部區(qū)進入漏斗口12內(nèi)為止，且端部27和28位于中部區(qū)域29和管端14之間。一少量的紫外線、作用粘合劑(UV-curableadhesive)(未圖示)加到靠近端口15的光纖18和19上使它們與漏斗口13粘合并加到靠近端口14的光纖17上使它與漏斗口12粘合。然后把這種半成品31通過環(huán)形噴燈34(圖9)插入，且被夾于拉制夾具32和33上。夾具安裝在電機控制的平臺(stages)45和46上。光纖穿過抽真空裝置附件41和41′，抽真空管線42和42′分別與裝置附件41和41′相連。按照美國專利5，011，251所揭示，抽真空附件41和41′密封于管子10的兩端。一段薄橡膠管43的一端附連于抽真空裝置附件41的與半成品31相對的那端上;該管的另一端在用箭頭44表示的管子夾緊裝置中延伸。上面的抽真空裝置附件41′同樣與管子43′和管子夾緊裝置44′相聯(lián)。光纖有包層部分從管子43和43′延伸。通過把氣體壓力對準(zhǔn)管子43和43′使抽空V加于耦合器半成品31，如箭頭44、44′所示。由此把光纖在其中延伸的那部分管子夾緊。
在連于管腔的真空度達46cm水銀柱時，點燃環(huán)形噴燈34。分別以0.55SLPm和1.10SLPm的流量將煤氣和氧氣加給環(huán)形噴燈使其產(chǎn)生火焰。環(huán)形噴燈34的火焰對管子10加熱約12秒，則管子中部區(qū)域29向內(nèi)收縮緊裹到光纖上。
管子冷卻后，再點燃噴燈，煤氣和氧氣仍保持同樣的流量?；鹧姘严騼?nèi)收縮部分的中心加熱到其材料的軟化點。10秒之后，切斷至噴燈的氧氣供給。平臺45和46沿相反的方向中以1.0cm/sec的組合速率把管子10拉伸0.65cm制成收細(xì)區(qū)61(圖13)，其錐度做得使注入輸入光纖的功率基本上相等地和完全地耦合到兩輸出光纖中。
耦合器冷卻后，移開抽真空管線，并將粘合劑的滴珠62和63加到管子的兩端14和15。用紫外光燈照射進行粘合，然后將耦合器從夾具中取出。
對實施例1進行了耦合器的光譜插入損耗曲線的測量，示于圖10中。由此可見該例的耦合器的插入損耗曲線相當(dāng)平坦且基本上平行，因此它們表明具有插入損耗均勻度為0.24dB。該器件的額外損耗在1310nm和1550nm上分別為0.04dB和0.37dB。如實施例1構(gòu)成的耦合器具有平均額外器件損耗在1310nm上約0.2dB。而測量的最低額外損耗在1310nm上為0.04dB。
權(quán)利要求
1.一種1×N消色差耦合器，其中N為2或3，其特征在于，所述耦合器包含一被拉伸的基質(zhì)玻璃殼體；和通過所述玻璃殼體延伸的三個光波導(dǎo)通道，所述通道的每一個包含一芯線區(qū)，所述每個芯線區(qū)由一折射率低于所述芯線區(qū)的包層區(qū)包圍著，所述包層區(qū)的最低折射率為n2，所述光波導(dǎo)通道足夠靠近地延伸一足夠長的距離以形成一耦合區(qū)，其中在所述通道之一中傳播的部分光功率耦合到其它所述通道中，所述芯線區(qū)當(dāng)從垂直于所述玻璃殼體的縱軸平面中觀察時以三角形陣列配置在所述耦合區(qū)中。至少在所述玻璃殼體鄰接所述通道的區(qū)域上的折射率為n3，這里n3低于n2這樣一個量以便使△2-3的值小于0.125%，其中△2-3等于(n22-n23)/2n22。
2.如權(quán)利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述波導(dǎo)通道包含光纖。
3.如權(quán)利要求2所述耦合器，其特征在于，所述基質(zhì)玻璃為圓柱形的殼體，所述光纖通過該殼體縱向延伸，所述殼體遠(yuǎn)離其端部的部分的直徑小于所述殼體端部的直徑。
4.一種光纖耦合器，其特征在于，它包含一拉伸的基質(zhì)玻璃殼體，所述殼體具有第一和第二相向端和一中間區(qū)，一輸入光纖和兩輸出光纖通過所述中間區(qū)縱向延伸，所述光纖的每一個包含一芯線，所述每一芯線由一折射率低于所述芯線的包層包圍著，所述光纖的包層的最低折射率為n2，所述光纖按三角形陣列位于所述中間區(qū)中，至少鄰接所述光纖的所述殼體區(qū)的折射率為n3，這里n3低于n2這樣一個值以便△2-3值小于0.125%，其中△2-3等于(n22-n23)/2n22，所述中間區(qū)的中心部分的直徑和所述中間區(qū)的中心部分中的所述光纖的直徑比在所述殼體的端部上的這些直徑小，所述輸入光纖從所述殼體的所述第一端延伸，所述輸出光纖從所述殼體的所述第二端延伸。
5.如權(quán)利要求4所述光纖耦合器，其特征在于，所述基質(zhì)玻璃殼體的組分在其整個徑向上基本上是均勻的。
6.如權(quán)利要求4所述光纖耦合器，其特征在于，所術(shù)基質(zhì)玻璃殼體包含一鄰接所述光纖、具有折射率n3的內(nèi)部區(qū)域和鄰接所述內(nèi)部區(qū)域的另一區(qū)域，所述另一區(qū)域的折射率小于n3。
7.如權(quán)利要求4所述的光纖耦合器，其特征在于，所述輸入光纖僅從所述殼體的第一端延伸，沒有一根所述光纖會延伸完全通過所述殼體。
8.如權(quán)利要求7所述光纖耦合器，其特征在于，所述輸入光纖的包層折射率大于所述兩輸出光纖的包層折射率。
9.如權(quán)利要求4所述光纖耦合器，其特征在于，所述輸入光纖從所述殼體的第一和第二端延伸完全通過所述殼體。
10.如權(quán)利要求9所述光纖耦合器，其特征在于，所述輸入光纖的包層折射率不同于所述兩輸出光纖的折射率。
11.一種制造1×N光纖耦合器的方法，其中N等于2或3，所述方法包含提供一個具有第一和第二相向端和一中間區(qū)的玻璃管，一縱向管腔從所述管子的第一端延伸到其第二端，至少鄰接所述管腔的所述管子的內(nèi)部區(qū)域具有折射率為n3，在所述管腔內(nèi)配置輸入玻璃光纖的一部分和兩輸出玻璃光纖的端部，每個所述光纖有一芯線，所述芯線由一折射率小于所述芯線的包層包圍著，所述光纖的包層的最低折射率為n2，這里n2大于n3這樣一個值以便△2-3的值小于0.125%，其中△2-3等于(n22-n23)/2n22，所述第一光纖的一部分延伸至所述管子的第一端外面，所述兩光纖的一部分延伸至所述管子的第二端外面。使所述管子中間區(qū)向內(nèi)收縮緊裹到所述光纖上，并拉伸所述中間區(qū)的中心部分以減小其直徑并制成一耦合區(qū)，在所述耦合區(qū)中，當(dāng)從垂直于所述管子的縱軸平面上觀察時所述輸入光纖和所述兩輸出光纖呈三角形陣列配置。
12.如權(quán)利要求11所述方法，其特征在于，所述管子的折射率在其整個徑向上基本上是均勻的。
13.如權(quán)利要求11所述方法，其特征在于，所述管子包含具有折射率為n3的鄰接所述管腔的內(nèi)部區(qū)域，和鄰接所述內(nèi)部區(qū)域的另一區(qū)域，所述另一區(qū)域的折射率小于n3。
14.如權(quán)利要求11所述方法，其特征在于，所述輸入光纖僅從所述管子的第一端延伸而所述兩輸出光纖從所述管子的第二端延伸。
15.如權(quán)利要求14所述方法，其特征在于，所述輸入光纖的包層折射率大于所述兩輸出光纖的包層折射率。
16.如權(quán)利要求11所述方法，其特征在于，所述輸入光纖從所述管子的第一和第二端延伸，而所述兩輸出光纖從所述管子的第二端延伸。
17.如權(quán)利要求16所述方法，其特征在于，所述第一光纖的包層折射率不同于所述兩輸出光纖的包層折射率。
全文摘要
一種消色差光纖耦合器，其中三個單模光纖沿其長度的一部分熔合在一起形成一耦合區(qū)。每根光纖包括一芯線和一包層，光纖包層的最低折射率為n
文檔編號G02B6/28GK1090057SQ9311273
公開日1994年7月27日 申請日期1993年12月31日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月31日
發(fā)明者丹尼爾·阿洛塞斯·諾蘭, 戴維·利·魏德門 申請人:康寧股份有限公司