專利名稱：呈現(xiàn)較低非絕熱損耗的光纖耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖耦合器，特別涉及由漸變段引起的非絕熱過(guò)剩損耗值低的耦合器。
本發(fā)明涉及各種光纖耦合器，不論其具有何種功能或者物理結(jié)構(gòu)?？梢詰?yīng)用本發(fā)明的各種耦合器功能包括消色差、波分多用、信號(hào)分接以及切換等。各種不同結(jié)構(gòu)的例子有(a)將多根在空間同向延伸的光纖加熱并拉伸，使之熔融并形成漸變段而制成的熔融雙圓錐漸變段耦合器、(b)將多根光纖插入一根套管，加熱使套管縮塌于光纖上，再拉伸該套管中段而制成的包覆耦合器以及(c)將多根光纖加熱并拉伸以形成漸變段，再將光纖的被拉伸區(qū)域互相靠近形成耦合區(qū)(有時(shí)部分包層已用腐蝕、拋磨等方法去除)而制成的同向延伸光纖耦合器。在各種耦合器中，在耦合區(qū)域的周圍有折射率為n3的介質(zhì)圍繞，該折射率低于耦合器光纖包層的折射率。介質(zhì)可以是空氣、玻璃、塑料等。
由于對(duì)光纖耦合器的光學(xué)性能的要求越來(lái)越嚴(yán)格，因而對(duì)減小過(guò)剩損耗來(lái)源的需要也越來(lái)越緊迫。一種損耗來(lái)源(在某些耦合器中可能是主要的損耗來(lái)源)是由漸變段引起的非絕熱過(guò)剩損耗。
在光纖耦合器的漸變區(qū)域，基模連續(xù)變形以適應(yīng)不斷變化的局部折射率分布。如果幾何形狀變化率過(guò)大，則基模會(huì)與耦合器折射率結(jié)構(gòu)的高次模相耦合。這一機(jī)制稱為非絕熱模式耦合。當(dāng)把耦合器稱為“單?！瘪詈掀鲿r(shí)，它實(shí)際上指輸入光纖和輸出光纖都只支持基模LP01模低損耗傳輸這一事實(shí)。一般情況下，耦合器可支持?jǐn)?shù)個(gè)束縛傳輸模。然而，這些模式中的某一些可能在漸變段的某點(diǎn)處被截止，把它們的光功率耦合至輻射模，由于損失了這些作為潛在的耦合器輸出的光功率而造成過(guò)剩損耗。另一些未被截止的高次模將把其光功率輸出至輸出光纖的高次模。這些模式的損耗很高，其凈效果也是耦合器輸出端的功率損失以及過(guò)剩損耗增加。典型地，這些非絕熱模式耦合作用與波長(zhǎng)有關(guān)，因而過(guò)剩損耗亦隨波長(zhǎng)采用下述符號(hào)來(lái)表示已有技術(shù)和/或本發(fā)明的特性。把△1-2定義為(n12－n22)/2n12，這里n1和n2分別是纖芯和包層的折射率。βCR用來(lái)表示在耦合器的耦合區(qū)域中，耦合器光纖基模的傳播常數(shù)?！鱬edestal等于(ni2－n22)/ni2，這里ni是光纖中緊靠纖芯的部分的折射率(見(jiàn)圖2中的折射率下凹區(qū)(dip)10和圖8中的折射率上凸區(qū)(pedestal)27)。
在圖中所畫的折射率分布曲線中，并未按比例以精確的相對(duì)大小來(lái)表示折射率和半徑。
在一種特殊類型的波分多用(WDM)耦合器(這里稱為A型耦合器)中，當(dāng)用它把信號(hào)(波長(zhǎng)λs)和泵功率(波長(zhǎng)λP)耦合至光纖放大器的增益光纖時(shí)，曾觀察到顯著的非絕熱模式耦合。在美國(guó)專利第5,179,603號(hào)中揭示了這樣一種耦合器，它既用作WDM又用作模式場(chǎng)變換器。第一根耦合器光纖具有一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)通信光纖匹配的纖芯(△esi＝0.36％，dcesi＝8.3微米，模式場(chǎng)直徑＝10.5微米(波長(zhǎng)為1550納米時(shí))和5.7微米(波長(zhǎng)為1000納米時(shí)))。第二根耦合器光纖具有大的纖芯—包層△1-2值(約1％)，dcesi為3.5微米，以及足夠小的模式場(chǎng)直徑(波長(zhǎng)為1550納米時(shí)，該直徑為6.4微米，而波長(zhǎng)為1000納米時(shí)，該直徑為3.7微米)，它與摻鉺增益光纖基本上相匹配。△esi是光纖的等效階躍折射率增量，而dcesi是等效階躍折射率纖芯的直徑。若非第二根光纖包層的含氯量大于第一根光纖包層的含氯量，從而第二根光纖包層的折射率大于第一根光纖包層的折射率，二根耦合器光纖本會(huì)具有顯著不同的βCR值。耦合器光纖包層之間折射率的不等，就使它們的βCR值變得足夠匹配，而使95％以上波長(zhǎng)為λs的光功率能在第一和第二耦合器光纖之間耦合。由于制造第二根耦合器光纖所用的方法，它的含氯量分布(理想分布)如

圖1所示，而它的總折射率分布(理想分布)如圖2所示。應(yīng)該注意，這些耦合器光纖的折射率分布由摻氯量和摻鍺量二者確定，如果在小的半徑(＜2微米)處有高的摻鍺濃度，則將形成如圖2所示的內(nèi)折射率峰，二種含氯量的轉(zhuǎn)變點(diǎn)的半徑是rt，纖芯半徑是rc，而光纖的外半徑是ro。
標(biāo)準(zhǔn)通信光纖的折射率分布(理想分布)示于圖3。
在用二根以圖1和2為特征的、相同的小模式場(chǎng)直徑光纖做成的WDM耦合器(這里稱為B型耦合器)中，也將觀察到這種損耗機(jī)制，且過(guò)剩損耗更大。圖4示出A型和B型耦合器的過(guò)剩損耗對(duì)波長(zhǎng)的曲線(它們分別是曲線12和14)。在這兩種情形中，損耗隨波長(zhǎng)改變表明了可能存在非絕熱損耗機(jī)制。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用具有以圖5曲線20所示摻氯量分布的小模式直徑光纖制成的A型耦合器的過(guò)剩損耗要比那些用具有以圖5曲線21所示摻氯量分布的小模式場(chǎng)直徑光纖制成的耦合器的過(guò)剩損耗大0.3分貝。除了包層的含氯量之外，這些小模式場(chǎng)直徑光纖的其他方面基本相同。這樣，顯然可見(jiàn)，含氯量分布曲線的下凹越深則耦合器的過(guò)剩損耗就越大。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供呈現(xiàn)較低過(guò)剩損耗的光纖耦合器。
簡(jiǎn)言之，本發(fā)明涉及這樣一種光纖耦合器，它包含多根單模光纖，而每根光纖都具有一個(gè)雙圓錐漸變段。這些光纖的漸變段以鄰接關(guān)系延伸而形成耦合區(qū)域。每根光纖具有一根纖芯，纖芯外是一個(gè)包層，包層的折射率低于纖芯的折射率。在這些光纖中至少有一根在其纖芯和包層之間有一個(gè)折射率ni的上凸區(qū)，其中n1＞ni＞n2，n1和n2分別是所述至少一根光纖的纖芯和包層的折射率。
圖1是一種已知WDM耦合器光纖的含氯量分布曲線。
圖2是一種已知WDM耦合器光纖的折射率分布曲線。
圖3是一根標(biāo)準(zhǔn)通信光纖的折射率分布曲線。
圖4示出二種不同耦合器的頻譜過(guò)剩損耗曲線。
圖5是示出三種不同耦合器光纖的含氯量分布曲線。
圖6是一種包覆光纖耦合器的剖面圖。
圖7示出具有不同含氯量下凹或上凸的耦合器的最大過(guò)剩損耗。
圖8是按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種耦合器光纖的折射率分布曲線。
圖9示出了δβ的理論變化與拉伸比的關(guān)系曲線，其參量是△pedestal。
圖10畫出了δβ的理論變化與拉伸比的關(guān)系曲線，其參量是上凸區(qū)半徑。
圖11畫出了△pedestal的理論變化與上凸區(qū)半徑的關(guān)系曲線，圖中還示出了模式場(chǎng)直徑與截止界限。
圖12畫出了△β最小值的理論變化與上凸區(qū)半徑apedestal的關(guān)系曲線，△pedestal值由下式確定△pedestal＝0.115微米/apedestal)2這是在給定的apedestal下，由截止(波長(zhǎng))限制條件定出的最大△ptedestal值。
這里所討論的是關(guān)于B型耦合器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，每個(gè)耦合器是用二根相同的△1-2值高而模式場(chǎng)直徑小的光纖制成的。這些耦合器在它們的包層的內(nèi)里部分(在半徑小于10微米區(qū)域)氯的含量不相同。
耦合器光纖按第5,295,111號(hào)美國(guó)專利所揭示的工藝制作(把該項(xiàng)專利包括在此作為參考資料)。在一圓柱狀心軸上做出一多孔纖芯預(yù)制棒，該棒包括一纖芯區(qū)域和一包層玻璃薄層。去除心軸，并把所得之管狀預(yù)制棒慢慢伸入一燒結(jié)馬弗爐膛，燒結(jié)爐的最高溫度在1200℃與1700℃之間，對(duì)于二氧化硅含量高的玻璃，最好在1490℃左右。在預(yù)制棒燒結(jié)步驟中通常用氯來(lái)實(shí)現(xiàn)干燥，可以使包含氦氣和氯氣的干燥氣體經(jīng)預(yù)制棒的孔流入而向預(yù)制棒提供氯。把預(yù)制棒孔的末端塞住，使氣體流經(jīng)預(yù)制棒的細(xì)孔。氦清洗氣體同時(shí)流經(jīng)馬弗爐。
把所得之管狀玻璃物體在一標(biāo)準(zhǔn)的拉伸爐內(nèi)加熱并拉伸，這時(shí)對(duì)該物體的孔抽真空，再將孔封閉以制成“芯棒”。把一段適當(dāng)長(zhǎng)度的芯棒支在車床上，并使二氧化硅微粒淀積在芯棒上。再把所得之最終的多孔預(yù)制棒插入一燒結(jié)爐對(duì)它進(jìn)行燒結(jié)，此時(shí)讓氦氣和氯氣的混合物向上流經(jīng)燒結(jié)爐。把所得之玻璃預(yù)制棒進(jìn)行拉伸以制成一單模光纖。加至原先形成的纖芯預(yù)制棒的包層玻璃微粒數(shù)量的多少?zèng)Q定了含氯量分布曲線上凸區(qū)或下凹區(qū)的半徑。在第一和第二干燥/燒結(jié)步驟中，由預(yù)制棒的多孔部分所獲得的氯量的多少?zèng)Q定了△pedestal的值。在最后得到的光纖中，摻鍺纖芯的半徑接近2微米，而纖芯—包層的△1-2約為1.0％。
按照第5,011,251和5,295,211號(hào)美國(guó)專利所述的方法來(lái)制作耦合器。從一根光纖的中段和另一根光纖的端部剝?nèi)ケＷo(hù)層。把這二根光纖插入一根玻璃套管的中心孔內(nèi)，并使它們的被剝?nèi)ケＷo(hù)層的部分沿玻璃套管的中部延伸。將裝有光纖的中心孔抽真空并將玻璃套管加熱，以使玻璃套管的中部縮塌在光纖上。再將玻璃套管加熱，并拉伸縮塌的中部以構(gòu)成一耦合器。
所得到的耦合器在圖6中示意地畫出，在該耦合器中，光纖F1和F2在外包層玻璃套管O中延伸。光纖自套管伸出的部分最好有保護(hù)層材料(在本解說(shuō)性的實(shí)施例中沒(méi)有示出)。至少在套管中部的那些部分的光纖沒(méi)有保護(hù)層。套管本來(lái)的直徑是d1。套管被拉伸中部的中央部分構(gòu)成了直徑為d2的頸縮區(qū)域N，在此區(qū)域中，二根光纖的纖芯在一段足夠長(zhǎng)的距離Z內(nèi)靠得足夠近，以產(chǎn)生所要的它們之間的耦合量。盡管在區(qū)域N內(nèi)存在微小的錐度，從而在區(qū)段N的縱向中心處具有最小的直徑，但仍將它畫成具有恒定的直徑。拉伸比R等于d1/d2。漸變區(qū)域T把頸縮區(qū)域與套管O的非拉伸端部區(qū)域相連。
對(duì)于采用具有不同含氯分布曲線下凹量的小模式場(chǎng)直徑的光纖做成的各種WDM耦合器的分析表明，含氯分布曲線的下凹量越大，則耦合器的過(guò)剩損耗也越大。為進(jìn)一步證實(shí)這一機(jī)制，以四種不同的小模式場(chǎng)光纖制作了B型WDM耦合器。每個(gè)耦合器是取二根相同的小模式場(chǎng)直徑的光纖按照上述步驟制成的。每個(gè)耦合器采用半徑約10微米以下區(qū)域具有不同氯濃度的光纖。當(dāng)半徑在約10微米以上時(shí)，氯的濃度基本相同。在半徑小于約10微米時(shí)，每種類型的光纖具有的含氯量或是比外面的含氯量低(下凹)或是比外面的含氯量高(上凸)。其中包括了含氯量分布具有很深的下凹(如圖5中的曲線20)的光纖和如圖5曲線22所示含氯量分布具有上凸的光纖。在圖7中示出了在波長(zhǎng)范圍為1200至1600納米的最大過(guò)剩損耗與小半徑(約10微米)區(qū)內(nèi)含氯量分布曲線下凹量的關(guān)系。下凹量的負(fù)值即對(duì)應(yīng)于上凸量。數(shù)據(jù)表明了這樣一種明顯的趨勢(shì)，即下凹越小，則損耗也越小，并且在有上凸時(shí)，損耗更小。因此，本發(fā)明的一個(gè)特色是在光纖耦合器中采用在纖芯與包層之間有一個(gè)折射率上凸區(qū)的光纖。如圖8所示，上凸區(qū)27具有一最大折射率ni，它在纖芯26的最大折射率n1和包層28的折射率n2之間。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里把纖芯26和上凸區(qū)27都畫成光纖的折射率恒定的區(qū)域。其實(shí)纖芯26和上凸區(qū)27都可具有變化的折射率分布曲線，諸如漸變分布、由多個(gè)階躍形成的分布，等等。
為確定本發(fā)明最佳設(shè)計(jì)的某些方面，進(jìn)行了數(shù)字模擬。所采用的模擬工具如第4,877,300號(hào)美國(guó)專利所描述，其中，對(duì)多種幾何形狀(沿漸變段尺寸變化)計(jì)算了LP01和LP11的傳播常數(shù)之差。
圖9示出對(duì)于不同的△pedstal值，δβ的理論變化，δβ代表最低模LP01與次高模LP11的傳播常數(shù)之差，并等于(βLP01－βLP11)。如果δβ的最小值越大，則過(guò)剩損耗的性能越好。圖9示出△pedestal值較大時(shí)能使過(guò)剩損耗獲得較大的改進(jìn)。圖9所示的曲線相應(yīng)于表1中所規(guī)定的折射率分布(上凸或下凹)。
表1曲線 分布36 0.16％△ped上凸35 0.08％△ped上凸34 0.04％△ped上凸33 0.02％△ped上凸32 平坦(既無(wú)上凸又無(wú)下凹)31 0.02％△ped下凹氯濃度差與由該差值產(chǎn)生的折射率△之間的近似關(guān)系為 此外，曲線31至33近似代表了如圖7所示的，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的氯濃度差的范圍。
圖10示出了對(duì)于△pedestad值為0.03％的δβ變化與上凸區(qū)半徑的關(guān)系。圖10的曲線與表2所規(guī)定的上凸區(qū)半徑相對(duì)應(yīng)。20至25微米的上凸區(qū)半徑對(duì)于獲取最大效果而言是最佳的。對(duì)于△pedestal的其他值，可以獲得上凸區(qū)半徑的類似值。
表2曲線上凸區(qū)(下凹區(qū))半徑41 10微米42 20微米43 30微米44 40微米上面給出的△pedestal和上凸區(qū)半徑最佳值是在不考慮諸如模式場(chǎng)直徑和截止波長(zhǎng)等因素的情形下導(dǎo)出的。然而，與不出現(xiàn)上凸區(qū)相比，當(dāng)一光纖的折射率分布曲線中出現(xiàn)一上凸區(qū)時(shí)，將導(dǎo)致不同的模式場(chǎng)直徑和截止波長(zhǎng)。
在設(shè)計(jì)A型摻鉺光纖放大器WDM耦合器時(shí)(例如，它的第一根耦合器光纖是與標(biāo)準(zhǔn)通信光纖相匹配的)，另外的這些光纖特性也可能很重要。假設(shè)第二根耦合器光纖的第一端與一個(gè)泵光源相連，并要傳播波長(zhǎng)為980納米的光，再假設(shè)第二根光纖的第二端與增益光纖相連。應(yīng)該這樣來(lái)設(shè)計(jì)第二根耦合器光纖，使得它的截止波長(zhǎng)不跌至某個(gè)規(guī)定的波長(zhǎng)(例如，980納米)之下。此外，有關(guān)光纖的模式場(chǎng)直徑應(yīng)大體與增益光纖的模式場(chǎng)直徑相匹配。
因此，除了為損耗而考慮最佳參量之外，還要考慮由截止波長(zhǎng)和模式場(chǎng)直徑帶來(lái)的限制。
對(duì)于第二根耦合器光纖，相對(duì)于模式場(chǎng)直徑得出的限制(線50)和相對(duì)于截止波長(zhǎng)得出的限制(線51)的概況示于圖11中，圖中示出了這二種限制。光纖的上凸特性應(yīng)該落在打陰影線的區(qū)域之內(nèi)。由摻氯得到的上凸值約可高至約0.02％(線52)，相應(yīng)于上凸區(qū)半徑在10微米左右。然而，用摻氯的辦法難于準(zhǔn)確產(chǎn)生低于0.01％的△pedestal值。這里由δβ值的結(jié)果給出了互相抵觸的趨勢(shì)?！鱬edestal值越大越有效，它把最佳結(jié)果推至打陰影線區(qū)域的左上部分，然而前面導(dǎo)出的最佳半徑卻指向該打陰影線區(qū)域右端的一個(gè)值。事實(shí)上，如圖12所示，從損耗的角度來(lái)看，△pedestal大而半徑小的那一端在特性方面是較為有利的。
由于在這里所見(jiàn)的變化對(duì)于過(guò)剩損耗的相對(duì)改善不能嚴(yán)格地給出定量結(jié)果，在上述B型耦合器實(shí)驗(yàn)中所見(jiàn)的過(guò)剩損耗改善(圖7)是δβ增加約0.0004微米-1(類似于在圖12中所見(jiàn)的改變)的結(jié)果。
對(duì)于△ped值低于0.02％的情形，氯氣是一種較佳的摻雜劑，因?yàn)樵跓Y(jié)過(guò)程中對(duì)多孔纖芯預(yù)制棒進(jìn)行干燥時(shí)就有氯氣存在。為形成上凸區(qū)，只需增加它的濃度至大于在燒結(jié)外包層時(shí)所用的濃度，然而，當(dāng)要獲得大于約0.02％的△ped值時(shí)，就必須采用其他的摻雜工藝。
為使光纖的折射率分布曲線具有上凸區(qū)27(圖8)，可以采用氯以外的摻雜劑。用于形成纖芯26的摻雜劑亦可用于形成上凸區(qū)。通常用作光纖纖芯摻雜劑的鍺可用來(lái)形成纖芯26和上凸區(qū)27。此外，還有多種其他的使折射率增加的摻雜劑可用于形成纖芯和/或上凸區(qū)。上凸區(qū)27亦可用二氧化硅來(lái)形成，而包層28用二氧化硅摻以使折射率減小的摻雜劑(如氟或硼)形成。
這里已討論過(guò)并非所有光纖都有折射率上凸區(qū)的耦合器以及各光纖都具有相同的折射率上凸區(qū)的耦合器。本發(fā)明亦可用于多于一根耦合器光纖具有折射率上凸區(qū)，且各上凸區(qū)不完全相同的耦合器。
權(quán)利要求
1.一種光纖耦合器，其特征在于，包括多根單模光纖，每根光纖具有一個(gè)雙圓錐漸變段，所述光纖的漸變段以鄰接關(guān)系延伸以形成耦合區(qū)域，每根光纖都有一個(gè)纖芯以及圍繞纖芯、其折射率要比所述纖芯的折射率低的包層，所述光纖中至少有一根光纖在所述纖芯和包層之間有一個(gè)折射率上凸區(qū)，該上凸區(qū)之最大折射率為ni，而nl＞ni＞n2，n1是所述至少一根光纖的纖芯的最大折射率而n2是所述至少一根光纖的包層的折射率。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖耦合器，其特征在于，上凸區(qū)的最大半徑是25微米，上凸區(qū)的半徑在20至25微米之間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光纖耦合，其特征在于，所述至少一根光纖含氯，所述至少一根光纖在上凸區(qū)的含氯量大于它的包層中的含氯量。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的光纖耦合器，其特征在于，所述至少一根光纖的纖芯包含二氧化硅以及使折射率增加的摻雜劑，而所述上凸區(qū)也包含二氧化硅以及使折射率增加的摻雜劑。
5.如權(quán)利要求4所述的光纖耦合器，其特征在于，所述纖芯和所述上凸區(qū)包含相同或不同的使折射率增加的摻雜劑。
6.如權(quán)利要求1所述的光纖耦合器，其特征在于，所述至少一根光纖的包層包含一種使折射率減小的摻雜劑，其摻雜量足以使包層的折射率的數(shù)值降低到小于ni。
7.如權(quán)利要求1所述的光纖耦合器，其特征在于，所述多根光纖是相同的，或所述至少一根光纖不同于其余的所述多根光纖。
8.如權(quán)利要求1所述的光纖耦合器，其特征在于，所述多根光纖中的每一根在所述纖芯和包層之間都有一個(gè)折射率上凸區(qū)，上凸區(qū)的折射率大于光纖包層的折射率而小于光纖纖芯的折射率。
9.如權(quán)利要求1所述的光纖耦合器，其特征在于，所述耦合器的耦合區(qū)域由一個(gè)以基質(zhì)玻璃做成的細(xì)長(zhǎng)的殼體包圍，該殼體有二個(gè)端部區(qū)域和一個(gè)中段，所述光纖在此殼體內(nèi)縱向地延伸，并與所述殼體的中段熔融在一起，所述中段的中央部分的直徑小于所述端部的直徑，所述中段的中央部分構(gòu)成所述耦合區(qū)域。
10.如權(quán)利要求1所述的光纖耦合器，其特征在于，△pedestal小于0.15％，這里△pedestal等于(ni2-n22)/ni2。
全文摘要
一種光纖耦合器包括多根單模光纖，使每根光纖漸變以構(gòu)成小直徑段，這些小直徑段以鄰接的關(guān)系延伸，構(gòu)成耦合區(qū)域。每根光纖有一個(gè)纖芯，纖芯外面由包層圍繞，包層的折射率低于纖芯的折射率。至少一根光纖具有一個(gè)折射率上凸區(qū)，它的折射率n
文檔編號(hào)G02B6/26GK1120172SQ95104698
公開日1996年4月10日 申請(qǐng)日期1995年5月4日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月5日
發(fā)明者戴維·李·韋德曼, 小唐納德·雷·揚(yáng) 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司