專(zhuān)利名稱(chēng)：多頸縮光纖耦合器的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及多功能光纖耦合器。
單模式光纖耦合器可在多個(gè)終端系統(tǒng)諸如給用戶(hù)提供寬帶服務(wù)的系統(tǒng)之間用作信號(hào)組合器和分配器。某些這樣的系統(tǒng)需要高分辨率的波長(zhǎng)分隔多路復(fù)用器(WDM)耦合器。用于光纖放大器中的多耦合器系統(tǒng)為了監(jiān)測(cè)從輸入信號(hào)中抽出很小百分比的信號(hào)，并把剩余的信號(hào)與抽運(yùn)功率耦合到放大光纖。多耦合器系統(tǒng)有許多其它用途。
可通過(guò)拉制和熔合兩根或多根單模式光纖以形成雙錐形結(jié)構(gòu)來(lái)制造光纖耦合器。應(yīng)用熱量和加上拉力，使每根光纖在雙錐形部分處頸縮，由于光纖被軟化，這些部分與鄰近光纖的類(lèi)似部分相互熔合。
通過(guò)在對(duì)光纖進(jìn)行加熱和拉伸前把光纖插入玻璃管可改進(jìn)各種耦合器特性，從而導(dǎo)致形成“外加包層耦合器”。此處理包括把光纖插入玻璃管、抽空玻璃管以及對(duì)玻璃管的一個(gè)區(qū)域加熱以使它緊裹在光纖上。玻璃管的折射率低于或等于光纖包層的折射率。把緊裹區(qū)域的中央部分拉制成獲得所需耦合特性需要的直徑和耦合長(zhǎng)度。
通過(guò)在光纖部分把兩個(gè)或多個(gè)簡(jiǎn)單的耦合器連接在一起可形成上述多功能和其它耦合器系統(tǒng)。然而，這種耦合器相當(dāng)昂貴且可能有可靠性的問(wèn)題。這些系統(tǒng)也很麻煩，且因其互連的光纖而占據(jù)過(guò)多數(shù)量的空間。因此系統(tǒng)操作人員寧可操縱包括多個(gè)耦合器并進(jìn)行多個(gè)功能的一體式耦合器裝置。
雖然可利用平面技術(shù)來(lái)生產(chǎn)多耦合器系統(tǒng)，但小端口計(jì)數(shù)裝置幾乎沒(méi)有什么損耗富余量，平面制造商很難在商業(yè)生存力中滿(mǎn)足光學(xué)需求。與平面制造技術(shù)相比，可以非常低的成本利用本發(fā)明來(lái)生產(chǎn)這些小端口計(jì)數(shù)裝置。依據(jù)本發(fā)明，通過(guò)利用一體式光纖型耦合器裝置來(lái)克服這些缺點(diǎn)。此外，整體式耦合器技術(shù)可由于形成環(huán)境上穩(wěn)定的多功能耦合器系統(tǒng)。
目前需要的一種特殊多功能耦合器起到組合信號(hào)組合器和信號(hào)分離器的功能。例如，一個(gè)2×4的耦合器組合兩個(gè)信號(hào)并把組合信號(hào)均等地分成四個(gè)輸出信號(hào)。已嘗試由上述外加包層技術(shù)形成一個(gè)消色差2×4耦合器，從而把光纖插入緊裹在光纖上的玻璃管中并拉伸光纖以形成直徑減小的單個(gè)耦合區(qū)域。未示出獲得的裝置所需的消色差程度。
本發(fā)明的裝置在具有兩個(gè)級(jí)連耦合區(qū)域的一體式耦合器裝置中實(shí)現(xiàn)消色差的2×4耦合功能。此一體式耦合器的一體式設(shè)計(jì)如此，從而在第一耦合區(qū)域耦合的兩根光纖在第二耦合區(qū)域中不耦合，以此避免導(dǎo)致作為波長(zhǎng)函數(shù)的輸出功率變化的干擾影響。本發(fā)明的此特征也能制造實(shí)施其它功能的耦合器裝置。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的光纖耦合器，它能克服已有技術(shù)耦合器裝置和系統(tǒng)的上述缺點(diǎn)。另一個(gè)目的是提供一種一體式光纖型級(jí)連耦合器裝置，它具有兩個(gè)或多個(gè)錐形耦合區(qū)域，該裝置如此構(gòu)成從而在兩個(gè)耦合區(qū)域中相互耦合的兩根光纖不產(chǎn)生共振。另一個(gè)目的是提供一種實(shí)施多個(gè)功能的整體式光纖型裝置。
如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“有效光纖”意味著一具有纖芯和包層的光纖；此光纖能有效地傳播光。有效光纖與不包含纖芯的“虛擬”光纖相對(duì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要涉及一種形成光纖耦合裝置的方法，該裝置包括以平行陣列延伸的N根光纖，這里N≥3。沿陣列長(zhǎng)度定位的是至少兩個(gè)耦合區(qū)域，該處光纖的截面積小于在陣列的第一和第二末端處的截面積。如此形成N根光纖和耦合區(qū)域，從而在某根光纖中傳播的光進(jìn)入第一耦合區(qū)域且在第一耦合區(qū)域中分離，從而光在至少兩根光纖中傳播從第一耦合區(qū)域進(jìn)入第二耦合區(qū)域，因此所述光在第二耦合區(qū)域中不發(fā)生干擾。
在一個(gè)實(shí)施例中，陣列中的至少一根光纖由首尾相連的有效光纖部分和虛擬光纖部分來(lái)形成。有效光纖部分具有由包層包圍的光傳輸纖芯，該包層的折射率低于該纖芯的折射率，而虛擬光纖部分沒(méi)有光傳輸纖芯。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，耦合區(qū)域中的某個(gè)區(qū)域具有三光纖耦合陣列，其中光從多個(gè)光纖中的第一光纖通過(guò)多個(gè)光纖中的第二光纖耦合到多個(gè)光纖中的第三光纖。
附圖概述

圖1是光纖型級(jí)連耦合器裝置的側(cè)面圖。
圖2是七光纖2×4耦合器系統(tǒng)的示意圖。
圖3是具有低反射端接的多部分光纖的剖面圖。
圖4是通過(guò)熔接兩個(gè)光纖部分形成的多部分光纖的剖面圖。
圖5和6分別示意地示出圖1的第一和第二耦合區(qū)域中光纖的布局，以提供圖2和9的線路功能。
圖7是圖2的三光纖線性耦合器20(圖5的光纖46、47和48)的作為耦合長(zhǎng)度函數(shù)的歸一化耦合功率圖。
圖8示出十根光纖圍繞一根中央光纖的光纖陣列。
圖9是七光纖高度隔離WDM耦合器系統(tǒng)的示意圖。
圖10是WDM耦合器加上一個(gè)抽頭的示意圖。
圖11和12分別示意地示出圖1的第一和第二耦合區(qū)域中的光纖布局，以提供圖10的線路功能。
圖13是三光纖、兩個(gè)錐形濾波器的示意圖。
圖14和15示意地示出一體式耦合器第一和第二耦合區(qū)域中的光纖布局，以提供圖13的線路功能。
圖16是四光纖、兩個(gè)錐形WDM耦合器系統(tǒng)的示意圖。
圖17和18示意地示出一體式耦合器第一和第二耦合區(qū)域中的光纖布局，以提供圖16的線路功能。
圖19是示出光纖插入設(shè)備的局部剖面圖。
圖20是示出在耦合器管中放置一光纖的剖面圖。
圖21示出熔合兩個(gè)光纖部分以形成一根合成光纖。
圖22是例1的WDM耦合器的插入損耗對(duì)波長(zhǎng)的圖。
圖23是例2耦合器第一級(jí)的插入損耗對(duì)波長(zhǎng)的圖。
圖24是例2的2×4耦合器的插入損耗對(duì)波長(zhǎng)的圖。
本發(fā)明較佳實(shí)施方式本發(fā)明涉及實(shí)施多個(gè)耦合器功能的一體式光纖型耦合器裝置。一體式耦合器裝置是這樣一種裝置，其中N根平行光纖組成的陣列設(shè)有M個(gè)錐形區(qū)域，陣列中的光纖之間可在其中發(fā)生耦合，這里N≥3以及M≥2；N根光纖中的每一根位于M個(gè)錐形區(qū)域的每一個(gè)區(qū)域中的相同陣列內(nèi)。在一個(gè)較佳實(shí)施例中， N根光纖位于基體玻璃的伸長(zhǎng)主體中，以形成一緊湊而環(huán)境穩(wěn)定的整體式裝置。
由基體玻璃的伸長(zhǎng)主體13形成圖1的裝置，即整體型一體式多功能耦合器裝置。多個(gè)光纖16貫穿包括兩個(gè)錐形區(qū)域11和12的主體13。通過(guò)把光纖16插入玻璃毛細(xì)管的空腔，加熱并抽空玻璃管以使它緊裹在光纖上，來(lái)形成裝置10。玻璃管可緊裹在點(diǎn)a和d之間的整個(gè)區(qū)域上，或者它也可緊裹在將成為錐形以形成耦合器的區(qū)域(即點(diǎn)a和b之間以及點(diǎn)c和d之間)中的光纖上。然后在玻璃管的點(diǎn)a和b之間加熱，并把它拉制成獲得所需的耦合特性需要的直徑和耦合長(zhǎng)度。其后，接著在點(diǎn)c和d之間對(duì)將設(shè)有頸縮區(qū)域以在光纖之間引入耦合的玻璃管上的任何區(qū)域進(jìn)行加熱和拉伸步驟。
可通過(guò)把N根光纖排列成適當(dāng)?shù)年嚵校诘谝诲F形區(qū)域中對(duì)光纖進(jìn)行熔合和拉伸，然后在第二錐形區(qū)域中對(duì)光纖進(jìn)行熔合和拉伸來(lái)制成一體式熔合的光纖耦合器。至少所獲裝置的耦合區(qū)域?qū)⒅糜谝槐Ｗo(hù)封裝材料或外殼中。
在外加包層和熔合的光纖實(shí)施例中，可使裝置的長(zhǎng)度都相當(dāng)短?？墒咕哂蠳個(gè)錐形或耦合區(qū)域的裝置長(zhǎng)度短到N×1.2+4.0cm。兩錐形裝置的長(zhǎng)度將為6.4cm。
從以下對(duì)各種線路的描述將使本發(fā)明的廣泛應(yīng)用變得明顯起來(lái)，可通過(guò)把本發(fā)明的原理應(yīng)用于各種多耦合器的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)這些線路。
圖2是一消色差2×4分離器的示意線路圖。第一區(qū)域是一2×2的三光纖耦合器20，它可在兩個(gè)輸出端23和24之間均等地分離輸入端21或22上的入射光。第二錐形區(qū)域構(gòu)成進(jìn)一步分配光的兩個(gè)1×2的耦合器26和27。端子23處的輸出信號(hào)被輸入耦合器26，端子24處的輸出信號(hào)被輸入耦合器27。加到端子21或22的輸入信號(hào)在輸出端28、29、30和31之間被均等地分配。
圖2的虛線代表在x處鄰接或熔合到有效光纖的虛擬光纖部分。虛擬光纖部分52是形成三光纖耦合器20一部分的有效光纖47的延續(xù)部分。虛擬光纖部分49和51是分別形成兩光纖耦合器27和26一部分的有效光纖的延續(xù)部分。為了形成圖2的裝置，還有兩根光纖在圖中未示出；這兩根光纖包括貫穿形成耦合器20的錐形區(qū)域和形成耦合器26和27的錐形區(qū)域的虛擬光纖。將結(jié)合圖5和6的描述討論這些虛擬光纖。
依據(jù)本發(fā)明，多光纖耦合裝置中所有的光纖位于每一個(gè)耦合區(qū)域中。在圖2的裝置中，耦合器26和27都位于第二耦合區(qū)域中。如果耦合器26的光纖與耦合器27的光纖交換功率，則在第二耦合區(qū)域(耦合器26和27)中重新組合從一個(gè)特殊輸入端到分離光的第一耦合器20的光時(shí)，將產(chǎn)生不想要的干擾影響。得到的干擾影響類(lèi)似于Mach-Zehnder裝置中產(chǎn)生的干擾影響。如果產(chǎn)生此干擾影響，則輸出功率將作為波長(zhǎng)的函數(shù)而變化。當(dāng)在消色差一體式裝置諸如圖1所示的整體式裝置中實(shí)施圖2的設(shè)計(jì)時(shí)，必須避免產(chǎn)生此不想要的相互作用。
為了實(shí)現(xiàn)所需的性能，使用7光纖的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述2×4的功能。然而，七根光纖中的三根在錐形11和12之間是不連續(xù)的，這些光纖在有光傳輸光纖和無(wú)纖芯的虛擬光纖之間變化。例如，此不連續(xù)光纖可構(gòu)成圖3或圖4所示的那種復(fù)合光纖。有效光纖34可以圖3所示的低反射端35端接。雖然虛擬光纖也可以低反射端端接，但由于從其回來(lái)的反射應(yīng)該是最小的，所以只需要把虛擬光纖切斷。圖4示出有效光纖40和虛擬光纖41可在點(diǎn)b和c之間的區(qū)域熔接(Splice)在一起。來(lái)自圖4熔接處的反射極低，可把虛擬光纖部分的遠(yuǎn)端切斷或設(shè)置圖4所示的低反射端。兩根光纖部分之間的連接處位于點(diǎn)b和c之間裝置10的該部分。
在圖2所示的這種2×4的耦合器中，錐形區(qū)域11和12中的光纖部分分別如圖5和6所示排列。在這兩個(gè)錐形區(qū)域中，光纖都以七光纖密集陣列排列，其中六根光纖圍繞中央虛擬光纖45排列且所有的光纖具有相同的直徑。在錐形11中，把兩個(gè)輸入信號(hào)加到也包括光纖47的3光纖線性耦合器中相同的光纖46和48。在光纖47與每根光纖46和48之間存在傳播常數(shù)差δβ。再參考圖2，選擇δβ的值，從而在特殊的耦合長(zhǎng)度，在輸出端23和24之間均等地分離進(jìn)入光纖21的功率輸入。在圖5的光纖47中基本上沒(méi)有留下功率。耦合器20的對(duì)稱(chēng)性在于在光纖23和24之間也均等地分離進(jìn)入光纖22的功率輸入。
圖7示出耦合器20模型計(jì)算的結(jié)果。三條曲線表示在每根光纖46、47和48中傳播的功率以耦合長(zhǎng)度的函數(shù)變化的方式。箭頭A表示某個(gè)位置，在該處輸入光纖46的一半功率耦合到光纖48，一半輸入功率保留在光纖46中，而在光纖47中沒(méi)有輸入功率。因?yàn)樵谠撐恢锰?，圖1的區(qū)域b中(圖2的輸出端23和24)光纖46和48的功率曲線的斜率為零，所以應(yīng)觀察到消色差現(xiàn)象。在Mathematica中使用標(biāo)準(zhǔn)模式耦合公式(β47-β46)/C＝1.62和β48＝β46對(duì)平行纖芯耦合器進(jìn)行此特殊的模型計(jì)算，這里β是各個(gè)光纖的傳播常數(shù)，C是鄰近耦合常數(shù)，假定非鄰近耦合為零。
在錐形之間，光纖部分47、49和51如上所述端接或熔接，從而在圖1中點(diǎn)b和c之間區(qū)域中的某處，有效光纖部分47鄰接或被熔接到虛擬光纖52，虛擬光纖部分49和51分別端接或熔接到有效光纖部分53和54。有效光纖46和48連續(xù)貫穿整個(gè)整體式裝置；它們是錐形區(qū)域12(圖1)中兩個(gè)光學(xué)分離1×2的耦合器26和27(圖2)的輸入端。耦合器26和27是標(biāo)準(zhǔn)的2光纖、3dB和δβ消色差設(shè)計(jì)。在光纖46和54之間存在一δβ，此δβ與光纖48和53之間的δβ相同。于是，光纖46、48、53和54(圖2的輸出端29、30、31和28)的輸出是消色差的。光纖50和中央光纖54是連續(xù)的虛擬光纖。
圖9示出一高隔離波分多路復(fù)用器(WDM)耦合器系統(tǒng)。此裝置可形成圖1所示的這種2錐形整體式結(jié)構(gòu)。三光纖耦合器60位于第一錐形區(qū)域11，兩光纖耦合器64和65位于第二錐形區(qū)域12。兩個(gè)耦合器區(qū)域中的有效和虛擬光纖的布局與圖5和6所示的布局相同。此裝置與上述2×5耦合器的不同之處在于第一和第二錐形區(qū)域11和12被拉伸到某一長(zhǎng)度，在第二波長(zhǎng)λ2的光耦合到另一個(gè)輸出光纖時(shí)，該長(zhǎng)度足夠使第一波長(zhǎng)λ1的光耦合到一個(gè)輸出光纖，該裝置形成一個(gè)波長(zhǎng)解多路復(fù)用器。參考圖9，波長(zhǎng)為λ1和λ2的光耦合到耦合器60的輸入端61。λ1的光出現(xiàn)在端子62，而λ2的光出現(xiàn)在端子63。耦合器64和65的功能與耦合器60相同。輸入耦合器64的波長(zhǎng)為λ1的光出現(xiàn)在輸出端66。加到端子61的波長(zhǎng)為λ2的光中少量剩余部分出現(xiàn)在端子62。此不想要的光的大部分被耦合器64耦合到輸出端67。同樣，λ2的光在耦合器65中耦合并出現(xiàn)在輸出端68。出現(xiàn)在端子63處不想要的波長(zhǎng)為λ1的大部分光在耦合器65中保持不耦合并出現(xiàn)在輸出端69。
例如，圖9的耦合器系統(tǒng)可用于把波長(zhǎng)為1550nm的光與波長(zhǎng)為1310nm的光分離。如果把這兩個(gè)波長(zhǎng)的光加到端子61，則波長(zhǎng)為1550nm的光將出現(xiàn)在端子68；出現(xiàn)在端子68處波長(zhǎng)為1310nm的光的數(shù)量將低于大約-40dB。同樣，出現(xiàn)在輸入端61處波長(zhǎng)為1310nm的光的大部分將耦合到輸出端66，在端子66處1310nm的路徑中1550nm光的數(shù)量將低于大約-40dB。
圖10示出一起到光纖放大器的WDM和抽頭作用的多功能耦合器系統(tǒng)。此耦合器系統(tǒng)可形成圖1所示的這種2錐形整體式耦合器。耦合器77在第一錐形區(qū)域11中，耦合器80在第二錐形區(qū)域12中。加到輸入端75的抽運(yùn)信號(hào)被直接加到耦合器80。加到端子76的信號(hào)的百分之十被耦合器77耦合到輸出端79。剩余的90％的信號(hào)出現(xiàn)在耦合器77的輸出端78，并加到耦合器80。信號(hào)波長(zhǎng)被耦合器80耦合，但抽運(yùn)波長(zhǎng)保持不耦合，從而加上信號(hào)90％的抽運(yùn)出現(xiàn)在輸出端81。端子79處的抽頭輸出可用于監(jiān)測(cè)目的，端子81處的輸出可耦合到光纖放大器。
對(duì)于WDM加抽頭耦合器系統(tǒng)，圖1錐形區(qū)域11中的光纖部分如圖11所示布局，錐形區(qū)域12中的光纖部分如圖12所示布局。在這兩個(gè)錐形區(qū)域中，光纖的布局都是一7光纖密集陣列，其中六根光纖繞中央虛擬光纖84排列且所有的光纖都具有相同的直徑。
在錐形11中，抽運(yùn)功率被加到光纖89，它在其中直到到達(dá)錐形12之前不耦合地傳輸。信號(hào)功率被加到也包括光纖86和87的3光纖線性耦合器的光纖85。在光纖86與每根光纖85和87之間存在一傳播常數(shù)差δβ。再參考圖10，選擇δβ的值，從而在特殊的耦合長(zhǎng)度，加到輸入端76的信號(hào)功率被分離，從而10％的信號(hào)功率耦合到輸出端79，90％保持不耦合。選擇δβ的值，從而在圖11的光纖86中基本上沒(méi)有留下功率。
在圖1點(diǎn)b和c之間區(qū)域的某處，有效光纖部分86鄰接或被熔接到虛擬光纖91，虛擬光纖部分90鄰接或被熔接到有效光纖92。有效光纖85、87和89連續(xù)貫穿整個(gè)整體式裝置。光纖88和中央光纖84是連續(xù)的虛擬光纖。光纖87和89提供了來(lái)自錐形12的兩個(gè)輸出端(分別為圖10的輸出端79和81)。
在錐形12(圖1的區(qū)域c)的輸入端，光纖85是也包括光纖部分92和89的3光纖線性耦合器的輸入光纖。在光纖92部分與每根光纖85和89之間存在一傳播常數(shù)差δβ。再參考圖10，選擇δβ的值，從而在特殊的耦合長(zhǎng)度，抽運(yùn)波長(zhǎng)從輸入端75耦合到耦合器80的輸出光纖81，信號(hào)波長(zhǎng)從端子78耦合到輸出光纖81。在圖12的光纖92中基本上沒(méi)有留下功率。
除了以上所討論的以外，一體式級(jí)連耦合器技術(shù)也可應(yīng)用于全光纖計(jì)數(shù)的裝置。圖8示出通過(guò)相對(duì)于剩余的光纖增加中央光纖的尺寸來(lái)容納更多數(shù)目的光纖?？捎脕?lái)控制裝置功能的變量是錐形耦合區(qū)域的數(shù)目和每個(gè)耦合區(qū)域中所使用的光纖部分的類(lèi)型(有效或虛擬)。
圖13示出一形成三光纖、兩錐形裝置的高隔離級(jí)連濾波器。兩光纖耦合器96位于第一錐形區(qū)域中，兩光纖耦合器98位于第二錐形區(qū)域中。波長(zhǎng)為λ1和λ2的光被加到耦合器96的輸入端95。第一和第二錐形區(qū)域11和12被拉伸到某一長(zhǎng)度，在波長(zhǎng)為λ2的光耦合到第二光纖并出現(xiàn)在端子97時(shí)，該長(zhǎng)度足夠使波長(zhǎng)為λ1的光耦合到直通光纖。只有波長(zhǎng)為λ2的光的剩余部分耦合到端子97。耦合器98的隔離與耦合器96相同；于是波長(zhǎng)為λ2的光在耦合器98中耦合并出現(xiàn)在輸出端99上。出現(xiàn)在端子97上不想要的波長(zhǎng)為λ1的大部分光耦合到耦合器98中的直通光纖。
第一和第二耦合器區(qū)域中有效和虛擬光纖的布局分別如圖14和15所示。在這兩個(gè)錐形區(qū)域中，光纖的布局都是三光纖密集陣列。在第一錐形中，輸入信號(hào)被加到光纖部分105，該部分是也包括光纖106的耦合器的一部分；波長(zhǎng)為λ2的功率從光纖部分95耦合到光纖106。第二錐形類(lèi)似于第一錐形，從而波長(zhǎng)為λ2的功率在第二錐形中從光纖106耦合到光纖部分109。雖然光纖106連續(xù)貫穿一體式耦合器裝置，但另二根光纖由二部分組成，一部分是有效光纖而另一部分是虛擬光纖。由于光纖部分105不再進(jìn)入第二耦合器區(qū)域，且光纖部分109不再進(jìn)入第一耦合器區(qū)域，所以在這兩個(gè)耦合器區(qū)域中都沒(méi)有耦合光纖對(duì)；于是可避免上述共振效應(yīng)。
圖16示出一具有高隔離輸出端的WDM耦合器；此一體式裝置構(gòu)成級(jí)連的兩錐形四光纖裝置。三光纖耦合器113位于第一錐形區(qū)域中，兩光纖耦合器115位于第二錐形區(qū)域中。波長(zhǎng)為λ1和λ2的光被加到耦合器113的輸入端112。第一和第二錐形區(qū)域被拉伸到某一長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度足夠使基本上所有的第一波長(zhǎng)λ1的光耦合到直通光纖并出現(xiàn)在端子116；而只有此光中的少量部分耦合到端子114。波長(zhǎng)為λ2的光耦合到第二耦合器光纖并出現(xiàn)在端子114。波長(zhǎng)為λ2的光耦合到端子115并出現(xiàn)在輸出端117。出現(xiàn)在端子114上不想要的波長(zhǎng)為λ1的大部分光耦合到耦合器115中的直通光纖。
第一和第二耦合器區(qū)域中有效和虛擬光纖的布局分別如圖17和18所示。在這兩個(gè)錐形區(qū)域中，光纖的布局都是四光纖密集陣列。在第一錐形中，輸入信號(hào)被加到光纖120，此光纖是也包括光纖部分121和光纖122的三光纖線性耦合器的一部分。在光纖部分121與每根光纖120和122之間存在傳播常數(shù)差δβ。選擇δβ的值，從而在特殊的耦合長(zhǎng)度，輸入光纖120的波長(zhǎng)為λ1的功率保留在該光纖中，而波長(zhǎng)為λ2的功率被耦合。在光纖部分121中基本上沒(méi)有留下功率。在第二錐形的兩光纖耦合器中，耦合器功能與耦合器113的功能相同，在耦合器113中，波長(zhǎng)為λ2的功率從光纖122耦合到光纖部分125。雖然光纖120和122連續(xù)貫穿一體式耦合器裝置，但另外兩根光纖由兩部分形成，一個(gè)部分是有效光纖而另一部分是虛擬光纖。由于光纖部分121不再進(jìn)入第二耦合器區(qū)域，且光纖部分125不再進(jìn)入第一耦合器區(qū)域，所以在這兩個(gè)耦合器區(qū)域中都沒(méi)有鄰近光纖對(duì)的耦合。
以下的特殊例子有關(guān)制造(1)結(jié)合圖9、5和6討論的這種WDM耦合器以及(2)結(jié)合圖2、5和6討論的這種消色差2×4分離器的方法。也將結(jié)合這些例子討論圖19-24。
這些例子中使用的所有光纖的直徑是125μm；它們?cè)O(shè)有直徑為250μm的氨基甲酸酯-丙烯酸酯(urethane acrylate)涂層。由參考在這里引入的5,011,251號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中揭示的技術(shù)來(lái)制造有效光纖。在這里叫做標(biāo)準(zhǔn)光纖的一些有效光纖包括摻有8.5wt.％ GeO2的直徑為8μm的SiO2纖芯和包含干燥處理中留下的大約0.05wt.％氯的SiO2包層。除了光纖的包層包含大約0.11wt.％氯或大約0.19wt.％氯以外，這里叫做變化的有效光纖與標(biāo)準(zhǔn)光纖相同。虛擬光纖由摻有2.0wt.％ B2O3的SiO2構(gòu)成。
用于兩個(gè)例子的玻璃管都是40mm長(zhǎng)，外徑為2.6mm，內(nèi)徑為380μm。管半徑30％以?xún)?nèi)的組分是摻有2wt.％B2O3的SiO2，管半徑其余部分的組分是摻有8wt.％ B2O3的SiO2。玻璃管空腔兩端設(shè)有圖19和20所示的漏斗。光纖以下述方式插入玻璃管，以形成一耦合器預(yù)型。耦合器預(yù)型的兩端插入安裝在拉伸設(shè)備計(jì)算機(jī)控制臺(tái)上的卡盤(pán)，該拉伸設(shè)備能沿縱向拉伸耦合器預(yù)型。把真空附件固定于玻璃管的兩端以使空腔排空。使用7英寸汞柱的真空。環(huán)形燃燒爐包圍玻璃管。
在玻璃管上點(diǎn)a和b(圖1)之間的部分處，通過(guò)排空玻璃管并對(duì)該部分加熱使它緊裹在光纖上，然后移動(dòng)卡盤(pán)從而加熱區(qū)相對(duì)兩側(cè)上述的玻璃管部分相互遠(yuǎn)離以拉伸加熱的區(qū)域，如此形成第一錐形耦合區(qū)域11。在玻璃管伸長(zhǎng)了預(yù)定距離后停止拉伸操作。在其制造后(在制造第二級(jí)耦合器前)測(cè)量第一級(jí)耦合器。在圖2的輸出端29和30處監(jiān)測(cè)第一級(jí)耦合器。
然后在玻璃管上點(diǎn)c和d之間的部分處，通過(guò)使玻璃管的適當(dāng)區(qū)域經(jīng)過(guò)拉伸狀態(tài)來(lái)形成第二錐形耦合區(qū)域12，除了拉伸距離使得第二耦合區(qū)域中的光纖之間實(shí)現(xiàn)所需耦合以外，該拉伸狀態(tài)類(lèi)似于形成第一耦合區(qū)域所使用的拉伸狀態(tài)。
例1此例的WDM耦合器由三個(gè)級(jí)連1310nm/1550nm的WDM多路復(fù)用器耦合器構(gòu)成。第一級(jí)是一3光纖型WDM耦合器，第二級(jí)由兩個(gè)2光纖WDM耦合器構(gòu)成。在制造該裝置期間，在形成第一和第二級(jí)耦合器的拉伸操作中監(jiān)測(cè)四個(gè)輸出端66、67、68和69，以得到有關(guān)這些耦合器的特征信息。
用一夾具134把光纖插入玻璃管137的空腔138。夾具134由最靠近玻璃管137的點(diǎn)處形成六包一結(jié)構(gòu)的七個(gè)不銹鋼管135a-135g構(gòu)成。這是通過(guò)把它們插入具有適當(dāng)內(nèi)徑(是較小管外徑的三倍)的更大的不銹鋼管136使它們保持該圖形來(lái)實(shí)現(xiàn)的。與耦合器不同，這些管子張開(kāi)以利于插入光纖。
管子137被插入與夾具134保持共線的夾子(未示出)。在此例中只使用標(biāo)準(zhǔn)有效光纖和虛擬光纖。如下所述實(shí)施光纖填塞過(guò)程。
1.參考圖5和6，兩根直通有效光纖46和48(每根大約2米長(zhǎng))的中間區(qū)域被剝離，從而裸露光纖的長(zhǎng)度等于漏斗139和140中點(diǎn)之間的距離。
2.然后把這兩根光纖穿過(guò)管子135a和135c。首先，把一根光纖穿過(guò)對(duì)準(zhǔn)夾具并穿入管的空腔138，從而光纖的涂敷部分如圖20所示沿其各個(gè)漏斗的縱向長(zhǎng)度在中間終止。然后把另一根直通光纖通過(guò)對(duì)準(zhǔn)夾具而插入，越過(guò)另一根光纖，它也居中。
3.如圖21所示制造圖5和6的光纖49/53和51/54。在從有效光纖131一端大約1米處除去涂層130，從而光纖131的剝離部分長(zhǎng)度大約等于管子137長(zhǎng)度的1/2。把長(zhǎng)度與光纖131剝離部分長(zhǎng)度大致相等的無(wú)纖芯光纖132熔合到裸露光纖131的這一端。
4.這些光纖穿過(guò)夾具134的管子135d和135f被插入，直到光纖末梢位于漏斗139中。
5.以類(lèi)似于圖21所示和步驟3中所述的方式制造光纖47/52。在離虛擬光纖一端大約1米處除去涂層，從而剝離部分的長(zhǎng)度大約等于管子137長(zhǎng)度的1/2。把長(zhǎng)度與虛擬光纖剝離部分長(zhǎng)度大致相等的標(biāo)準(zhǔn)光纖熔合到裸露的虛擬光纖的這一端。除了無(wú)纖芯和標(biāo)準(zhǔn)光纖的位置相反以外，獲得的復(fù)合光纖類(lèi)似于步驟3中所述的光纖。保持有涂層的無(wú)纖芯光纖盡可能短(一般為15cm)，但此長(zhǎng)度足夠易于掌握。
6.把獲得的復(fù)合光纖插入夾具134的管子135b，直到其末梢位于漏斗139中。
7.通過(guò)在離有涂層的虛擬光纖兩端15cm處剝離涂層來(lái)形成光纖45和50。剝離長(zhǎng)度比管子137的長(zhǎng)度稍短。
8.把這些光纖插入夾具134的管子135e和135g，直到光纖的末梢位于漏斗139中。
9.把末梢位于漏斗139中的五根光纖(見(jiàn)步驟4、6和8)集中在管子對(duì)準(zhǔn)夾具左邊的一點(diǎn)上，同時(shí)把這些光纖送入空腔138中，直到它們的涂層位于漏斗139中。
10.然后使用可用UV光固化的環(huán)氧，以把光纖粘接到管子的一端141和/或漏斗139。小心地留下一個(gè)開(kāi)口，從而可通過(guò)漏斗139使空腔138排空。環(huán)氧經(jīng)UV固化。
從夾子上取下獲得的耦合器預(yù)型，把它的端點(diǎn)插入上述拉伸設(shè)備的卡盤(pán)，在此處拉伸或拉長(zhǎng)耦合器預(yù)型以形成上述的兩個(gè)錐形。燃燒爐中可燃?xì)夂脱鯕獾牧髁糠謩e是每分鐘0.41和0.82標(biāo)準(zhǔn)升(slpm)。在拉伸這兩個(gè)耦合區(qū)域期間，每個(gè)階段的速度是1.0cm/秒。在形成第一耦合區(qū)域期間，每個(gè)階段把耦合器預(yù)型拉長(zhǎng)1.17cm，在形成第二耦合區(qū)域期間，每個(gè)階段把耦合器預(yù)型拉長(zhǎng)1.04cm。
在此裝置被冷卻后，移去真空線，把幾滴可用UV固化的粘合劑從注射器加到裝置兩端。然后把它從拉伸器中移出。在粘膠被固化后，除去無(wú)用的短線頭。包括粘合劑液滴的所獲裝置的整個(gè)長(zhǎng)度為87mm。
第一級(jí)WDM耦合器是大約1280nm/1550nm的WDM耦合器，即出現(xiàn)在第一和第二輸出端的波長(zhǎng)帶的中心波長(zhǎng)分別是大約1280nm和1550nm。
第二級(jí)WDM耦合器的中心位于稍有不同的波長(zhǎng)(大約1310nm和1580nm)，該裝置的輸出是第一和第二級(jí)的級(jí)連結(jié)果。圖22示出頻譜插入損耗的圖。如所期望的，對(duì)于兩個(gè)窗20dB的隔離寬度都是大約100nm。30dB的隔離寬度是大約60nm。這些結(jié)果示出用單個(gè)整體式裝置可滿(mǎn)足較寬的頻帶或較高隔離標(biāo)準(zhǔn)(與單個(gè)耦合器相比)。
例2除了標(biāo)準(zhǔn)的有效光纖和虛擬光纖以外，在此例中使用變化的的有效光纖。
此例的消色差2×4分離器由兩級(jí)構(gòu)成。結(jié)合光纖定位參考圖5和6。第一級(jí)是一3光纖2×2消色差耦合器，其中由變化的有效光纖分隔兩根標(biāo)準(zhǔn)有效光纖，此變化的有效光纖的包層摻有大約0.11wt.％的氯。第二級(jí)由兩個(gè)2光纖消色差耦合器構(gòu)成，每個(gè)耦合器由一根標(biāo)準(zhǔn)光纖和一根變化的有效光纖來(lái)形成，該變化的有效光纖的包層摻有大約0.19wt.％的氯。于是，光纖46和48是標(biāo)準(zhǔn)光纖，光纖部分47是其包層中有0.11wt.％的氯的變化有效光纖，光纖部分53和54是其包層中有0.19wt.％的氯的變化有效光纖。
這些光纖通過(guò)夾具134，被插入管子的空腔以形成例1所述的耦合器預(yù)型。通過(guò)把虛擬和預(yù)型光纖相熔合來(lái)形成復(fù)合光纖。
耦合器拉伸處理類(lèi)似于例1所述的處理。把耦合器預(yù)型的兩端插入卡盤(pán)，拉伸耦合器預(yù)型以形成兩個(gè)錐形。燃燒爐中可燃?xì)夂脱鯕獾牧髁糠謩e是0.40和0.80slpm。在拉長(zhǎng)兩個(gè)耦合區(qū)域期間，每一階段的速度是1.2cm/秒。在形成第一耦合區(qū)域期間，每一階段把耦合器預(yù)型拉長(zhǎng)0.84cm，在形成第二耦合區(qū)域期間，每一階段把耦合器預(yù)型拉長(zhǎng)0.68cm。如例1所述，在其制造后測(cè)量第一級(jí)耦合器。
在裝置被冷卻后，移去真空線，把粘合劑加到裝置兩端，并把裝置從拉伸設(shè)備中移去。包括粘合劑液滴的所獲裝置的整個(gè)長(zhǎng)度為72mm。
在圖23和24中分別示出第一和第二級(jí)的插入損耗對(duì)波長(zhǎng)的圖。如圖23所示，第一級(jí)的插入損耗的消色差性明顯大于用匹配的光纖形成一個(gè)耦合器和單個(gè)錐形區(qū)域所獲得的消色差性，但此消色差性不如理論上所預(yù)測(cè)的消色差性。通過(guò)進(jìn)行附加的工作可優(yōu)化性能。第一級(jí)的消色差性也不如5,011,251號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中所討論(用于第二級(jí))的2光纖設(shè)計(jì)，但在第一級(jí)中需要3光纖的方法以消除干涉測(cè)量的影響。
第二級(jí)中的耦合器接近于如圖24所示從1260nm到1580nm產(chǎn)生小于7.8dB插入損耗的凈2×4耦合器性能的最佳2光纖消色差性。對(duì)第一級(jí)的進(jìn)一步改進(jìn)應(yīng)使整個(gè)插入損耗低于0.5dB。
如果在例1和2中復(fù)合光纖(組合的有效和虛擬光纖)不熔合在一起，則需要位于管子137另一端處的第二填塞夾具。除了兩個(gè)直通光纖必須插入一個(gè)夾具、管子的空腔繼而插入另一個(gè)夾具，然后把剝離區(qū)域長(zhǎng)度為光纖長(zhǎng)度1/2的光纖插入每一端的夾具以外，此過(guò)程是類(lèi)似的。
可使用類(lèi)似于以上討論的方法制成具有兩個(gè)或多個(gè)耦合器區(qū)域的熔合的雙錐形耦合器。必要時(shí)可使用有效光纖、虛擬光纖和復(fù)合光纖的組合?？墒褂妙?lèi)似于圖19所示的光纖插入夾具。一般，光纖插入夾具是這樣的，從而它可扭轉(zhuǎn)二光纖以保證在耦合區(qū)域中實(shí)際上它們靠得最近。
權(quán)利要求
1.一種光纖耦合裝置，包括以平行陣列延伸的多個(gè)N根光纖，其特征在于N≥3，沿所述陣列長(zhǎng)度的至少兩個(gè)耦合區(qū)域，在此處所述光纖的截面積小于在所述陣列第一和第二端處所述光纖的截面積，其中，如此形成所述N根光纖和所述耦合區(qū)域，使在所述光纖中的一根光纖中傳播的光進(jìn)入所述耦合區(qū)域中的第一區(qū)域，在所述耦合區(qū)域的所述第一區(qū)域中分離，從而光在所述光纖中的至少兩根光纖中傳播從所述耦合區(qū)域的所述第一區(qū)域進(jìn)入所述耦合區(qū)域的第二區(qū)域，所述光在所述耦合區(qū)域的第二區(qū)域中不發(fā)生干擾。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖耦合裝置，其特征在于所述光纖中的至少一根光纖是由首尾相連的有效光纖部分和虛擬光纖部分構(gòu)成，所述有效光纖部分具有光傳輸纖芯，所述纖芯被折射率低于所述纖芯折射率的包層所包圍，所述虛擬光纖部分沒(méi)有光傳輸纖芯。
3.如權(quán)利要求2所述的光纖耦合裝置，其特征在于所述光纖以給定的剖面結(jié)構(gòu)在所述第一耦合區(qū)域中排列，所述光纖以所述給定的剖面結(jié)構(gòu)在所述第二耦合區(qū)域中排列。
4.如權(quán)利要求3所述的光纖耦合裝置，其特征在于所述光纖中的N-1根光纖以圓對(duì)稱(chēng)陣列繞中央光纖排列。
5.如權(quán)利要求3所述的光纖耦合裝置，其特征在于所述光纖以線性陣列排列。
6.如權(quán)利要求3所述的光纖耦合裝置，其特征在于所述光纖如此排列，從而所述給定剖面結(jié)構(gòu)是三角形。
7.如權(quán)利要求2所述的光纖耦合裝置，其特征在于所述光纖中的所述至少一根光纖的部分熔合在一起。
8.如權(quán)利要求2所述的光纖耦合裝置，其特征在于所述光纖中的所述至少一根光纖的部分以首尾相連的對(duì)接關(guān)系定位。
9.如權(quán)利要求8所述的光纖耦合裝置，其特征在于以首尾相連的對(duì)接關(guān)系定位的光纖部分中至少一個(gè)光纖部分設(shè)有低反射端。
10.如權(quán)利要求2所述的光纖耦合裝置，其特征在于所述光纖中的至少兩根光纖包含貫穿其整個(gè)長(zhǎng)度的纖芯。
11.如權(quán)利要求2所述的光纖耦合裝置，其特征在于還包括被所述光纖貫穿率，所述主體具有第一和第二端，所述主體的截面積在所述耦合區(qū)域處小于在所述第一和第二端處的截面積。
12.如權(quán)利要求2所述的光纖耦合裝置，其特征在于所述耦合器區(qū)域的一個(gè)區(qū)域包含至少三個(gè)有效光纖部分，所述有效光纖部分的第一部分通過(guò)所述有效光纖部分的第三部分耦合到所述有效光纖部分的第二部分。
13.一種光纖耦合裝置，其特征在于包括基體玻璃的伸長(zhǎng)主體，所述主體具有第一和第二端，在所述主體內(nèi)沿縱向延伸的多根光纖，沿所述主體長(zhǎng)度的至少兩個(gè)耦合區(qū)域，在該處所述主體的截面積和其中光纖的截面積小于所述第一和第二端處所述光纖和所述主體的截面積；所述光纖中的至少一根由首尾相連的光纖部分和虛擬光纖部分形成，所述有效光纖部分具有光傳輸纖芯，所述纖芯被折射率低于所述纖芯折射率的包層所包圍，所述虛擬光纖部分沒(méi)有光傳輸纖芯。
14.如權(quán)利要求13所述的光纖耦合裝置，其特征在于所述所述光纖以給定的剖面結(jié)構(gòu)在所述第一耦合區(qū)域中排列，所述光纖以所述給定的剖面結(jié)構(gòu)在所述第二耦合區(qū)域中排列。
15.一種光纖耦合裝置，包括以平行陣列延伸的多個(gè)N根光纖，其特征在于N≥3，沿所述陣列長(zhǎng)度的至少一個(gè)第一耦合區(qū)域和第二耦合區(qū)域，在此處所述光纖的截面積小于在所述陣列第一和第二端處所述光纖的截面積，所述光纖中的至少第一和第二光纖在其整個(gè)長(zhǎng)度是有效光纖，所述第一和第二光纖具有光傳輸纖芯，所述纖芯被折射率低于所述纖芯折射率的包層所包圍，在所述第一耦合區(qū)域中所述第一和第二光纖相互耦合，在所述第二耦合區(qū)域中所述第一和第二光纖保持相互不耦合，在所述第二耦合區(qū)域中所述第一光纖耦合到所述光纖中的第三光纖。
16.如權(quán)利要求15所述的光纖耦合裝置，其特征在于還包括被所述光纖貫穿的基體玻璃的伸長(zhǎng)主體，所述基體玻璃的折射率低于或等于所述光纖包層的折射率，所述主體具有第一和第二端，所述主體的截面積在所述耦合區(qū)域處小于在所述第一和第二端處的截面積。
17.一種光纖耦合裝置，包括沿平行陣列延伸的多個(gè)N根光纖，其特征在于N≥3，沿所述陣列長(zhǎng)度的至少兩個(gè)耦合區(qū)域，在此處所述光纖的截面積小于在所述陣列第一和第二端處所述光纖的截面積，所述耦合區(qū)域中的一個(gè)區(qū)域具有三光纖耦合陣列，其中光從所述多個(gè)光纖中所述耦合區(qū)域中的一個(gè)區(qū)域具有三光纖耦合陣列，其中光從所述多個(gè)光纖中的第一光纖通過(guò)所述多個(gè)光纖中的第二光纖耦合到所述多個(gè)光纖中的第三光纖。
全文摘要
一種一體式光纖耦合裝置(10),其中N(N>3)根光纖(16)以平行陣列延伸,該陣列具有截面積減小的兩個(gè)耦合區(qū)域(11,12)。光纖(16)中的至少一根光纖由首尾相連的兩部分形成,即位于第一耦合區(qū)域的包含纖芯的有效光纖(47)部分和位于第二耦合區(qū)域的虛擬光纖部分(52)。耦合器也至少包含第二和第三光纖,它們是整個(gè)長(zhǎng)度包含纖芯的有效光纖(47)。在第一耦合區(qū)域中第二和第三光纖相互耦合,而在第二耦合區(qū)域中它們保持相互不耦合。在第一耦合區(qū)域中耦合的兩根光纖在第二耦合區(qū)域中不耦合,于是避免了共振影響。
文檔編號(hào)G02B6/26GK1169781SQ96191615
公開(kāi)日1998年1月7日 申請(qǐng)日期1996年9月12日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月12日
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