專利名稱：具有多層光纖的光學(xué)耦合器的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及光纖耦合器。
在光纖通信系統(tǒng)中通常采用稱為“耦合器”的器件把光從一根光纖轉(zhuǎn)移到另一根光纖。光纖一般包括纖芯和環(huán)繞纖芯的包層。盡管通常認(rèn)為光是在單模光纖的纖芯中傳播的，但是，所謂的“瞬逝場”會(huì)擴(kuò)散到包層中。
一種瞬逝耦合器，通常稱為“外包層錐形”耦合器，利用在預(yù)選耦合區(qū)上已經(jīng)拉伸的光纖。耦合區(qū)被一個(gè)公共矩陣，稱為“外包層”所環(huán)繞。每個(gè)光纖的纖芯和包層在耦合區(qū)的兩端從光纖未拉伸區(qū)中的最大直徑逐漸減小到耦合區(qū)中的最小直徑。在耦合區(qū)中包層的直徑與耦合區(qū)外纖芯的直徑相當(dāng)。沿一條光纖中傳播的光主要是通過變窄包層的方式通過光纖的耦合區(qū)。作為一種有用的第一近似，變窄包層可以被看作是形成進(jìn)一步耦合區(qū)光波導(dǎo)的纖芯，外包層可以認(rèn)為是形成每個(gè)這種耦合區(qū)波導(dǎo)的包層。沿一個(gè)這樣的耦合區(qū)波導(dǎo)傳播的光將具有延伸到其它光纖的耦合區(qū)波導(dǎo)中的瞬逝場。光從一個(gè)這樣的波導(dǎo)轉(zhuǎn)移的另一個(gè)波導(dǎo)，因此在耦合區(qū)內(nèi)從一根光纖轉(zhuǎn)移到另一根光纖。正如已經(jīng)轉(zhuǎn)讓的第4931076和5011251號(hào)美國專利中所揭示的，外包層錐形耦合器可以通過將兩個(gè)光纖封裝在一個(gè)外包層材料的管子中；對(duì)管子進(jìn)行加熱和使之坍塌在光纖上；拉伸整個(gè)組合以拉伸光纖和形成耦合區(qū)的工藝過程制造。
“融合纖維”耦合器可以通過使兩個(gè)光纖熔化然后使它們逐漸減小制備。熔合光纖耦合器以類似于以上針對(duì)外包層耦合器所述的方式起作用。當(dāng)光纖包層直徑變得足夠小時(shí)，纖芯和包層的復(fù)合在耦合區(qū)中起波導(dǎo)的光引導(dǎo)部分的作用，周圍的空氣起包層的作用。在第一光纖中傳播的光功率耦合到耦合區(qū)波導(dǎo)(第一光纖的變窄包層)。在第一光纖中傳播的光的瞬逝模式場擴(kuò)展到第一光纖的熔合錐形耦合區(qū)波導(dǎo)中，以致于它耦合到第二光纖的熔合錐形耦合區(qū)波導(dǎo)。
本發(fā)明的原理可以結(jié)合熔合光纖耦合器和外包層耦合器二者一起使用。
在瞬逝耦合器中從一個(gè)光纖轉(zhuǎn)移到另一個(gè)光纖的功率大小取決于光的波長、產(chǎn)生耦合的長度，通常稱為“耦合長度”、以及在產(chǎn)生耦合的區(qū)域中光程的傳播常數(shù)之間的差值等諸因素?！皞鞑コ?shù)”是測量光沿路徑傳播的速度的尺度。傳播常數(shù)通常用符號(hào)β表示，而在瞬逝耦合器的耦合區(qū)中傳播常數(shù)的差值通常用Δβ表示。正如下面將更詳細(xì)地討論的，光通過光波導(dǎo)的傳播常數(shù)取決于纖芯的直徑、纖芯和包層的折射率以及光的波長。
在耦合器的光程是由相同光纖形成的地方，Δβ為0。在這種情況下，把光功率從一條光路完全(100％)耦合到另一條光路是可能的。已經(jīng)轉(zhuǎn)讓的美國專利5011251描述了一種由不同光纖構(gòu)成的光路的消色差的外包層錐形耦合器。一根光纖是具有高折射率纖芯和低折射率包層的標(biāo)準(zhǔn)光纖。這一些實(shí)施例中，另一根光纖可以是三層結(jié)構(gòu)，包括高折射率纖芯、低折射率外層包層和設(shè)置在纖芯和外層包層之間的折射率低于外包層折射率的薄的內(nèi)包層。在這種結(jié)構(gòu)中，Δβ不為0。完全的光功率傳輸是不可能的。在按照美國專利5011251制備的耦合器中利用這一現(xiàn)象給耦合器提供了在相對(duì)較寬的波長范圍上將光的基本恒定的預(yù)選部分從一根光纖轉(zhuǎn)移到另一根光纖。
其它一些耦合器是為提供波長選擇性能而設(shè)計(jì)的。例如，在波分復(fù)用傳輸方案中，單根光纖可以載有幾個(gè)略有不同的波長的光。每一波長載有單獨(dú)的信息流。在把一個(gè)波長對(duì)準(zhǔn)到光纖的一個(gè)分支上和把另一波長對(duì)準(zhǔn)到另一分支上的光纖分支點(diǎn)處可以使用波長選擇器件。屬于不同電信客戶的幾個(gè)發(fā)射器和/或接收器可以通過波長選擇耦合器連接到一個(gè)單個(gè)主光纖上。每個(gè)耦合器適合于僅把主光纖與岔光纖之間的窄帶波長耦合到特定發(fā)射器或接收器，而所有的其它波長留在主光纖上。在與特定客戶相關(guān)的波長上傳送該客戶期望的信號(hào)。
波長選擇耦合器可以利用兩個(gè)不同光纖來制造。對(duì)于每一個(gè)光纖選擇諸如光纖直徑和折射率分布的性能，使得兩個(gè)光纖的色散不同。“色散”是β隨波長的變化。因此，一個(gè)光纖具有隨波長迅速變化的β(高色散)，而另一個(gè)光纖具有僅隨波長逐步變化的β(低色散)。光纖的特性是這樣選擇的，即對(duì)于處于或者接近于所需工作波長上的光，兩個(gè)光纖具有相同的β。在這種情況下，在所有的波長上，工作波長附近的窄通帶除外，Δβ具有較大的值。這傾向于抑制通帶之外的波長上的耦合，以致于只有通帶內(nèi)的光從一個(gè)光纖耦合到另一個(gè)光纖。
如果包層直徑是為了獲得所需Δβ而采用的光纖差值之一，當(dāng)光纖被拉伸時(shí)，不同的包層將形成不同直徑的耦合區(qū)波導(dǎo)。然而，這種方法意味者至少一個(gè)光纖具有不同于通信系統(tǒng)中光纖通常采用的標(biāo)準(zhǔn)包層直徑的包層直徑。這導(dǎo)致在將非標(biāo)準(zhǔn)光纖連接到系統(tǒng)中其它光纖上的明顯的實(shí)際困難。
美國專利4,976,512描述了一種裝入標(biāo)準(zhǔn)階躍折射率光纖和“W折射率”光纖以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)光纖之間的窄帶耦合的熔合光纖耦合器。美國專利4,976,512的W折射率光纖象上述的美國專利5,011,251的三層光纖一樣，包括高折射率的纖芯、低折射率的外包層和折射率低于外包層折射率的內(nèi)包層。然而，在’512專利中，內(nèi)包層具有相當(dāng)大的厚度和對(duì)光纖的色散特性產(chǎn)生極大影響，從而提供陡峭斜率的色散曲線。然而，環(huán)繞纖芯的降低折射率的包層區(qū)，如’512專利的W折射率光纖的減小折射率區(qū)域，由于非絕熱模式耦合，在光纖的錐形區(qū)中，這種光纖會(huì)經(jīng)歷光功率的明顯損耗。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種顯示超低損耗的窄帶光纖耦合器。
發(fā)明概要本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種至少具有第一光纖和第二光纖的錐形耦合器。第一光纖具有第一光纖纖芯和環(huán)繞該纖芯的第一光纖包層。第二光纖至少包括三層即纖芯、環(huán)繞纖芯的內(nèi)包層和環(huán)繞內(nèi)包層的外包層。每個(gè)光纖包括端部區(qū)和設(shè)置在端部區(qū)之間的錐形耦合區(qū)。在端部區(qū)中，每個(gè)光纖具有其正常的全直徑。在錐形耦合區(qū)中，光纖的纖芯和包層具有小于在端部區(qū)中相應(yīng)元件直徑的直徑。錐形耦合區(qū)相互相鄰并排地延伸。光纖的耦合區(qū)設(shè)置在諸如空氣、玻璃等的周圍介質(zhì)中。
在根據(jù)本發(fā)明的耦合器中，第二光纖具有單調(diào)折射率分布。就是說，在光纖內(nèi)的任何位置上的折射率總是與靠近光纖中心的位置上的折射率相同或者低一些。內(nèi)包層的折射率n22低于纖芯的最大折射率n21，而外包層的折射率n23小于n22。第一光纖最好具有單調(diào)的折射率分布，從光纖中心降低到光纖的周邊，它可以是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的階躍折射率或者梯度折射率的光纖，具有最大的纖芯折射率n11和包層的折射率n12。環(huán)繞耦合區(qū)的介質(zhì)的折射率n30等于或小于n23。此外，根據(jù)本發(fā)明，n22大于n12，n12大于n23。
在一個(gè)特定的較佳排列中，第二光纖的內(nèi)包層的直徑在耦合區(qū)中小于第一光纖的包層的直徑。第二光纖的內(nèi)包層在端部區(qū)中的直徑也可以小于第一光纖包層在端部區(qū)中的直徑。最佳的情況是，第二光纖的外包層在端部區(qū)的直徑基本上等于第一光纖包層的直徑。兩個(gè)光纖的外徑可以等于標(biāo)準(zhǔn)電信光纖的外徑。此外，兩個(gè)光纖在其端部區(qū)中的纖芯直徑可以相互相等和等于標(biāo)準(zhǔn)電信光纖的纖芯直徑。這些特征便于連接到系統(tǒng)中的其它光纖上以及使系統(tǒng)中的損耗減至最小。最佳地，折射率n30是任何部分中最低的折射率。周圍介質(zhì)的折射率應(yīng)當(dāng)小于第一光纖包層的折射率。作為一種有用的第一近似，通過第一光纖的錐形耦合區(qū)的光能夠被看作是通過由第一光纖的變窄包層構(gòu)成的第一波導(dǎo)，起纖芯作用，由周圍的起波導(dǎo)包層作用的介質(zhì)所環(huán)繞。通過第二光纖的光能夠被看作是通過由第二光纖的內(nèi)包層構(gòu)成的第二波導(dǎo)，起纖芯作用，由光纖的窄外包層和周圍介質(zhì)材料構(gòu)成的復(fù)合“包層”所環(huán)繞。通常，在第二光纖外包層具有接近于周圍介質(zhì)折射率的折射率的地方，復(fù)合包層基本上具有與周圍介質(zhì)自身相同的特性。因此，光纖和周圍介質(zhì)的并列耦合區(qū)形成與不同纖芯直徑的波導(dǎo)的瞬逝耦合器。
根據(jù)本發(fā)明的濾光片可以通過使周圍介質(zhì)和光纖耦合區(qū)彎曲來調(diào)諧。在并排光纖的平面內(nèi)在一個(gè)方向上彎曲則工作波長升高，而在相反方向上彎曲則降低。
本發(fā)明的進(jìn)一步的方面是提供一種具有第一和第二光纖的外包層耦合器，每個(gè)所述光纖具有一對(duì)端部區(qū)和設(shè)置在所述端部區(qū)之間的錐形耦合區(qū)，所述耦合區(qū)相互相鄰并排地延伸。耦合器包括環(huán)繞耦合區(qū)的周圍介質(zhì)。第一和第二光纖在其端部區(qū)中最好具有相同的外徑。第一和第二光纖各自具有一個(gè)纖芯和一個(gè)或多個(gè)包層。每個(gè)光纖的包層具有單調(diào)下降的折射率分布。就是說，折射率或是保持為常數(shù)或是隨離開光纖中心的距離而減小，在包層中的任何位置上折射率不會(huì)隨離開光纖中心的距離而增大。各包層的折射率分布是互不相同的。最佳地，在第一光纖中包層的折射率分布具有較小的隨離開光纖中心距離的平均變化率，例如，由以上討論的第一光纖的單個(gè)包層提供的恒定(零斜率)折射率分布。第二光纖包層的折射率分布需要具有較大的隨離開光纖中心距離的平均變化率。較佳地，在與纖芯交界處第二光纖包層的折射率高于第一光纖包層在與其纖芯交界處的折射率。以上討論的第二光纖的多個(gè)包層滿足這些條件。
正如以下進(jìn)一步討論的，這種安排提供了由第二光纖形成的耦合區(qū)波導(dǎo)，其色散特性不同于第一光纖的耦合區(qū)所形成的波導(dǎo)。這些不同的色散特性在所需工作波長上相交。在工作波長上，對(duì)于兩個(gè)波導(dǎo)而言，β是接近相等的。在其它波長上，一個(gè)波導(dǎo)的β大大不同于另一個(gè)波導(dǎo)的β。正如下文中所討論的，兩個(gè)波導(dǎo)的不同的色散特性極大地增大了耦合器的選擇性，所以，只有在工作波長附近的窄通帶內(nèi)出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性耦合。較佳地，耦合長度是這樣選擇的，即耦合是在工作波長上處于或接近于局部最大。正如下文中討論的，這種結(jié)構(gòu)提供一種有效的窄帶波長選擇濾光片，它將有效地把工作波長上的光從一個(gè)光纖轉(zhuǎn)移到另一個(gè)光纖，以及它允許其它波長上的光在輸入光的同一光纖上通過該結(jié)構(gòu)。
附圖簡述

圖1是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的耦合器的截面圖。
圖2是沿圖1中線2-2的正視圖。
圖3是沿圖1中線3-3截取的截面圖。
圖4是表明各個(gè)部分的折射率圖。
圖5是表示基本模式有效折射率的變化與波導(dǎo)V參數(shù)的函數(shù)關(guān)系圖。
圖6是表示在圖1-4所示器件中有效折射率的變化與波長的關(guān)系圖。
圖7是耦合比與波長的關(guān)系圖，表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的器件的理論性能。
圖8是表示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的耦合器在卷繞彎曲條件下的性能的組圖。
圖9是在制造耦合器中使用的裝置的正視圖。
圖10-12示出進(jìn)一步附加的折射率分布。
圖13是在一個(gè)特定例子中使用的光纖的折射率分布。
圖14是上述例子中所用耦合器的耦合功率與波長的關(guān)系圖。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述根據(jù)圖1的實(shí)施例的耦合器包括第一光纖10，它具有第一端部區(qū)40、第二端部區(qū)42和設(shè)置在這些端部區(qū)之間的錐形耦合器44。光纖10是一般的階躍折射率的光纖，裝有折射率為n11的纖芯11和環(huán)繞纖芯的折射率為n12的包層12。在端部區(qū)40和42中，光纖具有未拉伸或未變形的滿直徑，纖芯和包層的外側(cè)直徑分別為d11和d12(見圖2)。在錐形耦合區(qū)44中，纖芯和包層被拉長或“拉伸”，因此直徑大大變小。在光纖10的耦合區(qū)中拉伸后的纖芯11’具有大大小于d11的最小直徑d’11(圖3)，而在耦合區(qū)中的包層12’具有大大小于d12的最小直徑d’12。
第二光纖20包括被內(nèi)包層22環(huán)繞的纖芯21，內(nèi)包層又被外包層23環(huán)繞。第二光纖20還包括第一端部區(qū)46、第二端部區(qū)48和設(shè)置在端部區(qū)46與48之間的錐形耦合器50。在端部區(qū)中，光纖20具有正常的未變形的直徑，纖芯、內(nèi)包層和外包層的外徑分別為d21、d22和d23。在耦合區(qū)50中，光纖又是具有減小的直徑。因此，纖芯21’具有大大小于端部區(qū)中纖芯直徑d21的直徑d’21。內(nèi)包層在在耦合區(qū)50中的最小直徑d’22大大小于內(nèi)包層在未變形的端部區(qū)的直徑d22，而外包層的最小直徑d’23同樣小于d23。在本公開文本中使用的術(shù)語“最大拉伸比”是指光纖部分在端部區(qū)中的正常的未變形的直徑與同一光纖部分在光纖的耦合區(qū)中的最小直徑之比。較佳地，光纖10和20的所有部分的最大拉伸比是相等的。因此d12/d’12＝d22/d’22＝最大拉伸比(1)最佳地，兩根光纖在端部區(qū)中的最外側(cè)直徑d23和d21是互相相等的并等于標(biāo)準(zhǔn)電信光纖的外徑。因此，第二光纖內(nèi)包層的端部區(qū)直徑d22小于第一光纖包層的端部區(qū)外徑d12。這里兩個(gè)光纖具有相同的最大拉伸比，在耦合區(qū)中維持這一關(guān)系，即d’22＜d’12。
光纖是并肩地設(shè)置的，所以耦合區(qū)44和50相互相鄰并肩地延伸。耦合區(qū)被諸如空氣、玻璃或其它材料的外層包層30所環(huán)繞。圖4示出各個(gè)部分的折射率。注意對(duì)于這一討論，假設(shè)光纖10和20具有階躍型折射率分布。第一光纖包層12的折射率n12小于第一光纖纖芯的折射率n11，但是大于外層包層30的折射率n30。光纖20具有階躍形的單調(diào)下降的折射率分布。因此，第二光纖纖芯的折射率n21大于內(nèi)包層的折射率n22，它又大于外包層的折射率n23。外包層折射率n23可以略大于或等于外層折射率n30。較佳地，兩個(gè)光纖和外層包層完全是由玻璃，如基于石英的玻璃制成的，采用傳統(tǒng)的添加劑改變各個(gè)部分的折射率。例如，纖芯11和21可由摻入鍺石(germania)的石英基的玻璃形成的。包層可以包括少量的鍺石，也可以包括氟或硼作為降低折射率的摻雜物。第一光纖的包層12較佳地是由純SiO2形成的。正如這里引作參考的第5011251號(hào)美國專利中所揭示的，B2O3和/或氟是降低用作外層包層的石英基玻璃的折射率的特別有用的摻雜物。正如以下將討論的，可以選擇各個(gè)部分的直徑和折射率以及拉伸比以提供所需性能。然而，對(duì)于試圖在約1200至1600nm波長范圍內(nèi)工作和試圖提供窄帶濾光作用的耦合器，典型參數(shù)如下d12和d23約等于125μm(較小的約80μm)；d11和d21約等于2μm至10μm；
d22約等于20μm至100μm；(n11-n12)/n11約等于0.3％至2.0％；(n21-n22)/n21約等于0.2％至2.0％；(n22-n23)/n22約等于0.1％至0.6％；(n23-n30)/n21約等于0至0.6％；如果折射率中有一個(gè)是已知的，那么便能夠確定其它的。從后面對(duì)13的討論，這應(yīng)當(dāng)是顯然的。
在第一光纖10的相對(duì)的端部，端部區(qū)40和42形成耦合器的第一和第二端口，而在第二光纖20的相對(duì)的端部，端部區(qū)46和48分別形成第三和第四端口。允許通過光纖一端處一個(gè)端口的光沿該光纖的纖芯傳送并進(jìn)入由這一光纖和外層包層構(gòu)成的耦合區(qū)波導(dǎo)。每一個(gè)這種波導(dǎo)包括光纖的包層和外層包層30。例如，允許通過第一端口40的的光通過纖芯11傳送到由耦合區(qū)44中纖芯11’、包層12’和外層包層構(gòu)成的耦合區(qū)波導(dǎo)。沿這一波導(dǎo)傳送的光能夠耦合到由耦合區(qū)44中纖芯21’、包層22’和23’和外層包層30構(gòu)成的第二波導(dǎo)，然后通過這一波導(dǎo)傳送到第二光纖的纖芯21并通過端口48出射。另一方面，允許通過第一端口40的光可以保留在第一耦合區(qū)波導(dǎo)中并返回到第一纖芯11和通過位于第一光纖相對(duì)端部上的第二端口42從耦合器中出射。光被耦合到第二光纖中的程度依賴于耦合區(qū)波導(dǎo)的特性。確定平行波導(dǎo)之間在周圍介質(zhì)中耦合程度的關(guān)系可以設(shè)定的，例如，Parriaux等人在下文中提出的，“用于多路復(fù)用的單模光纖之間的波長可選擇分布耦合”J.Optical Comun.2(1981)3，105-109。簡要地，耦合程度在很大程度上依賴于沿兩個(gè)波導(dǎo)傳播的光的傳播常數(shù)。根據(jù)下面的關(guān)系，兩個(gè)波導(dǎo)的傳播常數(shù)又與稱為“有效折射率”或neff的參數(shù)直接相關(guān)，β＝k0neff(2)式中，k0是光的自由空間傳播常數(shù)，等于2π/λ，neff是有效折射率。有效折射率又依賴于稱作為歸一化頻率或V的參數(shù)，這里V＝2πa/λ(ni2-n02)1/2(3)式中a是波導(dǎo)中纖芯的半徑；ni是波導(dǎo)中纖芯的折射率；λ是光的波長；和
n0是包層或環(huán)繞介質(zhì)的折射率。
對(duì)于諸如光纖10的的單個(gè)階躍折射率光纖，參考眾所周知的模式圖，能夠找到V與有效折射率之間的關(guān)系。一種這樣的模式圖出現(xiàn)在Keck光纖通信基礎(chǔ)中的光纖波導(dǎo)，第二版，Baronski，紐約，1981，p.18。利用眾所周知的技術(shù)(見A.W.Snyder和J.D.Love，光學(xué)波導(dǎo)理論，Chapman and Hall紐約，1983)能夠計(jì)算任何波導(dǎo)的傳播常數(shù)β。圖5以圖解方式示出光以基本模式(相對(duì)于單模光纖系統(tǒng)而言的重要模式)傳播的關(guān)系。有效折射率neff，對(duì)于V值小于1，近似等于包層的折射率n0，對(duì)于V值大于5，約等于纖芯的折射率ni。對(duì)于由第一光纖10的耦合區(qū)和外層包層30構(gòu)成的第一波導(dǎo)12’，ni約為n12，包層12的折射率，這里，n0是n30，外層包層的折射率。對(duì)于由第二光纖的耦合區(qū)形成的第二波導(dǎo)22’，ni約為n22，n0約為n30。因此，neff的變化范圍第二波導(dǎo)22’比第一波導(dǎo)12’更寬。此外，由于波導(dǎo)22’的直徑小于波導(dǎo)12’的直徑，因此，在方程式(3)中a的值波導(dǎo)22’的比波導(dǎo)12’更低。這些差值的凈效應(yīng)是，對(duì)于波導(dǎo)22’與對(duì)于波導(dǎo)12’，從約小于1至約大于5的范圍內(nèi)V值的變化是在不同波長范圍上出現(xiàn)的。正如圖6所示的，neff和β的曲線因此在特定的波長λ0上相互交叉。對(duì)于任何給定的參數(shù)組合，如各波長的直徑和折射率，通過在每個(gè)波導(dǎo)的λ的范圍上計(jì)算V，能夠確定λ0，從而利用上述的計(jì)算技術(shù)可確定每個(gè)波導(dǎo)在每個(gè)λ上的neff值和繪出每個(gè)波導(dǎo)的neff與λ的曲線，找出交叉點(diǎn)。對(duì)于參數(shù)的不同組合可以交替地重復(fù)這一過程直至找到合適的λ0值。
在明顯不同于λ0的λ值上，基本上沒有光從波導(dǎo)12耦合到第二波導(dǎo)22，通過第一端口40穿過光纖12的所有的光基本上通過端口42出射。對(duì)于在λ0附近的λ值，耦合器的作用可以由上述的’251專利和上述的A.W.Snyder和J.D.Love的論文中所闡明的耦合模式理論來描述。按照這一理論，假設(shè)外層包層耦合器的模場是波導(dǎo)12’和22’在不存在其它波導(dǎo)時(shí)各個(gè)基本模式ψ1和ψ2的線性組合，即波導(dǎo)僅被折射率為n30的外包層所環(huán)繞。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)能夠準(zhǔn)確地確定模場和傳播常數(shù)。(M.J.Adams，光學(xué)波導(dǎo)導(dǎo)論)。
那么，描述兩個(gè)波導(dǎo)之間的光學(xué)耦合的耦合常數(shù)C可以寫成疊加積分C＝∫ψ1(r)ψ2(r′)(n-n′)dA(4)在這個(gè)方程式中，ψ1和ψ2是兩個(gè)波導(dǎo)的模場(每一個(gè)是用外包層替代另一個(gè)波導(dǎo)計(jì)算的)，r和r’分別為從波導(dǎo)纖芯的中心起的半徑距離，n和整個(gè)耦合器的折射率結(jié)構(gòu)，n’是用折射率為n30的外包層材料代替波導(dǎo)22的折射率結(jié)構(gòu)，積分是在耦合器的整個(gè)截面上(但是，n-n’僅是波導(dǎo)12’上的非零)。假設(shè)模場在這個(gè)方程式中被歸一化，即積分∫ψ12dA和∫ψ22dA都等于1。
雖然這些器件是錐形器件，但可以通過假設(shè)恒定的拉伸比，等于在給定耦合長度z(在這一長度之外沒有耦合)上的最大拉伸比，對(duì)它們的特性作大致模型化。這一近似工作很好做，因?yàn)轳詈铣?shù)是隨拉伸比迅速增大的函數(shù)，因此，耦合器的特性以在最高拉伸比上的特性為主。利用這一近似，通過第一與第二光纖之間的第一端口40進(jìn)入的功率分布由下式給出P10＝1-F2sin2(Cz/F)(5)和P20＝F2sin2(Cz/F) (6)式中，因子F由下式給出F＝[1+(β12’-β22’)/2C)2]1/2(7)在以上的方程式中，β12’和β22’分別是波導(dǎo)12’和22’的傳播常數(shù)。P10是在端口40輸入到第一光纖10的功率中仍保留在光纖10中并通過端口42出射的部分。P20是在端口40輸入的功率中被轉(zhuǎn)移到光纖20并通過端口48出射的部分。較佳地，耦合長度是這樣選擇的，即P20在工作波長λ0上處于最大值，這里，β12’＝β22’?？梢詫?duì)錐形耦合器進(jìn)行數(shù)值模型化，以提供對(duì)其工作的更全面描述。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)窄帶濾光耦合器的典型數(shù)值計(jì)算響應(yīng)曲線。在λ0上，在本情況中約為1550nm，P20大致為1.0或100％，即進(jìn)入端口40的光幾乎全部被轉(zhuǎn)移到第二光纖并通過過端口48而出射。在不同于λ0的波長處，端口48的輸出迅速下降。因此，耦合器僅在中心位于λ0的窄通帶內(nèi)使波長通過達(dá)到端口48，其它波長傳送到端口42。高的波長振蕩(在長于λ0的波長上)來自由模型化器件的錐度造成的λ0的變化。
在并排耦合區(qū)的平面內(nèi)，通過使由耦合器區(qū)限定的外包層和波導(dǎo)橫向彎曲，能夠改變耦合器的特性。因此，如圖1所示，耦合器能夠在對(duì)應(yīng)于圖面的平面內(nèi)被彎曲到位置32或者到位置34。在相反方向上的彎曲使通帶在相反方向上位移。因此，在向著位置34的方向上彎曲，在圖8中以正彎曲半徑表示，使器件的峰值耦合波長，并因此將光耦合到第二光纖的通帶位移到較短的波長。在相反方向上彎曲，在圖8中以負(fù)彎曲半徑表示，使光耦合到第二光纖的通帶向更長波長位移。因此，耦合器是可調(diào)諧的。通過這里引作參考的第4,799,949、5,011,251和5,295,211號(hào)美國專利中所揭示的工藝過程能夠制備根據(jù)上述實(shí)施例的器件。較佳地，器件是通過將第一光纖10和第二光纖20(去除任何聚合物涂層)插入到外包層玻璃管219的孔218中，形成一個(gè)耦合器預(yù)制件231(圖9)。在每一端處孔可用漏斗狀物(未示出)來制備，以有助于光纖的插入。預(yù)制件231通過環(huán)形燃燒器234插入和夾緊在拉伸卡盤232和233上，它們被安裝在電機(jī)控制臺(tái)245和246上。光纖穿過真空附件141和141’，然后它們使預(yù)制件131的端部密封。典型的真空附件在上述第5011251號(hào)美國專利中揭示。通過管道242給管子241提供真空。一段薄橡膠配管243的一端被附著到真空附件241的與預(yù)制件231相對(duì)的那一端；橡膠配管的剩余一端在管子夾緊裝置(未示出)內(nèi)延伸。上部真空附件241’同樣與一條管道242’、管子243’和管子夾緊裝置相連。一部分光纖從管子243和243’延伸。當(dāng)按照箭頭244、244’所表示的，針對(duì)配管243和243’施加空氣壓力時(shí)，針對(duì)通過管道242和242’抽真空的外包層管的孔延伸的光纖而夾緊配管。
在將預(yù)制件固定到卡盤232和233上以及對(duì)管子的孔抽真空后，靠近一端對(duì)管子進(jìn)行加熱，引起中間區(qū)域坍塌到光纖上。
然后，通過對(duì)管子的一個(gè)區(qū)域加熱和在相反的方向上移動(dòng)計(jì)算機(jī)控制臺(tái)245和246，對(duì)加熱區(qū)進(jìn)行拉伸，可形成耦合器。在對(duì)加熱區(qū)進(jìn)行拉伸時(shí)，設(shè)置在加熱區(qū)中的這部分光纖與外包層管一起拉伸由此形成耦合區(qū)44和50(圖1)。管子拉伸操作可以按照第5011251號(hào)美國專利進(jìn)行。
在對(duì)管子進(jìn)行拉伸形成耦合器時(shí)，光學(xué)功率能夠被耦合到輸入光纖，可以監(jiān)測輸出信號(hào)以控制耦合器制造過程中的工藝步驟。另一方面，在這一臺(tái)中能夠利用試驗(yàn)拉伸距離制造試驗(yàn)器件，通過測量能夠確定最佳拉伸距離。在有關(guān)外包層光纖耦合器的先前經(jīng)驗(yàn)中，在形成每耦合器期間兩個(gè)臺(tái)的總拉伸距離通常在10至30mm之間。
由于兩個(gè)光纖具有等于標(biāo)準(zhǔn)光纖的外側(cè)直徑和芯直徑的端部區(qū)，因此，耦合器能夠被方便地連接到標(biāo)準(zhǔn)光纖系統(tǒng)中。盡管圖1中示出的耦合器在連接光纖的條件下總共有四個(gè)端口40、42、46和48，但是，許多應(yīng)用只需要三個(gè)端口，一個(gè)端口是不使用的。為了使來自不使用端口的反射減至最小，可以給不使用端口提供低反射比端面，如第4979972號(hào)美國專利中所述的。簡單地說，對(duì)不使用光纖端進(jìn)行加熱和拉斷它，然后進(jìn)一步加熱，引起玻璃在其端面形成碗形的棒，其直徑等于或略小于原始外徑。
下面的具體例子描述一種根據(jù)本發(fā)明制造光纖耦合器的方法。
耦合器的光纖可以由這里引作參考的第4486212和5295211號(hào)美國專利中所揭示的過程制造。光纖的外徑為125微米，并涂覆有尿烷丙烯酸。
圖10是單模電信光纖的階躍折射率，具有摻有8.5重量％GeO2的SiO2的纖芯和SiO2包層。
圖13示出光纖20的折射率分布。光纖20是三層光纖，具有摻有18重量％GeO2的SiO2的纖芯21、摻有約3重量％GeO2的SiO2內(nèi)包層22和摻有約1重量％氟的SiO2包層。兩個(gè)光纖的尺寸和折射率關(guān)系如下d12和d23約等于125μm；d11約等于8.3μm；d21約等于10μm；d22約等于31μm；(n11-n12)/n11約等于0.36％；(n21-n22)/n21約等于0.75％；(n22-n23)/n22約等于0.45％；(n23-n30)/n23約等于0.05％；(n22-n12)/n12約等于0.19％；光纖10的純SiO2包層的折射率n12約為1.458。
玻璃毛細(xì)管30的長為3.8cm，外徑為2.8cm。孔是金剛石形的，金剛石的每一側(cè)的長度約為310微米。毛細(xì)管是由摻有8.0重量％B2O3的石英制成的。在毛細(xì)管的每個(gè)端部形成一個(gè)斗(未示出)，以便于光纖插入過程。
從一個(gè)光纖的中央?yún)^(qū)上去除一段長約2.8cm的涂層，形成一個(gè)“中心剝離”的光纖。從另一個(gè)光纖的端部去除一段長約6cm的涂層，形成一個(gè)“端部剝離”的光纖。在拉動(dòng)并切斷光纖的端部，形成錐形端時(shí)，通過將火焰對(duì)準(zhǔn)在剝離區(qū)的中心上，在端部剝離光纖的端部上形成抗反射端面。由燃燒器的火焰對(duì)光纖的末端進(jìn)行加熱，引起玻璃收縮和形成圓形端面。最終產(chǎn)生的玻璃端部區(qū)長約3.2cm。
中心剝離的光纖穿過孔直至沒有涂層的部分設(shè)置在管子兩端的中間為止。將端部剝離的光纖穿過孔直至其有涂層的部分設(shè)置斗中為止。
以上述的方式在圖9所示的裝置將產(chǎn)生的耦合器預(yù)制件231形成為耦合器。在管子拉伸過程期間，在相反的方向上移動(dòng)卡盤232和232’，與毛細(xì)管的原始長度相比，耦合器的長度總共增加3cm。
耦合器冷卻后，從耦合器上移開真空管道，將一滴粘合劑施加到毛細(xì)管的每個(gè)端部并通過暴露于紫外光使之固化。然后從拉伸裝置上卸下耦合器。
圖14示出按照這個(gè)例子形成的耦合器的耦合功率與波長的曲線圖。
只要不偏離本發(fā)明，可以利用以上討論的特征的眾多的改變和組合。例如，第二光纖可以有兩個(gè)以上的包層，第一光纖可以有一個(gè)以上的包層。此外，盡管在以上討論的前述實(shí)施例中所采用的光纖是階躍折射率的光纖，但是，本發(fā)明也能夠被運(yùn)用到梯度折射率的光纖上。因此，光纖纖芯的折射率可以隨離開纖芯中心的距離的增大而逐步減小。圖10示出具有梯度折射率纖芯的三層光纖，圖11示出具有梯度折射率纖芯的兩層纖芯。圖11的折射率分布示出了一種在1550nm處呈現(xiàn)零色散的典型的市場上有供應(yīng)的色散偏移光纖。光纖的纖芯包括一個(gè)中心纖芯區(qū)20，它通過降低折射率的區(qū)域22與外側(cè)的環(huán)21分開。纖芯的中心三角區(qū)C的直徑約為7.20微米，纖芯的環(huán)R的內(nèi)徑約為10.08微米，環(huán)R的外徑(因此和光纖纖芯直徑)約為12.94微米。區(qū)域C和R峰值折射率值(表示為Δp)分別約為0.9％和0.3％。項(xiàng)Δp是纖芯的折射率相對(duì)于包層的折射率，由下式給出Δp＝(n12-n22)/2n12。
光纖中除纖芯以外的部分可以具有梯度變化的折射率分布。在圖12中，內(nèi)包層的折射率分布是梯度變化的。
此外，本發(fā)明能夠被應(yīng)用于“M×N”耦合器，這里M是1或者以上，N是2或者以上。光同時(shí)被耦合在一個(gè)或多個(gè)輸入光纖與兩個(gè)或多個(gè)輸出光纖之間，或者從幾個(gè)輸入光纖同時(shí)耦合到一個(gè)或多個(gè)輸出光纖。如上所述，例如，在第5,351,325號(hào)美國專利中，這種耦合器可以包括環(huán)繞單個(gè)中心光纖的多個(gè)周邊光纖。一個(gè)或多個(gè)周邊光纖，或者中心光纖可以是多層光纖，以致于周邊光纖限定不同于光纖纖芯的折射率分布?？梢园寻凑毡景l(fā)明的耦合器裝入到諸如馬赫-倫德爾干涉儀的干涉儀裝置中。馬赫-倫德爾干涉儀裝有兩個(gè)通過多個(gè)光路徑連接起來的耦合器，這些光路徑具有不同的光程長度，即不同傳播常數(shù)、不同物理長度或者二者的光纖。進(jìn)入一個(gè)耦合器的光在路徑之間被分束，在另一個(gè)耦合器上重新合并。如上所述，例如，在第5295205號(hào)美國專利中，可以利用單根綜合玻璃管形成兩個(gè)空間上分開的錐形外包層耦合器的外包層以及還形成把連接耦合器的光纖包括在內(nèi)的外殼，制備馬赫-倫德爾干涉儀。
權(quán)利要求
1.一種光纖耦合器，包括至少第一和第二光纖，其特征在于(a)所述第一光纖具有最大折射率n11的第一纖芯和環(huán)繞所述纖芯的折射率為n12的第一光纖包層，所述第一光纖具有端部區(qū)和設(shè)置在所述端部區(qū)之間的錐形耦合區(qū)，(b)所述第二光纖具有最大折射率n21的第二纖芯、環(huán)繞所述第二纖芯的折射率為n22的內(nèi)包層和環(huán)繞所述內(nèi)包層的折射率為n23的外包層，所述第二光纖具有端部區(qū)和設(shè)置在所述端部區(qū)之間的錐形耦合區(qū)，所述第一和第二光纖的所述耦合區(qū)相互并肩地相鄰延伸，以及(c)環(huán)繞所述光纖的所述耦合區(qū)的折射率為n30的介質(zhì)，這里n21＞n22＞n23；n23≥n30；和n22＞n12＞n23。
2.如權(quán)利要求1所述的耦合器，其特征在于在所述介質(zhì)中所述第一光纖的所述錐形耦合區(qū)限定一個(gè)第一耦合區(qū)波導(dǎo)，在所述介質(zhì)中所述第二光纖的所述錐形耦合區(qū)限定一個(gè)第二耦合區(qū)波導(dǎo)；所述第一耦合區(qū)波導(dǎo)的色散特性決定的通過第一耦合區(qū)波導(dǎo)的光的傳播常數(shù)β12’與波長λ的關(guān)系不同于所述第二耦合區(qū)波導(dǎo)的色散特性決定的通過第二耦合區(qū)波導(dǎo)的光的傳播常數(shù)β22’與波長λ的關(guān)系。
3.如權(quán)利要求2所述的耦合器，其特征在于所述耦合區(qū)波導(dǎo)的色散特性是這樣選擇的，即只有在工作波長λ0下，β12’＝β22’。
4.如權(quán)利要求3所述的耦合器，其特征在于所述耦合區(qū)波導(dǎo)的色散特性是這樣選擇的，即對(duì)于λ＜λ0，β12’＞β22’；和對(duì)于λ＞λ0，β12’＜β22’。
5.如權(quán)利要求1所述的耦合器，其特征在于在所述第二光纖耦合區(qū)中所述第二光纖內(nèi)包層的直徑為d22’，在所述第一光纖耦合區(qū)中所述第一光纖包層的直徑為d12’，這里d22’＜d12’。
6.如權(quán)利要求1所述的耦合器，其特征在于所述第一光纖的所述包層在其端部區(qū)中的端部區(qū)直徑為d12，所述第二光纖的所述外包層在其端部區(qū)中的端部區(qū)直徑為d23，這里d12基本上等于d23。
7.如權(quán)利要求6所述的耦合器，其特征在于所述第一光纖的所述錐形耦合區(qū)和所述端部區(qū)具有第一拉伸比，所述第二光纖的所述錐形耦合區(qū)和所述端部區(qū)的拉伸比等于所述第一拉伸比。
8.如權(quán)利要求6所述的耦合器，其特征在于所述第一纖芯在其端部區(qū)中的端部區(qū)直徑為d11，所述第二光纖的纖芯在所述第二光纖的端部區(qū)中的端部區(qū)直徑為d21，這里d11基本上等于d21。
9.如權(quán)利要求8所述的耦合器，其特征在于n11基本上等于n21。
10.如權(quán)利要求1所述的耦合器，其特征在于n23＞n30。
11.如權(quán)利要求1所述的耦合器，其特征在于折射率為n30的所述環(huán)繞介質(zhì)為玻璃。
12.如權(quán)利要求1所述的耦合器，其特征在于折射率為n30的所述環(huán)繞介質(zhì)為空氣。
13.如權(quán)利要求1所述的耦合器，其特征在于進(jìn)一步包括使所述第一和第二光纖彎曲的裝置。
14.如權(quán)利要求1所述的耦合器，其特征在于所述第一和第二光纖至少包括N根光纖，這里N＞2，所述光纖中至少有一個(gè)具有所述第二光纖的折射率特性。
15.如權(quán)利要求14所述的耦合器，其特征在于所述耦合器包括多根環(huán)繞一根光纖的光纖。
16.如權(quán)利要求1所述的耦合器，其特征在于所述第一和第二光纖具有兩個(gè)錐形耦合區(qū)，由此所述耦合器起干涉儀的作用。
17.一種具有至少第一和第二光纖的外包層耦合器，每個(gè)所述光纖具有一對(duì)端部區(qū)和設(shè)置在所述端部區(qū)之間的至少一個(gè)錐形耦合區(qū)，所述耦合區(qū)相互并肩地相鄰延伸，所述耦合器進(jìn)一步包括環(huán)繞所述耦合區(qū)的外包層，所述第一和第二光纖在所述端部區(qū)中具有相同的外徑，所述第一和第二光纖各有一個(gè)纖芯和一個(gè)或多個(gè)包層，每個(gè)所述光纖的所述一個(gè)或多個(gè)包層具有單調(diào)下降的折射率分布，所述包層的所述折射率分布是互不相同的，光纖的所述錐形耦合區(qū)形成第一和第二波導(dǎo)，第一波導(dǎo)的色散特性決定的穿過第一波導(dǎo)的光的傳播常數(shù)β12’與波長λ的關(guān)系不同于所述第二波導(dǎo)的色散特性決定的傳播常數(shù)β22’與波長λ的關(guān)系，所述波導(dǎo)的色散特性是這樣選擇的，即只有在工作波長λ0下，β12’＝β22’。
18.如權(quán)利要求17所述的耦合器，其特征在于在所述端部區(qū)中，所述第一和第二光纖的纖芯具有基本相同的直徑。
19.如權(quán)利要求17所述的耦合器，其特征在于所述的色散特性是這樣選擇的，即對(duì)于λ＜λ0，β12’＞β22’；和對(duì)于λ＞λ0，β12’＜β22’。
全文摘要
一種錐形光纖耦合器,包括具有纖芯(11)和包層(12)的第一光纖和具有纖芯(21)、內(nèi)包層(22)和外包層(23)的第二光纖。在器件的拉伸的耦合區(qū)中,光纖的耦合區(qū)(44、50)形成在預(yù)選的工作波長上色散曲線相互交叉的耦合區(qū)波導(dǎo)。每根光纖的一個(gè)或多個(gè)包層具有單調(diào)下降的折射率分布,包層(12、22、23)的折射率分布是互不相同的。光從一根光纖到另一根光纖的耦合僅出現(xiàn)在圍繞工作波長的窄帶波長內(nèi)。光纖的外徑和纖芯直徑可以相互相等并等于標(biāo)準(zhǔn)光纖的直徑。因此,在光學(xué)系統(tǒng)中能夠方便地將這種器件連接起來。
文檔編號(hào)G02B6/26GK1242080SQ97181068
公開日2000年1月19日 申請(qǐng)日期1997年12月8日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月8日
發(fā)明者W·J·米勒, D·L·魏德曼 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司