专利名称：光衰减器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光衰减器，更准确地说，涉及一种应用在光通讯、光测量、CATV系统等领域的一定程度地衰减光信号的光衰减器。
背景技术：
迄今，人们已经广泛地知道一种包括含有一定光衰减掺杂剂组分的光纤的光衰减器。
但是，由于包含在该光衰减器内的掺杂剂组分具有衰减值根据光信号的波长而变化的传输光衰减特性，即具有波长依赖性，所以已经知道一种光衰减器，为了在输入两种不同波长例如1.3μm(短波)和1.5μm(长波)的光信号时得到几乎相等的衰减，其通过调整光纤的模式场(a mode field)直径和相对于模式场直径限制掺杂剂区域得到几乎相等的衰减，从而减小了波长依赖性(日本专利公开号平8-136736，平8-136737)。
随着最近光通讯的发展，要求实现一种用来获得相同光衰减的(消除波长依赖性)的光衰减器，即使是在例如1300±50nm或1550±50 nm这样的窄的波长范围内，或者实现一种当输入两种不同波长1.3μm(短波)和1.5μm(长波)的光信号时其光衰减的波长依赖性甚至按相反增加的光衰减器。
但是，尽管因为其允许在输入两种分开的不同的波长1.3μm(短波)和1.5μm(长波)的光信号时得到几乎相等的光衰减而使日本专利公开号平8-136736和平8-136737所披露的光衰减器是有效的，但它们还存在不可能仅通过限制掺杂剂区域或在波长差值小时调整模式场的直径来获得相等光衰减的问题(波长依赖性较大)。
同时，在日本专利公开平8-136736中披露的光衰减器中，当输入短和长的两种不同波长的光信号时，理论上可以实现光衰减对波长依赖性的更大增加，它是通过在光信号的波长短时更多地包含衰减光信号的掺杂剂，使得从光纤的横截面上来看模式场时表现出在靠近轴芯的部分是高浓度的，或通过当光信号的波长较长时包含更多地衰减光信号的掺杂剂，使得从光纤的横截面上来看模式场时表现出在靠近外围部分是高浓度的方式实现的。
通过反向组合模式场直径的波长特性和掺杂剂组分的波长特性，从理论上也可以实现日本专利公开平8-136737中公开的特性。
但是，尽管通过提高掺杂剂的浓度和把掺杂剂区域限制在相对于模式场直径较窄的范围内可使短波长和长波长间的差值变大，但由于限制了可以包含在光纤中的掺杂剂组分的掺杂浓度而存在一难题，故当浓度过高时不能产生特性稳定的产品作为光纤且技术上不能产生掺杂剂区域非常窄的光纤。
本发明是着眼于这些难题而设计的，且其目的是；首先，提供一种可以均衡具有非常接近的不同波长的光信号的光衰减的光衰减器；其次是提供一种光衰减器能够在某种状态下最大化具有不同波长的光信号的光衰减的差值，该状态下光纤的每一特性是稳定的且掺杂剂浓度和掺杂区域可以通过设置光衰减器来实现，该光衰减器的掺杂范围可以在抑制掺杂剂浓度相对低的时候获得。
发明的公开为了达到上述目的，将本发明的光衰减器构造成在单模光纤的纤芯的中心部分的折射率和该纤芯的外围部分相比是增加的。
在这种情况下，提高由模式场直径的规格引起的传输光衰减的波长依赖性，是通过掺杂选自包含梯度折射率型(从外围部分到中心部分折射率连续增高)、抛物线线、三角波形、方波形和梯形波形组中的一种作为纤芯折射率的分布。
通过构造上述的光衰减器，可以拓宽掺杂剂区域的极限宽度以尽可能多地得到所需要的衰减特性且最大限度地抑制浓度的降低。
本发明的光衰减器包含在单模光纤中波长较长时衰减传输光更多的掺杂剂，且构造成掺杂剂区域被限定在纤芯的中心部分，以致纤芯的中心部分的折射率和纤芯的外围部分相比是增加的。
在这种情况下，由模式场直径的规格引起的传输光衰减的波长依赖性，通过采用选自包含梯度折射率型、抛物线形、三角波形、方波形和梯形波形组中的一种作为掺杂剂区域折射率的分布是增加的。
通过构造上述的光衰减器，当输入两种具有不同短波且其差值小(1300nm±50nm)的波长的光信号时，可以得到相等的衰减。
本发明的光衰减器包含在单模光纤中波长较短时衰减传输光更多的掺杂剂，且构造成掺杂剂区域被限定在纤芯的外围部分以致于纤芯的不含有掺杂剂的中心部分的折射率和纤芯的外围相比是提高的。
在这种情况下，由模式场直径的规格引起的传输光衰减的波长依赖性，通过采用选自包含梯度折射率型、抛物线形、三角波形、方波形和梯形波形组中的一种作为不包含掺杂剂的纤芯的中心部分的折射率的分布是增加的。
通过构造上述的光衰减器，当输入两种具有不同长波且其差值小(1550nm±50nm)的波长的光信号时，可以得到相等的衰减。
本发明的光衰减器包含在单模光纤中波长较短时衰减传输光更多的掺杂剂，且构造成掺杂剂区域被限定在纤芯的中心部分以致于不含有掺杂剂的纤芯中心部分的折射率的和纤芯的外围部分相比是提高的。
在这种情况下，由模式场直径的规格引起的传输光衰减的波长依赖性；通过采用选自包含梯度折射率型、抛物线形、三角波形、方波形和梯形波形组中的一种作为不包含掺杂剂的纤芯的中心部分的折射率的分布是增加的。
通过构造上述的光衰减器，可以得到具有两种不同波长的光信号，其由波长的差值引起的传输光衰减的差值是最大的。
本发明的光衰减器包含在单模光纤中波长较长时衰减传输光更多的掺杂剂，且构造成掺杂剂区域被限定在纤芯的外围部分以致于采用梯度折射率型作为掺杂剂区域的折射率，以增加由模式场直径的规格引起的传输光衰减的波长依赖性。
本发明的光衰减器构造成纤芯的中心部分的折射率，通过包含其传输光衰减特性依赖光纤中光信号波长的掺杂剂，同纤芯外围部分的折射率相比是增加的，以致单模光纤的掺杂剂区域的掺杂剂浓度，从实质上对光信号沿光纤横截面径向方向传输起作用的模式场看是不均匀分布的。
在这种情况下，由模式场直径的规格引起的传输光衰减的波长依赖性，通过采用选自包含梯度折射率型、抛物线形、三角波形、方波形和梯形波形组中的一种作为掺杂剂区域的折射率的分布是增加的。
通过构造上述的光衰减器，即使在掺杂剂区域和掺杂剂浓度被压低，也可以得到要求的衰减特性。
附图简述
图1示出了本发明光衰减器的一个实施例的结构图，其中图的上半部分示出了该光衰减器的一个端面，而下半部分示出了从其侧面看的折射率分布。
图2示出了将本发明的光衰减器设置在环圈(ferrule)的中心的使用状态图。
图3a和图3b为表示波长和用各种掺杂剂作为变量的损耗之间的关系图。
图4为表示本发明的光衰减器内光信号的能量(power)分布曲线。
图5为表示折射率差之比Δ1/Δ2和在1.5μm和1.6μm处的损耗差之间关系的曲线图，其中Δ1是在纤芯的轴心周围的最大的折射率和本发明的光衰减器中包层部分周围的折射率差，而Δ2是纤芯外围周围的最大折射率和包层部分的折射率之差。
图6是表示当将钴(Co)掺入到本发明的光衰减器的纤芯的中心部分时的关于波长的衰减曲线图。
图7表示本发明光衰减器的另一实施例的结构，其中图的上半部分示出了该光衰减器的一个端面，而下半部分示出了从其侧面看的折射率分布。
图8为表示当将钐(Sm)掺入整个纤芯和将钐(Sm)仅掺入轴芯的关于波长的衰减曲线图。
图9为表示当将钴(Co)掺入整个纤芯和将钴(Co)仅掺入纤芯外围的关于波长的衰减曲线图。
标号简述5、5′单模光纤6、6′纤芯6a、6a′ 纤芯的中心部分(中心纤芯)(靠近中心区域轴芯的部分)6b、6b′ 纤芯的外围(外纤芯)(靠近纤芯的外围的部分)7、7′掺杂剂区域7、7′模式场实施本发明的最好方式下面将结合附图描述本发明光衰减器的优选实施例。
图1是本发明光衰减器结构的剖面图，其中图的上半部分示出了该光衰减器的一个端面而下半部分示出了从其侧面看的折射率的分布。光纤5按例如图2所示的方法设置在环圈2的中间。即，用来从其一端接收一光信号且在该光信号衰减一定程度以后从另一端输出。衰减光信号的掺杂剂是掺杂在光纤5中到那一端。
这里，梯度折射率型(其折射率从外围部分向中心部分连续增加)适用于作为接近本发明的光衰减器的纤芯6的轴心纤芯(中心纤芯)部分6a处的折射率分布，且高浓度的掺杂剂被掺杂在区域7中。掺杂剂区域7是图中的阴影部分。
因为在单模光纤中纤芯的直径2a2是非常小的，所以光信号的能量的传播集中在纤芯6上，同时在实际上甚至溢流到纤芯6的外围包层部分8中。包含大部分能量的范围是模式场9部分，它实质上对光信号的传输起作用并通过利用公式1由以后解释的方法可以被定性地得到。要注意的是即使在阶跃折射率类型光纤或梯度折射率型光纤中也是相同的。在图1所示的光纤5中，模式场9的直径被表示为2ω，掺杂剂区域7的直径为2a1而纤芯6的直径为2a2。纤芯6的轴芯周围的最大折射率和包层部分8的折射率间的差值为Δ2，且纤芯6的外围部分6b(外纤芯)的最大折射率和包层部分8的折射率间的差值为Δ1。
这里将解释包含在用于衰减光信号的光纤5中的掺杂剂。图3a和图3b为表示各种掺杂剂的波长和损耗之间关系的曲线图。该曲线的水平轴表示以纳米(nm)为单位的波长而垂直轴表示光衰减，单位为dB/km。过渡金属或稀土金属掺杂剂通常用于通讯光纤。它们可以分别混合一种、两种或更多种来使用。在图3a中，(1)表示锰Mn、(2)表示镍Ni、(3)表示铬Cr、(4)表示钒v、(5)表示钴Co、(6)表示铁Fe、(7)表示铜Cu的特性。在图3b中，(8)表示钐Sm、(9)表示铥Tm的特性。
本发明光衰减器的第一实施例使用了当光信号的波长较长时衰减更多传输光的掺杂剂。可以从图3a中看出，当该光衰减器中使用的波长例如在1.5μm到1.6μm范围时，钴Co适合作掺杂剂。
图4示出了钴Co用作掺杂剂且该掺杂剂包含在图1所示的区域内时的光信号能量分布。图4中的垂直轴表示输出能量且水平轴表示光纤在径向方向上的位置。图4中的K1表示当1.5μm波长的光信号经过光纤传输时，能量沿径向的分布。曲线K2表示1.6μm的光信号的能量分布。
表1示出了对应于每种光纤中相应的波长为λ1和λ2的模式场直径(随后称作“MFD”)的差值，当相应的波长λ1＝1.50μm和λ2＝1.60μm输入具有图4所示本发明光衰减器第一实施例结构的光纤且输入通常的阶跃折射率型光纤时。
表1
这表示由波长不同引起本发明光纤的MFD差较大(波长依赖性较大)。
于是，当钴Co富集包含在纤芯的轴芯部分时，光信号的波长越长，则从整个信号能量来看由衰减引起的部分的比率变得越小。
这就意味着将取消掺杂剂组分的光衰减的波长依赖性。
其结果是，波长差小的短波长的和长波长的光信号在这一衰减器中作为一整体以相同的程度衰减。
在传统的阶跃折射率型光纤情况下，掺杂剂的浓度已变高且其已产生严重的生产问题，这是因为当其被设计来表示同上述第一实施例相同程度的衰减时，由于MFD光衰减的波长依赖性小而导致了钴Co掺杂剂的区域必定变窄的缘故。
参照公式1示出一具体实例如下。公式1表示用于计算光纤的衰减α和模式场直径ω的方法。
表达式1 如公式1所示，从沿径向的光信号能量分布P(r)和钴Co作为掺杂剂的浓度分布中，可以得出光纤中的光信号衰减α。可以从公式(2)中得到模式场直径ω。
采用梯度折射率型作为含钴Co的分布的区域和纤芯直径之比(a1/a2)，当其太大或太小时接近阶跃折射率型，且模式场直径ω的波长依赖性接近于阶跃折射率型。当比(a1/a2)小时，尽管衰减α的波长依赖性因为钴Co的掺杂剂区域变小而变小，即使当模式场直径ω小的时候，却已存在如钴Co的掺杂量增加和处理步骤增加的问题。这里示出了使用a1/a2＝0.5的结果。
图5是由水平轴表示的折射率差之比Δ1/Δ2和由垂直轴表示的当在1.55μm下的衰减是10dB时的1.50μm和1.60μm下的损耗(衰减)差的曲线图。可从图5中看出，比值Δ1/Δ2越大，则在1.50μm和1.60μm下的衰减的差值越宽，掺杂剂组分的衰减的波长依赖性可以通过这一值消去。
应当指出，表2表示了如图5所示的波长依赖性小的Δ1/Δ2＝0.75的光纤的结构特性。因为它表示实用的考虑了弯曲损耗等的光纤结构，所以Δ1/Δ2不是0.35。
图6是表示相对于表2内的光纤的波长衰减曲线。由于光衰减器的纤芯的中心部分掺杂了钴Co并由于采用了梯度折射率型的分布，所以波长依赖性变小。
表2
本样品设置成钴Co浓度的整个分布在包含钴Co的范围内变成固定。光纤的衰减已设置成10dB/m。其结果是，Δ1/Δ2＝0.35，且在a1/a2＝0.5时消除了波长依赖性。可以通过在a1/a2变大时增加Δ1/Δ2和在a1/a2变小时减小Δ1/Δ2来得到与波长无关的光衰减器。
在以上描述的第一实施例中，当光信号的波长较长时更多地衰减传输光的掺杂剂，已被用在接近于光纤5的纤芯6的轴芯的部分6a(中心纤芯)。同时，当光信号的波长较短时也可以通过改变掺杂剂掺合的区域来利用更多地衰减传输光的掺杂剂。例如，可以把(4)的钒V等引用到图3a的例子中。
图7表示当光信号的波长较短时利用更多地衰减传输光的掺杂剂的本发明光衰减器第二实施例。在该第二实施例中，含掺杂剂的区域7′，是在光信号的波长在纤芯6′的除了折射率分布设定为梯度折射率型的直径之外的部分6b(外纤芯)处较短时，由包含更多地衰减传输光的掺杂剂而产生的。在这种情况下，能量分布沿光纤5′径向延伸的光信号的波长越长，则受掺杂剂的影响就越大。
因此，可以通过增加基本上有助于单模光纤的光信号的传输的模式场9和9′的波长依赖性，通过控制折射率分布、通过关注光纤5和5′的纤芯6和6′的横向部分内而适当地选择掺杂剂浓度的分布、并通过使用依赖于光信号波长的传输光的衰减特性的掺杂剂，几乎可以均化本发明的光衰减器对于波长在一定范围内光信号的光衰减特性。注意到在以上描述的实施例中，尽管掺杂剂仅掺杂在纤芯6的轴芯部分6a或者纤芯6的外部6b中，但也可以采用合适的浓度分布。而且，对于所有波长的光信号没有必要获得一致的特性，且可以设定一包含区域以便获得对几个区域的光信号每一区域的一定的衰减。
第一和第二实施例对于要输入的两种不同波长的光信号具有小的波长差的在得到几乎相同的衰减方面有结构性影响。
下面将描述本发明的光衰减器的第三个实施例。
单模光纤纤芯的轴芯周围的折射率分布与上述的第一和第二实施例的相同。
不同的部分在于MFD的波长依赖性的增加是在波长短时通过掺杂衰减传输光的成分、如图3b中的(8)所示的通过掺杂钐，象掺杂在轴芯部分中的掺杂剂组分一样，并通过调节轴芯部分的折射率为梯度折射率型的部分处的直径与芯径的比进行的。
图8为表示当将钐Sm掺杂进整个纤芯和仅将钐Sm掺杂进轴芯中时的相对于波长衰减的曲线图。从图中可以看出，当仅将钐Sm掺杂进波长1530nm到1550nm之间的轴芯时衰减较大。
当输入两种具有不同波长的光信号时，波长越短，则光信号的衰减越大，不用比所要求的更多减小中心纤芯的直径，且不用通过上述构造来增加掺杂剂的浓度，便可得到一个大的衰减。
因此，这一结构在通过输入两种具有不同波长的光信号来增加这些光信号的衰减的差方面是非常有效的。
接下来将描述本发明光衰减器的第四实施例。
单模光纤纤芯的轴芯周围的折射率分布同上述第一和第二实施例的相同。
所不同的是MFD的波长依赖性的增加，是在其波长较长时通过在轴芯部分的折射率分布为缓变型的直径周围的纤芯部分上掺杂更多地衰减传输光的组分(如掺杂钴Co)，并通过调节轴芯部分的折射率为梯度折射率型的部分处的直径与芯径之比进行的。
图9为表示当将钴Co掺杂进整个纤芯和将钴Co仅掺杂进纤芯外围时相对于波长衰减的曲线图。从图中可以看出，当仅将钴Co掺杂进纤芯外围时其衰减在波长1560nm到1570nm之间更大。
当输入具有不同波长的两种光信号时，波长越长则光信号的衰减越大，大的衰减不必增加比上述构造所需要的更多的掺杂剂浓度就可以获得。
因此，这一结构在通过输入具有不同波长的两种光信号来增加这些光信号的衰减的差方面是非常有效的。
工业应用性从以上描述非常清楚地知道，根据本发明的光衰减器，可以通过设置光衰减器来确定对于具有非常接近的不同波长的光信号的光学衰减，该光衰减器容许在相对低抑制掺杂剂浓度的同时实现该掺杂区域。
另外，根据本发明的光衰减器，可以在具有实际的掺杂剂浓度和掺杂区域范围的同时，在光纤的每个特性对具有不同波长的光信号为稳定的情况下尽可能地增加光衰减差。
尤其是，不同波长衰减的均衡，可以通过相比于纤芯外围部分增加纤芯内轴芯周围的折射率、调整直径和芯径的比来增加MFD波长依赖性，和通过掺杂更多地衰减具有较大波长的信号的掺杂剂组分进行的，例如，该掺杂集中在其中纤芯的轴芯周围的折射率相对于纤芯的外围部分是增加的直径范围内，以便消除掺杂剂组分的衰减对波长依赖性。
另外，通过集中地掺杂其波长较短时衰减更大的掺杂剂组分来均衡具有较小的波长差的光信号的衰减，是一有效的手段。
再则，可以通过调整使纤芯内轴芯周围的折射率相对于纤芯外围部分增加所构成的直径和芯径之比来增加MFD的波长依赖性，通过在其中纤芯内的中心部分的折射率比纤芯外围部分增加的直径内集中地掺杂其波长较短时衰减较大的掺杂剂组分，并通过增加掺杂剂组分的衰减的波长依赖性，来增加由波长差引起的衰减差。
另外，它在通过波长的差值来实现光信号的衰减增加方面变成非常有效的手段，它不必比所要求的更多地减小MFD，且也不必通过在除其中纤芯的轴芯周围的纤芯的中心部分的折射率比纤芯的外围部分增加的直径之外的轴芯内掺杂其波长较长时衰减更大的掺杂剂组分，来比所要求的更多地富集掺杂剂浓度。
权利要求
1. 一种光衰减器，其特征在于单模光纤的纤芯的中心部分的折射率同纤芯的外围部分的相比是增加的。
2. 如权利要求1所述的光衰减器，其特征在于通过采用选自包含梯度折射率型、抛物线形、三角波形、方波形和梯形波形组中的一种作为所述纤芯的折射率的分布，来增加模式场的波长依赖性。
3. 一种包含在单模光纤内其波长较长时更多地衰减传输光的掺杂剂的光衰减器，其特征在于该掺杂剂区域被限制在纤芯的中心部分，且所述纤芯的中心部分的折射率同所述纤芯的外围部分相比是增加的。
4. 如权利要求3所述的光衰减器，其特征在于采用选自包含梯度折射率型、抛物线形、三角波形、方波形和梯形波形组中的一种作为所述掺杂剂区域的折射率的分布。
5. 一种包含在单模光纤内其波长较长时更多地衰减传输光的掺杂剂的光衰减器，其特征在于该掺杂剂区域被限制在纤芯的外围部分，且所述没有包含掺杂剂的纤芯的中心部分的折射率同所述纤芯的外围部分相比是增加的。
6. 如权利要求5所述的光衰减器，其特征在于采用选自包含梯度折射率型、抛物线形、三角波形、方波形和梯形波形组中的一种作为在没有包含掺杂剂的所述纤芯的中心部分折射率的分布。
7. 一种包含在单模光纤内其波长较短时更多地衰减传输光的掺杂剂的光衰减器，其特征在于该掺杂剂区域被限制在所述纤芯的中心部分，且所述纤芯的中心部分的折射率同所述纤芯的外围部分相比是增加的。
8. 如权利要求7所述的光衰减器，其特征在于采用选自包含梯度折射率型、抛物线形、三角波形、方波形和梯形波形组中的一种作为所述掺杂剂区域折射率的分布。
9. 一种包含在单模光纤内其波长较长时更多地衰减传输光的掺杂剂的光衰减器，其特征在于该掺杂剂区域被限制在所述纤芯的外围部分，且所述纤芯的中心部分的折射率同所述纤芯的外围部分相比是增加的。
10. 如权利要求9所述的光衰减器，其特征在于采用选自包含梯度折射率型、抛物线形、三角波形、方波形和梯形波形组中的一种作为所述掺杂剂区域折射率的分布。
全文摘要
提供一种即使在输入的两种不同种类光信号的波长差小时提供几乎同一程度衰减的光衰减器。另外,可以利用掺杂剂浓度在技术上可实现的区域内通过增加输入的两种不同种类光信号的光衰减差来实现光衰减器。首先,即使波长的差值小,通过相比于纤芯的外围部分6b增加光纤5在纤芯6内的轴芯6a周围的折射率以增加模式场的波长依赖性,来消除掺杂剂衰减的波长依赖性,并通过考虑要掺杂的掺杂剂组分的类型和区域以及包层和轴芯间的折射率差△2与包层的折射率和其它部分的折射率的差△1之比,即△1/△2,几乎可以得到相同程度的衰减。其次,在将掺杂剂的浓度抑制到可实现的范围的同时,增加衰减差。
文档编号G02B6/028GK1327540SQ00802372
公开日2001年12月19日 申请日期2000年10月18日 优先权日1999年10月22日
发明者渡边秀, 松山荣治, 成濑秋义, 村上裕一, 牟田健一, 山本丰光 申请人:昭和电线电缆株式会社