专利名称：具有多层光纤的光学耦合器的制作方法
背景技术：
本发明涉及光纤耦合器。
在光纤通信系统中通常采用称为“耦合器”的器件把光从一根光纤转移到另一根光纤。光纤一般包括纤芯和环绕纤芯的包层。尽管通常认为光是在单模光纤的纤芯中传播的，但是，所谓的“瞬逝场”会扩散到包层中。
一种瞬逝耦合器，通常称为“外包层锥形”耦合器，利用在预选耦合区上已经拉伸的光纤。耦合区被一个公共矩阵，称为“外包层”所环绕。每个光纤的纤芯和包层在耦合区的两端从光纤未拉伸区中的最大直径逐渐减小到耦合区中的最小直径。在耦合区中包层的直径与耦合区外纤芯的直径相当。沿一条光纤中传播的光主要是通过变窄包层的方式通过光纤的耦合区。作为一种有用的第一近似，变窄包层可以被看作是形成进一步耦合区光波导的纤芯，外包层可以认为是形成每个这种耦合区波导的包层。沿一个这样的耦合区波导传播的光将具有延伸到其它光纤的耦合区波导中的瞬逝场。光从一个这样的波导转移的另一个波导，因此在耦合区内从一根光纤转移到另一根光纤。正如已经转让的第4931076和5011251号美国专利中所揭示的，外包层锥形耦合器可以通过将两个光纤封装在一个外包层材料的管子中；对管子进行加热和使之坍塌在光纤上；拉伸整个组合以拉伸光纤和形成耦合区的工艺过程制造。
“融合纤维”耦合器可以通过使两个光纤熔化然后使它们逐渐减小制备。熔合光纤耦合器以类似于以上针对外包层耦合器所述的方式起作用。当光纤包层直径变得足够小时，纤芯和包层的复合在耦合区中起波导的光引导部分的作用，周围的空气起包层的作用。在第一光纤中传播的光功率耦合到耦合区波导(第一光纤的变窄包层)。在第一光纤中传播的光的瞬逝模式场扩展到第一光纤的熔合锥形耦合区波导中，以致于它耦合到第二光纤的熔合锥形耦合区波导。
本发明的原理可以结合熔合光纤耦合器和外包层耦合器二者一起使用。
在瞬逝耦合器中从一个光纤转移到另一个光纤的功率大小取决于光的波长、产生耦合的长度，通常称为“耦合长度”、以及在产生耦合的区域中光程的传播常数之间的差值等诸因素。“传播常数”是测量光沿路径传播的速度的尺度。传播常数通常用符号β表示，而在瞬逝耦合器的耦合区中传播常数的差值通常用Δβ表示。正如下面将更详细地讨论的，光通过光波导的传播常数取决于纤芯的直径、纤芯和包层的折射率以及光的波长。
在耦合器的光程是由相同光纤形成的地方，Δβ为0。在这种情况下，把光功率从一条光路完全(100％)耦合到另一条光路是可能的。已经转让的美国专利5011251描述了一种由不同光纤构成的光路的消色差的外包层锥形耦合器。一根光纤是具有高折射率纤芯和低折射率包层的标准光纤。这一些实施例中，另一根光纤可以是三层结构，包括高折射率纤芯、低折射率外层包层和设置在纤芯和外层包层之间的折射率低于外包层折射率的薄的内包层。在这种结构中，Δβ不为0。完全的光功率传输是不可能的。在按照美国专利5011251制备的耦合器中利用这一现象给耦合器提供了在相对较宽的波长范围上将光的基本恒定的预选部分从一根光纤转移到另一根光纤。
其它一些耦合器是为提供波长选择性能而设计的。例如，在波分复用传输方案中，单根光纤可以载有几个略有不同的波长的光。每一波长载有单独的信息流。在把一个波长对准到光纤的一个分支上和把另一波长对准到另一分支上的光纤分支点处可以使用波长选择器件。属于不同电信客户的几个发射器和/或接收器可以通过波长选择耦合器连接到一个单个主光纤上。每个耦合器适合于仅把主光纤与岔光纤之间的窄带波长耦合到特定发射器或接收器，而所有的其它波长留在主光纤上。在与特定客户相关的波长上传送该客户期望的信号。
波长选择耦合器可以利用两个不同光纤来制造。对于每一个光纤选择诸如光纤直径和折射率分布的性能，使得两个光纤的色散不同。“色散”是β随波长的变化。因此，一个光纤具有随波长迅速变化的β(高色散)，而另一个光纤具有仅随波长逐步变化的β(低色散)。光纤的特性是这样选择的，即对于处于或者接近于所需工作波长上的光，两个光纤具有相同的β。在这种情况下，在所有的波长上，工作波长附近的窄通带除外，Δβ具有较大的值。这倾向于抑制通带之外的波长上的耦合，以致于只有通带内的光从一个光纤耦合到另一个光纤。
如果包层直径是为了获得所需Δβ而采用的光纤差值之一，当光纤被拉伸时，不同的包层将形成不同直径的耦合区波导。然而，这种方法意味者至少一个光纤具有不同于通信系统中光纤通常采用的标准包层直径的包层直径。这导致在将非标准光纤连接到系统中其它光纤上的明显的实际困难。
美国专利4,976,512描述了一种装入标准阶跃折射率光纤和“W折射率”光纤以实现两个光纤之间的窄带耦合的熔合光纤耦合器。美国专利4,976,512的W折射率光纤象上述的美国专利5,011,251的三层光纤一样，包括高折射率的纤芯、低折射率的外包层和折射率低于外包层折射率的内包层。然而，在’512专利中，内包层具有相当大的厚度和对光纤的色散特性产生极大影响，从而提供陡峭斜率的色散曲线。然而，环绕纤芯的降低折射率的包层区，如’512专利的W折射率光纤的减小折射率区域，由于非绝热模式耦合，在光纤的锥形区中，这种光纤会经历光功率的明显损耗。
因此，本发明的目的是提供一种显示超低损耗的窄带光纤耦合器。
发明概要本发明的一个方面是提供一种至少具有第一光纤和第二光纤的锥形耦合器。第一光纤具有第一光纤纤芯和环绕该纤芯的第一光纤包层。第二光纤至少包括三层即纤芯、环绕纤芯的内包层和环绕内包层的外包层。每个光纤包括端部区和设置在端部区之间的锥形耦合区。在端部区中，每个光纤具有其正常的全直径。在锥形耦合区中，光纤的纤芯和包层具有小于在端部区中相应元件直径的直径。锥形耦合区相互相邻并排地延伸。光纤的耦合区设置在诸如空气、玻璃等的周围介质中。
在根据本发明的耦合器中，第二光纤具有单调折射率分布。就是说，在光纤内的任何位置上的折射率总是与靠近光纤中心的位置上的折射率相同或者低一些。内包层的折射率n22低于纤芯的最大折射率n21，而外包层的折射率n23小于n22。第一光纤最好具有单调的折射率分布，从光纤中心降低到光纤的周边，它可以是一个标准的阶跃折射率或者梯度折射率的光纤，具有最大的纤芯折射率n11和包层的折射率n12。环绕耦合区的介质的折射率n30等于或小于n23。此外，根据本发明，n22大于n12，n12大于n23。
在一个特定的较佳排列中，第二光纤的内包层的直径在耦合区中小于第一光纤的包层的直径。第二光纤的内包层在端部区中的直径也可以小于第一光纤包层在端部区中的直径。最佳的情况是，第二光纤的外包层在端部区的直径基本上等于第一光纤包层的直径。两个光纤的外径可以等于标准电信光纤的外径。此外，两个光纤在其端部区中的纤芯直径可以相互相等和等于标准电信光纤的纤芯直径。这些特征便于连接到系统中的其它光纤上以及使系统中的损耗减至最小。最佳地，折射率n30是任何部分中最低的折射率。周围介质的折射率应当小于第一光纤包层的折射率。作为一种有用的第一近似，通过第一光纤的锥形耦合区的光能够被看作是通过由第一光纤的变窄包层构成的第一波导，起纤芯作用，由周围的起波导包层作用的介质所环绕。通过第二光纤的光能够被看作是通过由第二光纤的内包层构成的第二波导，起纤芯作用，由光纤的窄外包层和周围介质材料构成的复合“包层”所环绕。通常，在第二光纤外包层具有接近于周围介质折射率的折射率的地方，复合包层基本上具有与周围介质自身相同的特性。因此，光纤和周围介质的并列耦合区形成与不同纤芯直径的波导的瞬逝耦合器。
根据本发明的滤光片可以通过使周围介质和光纤耦合区弯曲来调谐。在并排光纤的平面内在一个方向上弯曲则工作波长升高，而在相反方向上弯曲则降低。
本发明的进一步的方面是提供一种具有第一和第二光纤的外包层耦合器，每个所述光纤具有一对端部区和设置在所述端部区之间的锥形耦合区，所述耦合区相互相邻并排地延伸。耦合器包括环绕耦合区的周围介质。第一和第二光纤在其端部区中最好具有相同的外径。第一和第二光纤各自具有一个纤芯和一个或多个包层。每个光纤的包层具有单调下降的折射率分布。就是说，折射率或是保持为常数或是随离开光纤中心的距离而减小，在包层中的任何位置上折射率不会随离开光纤中心的距离而增大。各包层的折射率分布是互不相同的。最佳地，在第一光纤中包层的折射率分布具有较小的随离开光纤中心距离的平均变化率，例如，由以上讨论的第一光纤的单个包层提供的恒定(零斜率)折射率分布。第二光纤包层的折射率分布需要具有较大的随离开光纤中心距离的平均变化率。较佳地，在与纤芯交界处第二光纤包层的折射率高于第一光纤包层在与其纤芯交界处的折射率。以上讨论的第二光纤的多个包层满足这些条件。
正如以下进一步讨论的，这种安排提供了由第二光纤形成的耦合区波导，其色散特性不同于第一光纤的耦合区所形成的波导。这些不同的色散特性在所需工作波长上相交。在工作波长上，对于两个波导而言，β是接近相等的。在其它波长上，一个波导的β大大不同于另一个波导的β。正如下文中所讨论的，两个波导的不同的色散特性极大地增大了耦合器的选择性，所以，只有在工作波长附近的窄通带内出现实质性耦合。较佳地，耦合长度是这样选择的，即耦合是在工作波长上处于或接近于局部最大。正如下文中讨论的，这种结构提供一种有效的窄带波长选择滤光片，它将有效地把工作波长上的光从一个光纤转移到另一个光纤，以及它允许其它波长上的光在输入光的同一光纤上通过该结构。
附图简述
图1是表示本发明一个实施例的耦合器的截面图。
图2是沿图1中线2-2的正视图。
图3是沿图1中线3-3截取的截面图。
图4是表明各个部分的折射率图。
图5是表示基本模式有效折射率的变化与波导V参数的函数关系图。
图6是表示在图1-4所示器件中有效折射率的变化与波长的关系图。
图7是耦合比与波长的关系图，表示根据本发明一个实施例的器件的理论性能。
图8是表示根据本发明的另一实施例的耦合器在卷绕弯曲条件下的性能的组图。
图9是在制造耦合器中使用的装置的正视图。
图10-12示出进一步附加的折射率分布。
图13是在一个特定例子中使用的光纤的折射率分布。
图14是上述例子中所用耦合器的耦合功率与波长的关系图。
较佳实施例的详细描述根据图1的实施例的耦合器包括第一光纤10，它具有第一端部区40、第二端部区42和设置在这些端部区之间的锥形耦合器44。光纤10是一般的阶跃折射率的光纤，装有折射率为n11的纤芯11和环绕纤芯的折射率为n12的包层12。在端部区40和42中，光纤具有未拉伸或未变形的满直径，纤芯和包层的外侧直径分别为d11和d12(见图2)。在锥形耦合区44中，纤芯和包层被拉长或“拉伸”，因此直径大大变小。在光纤10的耦合区中拉伸后的纤芯11’具有大大小于d11的最小直径d’11(图3)，而在耦合区中的包层12’具有大大小于d12的最小直径d’12。
第二光纤20包括被内包层22环绕的纤芯21，内包层又被外包层23环绕。第二光纤20还包括第一端部区46、第二端部区48和设置在端部区46与48之间的锥形耦合器50。在端部区中，光纤20具有正常的未变形的直径，纤芯、内包层和外包层的外径分别为d21、d22和d23。在耦合区50中，光纤又是具有减小的直径。因此，纤芯21’具有大大小于端部区中纤芯直径d21的直径d’21。内包层在在耦合区50中的最小直径d’22大大小于内包层在未变形的端部区的直径d22，而外包层的最小直径d’23同样小于d23。在本公开文本中使用的术语“最大拉伸比”是指光纤部分在端部区中的正常的未变形的直径与同一光纤部分在光纤的耦合区中的最小直径之比。较佳地，光纤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，两根光纤在端部区中的最外侧直径d23和d21是互相相等的并等于标准电信光纤的外径。因此，第二光纤内包层的端部区直径d22小于第一光纤包层的端部区外径d12。这里两个光纤具有相同的最大拉伸比，在耦合区中维持这一关系，即d’22＜d’12。
光纤是并肩地设置的，所以耦合区44和50相互相邻并肩地延伸。耦合区被诸如空气、玻璃或其它材料的外层包层30所环绕。图4示出各个部分的折射率。注意对于这一讨论，假设光纤10和20具有阶跃型折射率分布。第一光纤包层12的折射率n12小于第一光纤纤芯的折射率n11，但是大于外层包层30的折射率n30。光纤20具有阶跃形的单调下降的折射率分布。因此，第二光纤纤芯的折射率n21大于内包层的折射率n22，它又大于外包层的折射率n23。外包层折射率n23可以略大于或等于外层折射率n30。较佳地，两个光纤和外层包层完全是由玻璃，如基于石英的玻璃制成的，采用传统的添加剂改变各个部分的折射率。例如，纤芯11和21可由掺入锗石(germania)的石英基的玻璃形成的。包层可以包括少量的锗石，也可以包括氟或硼作为降低折射率的掺杂物。第一光纤的包层12较佳地是由纯SiO2形成的。正如这里引作参考的第5011251号美国专利中所揭示的，B2O3和/或氟是降低用作外层包层的石英基玻璃的折射率的特别有用的掺杂物。正如以下将讨论的，可以选择各个部分的直径和折射率以及拉伸比以提供所需性能。然而，对于试图在约1200至1600nm波长范围内工作和试图提供窄带滤光作用的耦合器，典型参数如下d12和d23约等于125μm(较小的约80μm)；d11和d21约等于2μm至10μm；
d22约等于20μm至100μm；(n11-n12)/n11约等于0.3％至2.0％；(n21-n22)/n21约等于0.2％至2.0％；(n22-n23)/n22约等于0.1％至0.6％；(n23-n30)/n21约等于0至0.6％；如果折射率中有一个是已知的，那么便能够确定其它的。从后面对13的讨论，这应当是显然的。
在第一光纤10的相对的端部，端部区40和42形成耦合器的第一和第二端口，而在第二光纤20的相对的端部，端部区46和48分别形成第三和第四端口。允许通过光纤一端处一个端口的光沿该光纤的纤芯传送并进入由这一光纤和外层包层构成的耦合区波导。每一个这种波导包括光纤的包层和外层包层30。例如，允许通过第一端口40的的光通过纤芯11传送到由耦合区44中纤芯11’、包层12’和外层包层构成的耦合区波导。沿这一波导传送的光能够耦合到由耦合区44中纤芯21’、包层22’和23’和外层包层30构成的第二波导，然后通过这一波导传送到第二光纤的纤芯21并通过端口48出射。另一方面，允许通过第一端口40的光可以保留在第一耦合区波导中并返回到第一纤芯11和通过位于第一光纤相对端部上的第二端口42从耦合器中出射。光被耦合到第二光纤中的程度依赖于耦合区波导的特性。确定平行波导之间在周围介质中耦合程度的关系可以设定的，例如，Parriaux等人在下文中提出的，“用于多路复用的单模光纤之间的波长可选择分布耦合”J.Optical Comun.2(1981)3，105-109。简要地，耦合程度在很大程度上依赖于沿两个波导传播的光的传播常数。根据下面的关系，两个波导的传播常数又与称为“有效折射率”或neff的参数直接相关，β＝k0neff(2)式中，k0是光的自由空间传播常数，等于2π/λ，neff是有效折射率。有效折射率又依赖于称作为归一化频率或V的参数，这里V＝2πa/λ(ni2-n02)1/2(3)式中a是波导中纤芯的半径；ni是波导中纤芯的折射率；λ是光的波长；和
n0是包层或环绕介质的折射率。
对于诸如光纤10的的单个阶跃折射率光纤，参考众所周知的模式图，能够找到V与有效折射率之间的关系。一种这样的模式图出现在Keck光纤通信基础中的光纤波导，第二版，Baronski，纽约，1981，p.18。利用众所周知的技术(见A.W.Snyder和J.D.Love，光学波导理论，Chapman and Hall纽约，1983)能够计算任何波导的传播常数β。图5以图解方式示出光以基本模式(相对于单模光纤系统而言的重要模式)传播的关系。有效折射率neff，对于V值小于1，近似等于包层的折射率n0，对于V值大于5，约等于纤芯的折射率ni。对于由第一光纤10的耦合区和外层包层30构成的第一波导12’，ni约为n12，包层12的折射率，这里，n0是n30，外层包层的折射率。对于由第二光纤的耦合区形成的第二波导22’，ni约为n22，n0约为n30。因此，neff的变化范围第二波导22’比第一波导12’更宽。此外，由于波导22’的直径小于波导12’的直径，因此，在方程式(3)中a的值波导22’的比波导12’更低。这些差值的净效应是，对于波导22’与对于波导12’，从约小于1至约大于5的范围内V值的变化是在不同波长范围上出现的。正如图6所示的，neff和β的曲线因此在特定的波长λ0上相互交叉。对于任何给定的参数组合，如各波长的直径和折射率，通过在每个波导的λ的范围上计算V，能够确定λ0，从而利用上述的计算技术可确定每个波导在每个λ上的neff值和绘出每个波导的neff与λ的曲线，找出交叉点。对于参数的不同组合可以交替地重复这一过程直至找到合适的λ0值。
在明显不同于λ0的λ值上，基本上没有光从波导12耦合到第二波导22，通过第一端口40穿过光纤12的所有的光基本上通过端口42出射。对于在λ0附近的λ值，耦合器的作用可以由上述的’251专利和上述的A.W.Snyder和J.D.Love的论文中所阐明的耦合模式理论来描述。按照这一理论，假设外层包层耦合器的模场是波导12’和22’在不存在其它波导时各个基本模式ψ1和ψ2的线性组合，即波导仅被折射率为n30的外包层所环绕。对于这种结构能够准确地确定模场和传播常数。(M.J.Adams，光学波导导论)。
那么，描述两个波导之间的光学耦合的耦合常数C可以写成叠加积分C＝∫ψ1(r)ψ2(r′)(n-n′)dA(4)在这个方程式中，ψ1和ψ2是两个波导的模场(每一个是用外包层替代另一个波导计算的)，r和r’分别为从波导纤芯的中心起的半径距离，n和整个耦合器的折射率结构，n’是用折射率为n30的外包层材料代替波导22的折射率结构，积分是在耦合器的整个截面上(但是，n-n’仅是波导12’上的非零)。假设模场在这个方程式中被归一化，即积分∫ψ12dA和∫ψ22dA都等于1。
虽然这些器件是锥形器件，但可以通过假设恒定的拉伸比，等于在给定耦合长度z(在这一长度之外没有耦合)上的最大拉伸比，对它们的特性作大致模型化。这一近似工作很好做，因为耦合常数是随拉伸比迅速增大的函数，因此，耦合器的特性以在最高拉伸比上的特性为主。利用这一近似，通过第一与第二光纤之间的第一端口40进入的功率分布由下式给出P10＝1-F2sin2(Cz/F)(5)和P20＝F2sin2(Cz/F) (6)式中，因子F由下式给出F＝[1+(β12’-β22’)/2C)2]1/2(7)在以上的方程式中，β12’和β22’分别是波导12’和22’的传播常数。P10是在端口40输入到第一光纤10的功率中仍保留在光纤10中并通过端口42出射的部分。P20是在端口40输入的功率中被转移到光纤20并通过端口48出射的部分。较佳地，耦合长度是这样选择的，即P20在工作波长λ0上处于最大值，这里，β12’＝β22’。可以对锥形耦合器进行数值模型化，以提供对其工作的更全面描述。
图7示出根据本发明的一个窄带滤光耦合器的典型数值计算响应曲线。在λ0上，在本情况中约为1550nm，P20大致为1.0或100％，即进入端口40的光几乎全部被转移到第二光纤并通过过端口48而出射。在不同于λ0的波长处，端口48的输出迅速下降。因此，耦合器仅在中心位于λ0的窄通带内使波长通过达到端口48，其它波长传送到端口42。高的波长振荡(在长于λ0的波长上)来自由模型化器件的锥度造成的λ0的变化。
在并排耦合区的平面内，通过使由耦合器区限定的外包层和波导横向弯曲，能够改变耦合器的特性。因此，如图1所示，耦合器能够在对应于图面的平面内被弯曲到位置32或者到位置34。在相反方向上的弯曲使通带在相反方向上位移。因此，在向着位置34的方向上弯曲，在图8中以正弯曲半径表示，使器件的峰值耦合波长，并因此将光耦合到第二光纤的通带位移到较短的波长。在相反方向上弯曲，在图8中以负弯曲半径表示，使光耦合到第二光纤的通带向更长波长位移。因此，耦合器是可调谐的。通过这里引作参考的第4,799,949、5,011,251和5,295,211号美国专利中所揭示的工艺过程能够制备根据上述实施例的器件。较佳地，器件是通过将第一光纤10和第二光纤20(去除任何聚合物涂层)插入到外包层玻璃管219的孔218中，形成一个耦合器预制件231(图9)。在每一端处孔可用漏斗状物(未示出)来制备，以有助于光纤的插入。预制件231通过环形燃烧器234插入和夹紧在拉伸卡盘232和233上，它们被安装在电机控制台245和246上。光纤穿过真空附件141和141’，然后它们使预制件131的端部密封。典型的真空附件在上述第5011251号美国专利中揭示。通过管道242给管子241提供真空。一段薄橡胶配管243的一端被附着到真空附件241的与预制件231相对的那一端；橡胶配管的剩余一端在管子夹紧装置(未示出)内延伸。上部真空附件241’同样与一条管道242’、管子243’和管子夹紧装置相连。一部分光纤从管子243和243’延伸。当按照箭头244、244’所表示的，针对配管243和243’施加空气压力时，针对通过管道242和242’抽真空的外包层管的孔延伸的光纤而夹紧配管。
在将预制件固定到卡盘232和233上以及对管子的孔抽真空后，靠近一端对管子进行加热，引起中间区域坍塌到光纤上。
然后，通过对管子的一个区域加热和在相反的方向上移动计算机控制台245和246，对加热区进行拉伸，可形成耦合器。在对加热区进行拉伸时，设置在加热区中的这部分光纤与外包层管一起拉伸由此形成耦合区44和50(图1)。管子拉伸操作可以按照第5011251号美国专利进行。
在对管子进行拉伸形成耦合器时，光学功率能够被耦合到输入光纤，可以监测输出信号以控制耦合器制造过程中的工艺步骤。另一方面，在这一台中能够利用试验拉伸距离制造试验器件，通过测量能够确定最佳拉伸距离。在有关外包层光纤耦合器的先前经验中，在形成每耦合器期间两个台的总拉伸距离通常在10至30mm之间。
由于两个光纤具有等于标准光纤的外侧直径和芯直径的端部区，因此，耦合器能够被方便地连接到标准光纤系统中。尽管图1中示出的耦合器在连接光纤的条件下总共有四个端口40、42、46和48，但是，许多应用只需要三个端口，一个端口是不使用的。为了使来自不使用端口的反射减至最小，可以给不使用端口提供低反射比端面，如第4979972号美国专利中所述的。简单地说，对不使用光纤端进行加热和拉断它，然后进一步加热，引起玻璃在其端面形成碗形的棒，其直径等于或略小于原始外径。
下面的具体例子描述一种根据本发明制造光纤耦合器的方法。
耦合器的光纤可以由这里引作参考的第4486212和5295211号美国专利中所揭示的过程制造。光纤的外径为125微米，并涂覆有尿烷丙烯酸。
图10是单模电信光纤的阶跃折射率，具有掺有8.5重量％GeO2的SiO2的纤芯和SiO2包层。
图13示出光纤20的折射率分布。光纤20是三层光纤，具有掺有18重量％GeO2的SiO2的纤芯21、掺有约3重量％GeO2的SiO2内包层22和掺有约1重量％氟的SiO2包层。两个光纤的尺寸和折射率关系如下d12和d23约等于125μm；d11约等于8.3μm；d21约等于10μm；d22约等于31μm；(n11-n12)/n11约等于0.36％；(n21-n22)/n21约等于0.75％；(n22-n23)/n22约等于0.45％；(n23-n30)/n23约等于0.05％；(n22-n12)/n12约等于0.19％；光纤10的纯SiO2包层的折射率n12约为1.458。
玻璃毛细管30的长为3.8cm，外径为2.8cm。孔是金刚石形的，金刚石的每一侧的长度约为310微米。毛细管是由掺有8.0重量％B2O3的石英制成的。在毛细管的每个端部形成一个斗(未示出)，以便于光纤插入过程。
从一个光纤的中央区上去除一段长约2.8cm的涂层，形成一个“中心剥离”的光纤。从另一个光纤的端部去除一段长约6cm的涂层，形成一个“端部剥离”的光纤。在拉动并切断光纤的端部，形成锥形端时，通过将火焰对准在剥离区的中心上，在端部剥离光纤的端部上形成抗反射端面。由燃烧器的火焰对光纤的末端进行加热，引起玻璃收缩和形成圆形端面。最终产生的玻璃端部区长约3.2cm。
中心剥离的光纤穿过孔直至没有涂层的部分设置在管子两端的中间为止。将端部剥离的光纤穿过孔直至其有涂层的部分设置斗中为止。
以上述的方式在图9所示的装置将产生的耦合器预制件231形成为耦合器。在管子拉伸过程期间，在相反的方向上移动卡盘232和232’，与毛细管的原始长度相比，耦合器的长度总共增加3cm。
耦合器冷却后，从耦合器上移开真空管道，将一滴粘合剂施加到毛细管的每个端部并通过暴露于紫外光使之固化。然后从拉伸装置上卸下耦合器。
图14示出按照这个例子形成的耦合器的耦合功率与波长的曲线图。
只要不偏离本发明，可以利用以上讨论的特征的众多的改变和组合。例如，第二光纤可以有两个以上的包层，第一光纤可以有一个以上的包层。此外，尽管在以上讨论的前述实施例中所采用的光纤是阶跃折射率的光纤，但是，本发明也能够被运用到梯度折射率的光纤上。因此，光纤纤芯的折射率可以随离开纤芯中心的距离的增大而逐步减小。图10示出具有梯度折射率纤芯的三层光纤，图11示出具有梯度折射率纤芯的两层纤芯。图11的折射率分布示出了一种在1550nm处呈现零色散的典型的市场上有供应的色散偏移光纤。光纤的纤芯包括一个中心纤芯区20，它通过降低折射率的区域22与外侧的环21分开。纤芯的中心三角区C的直径约为7.20微米，纤芯的环R的内径约为10.08微米，环R的外径(因此和光纤纤芯直径)约为12.94微米。区域C和R峰值折射率值(表示为Δp)分别约为0.9％和0.3％。项Δp是纤芯的折射率相对于包层的折射率，由下式给出Δp＝(n12-n22)/2n12。
光纤中除纤芯以外的部分可以具有梯度变化的折射率分布。在图12中，内包层的折射率分布是梯度变化的。
此外，本发明能够被应用于“M×N”耦合器，这里M是1或者以上，N是2或者以上。光同时被耦合在一个或多个输入光纤与两个或多个输出光纤之间，或者从几个输入光纤同时耦合到一个或多个输出光纤。如上所述，例如，在第5,351,325号美国专利中，这种耦合器可以包括环绕单个中心光纤的多个周边光纤。一个或多个周边光纤，或者中心光纤可以是多层光纤，以致于周边光纤限定不同于光纤纤芯的折射率分布。可以把按照本发明的耦合器装入到诸如马赫-伦德尔干涉仪的干涉仪装置中。马赫-伦德尔干涉仪装有两个通过多个光路径连接起来的耦合器，这些光路径具有不同的光程长度，即不同传播常数、不同物理长度或者二者的光纤。进入一个耦合器的光在路径之间被分束，在另一个耦合器上重新合并。如上所述，例如，在第5295205号美国专利中，可以利用单根综合玻璃管形成两个空间上分开的锥形外包层耦合器的外包层以及还形成把连接耦合器的光纤包括在内的外壳，制备马赫-伦德尔干涉仪。
权利要求
1.一种光纤耦合器，包括至少第一和第二光纤，其特征在于(a)所述第一光纤具有最大折射率n11的第一纤芯和环绕所述纤芯的折射率为n12的第一光纤包层，所述第一光纤具有端部区和设置在所述端部区之间的锥形耦合区，(b)所述第二光纤具有最大折射率n21的第二纤芯、环绕所述第二纤芯的折射率为n22的内包层和环绕所述内包层的折射率为n23的外包层，所述第二光纤具有端部区和设置在所述端部区之间的锥形耦合区，所述第一和第二光纤的所述耦合区相互并肩地相邻延伸，以及(c)环绕所述光纤的所述耦合区的折射率为n30的介质，这里n21＞n22＞n23；n23≥n30；和n22＞n12＞n23。
2.如权利要求1所述的耦合器，其特征在于在所述介质中所述第一光纤的所述锥形耦合区限定一个第一耦合区波导，在所述介质中所述第二光纤的所述锥形耦合区限定一个第二耦合区波导；所述第一耦合区波导的色散特性决定的通过第一耦合区波导的光的传播常数β12’与波长λ的关系不同于所述第二耦合区波导的色散特性决定的通过第二耦合区波导的光的传播常数β22’与波长λ的关系。
3.如权利要求2所述的耦合器，其特征在于所述耦合区波导的色散特性是这样选择的，即只有在工作波长λ0下，β12’＝β22’。
4.如权利要求3所述的耦合器，其特征在于所述耦合区波导的色散特性是这样选择的，即对于λ＜λ0，β12’＞β22’；和对于λ＞λ0，β12’＜β22’。
5.如权利要求1所述的耦合器，其特征在于在所述第二光纤耦合区中所述第二光纤内包层的直径为d22’，在所述第一光纤耦合区中所述第一光纤包层的直径为d12’，这里d22’＜d12’。
6.如权利要求1所述的耦合器，其特征在于所述第一光纤的所述包层在其端部区中的端部区直径为d12，所述第二光纤的所述外包层在其端部区中的端部区直径为d23，这里d12基本上等于d23。
7.如权利要求6所述的耦合器，其特征在于所述第一光纤的所述锥形耦合区和所述端部区具有第一拉伸比，所述第二光纤的所述锥形耦合区和所述端部区的拉伸比等于所述第一拉伸比。
8.如权利要求6所述的耦合器，其特征在于所述第一纤芯在其端部区中的端部区直径为d11，所述第二光纤的纤芯在所述第二光纤的端部区中的端部区直径为d21，这里d11基本上等于d21。
9.如权利要求8所述的耦合器，其特征在于n11基本上等于n21。
10.如权利要求1所述的耦合器，其特征在于n23＞n30。
11.如权利要求1所述的耦合器，其特征在于折射率为n30的所述环绕介质为玻璃。
12.如权利要求1所述的耦合器，其特征在于折射率为n30的所述环绕介质为空气。
13.如权利要求1所述的耦合器，其特征在于进一步包括使所述第一和第二光纤弯曲的装置。
14.如权利要求1所述的耦合器，其特征在于所述第一和第二光纤至少包括N根光纤，这里N＞2，所述光纤中至少有一个具有所述第二光纤的折射率特性。
15.如权利要求14所述的耦合器，其特征在于所述耦合器包括多根环绕一根光纤的光纤。
16.如权利要求1所述的耦合器，其特征在于所述第一和第二光纤具有两个锥形耦合区，由此所述耦合器起干涉仪的作用。
17.一种具有至少第一和第二光纤的外包层耦合器，每个所述光纤具有一对端部区和设置在所述端部区之间的至少一个锥形耦合区，所述耦合区相互并肩地相邻延伸，所述耦合器进一步包括环绕所述耦合区的外包层，所述第一和第二光纤在所述端部区中具有相同的外径，所述第一和第二光纤各有一个纤芯和一个或多个包层，每个所述光纤的所述一个或多个包层具有单调下降的折射率分布，所述包层的所述折射率分布是互不相同的，光纤的所述锥形耦合区形成第一和第二波导，第一波导的色散特性决定的穿过第一波导的光的传播常数β12’与波长λ的关系不同于所述第二波导的色散特性决定的传播常数β22’与波长λ的关系，所述波导的色散特性是这样选择的，即只有在工作波长λ0下，β12’＝β22’。
18.如权利要求17所述的耦合器，其特征在于在所述端部区中，所述第一和第二光纤的纤芯具有基本相同的直径。
19.如权利要求17所述的耦合器，其特征在于所述的色散特性是这样选择的，即对于λ＜λ0，β12’＞β22’；和对于λ＞λ0，β12’＜β22’。
全文摘要
一种锥形光纤耦合器,包括具有纤芯(11)和包层(12)的第一光纤和具有纤芯(21)、内包层(22)和外包层(23)的第二光纤。在器件的拉伸的耦合区中,光纤的耦合区(44、50)形成在预选的工作波长上色散曲线相互交叉的耦合区波导。每根光纤的一个或多个包层具有单调下降的折射率分布,包层(12、22、23)的折射率分布是互不相同的。光从一根光纤到另一根光纤的耦合仅出现在围绕工作波长的窄带波长内。光纤的外径和纤芯直径可以相互相等并等于标准光纤的直径。因此,在光学系统中能够方便地将这种器件连接起来。
文档编号G02B6/26GK1242080SQ97181068
公开日2000年1月19日 申请日期1997年12月8日 优先权日1997年12月8日
发明者W·J·米勒, D·L·魏德曼 申请人:康宁股份有限公司