专利名称：光纤耦合器制造方法
技术领域：
本发明涉及多余损耗低的包层光纤耦合器。
背景技术：
包层光纤耦合器包括一伸长的格状玻璃体，其间有光波导光纤纵向延伸通过。耦合器中央区域的直径小于其端部直径，从而使光纤排列得更紧密并且在中央区域内的直径小于单元端部的直径。
包层耦合器的成形方式通常是，将每根光纤至少一部分插入玻璃管内孔从而使光纤部分占据管子的中间区域。管子内孔在其每一端部设有漏斗以便光纤插入。最后的耦合器预制品经过抽真空，其中间部分被加热缩塌到光纤上。中间部分的中心区域被拉伸至光纤耦合所需的直径和耦合长度。通常在管子内孔端部涂敷诸如UV凝固环氧树脂之类的密封剂以固定耦合的光纤。利用这种工艺可以制造各种耦合特性的耦合器，例如分波长多路复用器(WDM)、消色差耦合器等。例如参见美国专利No.4931076、4979972、5009692和5011251。
当管子玻璃缩塌到光纤周围时，光纤受到弯曲力的作用。光纤的这种弯曲和耦合器预制品拉伸前光纤几何结构的重复性明显影响着包层耦合器工艺再现性和多余的损耗。根据光纤在内孔中的不同位置和诸如扭曲、张力等因素的差异，在管子缩塌步骤期间耦合器成品的差别和多余损耗很大。
对于某些类型的耦合器来说，例如1×N耦合器(这里N≥2)，光纤在管子缩塌期间扭曲的问题可以通过采用小口径管子内孔解决。参见美国专利4979972。耦合器由标准的单模光纤构成，外径为125微米，涂层直径为250微米。涂层从第一光纤中心部分剥离到端部，从而留下两个涂层端部。涂层还从第二光纤端部剥离。管子内孔径尽可能地小，从而使管壁在全部缩塌到光纤上之前向内运动最小。内孔尺寸比涂层直径足够大，例如为270微米，从而第一光纤的一个涂层端部从内孔中抽出而涂层材料不会与内孔表面摩擦。第二光纤被剥离的端部可以在第一光纤剥离部分固定在管子中间部分中心的同时或者之后插入内孔。在任一情况下，两根光纤的剥离部分都可以定位在管子内孔中间区域的中心，内孔的直径略微大于两个剥离光纤部分的组合直径。利用这种技术制造出了多余损耗极低的器件。
但是，当涂层直径大于光纤直径两倍时，为了能容纳涂层，管子内孔必须制作得更大。直径较大的内孔对器件多余损耗有不利的影响。
具有一根以上从中心区域剥离的光纤的耦合器(例如2×2耦合器)需要较大内孔径。一根光纤可以穿过内孔直到剥离部分定位在管子中间部分的中心并且涂层部分端部位于漏斗内。第二根光纤随后插入其一个涂层端部从而穿过内孔。这样，内孔径必须略大于光纤直径与涂层直径之和。当利用这种光纤与管子组合时，在管子缩塌阶段光纤可以容易地扭曲，并且最终的器件具有较大的多余损耗。
避免光纤在管子缩塌阶段弯曲的一种办法是用类似于管子的材料组成的隔离光纤填充在管子内孔多余空间内。这种想法利用隔离光纤来减少管子内孔空间以形成紧密配合从而防止光纤的扭曲和弯曲。虽然这种方法制造的耦合器可靠性较好并且多余损耗较小，但是比较麻烦，不利于自动化。
具有低偏振相关损耗的光纤耦合器可以在邻近光纤的区域采用较硬的玻璃(二氧化硅含量高的玻璃)管子制成。但是，当普通内孔形状的管子(例如圆形剖面内孔)由硅含量高的玻璃构成时，管子缩塌时光纤弯曲的问题更为突出，并且多余损耗增加。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种制造方便的包层光纤耦合器，它的多余损耗较小。本发明的另一个目标是提供一种制造具有较低偏振相关损耗(PDL)和多余损耗的光纤耦合器方法。本发明的进一步目标是提供一种制造光纤耦合器的方法，其中在管子缩塌阶段光纤固定在位置上，从而使耦合器预制品在拉伸步骤之前呈现光纤几何结构重复性。
简而言之，本发明涉及制造包层光纤耦合器和低损耗耦合器的方法。该方法采用具有第一和第二端面的玻璃管、中间区域以及第一和第二相对端部区域(从中间区域向端面延伸)。纵向的内孔在管子内部延伸。内孔具有第一部分和从第一部分伸出的凹口。凹口可以容纳两根或更多的无涂层光纤。保护涂层从第一光纤中剥离从而构成连接第一和第二涂层部分的无涂层部分。保护涂层从第二光纤的一部分剥离从而构成无涂层和涂层部分。光纤被插入内孔从而使无涂层部分位于凹口内部。插入光纤的步骤包括将第一光纤的涂层端部插入内孔的第一部分，使第一光纤穿过内孔直到无涂层部分延伸穿过内孔第一部分，以及将第一光纤的无涂层部分从内孔的第一部分转移到凹口内。此后，填充光纤插入内孔第一部分。管子被加热以将管子中间区域缩塌到光纤上，并且拉长至少一部分中间区域从而使中间区域的直径小于管子端部区域的直径。
内孔凹口部分上面可以设置一条或更多能容纳其他被耦合光纤的纵向凹槽。
最终的低损耗光纤耦合器包括一个伸长的格状玻璃体，在管子中心有一颈状区域，这里耦合器的直径小于端部直径并且剥离光纤沿着长度方向熔融。
附图的简要说明
图1为用来形成本发明光纤耦合器的玻璃预制管子的剖面图。
图2为光纤耦合器预制品的剖面图。
图3为沿图2直线3-3剖取的剖面图。
图4-10示出了各种预制管子内孔形状。
图11为两端密封的耦合器局部剖面图。
图12为沿图11直线12-12剖取的剖面图。
图13为光纤耦合器预制品的剖面图。
附图的比例并无限定作用。
实施发明的较佳实例图1-4示出了本发明玻璃预制管子的典型实施例。管子10具有通过漏斗12和13与端面18和19相连的纵向内孔14。管子包括中间区域15和分别位于中间区域与端面18和19之间的相对端部区域16和17。
内孔14的剖面形状示于垂直于管子10中央纵轴的平面内。内孔14包括第一部分30和从第一部分延伸的凹口29。区域30最小的剖面尺寸大于光纤涂层25和26的直径d。凹口29为从区域30延伸的腔体；它的形状为长方形。内孔14通过玻璃管子在碳棒周围的缩塌形成，其剖面形状对应于所需的内孔形状，随后如同美国专利4750926那样燃烧碳棒。该工艺使纵向内孔通过管子内部长度。漏斗12和13可以用美国专利5152816揭示的方法腐蚀。
填充光纤28穿过第一部分30。涂层光纤21和22分别包括涂层部分25和26以及无涂层或剥离部分23和24。无涂层部分23和24以靠近布局通过凹口29延伸。凹口的剖面长度1近似等于无涂层光纤23和24直径D之和。凹口29的剖面宽度w略大于无涂层光纤23或24的直径D。无涂层光纤23和24比较好的是卡入凹口29从而使得它们与凹口壁的间隙只有几个微米。在填充光纤28与部分30之间比较好的也是同样的紧密配合。当光纤以这种方式塞入凹口内时，为了在管子缩塌期间填充耦合器预制品的空隙，只要将管子移动一小段。因此，这种布局使得光纤在管子缩塌期间的扭曲最小。但是上述较紧配合的布局并非是必要的。例如，多余损耗低的耦合器由这样的耦合器预制品制成，其内孔圆形部分直径比填充光纤直径大30μm。
填充光纤的折射率应该小于光纤包层的折射率并且比较好的是等于或大于管子靠近内孔部分的折射率。为了避免对最终耦合器的光学特性产生不利影响，填充光纤的折射率应该基本上与管子靠近内孔14的内部区域的折射率相等。填充光纤构成材料理想情况下与管子内部区域的构成材料相同。
在图5和6的实施例中，与图4类似的单元用最初的标号表示。图5示出了填充光纤28’的剖面形状无需与内孔第一部分35的剖面形状相同。在管子缩塌阶段，正方形第一部分35的顶角区域逐渐缩塌到圆形填充光纤28’上直到空隙消失为止。
图6示出了填充光纤的剖面形状可以不是圆形。虽然填充光纤39和第一内孔部分38为正方形，但是其它形状也是可以采用的。但是要求光纤涂层在第一内孔部分内部紧密配合，并且第一内孔部分与填充光纤的尺寸和形状使得在管子缩塌期间填充光纤将无涂层光纤固定在凹口内。
值得注意的是，由于表面张力作用在光纤上使其在拉长时趋向于圆形，所以圆形填充光纤的制造最为简单。因此，在拉长光纤时，完美的正方形预制品的顶角将变为圆角。在较佳实施例中，第一内孔部分和填充光纤的剖面形状均是圆角形的。
图7-10示出了其它内孔剖面形状；具体而言，是不同的能够容纳多个剥离光纤的凹口形状。每张图都示出了圆形的第一内孔部分30和填充光纤28。图7示出了沿长方形凹口54邻近接触状态下的三根无涂层光纤51、52和53。在图8的实施例中，凹口65限定了无涂层光纤62和63。凹口65包括分别能够容纳无涂层光纤61和64的凹槽66和67。凹槽66和67的位置使得四根为涂层光纤61-64相对凹口65形成钻石形状。图9示出了能够支承五根无涂层光纤71-75的进一步实施例。凹口76支承光纤71、73和74。凹口76包括分别能够容纳无涂层光纤72和75的凹槽77和78。凹槽77和78的位置使得五根无涂层光纤相对凹口76在邻近布局对准时形成十字形状。在图10中，凹口84限定无涂层光纤81和83，并且凹槽85限定无涂层光纤82。凹槽85的位置使得三根无涂层光纤81-83相对凹口84构成三角形。
在图7-10中，每个凹口的长度近似等于放置其间的无涂层光纤直径之和，并且每个凹口的宽度近似等于无涂层光纤直径。每根凹槽的长度和宽度大约等于无涂层光纤的直径。
假定在光纤耦合器的制造中采用标准的125微米单模光纤，则可以采用以下的尺寸。在图7和9的实施例中，凹口54和76的长度大约为380微米。凹口29、65和84的长度大约为255微米。图8中凹槽66和67以及图10中的凹槽85的长度大约为130微米，并且图9中的凹槽77和78的长度大约为130微米。每个凹槽和凹口的宽度大约在127-132微米左右。
值得注意的是大多数的实施例(参见图4、7、8和9)具有非圆形、双侧对称的纵向内孔。这里所用术语“双侧对称”的含义是内孔相对于平行内孔中央纵向轴的第一平面(图4的平面31)对称，但是并不相对任何平行于内孔中央纵向轴但垂直于第一平面的平面对称。
上述预制品管子可以用于下述实例的光纤耦合器的制造。
具有如图3和4所示剖面形状的预制品管子可以应用于下述方法制造2×2耦合器。如图2所示，涂层材料从涂层光纤21和22的中间剥离到端部。无涂层部分的长度略小于管子10的长度。光纤21涂层部分25的端部穿过内孔14的圆形部分30直到光纤无涂层部分23位于管子纵向中心。光纤21侧向移动以将无涂层部分23转移到凹口29底部。光纤22涂层部分的端部随后穿过内孔14的圆形部分30直到光纤无涂层部分24定位在管子纵向中心。光纤21侧向移动以使无涂层部分24抵靠凹口29内的无涂层部分23。如图2所示，光纤涂层部分延伸进入漏斗12和13。填充光纤28插入内孔14的圆形部分30。填充光纤使光纤固定在凹口内并且限制光纤在随后步骤中移动或弯曲。
最终的耦合器预制品被加热以使管子中间区域缩塌到填充光纤和光纤上，并且拉伸至少一部分中间区域直到获取所需的耦合特性。对于缩塌和拉伸步骤可以采用一次加热步骤。另外，在管子中间缩塌之后，耦合器预制品也可以在拉伸时再次加热。在有些情况下，需要采用不止一次的拉伸步骤，每次都需要加热步骤。
图11示出了最终的光纤耦合器。耦合器包括带颈部区域92的伸长的格状玻璃体91和两个相对的端部区域94和95。随后如同美国专利No.5009692揭示的那样，环氧树脂93被加至管子端部区域的光纤。每个端部区域包括多部分内孔，两根涂层光纤部分21和22中伸出。在颈部区域92中，如图12所示，光纤沿着形成耦合区域96的长度部分熔融。填充光纤28一起熔融并且变成在耦合区域内包围管子结构的一部分。利用本发明预制品制造图11的耦合器的结果是耦合区中光纤的几何中心不会落在图12所示颈部区域的中心纵向轴上。由图11可见，颈部区域的直径小于端部区域的直径。
按照上述实例制造的耦合器具有低至0.1 dB的多余损耗。
利用本发明方法制造的其它类型的耦合器，即1×4耦合器和2×4耦合器也具有低至0.1dB的多余损耗。用来制造1×4和2×4耦合器的方法分别采用图8和9所示内孔结构的管子。
2×2耦合器按照美国专利5251277揭示的方法制造，从而使管子的内部区域由较硬的玻璃构成。正如预期的那样，PDL非常小，即0.2dB。即使缩塌到光纤上的管子的内部区域较硬，多余损耗也只有0.1dB。
本发明的方法可以用来制造采用至少一根一端剥离的涂层光纤的耦合器预制品。参见图13，管子97包括内孔98和漏斗99和101。内孔98的剖面结构与图3内孔14的相似。涂层材料从涂层光纤102中间到端部剥离以形成涂层部分104和无涂层部分106。涂层材料从涂层光纤103的一端剥离以形成涂层部分105和无涂层部分107。无涂层部分106和107的长度略小于管子97的长度。无涂层部分107插入内孔98的圆形部分并侧向移动以定位在内孔凹口底部。另外，无涂层部分107可以直接插入内孔98凹口内。光纤102涂层部分104的端部随后穿过内孔98的圆形部分直到无涂层部分106定位在管子纵向中心。填充光纤102侧向移动以使无涂层部分106抵靠内孔98凹口部分内的无涂层部分107。光纤111随后插入内孔98的圆形部分。正如前面实施例那样，填充光纤使无涂层部分106和107固定在凹口内。
值得注意的是，无涂层部分106可以首先插入从而定位在凹口底部。但是，由于部分106具有两个可以用来侧向移动部分106以保证无涂层部分在插入填充光纤111时位于整个凹口长度之内的无涂层端部，所以比较好的是无涂层部分107位于凹口底部而无涂层部分106位于部分107之上。
最终的耦合器预制品被加热以使管子中间区域缩塌和拉伸至少一部分管子中间区域以形成上述耦合器。除了两个涂层光纤部分从一端延伸并且只有一个涂层光纤部分从另一端延伸之外，最终的光纤耦合器与图11的相似。
权利要求
1.一种制造光纤耦合器的方法，其特征在于包括以下步骤提供玻璃管子，它包括第一和第二端面、中间区域和分别从所述中间区域延伸到第一和第二端面的第一和第二相对端部区域以及在所述管子内部延伸的纵向内孔，所述内孔包括第一部分和从第一部分延伸的凹口，所述凹口能够在靠近布局下容纳两根或更多的位涂层光纤；从至少一根光纤剥离保护涂层从而使所述至少一根光纤由连接第一和第二涂层部分的无涂层部分构成；从另一根光纤的一部分剥离保护涂层从而使所述至少一根光纤由无涂层和涂层部分构成；将所述光纤插入所述内孔从而使无涂层部分位于凹口内部，插入所述光纤的步骤包括将所述至少一根光纤的涂层端部插入所述内孔的第一部分，使所述至少一根光纤穿过所述内孔直到无涂层部分延伸穿过所述内孔的所述第一部分，以及将所述至少一根光纤的无涂层部分从所述内孔的所述第一部分转移到所述凹口内；此后，将填充光纤插入所述内孔的所述第一部分；加热所述管子以将所述管子中间区域缩塌到所述光纤上；以及拉长至少一部分所述中间区域从而使所述中间区域所述部分的直径小于所述管子所述端部区域的直径。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于每根所述光纤的无涂层部分开始时定位在所述内孔的第一部分并且随后横向转移到所述凹口内。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于从至少一根光纤和所述另一根光纤剥离涂层的步骤包括从多根光纤剥离保护涂层从而使每根光纤由连接第一和第二涂层部分的无涂层构成。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于插入步骤包括将所述第一光纤的涂层端部插入所述内孔的第一部分并且使所述第一光纤穿过所述内孔第一部分直到其无涂层部分穿过所述内孔的所述第一部分，将所述第一光纤的无涂层部分从所述内孔的所述第一部分转移到所述凹口内，以及依次将所述多根光纤剩余的每一根的涂层端部插入所述内孔的第一部分直到其无涂层部分穿过所述内孔的所述第一部分，并且将无涂层部分从所述内孔的第一部分转移到所述凹口内。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述内孔包括基本呈圆形的部分和构成所述凹口的相邻的非圆形部分。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述填充光纤的剖面为圆形。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述凹口为长方形腔体，其宽度等于所述无涂层光纤的直径并且其长度等于所述无涂层光纤的直径之和。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述长方形腔体包括一条能够容纳所述无涂层光纤的纵向凹槽，所述凹槽的宽度等于所述无涂层光纤的直径并且其长度等于所述无涂层光纤的直径。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述长方形腔体包括多条能够容纳所述无涂层光纤的纵向凹槽，所述凹槽的宽度等于所述无涂层光纤的直径并且其长度等于所述无涂层光纤的直径。
10.一种形成光纤耦合器的玻璃预制管子，其特征在于配置至少两根光纤，每根光纤包括内芯、直径为D的包层和所述包层上直径为d的保护涂层，所述管子包括纵向内孔，其剖面结构包括第一部分和构成长方形凹口的相邻非圆形部分，长方形凹口的宽度等于无涂层光纤的直径而长度等于多根无涂层光纤的直径之和，所述第一部分的最小剖面尺寸至少与所述直径d一样大。
11.如权利要求10所述的预制管子，其特征在于所述第一部分的剖面基本上为圆形。
12.如权利要求10所述的预制管子，其特征在于所述长方形凹口进一步包括至少一个纵向凹槽，其宽度大于D并且长度大于D。
13.如权利要求10所述的预制管子，其特征在于所述内孔为双侧对称。
14.一种光纤耦合器，其特征在于包括具有颈部区域和两个相对端部区域的伸长的格状玻璃体，每个端部区域包括非圆形纵向内孔；以及至少两根光纤，每根光纤包括被直径为D的包层包围，所述光纤在所述颈部区域内沿长度方向一起熔融以形成耦合区域而在所述两个相对端部区域不熔融，所述内孔的剖面结构包括第一部分和构成长方形凹口的相邻非圆形部分，长方形凹口的宽度大于D，所述光纤位于所述端部区域的所述凹口内，所述光纤的至少一根延伸出所述管子的一端，并且所述光纤至少有两根延伸出所述管子的另一端，所述光纤延伸出所述管子端部的部分的涂层直径为d，所述内孔的所述第一部分的最小剖面尺寸等于或大于d。
15.如权利要求14所述的光纤耦合器，其特征在于所述内孔的剖面结构为双侧对称。
16.如权利要求14所述的光纤耦合器，其特征在于所述耦合区域的几何中心并不位于所述颈部区域的中央纵向轴上。
17.如权利要求14所述的光纤耦合器，其特征在于所述颈部区域的直径和所述耦合区域内所述光纤的直径小于它们各自在所述相对端部区域的直径。
全文摘要
通过将多根光纤的无涂层部分插入玻璃管的内孔(14)内,使管子中间区域(15)缩塌到光纤上并拉伸中间区域的中心区域制成了包层光纤耦合器。本方法利用包括圆形部分和凹口的内孔的玻璃管(10)。多根光纤(21,22)依次插入管子内。光纤无涂层部分侧向转移到内孔(14)的凹口上。在所述的光纤穿过圆形内孔部分之后,填充光纤(28)插入圆形内孔部分。最终的耦合器具有较低的多余损耗。
文档编号G02B6/287GK1203674SQ96198728
公开日1998年12月30日 申请日期1996年11月26日 优先权日1995年12月5日
发明者G·E·贝克 申请人:康宁股份有限公司