專利名稱：光纖耦合器及放大器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光纖耦合器，尤其涉及適于在光纖放大器中采用的耦合器。
在許多耦合器中，需要在一特定的波長上或一波長段內獲得大致為100%的耦合。在-1×2或2×2的耦合器中有時也需要使用兩根光纖，所述兩根光纖的纖芯折射率、纖芯直徑和/或截止值顯著地不相同。例如，已公布的歐洲專利申請EP-A-0504479描述了一種帶有一增益光纖10(見其
圖1)的光纖放大器。一波長分隔多路傳輸器(WDM)光纖耦合器20將來自激光二極管15的波長為λp的泵功率和來自輸入電信光纖14的波長為λs的信號耦合至增益光纖10。從耦合器20延伸出的光纖引線通過熔接頭或對接接頭而被連接到其它光纖上。最好采用熔接頭16、22，這是因為它們具有較低的反射和插入損耗。對于最佳的放大器工作而言，為了使放大器的信噪比(S/N)最大，在熔接頭16上的輸入信號的熔接損耗應較小，這是因為在信號-自發差拍噪聲限度內，放大器的電S/N與光耦合效率成線性的關系。同樣地，為了達到高的耦合效率(出于與上述S/N相同的理由)和泵耦合效率在熔接頭22處的損耗也應是低的，這是由于放大器的增益是與耦合至增益光纖的泵功率的大小相關聯的。一種耦合裝置，例如一錐形光纖維或一與耦合器20相似的耦合器可在增益光纖和一輸出電信光纖25之間提供一相當低的損耗。
當泵和信號光束的強度均很高時，增益光纖之工作狀況最佳。這可通過向增益光纖提供一相應較小的模式場直徑(MFD)來達到，所述MFD是可導致光功率被集中于沿光纖軸的一相當小的區域內的一種特征。這樣的一種“高增益”或“高效率”的光纖可通過使用一較大的△1-2值和一較小的纖芯直徑來達到。值△1-2等于(n21-n22)/2n21，其中n1和n2分別是纖芯和包層的折射率。為了達到最佳的泵信號能量耦合及低噪聲。同樣需要模式場直徑小的光纖的截止波長小于泵源的波長λp。
如果一現有技術的WDM耦合器被用作耦合器20且這耦合器的兩條光纖均為可在市場上購得的電信光纖，則在小MFD高增益光纖和大MFD光纖間的模式場失配會在所述光纖間的熔接處造成高的插入損耗。例如假設一電信系統采用MFD在1550nm和1000nm上分別為6.4μm和3.7μm的鉺摻雜增益光纖，所述增益光纖能夠放大波長在1530和1560nm之間的信號，在各種可能的泵波長中，較佳的是取980nm。如果耦合器20是一現有技術的WDM耦合器，它一般可使用例如在1550nm和1000nm上MFD分別為10.5μm和5.7μm的匹配的市場上可購得的電信光纖來制成。挑選這些耦合器光纖以將連至電信光纖的熔接損耗降至最低。然而，在上述之增益光纖和電信光纖之間的熔接頭將在1536nm和980nm上分別顯示出0.5dB和1.7dB的熔接損耗。這種熔接損耗降低了放大器增益，且降低了放大器的有效輸出功率。
根據EP-A-0504479的描述，圖1的光纖放大器采用了由兩種不同的光纖21和13制成的一WDM耦合器20。纖維13是一光纖，它的MFD與電信光纖14的MFD大致相匹配，纖維21是一光纖，它的MFD與增益纖維10的MFD相匹配。在增益光纖的MFD足夠小以達到適當的功率密度的光纖放大器裝置中，光纖13的MFD與光纖21的MFD之比值典型地至少為1.5∶1。
耦合器光纖21和13的MFD和截止波長間較大的差別造成了在耦合區域外所述光纖中基模傳輸的傳播常數間較大的差別(△B)。可以注意到在耦合光纖21和13的截止波長間的一較大的差別也會造成一較大的△B。在耦合區域內，MFD或截止波長的差對所述光纖的基模傳輸之傳播常數的作用(△βCR)并不是如此大。耦合器光纖的纖芯在耦合區域中可以如此之小以致它們對傳輸的作用變得十分小。當光纖維包層直徑足夠小時，纖芯和包層的復合體用作耦合區域內波導的導光部件，而周圍低折射率基質材料用作包層。因而，在耦合區域內功率在鄰近的光纖包層之間傳遞。如果△βCR足夠小，通過控制耦合區域的長度及耦合器光纖的已拉伸和未拉伸區域之間的過渡區域的陡度，可制出這樣的耦合器光譜耦合特性MFD大的光纖中傳輸的信號光中的很大一部分被耦合至MFD小的光纖，而在MFD小的光纖中，傳輸的泵源光中的很小一部分被耦合至MFD大的光纖。
一個相似的結果出現在熔合的雙錐式錐形耦合器中，其中在耦合區域內光纖由空氣圍繞而不是由基質玻璃圍繞。
在圖1的系統中，有一些與耦合器光纖維失配有關的△βCR最大可接受值，它足夠小而不至于使耦合嚴重惡化。由這種耦合器耦合的一個1540nm的輸入信號將大于某個給定的最小可接受值，例如95%。
然而，為了提高增益光纖的量子效率，可要求增益光纖具有至少2.0%的△1-2。假設和所述增益光纖一同使用的耦合器(在這里是指耦合器A)中包括了上述的市場上可購得的電信光纖和一具有2.0%的△1-2和約為1300nm的截止波長的小MFD光纖。在最大耦合時，1540nm輸入功率中僅有30至40%從輸入電信光纖的輸入端耦合至小MFD光纖(見圖3的曲線35)。
可以注意到耦合器光纖△βCR除可由△1-2，截止波長和纖芯直徑之差別造成外，也可由光纖特性的不同而造成。如果(a)耦合器光纖的外徑不同或(b)耦合器的光纖在組成及幾何形狀上大不相同以致在制造一外包層耦合器過程中在管子收縮裹緊時它們的變形不同，則也會發生△βCR大得足以惡化耦合的情況。
眾所周知在一熔合的雙錐式錐形WDM耦合器中改變光纖包層的折射率可提高耦合器的波長選性。同樣地，在-1×2或2×2熔合的耦合器中從一光纖至另一光纖的耦合隨波長而增強，這是因為模式場的衍射擴展隨波長而增加。這種耦合相對于波長的變化率限制了在最大和最小耦合間所能得到的波長分隔的狹窄程度。通過調節折射率，耦合區域中兩光纖的基模的β曲線在一些特定波長上可交叉成高角。因為只有在△βCR＜＜C時才能得到完全的耦合，這就導致波長在遠離β“相交波長”上的耦合的減少，由此使耦合對波長的依從關系變得更尖銳。耦合常數C將在下文討論(見(2)式)。這一原理在美國專利5129020(由M·Shigematsn等人發明)和出版物O.Parriaux等人在《光通信月刊》第2卷(1981)，第3期，第105至109頁上均作了描述。
在美國專利5011251(由Miller等人發明)中已在消色差耦合器的文中對包層折射率作了討論。它所描述的原理是可通過所述裝置產生就其他方面而言是相同的光纖間的△βCR，且這可被用來提高該耦合器的消色差性能(波長均勻性)。在該專利中所討論的△βCR可以與波長有依從關系，但未討論相交(△βCR→0)。
本發明的一個目的是提供一種光纖耦合器，盡管在兩種耦合器光纖的MFD之間有一相當大的差別，所述耦合器可在一給定的波長上對足夠百分率的輸入功率進行耦合。本發明之另一目的在于提供一用于光纖放大器的光纖耦合器，所述光纖放大器具有一增益纖維，所述增益光纖的MFD值比與該增益光纖耦合的傳輸通信光纖的MFD值小得多。本發明再一個目的在于提供一種用來修改1×2或2×2光纖耦合器中的一光纖以補償△βCR失配的裝置，所述失配將導致由一光纖耦合至另一光纖的功率百分比小于給定值。
簡要地說，本發明的光纖耦合器包括一具有雙錐式錐形段的第一單模光纖和具有雙錐式錐形段的一第二單模光纖，每一光纖具有由折射率為n2的包層所圍繞的纖芯。兩個錐形段被熔合在一起以形成一耦合區域。所述耦合區域由一種折射率n3低于n2的媒質所圍繞。第一光纖具有第一種方法，用來將耦合區域內基模的傳播常數修改至這樣的程度，從而可在下述傳播常數第二修改裝置不存在的情況下使耦合區域中所述第一和第二耦合器光纖的傳播常數之差達到這樣的大小，它小于波長λs的光功率從第二光纖正常耦合至第一光纖的給定的百分比。所述耦合器包括第二種方法，它用來將光纖中之一根光纖的傳播常數修改至這樣的程度，以大于波長λs的光功率從第二光纖耦合至第一光纖的給定百分比。耦合區域中光纖之所述部分的光譜傳播常數曲線在所使用的波長范圍內大致平行。實際上，使耦合區域內的所述光纖部分的光譜傳播常數曲線與出現最大耦合的波長范圍不相交是可能的。
用來修改光纖中之一根光纖的傳播常數的第二種方法可以僅僅是對光纖之一根的包層折射率進行修改。然而，這種對光纖包層的折射率修正的運用與在美國專利第5011251號和5129020號及Parriaux等人發表的文章中所闡述的方法不同。本發明的耦合器是由可實現良好耦合(耦合百分率大于某規定值)的兩根不同的光纖制成的。除非通過改變其中一根光纖的性能(例如改變它的折射率)來降低△βCR值，這種良好耦合是不能達到的。一般而言，不對其中的一根光纖作修改，β相交是不會產生的。通過修改，β可相交也可不相交。然而，本發明耦合器與美國專利5129020及由Parriaux等人文章的耦合器之區別在于，即便出現了相交，本發明耦合器的β曲線仍是大致平行的，因此在耦合器所使用的波長范圍內，因△βCR的隨波長的改變而產生的耦合性能的改變并不明顯。
圖1是一種現有技術的光纖放大器的示意圖。
圖2是根據本發明的一種光纖放大器的示意圖。
圖3是將現有技術耦合器和根據本發明制成的耦合器的功率，對波長的曲線作比較。
圖4示出了在耦合區域中基模的在一擴展至產生最大耦合的工作波長范圍之外的寬廣的波長范圍內傳播常數隨波長而變化的方式。
圖5示出了由非相同光纖構成的耦合器的βλ的光譜變化，所述光纖維的模式場直徑的失配大得足以使少于80%的光功率可在預定波長上被耦合。
圖6是另一耦合器實施例的橫截面圖。
圖7是一耦合器預制件的橫截面圖。
圖8是沿圖7的8-8直線看得的橫截面圖。
圖9是示出了用來收縮裹緊所述耦合器預制件并拉伸其中間段的裝置的示意圖。
在本文所描述的實施例中，采用圖2的光纖耦合器于一光纖放大器中。耦合器30將來自耦合器光纖31輸入端波長為λp的泵功率的和來自輸入電信光纖14′的波長為λs的信號功率耦合至增益光纖10′，由耦合器30延伸出來的光纖引線被通過熔接頭S連接至其它光纖。
為了提高增益纖維的量子效率，應使用具有△1-2值高和纖芯直徑小的增益光纖。為了達到最佳的泵信號能量耦合和低噪聲，還要求模式場直徑小的光纖的截止波長小于泵源波長λp。為獲得低的耦合器光纖/增益光纖熔接頭損耗。與增益光纖相連接的耦合器應包括一電信型的光纖和一小MFD光纖，所述電信型光纖具有與輸入電信光纖之MFD相匹配的大MFD值，所述小MFD光纖具有與增益纖維MFD大致相匹配的MFD值。如果增益光纖△1-2的值足夠高，其纖芯直徑足夠小，和/或其截止波長與電信型光纖的差別足夠大，則最終的耦合器光纖的△βCR將對由輸入傳輸光纖至增益光纖的信號功率的耦合起到不利的影響。
為了克服耦合器的△βCR并將耦合信號功率提高到一可接受的程度，即95%以上，對耦合器光纖中的一個纖維特性(所述特性對MFD影響甚小)進行修改。這可以通過例如改變耦合器光纖維之一的包層的折射率來實現，美國專利5011251中揭示了一種用來完成此功能的技術。一耦合器光纖的包層玻璃可用相對于另一耦合器光纖包層玻璃有足夠量的氯來摻雜，由此使若不采用這一技術將存在于光纖之間的△βCR減到最小或基本消除。也可使用其它的包層摻雜劑。例如，可使用低濃度的B2O3和氟來降低一光纖維包層的折射率，而一些摻雜劑如GeO2可用來提高包層的折射率。其它已知技術也可用來補償耦合器光纖的△βCR，例如，可對光纖之一的外徑進行腐蝕。
運用耦合模理論來模擬其工作情況，對1×2或2×2的雙光纖消色差3dB耦合器作了理論分析。所述分析基于1983年紐約Chapman and Hall公司出版的由A.W.Snyder和J.D.Love所著的《光波導理論》一書所述的原理。根據這一理論，假定圖2的2×2外包層耦合器的模式場為每一光纖32和31不存在其它光纖時的基模ψ1和ψ2的線性組合，即，光纖僅由折射率為n3的外包層折射率材料所圍繞。對于這種結構可準確地確定其傳播常數和模式場(見M.J.Adams所著的《光波導引論》)。
描述了兩纖芯間的光耦合的耦合常數可寫成一復疊積分形式C＝∫ψ1(r)ψ2(r′)(n-n′)dA (2)在這一方程中，ψ1和ψ2是兩纖芯的模式場，r和r′分別是從光纖32和31之纖芯中心起算的徑向距離，n是整個耦合器的折射率配置，n′是光纖32的纖芯和包層被折射率為n3的外包層材料取代后的折射率配置，且積分在耦合器的整個橫截面上進行(但n-n′僅在光纖32的纖芯和包層上不為零)，模式場在這一方程中假定為歸一化的，即積分∫ψ21dA和∫ψ22dA均等于1。
雖然這些是錐形裝置，但在一給定的耦合長度內假設一恒定的拉伸比，而在所述長度之外不進行耦合，便足以模擬其定性性質，即，假設圖2的收細區域N的直徑在收細區域的整個長度Z上是恒定的。這是一種較好的近似方法，這是因為耦合常數是拉伸比的一快增長函數，因而耦合器的特性主要取決于在最高拉伸比時的特性。使用這一近似，隨著功率進入光纖32的纖芯，作為Z(沿著耦合器軸線的長度)的函數，在兩纖芯中的功率由下式給出P1(z)＝1-F2Sin2( (C)/(F) Z) (3)和P2(z)＝F2Sin2( (C)/(F) Z) (4)其中因子F由下式給出F =〔1+(β1-B22C)2〕-1/2(5)]]>其中β1和2分別是光纖32和31的傳播常數。
通過沿著錐形段對耦合方程進行積分可更定量地得到結果。可使用波束傳播技術(傅里葉變換，有限差分等)來更為準確地進行模擬，雖然其代價是計算時間增加許多。
可由式4和5看到，對光纖32的最大耦合由F2來給出，在這里定義的術語“大致平行的傳播常數曲線”意味著，在一給定工作波長窗內，系數F2不會下降至給定的最小可接受耦合值之下。因而，在本發明的耦合器中(可存在或可不存在△βCR＝o的波長)耦合器對于波長的依從特性是由耦合常數C對于波長的依從關系決定的，且大致地不會由于△βCR值的改變而改變。
當兩耦合光纖的傳播常數曲線如圖4和5中所示那樣時，可使用本發明來改進耦合。圖4示出了耦合區域中基模的傳播常數隨波長而變化的方式。曲線44代表具有一低的△1-2值的耦合器光纖的傳播常數，其最大值b等于低△1-2纖芯之折射率乘以2π/λ。曲線42和43代表具有一較高的△1-2值且包層的折射率與由曲線44所代表之光纖相同的耦合器光纖的傳播常數，它們的最大值C等于高△1-2纖芯之折射率乘以2π/λ。因為，曲線42，43和44均漸近地遞減至一數值a，所述數值a等于圍繞著光纖的媒質的折射率乘以2π/λ，對于所有的光纖，a的值是相同的。如果高△1-2光纖的截止波長小于低△1-2光纖的截止波長，則高△1-2光纖的傳播常數將如曲線43那樣，從而在波長遠低于耦合器使用的最小波長d時與曲線44相交。如果高△1-2光纖的截止波長大于或約等于低△1-2光纖的截止波長，則高△1-2光纖的傳播常數將象例如曲線42那樣，從而當波長遠低于耦合器使用的最小波長d時它也不會與曲線44相交。如果兩光纖的傳播常數曲線在波長的使用范圍內相交，則為獲得最小可接受的耦合無需對傳播常數進行修改，且無需使用本發明的原理。在目前看到的實際的實施應用中，光纖△1-2和截止波長有顯著的差別從而為了得到可接受的工作狀況需要一種改變△βCR的方法。在所有情況下，β曲線互相間大致平行。在本發明所構思的一實施例中，傳播常數曲線在最大耦合波長區域內不相交。
在圖5中對于兩耦合器光纖中每一根光纖畫出了βCRλ作為波長函數的曲線圖。由于βCR在所有情況下與1/λ成正比，這些圖是βCRλ的曲線圖而不是βCR的曲線圖。這種類型的曲線圖把主要變化的范圍加以放大，由此可以確定βCR中的細小的差別。圖5表示由前面所述的市場上可購得的電信光纖和一小MFD值的光纖(△＝1.0%，截止波長約為950nm)制成的，不對任一光纖進行修改以改進耦合的耦合器。拉伸比R如圖所示為3和6。拉伸比是用以制作外包層耦合器的玻璃管的直徑與拉伸步驟后收細區域內的管子直徑的比率。曲線45和47是大MFD耦合器光纖的βCRλ曲線。曲線46和48是小MFD耦合器光纖的βCRλ曲線。這些曲線大致上平行且不相交。根據本發明，兩光纖中某一根的傳播常數曲線被修改(例如通過使用一使折射率升高的摻雜劑例如氯來對小纖芯直徑的光纖進行摻雜)從而使曲線移得相互更接近因而實現更為完全的耦合。
由于βλ曲線大致平行，可單靠選擇合適的長度來拉伸耦合器的預制件從而在所需波長范圍中的任意波長上進行耦合。當βCRλ曲線在一給定的波長上陡斜相交時不能采用上述做法，因為如果這樣做的話，則必須將耦合器的預制件拉伸至一導致耦合發生在所述給定波長上的長度。
為了說明本發明提供的改進，對外包層耦合器A和B進行比較。耦合器A(前面已作描述)設有改變β以改進其信號功率耦合的特點，而耦合器B具有這樣的特點，完成耦合器的拉伸步驟從而使得最大耦合出現在約1310nm處。由于未改變光纖特性來補償△βCR，故光譜耦合器如圖3的曲線35所示，耦合功率在1310nm處約為32%。
耦合器B也包括上述的標準電信光纖和一具有2%的△1-2和約截止波長1260nm的小MFD光纖。然而，耦合器B與耦合器A的不同之處在于，耦合器B的大MFD的光纖的包層中含有的氯比耦合器A的大MFD光纖中多約0.15wt.%，耦合器A的包層僅含約0.04-0.06wt%的氯，這一般是在干燥/固化步驟后存留在包層玻璃中的量。再一次進行耦合器拉伸步驟以使最大耦合出現于約1310nm處。第二個耦合器的光譜耦合由圖3的曲線36示出，其耦合功率在1310nm處大于97%。
本發明的耦合器亦可用于除圖2的正向泵激光纖放大器外的其它裝置中。例如，可用于EP-A-0504479所描述的各種其它型式的裝置如反向泵激和雙端光纖放大器裝置及用來把光從一激光二極管耦合入一電信光纖的裝置中。
如在EP-A0504479中所描述的那樣，對于光信號不在其中進行傳輸的增益纖維的那部分無需向其提供泵功率。因此，至少在耦合器和泵源之間延伸的那部分低MFD光纖不能含有產生激光的摻雜劑。其最簡單的形式是，整個小MFD耦合器光纖如上述的那樣不含有產生激光的摻雜劑。然而，通過使用圖6的耦合器51可基本消除耦合器和增益光纖之間的熔接損耗。耦合器51包括一光纖53，所述光纖的MFD值與用來與它相熔接的那種形式的電信光纖的MFD值大致相匹配。耦合器55由在耦合器的收細部分內的界面59上相熔接的兩光纖段56和57制成，光纖段57是一增益纖維，其纖芯含有一產生激光的摻雜劑。同前面的實施例一樣，光纖段56的MFD值可與光纖段57的MFD值大致相匹配。在另一種形式下，光纖段56的MFD值可不同于光纖段57的MFD值，光纖段56的MFD值的大小是這樣的，MFD值使它能有效地接收來自另一光纖或一泵激光的激光二極管源的功率。在任一種情況下，光纖段56和57之間的任何模式場失配的作用均可降至最低，這是因為熔接點是位于△1-2和光纖維的纖芯直徑作用很小的地方，即處于耦合器的收細區域。
本發明的耦合器可根據前已提及的美國專利第5011251號而制成。圖7和8示出了一玻璃管60，其軸向孔61在其端部具有漏斗形狀62和62′。所述孔的橫截面形狀可以是園形、菱形、正方形等等。玻璃管60的軟化點溫度應比將插在其中的光纖的軟化點溫度低。合適的玻璃管的組成是用1至25wt.%的B2O3對SiO2摻雜及用0.1至約2.5wt.%的氟對SiO2摻雜。除了降低SiO2的軟化點溫度之外，B2O3和F還降低了其折射率。可通過采用額外的B2O3使玻璃管更軟并使用一摻雜劑例如GeO2使折射率提高至所需值來制造玻璃管。有時需要使用一具有梯度折射率的玻璃管。例如，玻璃管的內部區域可具有一第一種折射率，而玻璃管的外部區域的折射率可低于所述第一種折射率。
有包層的光纖67和68分別包括光纖63和64及它們的保護包層65和66。光纖67足夠長以使其中一有用長度段延伸出玻璃管60的每一端。光纖68足夠長以使其中一有用長度段僅延伸出玻璃管60的一端。光纖63和64的每一根包括一纖芯和包層，纖芯的半徑和折射率使得光纖64的MFD大于光纖63的MFD，位于有包層的光纖62的端部之間的包層的一部分被切除，其距離略短于孔61之長度，包層的一部分從有包層光纖68的一端起被切除。把有包層的光纖穿過孔直至無包層部分被置于玻璃管的端部之間。把光纖64穿入孔直至其無包層部分被置于漏斗口62之內。少量的膠水69被滴在有包層的光纖維之一側從而將其粘在漏斗口62的一側，而留出一個允許進入孔61的開口70，有包層光纖67可先被加上一輕微的拉力隨之可同樣地將一滴膠水滴在有包層光纖67和漏斗口62間。
完成玻璃管內縮裹緊及拉伸步驟的裝置示于圖9。夾盤72和73是用來在這種裝置中固定耦合器預制件的，它們安裝在最好由一臺計算機進行控制的電動機控制載物臺上。環形噴燈74可用來均勻地加熱毛細玻璃管的中部。
圖7和8的耦合器預制件被穿過環形噴燈74并被夾在拉伸夾盤上。光纖被穿過抽真空附屬裝置75和75′，所述抽真空附屬裝置隨后被固定于玻璃管60的端部。抽真空附屬裝置75(其剖面圖示于圖9中)包括一連接于玻璃管60之端部的導管77，和一抽真空管道78。導管77的端部可如箭頭79所指明的那樣被夾在光纖上。上部抽真空附屬裝置75′包括由原先的參考標號所代表的相同部件。
真空裝置V被接至預制件的兩個端部，耦合器預制件使用噴燈在一短時間內被加熱(所述時間典型地是在12至25秒之間)，以將玻璃管中部的溫度升高至軟化溫度。在玻璃管上的有差異的壓力的幫助下，導管中部80收縮裹緊在光纖上。玻璃管基質玻璃包圍了光纖并封住了孔以形成一實心的結構。
收縮裹緊的玻璃管中部的中央部分可在不將器件移離所述玻璃管在其中收縮裹緊的裝置的條件下被進行拉伸。在玻璃管冷卻以后，火焰重新燃起，收縮裹緊的部分被重新加熱。用于拉伸過程的火焰持續時間(取決于所要求的耦合特征)通常在10至20秒之間。用于拉伸步驟的加熱時間越短則被拉伸區域越是比收縮裹緊的區域短。在收縮裹緊的玻璃管被重新加熱之后，夾盤72和73向相反方向位伸直至耦合器長度被增至一預定數值時為止。
光功率可被耦合至一輸入光纖，且在耦合器的制造過程中對輸出信號進行監視來控制過程步驟。例如可參見美國專利5011251。在以下所描述的特定例子中，在拉伸過程中輸出功率未受監視。在帶有外包層光纖耦合器的以往經驗中，兩個載物臺的總拉伸距離一般在12至16mm之間。因此在這一例子中所描述的耦合器起初伸展至該范圍內的某一距離。對制成裝置的光學特性進行測量，且隨后對所制成的耦合器的拉伸或伸展距離這樣來進行調節，以便接近所需的特征。通過這一過程，可達到最佳拉伸距離。在此之后，該種型式的所有耦合器被拉伸至最佳距離從而達到所需的光學特征。然而，作為所制得的耦合器的光學特征的一種結果，過程參數例如伸展距離可被精細地進行調節。
在耦合器被冷卻之后，把真空管道從耦合器上移離且將一滴膠水滴在毛細管的每一端，所述膠水至少部分地流入軸向孔中，這就形成了真空密封且也增加了器件的拉伸強度。
以下的特定的例子描述了一種制造光纖放大器及用在放大器中的光纖耦合器的方法。
耦合器光纖和增益光纖由美國專利第4486212中所揭示的工藝(它被結合于此以作參考)或一相似的工藝來制造。簡要地說，根據該專利，在一園柱形的心軸上制成了包括一纖芯區域和一覆蓋玻璃薄層的多孔纖芯預制件。心軸被除去，所形成的管狀預制件被慢慢地插入一固化馬弗爐膛中，所述爐膛的最高溫度在1200℃至1700℃之間，對于二氧化硅含量高的玻璃宜采用約1490℃。如美國專利第4165223(它被結合于此以作參考)所述的那樣，爐膛的溫度曲線在中央部分最高。氯是由氦氣和氯氣所組成的干燥氣體流入預制件的開孔而提供給預制件的，它通常以最小的濃度存在，而這是達到干燥所需的，所述開孔的末端被插接以使氣體流過預制件的細孔。氦氣清洗氣體同時流過馬弗爐。
當真空被提供給開孔以形成一“纖芯棒”(在其中孔被關閉)時制得的管狀玻璃物在一標準拉伸爐中被拉伸。芯棒的合適的長度被固定在車床上，而二氧化硅微粒淀積在芯棒上。所制得的最終的多孔預制件被逐漸插入固化爐，在爐中當由氦氣和氯氣組成的混合物向上地流過時所述預制件被固化。所制得的玻璃預制件被拉伸以形成階躍折射率的單模光纖。
(a)形成電信型光纖64由使用8.5wt.%的GeO2摻雜的SiO2組成的玻璃微粒的第一層淀積在一心軸上，且一SiO2微粒的薄層淀積在所述第一層上，把心軸移開，且制得的多孔預制件被逐漸插入一爐膛，所述爐膛具有一個氧化鋁制的馬弗爐，在其中所述預制件被干燥和固化。在這一過程中，一含有65sccm(標準立方厘米/分鐘)氯氣和650sccm氦氣的氣體混合物流入心軸被移走后的中心孔。一含有40slpm(標準升/分鐘)氦氣和0.5slpm氧氣的清洗氣體由馬弗爐的底部向上流。所述開孔被抽真空，且管狀體的下端被加熱至1900℃并被以約15cm/min的速率進行拉伸以形成-5mm的固體玻璃棒，所述棒被分割成幾段，其中一段用作心軸被固定在車床上，在其上淀積有SiO2覆蓋炱以形成一最終的多孔預制件。所述最終的多孔預制件被逐漸插入一爐膛的氧化鋁制馬弗爐內，所述爐膛的最高溫度為1490℃，在該溫度下預制件被固化以形成一拉伸毛坯。在固化過程期間，一含有40slpm氦氣，0.6至0.7slpm氯氣和0.5slpm氧氣的氣體混合物流過馬弗爐。該處理方法最終在包層中形成約0.15至0.20wt.%的殘余氯濃度。毛坯的尖端被加熱至約2100℃，由此可拉伸出一外徑為125μm的光纖，在拉伸時，所述光纖被直徑為170μm的尿烷丙烯酸樹脂的包層所包覆。
(b)形成小MFD耦合器光纖63除了以下所述的差別外，與段落(a)中所述的相同的工藝被用來形成光纖63。一由使用18wt.%GeO2摻雜的SiO2組成的玻璃微粒的第一層被淀積在心軸上，且一SiO2微粒的薄層被淀積在所述第一層上。制成的多孔預制件被進行固化。拉伸并使用純二氧化硅包層進行外包覆。纖芯直徑與制得的拉伸毛坯的外徑之比是這樣的，使得纖芯小于光纖64的纖芯(見表1)。在固化純二氧化硅外包層期間，含有40slpm氦氣。0.5slpm氯氣和0.5slpm氧氣的氣體混合物流過馬弗爐。這一處理方式在包層中造成一約為0.05wt.%的殘余氯濃度。所述光纖被拉伸至外徑為125μm且使用170μm直徑的尿烷丙烯酸樹脂來包覆。
c.纖維特征表1列出了這些光纖維的△csi(等效階躍折射率增量)dcsic(等效階躍折射率纖芯直徑)和MFD。光纖64的模式場參數是預先為制造光纖已測量好的常規值;它們根據模式場直徑的Petcrmann Ⅱ定義使用可變孔徑遠場方法來決定。光纖63的模式場參數為計算值。
表1模式場直徑
△esidesi在1500nm 在1000nm光纖640.00368.3μm10.5μm5.7μm光纖630.01913.4μm4.4μm2.8μm光纖64和一具有2%的△1-2且截止波長為950nm的光纖的熔接損耗在980nm為3.75dB，在1540nm為18dB。
d.形成耦合器玻璃毛細管60的長度為3.8cm;外徑為2.8mm，其孔口是菱形的，該菱形的每一邊長度約為310μm。所述毛細管(它由一火焰水解工藝制成)由用8.0wt.%的B2O3進行摻雜的二氧化硅組成。每一漏斗口62是通過在加熱玻璃管之末端的同時使NF3流過該管而形成的。
有包層的光纖67和68分別被切割成約3.0米和1.5米長。一段長約2.8cm的包層被從光纖67的中心部分剝去。一段長為6cm的包層從有包層的光纖68的末端被剝去。通過將火焰引向被剝離部分的中央的同時拉伸光纖的末端以形成一錐形末端從而在光纖64的末端制成一抗反射終端。使用一噴燈火焰來加熱光纖64的尖端使玻璃后縮以形成一園形端面，其直徑等于或略小于原有的無包層光纖之直徑。最終的經剝離的端區長度約為3.2cm。
有包層光纖67被穿過孔口直至末包覆部分被置于玻璃管端部之間。光纖64被穿入孔口直至其有包層部分被置于漏斗口內。少量的紫外光致可粘合劑被涂在有包層光纖上從而將它們如圖7和8中所示的那樣粘到漏斗口62上。有包層光纖67經受到一輕微的拉力，少量紫外光致粘合劑被涂在有包層光纖67上以將它粘至漏斗口62′。
耦合器預制件71被穿插過環形噴燈74且被夾在圖10裝置的夾盤72和73上。抽真空附屬裝置75和76被固定在導管的末端且被夾住(箭頭79)以向預制件71提供一穩定在約為46厘米(18英寸)汞柱的真空度。
煤氣和氧氣分別以0.60slpm和1.2slpm流向環形噴燈。所述環形噴燈打開約18秒鐘以使玻璃管中部的溫度升高至其軟化溫度，這使玻璃管約0.5cm長的一段玻璃管收縮裹緊到光纖上，在耦合器預制件被冷卻了約30秒以后，火焰被再次點燃，此時煤氣和氧氣以與玻璃管軟化步驟中相同的方式流動，已收縮裹緊的區域被重新加熱約17秒鐘。真空度保持在約46厘米泵柱。夾盤72和73向相反方向以約為2.0cm/sec的速率移動，從而使耦合器的總長度增加約1.62cm。
在耦合器被冷卻后，把抽真空導管從耦合器上除去，一滴粘合劑被滴在毛細管的每一端部且被暴露在紫外光下60秒鐘。然后耦合器被從拉伸裝置上移開。
用上述工藝制成了低的插入損耗的耦合器。當-1310nm的輸入信號被送入輸入光纖14′時，一個這種型式的耦合器的插入損耗低于0.26dB，額外損耗為0.13dB，耦合比為97.06%，這種耦合器的耦合曲線示于圖3中。
權利要求
1.一光纖耦合器，其特征在于，包括具有雙錐式錐形段的一第一根單模光纖和具有雙錐式錐形段的一第二根單模光纖，所述兩光纖之每一根均有由折射率為n2的包層圍繞的纖芯，所述錐形段被熔合在一起以形成一耦合區域。所述耦合區域由折射率n3低于n2的媒質所圍繞。所述第一根光纖具有在耦合區域內改變基模傳播常數的第一種方法，它使之改變至這樣的程度，在不存在下述第二種改變傳播常數的方法的條件下，在所述耦合區域內所述第一根和第二根耦合器光纖的傳播常數之差小于在正常情況下由所述第二根光纖耦合至所述第一根光纖的波長為λs的給定光功率之百分率，以及用來改變光纖中之一根的傳播常數的第二種方法，它使之改變至這樣的程度，使得多于所述波長λs的給定光功率的百分率由所述第二根光纖耦合至所述第一根光纖，在所述耦合區域內所述光纖的這些部分的光傳播常數曲線在出現最大耦合的波長區域內大致上平行。
2.如權利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述媒質包括一帶有兩端部區域和一中間區域的基質玻璃的拉伸體，所述第一根和第二根光纖在所述拉伸體內軸向伸展且沿所述拉伸體的中間區域被熔合在一起，所述中間區域的中央部分之直徑小于所述端部區域的直徑，所述拉伸體中間區域的中央部分構成所述耦合區域。
3.如權利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述用于修改的第二種方法包括用來修改光纖中之一根者的包層折射率。
4.如權利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述用于修改的第二種方法包括在包括第二根光纖之包層中的氯含量多于在所述第一根光纖之包層中的氯含量，由此使所述第二根光纖之包層的折射率大于所述第一根光纖之包層的折射率。
5.如權利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述給定的百分率是95%。
6.如權利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述第一根光纖維包括在其整個長度上具有大體一致的模式場直徑的一單模纖維。
7.如權利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述第一根耦合器光纖包括兩段光纖，所述光纖段在所述耦合區域內被熔合在一起，所述兩光纖維段具有不同的模式場直徑。
8.如權利要求7所述的耦合器，其特征在于，具有較小模式場直徑的光纖段包括一有著用產生激光材料進行摻雜的纖芯的增益光纖。
9.如權利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述第一根光纖的至少一部分的模式場直徑小于所述第二根光纖的模式場直徑。
10.如權利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述第一根光纖的模式場直徑小于所述第二根光纖的模式場直徑。
11.如權利要求1所述的耦合器，其特征在于，在所述耦合區域內所述光纖的所述部分之光傳播常數曲線在出現最大耦合的波長區域內不相交。
12.一光纖放大器，其特征在于，包括用來放大光信號的增益光纖裝置，包括具有雙錐式錐形段的一第一根單模光纖和具有雙錐式錐形段的一第二根單模光纖的光纖耦合器，所述光纖之每一根具有由一折射率為n2的包層所圍繞的纖芯，所述錐形段被熔合在一起以形成一耦合區域，所述耦合區域由折射率n3低于n2的媒質所圍繞，所述第一根光纖的一端被連接至所述增益纖維裝置上，所述第一根光纖具有第一種方法，用它來將耦合區域內的基模的傳播常數改變至這樣一種程度以使得在不存在下述第二種改變傳播常數的方法的條件下所述耦合區域內的所述第一根和第二根耦合器光纖的傳播常數之差小于在正常情況下由所述第二根光纖耦合至所述第一根光纖的波長為λS的光功率的給定百分率，且第二種方法用來將所述光纖之一根的傳播常數改變至這樣一程度使得所述波長為λs的多于給定百分率光功率由所述第二根光纖耦合至所述第一根光纖，所述光纖的這些部分的光傳播常數曲線在出現最大耦合的波長區域內大致平行。
13.如權利要求12所述的光纖放大器，其特征在于，所述媒質包括一帶有兩端部區域和一中間區域的基質玻璃的拉伸體，在所述拉伸體內所述第一根和第二根光纖沿軸向伸展且沿所述拉伸體的中間區域被熔合在一起，所述中間區域的中央部分之直徑小于所述端部區域的直徑，所述拉伸體中間區域的中央部分構成所述耦合區域。
14.如權利要求12所述的光纖放大器，其特征在于，所述用于修改的第二種方法包括用來修改所述光纖之一根的包層之折射率的方法。
15.如權利要求12所述的光纖放大器，其特征在于，所述用于修改的第二種方法包括在所述第二根光纖之包層中的氯含量多于在所述第一根光纖之包層中的氯含量，由此使得所述第二根光纖之包層的折射率大于所述第一根光纖之包層的折射率。
16.一光纖放大器，其特征在于，包括用來放大光信號的增益光纖裝置，和具有第一根和第二根耦合器光纖的光纖耦合器裝置，所述第一根耦合器光纖的一端部被連接至所述增益光纖裝置，所述第一根耦合器光纖的模式場直徑大致地與所述增益光纖裝置的模式場的直徑相匹配且小于所述第二根耦合器光纖的模式場直徑，所述耦合器光纖的一部分處于與波長有關的光傳送關系，由此波長為λs的大部分光功率在所述第一根和第二根耦合器光纖之間耦合，而導入所述第一根光纖中的波長為λp的大部分光功率仍留在所述第一根耦合器光纖中，所述光纖間模式場直徑之差導致了在所述耦合區域內所述第一根和第二根耦合器光纖的傳播常數之差達到一小于由所述第二根光纖正常耦合至所述第一根光纖的波長為λs的光功率的一給定百分率，和用來將所述光纖之一根的傳播常數加以修改的方法將使得多于給定百分率的波長為λs的光功率由所述第二根光纖耦合至所述第一根光纖，在所述耦合區域內所述光纖的這些部分的光譜傳播常數曲線大致平行。
17.如權利要求16所述的光纖放大器，其特征在于，所述耦合器光纖具有一雙錐式錐形段，且每一根所述光纖均帶有由一折射率為n2的包層所圍繞的纖芯，所述錐形段被熔合在一起以形成一耦合區域，所述耦合區域由一折射率n3低于n2的媒質所圍繞。
18.如權利要求17所述的光纖放大器，其特征在于，所述媒質包括一具有兩端部區域和一中間區域的基質玻璃的拉伸體，所述第一根和第二根光纖在所述拉伸體內軸向伸展且在所述拉伸體之中間區域被熔合在一起，所述中間區域的中央部分之直徑小于所述端部區域的直徑，所述拉伸體中間區域的中央部分構成所述耦合區域。
19.如權利要求18所述的光纖放大器，其特征在于，所述第一根耦合器光纖的所述一端被接至所述增益光纖裝置的所述一端。
20.如權利要求18所述的光纖放大器，其特征在于，在所述第一根耦合器光纖和所述增益光纖之間的接頭被設置在所述耦合器內。
全文摘要
本發明揭示了一種光纖放大器系統，其中一增益光纖與具有第一根和第二根耦合器光纖的一光纖耦合器結合在一起工作。所述耦合器光纖沿著它們的長度之一部分被熔合在一起以形成一與波長有依從關系的耦合區域，由此使得在其間可對波長為λ
文檔編號G02B6/34GK1094818SQ94100240
公開日1994年11月9日 申請日期1994年1月6日 優先權日1993年1月7日
發明者戴維·李·韋德曼 申請人:康寧股份有限公司