CN1016105B

CN1016105B - 单模纤维定向耦合器的制造工艺

Info

Publication number: CN1016105B
Application number: CN 85103465
Authority: CN
Inventors: 特里·布里克诺; 艾伦·菲内丁; 尼古拉斯·安东尼·休伊斯
Original assignee: Standard Telephone and Cables PLC
Current assignee: STC PLC
Priority date: 1985-05-03
Filing date: 1985-05-03
Publication date: 1992-04-01
Also published as: CN85103465A

Abstract

一种制造单模光导纤维定向耦合器的方法，该法将二根纤维(30、31)，紧紧夹在一起，用纵向移动上述纤维通过火焰(34)的方法对其进行连续的拉伸操作，此操作是用一对以略有差别的速度运动的夹块来进行的，从而伸长了它们之间的纤维。

Description

本发明涉及单模纤维定向耦合器的制造工艺。

在定向耦合器中，可把一个波导管中能量传播的场与另一邻近波导管能量传播的场重叠从而使两个波导管间产生能量交换。在光的波导管中，光覆盖层的功能之一通常是隔离开可能对光波产生干扰的因素，这样，就提供了一个附加衰减的势源。在制造光导纤维定向耦合器时，为了提供一个耦合区，需要在一段距离上部分地抑制该覆盖层的这种隔离效应。为达到这个目的，文献中曾提出过一种用蚀刻和（或）抛光除去一部分覆盖层的方法。在文献中还提出过另一种方法，即用拉细的方法减小光芯线的直径，其结果是引起了光波场的增大，显然，最终所增大的大部分能量就会超出覆盖层的限制。在这方面需要注意的是用拉长的办法减小芯线直径，同时会影响到覆盖层的厚度相应地变薄。采用这种拉长技术制造单模光导纤维定向耦合器的办法已由B、C、川奇（B、S、KaWasaki）等人在其论文中阐述过了，他们的论文题为“双锥形单模纤维耦合器”，发表在《光学通信》（OPtical Letters）杂志第6卷第7期327页到328页（1981年7月）上，该文作者所说的制作方法基本上与B、S、川奇和K、O希尔在论文“多模光导纤维分布网络的低损耗耦合器”中所述的一样，这篇论文发表在《应用光学》月刊的第16卷第7期第1794页到1795页上。其所述方法是把两根纤维扭在一起，以便它们互相紧紧接在一起，在装配架上固定上述纤维，用弹簧拉紧然后用小型火灯把纤维软化和熔化，以便使弹簧拉长软化区的纤维，从而形成了两根双锥形，总长近似为1厘米的纤维。

我们曾试图用这种方法制造单模纤维定向耦合器，但是发现由制出的定向耦合器所决定的最终耦合特性对双锥形的最小部分的尺寸和形状的要求是很高的，以致于这种方法看来还不适于进行商业性的制造。

本发明所采用的是制造纤维定向耦合器的另一种拉长工艺，它比用上述方法更容易控制，并制造出了更长的耦合区。增加了耦合区的长度就意味着其横断面积也较大。因为这加强了光的传导，从而较少地受环境造成的应变的影响。此外，环境所施加的应力影响就不会完全集中于一个很短的区域。

本发明提供了一种制造单模纤维定向耦合器的方法。其特点是用两根或多根玻璃单模光导纤维，使其互相紧紧换在一起为在纤维之间产生所要的光耦合强度，对它进行多次的连续拉伸操作，每次操作都以受控制的速度轴向地伸长纤维。在轴向移动时，纤维还通过一个能够加热局部纤维的热源，并使这段区域充分地加热软化，以使纤维在这段区域内产生塑性流伸长。

下面对本发明提出的制造定向耦合器的较佳实施方案进行说明。为了进行比较，本文首先对本发明转换特性未被应用之前所得出的典型结果加以说明。以后将这种方法称作“静止火焰法”。现对附图作说明如下：

图1示出了缩小了的单模纤维直径对其V值和基模半径的影响。

图2示出了两根单模纤维间耦合的功率变化，这个耦合是由平衡拉伸操作以及静止火焰所制造的双锥形耦合器产生的。

图3是一个本发明所用设备的示意图。

图4示出了，两根纤维之间的耦合是如何随着纤维的伸长而变化。

图5和图6示出了两个耦合器的光谱特性，这两个耦合器是按本发明提出的办法制作的。

一个光导纤维基本导向模光波场的界限是与该光导纤维的V值有关，其关系如下：

λV＝2a（n² ₁-n²

)^{\frac{1}{2}}

式中，a是芯线半径，n₁和n₂分别是芯线和覆盖层的折射系数。从这个公式可以清楚看出，如果对一段长度的光导纤维进行拉长操作，减小其直径，则V值就减小了。V值的减小增加了基模的半径（该直径定义为将总能量1-e^-2封闭在内的那个直径）。图1示出了这些影响，所示为一个工作在1.3微米波长时的典型单模纤维的情况。该纤维的芯线直径是9微米，覆盖层的直径是125微米。在工作波长为1.3微米时，其芯线和覆盖层的折射系数分别为1.480和1.447，因此这根纤维的V值在2.1和2.2之间。图1示出，直到纤维直径缩小到原来直径的一半时（直径缩小率为2），此时V值减小到大约为1，功率才开始明显地增大。但是还可以看出，当缩小率达到2.5时，基模半径就迅速增大，并要超过覆盖层半径的减小值。显然，一旦到达这个阶段，缩小率相当小的一点变化也会极大地影响到一个定向耦合器的两根纤维之间的耦合效果。

图2为用静止火焰使一对扭绞的纤维对称地进行锥形变长的方法来制造定向耦合器的过程中所观察到的耦合功率变化的情况。在制作这种耦合器时，扭绞的一对纤维是用一静止的微型火灯进行局部加热的，同时纤维的两端以恒定的速率分开，于是就产生了双锥形。把光从一条纤维的一端射进时，然后对从该纤维的另一端出来的光输出进行监测，这样就得到了作为时间函数而记录下来的功率输出的变化情况。在时间t₁时开始火焰加热，然后以每秒100至200微米的线性伸长率连续地进进拉长操作，到时间t₂时熄火，暂停伸长，此时输出只下降了不到3.5dB。如前所述，在伸长的开始阶段，在纤维之间基本上没有产生耦合。然而，一旦耦合变得明显时，它就以从未有的增大速度连续增大，至少增大到3dB点时为止。在这一阶段，由于火灯熄灭，锥形区迅速冷却，损耗又增大1dB。这种迅速地突然开始耦合情况使得这种制造耦合器的方法变得太困难了。以致用这种方法无法控制在适当的时刻停止拉长操作。随着耦合器拉制进行所述的控制问题变得越来越难解决，因为在制造波长的信号混合器和信号分离器时，必须利用其光谱特性，从而要求耦合器有更强的耦合系数。在拉伸的过程中仅仅用放慢伸长率的办法是无助于该问题的根本解决的，因为在火焰中加热软化成很细纤维的时间越长，它下垂或被火焰吹断的危险就越大。任何这种性质的局部弯曲都会引起不能接受的太大损耗，此衰耗是由这个区域的V值低，减弱了传导特性而造成的。与此相连系的问题是，当移开火灯并使耦合从约1800℃降到室温时耦合器中所产生的大变化所带来的问题。

为减小第一个问题的严重程度，曾试图用鱼尾火焰加长拉细区域来解决，发现毫无效果。其原因就是因为鱼尾火焰中的温度分布不匀，从而产生了一个或数个局部的热点，在这些热点上纤维缩小的速度比其他的点快。较小直径的区域不能象较大直径的区域那样快的传热，因此，再次使耦合在很大程度上局限于一个强耦合的短区域，从而出现一种无法控制的局面。

现在研究本发明所提出的推荐方法。参考图3，有两根单模玻璃光导纤维〔30〕、〔31〕，已除去了它们上面的所有塑料覆盖层的痕迹，把它们扭绞起来以使其表面紧紧换在一起，至少在两个可独自移动的夹块〔32〕和〔33〕之间的区域应该扭绞在一起，夹块〔32〕和〔33〕牢牢地将纤维夹住。在夹紧纤维时应使扭绞纤维的轴线与两个夹块运动的方向准确地成一直线。在这两个夹块之间放有一个小火灯〔34〕，用它给纤维〔30〕、〔31〕进行局部加热。这个小火灯固定在适当的位置上。

夹住纤维两头的夹块〔32〕、〔33〕在相同的方向上，但以不同的速度移动。先动夹块总是比后动夹块移动得快一点，以使纤维在通过小火灯时可逐步伸长。这个过程与把光导纤维的初制品拉长的过程相似，但是制造纤维的典型线性缩减比为200，但在本发明的情况下，约为1%或百分之儿以下的缩减比是较理想的。然后要求来回移动几次，以产生合乎需要的耦合量。这些夹块的移动速度一般为每分钟5至10毫米。为了很好地把速度控制在约为0.25%的范围内，最好每个夹块有其自己的数字控制伺服电动机，该电动机在其反馈环路中加有一个轴编码器。实现连续移动的最好方式是，在每次移动到终点时，两个电动机就向反方向旋转，同时改变它们相对的旋转速率，以便使原来的后动夹块现在移动得比另一夹块快些，因为它已变为先动夹块了。这样，就在相对的方向上实现了一次又一次的移动。通常，旋转速率仅仅是在每次移动结束时才交替变化，以便使每一次移动都能产生同一伸长率，但是至少可将伸长率变化一次。在明显耦合开始出现以前可以用一种比较快的速率进行头几次移动，然后再采用较慢的伸长的速率，以便在停止这个过程的决定精确性时刻实现精密控制。点火与电动机几乎同步，熄火与停动电动机也几乎同步。在这方面应该这样理解;电动机启动可以导前点火一段时间而不产生有害后果，因为对弹性应变来讲，此时的伸长率是小的。冷态纤维可以忍受这种应变。同样，熄火也可以先于电动机停机而不产生任何不好后果。

于电动机的每次反向配合的暂时熄火，有可能在拉细部位产生不必要的颈状区。确保以后的移动量比开始的移动量长得多就可以减小或是消除这种任何潜在颈状区对光的影响，并很好地消除了在开始几次移动距离的两端产生的肩部，在该区域纤维之间还没有产生明显的耦合。（但是仅限于在两根纤维是互相挨着的区域来回移动，以避免产生将任何一纤维烧成天鹅颈的危险。）监测伸长过程的一种简便方法是，在开始操作以前，在每个夹块的上面装上指针〔35〕、〔36〕，它们应与火焰位于同一平面上。在第一次移动结束时，假定是按箭头〔37〕的方向移动的，两个指针的尖端就会移开，指针〔35〕将与小火灯的平面相交。在第二次移动时，当指针〔36〕的尖端达到了小火灯的平面上时，火焰便达到了在第一次移动中所形成的缩细部位的端部。

在制造一个典型的简单3dB耦合器时，在开始可以把夹块分开5至8厘米，一般说移动4或5次，就可以产生2厘米至5厘米的伸长量。为多路应用而制造的耦合器需要在纤维之间产生更紧的光耦合，因此，一般说来，要移动更多次，伸长量也更大。

监测制造过程的方法是，在伸长过程中，把一个特定波长的光束从一根纤维的一端射进去，从任一纤维或两根纤维的另一端观察光输出的变化。人们发现，把光从一根纤维，如纤维A的一端射进去，开始时，只是在纤维A上有输出，因为这时的耦合太弱，以致看不到有任何功率传到第二根纤维上，即纤维B上。然后，随着伸长过程的进行，耦合越来越强，纤维A的输出减弱了，而纤维B的输出功率相应地地增加了。经过适当的加工过程之后，在到达图4的3dB点〔40〕时，两根纤维的输出功率是相同的。然后，随着耦合的增大，进一步进入到过耦合的领域，此时纤维A的输出逐渐减少，直到全部功率传给纤维B，如点〔41〕所示。进一步增大耦合，又使纤维A产生部分输出，在通过第二个3dB点〔42〕之后，纤维A又可产生全部功率输出，如点〔43〕所示。以后继续增加耦合，就会开始重复这个循环，即输出功率在纤维A和纤维B的输出之间变化。

不论何种形状耦合器的耦合强度取决于耦合器的几何形状，耦合区内纤维的V值、以及耦合区的长度。V值不仅取决于纤维的几何形状和折射系数，也取决于波长。因此，如果不计及材料离散的影响的话，波长也可以增加耦合强度。可以用具有合宜几何形状的装置并利用波长影响的特性构成波长多路光纤系统。图5示出了一个耦合器的光谱特性，这个耦合器是用图3所述的方法制造的，是为在1.33和1.5微米波长进行混合信号或分离信号而设计的。为了获得这些特性，把来自白炽灯灯丝的光直接射入一个光栅单色光镜上，一根纤维的输入端固定在单色光镜的出口处，一个复盖层模除去器插在纤维的这一端与耦合区之间，因为按这方式发射的光不可避免地把不必要的复盖层模的光射进芯线模的纤维中。这种由白炽灯丝和单色光镜构成的系统组成了一种光源，可以射入的波长是把0.8微米以下的短波长滤掉了，同时把1.8微米以上的长波长也滤掉了的波长。轨迹〔50〕是用监测原来射进光的那根纤维的另一端的输出光得到的，轨迹〔51〕是用监测耦合器的另一根纤维的输出光得到的。可以看出，第一个3dB点发生在波长约1.0微米的区域，尽管该图形有些干扰，这是受了高阶模的影响，约到1.2微米时高阶模才滤掉。（从而可以看出这个耦合器是个过耦合单模纤维耦合器，即耦合器的耦合太强了，以致第一个3dB耦合点发生在比高阶模滤波波长短的波长上。）第二个3dB点发生在1.22微米区，在1.32微米区，看不到功率从第一根纤维传到另一根纤维上。在该图的约1.34微米处又有些干扰，此时有一寄生的尖峰出现在单色光镜的输出端。在波长约1.5微米处可以看出所发射的功率事实上全部都从第一根纤维传到了第二根纤维上。因此可以看出，这个设备能够在一个工作于1.32微米和1.55微米两个波长的系统上，作为一个混合器，或是分离器。光谱上的第一个3dB点的位置以及第一个3dB点与后来的3dB点间的宽度可以用以改变几何形状和改变耦合区长度的办法确定。这样，图5所示的耦合器所具有的3dB点的宽度近似相等于0.2微米，图6所示的为另一耦合器的光谱，其3dB点的宽度等于0.1微米。

在制造这类耦合器时，本发明所采用的以不同速度进行拉伸的技术上的主要优点有，可以使逐渐变细的速度很慢，这只受电动机可控制程度的限制，因此是可以很好地控制端点的。在这里要注意的是，可以一直均匀地拉长纤维，从而使耦合区很长。因此，用小火灯进行或停止局部加热对端点只有较小的影响，这是因为在任何时刻，火焰所加热的都不是整个耦合区，而只是耦合区的很小一部分。另外，较长的耦合区较为有利，这是因为每个单位长度的耦合强度小了。这就意味着组成纤维的V值更高了，因此纤维就较少地产生弯曲衰耗。这也意味着在其结构上不存在形状突变的局部颈部。颈状结构中的应变是由轴线不对中造成的且易集中。这两个因素使耦合器外壳的设计工作变得容易了，它使最终封壳的光特性将不易受机械应变或热应变的影响。

虽然上述的有关具体说明只是对用一对光纤维制造耦合器的说明，但很显然，本发明也适用于以多于两根纤维制造的耦合器。本发明还适用于K、P、库（K、P、KOO）在论文中所述的用三根纤维制造应用型的耦合器的情况。K、P、库的论文题为“使用纤维（3×3）定向耦合器的纯化稳定纤维干扰仪的特性”，发表在1983年4月26日至28日于伦敦召开的第一届光导纤维传感器国际会议的会刊上。

已经说明了要求纤维在整个拉细区互相紧靠在一起的理由，这就是要保证局部加热方法不会引起鹅颈状部位。根据上述的对耦合器的具体说明可知，是用将组成纤维扭绞在一起的方法实现必要的接触的，但应知道这不是达到这种结果的唯一方法。另一种方法就是把纤维穿过一定长度的玻璃套管，然后用一个移动的热源，例如小火灯，局部地加热套管，使套管软化并在表面张力的作用下压缩纤维。

本发明并不要求局部加热源必须是静止的来实现本发明所要求的相对运动。但是，一般说来，所以采用静止的热源是因为这样做简化了拉伸设备的驱动系统。

Claims

1、一种制造一个单模纤维定向耦合器的方法，将二根或二根以上玻璃单模光导纤维互相夹紧在一起，其特征在于对上述纤维进行多次连续拉伸操作，这样便可以在纤维之间产生所要求的光耦合强度，每次操作都以可控制的速度沿轴向伸长纤维，同时将纤维相对于一个能够加热局部纤维的热源作轴向移动，在局部加热区内可使纤维的某区域局部被加热、软化从而在该区域内产生塑性流伸长。

2、按权项1所要求的方法，其特征是把纤维互相扭绞在一起从而能将它们紧紧地靠在一起。

3、按权项1所要求的方法，其特征是通过加热纤维上的玻璃套管以使其变软，从而使套管压缩在纤维上，这样就可将纤维紧紧地靠在一起。

4、按上述任一权项所要求的方法其特征是加热源是静止的。

5、用上述任一权项所要求的方法制造的单模纤维定向耦合器是一种过耦合单模纤维耦合器，其耦合很强，它的第一个3dB耦合点发生在比其组成纤维上的高阶模滤波波长短的波长上。

6、按权项5所要求的耦合器是用一对单模光导纤维制造的耦合器。

7、按权项5所要求的耦合器是用三根单模光导纤维制造的耦合器。