CN1034445C - 制造与鉴定光纤耦合器的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明的一种制造和鉴定光纤耦合器的方法及设备，其中光纤被加热以使它们通过熔融结合在一起并拉长，构成光纤耦合器的锥形部分，其特点在于该锥形部分被装入保护外壳并固定在那里，使这一部分在不纤熔融结合和拉长之后保护其刚性扭转状态。

Description

制造与鉴定光纤耦合器的方法及设备

本发明涉及制造与鉴定光纤耦合器的方法及设备，在其中一组保持偏振性的光纤被部分加热，从而通过熔融结合在一起并被拉长以构成耦合器。

光纤耦合器是用于将通过一组光纤传输的光信号分支或耦合的一种装置。这种耦合器是通过部分地加热一组光纤从而使它们经熔融结合在一起并拉长构成的。

耦合器的固熔融结合和拉长而使直径减小的部分称为锥形部分，它被装在机壳内并固定在那里。

耦合器的一个重要特性参数是串话干扰特性，用以指出光的偏振性保持温度。在X-偏振光进入耦合器的情况下，耦合器的串话干扰CT由等式(1)表示如下：

CT＝10·log(P_Y/P_X)   (dB)        (1)

这里，等式(1)中的P_X和P_Y分别表示耦合器发送光的X-偏振分量和Y-偏振分量的光功率。串话干扰通常为一个负值。该值越小，则耦合器的偏振保持性越好。为了使耦合器具有良好的串话干扰特性，在制造耦合器的过程中需要使光纤的偏振轴彼此一致。

图1是一个剖视图，说明构成这样的耦合器时使偏振保持光纤的偏振轴彼此一致的传统过程。图1所示光纤21带有核心部分22、包层部分23、及应力加载部分24。图1中还给出显微镜25、发光源26以及旋转夹持器27。在光纤21被熔融和结合在一起之前，通过显微镜25观察从光源发出并穿过光纤的光找出应力加载部分24，它决定了光纤主偏振轴的方向。然后转动旋转夹持器27以转动光纤21，并将这些光纤固定在其偏振轴彼此一致的位置上。

然而，在传统方法中这种一致性的程度不够高，换句话说，在这些光纤的各自偏振轴之间造成一些偏差是不可避免的。再有，即使在这些光纤被熔融并结合在一起之前共偏振轴彼此具有极好的一致性，在光纤熔融结合和/或拉长的过程中由于受到扭转等作用会造成偏振轴彼此不一致，从而在完成了耦合器的制造之时它的串话干扰特性变差了，这是一个问题。

另一方面，由于受进入耦合器的光偏振状态的影响，耦合器的特性有时会发生变化，例如分支比和多余损耗特性等，所以需要鉴定与偏振有关的耦合器特性。如果耦合器是由偏振保持光纤制成的，那么耦合器的串话干扰特性(它指示进入耦合器的光的偏振状态被保持到何种程度)就是一个重要的特性参数。为了鉴定这类耦合器与偏振有关的特性，传统方法是使用图2所示测量系统来完成对耦合器的测定。

为进行上述鉴定，其偏振状态由偏振器4、波片3等调制的光需要被透镜组2聚光，然后从其一端进入耦合器6的光纤10。为了使光有效地进入光纤10，需要将光集中到光纤的核心。为此目的，移动一个放置该光纤的可作微小运动的机械平台以进行调节，使被监视的从光纤发出光的功率达到最大。在每次制造和鉴定耦合器时，都必须在耦合器两端中的每一端将光纤放到该测量仪上并移动机械平台进行调整。在耦合器由偏振保持光纤制成时，不仅需完成放置和移动，还需使光纤的偏振轴与进入光纤的光的偏振轴一致。这是又一个问题。因为这样做很复杂而且测量很费时间。

本发明的目的是解决传统的耦合器制造与鉴定设备的过程中伴随的上述问题。因此，本发明的一个目的是提供一个具有良好串话干扰特征的光纤耦合器。

本发明的另一目的是提供一种制造光纤耦合器的方法。在这种方法中，在使耦合器一组光纤的主偏振轴彼此一致的过程中存在的误差及光纤熔融结合和/或拉长的过程中引起的各光纤之间的不一致性都在拉长之后得到校正，从而改善了耦合器的串话干扰特性。

本发明的又一个目的是提供一种鉴定光耦合器的方法和设备，特别是对其串话干扰特性的鉴定，而不需要进行复杂的和费时间的操作。

本发明的又一个目的是提供一种鉴定光耦合器的方法和设备，其中串话干扰的测量值利用由光纤发出光的串话干扰进行补偿，后者是在耦合器制成之前测出的。

在本发明的方法和设备的一个实例中，光纤被加热，从而被熔融结合并拉长以构成光纤耦合器的锥形部分。本例的特点是该锥形部分被放入一个保持外壳之类的机壳中并固定在那里，使光纤被熔融结合和拉长之后刚性地保持在已扭转的状态。

本发明的方法与设备的另一实例的特点是：该光纤耦合器的锥形部分被刚性地扭转，以此耦合器中的串话干扰最小。

当锥形部分被刚性扭转时，可以对光纤耦合器中的串话干扰进行监测以控制其扭转，从而使串话干扰达到最小。

根据本发明的另一个方面，该方法和设备的特点在于：一组长偏振保持光纤被放置在外面并被加热，从而通过熔融结合在一起并拉长以构成耦合器；使用光源、透镜组、四分之一波片(λ/4)及偏光器产生线性偏振光，其光轴与光纤的偏轴一致，该偏振光从耦合器一端进入光纤，以得到预定的分支比；然后利用透镜组、偏光束分光器、功率计等来测量耦合器发出光的串话干扰。

在放置光纤时，用于偏振保持光纤耦合器的光纤的偏振轴容易彼此不一致，或者在它们熔融结合或拉长的过程中变成彼此不一致。由于在制造耦合器的传统方法中这种不一致性被留下来了，所以耦合器的串话干扰特性变差了。此外，由于各耦合器的这种不一致性程度各不相同，所以各耦合器的串话干扰特性也彼此不同。

然而，根据本发明所提供的方法和设备中，在光纤被拉长之后，通过对耦合器锥形部分的刚性扭转校正了这种不一致性，从而防止了耦合器串话干扰特性这种不一致性导致的变差。即使不一致程度因耦合器不同而不同，但通过刚性扭转耦合器锥形部分来校正其不一致性，可以使耦合器性能良好而彼此的串话干扰特性没有差别。

再有，对于上述鉴定耦合器的与偏振有关的特性的传统方法和设备，在每次制造和鉴定耦合器时都要将耦合器的每一个入光光纤和出光光纤放到测量系统上并调制一个光学系统。因此，其鉴定的效率较低。然而，根据本发明提供的方法和设备中，在制造耦合器时，将已经在其一端放在测量系统上并已调节于一个光纤输出(Sending out)便可以鉴定耦合器关于偏振的串话干扰特性。由于这一原因，在后一种方法中不需要在制造和鉴定耦合器时将光纤放置到测量系统上并将光纤调节到位于耦合器光输入的光学系统上。结果是使该方法和设备中的鉴定效率高于传统方法和设备中的效率。

在耦合器由偏振保持光纤制成的情况下，即不需要移动可作微小运动的机械平台来在耦合器的入光侧进行调整，也不需要使光纤的偏振轴与偏振器的偏振轴一致。因此，用上述方法和设备进行鉴定的效率大大高于传统方法。

有这样一个问题，即在某些测量条件下，影响绕在绕线轴上的光纤中光偏振的机械状态的变化是不可忽略的，它引起测量中的误差。然而，如果在制造耦合器之前测量出绕在轴心上的光纤的发出光偏振的机械状态，并在制造过程中或制成之后对测量结果利用完成制作之前的测量值进行补偿，那么这个问题便能够解决。

图1中的剖视图说明了使构成这种耦合器的偏振保持光纤主偏振轴彼此一致的传统方法；

图2是说明一种传统的测量系统的示意图；

图3是制造光纤耦合器的一种设备的示意图；

图4是耦合器中串话干扰的一个测量结果图；

图5是从鉴定结果中得到的频度值分布；

图6是鉴定光纤耦合器的一种设备的示意图；

图7是用传统方法和本方法测量的串话干扰之间的关系图；

图8是用传统方法和本方法测量多个耦合器的串话干扰结果之间的关系图；

图9是串话干扰补偿后的测量值与用传统方法测量的串话干扰之间的关系图。

图3是显示制造光纤耦合器的一个设备的示意图，该图也用来描述制造耦合器的方法。图3表示出光源101、偏光器102、在主线入光部分的旋转夹持器103a、在支线入光部分的旋转夹持器103b、在该主线出光部分的旋转夹持器103c、在该支线出光部分的旋转夹持器103d、为拉长光纤用的光纤夹持器104a和104b、检偏振器105、功率计106、构成耦合器一端的光纤107、以及耦合器的锥形部分108，这是在完成拉长时的状态。

在光纤拉长之后，光纤夹持器104a和104b从光纤上解除，从而使光纤能自由转动。然后转动旋转夹持器103a、103b、103c及103d以转动光纤，从而扭转耦合器的锥形部分108。光纤之一被用作主线。由光源101及偏器102产生的测试光进入主线光纤。从主线光纤发出的光穿过检偏器105，然后由功率计106测量，以计算耦合器的串话干扰。为了计算串话干扰，也可以测量作为支线的其他光纤发出光。

由于锥形部分108被扭转借以校正各光纤主偏振轴之间的一致性(这种不一致性是在调整偏振轴、熔融结合光纤或拉长光纤过程中引起的)，使耦合器的串话干扰特性能被改善。为校正偏振轴不一致性而被扭转的锥形部108被装入一个机壳并固定在那里，从而制造出串话干扰特性良好的偏振保持光纤耦合器。

作为一例，用这种方法实际制造出用于0.85微米(μm)波长的双光纤偏振保持光纤耦合器。其光纤是带有UV可弯曲外皮的截止波长0.82微米的偏振保持光纤。在光纤被熔融结合并拉长而构成耦合器之后，光纤夹持器104a和104b从光纤上解脱，从而使耦合器的锥形部能够自由转动。然后转动旋转夹持器103a、103b、103c和103d来转动锥形部108，以便适当地扭转它。

图4是该耦合器中串话干扰测量结果图。从图4可以理解，通过扭转锥形部108能改善耦合器的串话干扰特性。在光纤经熔融结合和拉长而构成耦合器之后，其锥形部108被扭转，同时监测耦合器的串话干扰。当锥形部108已扭转到使串话干扰特性为最佳的角度时，便将锥形部装入机壳并固定在那里。

用这种方法制造出了二十个这种偏振光纤耦合器。分别在扭转其锥形部并放入外壳及固定之前和之后对这些耦合器中每一个进行了串话干扰特性的鉴定。

图5是从鉴定结果得到的频率值分布图。从图5可以理解，扭转锥形部使串话特性得到改善，并减小了各耦合器串话干扰特性的差异。所以本方法是有效的和有用的。

本发明不限于该实施例，而是可以使其他各种方式实现或实践，只要不偏离本发明的实质特性。例如，可以用不同方法制造耦合器，只要在光纤拉长后其锥形部被适当地扭转。此外，根据本发明能制造出具有所希望的限定串话干扰特性的光纤耦合器。

图6是鉴定光纤耦合器的一种设备，特别是对于耦合器串话干扰特性的鉴定。图6也用于描述鉴定光纤耦合器的方法。

图6示出用于进行这种鉴定的测量系统，它包括：光源1、透镜组2、四分之一波片(λ/4)3、偏光器4、偏振光分光器7、及功率计8、8′及8″。利用该系统能测定穿过耦合器主线和支线中的任何一个的偏振光功率，以确定耦合器中的串话干扰。

在根据本发明提供的方法和设备中，通过利用该测量系统能鉴定出由绕在绕线轴上的偏振保持光纤5和5′构成的光纤耦合器的与偏振有关的特性。

光源1是能发出波长为0.85微米的线性偏振光的LD光源。由透镜2将光变成相互平等的射线。利用适于0.85微米波长的四分之一波片(λ/4)3将这些射线合成圆形偏振光。用偏光器4从圆形偏振光生成线性偏振光，使其偏振轴与绕在绕线轴上的偏振保持光纤5(它作为耦合器的主线)的偏振轴一致，再经透镜2聚光，然后从其一端进入光纤。从光纤5发出的光又由另一透镜2变成相互平行的射线。偏光束分光器7将这些射线分成入射偏振分量及与前者垂直的其它分量。由光功率计8和8′测量前述分量及后者的功率，以确定耦合器中的串话干扰。

为了评定耦合器的分支比和多余损耗，要测量耦合器主线光纤发出光的功率及耦合器支线光纤发出的功率。为测量主线光纤发出的功率，要将入射偏振分量的功率及继续与前者垂直的其他偏振分量的功率加在一起，并对由于透镜组及偏振光束分光器等光学系统造成的损耗进行补偿。

作为一例，由偏振保持光纤5和5′构成了50％分支耦合器，每根光纤适于波长0.85微米，其长度各为100米，串话干扰为一38dB(分贝)。在制造过程中，如前述那样测量了耦合器中的串话干扰。然后，用传统方法测量其串话干扰，以发现其测量值是否与根据本发明所提供的方法测定结果相等，它证明了用后一种方法进行鉴定的效率高于用前一种方法进行鉴定的效率。

图7给出用这两种方法测得的串话干扰值之间的关系。由图7显而易见，其串话干扰值彼此很接近。由于传统方法的测量时间为30分钟，而用本方法的测量时间是12分钟，故用后一种方法的测量效率比用一种方法的测量效率高很多。

利用根据本发明所提供的一种方法，使用图2所示测量系统鉴定了由其他缠绕偏振保持光纤制成的这类光纤耦合器与偏振有关的特性，这些光纤是用于0.85微米波长的，长度各为3000米，串话干扰-23dB(分贝)。

图8是用本方法测量的耦合器串话干扰与用传统方法测量结果之间的关系图。从图8可以理解，用两种方法测得的串话干扰之差在大约-20dB处开始增大，这是由于缠绕光纤本身的串话干扰造成的。用本方法测量得到的串话干扰测量值根据缠绕光纤串话干扰为-23dB这一事实进行了补偿。

图9是补偿测量值与用传统主法测量串话干扰的关系图。从图9可以理解，补偿测量值与传统方法测量的串话干扰彼此接近。所以，即使发生偏振状态的改变，例如在缠绕光纤中的串话干扰变差，如果事先测定缠绕光纤发出光的偏振状态并根据测量结果进行补偿，那也不会发生任何问题。

下面描述根据缠绕光纤本身的串话干扰对耦合器时串话干扰测量进行补偿的过程。首先使X-偏振光进入缠绕光纤。在只是缠绕光纤中的串话干扰CT₀由下述等式(2)表示：

CT₀＝10log(P_Y0/P_X0)    (2)

这里，等式(2)中的P_X0和P_Y0代表缠绕光纤发出光的X-偏振分量及Y-偏振分量的光功率。

在制成耦合器之后从缠绕光纤以出光的X-偏振分量及Y-偏振分量的光功率P_x′和P_y′由下述等式(3)和(4)表示：

p′_X＝S_X(P_X0-_γ′P_X0)    (3)

p′Y＝S_YP_Y0+S_Xγ′P_Xo    (4)

这里，等式(3)和(4)中的S_X，S_Y及γ′分别代表在耦合器中X-偏振分量与Y-偏振分量的分支比及由X-偏振分量转变成Y-偏振分量的功率转换比率，γ′这也就是耦合器的串话干扰。从Y-偏振分量到X-偏振分量的功率转换是可以忽略的。

在制成耦合器之后缠绕光纤中的串话干扰CT′在P_X》＞γ′P_X0及S_X＝S_Y的情况下可由等式(3)和(4)计算出来，如下式所示：

CT′＝10·log(P′_Y/P′_X)

    ＝10·log(P_Y0/P_X0+γ′)  (dB)    (5)

这里的比值γ′是利用等式(2)和(5)计算的，如下式表示：

γ′＝10^CT′/10-10^CT0/10             (6)

结果，在耦合器中的串话干扰CT由下式确定：

CT＝10·logγ′    (dB)              (7)

当缠绕光纤自身中的串话干扰为-23dB而在由它制成耦合器之后该光纤中的串话干扰例如为-20dB时，在耦合器中的串话干扰补偿测量由下式确定：

γ′＝10^-20/10-10^-23/10＝0.00499

CT＝10·log0.00499

  ＝-23   (dB)

使用本发明提供的偏振保持光纤耦合器的制造设备与方法，即使构成耦合器的光纤各主偏振轴彼此一致性不很好，或者在光纤熔融结合或拉长过程中造成各主偏振轴彼此不一致，其偏振保持光纤耦合器的串话干扰特性也能得到改善。由于这一原因，能用本方法和设备的高再现制造出具有良好的串话干扰特性的耦合器。

再有，根据本发明，在鉴定一个光纤耦合器的与偏振有关的特性时不需要完成对入射平台、偏振器及其它装置的复杂调整。由于这原因，提高了鉴定的效率。

Claims (18)

1.一种制造光纤耦合器的方法，包括下列步骤：

调整一组含有一系主线光纤和若干分支光纤的偏转保持光纤，使这些光纤的偏振轴彼此一致，

通过熔融和拉伸上述光纤使它们受热加热并结合在一起，从而构成耦合器的锥形部分(108)，

将所述锥形部分装入外壳并使之固定，

其特征在于以下的附加步骤：

在上述的熔融和拉伸步骤完成之后，使用旋转夹持器(103a-d)绕它们各目的轴扭转上述的光纤。

2.如权利要求1的方法，其中所述的光纤被进行旋转，从而将上述光纤耦合器中的串话干扰限制到希望值上。

3.如权利要求2的方法，其中所述的光纤被进行旋转，从而将上述光纤耦合器中的串话干扰限制到最小值。

4.如权利要求1的方法，其中所述的光纤被进行旋转，从而校正主线光纤(107)和分线光纤的偏转的不一致性。

5.如权利要求1的方法，还包括以下步骤：在使上述光纤旋转时，监测上述光纤耦合器中的串话干扰。

6.如权利要求5的方法，其中所述的监测串话干扰的步骤以下列步骤来执行：

(a)将一个由光源射出的光改变成相互平行的线性偏振光射线，

(b)使射出的光会聚，

(c)使会聚后的平行光射向上述光纤耦合器的主线光纤的输入端，从而使上述光线的入射偏转轴与主线光纤的偏振轴相一致，

(d)将从上述偏振保持光纤的输出端射出的光线改变成相互平行的射线，

(e)将上述的相互平等的射线分成具有入射偏振轴的一个分量和具有相正交的另一偏振轴的一个分量，

(f)测量上述分量的功率，以及

(g)根据上述分量的测得功率，确定光纤耦合器的串话干扰。

7.如权利要求6的方法，其中所述的监测串话干扰的步骤通过测量上述主线光纤发出的光分量的功率来完成。

8.如权利要求6的方法，其中所述的监测串话干扰的步骤通过测量上述支线光纤发出的光分量的功率来完成。

9.如权利要求1的方法，其中所述的多根光纤分别绕在各自的绕线轴上。

10.如权利要求9的方法，还包括以下步骤：将偏振轴与上述的多根偏振保持光纤中的一根光纤的偏振轴一致的线性偏振光从该光纤的一端输入；在熔融和拉伸期间监测所述光纤耦合器的分支比，当达到预定的分支化时即停止上述的熔融和拉伸过程；使用从上述光纤射出的光根据具有入射偏振轴的分量的功率以及具有与之正交的另一偏振轴的分量的功率测量上述光纤耦合器的串话干扰。

11.如权利要求10的方法，其中所述的串话干扰的测量值利用所述偏振保持光纤中的、所述光纤耦合器制成之前测得的串话干扰进行补偿。

12.如权利要求11的方法，其中所述的串话干扰测量值根据下述公式进行补偿：

γ′＝10^CT′/10-10^CT0/10

CT＝10·logγ′(dB)

这里γ′表示在所述耦合器中以X-偏振分量转换为Y-偏振分量的功率转换比率，CT′代表制成所述耦合器之后在缠绕光纤中的串话干扰，CT₀表示只在所述缠绕光纤中的串话干扰，而CT则为光纤耦合器经补偿后的串话干扰。

13.如权利要求6的方法，还包括以下步骤：在对光纤耦合器加热和拉伸之前，首先使用从主线光纤射出的光测量主线光纤自身的串话干扰，然后对于该首先测量到的串话干扰在监测到的光纤耦合器中的串话干扰中进行补偿。

14.如权利要求6的方法，其中所述光纤耦合器的串话干扰根据下述等式进行补偿：

γ′＝10^CT′/10-10^CT0/10

CT＝10·logγ′(dB)

其中γ′代表所述耦合器中从X-偏振分量到Y-偏振分量的功率转换比率，CT′表示对光纤耦合器加热和拉伸之后主线光纤中的串话干扰，CT₀表示仅在主线光纤之中的串话干扰，而CT测表示光纤耦合器经补偿后的串话干扰。

15.如权利要求1的方法，其中在适当地扭转上述光纤之后将一个外壳固定到上述的耦合器上。

16.一种用于制造光纤耦合器的装置，包括：

具有一根主线光纤(107)和若干支线光纤的多根偏转保持光纤，

将光射入上述光纤中的光源(101)，

设在上述光源和光纤之间的偏振器(102)，

一对夹持器(104a、104b)，将所述主线光纤与所述支线光纤连在一起，以便拉伸所述的光纤以构成耦合器，在耦合器制成之后将所述夹持器脱扣，以及

一个功率计(106)，用于测量离开上述光纤的功率，

其特征在于：

一个设在上述光纤与上述功率计(106)之间的检偏器(105)，从而使上述的功率计(106)能测量上述光纤中的串话干扰，以及

旋转夹持器(103a至103d)，用于在上述夹持器(104a，104b)从上述光纤上脱扣时扭转上述的功率计(106)，从而将上述光纤中的串话干扰控制在希望值上。

17.如权利要求16的装置，其中所述的光源和功率计均连至上述的主线光纤(107)上。

18.如权利要求16的装置，其中所述的光源和功率计被连至上述支线光纤中的某一根土。

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