CN103827715B - 用于低损耗耦合至多芯光纤的技术和装置 - Google Patents

Abstract

一种基座光纤，被构造为可锥化以形成锥形光纤，该锥形光纤在锥形端部处具有与非锥形端部处的模场直径不同的模场直径，该模场直径的差异跟锥形端部处的包层直径与非锥形端部处的包层直径之间的差异一致。可以使用多个这种基座光纤来构造锥形光纤束耦合器，该耦合器在多个输入光纤与一多芯光纤的各个纤芯之间提供了纤芯间距和模场直径两者的匹配。进一步地，该锥形光纤束耦合器可以利用多个光纤来构造，其中各个光纤被设置成具有不同的有效折射率，由此抑制它们之间的串扰。

Description

用于低损耗耦合至多芯光纤的技术和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年6月20日提交的美国临时专利申请No.61/498988的优先权，其由本申请的受让人拥有，并且其全部内容通过引用而并入于此。

本申请是2011年3月16日提交的美国专利申请序列号No.13/049597的部分继续申请，其由本申请的受让人拥有，并且其全部内容通过引用而并入于此。

2011年3月16日提交的美国专利申请序列号No.13/049597要求2010年3月16日提交的美国临时专利申请序列号No.61/314182的优先权，其由本申请的受让人拥有，并且其全部内容通过引用而并入于此。

技术领域

本发明总体上涉及光纤光学领域，并且具体地说，涉及用于耦合至多芯光纤的各个单独纤芯并且进一步地用于在耦合至多芯光纤的各个单独纤芯时保持低的光损耗的技术和装置。

背景技术

由于对大容量光网络的需求不断扩展，所以在设计和制造采用多芯光纤（MCF）作为用于扩大网络容量的手段的系统方面具有日益增加的兴趣。完全开发MCF的潜力需要开发具有大量紧密排布的纤芯（例如，7个或更多）的光纤，以及对应的基于光纤的放大器，和其它基于光纤的组件，包括用于放大由多芯光纤（MCF）传输系统中的相应各个单独纤芯所承载的信号的多个纤芯。

为利用多芯光纤放大器来实现放大，必须使信号从多个输入光纤分别注入到相应的各个单独放大器纤芯中。另外，希望能够分别泵浦每一个纤芯，以便在输入信号的各种状态下保持恒定或预定增益，而与输入功率波动和其它参数无关。

必须解决的一个技术问题源自典型输入光纤和多芯放大器光纤的根本上不同的几何结构。例如，可能希望在7个标准单芯单模光纤（SSMF）输入与7芯放大器多芯光纤（A-MCF）的相应各个单独纤芯之间提供耦合，其中，7个SSMF和该A-MCF皆具有基本相同的外径，例如，～125μm。耦合器必须按允许每一个SSMF纤芯连接至相应的单个A-MCF纤芯的方式，在7个SSMF的截面积与单个SSMF的截面积之间提供过渡。

另外，成功的耦合解决方案还必须解决模场直径的问题。在耦合器的每一个输入端的模场直径应当匹配每一个相应的输入SSMF的模场直径，并且在耦合器输出端的每一个纤芯的模场直径应当匹配每一个相应A-MCF纤芯的模场直径。模场直径的显著失配将导致无法接受的高损耗。由此，将SSMF段进行锥化（tapering）以实现希望的输出几何结构的耦合方法由于典型地由锥化引起的模场直径增加而不令人满意。

发明内容

本发明的一些方面提供了用于具有相异几何结构和模场直径的光纤的低损耗耦合的新颖结构和技术。根据本发明的进一步的方面，这些新颖结构和技术在提供多个输入光纤与多芯光纤的相应各个单独纤芯之间的低损耗耦合的上下文中应用。

在根据本发明一方面的一种技术中，第一和第二相异光纤的低损耗耦合通过将具有一折射率分布的基座（pedestal）光纤锥化来实现，该折射率分布被构造成使得将该光纤锥化到预定锥形比会得到具有第一端部和第二端部的结构，其中第一端部具有被构造用于低损耗连接至第一光纤的几何结构和模场直径，并且第二端部具有被构造用于低损耗连接至第二光纤的几何结构和模场直径。

在本发明的进一步的实践中，上述光纤被构造成使得将光纤锥化到选定锥形比引起模场直径的选定减小。该光纤例如可以被用于例如提供标准单芯输入光纤与稀土掺杂增益光纤之间的耦合。

在本发明的进一步的实践中，多个上述基座光纤被熔融在一起以形成锥形光纤束（TFB），该TFB提供在多个TFB输入端与多芯TFB输出端之间的低损耗过渡。各TFB输入端分别具有被构造用于低损耗连接至相应的多个输入光纤的相应几何结构和模场直径；该多芯TFB输出端包括多个纤芯，所述多个纤芯具有被构造用于低损耗连接至一多芯光纤的相应纤芯的几何结构和相应模场直径。

本发明的进一步的方面旨在减小上述TFB中的串扰。

附图说明

图1A和1B分别示出了示例性七芯多芯光纤的端面和立体图。

图2示出了包括七个输入光纤和图1A和1B所示多芯光纤的光学链路的图。

图3示出了例示图2所示输入光纤和图1A与1B的多芯光纤的相应纤芯几何结构的一对端面图。

图4示出了示例性锥形光纤束耦合器的图。

图5示出了例示图4所示锥形光纤束耦合器的输出端和图1A与1B所示的多芯光纤的相应纤芯几何结构的一对端面图。

图6A-6D是例示用于制造锥形光纤束耦合器的示例性技术的一系列图。

图7示出了例示根据现有技术的作为标准单模光纤的纤芯直径的函数的、按波长980nm和1550nm计算的模场直径的曲线图。

图8A和8B示出了根据本发明一实施例的、针对一示例性基座光纤在锥化之前和之后的相应折射率分布。

图9A示出了根据本发明一方面的针对示例性基座光纤的折射率分布，而图9B示出了根据本发明一实施例的、针对一定范围内的不同锥形比计算的相关的模场直径。

图10A示出了例示根据本发明一方面的针对第二基座光纤的折射率分布的曲线图，而图10B示出了例示根据本发明一实施例的、对于一定范围内的不同锥形比计算的相关的模场直径的曲线图。

图11示出了比较图9A-9B（光纤I）与10A-10B（光纤II）中所示光纤的有效折射率的曲线图。

图12示出了根据本发明一实施例的、7光纤锥形光纤束耦合器的示例性构造，其中，相邻纤芯被构造成具有不同的有效折射率。

图13示出了根据本发明一实施例的、19光纤锥形光纤束耦合器的示例性构造，其中，相邻纤芯被构造成具有不同的有效折射率。

图14示出了例示根据本发明一方面的、标准单模光纤和基座光纤的锥形因子与模场直径之间的关系的曲线图。

图15示出了根据本发明一方面的、用于将多个输入光纤耦合至多芯光纤的各个单独纤芯的一般工艺的流程图。

图16示出了根据本发明一方面的、采用锥形光纤束耦合器的实验设置的图。

图17示出了例示根据本发明一实施例的、在图16所示实验设置中使用的锥形光纤束耦合器的损耗和串扰特性的曲线图。

具体实施方式

本发明的一些方面旨在用于提供具有相异几何结构和模场直径的光纤的低损耗耦合的结构和技术。根据本发明的进一步的方面，这些新颖结构和技术在提供多个输入光纤与多芯光纤的相应各个单独纤芯之间的低损耗耦合的上下文中应用。

具体来说，如下所述，本发明的一些方面在锥形光纤束（TFB）耦合器的上下文中应用，TFB耦合器可以被用于在多个输入光纤（例如，在泵浦/信号合路器的公共端口上使用的尾纤）与多芯增益光纤或具有与输入光纤的模场直径（MFD）不同的模场直径的其它光纤之间提供低损耗、低串扰的接口。

应注意到，所描述的创新性的TFB从根本上不同于美国专利No.5864644（“'644TFB”）中所述的结构。在本申请中描述的TFB中，光纤束两个端部处的各个单独纤芯都保持在物理上彼此区分开。这些单独纤芯中的每一个被设计成在非锥形端部处具有规定的模场直径，而在具有给定锥形比的锥形端部处具有一不同的规定的模场直径。另外，根据本发明的进一步的方面，TFB纤芯还被构造成减小其间的串扰。

在'644TFB中，TFB输入端处的各个单独纤芯合并成一个单一纤芯，以使进入非锥形端部处的各个单独纤芯中的光在锥形端部处将组合在一起。因此，在'644TFB中，纤芯之间的高度串扰是所希望的。

本发明的其它方面包括以下：

（a）基座光纤被描述为具有一折射率分布，其被构造成针对选定锥形比实现希望的MFD。更具体地，一段基座光纤的非锥形端部具有与尾纤的MFD（可以是单模）相匹配的MFD。该基座光纤段的锥形端部具有与单芯（或多芯）光纤的MFD相匹配的MFD，该单芯（或多芯）光纤的纤芯（或多个纤芯）具有不同的MFD，诸如小纤芯增益光纤。

（b）利用段落（a）中描述的类型的基座光纤制造的TFB耦合器被描述，用于将光从多个输入光纤高效耦合至多芯增益光纤或具有不同MFD的其它多芯光纤的相应多个单独纤芯。

（c）段落（a）中描述的类型的基座光纤被构造成，在TFB耦合器或相似装置内抑制沿锥形的每一个位置处的串扰。

（d）描述了一组成束的基座光纤，其中，各个单独光纤被构造成对于最低阶模式具有不同的各自的传播常数，并且具有近似相同的未锥化MFD。这些光纤被进一步构造成，使得在该束光纤都被锥化到预定锥形比时，它们全部具有近似相同的经锥化MFD。该特征通过适当地调节每一个基座光纤的纤芯和基座区的折射率和半径来实现。在本发明一另选实践中，各个单独光纤被构造成具有相同的经锥化MFD但具有不同的未锥化MFD。而且，各个单独光纤可以被构造成使得它们各自的MFD可被构造为彼此相差大约1μm-2μm。

（e）TFB耦合器被描述为包括由段落（d）中描述的类型的具有至少三种相异光纤的光纤束，其中，这些光纤被排列成抑制串扰。

下面的描述被组织成以下部分：

1、示例性7芯构造

2、示例性TFB耦合器

2.1模场直径

2.2模式耦合（串扰）

3、特别设计的供在TFB耦合器中使用的基座光纤

4、其它应用

5、一般工艺

6、TFB耦合器的实验使用的示例

结论

1、示例性7芯构造

本发明的一些方面在示例性7芯MCF与一组7个单芯单模输入尾纤之间提供接口的上下文中进行描述。应当清楚，在此描述的结构和技术可以被修改，以供与和在此具体描绘并描述的那些相比具有不同几何结构和纤芯构造的其它类型的MCF和输入光纤一起使用。

例如，所描述的结构和技术可以结合包括单模纤芯、多模纤芯、或其某一组合的光纤，以及具有其它轮廓、其它截面纤芯构造、或与在此描述的不同的纤芯数量的光纤来使用。另外，在下面的描述和附图中，在输入光纤与MCF纤芯之间存在一一对应关系。应当清楚，在本发明的某些实践中，可能不必或不希望具有这种一一对应关系。

图1A示出了要连接至多个输入光纤的示例性MCF20的截面图。MCF20包括七个上升或阶跃折射率单模纤芯21-27，其如图1B所示通过一公共包层28延伸。一般而言，对于MCF设计来说，希望其外径等于典型单芯光纤外径，以便允许MCF和输入光纤占用与单芯光纤相同量的物理空间。例如，MCF20具有外径为125μm的圆形外轮廓，其是用于常见单芯光纤的标准直径。

MCF纤芯21-27在端面29处具有六边形截面构造，具有一中央纤芯21和处于规则六边形30的顶点处的六个外围纤芯22-27。可以看出，每一对相邻外围纤芯22/23、23/24、24/25、25/26、26/27、27/22与中央纤芯21形成了等边三角形31。由此，可以看出，每一个纤芯与紧邻纤芯之间的纤芯至纤芯间隔（即，纤芯“间距”）对于全部7个纤芯来说相同。在本示例中，纤芯间距大约为40μm，其为常见125μm单模尾纤的直径的大约三分之一。

图2示出了包括七个输入光纤41-47和一段如图1A和1B所示的MCF20的光学链路的图。每一个输入光纤41-47都具有单个居中定位的单模纤芯410-470和圆形外轮廓，该圆形外轮廓具有标称上等于MCF20的直径的直径，即，125μm。每一个输入光纤纤芯41-47要连接至MCF端面29处的相应的单个MCF纤芯21-27。

根据本描述将会清楚，可以在与图2的光学链路具有不同的构造和拓扑的光学链路中实践本发明的方面，这些不同的构造和拓扑包括不对称构造、非六边形纤芯图案、采用多于一个MCF的构造、以及采用具有不同数量或布置的纤芯的MCF的构造。另外，还可以在包括具有与MCF的外径不同的外径的输入光纤的光学链路中实践本发明的方面。

图3提供输入光纤41-47与MCF20的相应截面的并排比较。输入光纤41-47已经被汇集成具有125μm纤芯间距的紧密堆垛，该纤芯间距显著大于MCF20的40μm间距。由此，将七个单芯光纤耦合至MCF20的各个单独纤芯需要诸如扇出（fanout）的结构，以在MCF20的紧密间隔纤芯与输入光纤41-47的更宽间隔纤芯之间提供接口。

根据本发明一方面，锥形光纤束（TFB）耦合器被用于实现所需扇出。TFB耦合器先前已经在其它情形下使用，诸如向包层泵浦装置的纤芯和包层两者提供输入。然而，由于本发明的各方面所致力于解决的若干问题，TFB耦合器的用途迄今为止尚未成功地扩展至多芯光纤和装置。

在简要描述用于构造TFB耦合器的示例性技术之后，跟着描述致力于解决模场直径和串扰问题的技术和光纤。

2、示例性TFB耦合器

根据本发明一方面，锥形光纤束（TFB）耦合器被用于在多个输入光纤与多芯光纤的端面处的各个单独纤芯之间提供锥形接口。TFB耦合器已经在其它情形下被采用，如通过引用全部内容而并入于此的美国专利公开No.2008-0267560中所述。如下所述，出于许多理由，TFB耦合器迄今为止尚未成功地结合多芯光纤和装置而被采用。

图4示出了示例性TFB耦合器60的图（未按比例绘制），其包括具有相应单独纤芯62的多个输入尾纤61，这些尾纤61在终止于输出端面64的熔融锥形块63中被捆束在一起。图5示出了提供TFB耦合器端面64与MCF端面29之间的并排比较的截面图（未按比例绘制），例示了TFB端面64处的各个单独纤芯62与MCF端面29之间的一一对应关系。

如图5所示，TFB端面64处的纤芯62在物理尺寸上可能与MCF端面29的纤芯不匹配。当锥化TFB耦合器60时，输出纤芯62可能相对于MCF端面29处的纤芯较小。然而，如下所述，因锥化而造成TFB纤芯尺寸的减小伴随着模场直径（MFD）的增加。如下进一步所述，TFB输出纤芯62被构造成具有与MCF纤芯的MFD相似的MFD。

TFB耦合器60被构造成使得输入尾纤61具有与输入光纤41-47的端面几何结构相匹配的端面几何结构，并且使得TFB输出端面64具有与MCF端面29的纤芯构造相匹配的纤芯构造。应注意到，TFB输出端面64的外周和MCF端面29的外周可以具有不同形状，只要可以将这两个端面连接在一起，并且它们的相应纤芯彼此恰当对准即可。锥形块63在TFB输入几何结构与输出几何结构之间提供了锥形过渡。

图6A-6D是例示用于制造TFB耦合器的示例性技术的一系列图。

图6A：首先，一组合适的光纤61被汇集。在本示例中，这些光纤是标准单模尾纤。然而，应当清楚，还可以利用其它类型光纤来采用所描述的技术。

图6B：光纤61的端部被聚集在一起，并且根据希望的纤芯最终布置，它们各自的纤芯62相对于彼此被精确定位。

图6C：接着，光纤的端部被加热并且熔融在一起以形成块63。这也可以通过合适的粘合材料来进行。

图6D：接着，块63被锥化到一希望的锥形比，并接着被修整以得到TFB耦合器端面64。

尽管使用TFB耦合器结构来解决纤芯间距的问题，但必须处理许多其它问题，包括模场直径和串扰。

2.1模场直径

一个问题是，与尾纤的模场直径（MFD）相比，多芯增益光纤典型地具有相对较小的MFD。常规的锥形光纤束（TFB）耦合器通常被设计成，在锥形端部和非锥形端部两者处都具有对应于标准尾纤模场直径的模场直径（典型为8μm-9μm）。增益光纤的纤芯的模场直径（典型为5μm-6μm，具有大约3μm的纤芯尺寸）通常显著小于尾纤的模场直径，这可能导致大的拼接损耗。

应注意到，如在此使用的，当说到第一光纤的MFD“对应”于第二光纤的MFD时，使用单词“对应”意指两个MFD彼此足够接近以允许光纤以可接受的低损耗彼此连接。由此，“对应”与“相同”不同义。例如，可以使用少量的热扩散来改进模场匹配。

将严重相异的纤芯进行拼接的常规方法通常不适于多芯光纤的情况。如上提到，尾纤典型地具有8μm-9μm的MFD，而诸如掺铒光纤（EDF）的增益光纤典型地具有5μm-6μm的MFD。该差异太大。例如，利用热扩散的拼接是有问题的，因为长时间加热可能使纤芯布置的对称性以及纤芯的形状畸变。而且，热扩散对中央纤芯的模场直径的影响与对外围纤芯的模场直径的影响可能不同。因此，虽然一定量的热扩散对于完善对应纤芯之间的模场匹配可能是合乎需要的，但在模场直径如此严重相异时是不合需要的。

一般而言，彼此大约1μm内的MFD可经受利用热扩散的微调。因此，关于在此描述的示例性耦合器，应当明白，虽然MFD的精确匹配是所希望的，但在MFD在大约±1μm的范围内彼此匹配的情况下可以实现可接受的低程度损耗。

2.2模式耦合（串扰）

一般而言，作为随机模式耦合的结果，串扰随着光纤长度的增加而减小。在耦合器的锥形区域中，纤芯直径在短长度光纤（即，其中随机模式耦合对串扰具有相对不显著影响的光纤长度）上连续或近乎连续地改变，纤芯之间的串扰可能由于公知的谐振和倏逝耦合机制而在沿锥形的任何点处形成。对于在TFB中的光纤几乎相同并由此具有几乎相同的传播常数β的情况尤其如此。另外，对于某些纤芯设计，诸如具有小于大约1.8的V数（V-number）的阶跃折射率光纤，锥化将会扩大模场，可能造成纤芯之间的显著交叠。由此，即使在锥形光纤的输入端与输出端处的模式交叠足够小以便局部抑制串扰，但作为模式交叠增加的结果，在该输入端与输出端之间可能出现串扰。

3、特别设计的供在TFB耦合器中使用的基座光纤

根据本发明一方面，上述问题通过使用为了在构造TFB耦合器时使用而特别设计的光纤来解决。为了理解这些设计背后的基本原理，首先描述了对示例性多芯光纤和多芯光纤装置的要求。

对于示例性多芯光纤中的高效空分复用，将多个纤芯（例如，7或19个）优选地按六边形图案排列并且嵌入具有与标准单模光纤的直径相似的直径（例如，125μm）的包层中。如上所述，示例性7芯MCF具有大约40μm的纤芯至纤芯间距。

对于采用1.55μm频带的光学放大中的基于MCF的应用，每一个MCF纤芯典型地掺杂有一种或多种稀土元素，诸如铒或或铒和镱的混合物。在诸如拉曼或参量放大的其它应用中，可以使用非稀土掺杂剂。对于这些以及其它类型的光纤放大器，希望每一个MCF纤芯具有小的直径，例如，3μm，以实现低泵浦功率下的良好放大。对于利用非线性效应的装置，纤芯直径可以显著更小。另选的是，对于被设计成以高输出功率操作的装置，纤芯直径可以显著更大，以避免有害的非线性效应和诸如激发态吸收的功率耗尽效应。

在多芯放大器中，信号和泵浦辐射都需要高效地注入MCF纤芯中。如上所述，似乎可能的解决方案是，将与MCF纤芯的数量相对应的多个单模光纤捆束成密集形态，并且将该光纤束锥化到其纤芯至纤芯间距匹配多芯增益光纤的纤芯至纤芯间距的直径。假定输入光纤是具有125μm外包层直径的单模光纤，该光纤束必须按因子3.0来锥化，以实现匹配该多芯光纤的纤芯间距的纤芯间距。

当将一光纤锥化时，每一个光纤区域的相应直径的尺寸的百分比变化基本相同。由此，当单模光纤经历因子为3.0的锥化时，不仅光纤的外径减小，而且纤芯直径也按大约3.0的因子减小。在标准单模光纤中，纤芯直径按因子3.0的减小导致模场直径的显著增加。

图7示出了例示作为单模石英光纤中的纤芯直径的函数的、在波长980nm（虚曲线71）和1550nm（实曲线72）处计算的模场直径的曲线图70，其中假定该单模石英光纤具有大约0.32%的恒定折射率差增量（Δ）。

在单模光纤中，光线以LP₀₁基导波模传播，其具有高斯型横向能量分布，该分布具有位于芯区中央的峰值且具有延伸到包层中的陡降。在SMF中，模场直径可以被定义为横向能量分布下降至峰值的1/e处的光纤直径值。如曲线图70所示，在较大的纤芯直径处，模场直径典型地小于纤芯直径。在较小的纤芯直径处，模场直径典型地大于纤芯直径。

在较小纤芯直径处MFD急剧增加的原因在于在这些较小的直径处，纤芯-包层边界丧失了其限制除了相对小百分比的传播光以外的所有传播光的能力。由此，在这些较小纤芯直径处，横向能量分布相对宽，从而导致大的模场直径。

一般而言，希望光纤具有尽可能小的模场直径。由此，在本示例中，标准单模光纤典型地具有大约8μm的纤芯半径。如图7所示，该纤芯半径对应于1550nm下的最小或接近最小的MFD。

当图7的单模光纤从初始系统纤芯半径8μm起按因子3锥化时，所得纤芯直径约为2.67μm。如曲线72所示，在该纤芯直径处，1550nm下的模场直径增加至超过22μm，因此，锥形光纤端部无法在没有显著损耗的情况下拼接至多芯增益光纤的相对较小纤芯。

在单芯情况下，相异纤芯（举例来说，诸如单模光纤和掺铒光纤的纤芯）的各自模场直径的匹配可以利用热扩散方法来实现。遗憾的是，由于大的模场直径变化，该技术不适于多芯光纤或多芯基座光纤。尽管典型地希望具有一定量的热扩散，但对于多芯光纤的情况，热扩散还可能使纤芯的布置畸变。

本发明一方面提供了一种特别设计的基座光纤，其可以被锥化到较小直径并同时具有模场直径的变化。这种基座光纤可以被用于解决在构造适于将光从多个光纤耦合至多芯增益光纤的相对较小纤芯的TFB耦合器方面的模场直径问题。

图8A和8B示出了示例性基座光纤在锥化之前（图8A）和锥化之后（图8B）的相应折射率分布80a和80b。

未锥化折射率分布80a包括具有第一折射率的芯区81a和包围芯区81的、具有比第一折射率低的第二折射率的基座区82a。该基座区82a被具有比第二折射率低的第三折射率的包层区83a包围。

在该未锥化光纤中，光由纤芯81a导引，基座82a充当包层。传播模式主要由纤芯-基座边界来限制。因为基座82a的半径与由纤芯81a导引的光的MFD相比相对更大，所以基座-包层边界对于总体模式限制来说贡献相对很小。

随着光纤被锥化，纤芯半径减小，导致由纤芯限制的光的百分比相应减小。同时，基座半径的尺寸接近未锥化光纤的芯区的尺寸。由此，在经锥化折射率分布80b中，芯区81b太小以至于只能限制传播模式的很小的百分比。确切地说，模式主要由基座82b与包层83b之间的边界来导引。因此，通过利用基座光纤来构造TFB耦合器，可以使用热锥化来实现纤芯间距的所希望的减小，同时还管理光纤的锥形端部处的模场直径的尺寸。

图9A示出了根据本发明一方面的示例性基座光纤（光纤I）的折射率分布，而图9B示出了针对一定范围内的不同锥形比计算的模场直径。其示出了，对于光纤I，模场直径随着锥形比增加而稳定地减小。

根据本发明一方面，光纤I具有这样的基座折射率分布，即，其被构造成使得根据选定锥形比锥化光纤将同时实现纤芯间距的所希望的减小和模场直径的所希望的减小这两者。

由此，如图9B中所示，可以看出，随着光纤按因子3.0锥化，模场直径同时从大约8.5μm减小至6μm，后者等于数值孔径（NA）为0.23且纤芯直径为3.2μm的掺铒纤芯的模场直径。

图10A示出了例示第二基座光纤（光纤II）的折射率分布的曲线图100，而图10B示出了例示针对一定范围内的不同锥形比计算的模场直径的曲线图101。可以看到，光纤I和光纤II具有不同的相应折射率分布，但在未锥化时和在按比率3锥化之后均具有相同的模场直径。

根据本发明另一方面，TFB耦合器或类似的装置利用在按选定锥形比锥化时具有相同的未锥化和经锥化模场直径但具有不同折射率分布的多个光纤来构造。该技术可以被用于抑制相邻纤芯之间的串扰。

折射率分布的差异导致两个光纤的有效折射率的差异。图11示出了比较作为锥形比的函数的针对两个光纤的有效折射率的曲线图110。针对光纤I和光纤II计算的有效折射率在整个锥化范围内彼此不同，尽管这两个光纤的MFD在锥化之前和按比率3锥化之后都相同。因此，通过首先恰当地选择纤芯和基座的折射率值以及相应半径，其次选择特定锥形比，可以设计在锥化之前和之后表现出相同模场直径的多个光纤，每一个光纤具有不同的有效折射率neff。通过在TFB耦合器中使用这样的光纤，光纤之间的传播常数不同，从而抑制了其间的串扰。

在具有六边形纤芯构造的示例性7芯TFB耦合器中，需要至少三种上述类型的基座光纤A、B和C（分别具有不同的有效折射率），以在锥化之前和之后将串扰抑制或最小化至可接受水平。图12示出了例示该设计的构造120。图13示出了针对19芯TFB耦合器的类似构造130。

可以看到，在两个构造120和130中，因为纤芯按规则六边形阵列排列，所以可以使用最少三种不同光纤A、B和C。在图12所示7芯构造120中，外围纤芯121-126被布置为规则六边形，而纤芯127位于该六边形中央。由此，中央纤芯127与外围纤芯121-126中的每一个都等距，外围纤芯本身彼此等距。通过将C类型纤芯用作中央纤芯127，并且将A类型和B类型纤芯交替用作外围纤芯121-126，可以看到，这七个纤芯121-127都没有相同类型的紧邻纤芯。

还可看到，在构造130中获得了类似结果。在该情况下，将A类型纤芯用作中央纤芯131。由纤芯132构成的包围纤芯131的第一六边形环包括一系列交替的B类型和C类型纤芯。由纤芯133构成的包围纤芯131和第一环132的第二六边形环包括一系列交替的纤芯类型：A-B-A-C-A-B-A-C-A-B-A-C。同样，这19个纤芯都没有类型相同的紧邻纤芯。

应注意到，在图12和13的上述描述中，字母A、B和C的指配是任意的，并且除了标识彼此相同或彼此不同的纤芯以外，没有其它意义。

一个附加的考虑是模场沿锥形的演变。图14示出了例示锥形因子与模场直径之间的关系的曲线图140。在图14中，锥形因子是图11的锥形比的倒数。曲线141和142分别例示了针对示例性单模光纤和示例性基座光纤的这种关系。

如所示的，基座光纤曲线142表现出比阶跃折射率纤芯141的MFD演变更复杂的MFD演变。如图14所示，未锥化基座光纤（锥形因子=1.0）具有大约12μm的MFD。出于讨论的原因，假定一给定应用需要大约10μm的输出MFD。在曲线图140中可以看到，10μmMFD可以通过利用大约0.17的锥形因子（即，大约6的锥形比）来实现。

然而，在曲线图140中，可以看到，基座光纤曲线142具有复杂的形状，其包括位于输入MFD（锥形因子=1.0）与输出MFD（锥形因子=0.17）之间的“驼峰（hump）”142a。驼峰142a在锥形因子为大约0.3（即，大约3.33的锥形比）处具有大约12μm的峰值。在锥形的该区域中，纤芯的间距可能足够小（即，<～1.2μm），以使得这种大的模式（MFD≈12μm）在足够长的轴向长度上具有足够的空间交叠从而导致不希望的程度的串扰。

在合适纤芯轮廓的设计中，必须注意避免锥形内的这种串扰。一般而言，串扰应当小于-20dB。优选的是，串扰要小于-30dB，或者对于长距离传输更优选地小于-40dB。

4、其它应用

和上述类似的考虑可以被用于其它应用和设计。例如，这些概念可以被扩展成增大而非减小从各个单独输入光纤至多芯输出光纤的MFD。而且，模式转换锥可以被应用至其它装置，诸如无源光学组件（如，隔离器、滤波器、耦合器等）和有源光电组件（诸如发送器、接收器、调制器等）。

在这些其它应用中，各个单独光纤的模式可以被设计成匹配上面列出的组件中的一个或更多个的模式，而多芯光纤的模式可以被设计成最优化多芯光纤中的传播。对多芯组件来说，应用相反的布置，在该情况下，各个单独光纤可以是标准单模光纤，或者是针对某一特征最优化的光纤。

5、一般工艺

如上所述，本发明的一个方面提供了一种锥形光纤束耦合器，其用于将信号和泵浦辐射注入多芯增益光纤，以使得纤芯至纤芯间距和模场直径与多芯增益光纤相匹配。

本发明的另一方面涉及具有针对这样的应用特别设计的折射率分布的基座光纤。所描述的光纤可以便利地按～3.33这样大的因子而被锥化，同时将MFD调节成匹配尾纤的MFD（MFD≈8-9μm）和掺铒纤芯的MFD（MFD≈6μm）。

本发明的另一方面涉及具有相似的锥化和MFD特征但具有不同传播常数的基座光纤。这些光纤被用于形成锥形光纤束耦合器。这些光纤被布置为具有相同传播常数的光纤彼此不紧邻定位，以抑制其间的串扰，如图12和13中所示的设计。

图15示出了根据本发明一方面的、用于将多个输入光纤耦合至多芯光纤的示例性一般工艺150的流程图。

工艺150包括以下步骤：

151：提供多个具有各自折射率分布的输入基座光纤，折射率分布被构造为使得所述多个输入基座光纤的组合体可锥化到与多芯光纤的纤芯间距相匹配的纤芯间距，并且其中，每一个基座光纤具有可锥化到与多芯光纤的模场直径尺寸相匹配的尺寸的模场直径。

152：将输入基座光纤的前端排列成具有与多芯光纤的几何构造相匹配的几何构造的组合体。

153：熔融、锥化和修整基座光纤的组合体，以形成纤芯间距和各模场直径与多芯光纤的纤芯间距和各模场直径相匹配的端面。

如上所述，根据本发明进一步的实践，TFB耦合器中的光纤被设置成具有不同的有效折射率，以抑制其间的串扰。

6、TFB耦合器的实验使用的示例

在此描述的TFB耦合器已经被用于研究在全部7个纤芯中提供同时放大的7芯多芯掺铒光纤（MC-EDF）放大器的放大和噪声特性。泵浦和信号辐射利用两个上述TFB耦合器耦合至MC-EDF的各个单独纤芯。

该工作的结果在K.S.Abedin等人的“AmplificationandNoisePropertiesofanErbium-DopedMulticoreFiberAmplifier”，OpticsExpress，Vol.19，Issue17，pp.16715-16721（2011）中进行了阐述，其全部内容作为本申请要求其优先权的临时专利申请的一部分而复制，并且其全部内容通过引用而并入于此。

该7芯MC-EDF由商业可获的掺铒芯棒制造。纤芯按间距为40.9μm的六边形阵列排列。纤芯直径和数值孔径分别等于3.2μm和0.23。该光纤具有148μm的包层直径，和直径250μm的丙烯酸酯涂层。1550nm下的模场直径被估算为大约6μm。掺铒纤芯在1550nm下的吸收损耗为～2.3dB/m。

该TFB通过捆束7个特别设计的光纤以在锥形端部处获得匹配MC-EDF的纤芯至纤芯间距、并且按大约3的锥形比来锥化该光纤束而实现。这允许使用常规PM熔接机。在TFB中，为了在MCF与单模光纤之间提供接口，模场直径在锥化之前和之后保持恒定。因为高性能EDF具有较小的MFD，所以TFB被设计成允许模场直径从9.04μm至6.1μm的绝热转化。TFB的非锥形端部处的7个输入光纤具有9.04μm的MFD（LP₀₁）并且可以以最小损耗拼接至SMF光纤。

图16示出了被用于研究EDFA的放大特性的实验设置160的图。来自在1520μm-1580μm的范围内操作的外腔激光二极管的单频激光辐射被用作信号，该信号通过使用WDM耦合器而与980nm下的泵浦辐射组合。为了避免杂散后向反射并且抑制ASE噪声，在输入端口和输出端口都连接有隔离器，并且允许泵浦辐射沿前向传播。出于测量目的，中央纤芯被编号为#0，而外层纤芯按顺序从#1至#6编号。

利用光谱分析仪来测量不同输入波长和功率电平下经放大的输出和经放大的自发发射（ASE）噪声的功率。隔离器和WDM中的无源损耗在范围1520nm-1580nm上测量，而TFB-MCF-TFB组合体的输入端口与输出端口之间的损耗在1300nm下测量，其中，铒具有低吸收损耗。放大器中所有其它位置处的信号和噪声功率电平由此可以容易地估算出。

图17示出了例示在1310nm处测量的TFB-MCEDF-TFB模块中的损耗和串扰特性的曲线图170。水平轴上的数字表示光进入到的纤芯，而垂直轴示出了在第二个TFB的七个输出端测得的信号的衰减。由此，对应纤芯之间的衰减表示插入损耗。对应且不同纤芯之间的衰减差异（按dB）可以被视为串扰测量结果。增益组合体的输入端与对应输出纤芯之间的损耗保持在2.5dB-4.9dB内。对于七个信道，将六个纤芯平均化的串扰在30.2dB与36.6dB之间改变。在1546nm的信号波长下执行类似的测量（输入功率：0.36dBm），在15m长的MC-EDF中产生33.7dB的平均吸收。

TFB耦合器的低损耗耦合允许获得大约25dB的净增益（毛增益～30dB）、小于4dB的噪声系数以及超过10dBm的3dB饱和输出。来自相邻信道的ASE水平低于25dB。

结论

虽然前述描述包括了使得本领域技术人员能够实践本发明的细节，但应认识到，该描述本质上是例示性的，并且从这些教导获益的本领域技术人员将容易想到许多修改例和变型例。因此，本发明在此旨在完全通过权利要求来限定，并且权利要求尽可能以现有技术所准许的广泛程度来解释。

Claims (8)

1.一种光纤耦合器，用于在多个输入光纤与一多芯光纤的多个单独纤芯之间提供接口，该光纤耦合器包括：

具有各自的单独纤芯的多个耦合器光纤，其中每个耦合器光纤包括具有第一折射率的芯区、包围芯区并且具有比第一折射率低的第二折射率的基座区、以及包围基座区并且具有比第二折射率低的第三折射率的包层区，并且其中，每个耦合器光纤具有与相应的输入光纤的模场直径相对应的模场直径，

其中，所述多个耦合器光纤在一端被捆束在一起成为终止于输出端面的熔融锥形块，该输出端面具有与所述多芯光纤的纤芯构造相匹配的纤芯构造，其中该输出端面处的每个纤芯具有与连接到该输出端面的多芯光纤的相应纤芯的模场直径相对应的模场直径，

其中所述多个耦合器光纤中的每一个耦合器光纤以相应的最低阶模式和针对该相应的最低阶模式的相应传播常数为特征，

其中所述多个耦合器光纤中的至少一些针对它们各自的最低阶模式具有不同的传播常数，并且

其中所述多个耦合器光纤被排列为使得具有相同传播常数的两个耦合器光纤沿着所述熔融锥形块不彼此直接相邻，以便抑制沿着所述熔融锥形块的串扰。

2.根据权利要求1所述的光纤耦合器，

其中所述多个耦合器光纤的各自纤芯在所述熔融锥形块的所述输出端面处具有相同的模场直径。

3.根据权利要求1所述的光纤耦合器，

其中所述多个耦合器光纤具有与多个对应尾纤的各模场直径分别相对应的模场直径，并且

其中在所述熔融锥形块的所述输出端面处的各个纤芯具有与一多芯增益光纤的多个对应纤芯的各模场直径分别相对应的模场直径。

4.根据权利要求1所述的光纤耦合器，

其中，所述熔融锥形块被配置用于将信号和泵浦辐射从各个输入光纤注入到一多芯增益光纤中，以使得所述多个输入光纤的纤芯至纤芯间距和各模场直径被转换为所述多芯增益光纤的相应的纤芯至纤芯间距和各纤芯的模场直径。

5.一种用于将多个输入光纤耦合到一多芯光纤的方法，包括：

(a)提供多个耦合器基座光纤，每个耦合器基座光纤具有一折射率分布，所述折射率分布被具体构造为使得所述多个耦合器基座光纤的组合体可锥化到与该多芯光纤的纤芯间距相匹配的纤芯间距，并且其中，每一个耦合器基座光纤具有可锥化到与该多芯光纤的尺寸相匹配的尺寸的模场直径；

(b)将所述多个耦合器基座光纤的前端排列成具有与该多芯光纤的几何构造相匹配的几何构造的组合体；以及

(c)熔融、锥化并修整所述多个耦合器基座光纤的组合体的一端以形成熔融锥形块，该熔融锥形块具有纤芯间距和各模场直径与该多芯光纤的纤芯间距和各模场直径相匹配的输出端面，

其中，所述多个耦合器基座光纤的每一个耦合器基座光纤以相应的最低阶模式和针对该相应的最低阶模式的相应传播常数为特征，

其中所述多个耦合器基座光纤中的至少一些针对它们各自的最低阶模式具有不同的传播常数，并且

其中步骤(b)包括将所述多个耦合器基座光纤排列为使得具有相同传播常数的两个光纤沿着所述熔融锥形块不彼此直接相邻，以便抑制沿着所述熔融锥形块的串扰。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：

将所述多个耦合器基座光纤的各自纤芯构造为在所述熔融锥形块的所述输出端面处具有相同的模场直径。

7.根据权利要求5所述的方法，还包括：

将所述多个耦合器基座光纤构造为具有与多个对应尾纤的各模场直径分别相对应的输入模场直径，以及

将在所述熔融锥形块的所述输出端面处的各个芯区构造为具有与一多芯增益光纤的多个对应纤芯的各模场直径分别相对应的输出模场直径。

8.根据权利要求5所述的方法，还包括：

将所述熔融锥形块配置用于将信号和泵浦辐射从各个输入光纤注入到一多芯增益光纤中，以使得所述多个输入光纤的纤芯至纤芯间距和各模场直径被转换为所述多芯增益光纤的相应的纤芯至纤芯间距和各纤芯的模场直径。