CN1044748C - 光纤耦合器及放大器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种光纤放大器系统，其中一增益光纤与具有第一根和第二根耦合器光纤的一光纤耦合器结合在一起工作。所述耦合器光纤沿着它们的长度之一部分被熔合在一起以形成一与波长有依从关系的耦合区域，由此使得在其间可对波长为λ_s的光功率的大部分进行耦合，且引入所述第一根光纤的波长为λ_p的光功率的大部分仍留在其中。所述第一根耦合器光纤的模式场直径与增益光纤的模式场直径大致相匹配且小于第二根耦合器光纤的模式场直径。所述第一根耦合器光纤的一端被接至增益光纤上。所述耦合器的模式场直径之差足以在耦合区域内的耦合器光纤传播常数之间产生一差值，使得波长为λ_s的信号耦合变坏。为了克服在耦合区域内耦合器传播常数间的差，并由此将耦合信号功率提高到一可接受的水平，对一根耦合器光纤(它对MFD之影响很小)的特征进行修改。

Description

光纤耦合器及放大器

本发明涉及光纤耦合器，尤其涉及适于在光纤放大器中采用的耦合器。

在许多耦合器中，需要在一特定的波长上或一波长段内获得大致为100％的耦合。在一1×2或2×2的耦合器中有时也需要使用两根光纤，所述两根光纤的纤芯折射率、纤芯直径和/或截止值显著地不相同。例如，已公布的欧洲专利申请EP-A-0504479描述了一种带有一增益光纤10(见其图1)的光纤放大器。一波长分隔多路传输器(WDM)光纤耦合器20将来自激光二极管15的波长为λ_p的泵功率和来自输入电信光纤14的波长为λ_s的信号耦合至增益光纤10。从耦合器20延伸出的光纤引线通过熔接头或对接接头而被连接到其它光纤上。最好采用熔接头16、22，这是因为它们具有较低的反射和插入损耗。对于最佳的放大器工作而言，为了使放大器的信噪比(S/N)最大，在熔接头16上的输入信号的熔接损耗应较小，这是因为在信号-自发差拍噪声限度内，放大器的电S/N与光耦合效率成线性的关系。同样地，为了达到高的耦合效率(出于与上述S/N相同的理由)和泵耦合效率在熔接头22处的损耗也应是低的，这是由于放大器的增益是与耦合至增益光纤的泵功率的大小相关联的。一种耦合装置，例如一锥形光纤或一与耦合器20相似的耦合器可在增益光纤和一输出电信光纤25之间提供一相当低的损耗。

当泵和信号光束的强度均很高时，增益光纤之工作状况最佳。这可通过向增益光纤提供一相应较小的模式场直径(MFD)来达到，所述MFD是可导致光功率被集中于沿光纤轴的一相当小的区域内的一种特征。这样的一种“高增益”或“高效率”的光纤可通过使用一较大的Δ_1-2值和一较小的纤芯直径来达到。值Δ_1-2等于(n² ₁-n² ₂)/2n² ₁，其中n₁和n₂分别是纤芯和包层的折射率。为了达到最佳的泵信号能量耦合及低噪声，同样需要模式场直径小的光纤的截止波长小于泵源的波长λ_p。

如果一现有技术的WDM耦合器被用作耦合器20且这耦合器的两条光纤均为可在市场上购得的电信光纤，则在小MFD高增益光纤和大MFD光纤间的模式场失配会在所述光纤间的熔接处造成高的插入损耗。例如假设一电信系统采用MFD在1550nm和1000nm上分别为6.4μm和3.7μm的铒掺杂增益光纤，所述增益光纤能够放大波长在1530和1560nm之间的信号，在各种可能的泵波长中，较佳的是取980nm。如果耦合器20是一现有技术的WDM耦合器，它一般可使用例如在1550nm和1000nm上MFD分别为10.5μm和5.7μm的匹配的市场上可购得的电信光纤来制成。挑选这些耦合器光纤以将连至电信光纤的熔接损耗降至最低。然而，在上述之增益光纤和电信光纤之间的熔接头将在1536nm和980nm上分别显示出0.5dB和1.7dB的熔接损耗。这种熔接损耗降低了放大器增益，且降低了放大器的有效输出功率。

根据EP-A-0504479的描述，图1的光纤放大器采用了由两种不同的光纤21和13制成的一WDM耦合器20。纤维13是一光纤，它的MFD与电信光纤14的MFD大致相匹配，纤维21是一光纤，它的MFD与增益光纤10的MFD相匹配。在增益光纤的MFD足够小以达到适当的功率密度的光纤放大器装置中，光纤13的MFD与光纤21的MFD之比值典型地至少为1.5∶1。

耦合器光纤21和13的MFD和截止波长间较大的差别造成了在耦合区域外所述光纤中基模传输的传播常数间较大的差别(Δβ)。可以注意到在耦合器光纤21和13的截止波长间的一较大的差别也会造成一较大的Δβ。在耦合区域内，MFD或截止波长的差对所述光纤的基模传输之传播常数的作用(Δβ_CR)并不是如此大。耦合器光纤的纤芯在耦合区域中可以如此之小以致它们对传输的作用变得十分小。当光纤维包层直径足够小时，纤芯和包层的复合体用作耦合区域内波导的导光部件，而周围低折射率基质材料用作包层。因而，在耦合区域内功率在邻近的光纤包层之间传递。如果Δβ_CR足够小，通过控制耦合区域的长度及耦合器光纤的已拉伸和未拉伸区域之间的过渡区域的陡度，可制出这样的耦合器光谱耦合特性：MFD大的光纤中传输的信号光中的很大一部分被耦合至MFD小的光纤，而在MFD小的光纤中，传输的泵源光中的很小一部分被耦合至MFD大的光纤。

一个相似的结果出现在熔合的双锥式锥形耦合器中，其中在耦合区域内光纤由空气围绕而不是由基质玻璃围绕。

在图1的系统中，有一些与耦合器光纤维失配有关的Δβ_CR最大可接受值，它足够小而不至于使耦合严重恶化。由这种耦合器耦合的一个1540nm的输入信号将大于某个给定的最小可接受值，例如95％。

然而，为了提高增益光纤的量子效率，可要求增益光纤具有至少2.0％的Δ_1-2。假设和所述增益光纤一同使用的耦合器(在这里是指耦合器A)中包括了上述的市场上可购得的电信光纤和一具有2.0％的Δ_1-2和约为1300nm的截止波长的小MFD光纤。在最大耦合时，1540nm输入功率中仅有30至40％从输入电信光纤的输入端耦合至小MFD光纤(见图3的曲线35)。

可以注意到耦合器光纤Δβ_CR除可由Δ_1-2、截止波长和纤芯直径之差别造成外，也可由光纤特性的不同而造成。如果(a)耦合器光纤的外径不同或(b)耦合器的光纤在组成及几何形状上大不相同以致在制造一外包层耦合器过程中在管子收缩裹紧时它们的变形不同，则也会发生Δβ_CR大得足以恶化耦合的情况。

众所周知在一熔合的双锥式锥形WDM耦合器中改变光纤包层的折射率可提高耦合器的波长选择性。同样地，在一1×2或2×2熔合的耦合器中从一光纤至另一光纤的耦合随波长而增强，这是因为模式场的衍射扩展随波长而增加。这种耦合相对于波长的变化率限制了在最大和最小耦合间所能得到的波长分隔的狭窄程度。通过调节折射率，耦合区域中两光纤的基模的β曲线在一些特定波长上可交叉成高角。因为只有在Δβ_CR＜＜C时才能得到完全的耦合，这就导致波长在远离β“相交波长”上的耦合的减少，由此使耦合对波长的依从关系变得更尖锐。耦合常数C将在下文讨论(见(2)式)。这一原理在美国专利5129020(由M·Shigematsn等人发明)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页上均作了描述。

在美国专利5011251(由Miller等人发明)中已在消色差耦合器的文中对包层折射率作了讨论。它所描述的原理是可通过所述装置产生就其他方面而言是相同的光纤间的Δβ_CR，且这可被用来提高该耦合器的消色差性能(波长均匀性)。在该专利中所讨论的Δβ_CR可以与波长有依从关系，但未讨论相交(Δβ_CR→0)。

本发明的一个目的是提供一种光纤耦合器，尽管在两种耦合器光纤的MFD之间有一相当大的差别，所述耦合器可在一给定的波长上对足够百分率的输入功率进行耦合。本发明之另一目的在于提供一用于光纤放大器的光纤耦合器，所述光纤放大器具有一增益光纤，所述增益光纤的MFD值比与该增益光纤耦合的传输通信光纤的MFD值小得多。本发明再一个目的在于提供一种用来修改1×2或2×2光纤耦合器中的一光纤以补偿Δβ_CR失配的手段，所述失配将导致由一光纤耦合至另一光纤的功率百分比小于给定值。

简要地说，本发明的光纤耦合器包括一具有双锥式锥形段的第一单模光纤和具有双锥式锥形段的一第二单模光纤，每一光纤具有由折射率为n₂的包层所围绕的纤芯。两个锥形段被熔合在一起以形成一耦合区域。所述耦合区域由一种折射率n₃低于n₂的媒质所围绕。对第一光纤施行第一种手段，用来将耦合区域内基模的传播常数修改至这样的程度，从而可在下述传播常数第二修改手段不存在的情况下使耦合区域中所述第一和第二耦合器光纤的传播常数之差达到这样的大小，把给定百分比的小于波长λ_s的光功率从第二光纤正常耦合至第一光纤。对所述耦合器光纤中之一根施行第二种手段，用来将其传播常数修改至这样的程度，把大于给定百分比的波长λ_s的光功率从第二光纤耦合至第一光纤。耦合区域中光纤之所述部分的光谱传播常数曲线在所使用的波长范围内大致平行。实际上，使耦合区域内的所述光纤部分的光谱传播常数曲线在出现最大耦合的波长范围不相交是可能的。

用来修改光纤中之一根光纤的传播常数的第二种手段可以仅仅是对光纤之一根的包层折射率进行修改。然而，这种对光纤包层的折射率修改的运用与在美国专利第5011251号和5129020号及Parriaux等人发表的文章中所阐述的方法不同。本发明的耦合器是由可实现良好耦合(耦合百分率大于某规定值)的两根不同的光纤制成的。除非通过改变其中一根光纤的性能(例如改变它的折射率)来降低Δβ_CR值，这种良好耦合是不能达到的。一般而言，不对其中的一根光纤作修改，β相交是不会产生的。通过修改，β可相交也可不相交。然而，本发明耦合器与美国专利5129020及由Parriaux等人文章的耦合器之区别在于，即便出现了相交，本发明耦合器的β曲线仍是大致平行的，因此在耦合器所使用的波长范围内，因Δβ_CR的随波长的改变而产生的耦合性能的改变并不明显。

图1是一种现有技术的光纤放大器的示意图。

图2是根据本发明的一种光纤放大器的示意图。

图3是将现有技术耦合器和根据本发明制成的耦合器的功率，对波长的曲线作比较。

图4示出了在耦合区域中基模的在一扩展至产生最大耦合的工作波长范围之外的宽广的波长范围内传播常数随波长而变化的方式。

图5示出了由非相同光纤构成的耦合器的βλ的光谱变化，所述光纤的模式场直径的失配大得足以使少于80％的光功率可在预定波长上被耦合。

图6是另一耦合器实施例的横截面图。

图7是一耦合器预制件的横截面图。

图8是沿图7的8-8直线看得的横截面图。

图9是示出了用来收缩裹紧所述耦合器预制件并拉伸其中间段的装置的示意图。

在本文所描述的实施例中，采用图2的光纤耦合器于一光纤放大器中。耦合器30将来自耦合器光纤31输入端波长为λ_p的泵功率的和来自输入电信光纤14′的波长为λ_s的信号功率耦合至增益光纤10′，由耦合器30延伸出来的光纤引线被通过熔接头S连接至其它光纤。

为了提高增益光纤的量子效率，应使用具有Δ1-2值高和纤芯直径小的增益光纤。为了达到最佳的泵信号能量耦合和低噪声，还要求模式场直径小的光纤的截止波长小于泵源波长λ_p。为获得低的耦合器光纤/增益光纤熔接头损耗，与增益光纤相连接的耦合器应包括一电信型的光纤和一小MFD光纤，所述电信型光纤具有与输入电信光纤之MFD相匹配的大MFD值，所述小MFD光纤具有与增益光纤MFD大致相匹配的MFD值。如果增益光纤Δ_1-2的值足够高，其纤芯直径足够小，和/或其截止波长与电信型光纤的差别足够大，则最终的耦合器光纤的Δβ_CR将对由输入传输光纤至增益光纤的信号功率的耦合起到不利的影响。

为了克服耦合器的Δβ_CR并将耦合信号功率提高到一可接受的程度，即95％以上，对耦合器光纤中的一个光纤特性(所述特性对MFD影响甚小)进行修改。这可以通过例如改变耦合器光纤维之一的包层的折射率来实现，美国专利5011251中揭示了一种用来完成此功能的技术。一耦合器光纤的包层玻璃可用相对于另一耦合器光纤包层玻璃有足够量的氯来掺杂，由此使若不采用这一技术将存在于光纤之间的Δβ_CR减到最小或基本消除。也可使用其它的包层掺杂剂。例如，可使用低浓度的B₂O₃和氟来降低一光纤维包层的折射率，而一些掺杂剂如GeO₂可用来提高包层的折射率。其它已知技术也可用来补偿耦合器光纤的Δβ_CR，例如，可对光纤之一的外径进行腐蚀。

运用耦合模理论来模拟其工作情况，对1×2或2×2的双光纤消色差3dB耦合器作了理论分析。所述分析基于1983年纽约ChapmanandHall公司出版的由A.W.Snyder和J.D.Love所著的《光波导理论》一书所述的原理。根据这一理论，假定图2的2×2外包层耦合器的模式场为每一光纤32和31不存在其它光纤时的基模φ₁和φ₂的线性组合，即，光纤仅由折射率为n₃的外包层折射率材料所围绕。对于这种结构可准确地确定其传播常数和模式场(见M.J.Adams所著的《光波导引论》)。

描述了两纤芯间的光耦合的耦合常数可写成一复叠积分形式：

C=∫φ₁(r)φ₂(r′)(n-n′)dA    (2)在这一方程中，φ₁和φ₂是两纤芯的模式场，r和r′分别是从光纤32和31之纤芯中心起算的径向距离，n是整个耦合器的折射率配置，n′是光纤32的纤芯和包层被折射率为n₃的外包层材料取代后的折射率配置，且积分在耦合器的整个横截面上进行(但n-n′仅在光纤32的纤芯和包层上不为零)，模式场在这一方程中假定为归一化的，即积分∫φ² ₁dA和∫φ² ₂dA均等于1。

虽然这些是锥形装置，但在一给定的耦合长度内假设一恒定的拉伸比，而在所述长度之外不进行耦合，便足以模拟其定性性质，即，假设图2的收细区域N的直径在收细区域的整个长度Z上是恒定的。这是一种较好的近似方法，这是因为耦合常数是拉伸比的一快增长函数，因而耦合器的特性主要取决于在最高拉伸比时的特性。使用这一近似，随着功率进入光纤32的纤芯，作为Z(沿着耦合器轴线的长度)的函数，在两纤芯中的功率由下式给出： $P_1\left(z\right)=1-F^2{\sin }^2\left(\frac{C}{F}z\right)----\left(3\right)$ 和 $P_2\left(z\right)=1-F^2{\sin }^2\left(\frac{C}{F}z\right)---\left(4\right)$ 其中因子F由下式给出： $F={\[1+{\left(\frac{{\mathrm{\β}}_1-{\mathrm{\β}}_2}{2C}\right)}^2\]}^{-1/2}---\left(5\right)$ 其中β₁和₂分别是光纤32和31的传播常数。

通过沿着锥形段对耦合方程进行积分可更定量地得到结果。可使用波束传播技术(傅里叶变换，有限差分等)来更为准确地进行模拟，虽然其代价是计算时间增加许多。

可由式4和5看到，对光纤32的最大耦合由F²来给出，在这里定义的术语“大致平行的传播常数曲线”意味着，在一给定工作波长窗内，系数F²不会下降至给定的最小可接受耦合值之下。因而，在本发明的耦合器中(可存在或可不存在Δβ_CR=o的波长)耦合器对于波长的依从特性是由耦合常数C对于波长的依从关系决定的，且大致地不会由于Δβ_CR值的改变而改变。

当两耦合光纤的传播常数曲线如图4和5中所示那样时，可使用本发明来改进耦合。图4示出了耦合区域中基模的传播常数随波长而变化的方式。曲线44代表具有一低的Δ_1-2值的耦合器光纤的传播常数，其最大值b等于低Δ_1-2纤芯之折射率乘以2π/λ。曲线42和43代表具有一较高的Δ_1-2值且包层的折射率与由曲线44所代表之光纤相同的耦合器光纤的传播常数，它们的最大值C等于高Δ_1-2纤芯之折射率乘以2π/λ。因此，曲线42，43和44均渐近地递减至一数值a，所述数值a等于围绕着光纤的媒质的折射率乘以2π/λ，对于所有的光纤，a的值是相同的。如果高Δ_1-2光纤的截止波长小于低Δ_1-2光纤的截止波长，则高Δ_1-2光纤的传播常数将如曲线43那样，从而在波长远低于耦合器使用的最小波长d时与曲线44相交。如果高Δ_1-2纤光的截止波长大于或约等于低Δ_1-2光纤的截止波长，则高Δ_1-2光纤的传播常数将象例如曲线42那样，从而当波长远低于耦合器使用的最小波长d时它也不会与曲线44相交。如果两光纤的传播常数曲线在波长的使用范围内相交，则为获得最小可接受的耦合无需对传播常数进行修改，且无需使用本发明的原理。在目前看到的实际的实施应用中，光纤Δ_1-2和截止波长有显著的差别从而为了得到可接受的工作状况需要一种改变Δβ_CR的手段。在所有情况下，β曲线互相间大致平行。在本发明所构思的一实施例中，传播常数曲线在最大耦合波长区域内不相交。

在图5中对于两耦合器光纤中每一根光纤画出了β_CRλ作为波长函数的曲线图。由于β_CR在所有情况下与1/λ成正比，这些图是β_CRλ的曲线图而不是β_CR的曲线图。这种类型的曲线图把主要变化的范围加以放大，由此可以确定β_CR中的细小的差别。图5表示由前面所述的市场上可购得的电信光纤和一小MFD值的光纤(Δ=1.0％，截止波长约为950nm)制成的，不对任一光纤进行修改以改进耦合的耦合器。拉伸比R如图所示为3和6。拉伸比是用以制作外包层耦合器的玻璃管的直径与拉伸步骤后收细区域内的管子直径的比率。曲线45和47是大MFD耦合器光纤的β_CRλ曲线，曲线46和48是小MFD耦合器光纤的β_CRλ曲线。这些曲线大致上平行且不相交。根据本发明，两光纤中某一根的传播常数曲线被修改(例如通过使用一使折射率升高的掺杂剂例如氯来对小纤芯直径的光纤进行掺杂)从而使曲线移得相互更接近因而实现更为完全的耦合。

由于βλ曲线大致平行，可单靠选择合适的长度来拉伸耦合器的预制件从而在所需波长范围中的任意波长上进行耦合。当β_CRλ曲线在一给定的波长上陡斜相交时不能采用上述做法，因为如果这样做的话，则必须将耦合器的预制件拉伸至一导致耦合发生在所述给定波长上的长度。

为了说明本发明提供的改进，对外包层耦合器A和B进行比较。耦合器A(前面已作描述)没有改变β以改进其信号功率耦合的特点，而耦合器B具有这样的特点。完成耦合器的拉伸步骤从而使得最大耦合出现在约1310nm处。由于未改变光纤特性来补偿Δβ_CR，故光谱耦合如图3的曲线35所示，耦合功率在1310nm处约为32％。

耦合器B也包括上述的标准电信光纤和一具有2％的Δ_1-2和约截止波长1260nm的小MFD光纤。然而，耦合器B与耦合器A的不同之处在于，耦合器B的大MFD的光纤的包层中含有的氯比耦合器A的大MFD光纤中多约0.15wt.％，耦合器A的包层仅含约0.04-0.06wt％的氯，这一般是在干燥/固化步骤后存留在包层玻璃中的量。再一次进行耦合器拉伸步骤以使最大耦合出现于约1310nm处。第二个耦合器的光谱耦合由图3的曲线36示出，其耦合功率在1310nm处大于97％。

本发明的耦合器亦可用于除图2的正向泵激光纤放大器外的其它装置中。例如，可用于EP-A-0504479所描述的各种其它型式的装置如反向泵激和双端光纤放大器装置及用来把光从一激光二极管耦合入一电信光纤的装置中。

如在EP-A0504479中所描述的那样，对于光信号不在其中进行传输的增益光纤的那部分无需向其提供泵功率。因此，至少在耦合器和泵源之间延伸的那部分低MFD光纤不能含有产生激光的掺杂剂。其最简单的形式是，整个小MFD耦合器光纤如上述的那样不含有产生激光的掺杂剂。然而，通过使用图6的耦合器51可基本消除耦合器和增益光纤之间的熔接损耗。耦合器51包括一光纤53，所述光纤的MFD值与用来与它相熔接的那种形式的电信光纤的MFD值大致相匹配。耦合器55由在耦合器的收细部分内的界面59上相熔接的两光纤段56和57制成，光纤段57是一增益纤维，其纤芯含有一产生激光的掺杂剂。同前面的实施例一样，光纤段56的MFD值可与光纤段57的MFD值大致相匹配。在另一种形式下，光纤段56的MFD值可不同于光纤段57的MFD值，光纤段56的MFD值的大小是这样的，MFD值使它能有效地接收来自另一光纤或一泵激光的激光二极管源的功率。在任一种情况下，光纤段56和57之间的任何模式场失配的作用均可降至最低，这是因为熔接点是位于Δ_1-2和光纤维的纤芯直径作用很小的地方，即处于耦合器的收细区域。

本发明的耦合器可根据前已提及的美国专利第5011251号而制成。图7和8示出了一玻璃管60，其轴向孔61在其端部具有漏斗形状62和62′。所述孔的横截面形状可以是园形、菱形、正方形等等。玻璃管60的软化点温度应比将插在其中的光纤的软化点温度低。合适的玻璃管的组成是用1至25wt.％的B₂O₃对SiO₂掺杂及用0.1至约2.5wt.％的氟对SiO₂掺杂。除了降低SiO₂的软化点温度之外，B₂O₃和F还降低了其折射率。可通过采用额外的B₂O₃使玻璃管更软并使用一掺杂剂例如GeO₂使折射率提高至所需值来制造玻璃管。有时需要使用一具有梯度折射率的玻璃管。例如，玻璃管的内部区域可具有一第一种折射率，而玻璃管的外部区域的折射率可低于所述第一种折射率。

涂覆光纤67和68分别包括光纤63和64及它们的保护涂覆层65和66。光纤67足够长以使其中一有用长度段延伸出玻璃管60的每一端。光纤68足够长以使其中一有用长度段仅延伸出玻璃管60的一端。光纤63和64的每一根包括一纤芯和包层，纤芯的半径和折射率使得光纤64的MFD大于光纤63的MFD，位于涂覆光纤67的端部之间的涂覆层的一部分被切除，其距离略短于孔61之长度，涂覆层的一部分从涂覆光纤68的一端起被切除。把涂覆光纤穿过孔直至无涂覆层部分被置于玻璃管的端部之间。把光纤64穿入孔直至其无涂覆层部分被置于漏斗口62之内。少量的胶水69被滴在涂覆光纤之一侧从而将其粘在漏斗口62的一侧，而留出一个允许进入孔61的开口70，涂覆光纤67可先被加上一轻微的拉力随之可同样地将一滴胶水滴在涂覆光纤67和漏斗口62间。

完成玻璃管内缩裹紧及拉伸步骤的装置示于图9。夹盘72和73是用来在这种装置中固定耦合器预制件的，它们安装在最好由一台计算机进行控制的电动机控制载物台上。环形喷灯74可用来均匀地加热毛细玻璃管的中部。

图7和8的耦合器预制件被穿过环形喷灯74并被夹在拉伸夹盘上。光纤被穿过抽真空附属装置75和75′，所述抽真空附属装置随后被固定于玻璃管60的端部。抽真空附属装置75(其剖面图示于图9中)包括一连接于玻璃管60之端部的导管77，和一抽真空管道78。导管77的端部可如箭头79所指明的那样被夹在光纤上。上部抽真空附属装置75′包括由原先的参考标号所代表的相同部件。

真空装置V被接至预制件的两个端部，耦合器预制件使用喷灯在一短时间内被加热(所述时间典型地是在12至25秒之间)，以将玻璃管中部的温度升高至软化温度。在玻璃管上的有差异的压力的帮助下，导管中部80收缩裹紧在光纤上。玻璃管基质玻璃包围了光纤并封住了孔以形成一实心的结构。

收缩裹紧的玻璃管中部的中央部分可在不将器件移离所述玻璃管在其中收缩裹紧的装置的条件下被进行拉伸。在玻璃管冷却以后，火焰重新燃起，收缩裹紧的区域中心部分被重新加热。用于拉伸过程的火焰持续时间(取决于所要求的耦合特征)通常在10至20秒之间。用于拉伸步骤的加热时间越短则被拉伸区域越是比收缩裹紧的区域短。在收缩裹紧的玻璃管被重新加热之后，夹盘72和73向相反方向拉伸直至耦合器长度被增至一预定数值时为止。

光功率可被耦合至一输入光纤，且在耦合器的制造过程中对输出信号进行监视来控制过程步骤。例如可参见美国专利5011251。在以下所描述的特定例子中，在拉伸过程中输出功率未受监视。在带有外包层光纤耦合器的以往经验中，两个载物台的总拉伸距离一般在12至16mm之间。因此在这一例子中所描述的耦合器起初伸展至该范围内的某一距离。对制成装置的光学特性进行测量，且随后对所制成的耦合器的拉伸或伸展距离这样来进行调节，以便接近所需的特征。通过这一过程，可达到最佳拉伸距离。在此之后，该种型式的所有耦合器被拉伸至最佳距离从而达到所需的光学特征。然而，作为所制得的耦合器的光学特征的一种结果，过程参数例如伸展距离可被精细地进行调节。

在耦合器被冷却之后，把真空管道从耦合器上移离且将一滴胶水滴在毛细管的每一端，所述胶水至少部分地流入轴向孔中，这就形成了真空密封且也增加了器件的拉伸强度。

以下的特定的例子描述了一种制造光纤放大器及用在放大器中的光纤耦合器的方法。

耦合器光纤和增益光纤由美国专利第4486212中所揭示的工艺(它被结合于此以作参考)或一相似的工艺来制造。简要地说，根据该专利，在一园柱形的心轴上制成了包括一纤芯区域和一包层玻璃薄层的多孔纤芯预制件。心轴被除去，所形成的管状预制件被慢慢地插入一固化马弗炉膛中，所述炉膛的最高温度在1200℃至1700℃之间，对于二氧化硅含量高的玻璃宜采用约1490℃。如美国专利第4165223(它被结合于此以作参考)所述的那样，炉膛的温度曲线在中央部分最高。氯是由氦气和氯气所组成的干燥气体流入预制件的开孔而提供给预制件的，它通常以最小的浓度存在，而这是达到干燥所需的，所述开孔的末端被插接以使气体流过预制件的细孔。氦气清洗气体同时流过马弗炉。

当真空被提供给开孔以形成一“纤芯棒”(在其中孔被关闭)时制得的管状玻璃物在一标准拉伸炉中被拉伸。芯棒的合适的长度被固定在车床上，而二氧化硅微粒淀积在芯棒上。所制得的最终的多孔预制件被逐渐插入固化炉，在炉中当由氦气和氯气组成的混合物向上地流过时所述预制件被固化。所制得的玻璃预制件被拉伸以形成阶跃折射率的单模光纤。

(a)形成电信型光纤64

由使用8.5wt.％的GeO₂掺杂的SiO₂组成的玻璃微粒的第一层淀积在一心轴上，且一SiO₂微粒的薄层淀积在所述第一层上，把心轴移开，且制得的多孔预制件被逐渐插入一炉膛，所述炉膛具有一个氧化铝制的马弗炉，在其中所述预制件被干燥和固化。在这一过程中，一含有65sccm(标准立方厘米/分钟)氯气和650sccm氦气的气体混合物流入心轴被移走后的中心孔。一含有40slpm(标准升/分钟)氦气和0.5slpm氧气的清洗气体由马弗炉的底部向上流。所述开孔被抽真空，且管状体的下端被加热至1900℃并被以约15cm/min的速率进行拉伸以形成-5mm的固体玻璃棒，所述棒被分割成几段，其中一段用作心轴被固定在车床上，在其上淀积有SiO₂包层微粒以形成一最终的多孔预制件。所述最终的多孔预制件被逐渐插入一炉膛的氧化铝马弗炉内，所述炉膛的最高温度为1490℃，在该温度下预制件被固化以形成一拉伸毛坯。在固化过程期间，一含有40slpm氦气，0.6至0.7slpm氯气和0.5slpm氧气的气体混合物流过马弗炉。该处理方法最终在包层中形成约0.15至0.20wt.％的残余氯浓度。毛坯的尖端被加热至约2100℃，由此可拉伸出一外径为125μm的光纤，在拉伸时，所述光纤被直径为170μm的尿烷丙烯酸树脂的涂覆层所涂覆。

(b)形成小MFD耦合器光纤63

除了以下所述的差别外，与段落(a)中所述的相同的工艺被用来形成光纤63。一由使用18wt.％GeO₂掺杂的SiO₂组成的玻璃微粒的第一层被淀积在心轴上，且一SiO₂微粒的薄层被淀积在所述第一层上。制成的多孔预制件被进行固化、拉伸并使用纯二氧化硅包层进行外包覆。纤芯直径与制得的拉伸毛坯的外径之比是这样的，使得纤芯小于光纤64的纤芯(见表1)。在固化纯二氧化硅外包层期间，含有40slpm氦气、0.5slpm氯气和0.5slpm氧气的气体混合物流过马弗炉。这一处理方式在包层中造成一约为0.05wt.％的残余氯浓度。所述光纤被拉伸至外径为125μm且使用170μm直径的尿烷丙烯酸树脂来涂覆。

c．光纤特征

表1列出了这些光纤维的Δ^csi(等效阶跃折射率增量)d^csi _c(等效阶跃折射率纤芯直径)和MFD。光纤64的模式场参数是预先为制造光纤已测量好的常规值；它们根据模式场直径的PetcrmannⅡ定义使用可变孔径远场方法来决定。光纤63的模式场参数为计算值。

                        表1

                                       模式场直径

         Δ^csi       d^csi       在1500nm      在1000nm

光纤64   0.0036      8.3μm       10.5μm        5.7μm

光纤63   0.0191      3.4μm        4.4μm        2.8μm

光纤64和一具有2％的Δ_1-2且截止波长为950nm的光纤的熔接损耗在980nm为3.75dB，在1540nm为18dB。

d．形成耦合器

玻璃毛细管60的长度为3.8cm；外径为2.8mm，其孔口是菱形的，该菱形的每一边长度约为310μm。所述毛细管(它由一火焰水解工艺制成)由用8.0wt.％的B₂O₃进行掺杂的二氧化硅组成。每一漏斗口62是通过在加热玻璃管之末端的同时使NF₃流过该管而形成的。

涂覆光纤67和68分别被切割成约3.0米和1.5米长。一段长约2.8cm的包层被从光纤67的中心部分剥去。一段长为6cm的涂覆层从涂覆光纤68的末端被剥去。通过将火焰引向被剥离部分的中央的同时拉伸光纤的末端以形成一锥形末端从而在光纤64的末端制成一抗反射终端。使用一喷灯火焰来加热光纤64的尖端使玻璃后缩以形成一园形端面，其直径等于或略小于原有的无涂覆层光纤之直径。最终的经剥离的端区长度约为3.2cm。

涂覆光纤67被穿过孔口直至不涂覆部分被置于玻璃管端部之间。光纤64被穿入孔口直至其有涂覆层部分被置于漏斗口内。少量的紫外固化粘合剂被涂在涂覆光纤上从而将它们如图7和8中所示的那样粘到漏斗口62上。涂覆光纤67经受到一轻微的拉力，少量紫外固化粘合剂被涂在涂覆光纤67上以将它粘至漏斗口62′。

耦合器预制件71被穿插过环形喷灯74且被夹在图10装置的夹盘72和73上。抽真空附属装置75和76被固定在导管的末端且被夹往(箭头79)以向预制件71提供一稳定在约为46厘米(18英寸)汞柱的真空度。

煤气和氧气分别以0.60slpm和1.2slpm流向环形喷灯。所述环形喷灯打开约18秒种以使玻璃管中部的温度升高至其软化温度，这使玻璃管约0.5cm长的一段玻璃管收缩裹紧到光纤上，在耦合器预制件被冷却了约30秒以后，火焰被再次点燃，此时煤气和氧气以与玻璃管软化步骤中相同的方式流动，已收缩裹紧的区域被重新加热约17秒钟。真空度保持在约46厘米泵柱。夹盘72和73向相反方向以约为2.0cm/sec的速率移动，从而使耦合器的总长度增加约1.62cm。

在耦合器被冷却后，把抽真空导管从耦合器上除去，一滴粘合剂被滴在毛细管的每一端部且被暴露在紫外光下60秒钟。然后耦合器被从拉伸装置上移开。

用上述工艺制成了低的插入损耗的耦合器。当一1310nm的输入信号被送入输入光纤14′时，一个这种型式的耦合器的插入损耗低于0.26dB，额外损耗为0.13dB，耦合比为97.06％，这种耦合器的耦合曲线示于图3中。

Claims (22)

1．一种光纤耦合器，包括：

两根单模光纤，即，第一光纤和第二光纤，所述两根光纤的每一根都包括由折射率为n₂的包层所围绕的纤芯，并具有双锥式锥形段，所述锥形段被熔合在一起以形成耦合区域，而所述耦合区域被折射率为n₃的媒质所围绕，其中n₃＜n₂，

所述光纤耦合器的特征在于，所述第一和第二光纤的纤芯和包层的尺寸和成分是如此特别地确定的，从而即使所述两根光纤的Δ1-2和截止波长有显著的差异，所述第一和第二光纤在所述耦合区域之外的基模传播常数之间的差值仍较小，因此所述光纤在所述耦合区域的那些部分之光谱传播常数曲线在出现最大耦合的波长区域内大体上平行，而波长为λ_s的给定百分率的光功率从所述第二光纤耦合至所述第一光纤。

2．如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，对所述第一和第二光纤的纤芯和包层的尺寸和成分的特别确定包括在制造过程中对所述第一光纤施行的第一种手段和对所述光纤之一施行的第二种手段，施行所述第一种手段之目的在于使所述第一光纤在所述耦合区域内的基模传播常数改变至这样的程度，即，在不施行所述第二种手段的条件下，所述第一和第二光纤在所述耦合区域内的传播常数相差这样一个量，通常使得波长为λ_s的小于给定百分率的光功率从所述第二光纤耦合至第一光纤，施行第二种手段之目的在于使所述光纤之一的传播常数改变至这样的程度，即，使得所述波长为λ_s的大于给定百分率的光功率从所述第二光纤耦合至所述第一光纤。

3．如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述媒质包括带有两个端部区域和一个中间区域的基质玻璃的拉伸体，所述第一和第二光纤在所述拉伸体内轴向伸展，并且沿所述拉伸体的中间区域被熔合在一起，所述中间区域的中央部分之直径小于所述端部区域的直径，所述拉伸体中间区域的中央部分构成所述耦合区域。

4．如权利要求2所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第二种手段包括用来改变所述光纤之一的包层折射率的手段。

5．如权利要求2所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第二种手段包括使在所述第二光纤之包层中的氯含量多于在所述第一光纤之包层中的氯含量，由此使所述第二光纤之包层的折射率大于所述第一光纤之包层的折射率的手段。

6．如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述给定的百分率是95％。

7．如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第一光纤包括在其整个长度上具有大体上均匀的模场直径的单模光纤。

8．如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第一耦合器光纤包括两个光纤段，所述两个光纤段具有不同的模场直径，并且在所述耦合区域内被熔合在一起。

9．如权利要求8所述的光纤耦合器，其特征在于，具有较小模场直径的光纤段包括具有用产生激光的材料掺杂之纤芯的增益光纤。

10．如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，所述第一光纤的至少一部分的模场直径小于所述第二光纤的模场直径。

11．如权利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述第一光纤的模场直径小于所述第二光纤的模场直径。

12．如权利要求1所述的光纤耦合器，其特征在于，在所述耦合区域内所述光纤的那些部分之光谱传播常数曲线在出现最大耦合的波长区域内不相交。

13．一种光纤放大器，包括：

用来放大光信号的增益光纤装置；

光纤耦合器，包括具有双锥式锥形段的第一单模光纤和具有双锥式锥形段的第二单模光纤，每根所述光纤具有由折射率为n₂的包层所围绕的纤芯，所述锥形段被熔合在一起以形成耦合区域，所述耦合区域由折射率为n₃的媒质所围绕，其中n₃＜n₂，所述第一光纤的一端被连接至所述增益光纤装置上，

所述光纤放大器的特征在于，所述第一和第二光纤的纤芯和包层的尺寸和成分是如此特别地确定的，从而即使所述两根光纤的Δ1-2和截止波长有显著的差异，所述第一和第二光纤在所述耦合区域之外的基模传播常数之间的差值仍较小，因此所述光纤在所述耦合区域的那些部分之光谱传播常数曲线在出现最大耦合的波长区域内大体上平行，而波长为λ_s的给定百分率的光功率从所述第二光纤耦合至所述第一光纤。

14．如权利要求13所述的光纤放大器，其特征在于，对所述第一和第二光纤的纤芯和包层的尺寸和成分的特别确定包括在制造过程中对所述第一光纤施行的第一种手段和对所述光纤之一施行的第二种手段，施行所述第一种手段之目的在于使所述第一光纤在所述耦合区域内的基模传播常数改变至这样的程度，即，在不施行所述第二种手段的条件下，所述第一和第二光纤在所述耦合区域内的传播常数相差这样一个量，通常使得波长为λ_s的小于给定百分率的光功率从所述第二光纤耦合至第一光纤，施行第二种手段之目的在于使所述光纤之一的传播常数改变至这样的程度，即，使得所述波长为λ_s的大于给定百分率的光功率从所述第二光纤耦合至所述第一光纤。

15．如权利要求13所述的光纤放大器，其特征在于，所述媒质包括带有两个端部区域和一个中间区域的基质玻璃的拉伸体，所述第一和第二光纤在所述拉伸体内轴向伸展，并且沿所述拉伸体的中间区域被熔合在一起，所述中间区域的中央部分之直径小于所述端部区域的直径，所述拉伸体中间区域的中央部分构成所述耦合区域。

16．如权利要求14所述的光纤放大器，其特征在于，所述第二种手段包括用来改变所述光纤之一的包层折射率的手段。

17．如权利要求14所述的光纤放大器，其特征在于，所述第二种手段包括使在所述第二光纤之包层中的氯含量多于在所述第一光纤之包层中的氯含量，由此使所述第二光纤之包层的折射率大于所述第一光纤之包层的折射率的手段。

18．一种光纤放大器，包括：

用来放大光信号的增益光纤装置；和

具有第一和第二耦合器光纤的光纤耦合器装置，所述第一耦合器光纤的一个端部被连接至所述增益光纤装置，所述第一耦合器光纤的模场直径大致地与所述增益光纤装置的模场直径相匹配而小于所述第二耦合器光纤的模场直径，所述耦合器光纤的一部分处于与波长有关的光传送关系之中，由此波长为λs的大部分光功率在所述第一和第二耦合器光纤之间耦合，而导入所述第一光纤中的波长为λ_p的大部分光功率仍留在所述第一耦合器光纤中，所述光纤之间的模场直径之差导致了在所述耦合区域内所述第一和第二耦合器光纤的传播常数之差达到这样一个量，从而通常波长为λ_s的小于给定百分率的光功率由所述第二光纤耦合至所述第一光纤，

所述光纤放大器的特征在于，在制造过程中，采用一种手段来改变所述光纤之一的传播常数，使得波长为λ_s的大于给定百分率的光功率从所述第二光纤耦合至所述第一光纤，在所述耦合区域内的所述光纤的那些部分之光谱传播常数曲线大体上平行。

19．如权利要求18所述的光纤放大器，其特征在于，所述耦合器光纤具有双锥式锥形段，并且每根所述光纤都具有由折射率为n₂的包层所围绕的纤芯，所述锥形段被熔合在一起以形成耦合区域，所述耦合区域由折射率为n₃的媒质所围绕，其中，n₃＜n₂。

20．如权利要求19所述的光纤放大器，其特征在于，所述媒质包括带有两个端部区域和一个中间区域的基质玻璃的拉伸体，所述第一和第二光纤在所述拉伸体内轴向伸展，并且沿所述拉伸体的中间区域被熔合在一起，所述中间区域的中央部分之直径小于所述端部区域的直径，所述拉伸体中间区域的中央部分构成所述耦合区域。

21．如权利要求20所述的光纤放大器，其特征在于，所述第一耦合器光纤的一端被接至所述增益光纤装置的一端。

22．如权利要求20所述的光纤放大器，其特征在于，在所述第一耦合器光纤和所述增益光纤之间的接头被设置在所述光纤耦合器内。

Images