CN1070487A - 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，其中光纤级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，其特点在于该锥 形部级装入保护外壳并固定在那里，使这一部分在光 纤熔融结合和拉长之后保护其刚性扭转状态。

Description

本发明是关于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。这个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（tapered    portion），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交调失真特性（crosstalk    prop-erty），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，耦合器的交调失真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。交调失真通常为一个负值。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交调失真特性，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候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，光通过显微镜25观察从光源发出并穿过光纤的光纤找出应力加载部分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而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交调失真特性变差了。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（branching    ratio）和多余损耗特性（excess    loss    property）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，那么耦合器的交调失真特性（它指出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。

为进行上述传鉴定，其偏振状态由偏振器4，波长栅（wave-length    plate）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系统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过移，还需使光纤的偏振轴与进入光纤的光的偏振轴一致1。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和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交调失真特征的光纤耦合器。

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交调失真特性。

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，特别是对其交调失真特性的鉴定，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，交调失真的测量值利用由光纤发出光的交调失真进行补偿，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维形部。本例的特点是该锥形部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，以此耦合器中的交调失真最小。

当锥形部被刚性扭转时，可以对光纤耦合器中的交调失真进行监测以控制其扭转，从而使交调失真达到最小。

根据本发明的另一个方面，该方法和设备的特点在于：一组长的偏振保持光纤被放出在外面并被加热，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、四分之一波长（λ/4）栅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交调失真。

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，所以耦合器的交调失真特性变差了。此外，由于各耦合器的这种不一致性程度各不相同，所以各耦合器的交调失真特性也彼此不同。

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的刚性扭转校正了这种不一致性，从而防止了耦合器交调失真特性这种不一致性导致的变差。即使不一致程度固耦合器不同而不同，但通过刚性扭转耦合器锥形部来校正其不一致性，可以使耦合器性能良好而彼此的交调失真特性没有差别。

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，其鉴定和效率较低。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放出（send-ing    out）便可以鉴定耦合器关于偏振的交调失真特性。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，绕在轴心（bobin）上的光纤中的光偏振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，那第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是耦合器中交调失真的一个测量结果图;

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交调失真之间的关系图;

图8是用传统方法和本方法测量多个耦合器的交调失真结果之间的关系图;

图9是交调失真补偿后的测量值与用传统方法测量的交调失真之间的关系图。

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待器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、分析仪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108。光纤之一被用作主线。由光源101及偏振器102产生的测试光进入主线光纤。从主线光纤发出的光穿过分析器105，然后由功率计106测量，以计算耦合器中的交调失真。为了计算交调失真，也可以测量作为支线的其他光纤发出光。

由于锥形部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），使耦合器的交调失真特性能被改善。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，从而制造出产调失真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（um）彼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103、103b、103c和103d来转动锥形部108，以便适当地扭转它。

图4是该耦合器中交调失真测量结果图。从图4可以理解，通过扭转锥形部108能改善耦合器的交调失真特性。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，同时监测耦合器中的交调失真。当锥形部108已扭转到使交调失真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保持光纤耦合器。分别在扭转其锥形部并放入外壳及固定之前和之扣对这些耦合器中每一个进行了交调失真特性的鉴定。

图5是从鉴定结果得到的频度值分布图。从图5可以理解，扭转锥形部使交调特性得到改善，并减小了各耦合器交调失真特性的差异。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，只要不偏离七发明的实质特征。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交调失真特性的光纤耦合器。

图6是鉴定光纤耦合器的一种设备，特别是对于耦合器交调失真特性的鉴定。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、四分之一波长（λ/4）栅3、偏光器4、偏振束分光器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，以确定耦合器中的交调失真。

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核心上的偏振保持光纤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将光变成相互平行的射线。利用适于0.85微米波长的四分之一波长（λ/4）栅3将这些射线合成园形偏振光。用偏光器4从园形偏振光生成线性偏振光，使其偏振轴与绕心偏振保持光纤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继续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，以确定耦合器中的交调失真。

为了评定耦合器的分支比和多余耗损，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耗损进行补偿。

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，交调失真为一39dB，（分贝）。在制造过程中，如前述那样测量了耦合器中的交调失真。然后，用传统方法测量其交调失真，以发现其交调失真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交调失真值之间的关系。由图7显而易见，其交调失真值彼此很接近。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得多。

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绕心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，交调失真-23dB（分贝）。

图8是用本方法测量的耦合器交调失真与用传统方法测量结果之间的关系图。从图8可以理解，用两种方法测得的交调失真之差在大约-20dB处开始增大，这是由于绕心光纤本身的交调失真造成的。用本方法测量得到的交调失真测量值根据绕心光纤交调失真为-23dB这一事实进行了补偿。

图9是补偿测量值与用传统方法测量交调失真的关系图。从图9可以理解，补偿测量值与传统方法测量的交调失真彼此接近。所以，即使发生偏振状态的改变，例如在绕心光纤中的产调失真变差，如果事先测定绕心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。

下面描述根据绕心光纤本身的交调失真对耦合器中交调失真测量进行补偿的过程。首先使X-偏振光进入绕心光纤。在只是绕心光纤中的交调失真CT。由下述等式（2）表示：

CT_O＝10log（P_YO/P_XO） （2）

这里，等式（2）中的P_xo和P_yo代表绕心光纤发出光的X-偏振分量及Y-偏振分量的光功率。

在制成耦合器之后从绕心光纤以出光的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_XO-γ′P_XO） （3）

P′_Y＝S_YP_YO+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′这也就是耦合器的交调失真。从Y-偏振分量到X-偏振分量的功率转换是可以忽略的。

在制成耦合器之后绕心光纤中的交调失真CT′在P_x》＞γ′P_xo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_YO/P_XO+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^CTo/10（6）

结果，在耦合器中的交调失真CT由下式确定：

CT＝10·logγ′（dB）    （7）

当绕心光纤自身中的交调失真为-23dB而在由它制成耦合器之后该光纤中的交调失真例如为-20dB时，在耦合器中的交调失真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交调失真特性也能得到改善。由于这一原因，能用本方法和设备的高度的可再制性制造出具有良好的交调失真特性的耦合器。

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和调整。由于这原因，提高了鉴定的效率。

Claims (28)

1、一种制造光纤耦合器的方法，包括下列步骤：

对一组含有一条主线光纤和若干分支光纤的偏折保持光纤加热，通过熔融将它们结合到一起并拉长，以构成耦合器的形部；

刚性扭转所述耦合器的锥形部；以及

将所述锥形部装入外壳并固定，使所述部分保持其刚性扭转状态。

2、如权利要求1中的方法，这里所述耦合器锥形部被扭转，以使所述偏振保持光纤的偏振轴级此一致。

3、如权利要求1所述的方法，其中所述耦合器锥形部级扭转以控制光纤耦合器的交调失真，使其达到所希望的确定值。

4、如权利要求1所述的方法，其中所述耦合器锥形被扭转，以控制光纤耦合器中的交调失真，使其达到最小。

5、如权利要求3中的方法，还包括一个步骤：在扭转耦合器所述锥形部的过程中监测光纤耦合器中的交调失真。

6、如权利要求5中方法，其中所述监测交调失真的步骤由测量所述光纤出光功率来完成。

7、如权利要求6中的方法，其中所述监测交调失真的步骤由测量所述主线光纤发出光的功率来完成。

8、如权利要求6中的方法，其中所述监测交调失真的步骤由测量所述支线光纤发出的功率来完成。

9、如权利要求1中的方法，其中所述一组光纤分别浇在各自的轴心上。

10、如权利要求9中的方法，还包括这样一步：将偏振轴与所述光纤之一的偏振轴一致的线性偏振光从所述光纤的一端送入，从而得到预先确定的分支比，并测量所述光纤发出光的交调失真。

11、茹权利要求10中的方法，其中该交调失真的所述测量值利用所述偏振保持光纤中的交调失真进行补偿，该交调失真值是在所述光纤耦合器制成之前测得的。

12、如权利要求11的方法，其中所述交调失真测量值根据下述公式进行补偿：

${\mathrm{\gamma \text{'}=10}}^{\mathrm{CT\; \text{'}/10}}\mathrm{-10}{}^{\mathrm{CTo/10}}$

CT＝10·logγ¹（dB）

这里γ¹代表在所述耦合器中从X-偏振分量的功率转换比率，CT¹代表制成所述耦合器之后在绕心光纤中的交调失真，CTo代只在所述绕似光纤中的交调失真。

13、鉴定一个光纤耦合器的一种方法，包括下列步骤：

放出一组偏振保持光纤;

加热所述光纤，通过熔融结合和拉长所述光纤的加热部分制成耦合器;

将偏振轴与所述光纤之一的偏振轴一致的线性偏振光从所述光纤的一端送入，以得到预先难定的分支比;以及

测量所述光纤发出光的交调失真。

14、如权利要求13的方法，这里还包括一个步骤：在制成耦合器之前，利用所述偏振保持光纤中的交调失真进行补偿。

15、如权利要求12的方法，其中所述交调失真测量值根据下述等式进行补偿：

${\mathrm{\gamma \text{'}=10}}^{\mathrm{CT\; \text{'}/10}}\mathrm{-10}{}^{\mathrm{CTo/10}}$

CT＝10·logγ′（dB）

这里γ¹代表在所述耦合器中从X-偏振分量到Y-偏振分量的功率转换比率，CT′代表制成所述耦合器之后在绕心光纤中的交调失真，CT⁰代表在只是所述绕心光纤中的交调失真。

16、如权利要求13的方法，还包括在制成所述耦合器之后扭转所述光纤的步骤。

17、如权利要求16的方法，其中所述光纤被扭转，以使所述偏振保持光纤的偏振轴彼此一致。

18、如权利要求16的方法，其中所述的光纤被扭转以控制光纤耦合器中的产调失真，使其达到所希望产生的限定值。

19、如权利要求17的方法，其中所述光纤被扭转以控制光纤耦合器中的交调失真，使其达到最小。

20、如权利要求13的方法，还包括扭转所述光纤时监测光纤耦合器中交调失真的步骤。

21、如权利要求20的方法，其中所述监测交调失真的步骤是通过测量所述光纤发出光功率来完成。

22、如权利要求20的方法，其中所述监测失调失真的步骤是通过测量所述主线光纤发出光的功率来完成的。

23、如权利要求20的方法，其中所述监测交调失真的步骤是通过测量所述支线光纤发出光的功率来完成的。

24、制造光纤耦合器的一种设备，包括：

有主线光纤和若干分支光纤的一组光纤;

一个光源向所述光纤中发出光;

一个偏振器放所述光源和所述光纤之间;

一对夹持器将所述主线光纤与所述支线光纤连在一起，以便拉长所述光纤构成耦合器，在制成耦合器之后将所述夹持器解脱;

功率计用于测量所述光纤中的交调失真;

一个分析器放在所述光纤和所述功率计之间;以及

旋转夹持器，用于在所述夹持器从所述光纤上解脱之后扭转所述光纤，以控制所述光纤的交调失真使其达到所述期望值。

25、如权利要求24的设备，其中所述光纤的交调失真被控制到最小。

26、如权利要求24的设备，其中所述功率源和功率计面对所述主线光纤。

27、如权利要求24的设备，其中所述功率交源和功率计机对所述光线光纤。

28、如权利要求24的设备，其中所述耦合器在篷当扭转光纤后被装入个壳并固定在那里。

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