CN1172958A - 使用复合光纤的马赫－策恩德干涉型器件 - Google Patents

Abstract

一种马赫－策恩德波长选择器,用一根或多根复合光纤制成,每根复合光纤包含一相移区,其具有一有效折射率,被拼接在有效折射率不同的耦合区之间。每根这样的复合光纤所产生的光程长度差或相位延迟是相移区长度的线性函数。

Description

使用复合光纤的马赫-策恩德干涉型器件

本发明涉及马赫-策恩德干涉型器件，以及制造该器件的方法。

光纤通信系统就不同目的需要各种波长选择器。例如，在波分复用传输方式中，单根光纤可以传送波长略有差异的若干光束。每束光运载一独立的信息流。波长选择滤波器被运用在光纤分支的地方，在分支处，将具有某特定波长的一束光导入光纤的一个分支，而将其余光束导入另一分支。可将远程通信不同用户所拥有的几个接收机与一根光纤相连。每个接收机装有一个滤波器，该滤波器用于仅将一非常窄的波带导入该器件，并排斥所有其它的波带。供特殊用户使用的信号以与该用户相关的波长发送。

这些以及其它波长选择器必须满足在实际通信系统中使用的要求。选择器应能分离相互间仅相差几个纳米的波长。波长选择器对于环境应该是稳定的、可靠的和耐用的。在某些应用中，波长选择器应该“可调”或可调节，以便改变它所选择的波长。另外，波长选择器工作的光功率损耗应该相当低，即选择器不能大量消耗提供给它的光功率。

在光通信系统中，马赫-策恩德干涉仪已被用作波长选择器。如图1所示，马赫-策恩德干涉仪包括一对光纤F1和F2。在第一耦合器C₁和第二耦合器C₂处，两根光纤相互耦合，以在两者间进行光传输。耦合器用于将光从一根光纤传送到另一根光纤。如以下将进一步阐明的，耦合器可以是所谓的“渐逝”耦合器，在渐逝耦合器中，光纤的窄长部分在基体(matrix)或外被覆层内相互并置得很近。耦合器可以是3分贝耦合器，这种耦合器可将一根光纤上提供的大约一半光功率传送至另一根光纤。光纤F1和F2在耦合器间具有光程长度不同的相移区。因此，光纤F1中相移区的光程长度与光纤F2中相移区的光程长度不同。如在本发明中所使用的，“光程长度”是对某一给定波长和某一给定传输模式下的光穿过光纤一端到达另一端所需时间的量度。光程长度的差异已经可以用下述方法获得，即，使一根光纤的相移区实际比另一根的长，或者使两根光纤F1和F2具有不同的传播常数，以致于使两根光纤内的光速不同。后一种结构可以通过使用折射率分布不同的光纤来实现。当光纤是“阶跃-折射率”光纤(包含折射率相当大的纤心和覆盖住纤心的折射率相当小的被覆层)时，两根光纤的纤心可以具有不同折射率、不同的纤心直径、不同的被覆层折射率，或者这些不同量的组合。无论使用哪种特殊的机理来产生不同的光程长度，图1中所示的单级马赫-策恩德滤波器都将根据光的波长把通过输入端1提供的光引导至输出端3或输出端4。较复杂的马赫-策恩德器件采用多级形式，具有多个相移区并有多个串联耦合器，用以获得某些所需的波长选择特性。如美国专利第5,351,325号中所述，还有一些马赫-策恩德器件，它们在耦合器之间不止并联两根光纤，该发明内容引用包括在此。各种不同的光纤具有不同的光程长度。最好能够对光程差进行选择，以便提供相互间为有理数或整数倍数的光程差。

对于用来提供所需波长选择特性的马赫-策恩德器件，光程差应与设计器件中所规定的相同，并且除了特意改变外应保持稳定。诸如各根光纤的移动或振动等环境作用以及光纤的不均匀加热或冷却，都会严重劣化马赫-策恩德各元件的性能。美国专利第5,295,205号(’205号专利)揭示了一种改进的马赫-策恩德器件，该器件包含一个由一种基质玻璃制成的细长体，如一空心的管子，此发明也通过引用包括在此。诸光纤穿过管孔延伸。每个耦合器可以这样来形成，即先将管子的一部分塌缩到光纤上(加热)，然后将塌缩的管子部分以及内含的光纤部分拉长，从而在周围包裹着基质玻璃的光纤中提供窄长的段区。采用这种普通的方式，可制成各种马赫-策恩德元件，包括那些具有不止两根光纤的马赫-策恩德元件和具有不止两个耦合器的级联器件。根据第’205号专利中较佳实施例，所制成的器件被牢靠地封装在基质玻璃管内，并由此基本上不受温度梯度和不希望有的无意产生的弯曲的影响。因此，根据第’205号专利制成的较佳器件可用作实际远程通信系统中的元件。

除了本领域中的这些和其它进步，还需要作进一步的改进。用传播常数不同的光纤来制造马赫-策恩德器件要求制造商储备传播常数不同的光纤。当单个器件中使用不止两根光纤时，必须制作传播常数相互呈所需关系的光纤。对于某些设计，必须成批制造传播常数不同的光纤，使其差值互为整数倍。这在光纤拉丝工艺中施加了很大的限制和花费。另外，为获得所需传播常数需要对光纤进行调节，这些调节具有不希望有的副作用。例如，为产生一特定传播常数而调整光纤纤心成份会产生一种纤心特别软的光纤，在用来形成耦合器的拉伸工艺期间，这会形成椭圆的截面。这又会导致光学性能随通过器件传送的光的偏振而变化。因此，希望对制造马赫-策恩德器件的方法以及所制得的器件作进一步的改进。

本发明的一个方面是，提供制造马赫-策恩德器件的方法。依照本发明该方面的方法，最好包括提供多根光纤的步骤，其中多根光纤至少包括一根复合光纤。每根这样的复合光纤具有一对耦合区和一个相移区。每根复合光纤相移区的传播常数与该光纤中耦合区的传播常数不同。依照本发明该方面的方法，还最好包括在光纤上相隔一段距离的位置上形成一对光学耦合器的步骤，以便每根复合光纤的相移区位于耦合器之间。提供每根复合光纤的步骤可以通过在第一备料光纤(stock fiber)的光纤段之间拼接一段第二备料光纤来实现。除了复合光纤之外，用来制造马赫-策恩德器件的多根光纤，可包括一根传播常数沿其整个长度都相同的均匀光纤。最好用用于制造每根复合光纤的一段第一备料光纤整个地形成该均匀光纤。

由于第二备料光纤仅出现于复合光纤的相移区，所以第二备料光纤不受耦合器制作工艺的影响，并且它不会形成耦合器的任何部分。因此，无需考虑第二备料光纤在耦合器制作工艺中的表现便能选择第二备料光纤的特性。复合光纤的光程长度依赖于复合光纤中所含第二备料光纤段的长度。因此，通过控制复合光纤中所含第二备料光纤段的长度便能控制复合光纤的光程长度，不会影响光纤在耦合器间总的实际长度。最好，所有的光纤在耦合器间都具有相同的总长度。可通过调节形成每根复合光纤相移区的第二备料光纤段的长度来补偿任何光纤传播常数对标称值的偏离。当使用该工艺制造在耦合器之间延伸不止两根光纤的马赫-策恩德器件时，多根光纤可以包括多根复合光纤。这里，所有的光纤在耦合器间同样具有相同的实际长度。复合光纤的光程长度直接与每根这样的复合光纤中所含第二光纤段的长度相关。因此，无需制造具有各种不同传播常数的特殊光纤便可获得各种光纤间光程差之间的精确关系。最好，所有的均匀光纤和复合光纤全都由同样的第一和第二备料光纤制成。

在本发明的较佳实施例中，形成耦合器的步骤包括将光纤封装在一基质玻璃中并将光纤拉长以在基质玻璃内形成相互并排延伸的窄长段区的步骤。使用时，最好仅将复合光纤的耦合区和均匀光纤部分拉长，以形成耦合器。将光纤封装在基质玻璃中的步骤最好通过以下方法来实现，即将光纤安置在由基质玻璃制成的管子的孔中并使该管塌缩到光纤上以形成塌缩区，而且拉伸光纤的步骤包括拉伸每个塌缩区部分以及被安置在其中的光纤部分的步骤。该工艺的这些步骤可以依照上述’205号专利来实现。

本发明的另一方面是，提供一种包括多根光纤的马赫-策恩德器件。多根光纤至少包括一根复合光纤，每根这样的复合光纤包括一对耦合区和一个相移区。每根复合光纤相移区的传播常数与该光纤中耦合区的传播常数不同。依照本发明该方面的器件，在诸光纤上相隔一段距离的位置上包含一对光学耦合器，每根复合光纤的相移区位于耦合器之间。最好，所有光纤在耦合器之间有基本相同的总长度。最好，多根光纤包含一根基本光纤，例如在整个长度上传播常数都相同的均匀光纤。每根复合光纤耦合区的传播常数可以与该均匀光纤的传播常数基本相同，而每根复合光纤相移区的传播常数与均匀光纤的传播常数不同。因此，每根复合光纤相对于基本光纤或均匀光纤的光程差依赖于该复合光纤中相移区的长度。最好，所有复合光纤相移区的传播常数都相等，由此每根复合光纤中相对均匀光纤的相移值将直接正比于每根复合光纤相移区的长度。当使用多根复合光纤时，各复合光纤相移区的长度可以互为有理数倍数，最好为整数倍数。最好将器件制成单块的马赫-策恩德器件，该器件包括一根由基质玻璃制成的管子，该管包裹在诸光纤周围并形成耦合器的基体。

结合附图，阅读以下对较佳实施例的详细描述，将更清楚本发明的这些和其它目的、特点和长处。

图1是马赫-策恩德干涉仪的示意图。

图2是依照本发明的一个实施例在制造工艺的一个阶段期间一根光纤的示意视图。

图3、4和5与图2相似，但描绘了后阶段工艺的光纤。

图6是一截面图，描绘了依照本发明一个实施例的马赫-策恩德器件。

图7是一曲线图，描绘了图6中器件的功率输出特性。

图8是制造图6中器件所用设备的示意图。

图9与图6相似，但描绘了依照本发明另一实施例的器件。

图10是依照本发明另一实施例在工艺中使用的一族光纤的示意图。

图11是一截面图，描绘了由图10所示光纤所制成的马赫-策恩德器件。

参照图2-5，依照本发明一个实施例的工艺从一段第一备料光纤106开始。在所示的特定结构中，第一备料光纤是一阶跃-折射率玻璃光纤，具有折射率相当大的纤心102和折射率相当小的被覆层104，被覆层包裹在纤心的周围。该光纤还有一层普通的聚合物被覆层108，包裹在玻璃被覆层的周围。切断第一备料光纤，形成光纤段106。将被覆层108移到与断面相邻的区域中。对工艺而言，光纤段106的长度并不苛刻；如以下将讨论的，只是必须足以适应耦合器的制作。在工艺的下一阶段，切割第二备料光纤，以提供工作长度为Lw的光纤段110。第二备料光纤也是阶跃-折射率光纤，具有纤心112和被覆层114。将任何聚合物被覆层都从光纤段110上剥离。第二备料光纤的传播常数为β，与第一备料光纤的传播常数不同。这样，第二备料光纤中至少有一个影响光纤内所传送光之传播常数的参数与第一备料光纤的相应参数不同。最好，纤心112的直径与第一备料光纤中纤心102的直径相同。但是，纤心112的折射率可以与纤心102的折射率不同。另外，第二光纤被覆层114的折射率可以与第一光纤被覆层104的折射率不同。在接头116处，将光纤段110与光纤段106拼接起来。形成接头116所用的拼接工艺应该有足够的时间处于高温下，以允许纤心102和112之间发生扩散，从而在两个纤心之间形成一逐渐过渡。这使接头处的光功率损耗最小。最好，接头处的损耗小于约0.2分贝。形成接头116之后，截取第二光纤段110，截取长度为所需的相移区长度Lps。该长度自接头116开始度量，并且尽可能作精确控制。对长度Lps进行选择，以便在成品器件中提供所需的光学特性，以下将对此作进一步讨论。对用来形成光纤段106的第一光纤切割第二光纤段118，并在第二接头120处将其与光纤段110相连。光纤段118的长度也不是严格的。这里，同样通过一经扩散的渐变的界面形成接头，从而抑制接头120处的损耗。可用常规的熔接拼接设备制作接头116和120。连接工艺产生一复合光纤122，该光纤具有由第一光纤构成的两个光纤段106和118以及拼接在其间的第二光纤的光纤段110。第一光纤段106和118形成复合光纤的耦合区，而第二光纤段110则形成相移区。

然后，端接该复合光纤，以提供成品所要求的端接类型。例如，当要把复合光纤的末端124与马赫-策恩德器件的输入端或输出端相连时，可将其切断，并准备好用普通的方式连接。另一方面，当末端126要保持非连接状态时，可根据美国专利第4,979,972号使其配备防反射端。于是，将耦合区118通加加热割断，然后进一步加热，使玻璃变成球状的圆形端面，其直径等于或略小于光纤被覆层的原始外直径。

然后，将复合光纤122制成一单块器件，它包括该复合光纤以及一均匀光纤130(图6)。均匀光纤130是用来形成复合光纤中耦合区106和118的同一根第一光纤的另一段。因此，均匀光纤的传播常数与复合光纤耦合区的传播常数相等。在制作复合光纤后的器件制作工艺步骤可以基本等同于依照上述美国专利第5,295,205号制造马赫-策恩德器件中所用的步骤。于是，将马赫-策恩德器件(图6)制成一单块结构，它包含由相移区14连接的连续的过包层耦合器11和12。相移区14包括第二光纤的相移区110。通过将复合光纤122和均匀光纤130(已剥离过被覆层)插入基质玻璃19的管孔18内便可形成器件。基质玻璃管中与光纤相邻的那部分的折射率小于光纤被覆层104的最小折射率。管孔的每一端都具有漏斗形物(未示出)，便于光纤的插入。管与光纤的组合体称为耦合器预制件。

耦合器预制件可在图8的拉丝设备中进一步加工。将预制件31插入穿过环形燃烧器34，并将其夹紧在拉丝夹盘32和33上，而拉丝夹盘则安装在电机控制的台架45和46上。将光纤穿过真空装置41和41’，然后将真空装置密封到预制件31的末端。美国专利第5,011,251号中揭示了一些典型的真空装置，该专利通过引用包括在此。通过管线42对管子41抽真空。将一段薄橡皮管43的一端接至真空装置41中相对预制件31的那一端；橡皮管的另一端伸在夹管装置(未示出)内。同样，上方的真空装置41’与管线42’、橡皮管43’和夹管装置相关联。光纤的涂覆部分从橡皮管43和43’中伸出，管子19内位于a和b两点间的光纤部分无被覆层。当如箭头44和44’所示将气压加至橡皮管43和43’上以便使橡皮管夹紧从中穿过的光纤时，通过管线42和42’对管孔18抽真空。

在一个实施例中，首先，将位于a和b两点之间的那部分管子塌缩到光纤上。在将预制件固定到夹盘32和33上并对管孔抽真空后，在管子的一端附近加热，使其在加热区塌缩。夹盘32和33将预制件相对燃烧器移动，使塌缩区逐渐向预制件的另一端延伸，直至获得所需长度的塌缩管。

在另一工艺中，可将夹盘32和33固定，并将燃烧器34固定在电机控制的台架35上。首先，将燃烧器34固定在预制件一端附近，以使其塌缩；台架35将燃烧器相对预制件移动，使塌缩区向预制件的另一端延伸。

然后，对管的一个区域加热，并沿相反方向移动计算机控制的台架45和46，将加热区拉长，从而在预制件的一端附近形成耦合器11。拉管工序依照美国专利第5,001,251号来完成。管子两端相互移开的速率构成了总拉伸速率。可用恒速率拉伸管子，或者拉丝速率连续变化或以离散的步长变化。在获得预定的耦合之后，停止拉伸工序；随后，再对管子加热，并以第二拉伸速率进行拉伸。虽然耦合器略呈锥形，但耦合器11被示为具有恒定的直径，因此耦合器的轴向中心呈现最小直径。众所周知，所得耦合器的耦合特性由以下参数确定，即基质玻璃19和光纤130以及复合光纤122的耦合区106和118的光学和机械特性。耦合特性会受到诸如颈缩区和锥形区之长度和形状等耦合器参数的影响。

当拉伸管子以制作第一耦合器时，可将光功率耦合到输入光纤中，并通过监视输出信号控制耦合器制造过程中的工艺步骤。另一方面，可用该台架内的试验拉伸距离制作试验器件，并通过测量确定最佳拉伸距离。在过包层光纤耦合器的早期经验中，制作每个耦合器期间两台架的总拉伸距离通常在12和16毫米之间。

对于作为滤波器或波分复用(WDM)耦合器的最佳性能而言，耦合器11和12具有基本相同的耦合特性。因此，最好通过对管子的适当区域施加等同于制作第一耦合器所用的拉伸条件，来制作第二耦合器12。尽管耦合器11和12可以是消色差型或WDM型，但如果使用消色差的耦合器，则马赫-策恩德器件将适用于更宽的波长范围。可以用各种不同的技术来获得消色差性。

依照题为“消色差过包层光纤耦合器”的美国专利第5,268,979号，如果包裹在光纤被覆层周围的基质玻璃体的折射率n₃小于被覆层的折射率n₂，减少的数值Δ_2-3小于0.125％，其中Δ_2-3等于(n₂ ²-n₃ ²)/2n₂ ²，那么制得的耦合器可以是消色差的。

对于某些应用，马赫-策恩德滤波器中只有一根光纤需从器件的每一端伸出。在制成器件之后，可以切断光纤17从器件中伸出的那些部分。然后如前所述，最好对光纤17的被切端配备防反射终端。

如图6中所能清楚看到的，耦合器11只包括复合光纤122的耦合区106以及相邻的均匀光纤130部分，而耦合器12则包括复合光纤的第二耦合区118和一部分均匀光纤130。复合光纤的相移区110位于耦合器之间，并且在耦合器制造过程中没有被拉长。通过输入端132把光提供给制成的马赫-策恩德器件，器件便能在第一输出端134和第二输出端136提供光功率。输入功率在第一输出端上出现的百分数是所施加光之波长的函数，表示如下：

P＝cos²{(π)(L_ps)(dβ/β)(1/λ)}    (1)

其中：

P为第一输出端134上出现的输出功率百分数；

L_ps为复合光纤中相移区110的长度；

dβ是复合光纤相移区的传播常数与均匀光纤130的传播常数的差；

β是相移区110之传播常数与均匀光纤130之传播常数中的较小值；

λ是被施加的光的波长。

对于所有光纤以同一模式传输的单模传输来说，表达式(1)可以重新表示为：

P＝cos²{(π)(L_ps)(dn/n)(1/λ)}    (2)

其中：

n是相移区110之有效折射率与均匀光纤130之有效折射率中的较小值；并且

dn是复合光纤之有效折射率与均匀光纤130之有效折射率的差。

通过假设单模光导有一半功率在纤心中并且通过提高光纤的Δ值，便可估算不同纤心对有效折射率的影响。有效折射率大致按下式变化：

dn/n＝(Δ_1-2+Δ_1-2)/2    (3)

其中Δ_1-2等于(n₁ ²-n₂ ²)/(2n₁ ²)，而Δ_1-2，等于(n₁’²-n₂’²)/(2n₁’²)，n₁和n₁’分别是第一和第二光纤之纤心102和112的折射率。另外，n₂和n₂’是第一和第二光纤中被覆层104和114的折射率。于是，光纤130与复合光纤122相移区110之间有效折射率的差将为：

dn/n＝(Δ_1-2+Δ_1-2)/2-2Δ_1-2/2          (4)

    ＝(Δ_1-2’-Δ_1-2)/2

将式(4)代入式(2)中，得到：

P＝cos²{(π)(L_ps)(Δ_1-2-Δ_1-2)/λ)}    (5)

对于单级的马赫-策恩德滤波器，表达式(5)的曲线被绘制在图7中，其中光纤130的Δ_1-2值为0.3％，而复合光纤相移区110的Δ_1-2值为1.0％，相移区110的长度L_ps为1厘米。在P为最大值的某些波长处，基本上所有通过第一输入端134施加的光(器件中损耗较小)都被送到第一输出端132。在P约为零的某些波长处，基本上所有通过输入端134提供给器件的光都被送到终端126并且耗散。

值得注意的是，输出功率百分数P与波长λ之间的关系仅依赖于光纤的特性以及相移区110的长度L_ps。由于复合光纤耦合区106和118的光学特性与均匀光纤130的光学特性相匹配，所以耦合区的长度对功率函数没有影响。因此，只要复合光纤的相移区110位于耦合器之间，耦合器11和12之间的距离就基本上对器件性能没有影响。因此，可以优化耦合器的制作工艺，以便提供最佳的耦合器性能，且不影响耦合器的功率函数。另外，在大批量生产耦合器时，可以通过调节相移区110的长度且不影响器件的任何其它参数来优化器件的功率函数。例如，如果为工艺流程提供的光纤与它们的标称成份有些不同，那么光纤的传播常数也将与其标称值不同。这将影响功率函数，使功率函数峰值间的间距增大或减小。这可以通过增大或减小相移区110的长度L_ps来校正。无需改变成品的外部尺寸，也无需改变耦合器的制作工艺便可以实现这种补偿。

例如，如在上述第’205号专利中所揭示的，可以将马赫-策恩德器件串联连接，以便提供不同的滤波特性。一种这样的设计使用了两个器件，第二个器件的光程差或光程延迟是另一器件光程差或光程延迟的两倍。第一器件中只有一根光纤被送入第二器件；另一光纤则端接。最后所得器件的功率函数等于各器件功率函数的积，从而其功率函数具有分得很开的峰值。这种器件可以采用具有相移区110’的第一复合光纤122’(图9)和具有相移区111’的第二复合光纤123’，其中相移区111’的长度为第一相移区110’长度的两倍。每根复合光纤都可以具有一球形端接的光阻塞端(light blocking end)125’。可将各复合光纤端至端地排列在管19’的孔内，光纤的光阻塞端125’彼此相邻。均匀光纤130’整个穿过管子。可以在沿管子的四个位置上形成耦合器11’，以便在每个相移区的每一侧都提供一个耦合器。另一种方法是，在两个马赫-策恩德器件之间，也就是在第二和第三耦合器之间，可以用具有两个相移区110’和111’的单根连续的复合光纤来代替两根复合光纤122’和123’，并用中点处被光阻塞端端接的两根较短的均匀光纤来代替单根均匀光纤。

复合光纤的使用为制造这种多级器件提供了明显的优点。同样在此，可以通过选择复合光纤相移区的长度来选择每个马赫-策恩德器件的光程差。因此，制造第二马赫-策恩德器件时，可使其光程差精确地为第一器件的两倍，并且即使为工艺提供的光纤性能偏离了标称值，也能保持该准确性。当必须保持各级相移区之间的其它关系时，也能提供同样的优点。

如美国专利第5,011,251号中所揭示的，某些能在耦合器中获得消色差性能的方法要求耦合器中光纤被覆层的折射率略有不同。当使用该方法时，均匀光纤130被覆层的折射率必须与复合光纤耦合区中被覆层104的折射率不同。最好对均匀光纤的其余参数(诸如其纤心直径和纤心折射率等)进行选择，以便均匀光纤的有效折射率n以致于其传播常数β分别等于复合光纤中耦合区106和108的有效折射率和传播常数。

如美国专利第5,351,325号(’325专利)中所揭示的，可用不止两根光纤制作马赫-策恩德器件，该发明通过引用包括在此。这种器件在多路输入耦合器处将一个输入端提供的输入信号分成几个信号，然后沿有效光程长度不同的几个光路引导分路信号(split signal)，最后在一输出耦合器处，再将分路信号合并成单个输出信号。如图10所示，这种器件可以用一族光纤200来制作，它们包括两根均匀光纤230a和230b以及两根复合光纤222a和222b。第二复合光纤相移区210b的长度正好等于第一复合光纤中相移区210a长度的两倍。在此，光纤耦合区206和218的传播常数同样等于第二均匀光纤230b的传播常数。最好，用制作均匀光纤所用的同一根备料光纤的光纤段来形成这些耦合区。另外，复合光纤中相移区的传播常数相互相等。最好，用同一根第二备料光纤的光纤段来形成相移区。

在某一端，均匀光纤230b和复合光纤222a和222b备有光阻塞终端。利用’325号专利中的技术将四根光纤制作成多路径马赫-策恩德器件。如其中所描述的，将光纤一并穿过基质玻璃管，并对所得的耦合器预制件加热和拉伸，从而形成输入耦合器211(图11)和输出耦合器212。在输入和输出耦合器之间，所有的光纤都穿过器件的长度。从图11中可清楚地看到，复合光纤的相移区210a和210b位于输入耦合器211和输出耦合器212之间。

耦合器的结构可以与’325专利中所示的相同。如其中所阐述的，对耦合器的结构进行选择，以便基本上将第一光纤230a输入端处通过输入端232提供的所有的光都从该光纤传送至其余光纤，并且把基本上相等的光传送给每根其余的光纤。在耦合器之间的区域中，进入输入端232的光基本上不沿第一光纤传播。在输出耦合器装置212处，沿其余光纤传播的光被重新合并，并被送回到第一光纤230a，然后从输出端234输出。因此，在耦合器之间，光仅沿均匀光纤230b以及复合光纤222a和222b传送。在此同样，由于在耦合器间三根传输光的光纤230b、222a和222b中，不同的有效光程长度会产生不同的延迟，所以输入光在输出端234处出现的比例将依赖于波长。如’325专利中的详细描述，使用多个并联路径提供了较大的“细度(finesse)”。“细度”一词是指，功率输出函数中相邻峰值之间的波长间隔与每一峰之宽度的比值。尽管采用图9所示的串联顺序的马赫-策恩德器件可以获得较大的细度值，但图11所示的多光纤结构可以单级提供较大的细度。

穿过相移部分214的各个光纤提供了彼此成整数倍的光程差。因此，相对于经过均匀光纤230b的光，经过第一复合光纤222a的光被延迟。延迟的量直接与相移区210a的长度成正比。同样，经过第二复合光纤222b的光被延迟，并且相对均匀光纤230b中光的延迟量直接与相移区210b的长度成正比。由于各复合光纤中的延迟程度与每根光纤中相移区的长度线性相关，所以可以使诸光纤精确匹配，从而产生相互成整数倍的延迟。该性能的获得不需要对传播常数具有准确分级差值的多根串联光纤进行匹配。这些马赫-策恩德器件可在输入和输出耦合器之间具有不止三条有源光路。这类器件可以包含一些附加的复合光纤，其相移区长度为最短相移区长度较大的整数倍。

在上述参照图10和11所讨论的实施例中，复合光纤都被制作成在相移区和耦合区具有相同的传播常数。该结构简便，而且便于生产控制。最好，所有的耦合区用同一批某一种光纤制作，并且所有的相移区也由同一批另一种光纤形成。但是，根据本发明宽广的范围，其它结构也是可以的。例如，用来制作各种复合光纤相移区的光纤可以彼此不同。在该情况下，要对每根光纤的

OPLD＝(L_ps)(dβ/β)

乘积进行选择，以便各OPLD乘积彼此成整数倍，或者彼此为某些其它所需的关系，其中dn为构成特殊相移区的光纤的有效折射率与均匀光纤有效折射率之间的差。

在以上讨论的较佳实施例中，复合光纤的耦合区彼此相同(当使用不止一根复合光纤时)，并与均匀光纤相同，致使耦合区不会产生任何相移。这使得器件性能不会受耦合区长度变化的影响，并且不会受耦合器之间距离的影响。但是，可以依照本发明制造这样的器件，其每根复合光纤中耦合区的传播常数与其余光纤中相应区域的传播常数不同，致使耦合区也会产生一些相移。在该情况下，要缩小或增大相移区的长度，以补偿耦合区产生的附加相移。另外，尽管以上讨论的较佳实施例使用一根均匀光纤和一根或多根复合光纤，但可以只用复合光纤来制作器件。也就是说，基本光纤也可以是复合光纤。

另外，尽管上述实施例是参照阶跃-折射率光纤来描述的，但用渐变-折射率光纤也能采用同样的技术。

依照本发明的另一实施例，复合光纤的相移区可以包含一种谐振为非线性的材料。当对该种材料施加实际光功率时，其折射率会改变。当施加抽运功率时，这会使相移区产生的光程差发生改变。于是，马赫-策恩德器件可用作光控开关。通过施加抽运光照致使光通过复合光纤传播，可改变复合光纤的有效折射率，从而改变器件的特性，让光按规定的光程从器件某一输出端传播至另一输出端。在上述[Miller-Nolan 16-70]应用中，揭示了在复合光纤中含有这种非线性材料的器件。

由于可以不脱离权利要求所限定的本发明，对上述特性进行这些和其它变化和组合，所以应将上述较佳实施例的描述理解为说明性的，而不是对权利要求所确定的本发明的限制。

Claims (19)

1.一种制造马赫-策恩德器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)提供多根光纤，它们至少包括一根复合光纤，每根所述复合光纤包括一对耦合区和一个相移区，每根所述复合光纤之所述相移区的传播常数与该光纤耦合区的传播常数不同；以及

(b)在所述光纤上相隔一段距离的位置形成一对光耦合器，使每根所述复合光纤的所述相移区位于所述耦合器之间。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供每根所述复合光纤的所述步骤包括，将一段第二备料光纤拼接在第一备料光纤的光纤段之间。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，每个所述拼接步骤包括下述步骤，即将所述第二备料光纤的所述光纤段与一段所述第一备料光纤熔合，然后把所述第二备料光纤的所述光纤段切成某一长度，再将另一段所述第一备料光纤与该段第二备料光纤熔合。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多根光纤包括多根复合光纤。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，用同样的第一和第二备料光纤的光纤段来制成所有所述复合光纤。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多根光纤包括一根均匀光纤，所述均匀光纤完全由一段所述第一备料光纤制成。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，制作所述耦合器的所述步骤包括下述步骤，即将所述光纤封装在基质玻璃中，并将所述光纤拉长，以在所述基质玻璃内形成相互并排延伸的窄的段区。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述光纤封装在基质玻璃中的所述步骤是通过把所述光纤安置在所述基质玻璃管的管孔中并将所述管子塌缩到所述光纤上以形成塌缩区来实现的，并且拉长所述光纤的所述步骤包括将每个塌缩区以及位于其中的光纤部分拉长的步骤。

9.一种马赫-策恩德器件，其特征在于，包括：

(a)多根光纤，它们至少包括一根复合光纤，每根所述复合光纤包括一对耦合区和一个相移区，每根所述复合光纤之所述相移区的传播常数与该光纤耦合区的传播常数不同；和

(b)一对光耦合器，它们位于所述光纤上相隔一段距离的位置上，每根所述复合光纤的所述相移区位于所述耦合器之间。

10.如权利要求9所述的器件，其特征在于，所有所述光纤在所述耦合器之间的总长度基本相等。

11.如权利要求10所述的器件，其特征在于，所述多根光纤包括一根均匀光纤，其整个长度上的传播常数相等。

12.如权利要求11所述的器件，其特征在于，每根所述复合光纤之所述耦合区的传播常数与均匀光纤的传播常数基本相等，而每根所述复合光纤之所述相移区的传播常数与所述均匀光纤的传播常数不同。

13.如权利要求12所述的器件，其特征在于，所述复合光纤之所述相移区的传播常数彼此相同，由此每根复合光纤相对均匀光纤的相移量直接与每根复合光纤相移区的长度成正比。

14.如权利要求13所述的器件，其特征在于，所述多根光纤包括多根复合光纤，所述复合光纤中的第一根光纤具有第一相移区长度，并且所述多根复合光纤中每一根其它光纤的相移区长度为所述第一相移区长度的有理数倍。

15.如权利要求13所述的器件，其特征在于，所述多根光纤包括多根复合光纤，所述复合光纤中的第一根光纤具有第一相移区长度，并且所述复合光纤中每一根其它光纤的相移区长度为所述第一相移区长度的整数倍。

16.如权利要求9所述的器件，其特征在于，所述光纤包括一根在耦合器间具有基本光程长度的基本光纤，和多根所述复合光纤，每根所述复合光纤的光程长度都与所述基本光纤的光程长度不同，从而每根所述复合光纤都相对所述基本光纤具有一个光程长度差。

17.如权利要求16所述的器件，其特征在于，所述光程长度差彼此成整数倍。

18.如权利要求9所述的器件，其特征在于，每个所述耦合器包括被一块基质玻璃包裹的所述光纤之所述耦合区的拉长部分。

19.如权利要求18所述的器件，其特征在于，还包括一管子，该管子在所述耦合器中与包裹着所述耦合器之间的所述光纤的所述基质玻璃块结合在一起。

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