CN1302383A - 热扩张多芯光纤 - Google Patents

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Abstract

一种光纤具有热扩张的多芯部分(632,642)。这样的多芯部分的制造可以通过将非蚀刻的多光纤包层融合在一起,形成在一个公共包层(634)中紧密放置的具有扩张模式场的多芯,芯之间没有信号耦合。具有扩张模式场的多芯的紧密放置使得从一个芯到其它芯传播的光波排列更紧密。

Description

热扩张多芯光纤
本发明涉及纤维光学领域并且尤其涉及具有扩张模式场的多芯光纤。
纤维光学用于包括电信及仪表的许多应用中。数据由脉冲光波通过光纤传输。这些光纤典型地包括被包层包围的一个芯，以及一个保护层。芯及包层典型地由硅材料制成。芯直径典型地为5～10μm，光纤外径为125μm。芯的折射率大于包层的折射率，以实现沿芯传播的光束的全内反射。光纤也可以设计成多芯，以增加光纤所能传输的信息量。
制造多芯光纤的一个方法包括将一组具有各自包层的单芯插入一个玻璃管中，然后使这些包层融化在一起，形成所谓的多芯预制棒。然后该预制棒被装在一个拉制机上，拉制成多芯光纤。得到的多芯光纤包括具有完全包围这些芯的单个融化的包层材料的多芯。
这种方法的一个问题是具有各自包层的单芯光纤在管内的定位可能不是非常精确。这导致一个光纤具有相互不是精确排列的多个芯。不精确的芯排列增加了利用光纤的开关及耦合器设计的复杂性。拉制的多芯光纤的另一个问题是由于在整个光纤长度上其包层都结合在一起，因此由各芯传输的光如果不使用附加的元件就无法物理地路由到不同的位置。
用于多芯结合的另一个现有技术的方法包括使用蚀刻技术。该方法的一个问题是包层材料需要进行大量化学蚀刻，以使多芯更紧密地排列在一起。这样的化学蚀刻可能削弱光纤并且引入应力缺陷，影响光纤中的信号传播。
其它类型的包含多芯的光纤称为耦合光纤。光纤耦合机使多个单芯光纤融化在一起以形成在多芯中耦合光的一个光纤部分。光纤的套沿将被耦合的部分去除。光纤被缠绕在一起，然后被加热并拉伸，使其融合在一起，以获得所需的光学特性。加热及拉伸处理减小了光纤的芯及包层区域的直径，并使芯排列更紧密。但是，这种处理可能不适合制造传输非耦合信号的多芯光纤，因为该处理导致光纤芯之间的串扰或功率耦合。
本发明涉及一种多芯光纤。该多芯光纤包括中心基本在一条直线上的多芯，以及沿多芯的一个预定长度包围多芯的一个公共包层。多芯中的每一个在多芯的预定长度内的第一模式场直径都与该预定长度以外的第二模式场直径不同。
本发明的附加特性及优点由附图及以下详细描述将会很明显。
本发明通过附图中的实例说明，而非作为限制，附图中相同的参考数字表示类似的元件，其中：
图1说明两个单芯光纤的横截面。
图2说明一个阶跃折射率光纤及一个渐变折射率光纤的曲线。
图3说明融合处理的一个实施例。
图4说明融合处理的另一个实施例。
图5说明在光纤的一个长度上的模式场扩张。
图6说明融合处理之后光纤的一个实施例的横截面。
图7A说明一个毛细管内多芯光纤的一个实施例。
图7B说明一个毛细管内多芯光纤的一个实施例的横截面。
图8说明具有一个非芯分隔件的多芯光纤的一个实施例的纵向截面。
图9说明具有多个非芯分隔件的多芯光纤的一个实施例的横截面。
图10说明融合处理之后一个多芯光纤的可选择实施例的横截面。
在以下描述中，给出了大量特定细节如特定材料、处理步骤、处理参数、尺寸等的例子，以提供对本发明的详尽理解。但是，对于熟练的技术人员，显然不需要采用这些特定细节实践本发明。在其它例子中，熟知的材料或方法未被详细描述，以避免不必要地掩盖本发明。
应当注意到下图中显示的两个光纤仅为了方便说明，多芯光纤及其制造过程并不限于仅使用两个光纤。
图1说明两个单芯光纤的横截面。光纤10和20分别具有分别被包层12和22包围的芯11和21。包层12与22分别装入外套16与18中(未按比例绘制)。在一个实施例中，使用具有阶跃折射率芯曲线的单模光纤，如纽约Corning of Corning制造的SMF28。SMF28光纤的标称模式场直径约为9微米(μm)。在另一个实施例中，可以使用具有其它直径及曲线的单模光纤。在又一个实施例中，可以使用多模光纤。
在具有阶跃折射率分布曲线的芯中，光波遵循直线轨迹，直到到达芯-包层边界，光波在此处急剧弯曲。光波沿芯的传播基于该芯的数值孔径(NA)，它是芯的折射率的函数。数值孔径与入射波的位置无关，因为具有阶跃折射率分布曲线的芯在其整个半径上具有相同的折射率。
相反，对于具有渐变折射率分布曲线的芯，折射率是沿芯直径的距离的函数，并且因此光波在芯-包层边界附近连续地而不是急剧地弯曲。此外，因为折射率分布曲线是渐变的，所以芯的数值孔径是入射光波的位置的函数。
图2说明一个阶跃折射率光纤及一个渐变折射率光纤的曲线。nco为芯的折射率，ncl为包层的折射率。对于一个阶跃折射率光纤230，折射率232在芯区域是近似均匀的。折射率在芯边界降到包层区域中较低的折射率234，在整个包层保持近似均匀。包层中使用较低折射率，使光束沿芯传播时实现全内反射。
对于一个渐变折射率光纤240，芯区域242中的折射率是距芯中心径向距离的函数。芯242中折射率用带r·a的nco(r)给出，其中a为芯半径，r为距芯中心的径向距离。芯242中折射率随距芯的径向距离的增大而减小，直到与边界243处包层244的折射率近似匹配。
沿光纤的芯与包层传播的光波可以通过基于作用在光纤上的电、磁与电磁场的不同模式来表征。在具有圆形截面的阶跃折射率光纤中，如图2所示，场分布可以通过不同模式的组合，称为模式场来表示。模式场的光传输直径与光纤的物理直径不同。对于任意给定的光波长，模式场直径受芯及包层折射率的影响。模式场直径(MFD)用双曲函数表征，可以根据以下公式近似：
MFD=2ω
其中
ω≈(NA×π)/λ
其中λ等于沿光纤传播的光的波长。
模式场直径可以延伸至包层区域，并且因此将大于芯的物理直径。在一个实施例中，例如，对于波长1550纳米的光波，模式场直径250可能约为9μm，而物理的芯直径252可能约为8μm。
再参考附图1，将单芯光纤10和20从外套16和28的一部分中剥出，并且包层12和22沿外露包层的一段预定长度排列在一起。在一个实施例中，包层12和22的排列是将包层12和22放置在一个平板上使其各芯的中心基本沿一条直线排列，并使用一种紧固工具固定在其位置上。然后使用融合处理将包层12和22沿该预定长度结合在一起。
图3说明融合处理的一个实施例。单芯光纤310和320从其外套中剥出，使包层312和322沿光纤的345段外露。然后光纤310和320被放置在排列条340上，使包层312和322沿长度360排列。在一个实施例中，包层312和322沿约为8毫米的长度360排列。在另一个实施例中，包层312和322沿一个不同的长度排列。
在一个实施例中，沿整个长度360使用了放置在包层312和322下面的一个热源(未示出)。包层312和322被加热到高于包层材料的熔点的温度，以使两芯(未示出)的包层312和322融合在一起。包层312和322沿长度360融合在一起，形成一个公共包层334。在一个实施例中，热源470为气焰。在另一个实施例中，可以使用熟知技术的其它热源，例如，感应加热器或激光器。
在一个实施例中，包层322和312被加热到大约1,700±200℃的温度。在另一个实施例中，基于包层322和312所用的材料，包层被加热到其它的温度。随着包层312和322融合在一起，热源作用，以沿长度360逐渐扩张公共包层区域中芯(未显示)的模式场直径。长度360以外的包层312和322的的模式场直径也将受热源影响。但是，长度360以外的包层312和322的模式场直径比公共包层334内的模式场直径扩张的程度小，因为长度360以外的包层没有直接暴露在热源下，并且因此被加热的温度较低。
图4说明融合处理的另一个实施例。热源470作用于外露的公共包层434，以扩张包层内芯的模式场直径。应当注意到热源470画在图4中芯的一侧仅是为了便于说明，热源470实际以向包层提供均匀加热的方式放置。
热源470作用于长度460的一段，并且逐渐沿长度460扫描，以均匀地扩张芯的模式场。当热源470沿长度460的不同段接触到475时，包层412和422开始融合在一起，形成公共包层434。此外，芯的模式场455和465分别开始从其原始直径451和461分别扩张到直径457和467。当包层区域434被加热时，包层区域434内的芯的折射率分布曲线从阶跃折射率变为渐变折射率，在如上所述的芯-包层边界处逐渐减小。在一个实施例中，热源470以恒定的速率沿长度460扫描。在另一个实施例中，热源470以变化的速率沿长度460扫描，以使模式场从长度460端点处的原始直径逐渐扩张到长度460中部的直径467和457。
光纤中的模式场扩张基于热源沿公共包层434的长度460扫描的速率。如果扫描时间保持不变，则较低的扫描速率得到的模式场扩张更大。在一个实施例中，热源470的扫描速率约为2毫米/秒(mm/sec)。在另一个实施例中，热源470以不同的速率扫描，以获得不同的模式场扩张。在另一个实施例中，扫描速率可以沿长度460以不同的方式，例如，线性、指数和递增变化。因此，芯的模式场从其原始直径逐渐扩张到在融合的包层区域的长度460的中心处较宽的直径。
通过将芯的折射率改变成渐变折射率分布曲线，并且因此扩张芯的模式场直径，光可以通过光纤的一个较大的面积传播。将光纤芯的折射率改变为渐变折射率分布曲线导致通过该光纤的光脉冲宽度变窄，可以增加光纤的信息传输速率。
仍参考图4，折射率分布曲线的变化改变了光纤芯(未显示)的数值孔径，并且使其模式场直径增大到直径457和467。在一个实施例中，在扫描阶段之后，芯的模式场直径被扩张大约2倍。在另一个实施例中，模式场直径被扩张其它的倍数。如果开始的单模芯的数值孔径为例如0.1，且模式场直径被扩张2倍，则数值孔径将大约减小一半。因此，如果模式场直径从例如10μm扩张到30μm，则数值孔径将大约减小三分之一。较低的数值孔径将减少由光纤发出的发散光的量，并且因此有利于光纤芯之间的开关或耦合到其它光纤。
在另一个实施例中，热源460以不同的温度和速率扫描不同的时间使包层材料回流，以减小光纤芯中的传输损耗。造成光纤中传输损耗的各种因素包括直径变化、芯及包层材料的不规则以及杂质。通过芯及包层材料的回流，这些缺陷可以被减小。
图5说明使用上述处理得到的在光纤某段长度上的示例性模式场扩张。在示例中，光纤芯的模式场在长度8mm的融合的(fused)包层材料上扩张。在融合的包层材料以外单芯的模式场直径为10μm。热源沿8mm长度扫描，使芯的模式场直径在融合的包层的中心区域附近增加到约为20μm的最大值。应当注意到图5仅说明了模式场分布的一个例子。在其它实施例中，模式场直径在融合的包层的长度上可以具有其它的分布。
图6说明融合处理之后光纤的一个实施例的横截面。在融合处理之后，光纤630的芯632和642比融合处理之前排列更紧密。芯632和642沿融合的包层的长度仍基本相互平行。在一个实施例中，例如，包层沿8毫米的长度融合，并且芯632和642的中心在融合的包层的长度上的排列偏差小于4μm。在一个实施例中，融合处理之后芯632和642的中心的间距633约为62.5μm。在一个实施例中，公共包层634的外表面636近似为圆形。在另一个实施例中，公共包层634的外表面636具有其它近似的形状，例如，卵形。
与使用例如中心间距125μm的2个标准125μm(外径)单芯光纤，插入一个柱形套中相比，光纤芯的间距较小可以使芯之间排列更精确。应当注意到，尽管芯被放置更紧密，但是芯之间的距离保持足够大，使得芯之间没有严重的耦合或串扰。
图7A说明一个毛细管中多芯光纤的一个实施例。在融合处理之后，光纤可以沿公共包层区域图3的AA1截面切断，并被放进毛细管785中，制成具有多个基本沿一条直线排列的非耦合的芯的光纤末端。环氧树脂780被放置在包层734和毛细管780之间，以使包层在毛细管780内保持静止。这种光纤可以用于开关或耦合应用，比使用一组相互贴近放置的单芯光纤精度更高。此外，由于光纤未进行拉伸处理，因此与现有技术的光纤耦合处理相比，光纤中引入的应力更小。光纤中应力较小则信号传输性能较好。
图7B说明一个毛细管中多芯光纤的一个实施例的横截面。横截面沿图7A的直线BB1截取。光纤730的芯711和721沿公共包层734的长度(进入纸内)相互平行。在一个实施例中，融合处理之后得到的公共包层734为近似柱形，使得公共包层734与毛细管785之间的间隙近似均匀。因此，环氧树脂780通常均匀地分布在公共包层734与毛细管785之间。使用较少的环氧树脂以及环氧树脂均匀分布可以减小由环氧树脂造成的应力引入影响，由此提高光纤的可靠性。
图8说明具有非芯分隔件的多芯光纤的一个实施例的纵向截面。多芯光纤830在包层812与822之间包括一个分隔件880。如上所述，加热光纤芯导致芯的模式场直径的扩张。连续加热，模式场扩张可能变得很大，使得公共包层内不同芯的模式场之间可能有重叠。这可能使不同芯内传输的信号之间发生多余的耦合。分隔件880可以用于物理地分隔包层812与822的芯，使其模式场887和889可以分别进一步扩张。分隔件880(也称为非芯光纤)由与包层材料类似，具有相同折射率但没有传导特性的材料，如硅制成。在一个实施例中，分隔件880被用于实现更大的模式场扩张而使芯间的耦合最小。
在另一个实施例中，非芯分隔件880可以用于使芯-空气接口处的衍射效应减小或者甚至最小化。衍射效应由光纤末端处玻璃-空气分界处的干涉造成。衍射效应造成插入损耗，减小光纤之间所能转移的功率量。通过加入一个非芯分隔件，例如，光纤的总外径增加了√3倍。通常，较宽直径的光纤使光纤末端出射的光波的发散较小。
此外，使用分隔件光纤可以使芯出射的光波得到物理分离。从被分隔不同物理尺寸的芯出射的光将在耦合到该光纤末端的元件上具有不同的入射角。例如，如果一个透镜耦合到该光纤末端，则来自被两个非芯分隔件分隔的一个外芯的光波将以与从中心芯出射的光不同的角度入射到透镜上。在一个实施例中，使用滤波器基于从芯出射到透镜上的入射角滤除来自芯的光波。
应当注意到这里所述的处理并不仅限于双芯光纤或使用单个分隔件的光纤，并且可以制造具有多于两芯的光纤以及利用多于图8所示的单个分隔件。
图9说明具有多个非芯分隔件的多芯光纤的一个实施例的横截面。在一个实施例中，两个分隔件935和936位于从其保护层剥出的芯光纤991和992之间。第三芯光纤993位于芯光纤992的旁边与芯光纤991相反的一侧。在另一个实施例中，不同数量的分隔件可以用于芯光纤之间。在又一个实施例中，分隔件可以位于芯光纤的外面。
多芯光纤930使用与上述类似的融合处理制造。在融合处理之后，多芯光纤930具有被公共包层934包围的三个芯911、921和931。在融合处理中，分隔件935和936与分别包围芯911、921和931的包层921、922和932融合在一起。公共包层934沿融合处理中排列在一起的包层和分隔件的一段长度(进入纸内)形成。芯911、921和931中心基本在一条直线990上排列。
仍然应当注意到这里提供的尺寸仅是为了示例，还可以使用其它的尺寸。还应当注意到上述处理并不仅限于具有基本在一条直线上排列的多芯的光纤，还可以用于制造具有以图10所示的其它方式排列的芯的光纤。
在前述说明中，参考其特定的示例性实施例描述了本发明。但是，很明显，可以对此进行各种变型及修改而不偏离附加权利要求书中所述的本发明的更广泛的精神及范围。因此，说明书及附图应被视为是示例性的，而不是限制性的。

Claims (27)

1．一种多芯光纤，包括：
具有基本在一条直线上排列的中心的多个芯；以及
沿该多个芯的一个预定长度包围该多个芯的一个公共包层；
每个芯在该多个芯的预定长度内具有与该预定长度以外的第二模式场直径不同的第一模式场直径。
2．权利要求1的光纤，其中每个芯在预定长度以外被单独的包层包围，每个单独的包层被单独的保护层包围。
3．权利要求1的光纤，其中每个芯的第一模式场直径与其它芯的第一模式场直径都是基本无重叠的。
4．权利要求1的光纤，其中第一模式场直径大于第二模式场直径。
5．权利要求1的光纤，其中该多个芯在预定长度内具有第一折射率，在预定长度以外具有第二折射率。
6．权利要求5的光纤，其中第一折射率具有近似的阶跃折射率分布曲线，第二折射率具有渐变的折射率分布曲线。
7．权利要求4的光纤，其中阶跃的折射率分布曲线逐渐转变为渐变的折射率分布曲线。
8．权利要求1的光纤，进一步包括：
具有基本在多个芯的一条直线上排列的中心的一个第一非芯分隔件，该第一非芯分隔件位于该多个芯之间。
9．权利要求8的光纤，进一步包括：
具有基本在多个芯的一条直线上排列的中心的第二非芯分隔件，该第二非芯分隔件位于该多个芯的一条直线的一端。
10．权利要求1的光纤，进一步包括：
具有基本在多个芯的一条直线上排列的中心的多个非芯分隔件，该多个非芯分隔件位于该多个芯之间。
11．权利要求1的光纤，其中第二芯的第二中心与第一芯的第一中心之间的距离和第三芯的第三中心与第一芯的第一中心之间的距离是不同的。
12．一种制造多芯光纤的方法，包括：
将具有第一包层的第一芯的中心与具有第二包层的第二芯的中心沿该第一及第二芯的一段长度排列在一起，该第一及第二芯具有模式场直径；以及
将该第一与第二包层沿该长度融合在一起；以及
扩张该第一及第二芯的模式场直径。
13．权利要求12的方法，其中该融合及扩张步骤包括沿该长度向该第一及第二包层加一个热源。
14．权利要求13的方法，其中该热源沿该长度以第一速率扫描以扩张该模式场直径。
15．权利要求14的方法，其中该模式场直径沿长度的第一部分与长度的第二部分相比扩张不同的程度。
16．权利要求13的方法，其中该模式场直径沿该长度与该长度以外相比扩张不同的程度。
17．权利要求16的方法，其中该第一与第二模式场直径是无重叠的。
18．权利要求17的方法，进一步包括在该长度的一点处切断该多芯光纤，以形成具有一个外表面的光纤末端。
19．权利要求18的方法，进一步包括将该光纤末端装入具有内表面的一个中空管中。
20．权利要求19的方法，其中在该光纤末端的外表面与该管的内表面之间形成一个近似柱形的空腔，以及其中该方法进一步包括用环氧树脂填充该空腔。
21．一种制造多芯光纤的方法，包括：
将具有第一包层的第一芯的中心与具有第二包层的第二芯的中心沿该第一及第二芯的一段长度排列在一起，该第一及第二芯具有模式场直径；
将一个非芯分隔件的中心与该第一及第二芯的中心排列在一起；
将该第一包层、第二包层以及该非芯分隔件沿该长度融合在一起；以及
扩张该第一及第二芯的模式场直径。
22．权利要求21的方法，其中该非芯分隔件位于该第一与第二芯之间。
23．权利要求21的方法，其中该非芯分隔件位于该第一及第二芯的外面。
24．一种多芯光纤，包括：
多个芯；以及
包围每个芯的一个非蚀刻的包层，该非蚀刻包层沿该多个芯的一个预定长度形成一个公共包层区域，该多个芯相互排列紧密，而不会引起该多个芯之间的耦合。
25．权利要求24的光纤，其中每个芯在该多个芯的该预定长度内具有与该预定长度以外的第二模式场直径不同的第一模式场直径。
26．权利要求25的光纤，其中每个芯的第一模式场直径与其它芯的第一模式场直径是基本无重叠的。
27．权利要求24的光纤，其中该公共包层具有一个近似卵形的外表面。
CN00800579.6A 1999-03-23 2000-03-20 热扩张多芯光纤及其制造方法 Expired - Fee Related CN1220077C (zh)

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