CN1633614A - 混合光纤扩束连接器及其使用和制作方法 - Google Patents

混合光纤扩束连接器及其使用和制作方法 Download PDF

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Abstract

描述了一种混合光纤扩束连接器(100)及其制作与使用方法。该混合光纤扩束连接器一般可连接不同的光纤，诸如模场直径(MFD)或有效面积不同的单模光纤。具体是该混合光纤扩束连接器包括第一带透镜光纤(101a)，它与第二带透镜光纤(101b)光耦但在物理上与之分开。包含一类光纤的第一带透镜光纤(101a)能扩展在其内传播的光束并输出准直的光束，包含另一类光纤的第二带透镜光纤(101b)能接收并聚集准直的光束，使光束从第一带透镜光纤(101a)传播到第二带透镜光纤(101b)。以类似的方法，该混合光纤扩束连接器(100)能把光束从第二带透镜光纤(101b)发射到第一带透镜光纤(101a)。

Description

混合光纤扩束连接器及其使用和制作方法
对先前提交的临时申请要求利益
本申请要求于2001年7月5日提交的题为“Expanded Beam Connector forHigh Application”的美国临时申请续号60/303,611的利益，该申请通过引用包括在这里。
技术领域
本发明一般涉及光学连接器，尤其涉及能连接诸如模场直径(MFD)或有效面积不同的单模光纤等不同光纤的混合光纤扩束连接器。本发明还可用于连接因由不同热膨胀系数(CTE)的玻璃制作而难以熔接的光纤。
发明背景
光学连接器制造商一直试图设计一种能连接不同类光纤的光学连接器。而这类连接器是大家所期望的，因为日益增多的不同光纤类型正在变为商品，包括譬如特色光纤与色散补偿光纤，它们都有不同的MFD和有效面积。遗憾的是，当今并无能连接不同光类纤的光学连接器，必须把不同类光纤相互熔接在一起，既费时间，有时还不很有效(损失高)。因此，要求有一种光学连接器能有效地使不同类光纤连接且模式匹配。本发明的混合光纤扩束连接器和方法满足了这一要求和其它一些要求。
发明内容
本发明包括一种混合光纤扩束连接器，能连接不同的光纤，如模场直径(MFD)或有效面积不同的单模光纤，还能连接由不同成分和不同CTE的玻璃制作的光纤，而这种光纤因拼接应力高，难以通过熔接可靠地接合在一起。该混合光纤扩束连接器包括的第一带透镜光纤与第二带透镜光纤光耦但在物理上与第二带透镜光纤分开，第一带透镜光纤包括一类能扩展在其内传播的光束并输出准直光束的光纤，而第二带透镜光纤包括另一类能接收该准直光束并对接收的光束聚焦的光纤，从而使光束从第一带透镜光纤传播到第二带透镜光纤。以类似的方法，该混合光纤扩束连接器能将光束从第二带透镜光纤发射到第一带透镜光纤。本发明还包括制作和使用该混合光纤扩束连接器的方法。
附图简介
通过参阅以下结合附图的详述，能更全面地理解本发明，其中：
图1是一框图，示出本发明的一混合光纤扩束连接器的分解图；
图2是支承图1所示混合光纤扩束连接器的带透镜光纤的两示例套管底部的透视图；
图3是示出两根带透镜光纤各种几何尺寸的框图；
图4是一带透镜光纤的显微图，它能配在图1所示混合光纤扩束连接器；
图5是一曲线图，说明热纤芯展宽对具有硅石平凸透镜与硼硅酸盐平凸透镜的带透镜光纤的作用；
图6A～6C是曲线图，表示与图1所示混合光纤扩束连接器有关的各种容差(如横移、角移、纵向位移)；
图7是一流程图，说明图1所示混合光纤扩束连接器一较佳制作方法的诸步骤；和
图8是一流程图，说明图1所示混合光纤扩束连接器一较佳应用方法的诸步骤。
附图的详细描述
参照图1～8，揭示混合光纤扩束连接器100的一较佳实施例及其制作与使用的较佳方法700与800。虽然把混合光纤扩束连接器100描述为只光学连接一对不同的光纤，但是应该理解，它能连接多对不同的光纤，因而不应以这种限制的方式来理解混合光纤扩束连接器100和较佳方法700与800。
一般而言，混合光纤扩束连接器100能连接不同的光纤101a与101b，诸如模场直径(MFD)或有效面积不同的单模光纤。具体地，混合光纤扩束连接器100包括第一带透镜光纤104，它与第二带透镜光纤106光耦但在物理上与之分开。包括一类光纤101a的第一带透镜光纤104能扩展在其内传播的光束302并输出准直的光束302(图3示出在带透镜光纤104与106之间被准直的光束302)。包括另一类光纤106的第二带透镜光纤106能接收所输出的光束302并聚集接收的光束302，从而使光束302从第一带透镜光纤104有效地传播到第二带透镜光纤106。以类似的方法，混合光纤扩束连接器100能将光束302从第二带透镜光纤106发射到第一带透镜光纤104。
参照图1，该框图示出混合光纤扩束连接器100的分解图，该连接器能光学连接一对或多对不同的光纤101a与101b。两根光纤101a与101b在具有不同的MFD或有效面积或者用两种不同成分的玻璃制作时，它们是不同的光纤。例如，不同的光纤101a与101b二者都是具有不同MFD的单模光纤，诸如Corning公司以SMF-28TM销售的单模光纤、非零色移(non-zerodispersion-shifted)光纤(NZ-DSF)(如Corning MetroCorTM)、大有效面积非零色移光纤(如Corning LEAFTM)。混合光纤扩束连接器100比目前的技术水平有了显著改进，因为过去必须拼接不同的光纤101a与101b。换言之，在混合光纤扩束连接器之前，过去并无用来连接不同光纤101a与101b的连接器。
配有带透镜光纤104与106的混合光纤扩束连接器100能连接不同的光纤101a与101b，而且还能连接型面(profile)复杂的光纤与另一根光纤，损失较低。例如，混合光纤扩束连接器100可以连接诸如SMF-28TM101a与大有效面积的NZ-DSF101b的单模光纤，或者连接SMF-28TM101a与NZ-DSF101b，不用拼接引线。根据对带透镜光纤104与106的SMF-28TM101a与SMF-28TM101a所测得的耦合效率，混合光纤扩束连接器100估算的损失为0.14dB(δ＝0.06)，这与连接不同类光纤101a与101b一样。估算的0.14dB损失低于物理接触连接器目前的损失指标：SMF-28TM为＜0.25dB，大有效面积NZ-DSF为＜0.29，NZ-DSF为＜0.34dB。有关拼接光纤更详细的情况，可参阅Mary Adcox在NOC/EC2000上提出的论文，题为“Splicing and Fiber Assembly Compatibility for Non-ZeroDispersion-Shifted Fiber and Standard Single-Mode Fiber”。该论文通过引用包括在这里。
如图1所示，混合光纤扩束连接器100包括封壳102，用于支承第一和第二带透镜光纤104与106。尤其是封壳102支承并对准第一带透镜光纤104和第二带透镜光纤106，使它们相互面对并分开一预定距离，尽量减小插入损失。
封壳102包括第一套管(ferrule)108、第二套管110和配准具(matingalignment fixture)112。第一套管108支承并保护第一带透镜光纤104，第二套管110同样支承保护第二带透镜光纤106。配准具112与一个或多个对准销114(示出两个)一起把第一套管108和第二套管110对准就位，使第一带透镜光纤104和第二带透镜光纤106分开一预定距离。对准销114还能帮助对准这两根带透镜光纤104与106。
第一套管108和第二套管110可用多种不同材料做成许多不同形式。一种形式示于图1，其中第一带透镜光纤104和第二带透镜光纤106的凸镜116与118分别从第一套管108和第二套管110延伸。另一种形式示于图2，其中第一带透镜光纤104和第二带透镜光纤106的凸镜116与118各自不从第一和第二套管108与110延伸，而是用顶块(未示出)和底块202a与202b制作第一套管108和第二套管110，顶块与底块则围绕第一带透镜光纤104和第二带透镜光纤106用环氧粘合在一起。在第二例中，第一套管108和第二套管110可以相互紧贴，但仍在第一带透镜光纤104和第二带透镜光纤106之间保持该预定距离。
操作中，混合光纤扩束连接器100包括的第一带透镜光纤104能扩展在其内传播的光束302并输出准直的光束302(图3示出在带透镜光纤14与106之间被准直的光束302)。第二带透镜光纤106能接收该准直的光束302并对其聚集，使光束302从第一带透镜光纤104有效地传播到第二带透镜光纤106。以类似方式，混合光纤扩束连接器100还能把光束302从第一带透镜光纤106发射到第一带透镜光纤104。下面参照图3～6详述第一带透镜光纤104和第二带透镜光纤106。
参照图3，图中示出两根带透镜光纤104与106的各种几何尺寸，这些尺寸决定了第一带透镜光纤104和第二带透镜光纤106分开的距离。应该理解，当
T＝Rc*(n/n-1)+Φ时，透镜116与118都是完美的准直镜，上式中T是透镜116和118的厚度，Rc是透镜116和118的曲率半径，n是透镜116和118的折射率，Φ为相移。
如在1550nm并使用硅石(n＝1.444)，当T/Rc＝3.25时，透镜116与118为完美准直镜。实际上，透镜116与118的厚度要增加衍射焦点偏移，因为带透镜光纤104与106并非点源，而且球面透镜部分116与118极小，故衍射作用很大。应该理解，根据光纤101a与101b不同的种类，透镜116与118的几何尺寸可以相同或不同，故实际上T/Rc比值大于3.25。
表1列出几例不同设计的混合光纤扩束连接器100，用于连接诸如Corning公司的SMF-28TM101a与大有效面积的NZ-DSF等单模光纤和连接Corning公司的SMF-28TM101a与NZ-DSF101b。对表中的计算值，假定在与硼硅酸盐带透镜光纤104与106拼接时，对三类光纤而言，热纤芯展宽量一样(即展宽30.8％)。表1的单位的为微米。
表1
光纤MFD 光纤与透镜间拼接的MFD   Rc    T 束腰的MFD 连接SMF-28TM时透镜间的距离
SMF-28TM   10.4    13.6  224  817   61.3  3600
大有效面积NZ-DSF   9.6    12.6  226  832   61.3  3800
NZ-DSF   8.4    11.0  225  829   61.3  4300
注：MFD、Rc与T的几何尺寸参照图3。
经发明人测量，具有Corning公司SMF-28TM单模光纤的两根带透镜光纤104与106的耦合效率为0.14dB(标准偏差＝0.06)，相当于在1550nm窗内NZ-DSF与Corning的SMF-28TM之间传统的0.15dB(标准偏差＝0.029)拼接损失。须注意，若两根带透镜光纤104与106束腰的MFD匹配，则该损失与使用的光纤类型无关。
参照图4，图示为可用于本发明的示例带透镜光纤104与106的显微图。图示的玻璃透镜400(透镜部件，平凸准直透镜)用对有关波长透明的玻璃制作并与光纤101a与101b熔接。玻璃透镜400的热膨胀系数(CTE)与光纤101a或101b的CTE匹配或紧密匹配，其厚度为T，曲率半径为Rc(见图3)。更具体地说，玻璃透镜400包括喉部402和球面透镜部116与118。把喉部402一端拼接到光纤101a或101b，制成带透镜光纤104与106，再在喉部402另一端用带钨丝的熔接器形成凸透镜116与118。Corning公司的美国专利申请连续号09/812,108更详尽地讨论了玻璃透镜400，其内容通过引用包括在这里。
在该例中，带透镜光纤104与106，特别是球面透镜部116与118用硼硅酸盐玻璃制作。用硼硅酸盐玻璃制作的球面透镜部116与118无双折射问题，而硅石制作的球面透镜为双折射型，对偏振相依损失有贡献。而且，若用硼硅酸盐玻璃制作透镜116与118，还可提高混合光纤扩束连接器100的性能，因为光纤101a和101b与硼硅酸盐玻璃的熔接会引起热纤芯展宽，由此增大了模场直径(MFD)，扩大了带透镜光纤104与106的模向的失准容限。此外，用硼硅酸盐玻璃代替硅石时，透镜116与118的生产程更能重现得多。
用硼硅酸盐玻璃与用硅石制作的带透镜光纤104与106的详细比较可见图5，尤其是可从图5看出热纤芯展宽的效果。对附图于Corning的SMF-28TM的一种硅石与硼硅酸盐透镜，诸数据点代表在X与Y方向测得的MFD，实线代表高斯束模型拟合。数据表明，Corning的SMF-28TM纤芯从标称光纤模场10.4μm展宽到约13.6μm。
用硼硅酸盐玻璃或硅石制作的球面透镜部116与118还可涂上防反射(AR)涂料(未示出)，在光束302撞击透镜116与118表面时，该涂料可将光束302漫射成更大的光斑尺寸(见图3)。
参照图6A～6C，图示曲线表示与混合光纤扩束连接器100有关的各种容限(如模移、角移、纵向位移)。尤其是这些曲线示出在带透镜光纤104与106(MFD＝62微米)的混合光纤扩束连接器100中和在单模光纤如Corning的SMF-28TM(MFD＝10.4)、大面积NZ-DSF(MFD＝9.6微米)与NZ-DSF(MFD＝8.4微米)传统的对接连接器中，横向、角向与纵向失准对损失的影响。在图6A和6C中可以看出，与传统的对接连接器相比，混合光纤扩束连接器100(如带透镜光纤104与106)的横、纵向容限好得多。但在图6B中可看出，在混合光纤扩束连接器100中，角失准容限却差得多。角失准容限较小的原因在于混合光纤扩束连接器100的MFD较大。因此，混合光纤扩束连接器100的机械设计不允许倾斜。而且，最好工作距离(如透镜的间距)短些，因为若工作距离短，角失准引起横向失准就少。
参照图7，图示的流程图说明混合光纤扩束连接器100较佳制作方法700的步骤。为了制作混合光纤扩束连接器100，先把带透镜光纤104插入第一套管108(步骤702)，同样把第二带透镜光纤106插入第二套管110(步骤704)。在该例中，为减少返回损失(背射)，对第一带透镜光纤104和第二带透镜光纤106涂布防反射涂料。
之后，把第一套管108连至第二套管110(步骤706)，方法有几种。例如，可用图1所示配准具112与一个或多个对准销114(未示出)一起对准与保持第一套管108和第二套管110，或者用例如键式插杆耦合或耦合插座把第一套管108和第二套管110相互连接起来。结果，第一套管108和第二套管110以某种方式相互固定，使第一带透镜光纤104与第二带透镜光纤106对准并分开一预定距离。
第一套管108和第二套管110连接后，混合光纤扩束连接器100具体是第一带透镜光纤104能扩展在其内传播的光束302，并向第二带透镜光纤106输出准直的光束302。第二带透镜光纤106收到准直光束302后，即对它聚集，使光束302从第一带透镜光纤104传播到第二带透镜光纤106。以类似方法，混合光纤扩束连接器100还能把光束302从第二带透镜光纤106发射到第一带透镜光纤104。
参照图8，图示流程图说明混合光纤扩束连接器100较佳使用方法800的步骤。一般，把混合光纤扩束连接器100的第一带透镜光纤104接至第一光学元件(如放大器)(步骤802)，同样把其第二带透镜光纤106接至第二光学元件(如放大器)(步骤804)。
这样，已组装了混合光纤扩束连接器100。第一带透镜光纤104能扩展在其内传播的光束302并向第二带透镜光纤106输出准直的光束302，而第二带透镜光纤106收到准直的光束302后，即对收到的光束302聚集，使光束302从第一带透镜光纤104传播到第二带透镜光纤106。以类似的方法，带透镜光纤100能把光束302从第二带透镜光纤106发射到第一带透镜光纤104。
下面描述若干使用混合光纤扩束连接器100的例子：
该混合光纤扩束连接器可简化布设光缆，因为只要用一类跳接线就可连接不同的光纤101a与101b。如在本发明之前，一般在NZ-DSF路由中用单模光纤取代NZ-DSF组件以保持较低的损失预算。
混合光纤扩束连接器100可在一端为引出端或一端为另一扩束连接器的连接光缆(patchcord)上使用。如在混合光纤应用中：混合光纤扩束连接器100的一端可与放大器(或以混合光纤工作的另一装置)熔接(若有引出端)或连接(若有另一连接器)。混合光纤扩束连接器100的输出可将信号传回入光学网，或用于从光束中取一部分功率作光学性能监视。
混合光纤扩束连接器100还能用于实行模式转换并连接热膨胀系数极其不同而无法相互拼接的光纤。如在本发明之前，可用掺铒和铥的MCS玻璃得到光纤放大器的带宽，但MCS玻璃的热膨胀系灵敏约6ppm，在组装放大器时没有与PureModeTM HI980光纤可靠地拼接。而且，除了折射率失配(n(MCS)～1.6-1.7，而n(PureModeTM HI980)＝1.45)而增大背射损失之外，MCS光纤与PureModeTM HI980光纤之间的有1微米的模场失配。应用本发明方法，可在掺铒或铥MCS玻璃的端部用一根与纤芯同样玻璃成分但不掺铒或铥的棒形式透镜，再对该透镜涂布防反射涂料以减小返回损失。另一透镜在PureModeTM HI980端部用硅石玻璃形成。透镜几何尺寸应使束腰的模场直径相匹配。无防反射涂膜的损失为～0.5dB，有防反射涂膜的损失＜0.2dB。
在以上详述中，虽然结合附图只说明了本发明一个实施例，但是应该理解，本发明并不限于揭示的实施例，而是能包括各种重新配置、更改与替代，这并不违背所附诸权利要求所提出和规定的本发明的精神。

Claims (31)

1.一种混合光纤扩束连接器，其特征在于，它包括：
第一带透镜光纤，和
与所述第一带透镜光纤光耦但在物理上与之分开一预定距离的第二带透镜光纤，其中所述第一带透镜光纤包括一类光纤，而所述第二带透镜光纤包括另一类光纤。
2.如权利要求1所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，所述一类光纤与所述另一类光纤各自具有不同的模场直径。
3.如权利要求1所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，所述一类光纤与所述另一类光纤各自用不同的玻璃成分制作。
4.如权利要求1所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，还包括一能支承所述第一带透镜光纤和所述第二带透镜光纤的封壳。
5.如权利要求4所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，所述封壳还包括：
能支承所述第一带透镜光纤的第一套管；
能支承所述第二带透镜光纤的第二套管；和
配准具，能对准并保持所述第一和第二套管，使所述第一带透镜光纤与所述第二带透镜光纤分开预定距离。
6.如权利要求1所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，所述第一带透镜光纤和第二带透镜光纤各自包括一根光纤和一包含喉部与球面透镜部的平凸准直透镜。
7.如权利要求6所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，所述喉部和球面透镜部各自的几何尺寸决定所述第一带透镜光纤在物理上要与所述第二带透镜光纤分开的预定距离。
8.如权利要求1所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，所述混合光纤扩束连接器是阵列型混合光纤扩束连接器。
9.一种用于连接不同光纤的混合光纤扩束连接器，其特征在于，所述混合光纤扩束连接器包括：
包括一类光纤的第一带透镜光纤，能扩展光束并输出准直的光束；和
包括另一类光纤的第二带透镜光纤，在物理上与所述第一带透镜光纤分开一预定距离，并能接收准直的光束且将它聚集，使光束从所述第一带透镜光纤有效地传播到所述第二带透镜光纤。
10.如权利要求9所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，所述第一带透镜光纤包括单模光纤，所述第二带透镜光纤包括非零色移光纤。
11.如权利要求9所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，所述第一带透镜光纤包括单模光纤，所述第二带透镜光纤包括有效面积大的非零色移光纤。
12.如权利要求9所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，所述第一带透镜光纤和第二带透镜光纤中至少一种包括物理型面复杂的光纤。
13.如权利要求9所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，所述第一带透镜光纤和第二带透镜光纤包括模场直径不同的光纤。
14.如权利要求9所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，所述第一带透镜光纤和第二带透镜光纤包括玻璃成分不同的光纤。
15.如权利要求9所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，还包括一以某种方式支承和对准所述第一带透镜光纤和第二带透镜光纤的封壳，使所述第一带透镜光纤和第二带透镜光纤相互面对并在物理上分开预定的距离。
16.如权利要求9所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，第一带透镜光纤和第二带透镜光纤各自还包括一根光纤和一包含喉部与球面透镜部的平凸准直透镜。
17.如权利要求16所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，所述每个球面透镜部涂布防反射膜。
18.如权利要求16所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，按时各球面透镜部用硼硅酸盐玻璃制作。
19.如权利要求9所述的混合光纤扩束连接器，其特征在于，所述混合光纤扩束连接器包括一对以上所述第一和第二带透镜光纤。
20.一种制作混合光纤扩束连接器的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
把包含一类光纤的第一带透镜光纤插入第一套管；
把包含另一类光纤的第二带透镜光纤插入第二套管；和
紧固所述第一和第二套管，使所述第一带透镜光纤和第二带透镜光纤对准并相互分开一预定距离，因而所述第一带透镜光纤能扩展在其内传播的光束并输出准直的光束给所述第二带透镜光纤，而所述第二带透镜光纤接收准直的光束并对它聚集，从而使光束从所述第一带透镜光纤有效地传播到所述第二带透镜光纤。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述一类与所述另一类光纤各自具有不同的模场直径。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述一类与所述另一类光纤各自用不同的玻璃成分制作。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，第一和第二带透镜光纤各自还包括一根光纤和一包含喉部与球面透镜部的平凸准直透镜。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述各球面透镜部涂有防反射膜。
25.如权利要求22所述的方法，其特征在于，各球面透镜部用硼硅酸盐玻璃制作。
26.一种应用混合光纤扩束连接器的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
把包含一类光纤的第一带透镜光纤接至第一光学元件；和
把包含另一类光纤的第二带透镜光纤接至第二光学元件，其中所述第一带透镜光纤和第二带透镜光纤对准并相互分开一预定距离，使所述第一带微透镜的光纤能扩展在其内传播的光束并向所述第二带透镜光纤输出准直的光束，而所述第二带透镜光纤接收准直的光束并将它聚集，从而使光束从所述第一光学元件有效地传播到所述第二光学元件。
27.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述一类与所述另一类光纤具有不同的模场直径。
28.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述一类与所述另一类光纤用不同的玻璃成分制作。
29.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述第一与第二带透镜光纤各自还包括一根光纤和一包含喉部与球面透镜部的平凸准直透镜。
30.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述各球面透镜部涂有防反膜。
31.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述各球面透镜部用硼硅酸盐玻璃制作。
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