TW438966B - Segmented cane Mach-Zehnder interferometer - Google Patents

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TW438966B
TW438966B TW089116467A TW89116467A TW438966B TW 438966 B TW438966 B TW 438966B TW 089116467 A TW089116467 A TW 089116467A TW 89116467 A TW89116467 A TW 89116467A TW 438966 B TW438966 B TW 438966B
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Joel Patrick Carberry
Mark Francis Krol
William James Miller
Mark Leon Morrell
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2五、發明説明（,） A7 B7 經濟部中央標箪局員工消費合作社印袈 發明領域： 本發明係關於光學通訊系統之馬赫倫德爾干。特 j本發明係_由區段化玻璃桿件結構所構成之馬赫倫 t爾干涉儀’其在製造處理過程巾麟仏所構成之光纖。 發明背景： 急切地需要狹窄頻帶取長區分多卫器義)搞合器以 及遽波ϋ。雜學装置為丨讀窗職要⑽善鋼光纖 放大器之增益頻譜。這魏置祕泛地使祕幹線中以及 到達用戶通訊結構之光纖。當使用於這些應用卞，這些光 學裝置需要對環境為穩定的，不受較大溫度變化而影響，以 及非常可靠。 存在波長可調整光學裝置以及固定波長光學裝置之需 求。在所有光學網路中，光學裝置能夠在接收器端部加以 調整以感測出所需要之進入訊號。在第二項研究中，可調 整雷射使用來發送一組多個訊號，及所需要訊號藉由使用 具有固定濾波器接收器加以感測。傳送系統亦能夠使用固 定雷射以及濾波器。這些系統濾波器分離波長之能力需要 數十奈米大小，甚至於小至一奈米。 馬赫倫德爾干涉儀已知具;t狹窄頻帶波長濾波之能力 。人們已提出狹窄至lnm帶通濾波器能夠藉由連接兩個易 消逝耦合器形成，耦合器間具有相同的路徑長度。不過，利 用該方式難以達成重現性以及對環境穩定性，因為連接光 纖易受到外界不穩定條件例如溫度變化以及不規則彎曲力 量影響。 ' 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS M4規格< 210X297公楚） 屮
-I (请先的饋背必之注意事項存填寫W
-m I 訂 線 A7 B7
438?8R 五、發明説明（α ) 一項將馬赫倫德爾千涉儀穩定之方法揭示於本公司之 美國第5295205號專利中，該專利之說明在此加入作為參考 。如該專利所說明，馬赫倫德爾干涉儀藉由將第一及第二 不相同光纖穿過連續性玻璃管件之中央開孔所構成β管件 施以真空抽除以及加熱而熱塌於光纖上。管件更進一步在 兩個相隔位置處加熱以及捭伸以形成由兩條光纖連接之兩 個耦合器。 當所形成馬赫倫德爾結構改善光學裝置之環境穩定性 時,該結構仍然易受到熱不穩定性影響。除此，轉結構無法 通達兩個耦合區域間已知為相位偏移區域中之光纖。鑑於 這些馬赫倫德爾干涉儀之限制，有需要提供一種構造以實 現對溫度較大變化而不靈敏或滯溫性之馬赫倫德爾裝置， 其能夠實際通達干涉儀相位偏移區域内之光纖。 發明大要： 本發明揭示出對一組多條光纖達成光學功能之馬赫倫 德爾元件干涉儀。干涉儀包含第一桿件區段圍繞著光纖》 弟一桿件區段形成第一光學輕合區域。干涉儀亦包含第二 桿件區段圍繞著光纖。第二桿件區段形成第二光學耦合區 域。相位偏移區域藉由外露光纖之第一及第二桿件區段間 之不連續性形成。光纖保持於相位偏移區域内第一及第二 桿件區段間。提供基質以支撐光纖於相位偏移區域内。 人們了解先前一般說明以及下列詳細說明僅作為本發 明之範例，以及提供一個架構以了解本發明原理以及特性 。附圖在於提供'更進一步了解本發明，以及在此加入構成 ---------------訂------線 J、 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作杜印裝 { CNS > A4iiys. ( 210X297-4^^ ) 438766 A7 B7 4 五、發明説明（3 ) 經濟部中央橾準局員工消費合作社印製 本發明說明書之一部份。附圖顯示出本發明各種特性以及 實施例，以及隨同說明書以解釋本發明之原理及操作。 附圖簡單說明： 本發明各項優點將由下列說明以及申請專利範圍以及 附圖為熟知此技術者了解。附圖包含： 第一圖（圖1)為本發明優先實施例之區段化桿件馬赫 倫德爾干涉儀。 第二圊（圊2)為沿著圖1直線2-2展開區段化桿件區域 之斷面圖。 第二圖（圖3)為沿著圖1直線3-3展開相位‘移區域之 斷面圖。 第四圊（圖4)為沿著圓1直線4-4展開耦合區域之斷面 圖。 第五圖·（圖5 )為本發明另外一個實施例區段化摄杜民 赫倫德爾干涉儀之透視圖。 第六圖（圖6)為圖5干涉儀放大側視圖。 第七圖A至L(圖7A-7L)為依據本發明所揭示方法製造 出區段化桿件干涉儀各個步驟之示意圖。 附圖數字符號說明： 馬赫倫德爾干涉儀10;第一耦合區域12;第二耦合區 域相位偏移區域16;光纖18, 20;桿件區段22 24·中 央開孔_26;漸變段28;桿件30;中央開孔32;包層區域 34;心蕊區埤36;黏接位置38;干涉儀40;基質42;玻璃 料44;預製件46;漏斗狀結構48;漸變段50;溝槽52;光 本纸張尺纽财-- 6 (请先MT*背面之注意事項再填寫本頁) 線 438766 ~~---~---五、發明説明（午） A7 B7 經 部 標 準 消 費 合 作 社 印 製 柵54;干涉儀6〇;塗膜62。 詳細說明： 示於附圖中本發明優先實施例詳細加以說明 二:件在附圖中所使用相同的參考數宇係指相同的 咕參考附則’其顯示出本發明優先實施例之馬赫倫 U爾干#儀。㈣儉德_干涉細賴設計成實施各種光 學干涉功能。如騎示，干涉儀騎常包含第—耗合區域 12,第二耦合區域14,以及相位偏移區域16位於苹一與第二 輕合器區域12,14之間。光纖顧及生分離以及連續 性光學波導通過干賴1Q長度。在絲觀多包層馬赫儉 德爾結構中，光纖插入至形成於基質玻璃單一管件中中央 開孔内，其亦稱為玻璃桿件。不過，依據本發明干涉儀1〇之 設計，兩個卷別玻璃桿件區段能夠使用來形成耦合區域12, 14。因而在製造處理過程中，每一光纖18, 2〇插入穿過每一 桿件區段22, 24中央開孔26。每一桿件區段22, 24再加熱以 熱塌以及融合玻璃材料以使桿件位於光纖18, 20四週。在 融合處理過程後，每一桿件區段22, 24更進一步在抽拉裝置 中加熱以及處理以拉伸每一桿件區段22, 24中央部份以形 成耦合漸變段28。當每一桿件區段22, 24内光纖18, 20被加 申 -區·^3«^併 蕊區域36產生光學耦合。在一個範例性應用中，在每—桿 件區段22, 24形成光學耦合器能夠使用作為3dB耦合器以作 為平衡馬赫倫德爾干涉儀。不過熟知此技術者了解該光學 本紙張尺度通用中國國家梯準（CNS ) Μ規格（2i〇X297公釐） 7 r— (请先閱讀背面之注意事項再填寫本頁〕 訂 線— 4387 66 一 — 五、發明説明（5*) Α7 Β7 經濟部中央榡準局負工消費合作社印掣 编合結構能夠使用作為異於3dB耦合器之應用。 在每一耦合漸變段28形成後，第一及第二桿件區段22, 24放置於連續性外側桿件3〇中央開孔32内，其内徑只些微 地大於桿件區段22, 24之外徑。選擇性地，第一及第二桿件 區段22, 24能夠在預先決定力量下加以分離使光纖18, 2〇在 相位偏移區域16内產生張力^第—與第二桿件區段22, 24 連接至外側桿件30於數個黏接位置38處。黏接可藉由一些 方法達成，該方法包含局部加熱處理，使用環氧樹脂，或玻 璃料。熟知此技術者了解，外侧桿件3〇提供機械支撐以及 將桿件區段22, 24穩定以防止光纖18, 20在相位偏移區域16 内移動。外側桿件30能夠由具有正值熱膨脹性材料製造出 以對干涉儀產生熱效應β可加以變化，假如需要滯溫性漸 變段，外側桿件30能夠由具有零或負值熱膨脹性材料製造 出。 桿件區段22黏附至外側桿件30内時之斷面顯示於圖2 中。桿件區段22被熱塌於光纖18, 20四週以及作為第三光 學元件。因而，優先地每一桿件區段折射率低於每—光纖 包層區域之折射率。如圖所示，每一光纖18, 2〇保持於桿件 區段22固定位置内。不過，光埠18, 20亦可加以分離使得包 層區域34並不相互作用。 相位偏移區域16之斷面顯示於圖3中。特別優點為位 於外側桿件中央開孔32内之空氣間隙，經由該開孔光纖18, 20被保持。因而，相位偏移區域16由第一桿件區段22以及 第一桿件區段24'間不連績性所形成。光纖18, 20亦彼此分 ----------裝、—— (請先開讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線
4387 6 6 A7 B7 7 五、發明説明（t 經濟部中央標率局w：工消費合作社印製 離使得包層區域34並不相互作用。 製造馬赫倫德爾干涉儀10結構之特別構造在於提供相 位偏移區域16内每一光纖18, 20之出入。由於光纖18, 20被 保持以及遺留下外露部份，其能夠更進一步處理以改變干涉 儀10之光學功能。例如，例如為繞射性光柵能夠經由一些 處理過程例如為光學印刷或蝕刻處理過程施加於光纖i 8， 20。光柵通常在桿件區段22, 24黏附於外側桿件30内前施 加於光纖上。作為一個範例，這些光柵能夠為Bragg光柵（ FBG)，其能夠使用馬赫倫德爾干涉儀作為波長選擇性4個端 埠濾波器。該形式濾波器亦稱為波長選擇性加入/耦出濾 波器。 桿件區段24耦合漸變段28斷面圖顯示於圖4中。外側 桿件30使耦合漸變段28產生結構性支撐以及剛性，其具有. 較小直徑而小於桿件端部22, 24之端部。同時如圖4所示， 每一光纖18, 20包層區域34形成共同包層區域於耦合漸變 段28内，以及每一光纖18, 20心蕊區域36相鄰以提高光學耦 合0 當馬赫倫德爾干涉儀使用於光纖Bragg光柵中，使用來 支撐桿件區段22, 24之外侧桿件30亦能夠使用作為被動性 控制加入/耦出濾波器熱反應。例如，假如需要較大熱效應 ，外側桿件30能夠由被動性熱膨脹材料例如為硼矽酸鹽製 造出。可加以變化，假如需要較低熱效應，能夠使用負值熱 膨脹性材料.。在外側桿件30内馬赫倫德爾干涉儀需要裝置 為承受張力情況-而類似於使用/9鋰霞石基質FBG之被動性 (請先W讀背面之注意事項再填寫本頁) .氧· .1Τ 線 ^紙張尺錢财卵家辟（CNS > Α4· ( 2獻297公釐 f 4387 66 A7 --------B7 五、發明説明（7 ) 滯溫性。該被動性滯溫性已說明於本公司之1997年丨月16 日申請之美國第08/785336號專利以及PCT公告之W097/265 72中，兩者在此加入作為參考之用。 優先地每一光纖18, 20具有心蕊區域36,其由折射率低 於心蕊區域36折射率之包層區域34圍繞著。光纖心蕊36能 夠具有類似或不同的折射率山及以，以及光纖包層區域34 可具有不同折射率ih及W。 包圍光纖18, 20之每一桿件區段22, 24折射率Π3優先地 小於光纖包層區域34之最低折射率η。除此，每一桿件區段 22, 24開孔能夠在每一端部處產生圓錐形漏斗以缺口（圖6) 以使光纖插入變為容易。桿件區段以及光纖組合體稱為耦 合器預製件。耦合器預製件能夠更進一步在光纖抽拉裝置 中加以處理。 經濟部中央捸孪局負工消費合作社印装 參考圖5及6,其顯示出本發明另外一個馬赫倫德爾干 涉儀40。干涉儀40結構類似於圖1干涉儀1〇之結構《不過， 干涉儀40光纖18, 20固定至負值熱膨脹性基質42。光纖18, 20使用玻璃料44在兩個位置處黏附至基質42。優先使用玻 璃料，能夠使用各種技術將光纖黏附至基質。如圖6所示， 光纖18, 20藉由玻璃料44支撐高於基質42表面上。 干涉儀40結構在製造處理過程中亦對光纖18,20提供 出入口。因而光纖光柵54能夠直接地劃記於形成玻璃料連 接位置44間所形成相位偏移區域16中之光纖18, 20。光柵 為週期性地”變位於相位偏移區域内光纖之折射率《光柵 54功能為將寬廣頻帶馬赫倫德爾濾波器轉變為狹窄頻帶之 本紙伕尺度適用中國國家榡準（CNS ) Μ現格（2丨οχ2”公着） A7 B7 438Ϋ66 五、發明説明（g ) 波長選擇性滤波器。 干涉儀40竊合預製件46以先前所說明方式形成。竊合 器預製件46包含圓錐形漏斗狀結構48於每一端部處，其有 助於在逐漸變化之前將光纖18, 20插入通過桿件區段。所 顯示每一耦合器預製件46具有耦合漸變段5〇,其在先前所 說明逐漸變化處理過程中形成。溝槽52沿著基質42縱向中 心軸在每一端部處形成。每一所形成耦合器預製件46一端 放置於溝槽52内以及利用環氧樹脂或玻璃料永久性地加以 固定。組裝馬赫倫德爾干涉儀4〇能夠再裝置於較大外圍結 構内以作為額外之支撐。 ' 干涉儀40特別構造在於光纖光柵直接地裝置於負值熱 膨脹性基質42上。因而，光纖光柵結構性地與每一耦合器 桿件46區段隔離，以及並不會受到编合器桿件區段之任 何熱膨脹性影響。 經濟部中央樣率局員工消費合作社印装 現在參考圖7A-7L，其揭示出在相位偏移區域内製造具 有Bragg光柵滯溫性馬赫儉德爾干涉儀之步驟。描繪於這 些步驟中之干涉儀60為干涉儀濾波器，其使用先前所說明 之桿件區段製造出。該製造技術之目的在於裝置具有光柵 之光纖18, 20部份在負值熱膨脹性基質42上使得溫度變化 並不會影響光柵之操作。耦合器預製件46以及滯溫性光柵 基質42能夠再裝置於額外支撐之外侧桿件内。其顯示干涉 儀另外一個實施例之優先步驟，熟知此技術者了解能夠使 用其他製造技術，以及均屬本發明範圍内。 圖7Α顯示出雨條光纖18, 20,其具有未接觸之保護性塗 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) Α<»規格（210'χ297公楚）
(I 4 3 8766 A7 _______B7 五、發明説明（气） 膜62。光纖能夠為多種光纖之一種，該光纖包含s姬'—28, CS980,或較高差值光纖，其均由本公司製造出。除此，其他 並未提及之光纖亦能夠加以使用，本發明並未受限於特定 形式之光纖。部份步驟顯示於圖7A中，光纖為負載氫氣。 負载氫氣步驟為一種使用來提高所構成光纖光靈敏性之方 法。 圖7B顯示出兩條光纖18, 20在所需要長度内剝除保護 性塗層62之步驟。保護性塗層在光纖中間部份範圍内剝除 ，該光纖包含於所形成干涉儀60内。在圖7C中，光纖18, 20 顯示為插入通過兩個耦合器桿件區段22, 24中^開孔，該桿 件區段彼此分隔。每一耦合器桿件區段長度決定於特定干 涉儀應用。優先地,每一桿件區段22, 24中央開孔内側直徑 約為265微米，以及外徑約為2. 65毫米。所顯示每一桿件區 段22, 24在每一端部處包含圓錐形漏斗狀結構48 ^ 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 圖7D顯示出使用單一玻璃料44將兩條光纖18, 20連接 至負值熱膨膜性基質42側邊A。本發明干涉儀優先使用負 值熱膨脹性基質42由/3鋰霞石所構成，其具有所需要之負 值熱膨脹特性。在圖7E中，兩條光纖些微地施以張力，以及 保持為受張力情況以作為更進一步處理。 在圖7F中，相同的光柵54同時地劃記於兩條光纖18, 20 上，其使用單一回合之光柵劃記處理過程。顯示於圖7F中 光柵54亦同時地顯示通過兩條光纖以表示沿著每—光纖之 光栅位置為f目同的。圖7G顯示出調整位於光纖18, 2〇上兩 個光栅54張力之步驟以及使用另外一種玻璃料44將光纖連 表紙張尺度逋用十國囷家棵準（CNS ) A4规格（210X297公釐） /2. A7 B7 438766 五、發明説明（|U ) 接至負值熱膨脹性基質側邊B。人們了解光纖18, 20藉由玻 璃料44保持些微地高於基質表面。在圖爪中，組件經由加 熱處理過程進行退火以排除所形成各種矽石光學元件内之 任何殘餘氫氣。 在圖71中，每一耦合器桿件區段22, 24進行加熱以及逐 漸變化以形成干涉性光學耦合漸變段28。耦合漸變段28能 夠使用Multi-Clad耦合器抽拉技術形成。通常，耦合漸變 段藉由對桿件區段22, 24中央部份加熱形成以及將桿件區 段端部拉引離開。圖7J顯示出組件包含耦合器桿件區段以 及插入至支撐玻璃管件30内之基質。在圖7K中/支撐管件 30使用先前所說明任何一個黏接技術在各種黏接位置38處 連接至耦合器桿件區段22, 24。最後，在圖7L中干涉儀60之 光學特性能夠使用紫外線修整各別光纖路徑長度而最佳化 。因而所形成千涉儀60亦包含由桿件區段22, 24所形成第 一及第二耦合區域12,14,以及相位偏移區域，其具有滯溫 性光柵54位於桿件區段22, 24之間。 經濟部中央標準局負工消費合作枉印製 本發明馬赫倫德爾干涉儀10,40, 60能夠使用作為各種 光學應用，其包含摻雜铒光纖放大器之增益平坦性濾波器 以及波長選擇加入/耦出濾波器。除此，數個干涉儀能夠加 以串連在一起以設計及/或產生各種光學功能。為了產生 更多功能性，耦合區域12,14間組成光纖之出入為需要的使 得光纖能夠藉由劃記光導致之光栅而加以改善。因此，熟 知此技術者了解馬赫倫德爾干涉儀1 〇設計將提供在製造處 理過程中位於相位偏移區域16内光纖必要之出入。 本紙張尺度適用中國國家榡準< CNS ) A4規格（21〇><297公釐） 13 4 3 8^-B-6------- 五、發明说明U1 ) 先前一般說明揭示出以及說明本發明範例性實施例。 熟知此技術者能夠由該說明，附圖以及申請專利範圍而了 解，熟知此技術者能夠由其中作出各種變化及改變,但是其 =不會脫離本剌下列巾請專觀之精賴^ 圍。 、 --n n - It-— Il^i— I 訂 i I —II 線 (请先M讀背面之注$項再填寫本頁) 經濟部中央標率局負工消費合作社印掣

Claims (1)

  1. 438?66 ABCD 13 六、申請專利範圍 經濟部中央棒率局負工消t合作社印製 1. 一種干涉儀，其對一組多條光纖產生光學功能，其包含： 第一桿件區段，其圍繞著光纖，第一桿件區段形成第—光 學耦合區域； 第二桿件區段，其圍繞著光纖，第二桿件區段形成第二光 學耦合區域； 相位偏移區域，其由第一以及第二桿件區段間之不連續 性形成，光纖在相位偏移區域内保留於第一及第二桿件區 段之間。 2. 依據申請專利範圍第1項之干涉儀，其中更進一步包含基 質以支撐光纖於相位偏移區域内。 3. 依據申請專利範圍第2項之干涉儀，其中光纖固定至基質 於第一黏接位置以及第二黏接位置處》 4. 依據申請專利範圍第丨項之干涉儀，其中第一黏接位置以 及第二黏接位置藉由圍繞著光纖之玻璃料形成β 5」依據申請專利範圍第3項之干涉儀，其中光纖在第一及第 二黏接位置間產生張力。 6,=據申請專利範圍第2項之干涉儀其中更進一步包含外 側幹件’其圍繞著第一桿件區段，第二桿件區段，相位偏移 區域’以及基質以使干涉儀產生結構為整體性。 依據申明專利範圍第1項之干涉儀，其中Bragg光栅劃記 於相位偏移區域内之光纖上。 ^依據申請專利範圍第1項之干涉儀，射第-以及第二桿 段包含耦合漸變段，其形成於每一桿件區段之中央部 份處。 (请先《尊面之注意事項脣填淹本寅) •C. 線 14438?66 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 經濟部中央標隼局I工消費合作社印製 9. 依據帽專利範SJ第8項之干涉儀，其巾_合漸變段形成 3dB光學麵合器。 10. 依據申請專利範圍第1項之干涉儀，其中第一及第二桿 件區段軸向地對準於相位偏移區域内。 11. 依據申請專利範圍第2項之干涉儀，其中基質為負值執 膨脹性材料。 Μ 12_依據帽專魏圍第2項之干涉儀，財基f為歸霞 石。 13_ —種馬赫倫德爾干涉儀，其包含： ’第一光纖； 第二光纖； 第-耗合區域圍繞著第-及第二光纖，第一輕合區域包 含耦合漸變段，其形成於其争央部份； 第二耦合區域圍繞著第一及第二光纖，第二耦合區域包 含耦合漸變段，其形成於其中央部份； 位於第一及第二麵合區域間之相位偏移區域；以及 外側桿件部份，其圍繞著第一耦合區域，第二耦合區域以 及相位偏移區域，外侧桿件部份保持第一與第二耦合區域 與相位偏移區域向對準D 14·依據申请專利範圍第13項之干涉儀，其中gragg光柵在 相位偏移區域内劃記至光纖。 15·依據申睛專利範圍第13項之干涉儀，其中相位偏移區域 由第一及第二耦合區域間不連續性所構成。 16·依據申請專利範圍第13項之干涉儀，其中至少一個轉合 表紙浪尺度適用中國國家榇率（CNS ) A4規格（210X297公釐） ---------裝------、玎--------0 <請先《讀背面之注$項再填寫本頁) 經濟部中夹梂隼局負工消費合作社印裝 438766 m - 漸變段形成3dB光學輕合器。 ^依據申請專利範圍第13項之干涉儀，其中外側桿件部份 由/3鋰霞石所構成》 Μ. —種形成干涉儀之方法，該干涉儀至少具有第一及第二 光纖，該方法包含： — 形成第一耦合區域圍繞著光纖； 形成第二耦合區域圍繞著光纖； 在第一與第二耦合區域間形成相位偏移區域；以及 將光纖固定至基質。 ’ 19.依據申睛專利範圍第18項之方法，其中更進二步包含在 相位偏移區域内形成光柵於光纖上。 2〇_依據申請專利範圍第18項之方法，其中形成第一及第二 耦合區域之步驟更進一步包含將每一耦合區域中央部份逐 漸變化之步驟。 21. 依據申請專利範圍第18項之方法，其中更進一步包封第 —光學耦合區域，第二光學耦合區域，以及相位偏移區域於 外側基赁内。 22. 依據申請專利範圍第18項之方法，其申更進一步包含將 氫氣負載於光纖之步驟。 23. 依據申請專利範圍第18項之方法，其中將光纖固定至基 質之步驟包含塗覆玻璃料材料至基質表面以及放置於光纖 於玻璃料材料内。 表紙張纽適用中國國家榡车（CNS > A4規格（210X297公釐） 5 f請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂*--- 線
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