TWI396876B - Variable splitting ratio fiber coupler and its manufacturing method - Google Patents

Description

可變分光比光纖耦合器及其製造方法

本發明係有關於一種光學分光元件，尤指一種分光比可以調變的可變分光比光纖耦合器及其製造方法。

按，光纖耦合器(Coupler)係把來自光纖的光訊號耦合至其他端點，即將光訊號從一條光纖中分至多條光纖中，使得光纖耦合器乃廣泛應用於用戶迴路系統、區域網路、有線電視網路等訊號、數據傳輸系統。由於傳統光纖耦合器的輸出分光比是固定的，使得其應用、發展範圍受到拘限，因此繼有輸出分光比可調變的光纖耦合器開發出，習知相關輸出分光比可調變的光纖耦合器技術有美國專利第4, 493, 528號案、第4, 763, 977號案。

其中，第4, 493, 528號案係將二光纖線纜(11)置於上下二基塊(16)所構成的溝槽(18)中進行耦合，並藉轉換器/驅動器(51、52、56、58)來連動或扭動該基塊(16)，使改變光纖線纜(11)該耦合段與基塊(16)的相對關係，用以達到該光纖線纜(11)其輸出分光比可調變的目的；該習知技術雖具有輸出分光比可調變的功能，然，由於該耦合器欲達該輸出分光比可調變作用的製作精密度需很高，相對製造成本及產品價格高昂，不利其實施應用，且該光纖線纜(11)於基塊(16)內易受周遭環境的影響，如相對溫度變化問題等，對其分光調變的操作難以達到精密、確實掌控的要求，再者，該習知技術之耦合器受特定工作波長的限制，致使用範圍窄，當用於其他工作波長時則需另為更換適用工作波長之耦合器，相當不經濟。

第4, 763, 977號案係將光纖(1A、1B)所形成的耦合器(14)設於一彈性基座(4)，該耦合器(14)具有一耦合彎曲段，該耦合彎曲 段係如一U型或S型彎曲狀，該彈性基座(4)係藉一微調器(7)施予一彎曲作用力，該彎曲作用力可使該耦合器(14)的耦合彎曲段產生微曲率變化，進而使該光纖(1A、1B)的端光點(5、8)產生光亮的變化，使達到分光比可調變的目的；然，該習知技術耦合器係結合於彈性基座及利用微調器對該彈性基座作動，同樣存有易受周遭環境影響及實施不易等缺失問題，且其只是將耦合彎曲段形成U型或S型，使得分光比調整範圍小，應用上受到相當之限制，故至目前為止市場上尚未有此技術產品。

因此，如何針對習知可分光調變之光纖耦合器其分光操作品質不穩定、掌控無法精確、可分光調變範圍窄及實施不易等缺失問題加以澈底改善，誠是業界或有智之士應加以探究、突破之重點方向。

本發明之目的在於提供一種可變分光比光纖耦合器及其製造方法，其能使可變分光比光纖耦合器之製造簡易而利於生產應用，且耦合器之分光調變品質穩定，並能精確掌控，進而積極提昇其製造經濟效益、操控品質及產品競爭力者。

本發明之再一目的在於提供一種可變分光比光纖耦合器及其製造方法，其能使耦合器具有較大的分光比調整範圍及較寬的工作波長範圍，功效性能優異，並能在製造光纖耦合器機台上就可簡易施作，且不需精密分光比調變機構，而得以降低成本、容易大量製造，並能以簡單機構進行封裝使用，而能積極突破現有技術之瓶頸者。

本發明之又一目的在於提供一種可變分光比光纖耦合器及其製造方法，其能使含有光纖耦合器的光纖模組和光纖系統的性能得以具體改善及便於發展新用途，而能廣泛應用於光通訊產業、 光電量測產業及光纖感測器產業者。

本發明為了達成上述之目的及功效，其所採行之技術手段包括：一光纖組，該光纖組至少包括有具連結區段之一第一光纖及第二光纖，該第一光纖及第二光纖係為單核單模光纖，其分別包括有內層之纖核及外層之纖衣；一光纖迴圈，係由該第一光纖及第二光纖之該連結區段所彎繞形成，該連結區段(光纖迴圈)包括有一耦合區及該耦合區兩側之下錐區、上錐區。

本發明可變分光比光纖耦合器製造方法係包括：(1)製作光纖耦合器；將至少兩條單核單模光纖的纖衣融合在一起，再將該纖衣於熱融合的狀態下同時往兩邊拉伸，形成含有直線型耦合區及該耦合區兩側之雙錐區的光纖耦合器；(2)繞出光纖迴圈；將該耦合區及該雙錐區位移彎繞而形成該光纖迴圈；(3)組合分光比調變機構；將形成有該光纖迴圈的光纖耦合器的兩端分別設固於一基台。

為使本發明之目的、技術特徵及其他功效有進一步的了解，茲配合圖示詳細說明如下：

請閱第一至二圖，本發明可變分光比光纖耦合器係包括有一第一光纖10、第二光纖20及光纖迴圈30；該第一光纖10、第二光纖20(構成光纖組)係為單核單模光纖，其分別包括有內層之纖核(core)11、21及外層之纖衣(cladding)12、22，通常該纖衣12、22係由該第一、二光纖10、20剝除約相同長度的保護層(未圖示)所露出形成，並有部分呈相互縱向之連結(融合)區段；該連結區段又可分出下錐區31、耦合區33及上錐區32三個區段，而該光纖迴圈30係由該第一、二光纖10、20之連結區段所彎繞形成，即該等連結區段所形成的光纖迴圈30分別包括有該耦合區33 及該耦合區33兩側之下錐區31、上錐區32；如第一A圖所示，該第一、二光纖10、20沿著光纖軸向方向將使其纖核11、21和纖衣12、22的直徑沿著該下錐區31逐漸減少，到該耦合區33後維持不變，接著沿該上錐區32逐漸增加至原來大小，藉該下錐區31、耦合區33及上錐區32區段的彎繞而形成該光纖迴圈30；再者，該第一光纖10一端係連結一光源，如氦氖雷射(He-Ne Lasers)等，使該第一光纖10具有一輸入光功率P_o ，用以進行光的耦合分光傳輸。

本發明製作時係將該纖衣12、22的融合部份拉伸，並使該纖核11、21的直徑在進入該耦合區33前變的很小，如此，該輸入光功率P_o 傳到此處時，會從該纖核11、21漏出而激發該耦合區33的兩個最低階模態；該耦合區33的橫截面如第一B圖所示，一部份為微弱融合的纖衣12、22，一部分為該纖衣12、22外的空氣，而該兩個最低階模態分別為偶模態和奇模態。這兩個模態傳播常數及等效折射率都不同，會隨著該耦合區33直徑變化；當兩個模態傳播至該耦合區33末端時，會產生相位差及干涉強度分佈，干涉強度分佈最後隨著該上錐區32之纖核11、21直徑增加重新進入第一、二光纖10、20其輸出光纖的纖核11、21。第一、二光纖10、20其輸出光纖的光功率分別為：

，其中P_t 為穿透輸出光纖的輸出光功率，P_c 為耦合輸出光纖的輸出光功率，ΔΦ是偶模態與奇模態傳播到該耦合區33末端的相位差。此相位差也可用兩模態之間的等效折射率差Δn表示， ，其中Δβ為偶模態與奇模態的傳播常數差，L為耦合區33之長度，λ為進入光纖的光波長。利用等效折射率差Δn，穿透輸出光纖和耦合輸出光纖的輸出光功率可分別表示為

這兩式顯示，光纖耦合器的輸出光功率，或兩輸出端的分光比，可隨光纖耦合器加熱製作時的拉伸長度改變；拉伸長度愈長，耦合區33直徑愈小，等效折射率差Δn愈大。光纖耦合器的穿透輸出端和耦合輸出端的分光比R_t 和R_c 分別定義為

Δn除了隨耦合區33直徑大小變化外，也隨耦合區33彎曲曲率變化。彎曲使耦合區33折射率及偶模態和奇模態的等效折射率因應力而發生改變，但兩模態等效折射率因改變量不同，它們的差Δn也發生改變。耦合區33直徑大小不變，但呈彎曲非直線形狀時，穿透輸出光纖和耦合輸出光纖的輸出光功率可分別表示為

，其中ρ為耦合區33的曲率半徑。這兩個方程式顯示，若能調變光纖耦合器耦合區33的彎曲曲率，將可調變光纖耦合器的輸出分光比。本發明即是利用這種性質，將光纖耦合器的雙錐區(下錐區31、上錐區32)及耦合區33繞成該光纖迴圈30，而透過改變該光纖 迴圈30周長而調變耦合區33的曲率，使能完成可變分光比的光纖耦合器。

本發明該可變分光比光纖耦合器完成後可以用簡單機構封裝為光纖元件使用，且可直接與現有常用的單核光纖連接使用，而極具其實用性，並可與其他元件組成模組安裝於通訊系統，提供用戶良好通訊品質。再者，本發明技術更可應用於光通訊產業、光電量測產業、光纖感測器產業，例如用於干涉式光纖感測器，可提高感測器性能；又如用於光纖電射，可改變輸出功率大小；另，本發明技術若用於FTTH (Fiber to the Home)被動式光網路架構的分歧器，則提供給用戶的光功率將可以調整，光網路管理因而可變得有彈性。由於本發明技術應用單模光纖耦合器具有低損耗、高可靠度及低價格之優點，也可直接與光纖系統連接，使其在光電系統使用範圍上非常廣泛。

請閱第三圖，本發明可變分光比光纖耦合器進一步包括有一調變機構40，該調變機構40包括有一第一基台41及第二基台42，當前述該光纖迴圈30形成後，該第一、二光纖10、20之兩端係分別承設有一承接件43、44，並將該含有光纖迴圈30的光纖耦合器的兩端以UV膠(黏膠)45、46分別黏設在該兩承接件43、44上，使該光纖迴圈30呈位於中間之活動式可控狀態，然後再將該承接件43、44連同第一、二光纖10、20(含該光纖迴圈30)移設於該第一、二基台41、42，使該第一、二光纖10、20相對該光纖迴圈30之兩端最終固設於該第一、二基台41、42上。在較佳實施方式中，該第一基台41為一固定基台，而該第二基台42為一移動基台，藉該第二基台42之移動可使該光纖迴圈30之周長及交叉點位置產生改變，進而使該耦合區33之彎曲曲率及偶模態和奇模態的傳播常數差也跟著改變，使達到光纖耦合器的分光比可由第二基台42(移動基台)的移動距離來進行調變。當然，在其他實施方 式中，該第一基台41及第二基台42亦可皆為移動基台，即藉該第一、二基台41、42之移動同樣可達到光纖耦合器其分光比調變之作用。

請一併參閱第四圖，用以說明本發明可變分光比光纖耦合器之製造方法，該方法包括有：(1)製作光纖耦合器61；即將兩條相同的單核單模光纖(第一、二光纖10、20)剝除相同長度的保護層，然後將其交叉編貼在一起，交叉編貼好的裸光纖中間部份用一熱源加熱，使此部份的光纖纖衣12、22微弱地融合在一起，該纖衣12、22融合的部份(即連結區段)持續加熱並往兩邊拉伸，形成含有直線型耦合區33及雙錐區(下錐區31、上錐區32)的光纖耦合器；而其分光比隨拉伸長度變化，如第五圖所示，圖中光纖耦合器的總拉長量約為40 mm，實線表示穿透輸出光纖的分光比變化51，虛線表示耦合輸出光纖的分光比變化52。以穿透輸出光纖為例，其分光比變化曲線51是由入射光X極化分量的分光比變化曲線與Y極化分量的分光比變化曲線疊加而來，但因這兩個極化分量的分光比轉換相位(=△nL )不同，造成疊加以後的分光比變化曲線出現極化調制波包。波包的極化調制腰帶處，入射光X與Y極化分量的分光比轉換相位差接近π/2；最高點處，入射光X與Y極化分量的分光比轉換相位差接近π。此圖也顯示微弱融合的光纖耦合器有比較小的等效折射率差變化，及比較大的結構雙折性。比較小的等效折射率差變化使分光比變化週期較大；比較大的結構雙折性使極化調制波包的調制腰帶在少數幾個分光比變化週期後就出現，其中，該極化調制波包最高點附近之一區域點為本發明製作光纖耦合器的停機點，於本實施例該區域點係為第五圖之A點)，A點對應的拉伸長度約為35mm。再者，本發明此製作光纖耦合器61之步驟係可於一般製造單模光纖耦合器之機台(未圖示)上施作，可簡化、易於其實施進行，而該機台係包括有二定位該第 一、二光纖10、20兩端及用以拉伸之拉伸基台，藉該拉伸基台將第一、二光纖10、20拉伸以形成含有直線型耦合區33及雙錐區(下錐區31、上錐區32)。

(2)繞出光纖迴圈62；於前述步驟中之拉伸動作停在前述步驟(1)所述之A點的光纖耦合器做出來後，兩拉伸基台復位，即該拉伸基台往之前未拉伸光纖耦合器的原位置移動，直到光纖耦合器的耦合區33及下錐區31、上錐區32繞成一個光纖迴圈30為止；此光纖迴圈30由於雙錐區(下錐區31、上錐區32)呈錐狀，而該耦合區33夠長且直徑相對較細，可調成該上、下錐區32、31位於彎曲耦合區33兩邊，而交叉點位於上、下錐區32、31直徑較大的區域，其形狀如第二圖所示。

(3)組合分光比調變機構63；於前述步驟中之光纖迴圈30調出後，含有光纖迴圈30的光纖耦合器的兩端膠黏在同第三圖所示之兩承接件43、44上，然後從該機台上取下，固置於如第三圖所示之分光比調變機構40的第一基台41(固定基台)及第二基台42(移動基台)上；該移動基台移動時，該光纖迴圈30之周長及交叉點位置會改變，進而使該耦合區33之彎曲曲率及偶模態和奇模態的傳播常數差也跟著改變，因此，光纖耦合器的分光比可由移動基台的移動距離來調變，如第六圖所示，係顯示該可變分光比光纖耦合器在輸入光波長為1523 nm時，光纖迴圈30之周長改變量對穿透輸出光纖和耦合輸出光纖分光比量測值的影響示意圖。再者，用以設置該含有光纖迴圈30的光纖耦合器之第一基台41及第二基台42亦可皆為移動基台。

第六圖為本發明可變分光比光纖耦合器實施例的分光比調變曲線，圖上縱軸為分光比，橫軸為迴圈周長變化量Δd，實心點和空心點分別代表穿透輸出端53(T-port)和耦合輸出端54(C-port)分光比。此圖顯示，隨著迴圈周長大小改變，分光比也跟著改變， 穿透輸出端分光比調變範圍可由95%到3%，耦合輸出端分光比調變範圍可由5%到97%；整個光纖耦合器分光比調整範圍為92%。第七圖所示是本發明可變分光比光纖耦合器波長反應曲線，顯示90%分光比調變範圍的波長可從1524 nm一直到1559 nm，工作波長範圍大於30 nm。

綜合以上所述，本發明利用上述方法步驟及結構，確能經濟地、快速地進行可變分光比光纖耦合器之製造，進而降低成本及符合製造經濟效益，並具有分光調變品質穩定、能精確掌控之特色，進而能積極提昇其製造經濟效益、操控品質及產品競爭力，確實為一相當優異之創思，爰依法提出發明專利申請；惟上述說明之內容，僅為本發明之較佳實施例說明，凡依本發明之技術手段所延伸之變化，皆應落入本發明之專利申請範圍，特此說明。

第一光纖‧‧‧10

第二光纖‧‧‧20

光纖迴圈‧‧‧30

纖核‧‧‧11、21

耦合區‧‧‧33

纖衣‧‧‧12、22

下錐區‧‧‧31

上錐區‧‧‧32

調變機構‧‧‧40

第一基台‧‧‧41

第二基台‧‧‧42

承接件‧‧‧43、44

UV膠‧‧‧45、46

製作光纖耦合器‧‧‧61

穿透輸出光纖的分光比變化‧‧‧51

耦合輸出光纖的分光比變化‧‧‧52

繞出光纖迴圈‧‧‧62

組合分光比調變機構‧‧‧63

穿透輸出端‧‧‧53

耦合輸出端‧‧‧54

第一A圖為本發明微弱融合光纖耦合器的結構示意圖。

第一B圖為本發明耦合區橫截面示意圖。

第二圖為本發明之光纖迴圈示意圖。

第三圖為本發明之可變分光調變機構示意圖。

第四圖為本發明之製造流程示意圖。

第五圖為本發明顯示微弱融合光纖耦合器在拉伸過程中分光比的變化情形示意圖。

第六圖為本發明顯示光纖迴圈周長變化量對穿透輸出光纖和耦合輸出光纖分光比量測值的影響示意圖。

第七圖為本發明顯示可變分光比光纖耦合器在輸入光波長改變時在穿透輸出光纖和耦合輸出光纖的分光比調變範圍示意圖。

第一光纖‧‧‧10

第二光纖‧‧‧20

光纖迴圈‧‧‧30

耦合區‧‧‧33

調變機構‧‧‧40

第一基台‧‧‧41

第二基台‧‧‧42

承接件‧‧‧43、44

UV膠‧‧‧45、46

Claims (4)

1. 一種可變分光比光纖耦合器製造方法，係將兩條相同的單核單模光纖剝除相同長度的保護層，並將它們交叉編貼在一起，交叉編貼好的該裸光纖中間部份用一熱源加熱，使光纖之纖衣微弱地融合在一起，該光纖之纖衣融合部份持續加熱並往兩邊拉伸，形成有耦合區及雙錐區的光纖耦合器，在拉伸過程中有具較小的等效折射率差變化及較大的結構雙折性，使得分光比變化曲線變化週期較大且其極化調制波包的調制腰帶在少數幾個分光比變化週期後就出現，該分光比變化曲線極化調制波包最高點附近定為光纖耦合器的製作停機點。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可變分光比光纖耦合器製造方法，其中該光纖耦合器製作完成後，利用兩拉伸基台復位移動，直到該耦合區及兩個錐區繞成一個光纖迴圈為止，該此光纖迴圈的形狀繼續調整，直到該雙錐區中之上、下錐區位於彎曲耦合區兩邊且交叉點位於上、下錐區直徑較大的區域為止。
3. 如申請專利範圍第2項所述之可變分光比光纖耦合器製造方法，其中該含有光纖迴圈的光纖耦合器兩端用膠固定在兩塊承接件上，該兩塊承接件至少一個固定在一移動基台，藉該移動基台之移動使該光纖迴圈周長及交叉點位置改變，進而使該耦合區彎曲曲率及其偶模態和奇模態的傳播常數差也跟著改變，使該光纖耦合器的分光比可由移動基台移動距離調變，成為可變分光比光纖耦合器。
4. 如申請專利範圍第2項所述之可變分光比光纖耦合器製造方法，其中該含有光纖迴圈的光纖耦合器兩端用膠固定在兩塊承接件上，該兩塊承接件固定在二移動基台，藉該二移動基台之移動使該光纖迴圈周長及交叉點位置改變，進而使該耦合區彎曲曲率及其偶模態和奇模態的傳播常數差也跟著改變，使該光纖耦合器的分光比可由移動基台移動距離調變，成為可變分光比光纖耦合器。