專利名稱：使用復(fù)合光纖的馬赫－策恩德干涉型器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及馬赫-策恩德干涉型器件，以及制造該器件的方法。
光纖通信系統(tǒng)就不同目的需要各種波長(zhǎng)選擇器。例如，在波分復(fù)用傳輸方式中，單根光纖可以傳送波長(zhǎng)略有差異的若干光束。每束光運(yùn)載一獨(dú)立的信息流。波長(zhǎng)選擇濾波器被運(yùn)用在光纖分支的地方，在分支處，將具有某特定波長(zhǎng)的一束光導(dǎo)入光纖的一個(gè)分支，而將其余光束導(dǎo)入另一分支?？蓪⑦h(yuǎn)程通信不同用戶所擁有的幾個(gè)接收機(jī)與一根光纖相連。每個(gè)接收機(jī)裝有一個(gè)濾波器，該濾波器用于僅將一非常窄的波帶導(dǎo)入該器件，并排斥所有其它的波帶。供特殊用戶使用的信號(hào)以與該用戶相關(guān)的波長(zhǎng)發(fā)送。
這些以及其它波長(zhǎng)選擇器必須滿足在實(shí)際通信系統(tǒng)中使用的要求。選擇器應(yīng)能分離相互間僅相差幾個(gè)納米的波長(zhǎng)。波長(zhǎng)選擇器對(duì)于環(huán)境應(yīng)該是穩(wěn)定的、可靠的和耐用的。在某些應(yīng)用中，波長(zhǎng)選擇器應(yīng)該“可調(diào)”或可調(diào)節(jié)，以便改變它所選擇的波長(zhǎng)。另外，波長(zhǎng)選擇器工作的光功率損耗應(yīng)該相當(dāng)?shù)停催x擇器不能大量消耗提供給它的光功率。
在光通信系統(tǒng)中，馬赫-策恩德干涉儀已被用作波長(zhǎng)選擇器。如

圖1所示，馬赫-策恩德干涉儀包括一對(duì)光纖F1和F2。在第一耦合器C1和第二耦合器C2處，兩根光纖相互耦合，以在兩者間進(jìn)行光傳輸。耦合器用于將光從一根光纖傳送到另一根光纖。如以下將進(jìn)一步闡明的，耦合器可以是所謂的“漸逝”耦合器，在漸逝耦合器中，光纖的窄長(zhǎng)部分在基體(matrix)或外被覆層內(nèi)相互并置得很近。耦合器可以是3分貝耦合器，這種耦合器可將一根光纖上提供的大約一半光功率傳送至另一根光纖。光纖F1和F2在耦合器間具有光程長(zhǎng)度不同的相移區(qū)。因此，光纖F1中相移區(qū)的光程長(zhǎng)度與光纖F2中相移區(qū)的光程長(zhǎng)度不同。如在本發(fā)明中所使用的，“光程長(zhǎng)度”是對(duì)某一給定波長(zhǎng)和某一給定傳輸模式下的光穿過(guò)光纖一端到達(dá)另一端所需時(shí)間的量度。光程長(zhǎng)度的差異已經(jīng)可以用下述方法獲得，即，使一根光纖的相移區(qū)實(shí)際比另一根的長(zhǎng)，或者使兩根光纖F1和F2具有不同的傳播常數(shù)，以致于使兩根光纖內(nèi)的光速不同。后一種結(jié)構(gòu)可以通過(guò)使用折射率分布不同的光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)光纖是“階躍-折射率”光纖(包含折射率相當(dāng)大的纖心和覆蓋住纖心的折射率相當(dāng)小的被覆層)時(shí)，兩根光纖的纖心可以具有不同折射率、不同的纖心直徑、不同的被覆層折射率，或者這些不同量的組合。無(wú)論使用哪種特殊的機(jī)理來(lái)產(chǎn)生不同的光程長(zhǎng)度，圖1中所示的單級(jí)馬赫-策恩德濾波器都將根據(jù)光的波長(zhǎng)把通過(guò)輸入端1提供的光引導(dǎo)至輸出端3或輸出端4。較復(fù)雜的馬赫-策恩德器件采用多級(jí)形式，具有多個(gè)相移區(qū)并有多個(gè)串聯(lián)耦合器，用以獲得某些所需的波長(zhǎng)選擇特性。如美國(guó)專利第5,351,325號(hào)中所述，還有一些馬赫-策恩德器件，它們?cè)隈詈掀髦g不止并聯(lián)兩根光纖，該發(fā)明內(nèi)容引用包括在此。各種不同的光纖具有不同的光程長(zhǎng)度。最好能夠?qū)獬滩钸M(jìn)行選擇，以便提供相互間為有理數(shù)或整數(shù)倍數(shù)的光程差。
對(duì)于用來(lái)提供所需波長(zhǎng)選擇特性的馬赫-策恩德器件，光程差應(yīng)與設(shè)計(jì)器件中所規(guī)定的相同，并且除了特意改變外應(yīng)保持穩(wěn)定。諸如各根光纖的移動(dòng)或振動(dòng)等環(huán)境作用以及光纖的不均勻加熱或冷卻，都會(huì)嚴(yán)重劣化馬赫-策恩德各元件的性能。美國(guó)專利第5,295,205號(hào)(’205號(hào)專利)揭示了一種改進(jìn)的馬赫-策恩德器件，該器件包含一個(gè)由一種基質(zhì)玻璃制成的細(xì)長(zhǎng)體，如一空心的管子，此發(fā)明也通過(guò)引用包括在此。諸光纖穿過(guò)管孔延伸。每個(gè)耦合器可以這樣來(lái)形成，即先將管子的一部分塌縮到光纖上(加熱)，然后將塌縮的管子部分以及內(nèi)含的光纖部分拉長(zhǎng)，從而在周?chē)|(zhì)玻璃的光纖中提供窄長(zhǎng)的段區(qū)。采用這種普通的方式，可制成各種馬赫-策恩德元件，包括那些具有不止兩根光纖的馬赫-策恩德元件和具有不止兩個(gè)耦合器的級(jí)聯(lián)器件。根據(jù)第’205號(hào)專利中較佳實(shí)施例，所制成的器件被牢靠地封裝在基質(zhì)玻璃管內(nèi)，并由此基本上不受溫度梯度和不希望有的無(wú)意產(chǎn)生的彎曲的影響。因此，根據(jù)第’205號(hào)專利制成的較佳器件可用作實(shí)際遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中的元件。
除了本領(lǐng)域中的這些和其它進(jìn)步，還需要作進(jìn)一步的改進(jìn)。用傳播常數(shù)不同的光纖來(lái)制造馬赫-策恩德器件要求制造商儲(chǔ)備傳播常數(shù)不同的光纖。當(dāng)單個(gè)器件中使用不止兩根光纖時(shí)，必須制作傳播常數(shù)相互呈所需關(guān)系的光纖。對(duì)于某些設(shè)計(jì)，必須成批制造傳播常數(shù)不同的光纖，使其差值互為整數(shù)倍。這在光纖拉絲工藝中施加了很大的限制和花費(fèi)。另外，為獲得所需傳播常數(shù)需要對(duì)光纖進(jìn)行調(diào)節(jié)，這些調(diào)節(jié)具有不希望有的副作用。例如，為產(chǎn)生一特定傳播常數(shù)而調(diào)整光纖纖心成份會(huì)產(chǎn)生一種纖心特別軟的光纖，在用來(lái)形成耦合器的拉伸工藝期間，這會(huì)形成橢圓的截面。這又會(huì)導(dǎo)致光學(xué)性能隨通過(guò)器件傳送的光的偏振而變化。因此，希望對(duì)制造馬赫-策恩德器件的方法以及所制得的器件作進(jìn)一步的改進(jìn)。
本發(fā)明的一個(gè)方面是，提供制造馬赫-策恩德器件的方法。依照本發(fā)明該方面的方法，最好包括提供多根光纖的步驟，其中多根光纖至少包括一根復(fù)合光纖。每根這樣的復(fù)合光纖具有一對(duì)耦合區(qū)和一個(gè)相移區(qū)。每根復(fù)合光纖相移區(qū)的傳播常數(shù)與該光纖中耦合區(qū)的傳播常數(shù)不同。依照本發(fā)明該方面的方法，還最好包括在光纖上相隔一段距離的位置上形成一對(duì)光學(xué)耦合器的步驟，以便每根復(fù)合光纖的相移區(qū)位于耦合器之間。提供每根復(fù)合光纖的步驟可以通過(guò)在第一備料光纖(stock fiber)的光纖段之間拼接一段第二備料光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)。除了復(fù)合光纖之外，用來(lái)制造馬赫-策恩德器件的多根光纖，可包括一根傳播常數(shù)沿其整個(gè)長(zhǎng)度都相同的均勻光纖。最好用用于制造每根復(fù)合光纖的一段第一備料光纖整個(gè)地形成該均勻光纖。
由于第二備料光纖僅出現(xiàn)于復(fù)合光纖的相移區(qū)，所以第二備料光纖不受耦合器制作工藝的影響，并且它不會(huì)形成耦合器的任何部分。因此，無(wú)需考慮第二備料光纖在耦合器制作工藝中的表現(xiàn)便能選擇第二備料光纖的特性。復(fù)合光纖的光程長(zhǎng)度依賴于復(fù)合光纖中所含第二備料光纖段的長(zhǎng)度。因此，通過(guò)控制復(fù)合光纖中所含第二備料光纖段的長(zhǎng)度便能控制復(fù)合光纖的光程長(zhǎng)度，不會(huì)影響光纖在耦合器間總的實(shí)際長(zhǎng)度。最好，所有的光纖在耦合器間都具有相同的總長(zhǎng)度?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)形成每根復(fù)合光纖相移區(qū)的第二備料光纖段的長(zhǎng)度來(lái)補(bǔ)償任何光纖傳播常數(shù)對(duì)標(biāo)稱值的偏離。當(dāng)使用該工藝制造在耦合器之間延伸不止兩根光纖的馬赫-策恩德器件時(shí)，多根光纖可以包括多根復(fù)合光纖。這里，所有的光纖在耦合器間同樣具有相同的實(shí)際長(zhǎng)度。復(fù)合光纖的光程長(zhǎng)度直接與每根這樣的復(fù)合光纖中所含第二光纖段的長(zhǎng)度相關(guān)。因此，無(wú)需制造具有各種不同傳播常數(shù)的特殊光纖便可獲得各種光纖間光程差之間的精確關(guān)系。最好，所有的均勻光纖和復(fù)合光纖全都由同樣的第一和第二備料光纖制成。
在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，形成耦合器的步驟包括將光纖封裝在一基質(zhì)玻璃中并將光纖拉長(zhǎng)以在基質(zhì)玻璃內(nèi)形成相互并排延伸的窄長(zhǎng)段區(qū)的步驟。使用時(shí)，最好僅將復(fù)合光纖的耦合區(qū)和均勻光纖部分拉長(zhǎng)，以形成耦合器。將光纖封裝在基質(zhì)玻璃中的步驟最好通過(guò)以下方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即將光纖安置在由基質(zhì)玻璃制成的管子的孔中并使該管塌縮到光纖上以形成塌縮區(qū)，而且拉伸光纖的步驟包括拉伸每個(gè)塌縮區(qū)部分以及被安置在其中的光纖部分的步驟。該工藝的這些步驟可以依照上述’205號(hào)專利來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的另一方面是，提供一種包括多根光纖的馬赫-策恩德器件。多根光纖至少包括一根復(fù)合光纖，每根這樣的復(fù)合光纖包括一對(duì)耦合區(qū)和一個(gè)相移區(qū)。每根復(fù)合光纖相移區(qū)的傳播常數(shù)與該光纖中耦合區(qū)的傳播常數(shù)不同。依照本發(fā)明該方面的器件，在諸光纖上相隔一段距離的位置上包含一對(duì)光學(xué)耦合器，每根復(fù)合光纖的相移區(qū)位于耦合器之間。最好，所有光纖在耦合器之間有基本相同的總長(zhǎng)度。最好，多根光纖包含一根基本光纖，例如在整個(gè)長(zhǎng)度上傳播常數(shù)都相同的均勻光纖。每根復(fù)合光纖耦合區(qū)的傳播常數(shù)可以與該均勻光纖的傳播常數(shù)基本相同，而每根復(fù)合光纖相移區(qū)的傳播常數(shù)與均勻光纖的傳播常數(shù)不同。因此，每根復(fù)合光纖相對(duì)于基本光纖或均勻光纖的光程差依賴于該復(fù)合光纖中相移區(qū)的長(zhǎng)度。最好，所有復(fù)合光纖相移區(qū)的傳播常數(shù)都相等，由此每根復(fù)合光纖中相對(duì)均勻光纖的相移值將直接正比于每根復(fù)合光纖相移區(qū)的長(zhǎng)度。當(dāng)使用多根復(fù)合光纖時(shí)，各復(fù)合光纖相移區(qū)的長(zhǎng)度可以互為有理數(shù)倍數(shù)，最好為整數(shù)倍數(shù)。最好將器件制成單塊的馬赫-策恩德器件，該器件包括一根由基質(zhì)玻璃制成的管子，該管包裹在諸光纖周?chē)⑿纬神詈掀鞯幕w。
結(jié)合附圖，閱讀以下對(duì)較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述，將更清楚本發(fā)明的這些和其它目的、特點(diǎn)和長(zhǎng)處。
圖1是馬赫-策恩德干涉儀的示意圖。
圖2是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例在制造工藝的一個(gè)階段期間一根光纖的示意視圖。
圖3、4和5與圖2相似，但描繪了后階段工藝的光纖。
圖6是一截面圖，描繪了依照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的馬赫-策恩德器件。
圖7是一曲線圖，描繪了圖6中器件的功率輸出特性。
圖8是制造圖6中器件所用設(shè)備的示意圖。
圖9與圖6相似，但描繪了依照本發(fā)明另一實(shí)施例的器件。
圖10是依照本發(fā)明另一實(shí)施例在工藝中使用的一族光纖的示意圖。
圖11是一截面圖，描繪了由圖10所示光纖所制成的馬赫-策恩德器件。
參照?qǐng)D2-5，依照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的工藝從一段第一備料光纖106開(kāi)始。在所示的特定結(jié)構(gòu)中，第一備料光纖是一階躍-折射率玻璃光纖，具有折射率相當(dāng)大的纖心102和折射率相當(dāng)小的被覆層104，被覆層包裹在纖心的周?chē)?。該光纖還有一層普通的聚合物被覆層108，包裹在玻璃被覆層的周?chē)?。切斷第一備料光纖，形成光纖段106。將被覆層108移到與斷面相鄰的區(qū)域中。對(duì)工藝而言，光纖段106的長(zhǎng)度并不苛刻；如以下將討論的，只是必須足以適應(yīng)耦合器的制作。在工藝的下一階段，切割第二備料光纖，以提供工作長(zhǎng)度為L(zhǎng)w的光纖段110。第二備料光纖也是階躍-折射率光纖，具有纖心112和被覆層114。將任何聚合物被覆層都從光纖段110上剝離。第二備料光纖的傳播常數(shù)為β，與第一備料光纖的傳播常數(shù)不同。這樣，第二備料光纖中至少有一個(gè)影響光纖內(nèi)所傳送光之傳播常數(shù)的參數(shù)與第一備料光纖的相應(yīng)參數(shù)不同。最好，纖心112的直徑與第一備料光纖中纖心102的直徑相同。但是，纖心112的折射率可以與纖心102的折射率不同。另外，第二光纖被覆層114的折射率可以與第一光纖被覆層104的折射率不同。在接頭116處，將光纖段110與光纖段106拼接起來(lái)。形成接頭116所用的拼接工藝應(yīng)該有足夠的時(shí)間處于高溫下，以允許纖心102和112之間發(fā)生擴(kuò)散，從而在兩個(gè)纖心之間形成一逐漸過(guò)渡。這使接頭處的光功率損耗最小。最好，接頭處的損耗小于約0.2分貝。形成接頭116之后，截取第二光纖段110，截取長(zhǎng)度為所需的相移區(qū)長(zhǎng)度Lps。該長(zhǎng)度自接頭116開(kāi)始度量，并且盡可能作精確控制。對(duì)長(zhǎng)度Lps進(jìn)行選擇，以便在成品器件中提供所需的光學(xué)特性，以下將對(duì)此作進(jìn)一步討論。對(duì)用來(lái)形成光纖段106的第一光纖切割第二光纖段118，并在第二接頭120處將其與光纖段110相連。光纖段118的長(zhǎng)度也不是嚴(yán)格的。這里，同樣通過(guò)一經(jīng)擴(kuò)散的漸變的界面形成接頭，從而抑制接頭120處的損耗?？捎贸Ｒ?guī)的熔接拼接設(shè)備制作接頭116和120。連接工藝產(chǎn)生一復(fù)合光纖122，該光纖具有由第一光纖構(gòu)成的兩個(gè)光纖段106和118以及拼接在其間的第二光纖的光纖段110。第一光纖段106和118形成復(fù)合光纖的耦合區(qū)，而第二光纖段110則形成相移區(qū)。
然后，端接該復(fù)合光纖，以提供成品所要求的端接類型。例如，當(dāng)要把復(fù)合光纖的末端124與馬赫-策恩德器件的輸入端或輸出端相連時(shí)，可將其切斷，并準(zhǔn)備好用普通的方式連接。另一方面，當(dāng)末端126要保持非連接狀態(tài)時(shí)，可根據(jù)美國(guó)專利第4,979,972號(hào)使其配備防反射端。于是，將耦合區(qū)118通加加熱割斷，然后進(jìn)一步加熱，使玻璃變成球狀的圓形端面，其直徑等于或略小于光纖被覆層的原始外直徑。
然后，將復(fù)合光纖122制成一單塊器件，它包括該復(fù)合光纖以及一均勻光纖130(圖6)。均勻光纖130是用來(lái)形成復(fù)合光纖中耦合區(qū)106和118的同一根第一光纖的另一段。因此，均勻光纖的傳播常數(shù)與復(fù)合光纖耦合區(qū)的傳播常數(shù)相等。在制作復(fù)合光纖后的器件制作工藝步驟可以基本等同于依照上述美國(guó)專利第5,295,205號(hào)制造馬赫-策恩德器件中所用的步驟。于是，將馬赫-策恩德器件(圖6)制成一單塊結(jié)構(gòu)，它包含由相移區(qū)14連接的連續(xù)的過(guò)包層耦合器11和12。相移區(qū)14包括第二光纖的相移區(qū)110。通過(guò)將復(fù)合光纖122和均勻光纖130(已剝離過(guò)被覆層)插入基質(zhì)玻璃19的管孔18內(nèi)便可形成器件。基質(zhì)玻璃管中與光纖相鄰的那部分的折射率小于光纖被覆層104的最小折射率。管孔的每一端都具有漏斗形物(未示出)，便于光纖的插入。管與光纖的組合體稱為耦合器預(yù)制件。
耦合器預(yù)制件可在圖8的拉絲設(shè)備中進(jìn)一步加工。將預(yù)制件31插入穿過(guò)環(huán)形燃燒器34，并將其夾緊在拉絲夾盤(pán)32和33上，而拉絲夾盤(pán)則安裝在電機(jī)控制的臺(tái)架45和46上。將光纖穿過(guò)真空裝置41和41’，然后將真空裝置密封到預(yù)制件31的末端。美國(guó)專利第5,011,251號(hào)中揭示了一些典型的真空裝置，該專利通過(guò)引用包括在此。通過(guò)管線42對(duì)管子41抽真空。將一段薄橡皮管43的一端接至真空裝置41中相對(duì)預(yù)制件31的那一端；橡皮管的另一端伸在夾管裝置(未示出)內(nèi)。同樣，上方的真空裝置41’與管線42’、橡皮管43’和夾管裝置相關(guān)聯(lián)。光纖的涂覆部分從橡皮管43和43’中伸出，管子19內(nèi)位于a和b兩點(diǎn)間的光纖部分無(wú)被覆層。當(dāng)如箭頭44和44’所示將氣壓加至橡皮管43和43’上以便使橡皮管夾緊從中穿過(guò)的光纖時(shí)，通過(guò)管線42和42’對(duì)管孔18抽真空。
在一個(gè)實(shí)施例中，首先，將位于a和b兩點(diǎn)之間的那部分管子塌縮到光纖上。在將預(yù)制件固定到夾盤(pán)32和33上并對(duì)管孔抽真空后，在管子的一端附近加熱，使其在加熱區(qū)塌縮。夾盤(pán)32和33將預(yù)制件相對(duì)燃燒器移動(dòng)，使塌縮區(qū)逐漸向預(yù)制件的另一端延伸，直至獲得所需長(zhǎng)度的塌縮管。
在另一工藝中，可將夾盤(pán)32和33固定，并將燃燒器34固定在電機(jī)控制的臺(tái)架35上。首先，將燃燒器34固定在預(yù)制件一端附近，以使其塌縮；臺(tái)架35將燃燒器相對(duì)預(yù)制件移動(dòng)，使塌縮區(qū)向預(yù)制件的另一端延伸。
然后，對(duì)管的一個(gè)區(qū)域加熱，并沿相反方向移動(dòng)計(jì)算機(jī)控制的臺(tái)架45和46，將加熱區(qū)拉長(zhǎng)，從而在預(yù)制件的一端附近形成耦合器11。拉管工序依照美國(guó)專利第5,001,251號(hào)來(lái)完成。管子兩端相互移開(kāi)的速率構(gòu)成了總拉伸速率?？捎煤闼俾世旃茏?，或者拉絲速率連續(xù)變化或以離散的步長(zhǎng)變化。在獲得預(yù)定的耦合之后，停止拉伸工序；隨后，再對(duì)管子加熱，并以第二拉伸速率進(jìn)行拉伸。雖然耦合器略呈錐形，但耦合器11被示為具有恒定的直徑，因此耦合器的軸向中心呈現(xiàn)最小直徑。眾所周知，所得耦合器的耦合特性由以下參數(shù)確定，即基質(zhì)玻璃19和光纖130以及復(fù)合光纖122的耦合區(qū)106和118的光學(xué)和機(jī)械特性。耦合特性會(huì)受到諸如頸縮區(qū)和錐形區(qū)之長(zhǎng)度和形狀等耦合器參數(shù)的影響。
當(dāng)拉伸管子以制作第一耦合器時(shí)，可將光功率耦合到輸入光纖中，并通過(guò)監(jiān)視輸出信號(hào)控制耦合器制造過(guò)程中的工藝步驟。另一方面，可用該臺(tái)架內(nèi)的試驗(yàn)拉伸距離制作試驗(yàn)器件，并通過(guò)測(cè)量確定最佳拉伸距離。在過(guò)包層光纖耦合器的早期經(jīng)驗(yàn)中，制作每個(gè)耦合器期間兩臺(tái)架的總拉伸距離通常在12和16毫米之間。
對(duì)于作為濾波器或波分復(fù)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，最好通過(guò)對(duì)管子的適當(dāng)區(qū)域施加等同于制作第一耦合器所用的拉伸條件，來(lái)制作第二耦合器12。盡管耦合器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，則馬赫-策恩德器件將適用于更寬的波長(zhǎng)范圍?？梢杂酶鞣N不同的技術(shù)來(lái)獲得消色差性。
依照題為“消色差過(guò)包層光纖耦合器”的美國(guó)專利第5,268,979號(hào)，如果包裹在光纖被覆層周?chē)幕|(zhì)玻璃體的折射率n3小于被覆層的折射率n2，減少的數(shù)值Δ2-3小于0.125％，其中Δ2-3等于(n22-n32)/2n22，那么制得的耦合器可以是消色差的。
對(duì)于某些應(yīng)用，馬赫-策恩德濾波器中只有一根光纖需從器件的每一端伸出。在制成器件之后，可以切斷光纖17從器件中伸出的那些部分。然后如前所述，最好對(duì)光纖17的被切端配備防反射終端。
如圖6中所能清楚看到的，耦合器11只包括復(fù)合光纖122的耦合區(qū)106以及相鄰的均勻光纖130部分，而耦合器12則包括復(fù)合光纖的第二耦合區(qū)118和一部分均勻光纖130。復(fù)合光纖的相移區(qū)110位于耦合器之間，并且在耦合器制造過(guò)程中沒(méi)有被拉長(zhǎng)。通過(guò)輸入端132把光提供給制成的馬赫-策恩德器件，器件便能在第一輸出端134和第二輸出端136提供光功率。輸入功率在第一輸出端上出現(xiàn)的百分?jǐn)?shù)是所施加光之波長(zhǎng)的函數(shù)，表示如下P＝cos2{(π)(Lps)(dβ/β)(1/λ)}(1)其中P為第一輸出端134上出現(xiàn)的輸出功率百分?jǐn)?shù)；Lps為復(fù)合光纖中相移區(qū)110的長(zhǎng)度；dβ是復(fù)合光纖相移區(qū)的傳播常數(shù)與均勻光纖130的傳播常數(shù)的差；β是相移區(qū)110之傳播常數(shù)與均勻光纖130之傳播常數(shù)中的較小值；λ是被施加的光的波長(zhǎng)。
對(duì)于所有光纖以同一模式傳輸?shù)膯文鬏攣?lái)說(shuō)，表達(dá)式(1)可以重新表示為P＝cos2{(π)(Lps)(dn/n)(1/λ)}(2)其中n是相移區(qū)110之有效折射率與均勻光纖130之有效折射率中的較小值；并且dn是復(fù)合光纖之有效折射率與均勻光纖130之有效折射率的差。
通過(guò)假設(shè)單模光導(dǎo)有一半功率在纖心中并且通過(guò)提高光纖的Δ值，便可估算不同纖心對(duì)有效折射率的影響。有效折射率大致按下式變化dn/n＝(Δ1-2+Δ1-2)/2(3)其中Δ1-2等于(n12-n22)/(2n12)，而Δ1-2，等于(n1’2-n2’2)/(2n1’2)，n1和n1’分別是第一和第二光纖之纖心102和112的折射率。另外，n2和n2’是第一和第二光纖中被覆層104和114的折射率。于是，光纖130與復(fù)合光纖122相移區(qū)110之間有效折射率的差將為dn/n＝(Δ1-2+Δ1-2)/2-2Δ1-2/2 (4)＝(Δ1-2’-Δ1-2)/2將式(4)代入式(2)中，得到P＝cos2{(π)(Lps)(Δ1-2-Δ1-2)/λ)}(5)
對(duì)于單級(jí)的馬赫-策恩德濾波器，表達(dá)式(5)的曲線被繪制在圖7中，其中光纖130的Δ1-2值為0.3％，而復(fù)合光纖相移區(qū)110的Δ1-2值為1.0％，相移區(qū)110的長(zhǎng)度Lps為1厘米。在P為最大值的某些波長(zhǎng)處，基本上所有通過(guò)第一輸入端134施加的光(器件中損耗較小)都被送到第一輸出端132。在P約為零的某些波長(zhǎng)處，基本上所有通過(guò)輸入端134提供給器件的光都被送到終端126并且耗散。
值得注意的是，輸出功率百分?jǐn)?shù)P與波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系僅依賴于光纖的特性以及相移區(qū)110的長(zhǎng)度Lps。由于復(fù)合光纖耦合區(qū)106和118的光學(xué)特性與均勻光纖130的光學(xué)特性相匹配，所以耦合區(qū)的長(zhǎng)度對(duì)功率函數(shù)沒(méi)有影響。因此，只要復(fù)合光纖的相移區(qū)110位于耦合器之間，耦合器11和12之間的距離就基本上對(duì)器件性能沒(méi)有影響。因此，可以優(yōu)化耦合器的制作工藝，以便提供最佳的耦合器性能，且不影響耦合器的功率函數(shù)。另外，在大批量生產(chǎn)耦合器時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)相移區(qū)110的長(zhǎng)度且不影響器件的任何其它參數(shù)來(lái)優(yōu)化器件的功率函數(shù)。例如，如果為工藝流程提供的光纖與它們的標(biāo)稱成份有些不同，那么光纖的傳播常數(shù)也將與其標(biāo)稱值不同。這將影響功率函數(shù)，使功率函數(shù)峰值間的間距增大或減小。這可以通過(guò)增大或減小相移區(qū)110的長(zhǎng)度Lps來(lái)校正。無(wú)需改變成品的外部尺寸，也無(wú)需改變耦合器的制作工藝便可以實(shí)現(xiàn)這種補(bǔ)償。
例如，如在上述第’205號(hào)專利中所揭示的，可以將馬赫-策恩德器件串聯(lián)連接，以便提供不同的濾波特性。一種這樣的設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)器件，第二個(gè)器件的光程差或光程延遲是另一器件光程差或光程延遲的兩倍。第一器件中只有一根光纖被送入第二器件；另一光纖則端接。最后所得器件的功率函數(shù)等于各器件功率函數(shù)的積，從而其功率函數(shù)具有分得很開(kāi)的峰值。這種器件可以采用具有相移區(qū)110’的第一復(fù)合光纖122’(圖9)和具有相移區(qū)111’的第二復(fù)合光纖123’，其中相移區(qū)111’的長(zhǎng)度為第一相移區(qū)110’長(zhǎng)度的兩倍。每根復(fù)合光纖都可以具有一球形端接的光阻塞端(light blocking end)125’。可將各復(fù)合光纖端至端地排列在管19’的孔內(nèi)，光纖的光阻塞端125’彼此相鄰。均勻光纖130’整個(gè)穿過(guò)管子?？梢栽谘毓茏拥乃膫€(gè)位置上形成耦合器11’，以便在每個(gè)相移區(qū)的每一側(cè)都提供一個(gè)耦合器。另一種方法是，在兩個(gè)馬赫-策恩德器件之間，也就是在第二和第三耦合器之間，可以用具有兩個(gè)相移區(qū)110’和111’的單根連續(xù)的復(fù)合光纖來(lái)代替兩根復(fù)合光纖122’和123’，并用中點(diǎn)處被光阻塞端端接的兩根較短的均勻光纖來(lái)代替單根均勻光纖。
復(fù)合光纖的使用為制造這種多級(jí)器件提供了明顯的優(yōu)點(diǎn)。同樣在此，可以通過(guò)選擇復(fù)合光纖相移區(qū)的長(zhǎng)度來(lái)選擇每個(gè)馬赫-策恩德器件的光程差。因此，制造第二馬赫-策恩德器件時(shí)，可使其光程差精確地為第一器件的兩倍，并且即使為工藝提供的光纖性能偏離了標(biāo)稱值，也能保持該準(zhǔn)確性。當(dāng)必須保持各級(jí)相移區(qū)之間的其它關(guān)系時(shí)，也能提供同樣的優(yōu)點(diǎn)。
如美國(guó)專利第5,011,251號(hào)中所揭示的，某些能在耦合器中獲得消色差性能的方法要求耦合器中光纖被覆層的折射率略有不同。當(dāng)使用該方法時(shí)，均勻光纖130被覆層的折射率必須與復(fù)合光纖耦合區(qū)中被覆層104的折射率不同。最好對(duì)均勻光纖的其余參數(shù)(諸如其纖心直徑和纖心折射率等)進(jìn)行選擇，以便均勻光纖的有效折射率n以致于其傳播常數(shù)β分別等于復(fù)合光纖中耦合區(qū)106和108的有效折射率和傳播常數(shù)。
如美國(guó)專利第5,351,325號(hào)(’325專利)中所揭示的，可用不止兩根光纖制作馬赫-策恩德器件，該發(fā)明通過(guò)引用包括在此。這種器件在多路輸入耦合器處將一個(gè)輸入端提供的輸入信號(hào)分成幾個(gè)信號(hào)，然后沿有效光程長(zhǎng)度不同的幾個(gè)光路引導(dǎo)分路信號(hào)(split signal)，最后在一輸出耦合器處，再將分路信號(hào)合并成單個(gè)輸出信號(hào)。如圖10所示，這種器件可以用一族光纖200來(lái)制作，它們包括兩根均勻光纖230a和230b以及兩根復(fù)合光纖222a和222b。第二復(fù)合光纖相移區(qū)210b的長(zhǎng)度正好等于第一復(fù)合光纖中相移區(qū)210a長(zhǎng)度的兩倍。在此，光纖耦合區(qū)206和218的傳播常數(shù)同樣等于第二均勻光纖230b的傳播常數(shù)。最好，用制作均勻光纖所用的同一根備料光纖的光纖段來(lái)形成這些耦合區(qū)。另外，復(fù)合光纖中相移區(qū)的傳播常數(shù)相互相等。最好，用同一根第二備料光纖的光纖段來(lái)形成相移區(qū)。
在某一端，均勻光纖230b和復(fù)合光纖222a和222b備有光阻塞終端。利用’325號(hào)專利中的技術(shù)將四根光纖制作成多路徑馬赫-策恩德器件。如其中所描述的，將光纖一并穿過(guò)基質(zhì)玻璃管，并對(duì)所得的耦合器預(yù)制件加熱和拉伸，從而形成輸入耦合器211(圖11)和輸出耦合器212。在輸入和輸出耦合器之間，所有的光纖都穿過(guò)器件的長(zhǎng)度。從圖11中可清楚地看到，復(fù)合光纖的相移區(qū)210a和210b位于輸入耦合器211和輸出耦合器212之間。
耦合器的結(jié)構(gòu)可以與’325專利中所示的相同。如其中所闡述的，對(duì)耦合器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，以便基本上將第一光纖230a輸入端處通過(guò)輸入端232提供的所有的光都從該光纖傳送至其余光纖，并且把基本上相等的光傳送給每根其余的光纖。在耦合器之間的區(qū)域中，進(jìn)入輸入端232的光基本上不沿第一光纖傳播。在輸出耦合器裝置212處，沿其余光纖傳播的光被重新合并，并被送回到第一光纖230a，然后從輸出端234輸出。因此，在耦合器之間，光僅沿均勻光纖230b以及復(fù)合光纖222a和222b傳送。在此同樣，由于在耦合器間三根傳輸光的光纖230b、222a和222b中，不同的有效光程長(zhǎng)度會(huì)產(chǎn)生不同的延遲，所以輸入光在輸出端234處出現(xiàn)的比例將依賴于波長(zhǎng)。如’325專利中的詳細(xì)描述，使用多個(gè)并聯(lián)路徑提供了較大的“細(xì)度(finesse)”?！凹?xì)度”一詞是指，功率輸出函數(shù)中相鄰峰值之間的波長(zhǎng)間隔與每一峰之寬度的比值。盡管采用圖9所示的串聯(lián)順序的馬赫-策恩德器件可以獲得較大的細(xì)度值，但圖11所示的多光纖結(jié)構(gòu)可以單級(jí)提供較大的細(xì)度。
穿過(guò)相移部分214的各個(gè)光纖提供了彼此成整數(shù)倍的光程差。因此，相對(duì)于經(jīng)過(guò)均勻光纖230b的光，經(jīng)過(guò)第一復(fù)合光纖222a的光被延遲。延遲的量直接與相移區(qū)210a的長(zhǎng)度成正比。同樣，經(jīng)過(guò)第二復(fù)合光纖222b的光被延遲，并且相對(duì)均勻光纖230b中光的延遲量直接與相移區(qū)210b的長(zhǎng)度成正比。由于各復(fù)合光纖中的延遲程度與每根光纖中相移區(qū)的長(zhǎng)度線性相關(guān)，所以可以使諸光纖精確匹配，從而產(chǎn)生相互成整數(shù)倍的延遲。該性能的獲得不需要對(duì)傳播常數(shù)具有準(zhǔn)確分級(jí)差值的多根串聯(lián)光纖進(jìn)行匹配。這些馬赫-策恩德器件可在輸入和輸出耦合器之間具有不止三條有源光路。這類器件可以包含一些附加的復(fù)合光纖，其相移區(qū)長(zhǎng)度為最短相移區(qū)長(zhǎng)度較大的整數(shù)倍。
在上述參照?qǐng)D10和11所討論的實(shí)施例中，復(fù)合光纖都被制作成在相移區(qū)和耦合區(qū)具有相同的傳播常數(shù)。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，而且便于生產(chǎn)控制。最好，所有的耦合區(qū)用同一批某一種光纖制作，并且所有的相移區(qū)也由同一批另一種光纖形成。但是，根據(jù)本發(fā)明寬廣的范圍，其它結(jié)構(gòu)也是可以的。例如，用來(lái)制作各種復(fù)合光纖相移區(qū)的光纖可以彼此不同。在該情況下，要對(duì)每根光纖的OPLD＝(Lps)(dβ/β)乘積進(jìn)行選擇，以便各OPLD乘積彼此成整數(shù)倍，或者彼此為某些其它所需的關(guān)系，其中dn為構(gòu)成特殊相移區(qū)的光纖的有效折射率與均勻光纖有效折射率之間的差。
在以上討論的較佳實(shí)施例中，復(fù)合光纖的耦合區(qū)彼此相同(當(dāng)使用不止一根復(fù)合光纖時(shí))，并與均勻光纖相同，致使耦合區(qū)不會(huì)產(chǎn)生任何相移。這使得器件性能不會(huì)受耦合區(qū)長(zhǎng)度變化的影響，并且不會(huì)受耦合器之間距離的影響。但是，可以依照本發(fā)明制造這樣的器件，其每根復(fù)合光纖中耦合區(qū)的傳播常數(shù)與其余光纖中相應(yīng)區(qū)域的傳播常數(shù)不同，致使耦合區(qū)也會(huì)產(chǎn)生一些相移。在該情況下，要縮小或增大相移區(qū)的長(zhǎng)度，以補(bǔ)償耦合區(qū)產(chǎn)生的附加相移。另外，盡管以上討論的較佳實(shí)施例使用一根均勻光纖和一根或多根復(fù)合光纖，但可以只用復(fù)合光纖來(lái)制作器件。也就是說(shuō)，基本光纖也可以是復(fù)合光纖。
另外，盡管上述實(shí)施例是參照階躍-折射率光纖來(lái)描述的，但用漸變-折射率光纖也能采用同樣的技術(shù)。
依照本發(fā)明的另一實(shí)施例，復(fù)合光纖的相移區(qū)可以包含一種諧振為非線性的材料。當(dāng)對(duì)該種材料施加實(shí)際光功率時(shí)，其折射率會(huì)改變。當(dāng)施加抽運(yùn)功率時(shí)，這會(huì)使相移區(qū)產(chǎn)生的光程差發(fā)生改變。于是，馬赫-策恩德器件可用作光控開(kāi)關(guān)。通過(guò)施加抽運(yùn)光照致使光通過(guò)復(fù)合光纖傳播，可改變復(fù)合光纖的有效折射率，從而改變器件的特性，讓光按規(guī)定的光程從器件某一輸出端傳播至另一輸出端。在上述[Miller-Nolan 16-70]應(yīng)用中，揭示了在復(fù)合光纖中含有這種非線性材料的器件。
由于可以不脫離權(quán)利要求所限定的本發(fā)明，對(duì)上述特性進(jìn)行這些和其它變化和組合，所以應(yīng)將上述較佳實(shí)施例的描述理解為說(shuō)明性的，而不是對(duì)權(quán)利要求所確定的本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種制造馬赫-策恩德器件的方法，其特征在于，包括以下步驟(a)提供多根光纖，它們至少包括一根復(fù)合光纖，每根所述復(fù)合光纖包括一對(duì)耦合區(qū)和一個(gè)相移區(qū)，每根所述復(fù)合光纖之所述相移區(qū)的傳播常數(shù)與該光纖耦合區(qū)的傳播常數(shù)不同；以及(b)在所述光纖上相隔一段距離的位置形成一對(duì)光耦合器，使每根所述復(fù)合光纖的所述相移區(qū)位于所述耦合器之間。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，提供每根所述復(fù)合光纖的所述步驟包括，將一段第二備料光纖拼接在第一備料光纖的光纖段之間。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，每個(gè)所述拼接步驟包括下述步驟，即將所述第二備料光纖的所述光纖段與一段所述第一備料光纖熔合，然后把所述第二備料光纖的所述光纖段切成某一長(zhǎng)度，再將另一段所述第一備料光纖與該段第二備料光纖熔合。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述多根光纖包括多根復(fù)合光纖。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，用同樣的第一和第二備料光纖的光纖段來(lái)制成所有所述復(fù)合光纖。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述多根光纖包括一根均勻光纖，所述均勻光纖完全由一段所述第一備料光纖制成。
7.如權(quán)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驟包括下述步驟，即將所述光纖封裝在基質(zhì)玻璃中，并將所述光纖拉長(zhǎng)，以在所述基質(zhì)玻璃內(nèi)形成相互并排延伸的窄的段區(qū)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，將所述光纖封裝在基質(zhì)玻璃中的所述步驟是通過(guò)把所述光纖安置在所述基質(zhì)玻璃管的管孔中并將所述管子塌縮到所述光纖上以形成塌縮區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且拉長(zhǎng)所述光纖的所述步驟包括將每個(gè)塌縮區(qū)以及位于其中的光纖部分拉長(zhǎng)的步驟。
9.一種馬赫-策恩德器件，其特征在于，包括(a)多根光纖，它們至少包括一根復(fù)合光纖，每根所述復(fù)合光纖包括一對(duì)耦合區(qū)和一個(gè)相移區(qū)，每根所述復(fù)合光纖之所述相移區(qū)的傳播常數(shù)與該光纖耦合區(qū)的傳播常數(shù)不同；和(b)一對(duì)光耦合器，它們位于所述光纖上相隔一段距離的位置上，每根所述復(fù)合光纖的所述相移區(qū)位于所述耦合器之間。
10.如權(quán)利要求9所述的器件，其特征在于，所有所述光纖在所述耦合器之間的總長(zhǎng)度基本相等。
11.如權(quán)利要求10所述的器件，其特征在于，所述多根光纖包括一根均勻光纖，其整個(gè)長(zhǎng)度上的傳播常數(shù)相等。
12.如權(quán)利要求11所述的器件，其特征在于，每根所述復(fù)合光纖之所述耦合區(qū)的傳播常數(shù)與均勻光纖的傳播常數(shù)基本相等，而每根所述復(fù)合光纖之所述相移區(qū)的傳播常數(shù)與所述均勻光纖的傳播常數(shù)不同。
13.如權(quán)利要求12所述的器件，其特征在于，所述復(fù)合光纖之所述相移區(qū)的傳播常數(shù)彼此相同，由此每根復(fù)合光纖相對(duì)均勻光纖的相移量直接與每根復(fù)合光纖相移區(qū)的長(zhǎng)度成正比。
14.如權(quán)利要求13所述的器件，其特征在于，所述多根光纖包括多根復(fù)合光纖，所述復(fù)合光纖中的第一根光纖具有第一相移區(qū)長(zhǎng)度，并且所述多根復(fù)合光纖中每一根其它光纖的相移區(qū)長(zhǎng)度為所述第一相移區(qū)長(zhǎng)度的有理數(shù)倍。
15.如權(quán)利要求13所述的器件，其特征在于，所述多根光纖包括多根復(fù)合光纖，所述復(fù)合光纖中的第一根光纖具有第一相移區(qū)長(zhǎng)度，并且所述復(fù)合光纖中每一根其它光纖的相移區(qū)長(zhǎng)度為所述第一相移區(qū)長(zhǎng)度的整數(shù)倍。
16.如權(quán)利要求9所述的器件，其特征在于，所述光纖包括一根在耦合器間具有基本光程長(zhǎng)度的基本光纖，和多根所述復(fù)合光纖，每根所述復(fù)合光纖的光程長(zhǎng)度都與所述基本光纖的光程長(zhǎng)度不同，從而每根所述復(fù)合光纖都相對(duì)所述基本光纖具有一個(gè)光程長(zhǎng)度差。
17.如權(quán)利要求16所述的器件，其特征在于，所述光程長(zhǎng)度差彼此成整數(shù)倍。
18.如權(quán)利要求9所述的器件，其特征在于，每個(gè)所述耦合器包括被一塊基質(zhì)玻璃包裹的所述光纖之所述耦合區(qū)的拉長(zhǎng)部分。
19.如權(quán)利要求18所述的器件，其特征在于，還包括一管子，該管子在所述耦合器中與包裹著所述耦合器之間的所述光纖的所述基質(zhì)玻璃塊結(jié)合在一起。
全文摘要
一種馬赫－策恩德波長(zhǎng)選擇器,用一根或多根復(fù)合光纖制成,每根復(fù)合光纖包含一相移區(qū),其具有一有效折射率,被拼接在有效折射率不同的耦合區(qū)之間。每根這樣的復(fù)合光纖所產(chǎn)生的光程長(zhǎng)度差或相位延遲是相移區(qū)長(zhǎng)度的線性函數(shù)。
文檔編號(hào)G02B6/26GK1172958SQ97114538
公開(kāi)日1998年2月11日 申請(qǐng)日期1997年7月7日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月8日
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