CN1037995C - 消色差耦合器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种消色差光纤耦合器，其中三个单模光纤沿其长度的一部分熔合在一起形成一耦合区。每根光纤包括一芯线和一包层，光纤包层的最低折射率为n₂。光纤在耦合区中呈三角形排列。一折射率为n₃的基质玻璃壳体包围着耦合区，n₃取比n₂低一个使Δ_2-3的值低于0.125%的数值，其中Δ_2-3等于(n² ₂-n² ₃)/2n² ₂。

Description

消色差耦合器及其制造方法

本发明涉及单模光纤耦合器，这种耦合器能够在相当宽的波长范围上在光纤之间进行相当均匀的光耦合。

熔合的光纤耦合器是通过将多根光纤以边挨边的方式沿其适当长度设置并与包层熔合在一起而构成的，以保护光纤和减少线芯之间的间隔。通过在加热和拉伸光纤之前***一毛细管能改进各种耦合器特性，由此产生一种“外包层耦合器”(overclad coupler)。为了构成外包层耦合器，将光纤***一管中，将管子抽真空，并在其中部区域加热使中部区域向内收缩裹紧光纤。此后使中部区域的中心部分变细到为获得所需耦合度所必需的直径和耦合长度。

线芯在耦合区域中变得如此之小以致它们的光传播作用变得非常小。当光纤包层直径变得足够小时，线芯和包层的复合物在耦合区域中起着波导的导光部分的作用、而包封的低折射率基体材料起包层作用，因此功率能在耦合区域中的相邻光纤包层之间进行传输，处于耦合区域(线芯/包层/外包层波导)的那部分光纤的基模有一个不同于耦合区域外光纤中的基模的传播常数。这里项β_CR用来表示处于耦合区域那部分耦合光纤中的基模传播的传播常数。耦合区域中的基模的传播常数实际上随几何形状的改变而不断改变。为了能定性地掌握这些耦合器的性能，研究在耦合区中具有不变的几何形状并具有无损耗的输入输出光纤连接的耦合器是有用的。

至今，一直用相同的光纤来制做一种标准耦合器，其耦合比与波长的关系极大，即如果耦合器在1310nm上呈现3dB耦合度，则由于与波长的相关性它不能用作1550nm上的3dB耦合器。一“标准耦合器”的特性在于其在约1310nm为中心的窗口中的功率传输特性，该窗口称为第一窗口。如，一个标准耦合器在60nm窗口中具有耦合比变化不超过5％。

一种“消色差耦合器”是一种其耦合比对波长的敏感性比一标准耦合器低的耦合器。对于“消色差耦合器”没有更广泛可采纳的定义。不很严格的定义仅仅要求消色差耦合器比标准耦合器在第一窗口中呈现更好的功率传输特性。更实际地说，这种分类与要求消色差耦合器在那第一窗口中比标准耦合器运行得更好、或要求其在两个规定宽度的窗口中呈现较低的功率传输斜率紧密相联。例如这两个窗口可规定为宽度为100nm而中心在约1310nm和1530nm上。这些窗口不需要有相同宽度；例如它们的宽度可能一个为80nm而另一个为60nm。一个做得最佳的消色差耦合器基本上在整个单模工作范围上能呈现低的耦合功率斜率。对于石英基质光纤，这种工作范围如可规定在1260nm和1580nm之间。

采用在耦合区中对基模具有不同传播常数的光纤已制成一类消色差耦合器，即通过使用不同直径的光纤和/或不同折射率分布的光纤或使两相同光纤之一根比另一根更有锥度或蚀刻更多来形成不同传播常数。

美国专利5,011,251描述了外包层消色差光纤耦合器，其中，耦合光纤用折射率n₃低于光纤包层材料折射率的基质玻璃来包复。由于光纤具有不同的包层折射率，所以两波导的β_CR在耦合区中不同。在第一光纤包层的折射率n₂和第二光纤包层的折射率n′₂之间的差是这样的以便耦合器在相当宽的波长带上使耦合比随波长呈现很小的变化。图1表明按美国专利5,011,251所制做的典型的Δβ消色差耦合器的光谱特性。而两输出端的***损耗曲线相交在两长途通信窗口的中心附近，它们在两窗口边缘附近发散，且两曲线之间在窗口边缘上通常相隔1dB左右。这种相隔称为“均匀性”，且一基础标准机构(key standards body)Bellcore在它的标为TA1209的文件中提出需要的均匀性为1.0dB而指标(Objective)为0.5dB。

美国专利5,011,251揭示了管子折射率n₃的特征在于符号Δ_2-3，其值从等式Δ_2-3＝(n² ₂-n₃ ²)/n² ₂获得。项Δ常用百分率表达、即一百乘Δ。市售的单模光纤的n₃值通常等于或近于二氧化硅的那个值。如果二氧化硅用作管子的基质玻璃，则把掺杂剂如B₂O₃(亦可选氟)添加到其中以便把管子折射率n₃降低到低于n₂。除了降低管子的折射率外，B₂O₃的优点还在于把管子的软化点温度降低到比光纤的更低的值上。那专利还揭示了当Δ_2-3低于约0.2％时，二氧化硅管中的B₂O₃量不足以软化1×2或2×2耦合器中的管子玻璃，因此它使光纤在向内收缩裹紧(collapse)步骤期间过度变形。因此，标准耦合器的Δ_2-3值一般在0.26％和0.35％之间，为了改进那专利中揭示的制造那种类型的消色外包层耦合器的工艺过程的重复性，Δ_2-3最好大于0.4％。

1992年7月递交的美国专利申请SN07/913,390(D.L.Weidman-6)揭示了一种外包层消色差光纤耦合器，其中多个单模光纤沿它们的长度部分熔合在一起以形成由折射率n₃的基质玻璃体包围的耦合区域。耦合器锥度和n₃这样来安排使耦合器的耦合常数在两个隔开很宽的波长上相等，于是获得消色差的性能。为了得到这样的消色差性能，n₃必须比n₂低这样一个值，以致使Δ_2-3的值低于0.125％，n₂是光纤包层的折射率。Δ_2-3的值最好如此选择以便非绝热锥度的额外损耗保持在0.5dB以下。在W.J.Stewart等人著的“关于单模光纤的锥度和耦合器的设计限制”一文(见Proc.Iopoc期刊中第559-562页)中讨论了非绝热锥度(taper)装置。为了满足这种要求，似乎Δ_2-3必须低于0.125％、最好低于0.02％。当Δ_2-3变得更小时，使折射率减少得较少掺杂剂出现在二氧化硅为基质的玻璃管中。因此相当硬的基质玻璃管使其中的光纤在耦合器制造过程中的向内收缩紧裹步骤期间产生变形。这样的光纤变形会增加耦合器额外损耗，这样就抵消了由于减少锥度陡度引起的额外损耗的减少。

本发明的目的在于提供一种制造单模外包层消色差光纤耦合器而不会使耦合区域中的光纤过度变形的方法。本发明的另一目的在于提供一种单模外包层消色差光纤耦合器，其特征在于，该耦合器在宽波长带上耦合功率的变化很小。本发明的再一目的在于提供一种具有改进的***损耗均匀性的1×2外包层消色差耦合器。

简言之，本发明涉及一种1×N的消色差耦合器，其中，N为2或3。该耦合器包含一伸长的基质玻璃(matrix glass)的壳体，和至少三个经该壳体延伸的光波导通路。每个通路包含一由折射率低于线芯区域的包层区域包裹的线芯区域，包层区域的最低折射率为n₂。光波导通路以足够贴近方式延伸足够长的距离以形成一耦合区域，在该区域中，在通路之一中传播的部分光功率耦合到其它通路中。当在垂直于壳体纵轴的平面中观察时，线芯区域以三角形阵列配置在耦合区域中。至少邻接通路的那部分壳体区域的折射率为n₃，这里n₃低于n₂这样一个值以下以便Δ_2-3的值低于0.125％，这里Δ_2-3等于(n² ₂-n² ₃)2/n² ₂。

用一个具有第一和第二相向端和一中间区域的玻璃管就能制造耦合器。至少在邻接内腔的管子的内里部分具有折射率n₃。一输入玻璃光纤的一部分和至少两输出玻璃光纤的端部分设置在内腔中。第一光纤的一部分延伸超过管子的第一端，而至少两光纤的每一个的一部分延伸超过管子的第二端。管子中间区域被紧裹到光纤上，且中间区域的中心部分内陷以减少它的直径并形成耦合区域。输入光纤和至少两输出光纤的位于耦合区域中的那些部分当在垂直于管子纵轴的平面观察时呈三角形阵列配置。

图1是表明用已有技术的方法生产的消色差1×2耦合器的光谱耦合系数的曲线图；

图2为一种外包层2×2耦合器的纵剖视图；

图3为紧裹步骤之前通过一外包层2×2耦合器的中间区域的横剖视图；

图4为一具有Δ2-3值为0.35％的2×2开关耦合器(switchcoupler)在3个不同波长上的耦合常数对于拉伸比的倒数(inversedraw ratio)的曲线图；

图5为两个具有不同拉伸比(draw ratios)和不同耦合距离但具有相同耦合度的管子的外表面简图；

图6为作为波长为1310nm和1550nm的Δ_2-3的函数所作出的“NAT差”(方程(10)的差值参数)的曲线图；

图7为光纤***其中之后的毛细管的剖视图；

图8为沿图7中线8-8的剖视图；

图9表明用于紧裹毛细管和拉伸其中间区域的装置的示意图；

图10为用例1方法制作的一消色差1×2耦合器的光谱耦合系数曲线图；

图11为一消色差1×3耦合器的光谱耦合系数理论曲线图；

图12为一种管子作为管子半径函数所画的折射率的曲线图；和

图13显示了一光纤耦合器在其已经拉伸并在其端部已密封后的图形。

各附图并不用来表明这里示出的元件尺寸或有关比例。

本发明为呈现由它们的相当低的Δ_2-3值产生的消色差性的一类外包层光纤耦合器的一特定实施例。这种耦合器的运行理论将联系图2中所示2×2耦合器进行讨论。为了制造图2的耦合器，用光纤F₁和F₂穿过具有直径d₁的玻璃外包层管O。至少在与光纤相邻的管子的内里部分的折射率为n₃。光纤F₁和F₂有一由折射率低于n₁但大于n₃的包层包裹着的折射率为n₁的线芯。管子O被抽空，且它的中间区域被加热以便使它紧裹到光纤上。然后对管子再加热并沿两相反方向中拉其两端以便对紧裹的中间区域的中心部分进行拉伸。管子的紧裹和拉伸操作可按照美国专利5,011,251进行，根据参考资料在这里将那专利的揭示结合进来。在拉伸步骤期间两管端相互移离的速度构成组合拉伸速度。管子能以恒速拉伸，或拉伸速度以连续的方式或以离散阶跃的方式变化。在达到预定的耦合后就能停止拉伸操作；此后，管子能再被加热，且能以第二拉伸速度进行拉伸。变细区N的中心部分的原有直径d₁与直径d₂的比称为拉伸比。区域N虽然稍有锥度，因而，区域N的纵向中心呈现最小直径，但其仍图示为具有不变的直径。该制成的耦合器的耦合特性由管子O和光纤F₁和F₂的光学的机械的特性及像长度Z、变细区N、和有锥度区T等耦合器参数的参数确定。

光功率能耦合到一输入光纤，且能对输出信号进行监测以控制该耦合器制造过程中的工艺步骤。例如可参看美国专利5,011,251。在下面所述的特定实施例中，拉伸期间不对输出功率进行监测。在先前的外包层光纤耦合器的实践中，两个阶段的总延伸距离一般在12和16mm之间。因此在那实施例中所描述的耦合器最初在那范围中拉伸某个距离。然后对制成的器件的光学特性进行了测量，且对此后制做的耦合器的拉伸或延伸距离进行调整以便获得所需要的特性，用这种方法，可获得最佳拉伸距离。据此，那种类型的所有耦合器被拉伸到获得所需光学特性的最佳距离上。然而，对所制造的耦合器的光学特性描述的结果能细调工艺参数如延伸距离。

应用耦合模理论对所制做的1×2或2×2光纤消色差3dB耦合器已进行了理论分析以对它们的状况作出模型。这种分析的基础是纽约Chapman和Hall出版社1983年出版的A.W.Suyder和J.D.Love著的《光波导理论》一书所阐述的原理。按照这一理论，则认为图2的2×2外包层耦合器的模式场(mode field)是在没有其它光纤即仅用外包层折射率为n₃的材料包裹的光纤的情况下每个光纤F₁和F₂的基本模式ψ₁和ψ₂的线性组合。对于这种结构其传播常数和模式场能精确确定(参见M.J.Adams所著《光波导引论》)。

描述两芯线之间的光耦合的耦合常数可用复叠积分来表示：

C＝∫ψ₁(γ)ψ₂(γ′)(n-n′)dA……(2)在该方程中，ψ₁和ψ₂为两芯线的模式场，γ和γ′分别为距光纤F₁和F₂芯线中心的径向距离，n为整个耦合器的折射率结构(indexstructure)、n′为F₁的芯线和包层用折射率为n₃的外包复材料来代替的折射率结构。且积分是在耦合器的整个横截面上进行的(但是n-n′只在F₁的芯线和包层上才为非零)。在该式中模式场被认为是归一化的，即积分∫ψ₁ ²dA和∫ψ² ₂dA两者都为1。

尽管它们是带锥形段的器件但仍可取下述的模型来处理其定性性能，即，假设在整个给定耦合长度上具有不变的拉伸比(drawratio)，而在该长度外部没有耦合，即认为图2中的N区域的直径在整个长度Z上是不变的。由于耦合常数为随拉伸比迅速增加的函数，所以这种近似是很准确的、而耦合器的性能由最高拉伸比时的性能确定。使用这种近似，将功率导入芯线1，则作为Z即沿耦合器轴的长度的函数，在两芯线中的功率为：

P₁(Z)＝1-F²Sin²(CZ/F)……(3) $P_2\left(Z\right)=F^2{\mathrm{Sin}}^2\left(\frac{C}{F}Z\right)\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$ 这里因子F为： $F=[1+{\left(\frac{{\mathrm{\β}}_1-{\mathrm{\β}}_2}{2C}\right)}^2{]}^{-1/2}\·\·\·\·\·\·\left(5\right)$ 这里β₁和β₂分别为光纤F₁和F₂的传播常数。

对于作为本发明的三波导耦合器，把单位功率导入波导1和耦合到波导2和3，且其中，波导2和3相同(β₃＝β₂)但可与波导1不同，作为长度Z的函数，保留在芯线1中的功率为： $P_1\left(Z\right)=1-F^2{\mathrm{Sin}}^2\left(\frac{\mathrm{CZ}}{F}\right)\·\·\·\·\·\·\left(6\right)$ 这里： $F=[1+{\left(\frac{{\mathrm{\β}}_1-{\mathrm{\β}}_2-C_{23}}{{8C}_{12}}\right)}^2{]}^{-\frac{1}{2}}\·\·\·\·\·\·\left(7\right)$

这里，波导1与2之间的耦合系数C₁₂，和波导2与3之间的耦合系数C₂₃用类似于式2的式子给出，但用适合于要考虑的对的折射率和模式[ψ₁和ψ₂用C₁₂，ψ₂和ψ₃用C₂₃]。由对称性，C₁₃＝C₁₂。耦合到其它波导的功率为： $P_2\left(Z\right)=P_3\left(Z\right)=\frac{1}{2}[1-P_1\left(Z\right)]\·\·\·\·\·\·\left(8\right)$

于是能看到，为了具有从输入波导至P₂和P₃的完全的耦合(P₁→O)，则必须使F＝1，这就要求β₁-β₂＝C₂₃。换言之，为了获得完全的耦合，输放光纤必须具有一个稍大于两输出光纤的传播常数。

通过沿锥削部分对耦合方程的积分能获得更为定量的结果。使用束传播技术(傅利叶变换、有限差分，等)能获得更精确的模拟，不过要花费更多的计算时间。

用耦合模模型来将2×2耦合器的耦合常数定义为具有Δ_2-3值为0.35％的耦合器中的3个不同波长的拉伸比的函数。关于耦合器参数所做的大多数设想是建立在关于标准外包层耦合器的工作上的。假定光纤F₁和F₂为具有芯线直径为4μm的标准125μm外直径单模光纤。芯线和包层的折射率n₁和n₂分别设定为1.461000和1.455438。该模型用来产生图4的曲线，它表明了本发明的在改进耦合器消色差方面的物理机制。在图4中，描绘出了耦合常数作为平行芯线2×2耦合器的拉伸比的倒数的函数。由此可见，给定波长的耦合常数随拉伸比的增加而迅速增加。然而，在拉伸比很大时曲线有一最大值。这是因为最终模场(mode fields)的扩张得如此之大以致在任一光纤的芯线和包层构成的区域中(即取耦合常数复叠积分处)，两光纤模场之间的交叠由于模场幅度的下降而实际上降低了。在大大小于拉伸比最大值的拉伸比上，较长波长的耦合常数因衍射效应扩张得更大而变得更大。然而，这一事实说明由于最大耦合出现的拉伸比取决于模场进一步扩张减少了从一个芯线的模场与从另一芯线的模场交叠量的那个点而使较长波长的最大耦合出现在较小拉伸比上。因为模场扩张对于给定的拉长比而言波长愈长扩张愈大，所以波长愈长最大值出现的R值愈小。如图4所示，这种情况使耦合常数曲线相交。

在一个具有单一拉伸比的无锥度的平行芯线器件中，为了获得消色差性能(如在约1300和1500nm上具有相等的耦合度)，则耦合器的几何形状应选择得以便在耦合常数曲线的交叉点上工作，即在如图4所示的两波长的R_CRoss点上工作。在一有锥度器件中，它具有包括直到拉比最大值R_max的几何形状，必须使R_max＞R_CROSS(使1/R_man在图4中的交叉点的左面)。这是由于在靠近锥削部分的端部(参见图5的虚线5和6之间的区域LW)的低拉伸比上，波长愈长耦合愈强，因此长波长的光耦合更多。通过锥度变化使R_max.＞R_CROSS，耦合器也包括一区域SW(虚线4和5之间)，这里波长愈短耦合愈强，因此补偿了小位伸比区域。区域SW和LW与图5中管子36的锥度有关。R_max的精确值必须通过耦合方程在整个有锥度器件上的数值积分求得。

从图4和上面所涉及的讨论可见拉伸比约为10∶1为构成Δ_2-3为0.35％的消色差耦合器是必须的，这样高的拉伸比因下述原因会产生相当高的额外损失。较高的拉伸比引起耦合强度的增加，由此须使耦合距离Z缩短。这种关系图示在图5中，其中两拉伸管3a和3b分别用实线和虚线表示。由于管子3b比管子3a具有更大的拉伸比，所以管子3b比管子3a必须具有更短的耦合距离Z以便获得相同的耦合(在功率传输曲线的第一周(cycle)上)。该功率传输曲线在美国专利5,011,251中结合那专利的图6进行了讨论。

我们知道，从LP₀₁基模到高次模的不希望的模间耦合对于具有高拉伸比/短耦合区域的锥度更陡的管子3b将变得更强。这种非绝热耦合会增加耦合器的额外损耗。

上述模型用来从理论上计算1×2双窗口转换器所需要的锥度参数。有锥度的耦合器的拉伸比作为沿其长度的距离Z的函数的描述(Z的原点在最大拉伸比点上)能简单地用包括最大拉伸比R_MAX和高斯宽度参数W_O的高斯函数来表达。它表示为：

R(Z)＝1+(R_MAX-1)exp[-(Z/W_O)²]……(9)标准的2×2WDM耦合器的这些参数的典型值为R_MAX从3到6和W_O从3000至6000μm。该模型展现了参数R_MAX和W_O处于Δ_2-3值非常小的当前流行的耦合器值的范围内。“流行耦合器”是指美国专利5,011,251中揭示的一种外包层耦合器，其中Δ_2-3大于0.26％。更低的Δ_2-3值将会使图4曲线移向右面(朝更低的拉伸比值方向)和向下面(朝更小的最大耦合常数值的方向)，由此能制成易获得拉伸比的消色差耦合器。当使Δ_2-3值更小时，所要求的R_MAX的值变得更小，因而所需要的耦合长度(用高斯宽度参数W_O表示的)变得更长。于是锥度变得小些。

对于能应用的Δ_2-3的最大理论值可通过研究非绝热模式耦合的限制而获得。对于LP₀₁和LP₀₂模可计算传播常数(β)。LP₀₂模是最低次模，在一个理想的匹配光纤耦合器中它耦合到LP₀₁模。由式(6)和LP₀₁和LP₀₂模的β可确定参数1/a|da/dZ|和1/2π[β(LP₀₁)-β(LP₀₂)]，这里a为芯线半径而Z为沿耦合器轴测量的距离。对于绝热性能，必须存在如下关系：

1/2π[β(LP₀₁)-β(LP₀₂)]-1/a|da/dZ |＞0……(10)

式(7)的这里称为“NAT差值”的差值参数在图6中描绘成波长1310和1550nm的Δ_2-3的函数。对于Δ_2-3值从0.02％至0.14％在两个波长的每一个上计算了差值。在1310nm曲线上当Δ_2-3最大可能理论值为约0.125％时NAT差值为零。由实践经验可发现，用Δ_2-3值约为0.045％或更低可在波长1300-1550nm范围内获得消色差方面的显著改进。按照用图9所示类型的拉制设备可能获得的锥度，当Δ_2-3为0.09％时不可能制成消色差耦合器。然而，为了在比0.045％更大的Δ_2-3值上制做消色差耦合器，可使用外直径更小的管子和使用能提供一个更小更紧凑集中火焰的燃烧器。用Δ_2-3值约为0.01％到0.02％已获得最好的结果。能测量Δ_2-3的下限为0.01％。

上面以两光纤耦合器对本发明的原理进行了详细讨论，外包层耦合器能用最简单的光纤结构来构成。如图3所示，在管子T紧裹到光纤上的步骤完成之前在光纤F₁和F₂的相对侧上有许多空间。在其背景技术部分中已提到：具有更易形成有锥度区的低耗消色差耦合器要求相当低的Δ_2-3值。于是，在两光纤消色差中，在进行管子紧裹(collapse)步骤期间，由于用高粘度管子所施加的压力而使光纤变形；这种变形会引起耦合器额外损耗的增加。

这种光纤变形问题通过采用图7和图8所示三角形光纤布局基本上已获得解决。在该实施例中，包层23、24和25分别从所包复的光纤17、18和19的端部剥去，且光纤的端部设有如下所述的抗反射终端。输入光纤20***管子10的内腔11的一端中，而输出光纤21和22***另一端中。这些光纤用少量的环氧树脂搭粘在适当的位置上。然后把耦合器的预制品放入拉制夹具中，把管子10抽空并对其中部加热，然后收缩紧裹到光纤上。此后中部的中心部分拉伸到那直径上和为获得所需耦合所必须的耦合长度上。于是光纤的芯线从垂直于耦合器壳体的纵轴的平面观察在耦合区中配置成三角形阵列。

能对耦合器进行拉制以构成一锥削区，这样注入到输入光纤的功率基本上相等并完全地耦合到两输出光纤，由此产生如图10所示的基本上平行的***损耗曲线。输入光纤芯线/包层/外包层波导在耦合区中，必须具有一个比两输出光纤芯线/包层/外包层波导的每一个的传播常数β_2CR要稍大些的传播常数β_1CR。这种情况能通过如在输入光纤包层里掺入的氯比输出光纤包层中的稍多些来实现。使得输入光纤包层的折射率大于输出光纤包层的折射率的这种技术在美国专利5,011,251中有描述。

上面联系外包层消色差2×2耦合器讨论的通过采用小的Δ_2-3值来改进消色差性的理论也可用于光纤1×2和1×3耦合器。于是，通过采用一个小于0.02％的Δ_2-3，图7和图8所示器件的***损耗曲线相当平坦；它们也显示出极好的输出光纤***损耗的均匀性。

由于图7和图8的三角形几何形状使填入管腔11的玻璃比图3的2光纤几何形状的多，因此这在用管子玻璃紧裹光纤步骤中产生较小的光纤变形。因此用图7和图8的实施例做成的光耦合器呈现较小的额外损耗。

从这种1×2三角形光纤布局还可带来进一步的优点。与图3中所示2光纤实施例中要从贯穿的光纤或两个光纤的中心剥离包层的情况相反，这里仅需剥掉光纤的端部部分。而且这种耦合器的制造方法不需要光纤穿通管子的内腔。这些差别可使这种耦合器更易制造且适合于大批量生产。

这种三角形光纤布局也能用于制造消色差1×3功率分配器。在预定的波长上，输入功率的1/3能保留在输入光纤中，它继续通过耦合器传播并起第三输出光纤的作用。要注意的是，包层必须从这输入/继续输出光纤的中心区域而不是从其端部剥掉，为了使功率在所有的光纤(包括输入光纤的输出部分)中相等，则输入/继续输出光纤必须具有不同于其余输出光纤的传播常数。对Δβ_CR和锥度进行选择以便两耦合输出光纤的***损耗曲线如图11曲线58所示那样，和输入/继续输出光纤的***损耗曲线如曲线57所示那样。这样的Δβ_CR可通过使输入光纤具有一个不同于其余输出光纤的包层折射率而获得。在这样一个1×3三光纤耦合器中，与1×2三光纤耦合器所需相比，在直通光纤和两耦合一功率输出光纤的包层之间，需要约3倍的含氯量之差异。除氯之外的别种掺杂剂也能用来提供在输入/直通光纤中保持所需的输入功率电平所必须的折射率之差异。

有许多不同的方法能获得所需很小的Δ_2-3值。在一种方法中使用一纯SiO₂管和具有氯掺杂包层的光纤以便使包层比该二氧化硅管具有更大的折射率。这种技术对管子和光纤包层两者提供了对折射率的良好控制。极化变异(Polarization variability)也很好。这种玻璃组合的主要缺点在于它在管子和光纤之间产生很小的粘滞性之差别。这会使光纤变形并产生相当高的额外损耗。

市售的单模光纤通常具有一个等于或接近于二氧化硅的n₂值。当采用这类光纤时，管子可用掺有少量B₂O₃的二氧化硅制做(B₂O₃的含量在0.15wt·％至1.0wt·％的范围内)。该B₂O₃使管子玻璃比光纤包层玻璃软，因此能构成具有小的额外损耗的耦合器。

如果光纤包层玻璃含有氟，一种降低折射率的掺杂剂，则二氧化硅管能包含足够量的B₂O₃以便把管子的折射率减低到为提供一个小于0.125％的Δ_2-3值所必需的水平上。

另一种方法是用基质玻璃(base glass)掺有一种或多种如B₂O₃和氟使折射率减小的掺杂剂和一或多种如GeO₂和TiO₂使折射率增大掺杂剂。两类掺杂剂的组合提供一个产生所需Δ_2-3值的折射率n₃。采用相对软性玻璃的管子从一定程度上增强了管子向内收缩紧裹光纤的作用；管子玻璃围绕光纤流动而不会使它们的形状变形得像硬玻璃造成的那么大。由于该实施例所需要的掺杂剂的错综复杂的抵消作用，所以实现起来是困难的。

这种外包层管最好通过有时称为火焰(flame)水解工艺的蒸发淀积技术来制做。这种管子也能由熔化玻璃或由溶胶凝胶(sol gel)技术来制作。

成分具有径向变化的管子也已用来制做消色差耦合器。邻近管腔的管子内区域构成一提供所需Δ_2-3值的层。管子的其余部分能构成一个或多个具有不同于所述内区域的折射率的区域，在图12所示实施例中，在内表面γ_is和跃迁半径γ_t之间的管子内区域能包含少量的B₂O₃以提供使耦合器具有消色差性的足够低的Δ_2-3值。在γ_t和外表面γ₀之间的外管区域可包含比内区域更高浓度的B₂O₃。这种更高浓度的B₂O₃产生一个更低折射率区域，因此能更好地限制光功率。使用径向折射率基本上不变的管子和折射率在径向上有一阶跃减小的管子使耦合器具有大小相近的额外损耗。

使用不同直径的光纤也能在输入和输出光纤之间获得不同的传播常数。

实施例1

一种制造1×2双窗口消色差光纤耦合器的方法图示在图7-9中。所使用的一种玻璃毛细管10长为3.8cm、外直径为2.8mm和纵向腔直径为265μm。由火焰水解(flame hydrolysis)工艺形成的管子10用约0.5wt·％B₂O₃掺杂的二氧化硅制作。

包复光纤17、18和19包含长为1.5米、直径为125μm的单模光纤20、21和22，和各自的直径为250μm的聚氨脂丙烯酸盐的包层23、24和25。按照美国专利NO.5,011,251所揭示的方法制造的这些光纤具有直径为8μm的掺有8.5wt.％GeO₂的二氧化硅芯线。光纤的截止波长低于耦合器的工作波长。例如，如果最小工作波长为1260nm，则光纤的截止波长选在1200nm和1250nm之间。

制造所有光纤的各种方法的最初一些步骤是相同的，在美国专利5,011,251和4,486,212中讨论了这种方法的一般描述，将其收在这里作为参考。在一心轴上淀积一层芯线玻璃的粒子而SiO₂粒子的薄层再淀积在芯线玻璃的壳层上。去掉心轴，并将这样做成的疏松的半制品渐渐***氧化铝马弗炉、在里面进行干燥和固结，同时让包含氯和氦的气体混合物流入已除去心轴的中心孔。包含氦和氧的清洗气体从马弗炉的底部朝上流过。在该疏松的半制品被固结之后，通孔被抽空，且圆筒体的下端被加热和拉制以做成一个5mm实心玻璃棒。切割该棒制成段，其每一段夹在车床中，将它作为心轴、在其上淀积SiO₂包层玻璃粒子以制成最后的多孔半制品。

最后的多孔半制品通常在包含氦、氯和氧的混合气体中进行固结。通常用于刚够干燥淀积包层玻璃粒子的氯的含量取决于包括多孔包层玻璃壳层的密度和固结温度等参数。该最后的输入和输出光纤的多孔半制品在这样的条件下被制成和固结，即氯的浓度在输入光纤包层中为0.10wt.％而氯的浓度在输出光纤包层中为0.05wt.％。输入和输出光纤的包层的折射率的大小使得Δ_CLADS值为0.005％，这里Δ_CLADS＝(n₂ ²-n_2′ ²，)/n₂ ²，n₂是输入光纤20的包层的折射率，而n_2′，为输出光纤21和22的包层的折射率。

从各有包层的光纤段的端部剥掉一段6cm长的包层。当光纤端部被拉出并做成锥削端时，通过将火焰引向光纤剥离区的中心制成抗反射端26、27和28。光纤20的端头由喷灯火焰加热使玻璃收缩并制成圆形端面，其直径等于或稍小于原有无包层光纤的直径。最终的剥离端区约3.2cm长。

将光纤的无包层区擦净。光纤21和22通过漏斗口13插进腔11内直到包层24和25的端部区进入漏斗口13内为止，且端26位于中间区29与管端15之间。光纤20通过漏斗口12***腔11内直到包层23的端部区进入漏斗口12内为止，且端部27和28位于中部区域29和管端14之间。一少量的紫外线、作用粘合剂(UV-curable adhesive)(未图示)加到靠近端口15的光纤18和19上使它们与漏斗口13粘合并加到靠近端口14的光纤17上使它与漏斗口12粘合。然后把这种半成品31通过环形喷灯34(图9)***，且被夹于拉制夹具32和33上。夹具安装在电机控制的平台(stages)45和46上。光纤穿过抽真空装置附件41和41′，抽真空管线42和42′分别与装置附件41和41′相连。按照美国专利5,011,251所揭示，抽真空附件41和41′密封于管子10的两端。一段薄橡胶管43的一端附连于抽真空装置附件41的与半成品31相对的那端上；该管的另一端在用箭头44表示的管子夹紧装置中延伸。上面的抽真空装置附件41′同样与管子43′和管子夹紧装置44′相联。光纤有包层部分从管子43和43′延伸。通过把气体压力对准管子43和43′使抽空V加于耦合器半成品31，如箭头44、44′所示。由此把光纤在其中延伸的那部分管子夹紧。

在连于管腔的真空度达46cm水银柱时，点燃环形喷灯34。分别以0.55SLPm和1.10SLPm的流量将煤气和氧气加给环形喷灯使其产生火焰。环形喷灯34的火焰对管子10加热约12秒，则管子中部区域29向内收缩紧裹到光纤上。

管子冷却后，再点燃喷灯，煤气和氧气仍保持同样的流量。火焰把向内收缩部分的中心加热到其材料的软化点。10秒之后，切断至喷灯的氧气供给。平台45和46沿相反的方向中以1.0cm/sec的组合速率把管子10拉伸0.65cm制成收细区61(图13)，其锥度做得使注入输入光纤的功率基本上相等地和完全地耦合到两输出光纤中。

耦合器冷却后，移开抽真空管线，并将粘合剂的滴珠62和63加到管子的两端14和15。用紫外光灯照射进行粘合，然后将耦合器从夹具中取出。

对实施例1进行了耦合器的光谱***损耗曲线的测量，示于图10中。由此可见该例的耦合器的***损耗曲线相当平坦且基本上平行，因此它们表明具有***损耗均匀度为0.24dB。该器件的额外损耗在1310nm和1550nm上分别为0.04dB和0.37dB。如实施例1构成的耦合器具有平均额外器件损耗在1310nm上约0.2dB。而测量的最低额外损耗在1310nm上为0.04dB。

Claims (17)

1.一种1×N消色差耦合器，其中N为2或3，所述耦合器包含：

一被拉伸的基质玻璃壳体，和

通过所述玻璃壳体延伸的至少三个光波导通道，所述通道的每一个包含一芯线区，所述每个芯线区由一折射率低于所述芯线区的包层区包围着，所述包层区的最低折射率为n₂，

所述光波导通道足够靠近地延伸一足够长的距离以形成一耦合区，其中在所述通道之一中传播的部分光功率耦合到其它所述通道中，

其特征在于，所述芯线区当从垂直于所述玻璃壳体的纵轴平面中观察时以三角形阵列配置在所述耦合区中，该配置使各通道中的光功率与其它通道直接耦合，且至少在所述玻璃壳体邻接所述通道的区域上的折射率为n₃，这里n₃低于n₂这样一个量以便使Δ_2-3的值小于0.125％，其中Δ_2-3等于(n² ₂-n² ₃)/2n² ₂。

2.如权利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述波导通道包含光纤。

3.如权利要求2所述耦合器，其特征在于，所述基质玻璃为圆柱形的壳体，所述光纤通过该壳体纵向延伸，所述壳体远离其端部的部分的直径小于所述壳体端部的直径。

4.如权利要求1所述的耦合器，其特征在于，

所述壳体具有第一和第二相向端和一中间区，所述至少三个光波导通道包含一输入光纤和至少两输出光纤，这些光纤的一部分通过所述中间区纵向延伸，所述光纤的每一个包含一芯线，所述每一芯线由一折射率为n₂的低于所述芯线折射率的包层包围着，所述光纤按三角形阵列位于所述中间区中，所述中间区的中心部分的直径和所述中间区的中心部分中的所述光纤的直径比在所述壳体的端部上的这些直径小，所述输入光纤从所述壳体的所述第一端延伸，和所述输出光纤从所述壳体的所述第二端延伸。

5.如权利要求4所述光纤耦合器，其特征在于，所述基质玻璃壳体的组分在其整个径向上基本上是均匀的。

6.如权利要求4所述光纤耦合器，其特征在于，所术基质玻璃壳体包含一邻接所述光纤、具有折射率n₃的内部区域和邻接所述内部区域的另一区域，所述另一区域的折射率小于n₃。

7.如权利要求4所述的光纤耦合器，其特征在于，所述输入光纤仅从所述壳体的第一端延伸，没有一根所述光纤会延伸完全通过所述壳体。

8.如权利要求7所述光纤耦合器，其特征在于，所述输入光纤的包层折射率大于所述至少两输出光纤的包层折射率。

9.如权利要求4所述光纤耦合器，其特征在于，所述输入光纤从所述壳体的第一和第二端延伸完全通过所述壳体。

10.如权利要求9所述光纤耦合器，其特征在于，所述输入光纤的包层折射率不同于所述至少两输出光纤的折射率。

11.一种制造1×N光纤耦合器的方法，其中N等于2或3，所述方法包含：

提供一个具有第一和第二相向端和一中间区的玻璃管，一纵向管腔从所述管子的第一端延伸到其第二端，至少邻接所述管腔的所述管子的内部区域具有折射率为n₃，

在所述管腔内配置输入玻璃光纤的一部分和至少两输出玻璃光纤的端部，每个所述光纤有一芯线，所述芯线由一折射率小于所述芯线的包层包围着，所述光纤的包层的最低折射率为n₂，所述输入光纤的一部分延伸至所述管子的第一端外面，所述至少两输出光纤每一根的一部分延伸至所述管子的第二端外面，

使所述管子中间区向内收缩紧裹到所述光纤上，

并拉伸所述中间区的中心部分以减小其直径并制成一耦合区，

其特征在于，在所述耦合区中当从垂直于所述管子的纵轴平面上观察时所述输入光纤和所述至少两输出光纤呈三角形阵列配置，这种配置使每根光纤中的光功率直接与其它光纤耦合，且这里n₂大于n₃这样一个值以便Δ_2-3的值小于0.125％，其中Δ_2-3等于(n² ₂-n² ₃)/2n² ₂。

12.如权利要求11所述方法，其特征在于，所述管子的折射率在其整个径向上基本上是均匀的。

13.如权利要求11所述方法，其特征在于，所述管子包含具有折射率为n₃的邻接所述管腔的内部区域，和邻接所述内部区域的另一区域，所述另一区域的折射率小于n₃。

14.如权利要求11所述方法，其特征在于，所述输入光纤仅从所述管子的第一端延伸而所述至少两输出光纤从所述管子的第二端延伸。

15.如权利要求14所述方法，其特征在于，所述输入光纤的包层折射率大于所述至少两输出光纤的包层折射率。

16.如权利要求11所述方法，其特征在于，所述输入光纤从所述管子的第一和第二端延伸，而所述至少两输出光纤从所述管子的第二端延伸。

17.如权利要求16所述方法，其特征在于，所述第一光纤的包层折射率不同于所述至少两输出光纤的包层折射率。

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