單模纖維定向偶合器的製造工藝的製作方法

2023-08-01 08:06:41

專利名稱:單模纖維定向偶合器的製造工藝的製作方法
本發明涉及單模纖維定向偶合器的製造工藝。
在定向偶合器中，可把一個波導管中能量傳播的場與另一鄰近波導管能量傳播的場重疊，從而使兩個波導管間產生能量交換。在光的波導管中，光覆蓋層的功能之一通常是隔離開可能對光波產生幹擾的因素，這樣，就提供了一個附加衰減的勢源。在製造光導纖維定向偶合器時，為了提供了一個偶合區，需要在一段距離上部分地抑制該覆蓋層的這種隔離效應。為達到這個目的，文獻中曾提出過一種用蝕刻和(或)拋光除去一部分覆蓋層的方法。在文獻中還提出過另一種方法，即用拉細的方法減小光芯線的直徑，其結果是引起了光波場的增大，顯然，最終所增大的大部分能量就會超出覆蓋層的限制。在這方面需要注意的是用拉長的辦法減小芯線直徑，同時會影響到覆蓋層的厚度相應地變薄。採用這種拉長技術製造單模光導纖維定向偶合器的辦法已由B.C.川碕(B.S.KaWasaki)等人在其論文中闡述過了，他們的論文題為「雙錐形單模纖維偶合器」，發表在《光學通信》(Optical Letters)雜誌第6卷第7期327頁到328頁(1981年7月)上，該文作者所說的製作方法基本上與B.S.川碕和K.O.希爾在論文「多模光導纖維分布網絡的低衰耗偶合器」中所述的一樣，這篇論文發表在《應用光學》月刊的第16卷第7期第1794頁到1795頁上。其所述方法是把兩根纖維扭在一起，以便它們互相緊緊接在一起，在裝配架上固定上述纖維，用彈簧拉緊，然後用小型火燈把纖維軟化和熔化，以便使彈簧拉長軟化區的纖維，從而形成了兩根雙錐形，總長近似為1釐米的纖維。
我們曾試圖用這種方法製造單模纖維定向偶合器，但是發現由制出的定向偶合器所決定的最終偶合特性對雙錐形的最小部分的尺寸和形狀的要求是很高的，以致於這種方法看來還不適於進行商業性的製造。
本發明所採用的是製造纖維定向偶合器的另一種拉長工藝，它比用上述方法更容易控制，並製造出了更長的偶合區。增加了偶合區的長度就意味著橫斷面積也較大。因為這加強了光的傳導，從而較少地受環境造成的應變的影響。此外，環境所施加的應力影響就不會完全集中於一個很短的區域。
本發明提供了一種製造單模纖維定向偶合器的方法。其特點是用兩根或多根玻璃單模光導纖維，使其互相緊緊換在一起，為在纖維之間產生所要的光偶合強度，對它進行多次的連續拉伸操作，每次操作都以受控制的速度軸向地伸長纖維。在軸向移動時，纖維還通過一個能夠加熱局部纖維的熱源，並使這段區域充分地加熱軟化，以使纖維在這段區域內產生塑性流伸長。
下面對本發明提出的製造定向偶合器的較佳實施方案進行說明。為了進行比較，本文首先對本發明轉換特性未被應用之前所得出的典型結果加以說明。以後將這種方法稱作「靜止火焰法」。現對附圖作說明如下
圖1示出了縮小了的單模纖維直徑對其V值和基模半徑的影響。
圖2示出了兩根單模纖維間偶合的功率變化，這個偶合是由平衡拉伸操作以及靜止火焰所製造的雙錐形偶合器產生的。
圖3是一個本發明所用設備的示意圖。
圖4示出了，兩根纖維之間的偶合是如何隨著纖維的伸長而變化。
圖5和圖6示出了兩個偶合器的光譜特性，這兩個偶合器是按本發明提出的辦法製作的。
一個光導纖維基本導向模光波場的界限是與該光導纖維的V值有關，其關係如下
λ V = 2a (n 21 - n 22 ) 12
式中，a是芯線半徑，n1和n2分別是芯線和覆蓋層的折射係數。從這個公式可以清楚看出，如果對一段長度的光導纖維進行拉長操作，減小其直徑，則V值就減小了。V值的減小增加了基模的半徑(該直徑定義為將總能量1-e-2封閉在內的那個直徑)。圖1示出了這些影響，所示為一個工作在1.3微米波長時的典型單模纖維的情況。該纖維的芯線直徑是9微米，覆蓋層的直徑是125微米。在工作波長為1.3微米時，其芯線和覆蓋層的折射係數分別為1.480和1.447，因此這根纖維的V值在2.1和2.2之間。圖1示出，直到纖維直徑縮小到原來直徑的一半時(直徑縮小率為2)，此時V值減小到大約為1，功率才開始明顯地增大。但是還可以看出，當縮小率達到2.5時，基模半徑就迅速增大，並要超過覆蓋層半徑的減小值。顯然，一旦到達這個階段，縮小率相當小的一點變化也會極大地影響到一個定向偶合器的兩根纖維之間的偶合效果。
圖2為用靜止火焰使一對扭絞的纖維對稱地進行錐形變長的方法來製造定向偶合器的過程中所觀察到的偶合功率變化的情況。在製作這種偶合器時，扭絞的一對纖維是用一靜止的微型火燈進行局部加熱的，同時纖維的兩端以恆定的速率分開，於是就產生了雙錐形。把光從一條纖維的一端射進時，然後對從該纖維的另一端出來的光輸出進行監測，這樣就得到了作為時間函數而記錄下來的功率輸出的變化情況。在時間t1時開始火焰加熱，然後以每秒100至200微米的線性伸長率連續地進行拉長操作，到時間t2時熄火，暫停伸長，此時輸出只下降了不到3.5dB。如前所述，在伸長的開始階段，在纖維之間基本上沒有產生偶合。然而，一旦偶合變得明顯時，它就以從未有的增長速度連續增大，至少增大到3dB點時為止。在這一階段，由於火燈熄滅，錐形區迅速冷卻，衰耗又增大1dB。這種迅速地突然開始偶合情況使得這種製造偶合器的方法變得太困難了，以致用這種方法無法控制在適當的時刻停止拉長操作。隨著偶合器拉制進行所述的控制問題變得越來越難解決，因為在製造波長的信號混合器和信號分離器時，必須利用其光譜特性，從而要求偶合器有更強的偶合係數。在拉伸的過程中僅僅用放慢伸長率的辦法是無助於該問題的根本解決的，因為在火焰中加熱軟化成很細纖維的時間越長，它下垂或被火焰吹斷的危險就越大。任何這種性質的局部彎曲都會引起不能接受的太大衰耗，此衰耗是由這個區域的V值低，減弱了傳導特性而造成的。與此相連繫的問題是，當移開火燈並使偶合從約1800℃降到室溫時偶合器中所產生的大變化所帶來的問題。
為減小第一個問題的嚴重程度，曾試圖用魚尾火焰加長拉細區域來解決，發現毫無效果。其原因就是因為魚尾火焰中的溫度分布不勻，從而產生了一個或數個局部的熱點，在這些熱點上纖維縮小得速度比其他的點快。較小直徑的區域不能象較大直徑的區域那樣快的傳熱，因此，再次使偶合在很大程度上局限於一個強偶合的短區域，從而出現一種無法控制的局面。
現在研究本發明所提出的推薦方法。參考圖3，有兩根單模玻璃光導纖維〔30〕、〔31〕，已除去了它們上面的所有塑料覆蓋層的痕跡，把它們扭絞起來以使其表面緊緊換在一起，至少在兩個可獨自移動的夾塊〔32〕和〔33〕之間的區域應該扭絞在一起，夾塊〔32〕和〔33〕牢牢地將纖維夾住。在夾緊纖維時應使扭絞纖維的軸線與兩個夾塊運動的方向準確地成一直線。在這兩個夾塊之間放有一個小火燈〔34〕，用它給纖維〔30〕、〔31〕進行局部加熱。這個小火燈固定在適當的位置上。
夾住纖維兩頭的夾塊〔32〕、〔33〕在相同的方向上，但以不同的速度移動。先動夾塊總是比後動夾塊移動得快一點，以使纖維在通過小火燈時可逐步伸長。這個過程與把光導纖維的初製品拉長的過程相似，但是製造纖維的典型線性縮減比為200，但在本發明的情況下，約為1%或百分之幾以下的縮減比是較理想的。然後要求來回移動幾次，以產生合乎需要的偶合量。這些夾塊的移動速度一般為每分鐘5至10毫米。為了很好地把速度控制在約為0.25%的範圍內，最好每個夾塊有其自己的數字控制伺服電動機，該電動機在其反饋環路中加有一個軸編碼器。實現連續移動的最好方式是，在每次移動到終點時，兩個電動機就向反方向旋轉，同時改變它們相對的旋轉速率，以便使原來的後動夾塊現在移動得比另一夾塊快些，因為它已變為先動夾塊了。這樣，就在相對的方向上實現了一次又一次的移動。通常，旋轉速率僅僅是在每次移動結束時才交替變化，以便使每一次移動都能產生同一伸長率，但是至少可將伸長率變化一次。在明顯偶合開始出現以前可以用一種比較快的速率進行頭幾次移動，然後再採用較慢的伸長速率，以便在停止這個過程的決定精確性時刻實現精密控制。點火與電動機幾乎同步，熄火與停動電動機也幾乎同步。在這方面應該這樣理解;電動機啟動可以導前點火一段時間而不產生有害後果，因為對彈性應變來講，此時的伸長率是小的。冷態纖維可以忍受這種應變。同樣，熄火也可以先於電動機停機而不產生任何不好後果。
於電動機的每次反向配合的暫時熄火，有可能在拉細部位產生不必要的頸狀區。確保以後的移動量比開始的移動量長得多就可以減小或是消除這種任何潛在頸狀區對光的影響，並很好地消除了在開始幾次移動距離的兩端產生的肩部，在該區域纖維之間還沒有產生明顯的偶合。(但是僅限於在兩根纖維是互相挨著的區域來回移動，以避免產生將任一纖維燒成天鵝頸的危險。)監測伸長過程的一種簡便方法是，在開始操作以前，在每個夾塊的上面裝上指針〔35〕、〔36〕，它們應與火焰位於同一平面上。在第一次移動結束時，假定是按箭頭〔37〕的方向移動的，兩個指針的尖端就會移開，指針〔35〕將與小火燈的平面相交。在第二次移動時，當指針〔36〕的尖端達到了小火燈的平面上時，火焰便達到了在第一次移動中所形成的縮細部位的端部。
在製造一個典型的簡單3dB偶合器時，在開始可以把夾塊分開5至8釐米，一般說移動4或5次，就可以產生2釐米至5釐米的伸長量。為多路應用而製造的偶合器需要在纖維之間產生更緊的光偶合，因此，一般說來，要移動更多次，伸長量也更大。
監測製造過程的方法是，在伸長過程中，把一個特定波長的光束從一根纖維的一端射進去，從任一纖維或兩根纖維的另一端觀察光輸出的變化。人們發現，把光從一根纖維，如纖維A的一端射進去，開始時，只是在纖維A上有輸出，因為這時的偶合太弱，以致看不到有任例功率傳到第二根纖維上，即纖維B上。然後，隨著伸長過程的進行，偶合越來越強，纖維A的輸出減弱了，而纖維B的輸出功率相應地增加了。經過適當的加工過程之後，在到達圖4的3dB點〔40〕時，兩根纖維的輸出功率是相同的。然後，隨著偶合的增大，進一步進入到過偶合的領域。此時纖維A的輸出逐漸減少，直到全部功率傳給纖維B，如點〔41〕所示。進一步增大偶合，又使纖維A產生部分輸出，在通過第二個3dB點〔42〕之後，纖維A又可產生全部功率輸出，如點〔43〕所示。以後繼續增加偶合，就會開始重複這個循環，即輸出功率在纖維A和纖維B的輸出之間變化。
不論何種形狀偶合器的偶合強度取決於偶合器的幾何形狀，偶合區內纖維的V值、以及偶合區的長度。V值不僅取決於纖維的幾何形狀和折射係數，也取決于波長。因此，如果不計及材料離散的影響的話，波長也可以增加偶合強度。可以用具有合宜幾何形狀的裝置並利用波長影響的特性構成波長多路光纖系統。圖5示出了一個偶合器的光譜特性，這個偶合器是用圖3所述的方法製造的，是為在1.33和1.5微米波長進行混合信號或分離信號而設計的。為了獲得這些特性，把來自白熾燈燈絲的光直接射入一個光柵單色光鏡上，一根纖維的輸入端固定在單色光鏡的出口處，一個復蓋層模除去器插在纖維的這一端與偶合區之間，因為按這方式發射的光不可避免地把不必要的復蓋層模的光射進芯線模的纖維中。這種由白熾燈絲和單色光鏡構成的系統組成了一種光源，可以射入的波長是把0.8微米以下的短波長濾掉了，同時把1.8微米以上的長波長也濾掉了的波長。軌跡〔50〕是用監測原來射進光的那根纖維的另一端的輸出光得到的，軌跡〔51〕是用監測偶合器的另一根纖維的輸出光得到的。可以看出，第一個3dB點發生在波長約1.0微米的區域，儘管該圖形有些幹擾，這是受了高階模的影響，約到1.2微米時高階模才濾掉。(從而可以看出這個偶合器是個過偶合單模纖維偶合器，即偶合器的偶合太強了，以致第一個3dB偶合點發生在比高階模濾波波長短的波長上。)第二個3dB點發生在1.22微米區，在1.32微米區，看不到功率從第一根纖維傳到另一根纖維上。在該圖的約1.34微米處又有些幹擾，此時有一寄生的尖峰出現在單色光鏡的輸出端。在波長約1.5微米處可以看出所發射的功率事實上全部都從第一根纖維傳到了第二根纖維上。因此可以看出，這個設備能夠在一個工作於1.32微米和1.55微米兩個波長的系統上，作為一個混合器，或是分離器。光譜上的第一個3dB點的位置以及第一個3dB點與後來的3dB點間的寬度可以用改變幾何形狀和改變偶合區長度的辦法確定。這樣，圖5所示的偶合器所具有的3dB點的寬度近似相等於0.2微米，圖6所示的為另一偶合器的光譜，其3dB點的寬度等於0.1微米。
在製造這類偶合器時，本發明所採用的以不同速度進行拉伸的技術上的主要優點有，可以使逐漸變細的速度很慢，這隻受電動機可控制程度的限制，因此是可以很好地控制端點的。在這裡要注意的是，可以一直均勻地拉長纖維，從而使偶合區很長。因此，用小火燈進行或停止局部加熱對端點只有較小的影響，這是因為在任何時刻，火焰所加熱的都不是整個偶合區，而只是偶合區的很小一部分。另外，較長的偶合區較為有利，這是因為每個單位長度的偶合強度小了。這就意味著組成纖維的V值更高了，因此纖維就較少地產生彎曲衰耗。這也意味著在其結構上不存在形狀突變的局部頸部。頸狀結構中的應變是由軸線不對中造成的且易集中。這兩個因素使偶合器外殼的設計工作變得容易了，它使最終封殼的光特性將不易受機械應變或熱應變的影響。
雖然上述的有關具體說明只是對用一對光纖維製造偶合器的說明，但很顯然，本發明也適用於以多於兩根纖維製造的偶合器。本發明還適用於K.P.庫(K.P.KOO)在論文中所述的用三根纖維製造應用型的偶合器的情況。K.P.庫的論文題為「使用纖維(3×3)定向偶合器的鈍化穩定纖維幹擾儀的特性」，發表在1983年4月26日至28日於倫敦召開的第一屆光導纖維傳感器國際會議的會刊上。
已經說明了要求纖維在整個拉細區互相緊靠在一起的理由，這就是要保證局部加熱方法不會引起鵝頸狀部位。根據上述的對偶合器的具體說明可知，是用將組成纖維扭絞在一起的方法實現必要的接觸的，但應知道這不是達到這種結果的唯一方法。另一種方法就是把纖維穿過一定長度的玻璃套管，然後用一個移動的熱源，例如小火燈，局部地加熱套管，使套管軟化並在表面張力的作用下壓縮纖維。
本發明並不要求局部加熱源必須是靜止的來實現本發明所要求的相對運動。但是，一般說來，所以採用靜止的熱源是因為這樣做簡化了拉伸設備的驅動系統。
權利要求
1、一種製造一個單模纖維定向偶合器的方法，其特徵在於將二根或多根玻璃單模光導纖維互相夾緊在一起，對上述纖維進行多次連續拉伸操作，這樣便可以在纖維之間產生所要求的光偶合強度，每次操作都以可控制的速度沿軸向伸長纖維，同時將纖維相對於一個能夠加熱局部纖維的熱源作軸向移動，在局部加熱區內可使纖維的某區域局部地充分的被加熱、軟化從而在該區域內產生塑性流伸長。
2、按權項1所要求的方法，其特徵是把纖維互相扭絞在一起從而能將它們緊緊地靠在一起。
3、按權項1所要求的方法，其特徵是通過加熱纖維上的玻璃套管以使其變軟，從而使套管壓縮在纖維上，這樣就可將纖維緊緊地靠在一起。
4、按上述任一權項中所要求的方法，其特徵是加熱源是靜止的。
5、用上述任一權項所要求的方法製造的單模纖維定向偶合器是一種過偶合單模纖維偶合器，其偶合很強，它的第一個3dB偶合點發生在比其組成纖維上的高階模濾波波長短的波長上。
6、按權項5所要求的偶合器是用一對單模光導纖維製造的偶合器。
7、按權項5所要求的偶合器是用三根單模光導纖維製造的偶合器。
專利摘要
一種製造單模光導纖維定向偶合器的方法，該法將二根纖維(30，31)，緊緊夾在一起，用縱向移動上述纖維通過火焰(34)的方法對其進行連續的拉伸操作，此操作是用一對以略有差別的速度運動的夾塊來進行的，從而伸長了它們之間的纖維。
文檔編號G02B6/38GK85103465SQ85103465
公開日1986年10月29日 申請日期1985年5月3日
發明者特裡·布裡克諾, 艾倫·菲內丁, 尼古拉斯·安東尼·休伊斯 申請人:標準電話和電報公共有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan