光纖結構的製作方法

2023-10-26 00:51:37 1

專利名稱：光纖結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖結構。
人們已經知道，當兩根相同的單模光芯位於一個共同的包層中(光芯材料的折射率高於包層的折射率)，並且光芯相距得足夠近的話，在兩個光芯間就會產生光耦合。當光能被引入其中一根光芯時，它主要地在該芯本身中傳播，但是，在有限程度上也向緊包著它的包層中傳播，所以實際上光芯提供了一條側向超出光芯本身的光導路徑。當光芯靠得足夠近時，它們的光導路徑相迭加，以至原來在其中一個光導路徑中傳播的光進入另一個光導路徑。所有的，或實際上所有的光能通過這種方式從一個光導路徑轉移到另一個光導路徑，以致在這種光纖中經過一段長度在兩個光導路徑中傳播的能量的比例不斷擺動，有時100%在一個路徑中，有時100%在另一路徑中。所有能量從一個路徑傳到另一路徑，然後又回到前一路徑所經過的距離常被稱為「拍長」，它的典型長度從幾毫米到幾釐米。拍長是波長的函數，因此，如果不止一種波長的光被引入這種光纖的話，那麼在光纖上沿著向前方向等於許多拍長的著一位置，這些波長的光中有一種波長的光將百分之百地在一個光導路徑中傳播，而所有其他波長光中至少有一定比例進入另一光導路徑。因此，在這點端接光纖就可以把一種波長從其他波長中過濾出來。
這一原理已被用來製造一個光纖結構波長濾光器(發表於K.Okamoto和J.Noda的論文，ElectronicsLetters1986.2.13，卷22，第4號)，方法是把雙芯光纖和單芯光纖間歇地銜接，單芯光纖的各段用於把優先過濾的光從雙芯光芯的上一段輸出中傳送到雙芯光芯後一段中的一個光芯中。雙芯光纖的每一段都優先地把同一波長轉移或過濾，所以每一段雙芯光纖都有效地去掉一定量其他波長而只保留某一種波長。因此，如果雙芯光纖的段數足夠大的話，從組合濾光器一端到另一端的通頻帶相當窄。然而，這些濾光器的結構相當複雜，也相當昂貴。聯繫先有的光纖結構波長濾光器敘述的把光能從一個光導路徑向另一個光導路徑重複和完全的轉移，只在兩個光導路徑的傳播常數相同的情況下才能產生。
單模光導路徑的傳播常數表示光在該路徑中的傳播速度，它是光芯本身和緊包著它的包層的各參數的函數。對一種給定的結構，傳播常數隨波長變化。人們也已知道，通過適當地選擇芯材料、芯直徑、包層材料，和芯及緊包著它的包層的折射率分布，就可以在一定程度上確定對於某一具體波長的傳播常數以及傳播常數作為波長的函數變化的速率。
在剛敘述過的先有結構中，因為兩個光導路徑完全相同，所以對於所有波長來說，兩路徑的傳播常數相同。
1985年1月的美國光學學會期刊第84頁上題為「兩芯光纖實驗」的文章中，建議了一種兩芯結構，它們的傳播常數只在某一具體波長才相同。因此，所有其他波長都留在被最初引進的光導路徑中，而只有設計用該結構過濾出的這個預定的波長在兩個路徑中擺動，並且可以與其他波長分離開，方法是在某一點端接光纖結構，在這一點，預定波長的大多數能量與其他能量分開進入相對的路徑中。這一預定波長由光纖的物理構成確定。
可用電的方法改變或調諧其通頻帶中心波長的光學波長過濾器公開在1978年7月15日AppliedPhysicsLetters33(2)中R.C.Alferness和R.V.Schmidt發表的論文中。這種濾波器使用了不能用在光纖型結構中的集成光學技術。
直到目前，還不能生產出一種在結構完成後還可以調諧或調節兩個光芯間耦合波長的光纖結構。
本發明的一個目的是提供一種這樣的結構。
按照本發明提供了一種電可調諧光纖結構，它包括一段由兩個位於共同包層中並且互相均勻隔開的單模光芯組成以提供的兩個光導路徑的光纖，光芯的光學特性不同，因此，兩個光導路徑的傳播常數也不同，它們的值在某一預定波長重迭，這樣等於該波長的光能就能不斷地從一個芯轉移到另一個芯，其特徵在於，詘闃杏辛礁齙緙⑶抑遼儆幸桓齬廡疚揮諏降緙湟員憬緋∽饔迷諦舊希傭窘璧 光效應改變其傳播常數並因此改變該波長，於是使結構成為可調諧的。
由於把電極做在光纖體中，並且與光芯非常接近，所以即使電極間的電壓相當低，也可以形成一個跨過光芯的適當強的電場。即使考慮到對光纖中所用材料的限制，由於滿足了實現理想的光學性能和能在光纖中構成的需要，所以能夠改變一個或兩個光芯的傳播常數，因此可使中心耦合波長出現可檢出的移動。
用軟玻璃製造可調諧光芯和包層可以增加波長的可移動量，這將在後面敘述。
在按照本發明的一個結構中，這樣確定光纖的長度，即當預定波長的光能從光芯一端進入一根光芯，它能在光纖的另一端基本上進入另一根光芯，這樣的結構就可以作為一個過濾頻率電可調諧的波長濾光器使用。
因此，由於有了這種濾光器的光纖結構，第一次提供了能很容易地與光纖信號操縱系統的元件對接的電可調諧的波長濾光器。
實際上，與濾光器設計波長緊鄰的波長多少也通過濾光器。然而，通過使兩個光導路徑的傳播常數在其實際交點波長兩邊急劇分離，可以減小通帶寬度。還有，因為對於除預定波長外所有波長，小於100%的能量不斷在兩個光導路徑間轉移，所以增加濾光器輸入和輸出之間出現的能量轉移次數或拍數也可以減小帶寬。這可以簡單地通過增加光纖長度或減小光芯間距(它減小了拍長並且因而增加了每單位長度的拍數)來實現。為了容易製造，最好是增加光纖長度以便使帶寬變窄，因為這樣對所需光纖長度的公差要求可以放寬(由於拍長比較長)，而且光芯的放置精度不需增加，如果用使光芯放置更近的方法實現同樣效果，放置精度就必須提高。然而，實際考慮限制了濾光器的理想最大長度，而且要進一步減小帶寬，就需要減小光芯的距離。
另一方面，本發明提供了一種製造電可調諧的光纖結構的方法，它包括準備兩個含有理想的不同光學特性的光芯的芯杆，把它們插入內包層體的孔中，在插入之前或之後使內包層體的外表成非圓形，用一個內圓管把該體套住，使接近該體非圓部分處產生空隙，放下所得到的組裝物，用電極材料充填內包層體和管之間的空間。
為了更好地理解本發明，將參照附圖敘述幾個實施例。


圖1是本發明電可調諧光纖結構的剖視圖。
圖2(a)和2(b)顯示了作為波長函數的傳播常數，它可適用於圖1的結構。
圖3說明了分別使用圖2(a)和圖2(b)中的傳播常數，就能弄寬或弄窄傳播常數。
圖4(a)和(b)具有圖1結構的濾光器的傳播常數和帶寬是怎樣被改變的。
圖5說明圖1所示光纖結構製造的一個階段。
圖6顯示了本發明電可調諧結構的另一種型式。
示於圖1的光纖有兩個位於一個共同包層4中的光芯1和2。在光芯的整個長度上，光芯1和2均勻地隔開。如前所述，每一光芯有一個向芯每一側面側向擴展的光導路徑，並且兩芯之間間隔足夠的小使它們的光導路徑互相迭合，以便如已所述的那樣允許光能在光芯之間轉移。
每個光芯的材料，直徑和折射率分布以和單根光芯的選擇方式一樣的方式選擇，使兩光芯具有不同的傳播常數。圖2a表示一種情況，在這種情況下，光芯的傳播常數(波長的函數)在波長λc重合，但在它兩側分離得不很急劇。反之，圖2(b)所示的情況下，兩個傳播常數在波長λc重合，但在它兩側急劇地互相分開。
假定一個寬波長分布被從光纖的一端引入一個光芯，例如光芯1，然後按照前面已說明過的光芯間的耦合原理，在進入點後面等于波長λc的拍長整數倍的光纖上某一點，在「過濾的」光芯2中的波長分布將如圖3所示。虛線表示對於圖2(a)的情況(此時兩光芯的傳播常數在較寬的波長帶中比較接近)被濾入光芯2的較寬的波長分布。實線表示傳播常數如圖2(b)所示那樣隨波け浠本綬擲氳那榭魷虜慕險耐ù
通帶的寬度不但取決於兩個傳播常數間的關係;而且也取決於兩個光芯間的間隔，和(當光纖結構在光纖系統中要形成一個分立的濾光器件時)組成濾光器的光纖的總長度，所有這些變量都被設定在能得到理想的性能而又最易製造的數值。
關於可調諧性，兩個金屬電極6和8被加入光纖結構中。兩個光芯1和2都位於兩個電極之間。雖然光芯1和2的玻璃材料對於所施加的電場只顯示出相當小的電光效應，儘管如此，把電極加入到光纖本身中仍然可以使與電極間的電壓有關的場強相當高。當在電極間加上電壓時，電光效應使每個光芯的折射率發生變化，並且結果使兩個光芯的傳播常數改變，如圖4(a)所示。結果，濾光通帶的中心頻率也相應變化，如圖5(b)所示。
實際上，電一光效應使在垂直於電極的偏振光和平行於電極的偏振光之間的折射率產生差動變化(即如圖1所示的與光纖垂直和水平平)。偏振平面與電極垂直的光的折射率移動較大，利用這一點，可以最初只把這種偏振光引入光纖。平行於電極偏振的光可以用一個檢偏振器的濾光器的輸出端濾出，因此只留下垂直於電極偏振的光。
為了增加可得到的最大頻移，可以使用軟玻璃(例如鉛玻璃)製造光芯和包層，許多軟玻璃的電-光效應比通常用於光纖芯和包層的硬玻璃的電-光效應大許多倍。為了進一步增大頻移，最好選擇一種具有正電-光係數的玻璃製造一個光芯，而選擇一種具有負電-光係數的玻璃製造第二個光芯，因為對於一定的偏振平面，這將使兩個光芯的折射率和傳播係數在同一電場作用下朝相反方向移動。
應該注意，給定的濾光器光纖長度只適宜濾出一個特定的中心波長。因此，當中心過濾波長被用電的方法改變時，光芯的長度在某種程度上變得不合適。這可用增加拍長即使光芯離得遠些的方法來緩和。
圖5可以用來說明圖1所示的光纖結構的製造。可以用一種改進的化學蒸汽沉積法(MCVD)在相應的二氧化矽支持管中沉積具有對具體的光芯合適的特性的玻璃材料，這樣來製造兩光芯杆。然後把大部分支持管材料腐蝕掉以便在中央光芯材料上留下相當少的包層材料，因為光芯需要靠得很近。然後，光芯杆在電爐中一邊被加熱一邊被伸長，並且被拉到直徑只有幾毫米。
在圓截面的高純度二氧化矽杆10上削出相對的平面12，並沿軸向超聲加工出兩個孔14和16。然後把直徑被拉細到分別與孔14和16相匹配的兩根芯杆塞入這些孔並把這個組裝件插入一個二氧化矽管18中。然後把整個裝配件拉細到直徑足夠小，以保證在濾光器全部掃描波長範圍內進行單模操作。
為構成更靈敏的濾光器，用軟玻璃製成光芯，並把它們插入折射率較低的軟玻璃包層杆的孔中，然後用一個軟玻璃管把它們全套起來。
所得到的光纖如圖1所示，但所示的電極6和8處為空白空間。這些空間用伍德金屬或銦/鎵混合物這樣的低熔點金屬填充，作法是，把光芯段的一端裝在一個加熱的盒子中的液態金屬中，同時在光芯的該端施加壓力，而在另一端抽真空。這樣把液態金屬泵吸到這些空間中，當光纖冷卻時液態金屬就固化而形成電極6和8。
應該注意，在圖1中表示光芯的圓圈1和2表示高折射率光芯材料。當用參照圖5所敘述的杆-管方法形成光纖時，使用在支持管中用MCVD方法形成的芯杆，杆的外表面(拉長形式)實際上稍稍處在表示光芯1和2的圓圈之外。
圖6顯示了本發明電可調諧光纖的另一種形式。其中只有光芯1位於電極20中間。可以用與圖5的方法相似的方法製造之，但是，不在杆10上加工出平面12，而是在孔14的兩側再超聲加工出兩個通孔。然後當光纖被拉成後，用金屬填充以形成電極20。對這種結構，在電極20之間加上電壓，只把一個傳播常數移動到圖4(a)所示的虛線位置，所以，與圖1所示的結構相比，對於給定電壓，能得到不同和更大的中心波長移動。參照圖2(a)和2(b)，應該注意，當傳播常數曲線如圖2(a)那樣分離較慢而不象圖2(b)那樣分離較快時，可以得到更大的波長移動範圍，但是將伴隨著通帶展寬。最好，在這種結構中芯材料是正電-光係數玻璃，而包層是負電-光係數玻璃，因為這將使電場中的光芯和包層的折射率沿相反方向改變，這樣將比單靠改變芯的折射率的方法更大地改變傳播常數。使用負係數光芯和正係數包層也可得到同樣的效果。
為了在圖1的電極6和8或圖6中的20上加上電壓，光纖包層的一部分要用氫氟酸局部腐蝕直到裸露出電極表面，然後把細導線22超聲焊在電極上，見圖6所示，其中用虛線表示出被腐蝕去掉的包層部分。
圖6中還用虛線顯示了第二對電極24，它們可位於第二光芯2的兩側，這樣，如果需要的話，可以分別單獨地控制兩個光芯的傳播常數。
可以期望，用高泡克耳(Pockel)係數單晶材料製造光芯和/或包層可獲得更大的頻移，因為泡克耳效應(發生在這些材料中)比克耳效應(Kerreffect)更強。
權利要求
1.一種電可調諧光纖結構包括一段光纖，它包括兩根在一個共同的包層(4)中提供兩個光導路徑的均勻隔開的單模光芯(1、2)，至少光芯的光學特性不相同以便使兩個光導路徑具有不同的傳播常數並且它們在一預定波長處互相重合，以便在該波長上的光能不斷地從一個光芯轉移到另一光芯，其特徵在於，在包層中有兩個電極(6，8，20)並且至少有一根光芯位於它們之間以便把電場加在該光芯上，以此利用電-光效應來改變其傳播常數，並因此而改變該波長，從而使該結構成為可調諧的。
2.如權利要求1所述的光纖結構，其特徵在於，光纖的長度這樣確定，當預定波長的光能被從光纖一端引入一個光芯時，光能將在光纖的另一端進入另一光芯，藉此使該結構成為一個過濾頻率電可調諧的波長濾光器。
3.如權利要求1或2所述的光纖結構，其中兩個電極(6，8)把兩個光芯(1，2)夾在它們中間。
4.如權利要求3所述的光纖結構，其中一個光芯的電-光係數是正的，而另一個光芯的電-光係數是負的。
5.如權利要求1或2所述的光纖結構，其中兩個電極(20)只把一個光芯(1)夾在當中。
6.如權利要求5所述的光纖結構，其中位於電極(20)之間的光芯(1)具有正電-光係數，而包層(4)具有負電-光係數，或者反過來。
7.如權利要求5或6所述的光纖結構，包括兩個另外的電極(24)，它們把另一個芯(2)夾在中間。
8.如上面任一權利要求所述的光纖結構，其中至少該一個光芯是由有相當大電-光效應的軟玻璃製成的。
9.如權利要求8所述的光纖結構，其中共同的包層(4)是由有相當大電-光效應的軟玻璃製成的。
10.製造如權利要求1至9中任一項所述的光纖結構的方法，包括準備兩個含有所需的不同光學特性的光芯的光芯杆，把它們插入一個內包層體(10)上的孔(14，16)中，在該插入過程之前或之後把該體加工成非圓形(12)，用內圓管(18)套住該體以在接近該體的非圓部分處形成空間，拉長所得到的組裝物，並用電極材料填充拉伸後的內包層體和管之間的空間。
全文摘要
由可調諧光纖結構包括一段光纖，它包含位於共同包層中以構成兩個光導路徑的兩個均勻隔開的光芯，至少光芯的光學特性不同，以使兩路徑的傳播常數不同並在預定波長上重合，這樣該波長上的光能將不斷地從一個光芯轉移到另一光芯，特徵在於，兩電極位於包層內，並把至少一個光芯夾在中間以便向它施加電場，利用電-光效應改變其傳播常數並因此改變該波長，從而使該結構可調諧。還公開了這一結構的製造方法。
文檔編號G02B6/122GK1032080SQ8810671
公開日1989年3月29日 申請日期1988年9月16日 優先權日1987年9月17日
發明者保羅·勞倫斯·斯克裡文爾 申請人:皮萊利總公司