CN1203673A - 使用光敏玻璃的可调谐光耦合器 - Google Patents

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Abstract

一种光耦合器(10)具有在耦合区(12)相互靠近的两条光纤(20,30)。一条光纤具有例如以二氧化锗掺杂的光敏玻璃。该光敏玻璃曝光于适当的辐射以改变光纤的折射率并调谐该耦合器(10)至选定的耦合频率。

Description

使用光敏玻璃的可调谐光耦合器
本发明一般涉及耦合器，尤其涉及使用光敏玻璃可调谐的波导光纤耦合器。背景技术
光波导δ-β耦合器具有至少二条光纤，把光从一条光纤耦合至另一条光纤。每一条光纤包括纤芯和包层。在耦合器中，每条光纤的包层沿选定的耦合区域相互接触。当两条光纤的包层彼此更靠近时，从一条光纤至另一光纤的光耦合变得更有效。该耦合也取决于两个纤芯和包层的相对尺寸。已熟知，取决于耦合所选定的波长，可以具有相同尺寸的纤芯和包层或不同尺寸的纤芯和包层。
在耦合器形成过程中，光纤纤芯显著减小尺寸。部分形成过程要求把二条或二条以上耦合光纤的尺寸颈缩至大致为一条光纤尺寸(直径)。形成这种颈缩耦合器的方法，在向康宁公司颁发的美国专利USP4799949及5011251中加以描述。
有一些已知技术用于改变耦合器之一部分的折射率。这些技术包括伸展或弯曲耦合器，尤其是在耦合区域加以伸展或弯曲。已知伸展或弯曲光纤将改变其折射率。因而通过施加机械力，耦合器可制成光开关。施加电磁场至耦合区也能改变折射率。但是，去掉施加的机械力或电磁场时，该耦合器将回复其原来的折射率。
二氧化锗是用于增加纤芯折射率的通常的掺杂剂。它通常不用于折射率小于纤芯折射率的包层。二氧化锗也是一种光敏玻璃，当曝光于紫外光时它改变其折射率。二氧化锗的后一特性在布喇格(Bragg)光栅中是有用的，该光栅使用具有紫外光处理过的纤芯区域的光纤。布喇格光栅具有波长选择的纤芯，它包括不同折射率、相隔半个所需的滤光波长(玻璃中)的交替区域。布喇格光栅不从一条光纤向另一条光纤耦合光，而滤除一个或多个光波长。
精确制造耦合器是很困难的。光纤间的光耦合取决于许多制造变量，包括纤芯的掺杂量、纤芯和包层的尺寸、颈缩过程中光纤相对尺寸的减小、耦合区域的长度等。耦合器是精密装置，若不能从一条光纤向另一条光纤精确地耦合选定的光波长，则它们就无用处。但是，光纤制成后，耦合不能永久地改变以改正制造缺陷。从而，对于耦合器，具有一种长期意识到的需要，即不依赖于连续的外部机械力或施加的电磁场，能永久地改正制造缺陷。
发明内容
本发明提供一种波长可调谐的光耦合器(永久可变的)。该可调谐的光耦合器具有至少二条光纤。每条光纤具有纤芯和包层。这些光纤可具有相同尺寸纤芯或不同尺寸纤芯。其中一条光纤具有以二氧化锗掺杂的包层。二氧化锗存在于耦合区域的光纤包层中，该区域从一条光纤向另一条耦合选定的波长。耦合区域的二氧化锗曝光于紫外光以进一步改变耦合区域的折射率及由此调谐光纤至耦合所选择的波长。
本发明提供波长可调谐的具有二个输入端和二个输出端的光波导耦合器。光纤可具有不同直径的纤芯。一个包层所选的光敏掺杂剂最好是二氧化锗，但也可是选自Ce3+、Eu+、Eu3+、TiO2和Pr3+而组成的组中的其它光敏玻璃。
附图概述
图1是可调谐耦合器的局部示意图。
图2是图1沿2-2′线截取的剖面图。
图3是具有不相等纤芯和包层的耦合器的局部剖面图。
图4是具有图3纤芯的耦合器所获得波长移动时的曲线图。
图5是一种制造方法中所使用的玻璃预制棒示意图。
图6是拉伸图5的预制棒的示意图。
图7和图8示意说明加热和拉伸割断单元为锥形控制部分。
图9是耦合器透视图。
图10是其中插入光纤的毛细管的剖面图。
图11和图12是光纤端成形步骤的示意图。
图13是缩棒和拉伸预制棒装置的示意图。
图14是用图13装置制成的耦合器的说明图。
详细描述
参见图1，耦合器1包括第一光纤20和第二光纤30。该两光纤20和30在耦合区域12相互靠近。光分别在输入口21、31进入并分别在输出口25、35射出。进入输入口21的光具有第一波长并指定为A；进入输入口31的光具有不同波长并指定为B。该两波长A、B的光沿各自光纤传输至耦合区12。一旦进入耦合区12，光B从光纤30耦合至光纤20。光纤20具有以光敏玻璃(例如二氧化锗)掺杂的包层。在制造耦合器的过程中，务必确保细心制作光纤20、30相对直径大小及耦合区12长度以获得波长B的光从光纤30至光纤20的最大耦合。但是，由于制造过程中产生的不一致和变动，不可能始终获得波长B的光至光纤20的最大耦合。
本发明中，精细调谐耦合器10以增加波长为B的光耦合至光纤20的量。为了获得该结果，光纤A的包层以二氧化锗或其它适当光敏玻璃掺杂。一旦光B至光纤20的实际耦合量已知，则通过把光纤20(特别是在耦合区中的光纤)曝光于适当的辐射，可增加耦合并精细调谐。包层中有二氧化锗的光纤20曝光于紫外辐射14。光敏包层这种曝光于激活辐射改变光纤20包层的折射率。光纤20包层折射率的改变将增加从光纤30耦合至光纤20的波长B的光量。
在本发明的一个实施例中，光纤具有相同尺寸的纤芯和包层。该实施例示于图2，其中，各自光纤的纤芯24、34及包层22、32具有相同尺寸。但已知，使用不同尺寸光纤可增强耦合。
参照图3，图中显示了本发明的一个例子，其光纤是不同尺寸的。光纤40具有15μm半径及0.208％的Δ。第二光纤50具有12μm半径及0.220％Δ。该两条光纤封在基质玻璃中且中心相距30μm。当光纤50曝光于紫外辐射时，其折射率可大至1×10-2也可是1×10-5或更小，以显示曝光效果。该曝光于紫外辐射的效果示于图4。其中可清楚见到，可调谐波长已移动了约5nm。
耦合器10通过转让给康宁公司的USP 4,799,949中所述的一个或多个适当过程加以制造。如图5所示，耦合器预制棒110包括设置在基质玻璃毛坯116中的多条平行纤芯112和113。预制棒110由熔炉118(图6)中的牵引机17拉丝或拉伸形成多芯耦合器棒120。棒120切成多个适当长度的单元121。在拉伸过程中，可将真空夹具119附于预制棒顶部。
参见图7，每个单元121包括位于基体玻璃毛坯116′中的纤芯112′和113′。单元121的中央区121当如图8所示，将其拉伸以形成减小直径的拉长或颈缩的中央区域123时，它经受由源122产生的受控热环境。能提供沿单元窄的轴向区域的加热区的热源122可以是火焰、激光等等。
通过相对于单元一端而拉伸其另一端从而向单元施加一受控张力，同时在热源122与单元121间进行相对运动，形成包括耦合区12的颈缩区123。如下所述达到这些条件。对于本叙述的目的，热源122是环形燃烧器，它能产生环绕且朝内引向单元121的热辐射。在单元穿过环形燃烧器插入后，其两端夹至台架127和128，台架127和128可通过分别转动螺纹轴129、130而垂直移动，螺纹轴通过台架中的螺孔延伸。螺纹轴129和130连接电动机(未图示)，其速度通过编程可随时间变化。燃烧器122在C点点燃并起始将环形火焰朝内引向单元121。台架128开始以恒定速度向下(箭头124)移动，而台架127开始以稍大的速度向下(箭头125)移动。台架127较快的移动速率使单元121向下移动经固定环形燃烧器122时，成为拉长形。当燃烧器122的相对位置从单元121上的点C移动至点D时，台架127速度线性增加。台架127速度线性减少直至燃烧器的相对位置接近E点。这时，火焰熄灭且二个台架停止移动。在颈缩阶段。纤芯24、34(44、45)及包层22、32、(42、52)直径均减小。在颈缩、(耦合)区123(12)，内纤芯24及34(44及45)实际上消失，而包层保持原光纤20及30(40及50)的有效部分。根据已知技术进一步处理单元121以提供图9所示耦合器10。
用图7及图8所示方法形成的装置10起光波导耦合器作用。在纤芯24、34靠在一起且直径减小的颈缩(耦合)区12，在一个纤芯中传播的光耦合至另一纤芯。离开耦合区12，因纤芯相隔距离大于耦合距离，光不再从一个纤芯耦合至另一纤芯。非颈缩区光纤20、30的直径由待连至端口21、31、25、35的光纤尺寸确定。在耦合区12，纤芯直径必须减少某一最小量，以获得有效耦合。
耦合器10也可用图10～14所示且在USP 5011251(该专利转让给康宁公司，在此通过引用与本申请相结合)中详细叙述的方法形成。被覆光纤917和918分别包括各自具有250μm直径的聚氨酯-丙烯酸酯共聚物被覆层921和922的125μm直径的单模光纤919和920。两条光纤均有8μm直径的以8.5％的GeO2掺杂的石英纤芯。其中对一条光纤的内包层再以GeO2掺杂以调谐耦合器10。
把光纤917和918插入长度为3.8cm、外直径为2.8mm及纵向孔直径为270μm的玻璃毛细管910。该玻璃毛细管910是耦合器10的预制棒。预制棒910通过火焰水解反应过程制造且由以6％(重量)B2O3及约1％(重量)氟掺杂的石英构成。通过均匀加热管子910端部时经管子流过气相腐蚀剂NF3，在相对端形成锥形孔912和913。
从1.5米长的被覆光纤918的一端去掉一段6cm长的被覆层。火焰引向光纤剥离区中央，光纤端部被扯开和割断从而形成锥形尾端(图11)。远离锥形尾端的光纤端部连接反射监测装置。锥形尾端沿其纵轴缓慢向右移动(如图11和12所示，其中仅显示火焰的明亮的中央部分923)。当燃烧器924′的火焰923加热光纤920的尖端时，玻璃收缩并形成圆形端面925(图12)，其直径最好等于或稍小于原来未被覆的光纤直径。对反射功率的目前技术要求是-50dB。得到的未被覆光纤的长度约为2.9cm。
参见图13，管910经环形燃烧器934插入。管910的相对端夹至拉丝夹具932和933。夹具安装在受计算机控制的电动机受控台架945和946上。从3米长光纤917的中央区域剥离大约3.2cm被覆层。擦净光纤917和918未被覆部分并喷射少量乙醇至管子910内以在插入时临时润滑光纤917和918。
被覆光纤917经孔911插入，直至其未被覆部分在管端915下适当位置。被覆光纤918的未被覆部分保持在被覆光纤917未被覆部分附近，两者一起向管子端部914移动直至被覆端区域楔入锥形孔913。然后，被覆光纤917的未被覆部分位于端面914和915之间。被覆光纤917的未被覆部分最好聚集在孔911内。光纤918的端部925位于管子910的中间区域927和端部914之间。光纤穿过附于预制棒910端部的真空附着装置941和940。通过夹头944和944′向预制棒910上、下部分施加真空。光纤917的上端连接与白光源耦连的单色仪。调节单色仪以提供1310nm光束。光纤917的下端连接探测器，该探测器构成控制夹具932和933移动的系统的一部分。
连接10吋(25.4cm)汞高的真空至管孔并点燃环形燃烧器934。环形燃烧器上部的装置部分由防热屏935防护。分别以0.8标准升/分及0.85标准升/分的速率向燃烧器提供煤气和氧气并由此产生约1800℃的火焰。该来自环形燃烧器934的火焰加热预制棒910约25秒。基体玻璃烧缩在光纤919和920上，如图13所示。其中央部分形成耦合器10耦合区的中间区927成为固态区域，其中光纤919和920整个长度实质上处于相互接触状态。
预制棒910冷却后，煤气和氧气的流率增至0.9标准升/分，从而重新点燃(relit)燃烧器燃烧。温度约为1900℃的火焰加热烧缩区域的中央直至其软化点。12秒钟后，切断向燃烧器934供氧。以2.5cm/sec的组合速率向相反方向牵引台架945和946直到中间区927的中央部分拉伸1.46cm。拉伸后，熄灭火焰。长度增加恰好是耦合器预制棒910必须拉伸的长度，以在单一拉伸操作中获得消色差性。足够功率耦合至光纤918，使该光纤端连接检测器且锐化检测器的功率输出。
输往燃烧器934的煤气和氧气流率分别调至0.65标准升/分及0.6标准升/分以产生约1650℃温度的宽火焰。火焰点燃后12秒，关断氧气，以0.5cm/sec的组合速率向相反方向牵引台架945和946以进一步增加耦合器预制棒910的长度约0.02cm。在该步骤期间，在1310nm处监测从光纤917和918发出的光。当来自光纤917的光功率与来自光纤918的光功率之比值为1.2时，拉伸操作自动停止。系统动量使拉伸继续以提供1的功率比值，由此，在1310nm从光纤917和918发出相等光功率。如图14区域951所示，通过拉伸操作减小中间区927的直径。
耦合器10冷却后，从得到的耦合器上去除真空管道并且注射器分别向毛细管端914和915施加热固性粘合剂滴948和949。在暴露于热源(箭头H)使粘合剂固化后，从拉丝装置中取下耦合器10。
本发明的二氧化锗包层光纤在共同待批美国专利申请US NO＿＿(文档号15725/8350)中有更详细的叙述，在此，通过引用，该申请的全部揭示与本申请结合。除二氧化锗外，其它光敏玻璃也可用作一根光纤的包层。这些其它的光敏玻璃包括(但不限于)Ce3+、Eu2+、Eu3+、TiO2和Pr3+。本领域的技术人员可以理解，为了改变光的方向或反射光，选用于包层的二氧化锗量仅是通常纤芯中所用二氧化锗量相当的一部分。用于包层的二氧化锗量足够，从而对改变耦合器折射率具有小的或不明显的效果，除非用紫外辐射照射二氧化锗。因而，二氧化锗可在0.01～50％(重量)范围内变化。
耦合器可包括二条或二条以上具有以二氧化锗掺率且通过紫外辐射照射加以改变的纤芯的光纤。从而，本发明广阔地覆盖具有二氧化锗、可曝光于紫外线以改变耦合器中至少一条光纤折射率的耦合器。尤其，曝光于紫外光的二氧化锗可在包层、纤芯、或在两者之中。
在揭示了本发明的较佳实施例后，本领域的技术人员理解，不脱离本发明的精神和后附权利要求所述的本发明的范围，可对本发明作出进一步的修改、补充和改变。

Claims (12)

1.一种波长可调谐的光波导耦合器，其特征在于包括：
至少两条光纤，每条光纤具有纤芯和包层，该两条光纤相互贴近相距一选定的距离，使一条光纤中至少一个耦合波长的光耦合至另一光纤；至少一条光纤的一部分以足够量的光敏玻璃掺杂并曝光于足够量的激活辐射，以通过所述一条光纤的所述包层改变折射率并调谐所述耦合器至光的耦合波长。
2.如权利要求1所述的波长可调谐的光耦合器，其特征在于，至少所述一条光纤的包层的一部分以光敏玻璃掺杂。
3.如权利要求1所述的波长可调谐的光耦合器，其特征在于，至少所述一条光纤的纤芯的一部分以光敏玻璃掺杂。
4.如权利要求1所述的波长可调谐的光耦合器，其特征在于，至少所述一条光纤的包层一部分和纤芯一部分以光敏玻璃掺杂。
5.如权利要求1所述的波长可调谐的光耦合器，其特征在于，所述光敏玻璃是选自GeO2、Ce3+、Eu2+、Eu3+、TiO2和Pr3+组成的组中的一种。
6.一种波长可调谐的光波导耦合器，其特征在于包括：
至少二条光纤，每条光纤具有纤芯和包层，所述两条光纤相互贴近相距一选定距离，使一条光纤中至少一个耦合波长的光耦合至另一光纤；和
至少一条光纤的包层的一部分以足够量的光敏玻璃掺杂，以经所述一条光纤的所述包层改变折射率并调谐所述耦合器至光的所述耦合波长。
7.如权利要求6所述的波长可调谐的光波导耦合器，其特征在于，所述光敏玻璃包括二氧化锗。
8.如权利要求7所述的波长可调谐的光波导耦合器，其特征在于，所述一条光纤包层中的二氧化锗包括0.01～50％(重量)。
9.如权利要求6所述的波长可调谐的光波导耦合器，其特征在于，所述耦合器具有两个输入端和两个输出端。
10.如权利要求6所述的波长可调谐的光波导耦合器，其特征在于，所述光敏玻璃是选自Ce3+、Eu2+、Eu3+、TiO2和Pr3+所组成的组中的一种。
11.一种波长可调谐的光波导耦合器，其特征在于包括：
具有第一纤芯和第一包层的第一光纤；
具有第二纤芯和第二包层的第二光纤；
耦合区，其中二条纤芯的包层相互邻接一选定的耦合长度，该长度根据要从一条光纤向另一条光纤耦合的选定的光波长加以选择；
其中，至少一个包层具有足够量的二氧化锗，用于当所述耦合区曝光于紫外辐射时，改变所述耦合器的折射率并调谐所述耦合器的输出至所述耦合波长。
12.一种调谐一光耦合器至一选定的波长的方法，其特征在于包括：
提供一耦合区中至少具有二条相互靠近光纤的耦合器，该耦合区具有根据耦合波长选择的长度，其中，一条光纤具有以光敏玻璃掺杂的包层；
将具有掺杂包层的光纤曝光于足够量的辐射以改变所述包层的折射率且由此调谐耦合器至所述选定的波长。
CN96198650A 1995-12-14 1996-12-06 使用光敏玻璃的可调谐光耦合器 Pending CN1203673A (zh)

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