CN1083988C - 光纤及光纤之间的耦合方法 - Google Patents

Abstract

一种可输出高功率光的单模式光纤，其输出端处的模式场直径做得较大从而能减小其光能密度。在光纤端面上涂覆一种材料，该材料的导热率或熔点高于光纤材料的导热率或熔点。涂覆膜的厚度设定成能使光的波长有1/4波长的相位移，以降低连接端面处的反射。与该光纤相连的另一光纤也采用同样类型的光纤。

Description

光纤及光纤之间的耦合方法

本发明涉及一种光纤，其端面可通过与另一光纤的实体接触而与其光耦合，还涉及这种光纤之间的耦合方法。更具体说，涉及一种高功率光放大器输出端处的光纤、供光传输的光纤构件、含这种光纤的光放大器、以及含这种光纤的光传输系统。

图8示出一种光纤连接器的外形。更详细说，光连接器800起到将两条光纤810实体连接起来以使其光耦合的作用。为此目的，使用者将插头81装到要连接的两条光纤810的各端面上，然后将插头牢固地拧入一个适配器80两侧的相应螺孔802中，从而将两条光纤精确就位连接。在这种情况下，由于适配器80内有接合凹槽801，凹槽801又与插头81的相应接合头812啮合在一起，因而妨碍了适配器80的旋转。

使用者剥开光纤810的表层从而露出芯线(未示出)，然后用插头81包住芯线，这时将光纤芯插入插头81的相应环箍4中。

图9示出供光纤用的现有技术的光连接器主要部分的剖面图。该光连接器具有下述的结构，也就是，光纤的折射率分布是由掺杂物的分布决定的。光纤中心部分为芯线2，其折射率高，而周围包覆层3的折射率低。绕在其外面的是环箍4(图中未画出其外周部分)，以便对其紧固。然后，为了防止在光纤端面5上的光反射，对其进行了精密的抛光，以在连接时提供-40分贝或更低的反射。二氧化硅单模式的通常用的光纤，当其中通过的传输光的波长为1.55米时，产生一种模式场(mode field)10，其有约10微米的直径，即使在光纤的内部和端部也都是相同的。

JP-A-7-128544揭示的发明中，在一个光波导与一条光纤的连接部分，光纤的模式场有局部的扩大。该发明涉及的是在波导与光纤之间以熔融或粘接方式作永久性接合，而本发明涉及的是用连接器作可反复连接的接合，二者是不同的。

在光放大器的紧急情况下期望光纤有高达20分贝或以上的光输出，以用于光传输系统。然而目前已发现，当空气中悬浮的尘埃微粒(以后只称为尘埃)沉积在具有20分贝或以上的所用单模式光纤的光输出端面上时，其光能就集中到尘埃上，于是有尘埃沉积的端面就会过热熔化。

导致该端面熔化的过程如下：

光连接器的连接工作牵涉到尘埃沉积到要连接的光纤端面之间的界面上。当光信号通过光纤传输时，光线照射到已沉积到光连接器连接部分的尘埃上。尘埃吸收光能而发热，产生的热使光纤端部温度升高到光纤材料的熔点或以上时就会使光纤端面熔化。

当图9所示现有技术的单模式光纤的光强为20分贝米(dBm)(100毫瓦)时，其功率密度达1300兆瓦/米²(MW/m²)。假定尘埃沉积在二氧化硅光纤的端面且通过光纤的光全部被尘埃吸收并转变成热，则因为石英(二氧化硅)玻璃的导热率为19.0瓦/米/K°(在100℃时)、比热为1.04焦耳/克/K°(J/g/k)、密度为2.22克/厘米³，并取此石英玻璃表面达到其1600℃熔点的时间为30秒，于是留在连接器上的尘埃会使该端面立刻熔化。

特别是，当加到光放大器上的输入光强突然增大时，会产生如同浪涌般的非常高峰值的光强，很快就会导致光纤的光输出端面过热熔化。

再有，在装有光纤和光放大器的光传输器中，光纤端面的过热熔化会使光传输器损坏。在装有这种光传输器的光传输系统中，光纤端面的过热熔化会大大降低光传输系统的可靠性。

作为防止光纤端面过热熔化的一种方法，可考虑在一间干净的房间中预先连接适配器80和插头81，以避免尘埃沉积到光纤端面上。但是，要预先将传输线与光放大器这类分散的器件连接起来是非常困难的。另外，光纤、光放大器和光传输系统通常都是装在一间普通的办公室中的，安装或维修时临时搬走光连接器会造成整个传输系统可靠性变坏。

如上所述，用这种方法，为了使光纤能传输高功率的输出光，对现有技术的光纤、光放大器和光传输系统须要使光纤的光输出端和输入端保持清洁。为此，须要有一个干净的房间来进行适配器与插头的互连。此外，安装和维修时，一旦连接器脱开而要重新连接就会面临着可能在光纤端面发生过热熔化的风险。特别是在光纤端面处的光放大器很容易过热熔化，从而使光传输系统的可靠性变坏。

本发明的第一目的在于提供一种传输光的光纤，它能防止其端面熔化，当高功率输出光通过光纤时只有很小的光耦合损失。

本发明的第二目的在于提供一种光纤构件，包括两条光纤和用于连接这两条光纤的连接器，以供高功率光的耦合，它能防止光纤端面过热熔化，且只有很小的光耦合损失。

本发明的第三目的在于提供一种光放大器，其能输出高功率的光，同时能防止光纤端面过热熔化，且只有很小的光耦合损失。

本发明的第四目的在于提供一种光传输系统，即使用高功率输出光作为信息信号时，其可靠性也不降低，且只有很小的光耦合损失。

按照本发明的一个方面，为达到本发明的目的，提供了一种光纤，该光纤具有一个端面，用于通过实体接触而进行光耦合，其端面具有对光耦合的抗过热功能，且具有光耦合时降低反射的功能。

通过以下两点可实现抗过热功能：

(1)在具有通过实体接触而进行光耦合的端面的光纤中，将光纤端面的场直径(field diamefer)做得大于传输线的场直径。

(2)在具有通过实体接触而进行光耦合的端面的光纤中，在光纤的端面上形成一层透明膜，使构成该膜的材料的导热率高于光纤材料的导热率；或者在光纤的端面上形成这样一层透明膜，使构成该膜的材料的熔点高于光纤材料的熔点。

可以同时实施上述两点，也可以分别实施上述两点。

降低反射的功能，对于上述第(2)点中的在端面上形成透明膜方面是很重要的，这可以通过以下方式实现：

在具有通过实体接触而进行光耦合的端面的一对光纤中，如果须要在两条光纤至少之一的端面上形成上述透明膜，两条光纤的透明膜的总厚度T应由下式表示：

     T＝λ(N+1/2)/n其中λ为光的波长，N为一整数，n为透明膜的折射率。

对于光纤连接器和光传输系统，若连接这种光纤，则可防止端面熔化，且光耦合损失可以减少。

再有，若在光放大器的输出侧使用这种光纤，则可防止端面熔化，且光耦合损失可降至最低。

图1是按本发明第一实施例的其模式场已扩大了的光纤光耦合端的剖视图；

图2A和2B分别是按本发明第二实施例的光传输系统的示意图和用于该系统中的光连接器的剖视图，其中光传输系统包括一个高输出的光放大器和一条传输线；

图3是按本发明第三实施例的光纤主要部分的剖视图；

图4是按本发明第四实施例的用于两光纤之间连接的光连接器的剖视图，其中光纤的端面上形成有保护性的涂层；

图5是按本发明第五实施例的光纤主要部分的剖视图，其中光纤的一端涂有Al₂O₃，且其模式场已扩大；

图6是按本发明第六实施例的光放大器的安排方案；

图7是按本发明第七实施例的光传输系统的安排方案；

图8是光纤连接器的示意图；

图9是现有技术的光纤主要部分的剖视图。

以下结合附图描述本发明的几个实施例。

(1)实施例1：

参照图1说明作为本发明基本形式的光纤实施例。

图1示出的光纤具有要同另一光纤光耦合的端面5，用以说明该光纤端部的剖面结构和传播光的模式场分布。象在图9所示现有技术的实例中那样，当波长为1.55微米的光通过二氧化硅单模式光纤时，其模式场10在光纤部分而不是在端部为约10微米。如前面已说过的，光纤的折射率分布决定于其掺杂物的分布。该光纤由芯线2、包覆层3和紧固环箍4构成，其中芯线2处在光纤的中心，有高的折射率；包覆层3环绕芯线，其折射率低；环箍4(图中未画出其外周部分)又环绕着包覆层。在本实施例中，为了使端部的模式场扩大，靠近端部的区域1，即靠近端部的芯线的直径做得较小，并且使芯线2和包覆层3之间的折射率差也较小，从而使区域1中的场直径扩大。

以下说明究竟如何形成区域1，使其中的光纤折射率之差较小。

将具有均匀直径的芯线2的光纤切断，然后对光纤的切断的端部加热，使加热区域的决定折射率分布的掺杂物扩散，从而改变折射率分布的轮廓，使之不尖锐。这种加热方法在JP-A-7-128544中作了介绍。加热使得掺杂物已扩散的区域1的折射率之差减小，对光的限制变弱，于是光的模式场直径增大。包括模式场这样扩大了的区域的最终的端部以环箍紧固，然后进行精密抛光以获得如镜面的端面5。

在本实施例中，按照上述方法，模式场10的10微米直径能扩大成端面5处的25微米。由于端面5处的模式场11的直径能扩大到25微米，因此端面5处的功率密度能降低到1/6或更小，而使端面熔化所必需的光强可增加8分贝或更多。

(2)实施例2：

以下参照图2A和2B说明本发明的第二实施例。该实施例涉及将本发明用于作为一个光纤传输系统一部分的光连接器上，其中光纤传输系统包括一个高功率的光放大器和一条光纤传输线。

如图2所示，该系统利用光放大器22能产生高达约24分贝米的光输出。当采用这种光纤，即由前述实施例1所说的具有扩大端模式场的一种光纤作为高功率光放大器22的输出光纤20时，端面上可允许的发热功率增进了8分贝，这就完全可避免过热熔化。

用实施例1所说的其模式场已扩大的这类光纤作为光纤20时，可使所允许的端面熔化输出值增大，但也带来光耦合方面的另外问题。也就是，这种光纤应该有很小的光耦合损失。但是，当具有扩大模式场以避免端面熔化的光纤与普通的单模式光纤连接时，会产生很大的耦合损失。为防止这一点，可如图2B所示的那样，将具有扩大模式场的光纤与同类型的也具有扩大模式场的光纤连接起来，这样就能达到耦合匹配。当输入侧的光纤模式场的直径设定成与被连接一方光纤的模式场直径相当时，耦合损失能降低到很低水平。

图2A示意性表示了这一光传输系统，该系统包括高功率光放大器和含本发明光纤的传输线。

在本实施例中，与光放大器22输出侧的具有扩大模式场的光纤20类似，用了一种模式场匹配的光纤21，其一端面21′上的模式场也是扩大的。对处于光放大器22一侧上的匹配光纤21的端面21′进行加热，使其中存在的掺杂物扩散，从而使模式场直径扩大。用这种光纤作为输入侧的光纤时，就能使光耦合损失降到很低水平。

用作一般传输线的单模式光纤传输线25一旦铺设以后，就很难对其一端25′进行模式场直径的扩大工作。为解决这问题，模式场变换的光纤21的一个端面21′受到模式场扩大处理，而其另一端21＂则不进行任何扩大处理，因而具有通常的10微米的模式场。具有10微米模式场的模式场变换的光纤21的另一端21＂熔接到传输线25的端面25′上，从而形成接合部分24，于是使光纤21与传输线25互连起来。以这种方式，能将高功率先放大器22输出侧的光纤20与传输线25连接在一起，且光耦合损失很小。

总之，在含有两条光纤和连接器以便耦合高强度光的光纤构件中，能做到防止光纤端面过热熔化，这种光纤结构能使光耦合损失减少。

(3)实施例3：

作为防止光纤端面过热熔化的另一方法，可考虑在端面上涂覆一层其导热率大于石英玻璃的透明膜。即使光能集中到尘埃上而发热，由于高导热率使产生的热量广泛散开，其局部温度也难以升高。因此，防止端面熔化所允许的光强能做得很高。为避免反射，须选择透明膜材料的折射率接近光纤材料的折射率。涂覆工作在光纤插入紧固环箍并进行端面抛光之后进行。

以下结合图3说明第三实施例。

由图3可知，实施例3的光纤光耦合部分的主要部分的剖面类似于图1所示实施例1的剖面。

在传输波长为1.5微米和1.3微米的光信号的系统中，光纤通常是二氧化硅(石英)型的。作为光纤材料的石英玻璃30，其导热率在室温时约为15瓦/米℃(W/m℃)。在本实施例中，形成在光纤端面上的是有高导热率的Al₂O₃涂覆膜6。已经知道，Al₂O₃材料在上述波长带内是透明的，其导热率在室温时是210瓦/米℃，即使在高温下，其导热率也高于石英玻璃一位数字。使用了这种Al₂O₃涂覆膜6，即使沉积在光纤端面上的尘埃吸收了全部光而产生热，也比石英玻璃有更广的热扩散区，因此可阻止温度上升。TiO₂和Si在1.3和1.5微米波长光下也是透明的，它们的导热率比SiO₂的导热率更高，更适用于同样目的。

再有，Al₂O₃的熔点是2015℃，比石英玻璃高415℃。假定石英玻璃允许100毫瓦的光强，则如果用Al₂O₃，仅考虑熔点增高，就允许光强增加到125毫瓦。换句话说，即使仅选择高熔点材料作为涂覆膜材料一项措施，也能防止端面熔化。

尽管本实施例中是用溅射工艺进行Al₂O₃涂覆的，但另外的方法，例如用于Al膜的阳极化工艺或用于Al₂O₃的电子束蒸镀工艺也可以采用，均可达到同样效果。

(4)实施例4：

以下借助实施例3中所用的图3以及图4说明实施例4的光耦合构件。

按照实施例3中所述的那样在端面上涂覆Al₂O₃，即使沉积在光纤端面上的尘埃吸收了全部光而产生热，也比石英玻璃有更广的热扩散区，于是可阻止温度上升。但是在进行端面涂覆时，由于Al₂O₃的折射率为1.76而石英玻璃的折射率为1.45，因而在石英玻璃与涂覆膜间的界面7上会有0.87％(-20.6分贝)的反射。此外，当此光纤与经受过上述同样光纤端部处理的另外光纤连接时，在最差情况下会发生-17.6分贝的反射。在这种情况下，由精密抛光的端面所产生的反射降低到-40分贝或更小，可以忽略不计。

为避免或阻止涂覆后的光纤端面在互连时的反射，将涂覆膜的厚度设定为λ(N/2+1/4)/n，其中λ为光的波长，N为一整数，n为涂覆材料的折射率。当传输光的波长为1.55微米时，Al₂O₃膜的厚度为0.22、0.66、1.1或1.54微米。考虑到要避免由热传导所引起的发热，Al₂O₃膜的厚度最好较厚，因此应选择0.66、1.1微米或更厚些。

图4示出光纤主要部分的剖面，可看出光纤之间的连接情况。如图所示，光纤互连后，两层涂覆膜6的厚度之和由λ(N+1/2)/n表示。该公式给出了无反射条件，满足此条件时，多重反射的各光波彼此抵消，在光纤的互连端面处不出现反射。

(5)实施例5：

图5示出光纤互连部分的主要部分的剖面。以下说明图5所示的本发明的第五实施例，该例中光纤一端的模式场已扩大，光纤端面上涂有Al₂O₃。

实施例5是实施例1的光纤在其端面上形成有涂覆膜的一个例子，如图5中所示。如图9的现有技术实例中所表示的，除了端面5之外，二氧化硅单模式光纤对于1.55微米波长的光其模式场10的直径为10微米。借助已在实施例1中详细描述过的方法，可将模式场10的10微米直径扩大为端面5处的25微米。由于端面5处模式场11的直径能扩大为25微米，因此端面5处的功率密度可降低到1/6或更小，从而允许的端面不熔化的光强可增加8分贝或更多。另外，在本实施例中，在光纤端面上形成有Al₂O₃的涂覆膜6，其具有高的导热率。已经知道，Al₂O₃膜在上述波长带内是透明的，其导热率在室温时为210瓦/米℃，高温时其导热率比石英玻璃要高一位数字。于是，即使沉积在光纤端面上的尘埃吸收了全部光而产生热，所形成的Al₂O₃涂覆膜6在与石英玻璃相比较下也能使热扩散区更广，从而可阻止温度上升。

在实施例3至5中已就这种情况作了说明，即涂覆在光纤的光输出端面上的透明膜厚度与涂覆在其附近的光纤的光输入端面上的透明膜厚度是一样的。但是，当已涂覆的两端面互连在一起而不发生反射的条件只须要两层涂覆膜的总厚度是光波长的1/2。如果光输入侧的光纤端面上不形成涂覆膜，则在光输出侧的光纤端面上的涂覆膜厚度应设置成有1/2光波长的偏移，也就是，在要互连的两条光纤端面上所形成的上述透明膜的总厚度T应满足下列关系式：

T＝λ(N+1/2)/n

其中λ为光的波长，N为一整数，n为透明膜的折射率。

尽管在实施例3至5中是用溅射工艺以Al₂O₃形成透明膜的，但本发明并不限于这种专门的溅射方法。例如，Al膜可用阳极化方法形成，或Al₂O₃膜可用电子束蒸镀法，也能达到上述同样效果。另外，透明膜也不限于Al₂O₃膜，也可以是具有高导热率或高溶点的其他透明膜，同样有上述效果。

(6)实施例6：

以下参照图6说明本发明第六实施例的光放大器。

图6示出光放大器22的一种结构。光放大器22以四个泵激激光器(Pumping laser)611、612、613和614泵激放大光纤62。具体说，两个泵激激光器611和612安置成使其在光纤62的上游侧发出两束彼此垂直的偏振波，并通过一个偏振分多路调制器(polarzation divisionmultiplexer)631连接到单条光纤上。偏振分多路调制器631还通过信号光和泵激光的波长分多路调制器(wavelength division multiplexer)641连到同一光纤上。类似地，在放大光纤62的下游侧，两个泵激光器613和614通过偏振分多路调制器632和信号光及泵激光的波长分多路调制器642连到光纤上。

通过上述这种泵激光学系统，100毫瓦×4的四个泵激光束射向放大光纤62中，从而可获得400毫瓦的泵激光。为了降低光连接器661和662的由其反馈到放大光纤62中的光反射引起的谐振噪音，在放大光纤62的上游侧和下游侧设置了光隔离器651和652。当O分贝米的输入信号光通过输入端光连接器661射入光放大器22而被放大后，从输出端光连接器662输出24分贝米的输出信号光。

在这种连接方案中，若将本发明的光纤200用于光放大器22的输出侧，则可防止输出侧光纤200的端面过热熔化。

用上述这种方案，可得到能输出高功率光束的光放大器，同时可避免光纤端面过热熔化，并能保持光耦合损失很小。

(7)实施例7：

以下结合图7说明本发明第七实施例的光传输系统。

图7示出一种8-波长多路调制的光传输系统700的结构。光传输系统700包括一个发射机71、几十公里长的一条光纤传输线25、以及一个接收机73。光发射机71包括：一个光发射器711，由8个光发射模件712组成，具有1.55微米上下的8种不同波长；一个波长分多路调制器713，由8个供多路调制这些波的波长分多路调制模件7131组成；以及一个高功率光放大器22。已在波长分多路调制器713中作过多路调制的传输光射入单条光纤中，再由光放大器22放大，然后从放大器22中输出。接收机73包括一个波长分多路解调器731和一个光接收器732。光接收器732由一些光接收模件733(为简明起见，图中只画出其中一个)组成，用以接收从波长分多路解调器731解调出的光信号，并将其转换成电信号。在接收机73中，波长分多路解调器731将输入信号多路解调成波长-多路解调的具有不同波长的光信号，再由光接收器732将这些多路解调后的光信号转换成电信号。

当发射机71的每波长输出功率做得较高时，其传输距离能相应延长。发射机71的每波长输出功率为15分贝米时，8个波长的输出功率是24分贝米。用实施例6中举例说明的那种高功率光放大器22时，可以获得这一光输出功率。将本发明的光纤用作传输线输出侧的光纤200和输入侧的光纤210时，可以获得低损失、能避免其端面过热熔化的可靠光传输系统。

本发明还能用于非石英玻璃材料制成的光纤上。本发明不仅能用于单模式光纤，也能用在多模式光纤上。

Claims (18)

1.一种光纤，具有一个要通过实体接触而进行光耦合的端面，包括：

用以防止所述光纤的至少一个端部和/或剖面处过热的装置；和

用以减小所述光耦合时所述光纤的至少一个端部发生反射的装置。

2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述防过热的装置为端面，该端面的模式场直径大于普通光纤线的模式场直径，且该端面上形成有一透明膜，膜的材料导热率高于所述光纤材料的导热率。

3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述防过热的装置为端面，该端面的模式场直径大于普通光纤线的模式场直径，且该端面上形成有一透明膜，膜的材料熔点高于所述光纤材料的熔点。

4.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，所述减小反射的装置是通过设定所述透明膜的厚度T使之满足关系式T＝λ(N/2+1/4)/n而实现的，其中λ为光的波长，N为一整数，n为所述透明膜的折射率。

5.如权利要求3所述的光纤，其特征在于，所述减小反射的装置是通过设定所述透明膜的厚度T使之满足关系式T＝λ(N/2+1/4)/n而实现的，其中λ为光的波长，N为一整数，n为所述透明膜的折射率。

6.如权利要求3所述的光纤，其特征在于，所述透明膜是由Al₂O₃、Si或TiO₂制成的。

7.一种光纤连接器，所述光纤具有一个要通过实体接触而进行光耦合的端面，该光纤靠近由环绕光纤的一个环箍支承的端面，其中所述光纤端面处的模式场直径大于普通光纤线的模式场直径。

8.一种光纤，具有一个要通过实体接触而进行光耦合的端面，其中所述光纤端面上形成有一层透明膜，该透明模是由导热率高于所述光纤材料导热率的材料制成的。

9.一种通过实体接触连接两条光纤的方法，包括以下步骤：

在两条光纤端部附近对光纤分别加热，使其端面的模式场直径大于传输线的模式场直径；

使两条光纤端面处的模式场直径相等；

用一个环箍使各条光纤的端部紧固，且抛光所述端面；和

在抛光的端面处互连两条光纤使其实体接触。

10.如权利要求9所述的连接两条光纤的方法，其特征在于，在所述端面抛光步骤之后，还包括以下步骤：用导热率高于光纤材料导热率的材料涂覆各条光纤的端面，使端面上形成透明膜。

11.如权利要求10所述的连接两条光纤的方法，其特征在于，使所述两条光纤上形成的透明膜的总厚度T满足关系式T＝λ(N+1/2)/n，其中λ为光的波长，N为一整数，n为所述透明膜的折射率。

12.如权利要求10所述的连接两条光纤的方法，其特征在于，所述透明膜是用Al₂O₃、Si或TiO₂以溅射工艺制成的。

13.如权利要求10所述的连接两条光纤的方法，其特征在于，所述透明膜是用Al₂O₃、Si或TiO₂以电子束蒸镀工艺制成的。

14.如权利要求10所述的连接两条光纤的方法，其特征在于，所述透明膜是通过使铝膜经受阳极化工艺而制成的。

15.一种光放大器，包括一个光放大部分和一条输出光纤，其中输出光纤有一个要通过实体接触而进行光耦合的输出端面，所述输出光纤的该输出端面包括：

用以防止所述端面过热的装置；和

用以减小所述光耦合时所述光纤的至少一个端部发生反射的装置。

16.一种光纤构件，包括一对光纤和一个光连接器，所述光纤具有要通过实体接触而进行光耦合的端面，所述连接器用于将所述一对光纤互连以使其端面达到实体接触，其中这对光纤采用了权利要求1所述的光纤。

17.一种光传输系统，包括：

一个发射机侧的装置，包括一个光放大器；

一个接收机侧的装置，与所述发射机侧的装置相对而设；和

用于使上述两个装置光耦的一条光纤传输线，

其中所述光纤传输线的一个端面处在所述发射机侧的装置的一侧，该端面通过实体接触而与所述光放大器的一个输出端面光耦合，并且，设置如权利要求1所述的光纤，以供所述光纤传输线的发射机侧的端面和所述光放大器的输出端面所用。

18.一种光纤，具有一个要通过实体接触而进行光耦合的端面，其中在该光纤的所述端面上形成有一层透明膜，该透明膜是由熔点高于所述光纤材料熔点的材料制成的。

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