专利名称：制造变化波导光纤装置的系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及光纤光学领域，具体涉及用于制造变化波导光纤装置的系统和方法的有利方面。
背景技术：
光纤是设计成以高带宽长距离传送光信号的玻璃材料细线。光纤通常具有圆柱形的对称结构，包括内部的纤芯区和纤芯区以外的一个或多个不同的包层区。此处，术语“包层”和“包层区”一般是指纤芯区以外的光纤区域。与特定的光纤设计有关，包层区不一定有环形横截面，也不一定是径向对称的。纤芯区和包层区中的一个或多个区通常掺有不同浓度的各种化学物质以形成理想的折射率分布。
一种在若干应用中有用的装置是这样的光纤，它有沿其长度方向变化的折射率分布。人们已开发了制造这种装置的不同方法。在一个方法中，通过改变光纤直径以产生实际锥形的光纤，从而改变光纤的折射率分布。在第二个方法中，光纤中的掺杂剂被扩散以改变光纤的折射率分布。在第三个方法中，利用高强度UV辐射照射光纤以改变光纤的折射率分布。
然而，现有技术中存在一些熟知的缺点。与采用的特定技术有关，在短长度的光纤中得到理想的折射率变化是困难的。此外，精确地控制一段光纤中折射率分布的调制也是困难的。
发明内容
本发明的特征提供用于制造变化波导光纤的系统和方法。在按照本发明一个方面的方法中，制造有纤芯和至少一个包层区的预制棒。包层区有较高的粘滞度(viscosity)，而纤芯区有较低的粘滞度。包层区与纤芯的相对粘滞度是这样选取的，当张力加到由预制棒拉制成的光纤时，所加的张力主要是由包层区承受，从而使粘弹性应变冻结在包层区中，冻结的粘弹性应变减小包层区的折射率，并产生包层区折射率相对于纤芯折射率的净变化。该方法还包括在所加的张力下将预制棒拉制成光纤，使粘弹性应变冻结在包层区中，冻结的粘弹性应变减小包层区的折射率。通过加热一段光纤，改变该段光纤中包层区的折射率，为的是解除该段光纤中冻结在包层区的粘弹性应变，从而增大该段光纤中包层区的折射率。这种加热还可以解除冻结在纤芯区的弹性应力，从而引起纤芯折射率的微小变化。
参考以下的详细描述并结合附图，本发明的附加特征和优点是显而易见的。
图1表示按照本发明一个特征的扩束器图。
图2表示可适用于制造图1所示扩束器的预制棒径向剖面图。
图3表示图2所示预制棒的纵向剖面图。
图4表示对应于图2和图3中预制棒的折射率分布。
图5表示可适用于利用图2和图3所示预制棒在所加张力下拉制光纤的光纤拉伸装置图。
图6表示利用图5所示光纤拉伸装置由图2和图3所示预制棒拉制成光纤的“拉伸”折射率分布。
图7表示按照本发明另一个特征的光纤加热装置。
图8表示沿图7中光纤的长度方向扫描热源的速度分布。
图9表示按照本发明一个特征的扩束器中折射率分布变化的一系列曲线图。
图10表示按照本发明一个特征的扩束器中折射率分布变化的三维曲线图。
图11是比较单模光纤模场，按照本发明一个特征的扩束器中单模部分模场和多模部分模场的曲线图。
图12和13是按照本发明一个特征的扩束器中单模部分和多模部分的模场图像。
图14是按照本发明一个特征用于制造扩束器的方法流程图。
图15表示按照本发明另一个特征含有跨接光纤的光传输线图。
图16表示适合于制造图15所示光传输线中所用跨接光纤的预制棒剖面图。
图17表示利用图16所示预制棒在所加的张力下拉制成光纤的拉伸和完全松弛的折射率。
图18表示按照本发明另一个特征用于制造含有跨接光纤的光传输线的方法流程图。
图19表示按照本发明另一个特征的长周期光纤光栅图。
图20表示按照本发明另一个特征用于制造光纤光栅的方法流程图。
图21表示按照本发明另一个特征用于制造光纤装置的系统图。
具体实施例方式
本发明的特征是，通过调制光纤的冻结粘弹性应变状态，提供用于制造变化波导光纤的系统和方法。如以下所描述的，由于光弹性效应，调制冻结应变状态产生对应的光纤折射率调制。本发明的其他特征提供用于制造变化波导光学装置的系统和方法，包括扩束器，跨接光纤，和光纤光栅。此外，本发明的特征提供用于光纤低损耗拼接的技术。
光纤通常是利用二氧化硅(SiO2)基玻璃材料制成的。制造通常包含掺杂芯区和包层区的合适预制棒。然后，预制棒在拉丝炉中软化并拉制成光纤。由于玻璃的物理性质，拉制成的光纤大致有与预制棒相同的折射率分布，按比例缩小到拉伸光纤的直径。在拉制成光纤之后，可以利用聚合物材料涂覆。
在拉制光纤时施加的张力就在该光纤中引起弹性和粘弹性应变。为了便于讨论，可以考虑弹性变形是瞬时发生的，而在去除施加的张力之后，弹性变形就立刻解除。另一方面，粘弹性应变是随时间变化的，在粘弹性应变可以解除之前，若足够快地冷却光纤，则粘弹性应变就“冻结”在光纤中。即使在去除所加的张力之后，仍然保留冻结的应变。随后，在没有所加张力的条件下，给光纤加热到光纤应变点附近或应变点以上的温度，可以使冻结的粘弹性应变在一段时间内消失。弛豫过程似乎呈现出时间与温度之间的指数关系。较高的温度使完成弛豫所需要的时间很短。
在通过加热光纤接近于它的应变点或应变点以上时拉制光纤以及加张力到受热光纤之后，变化的或完全新的粘弹性应变状态可以冻结到该光纤中。应变点定义为这样一个温度，在此温度下玻璃的粘滞度为1014.6泊，高纯SiO2的应变点约为1,100℃。所加的张力影响光纤的应变状态。在保持所加张力的同时使它冷却，或者，避免光纤中应变的消失，变化的应变状态可以冻结到该光纤中。通过施加的张力大于原始拉制时的张力，可以冻结的粘弹性应变大于原始拉伸诱发的粘弹性应变。
应当注意，冻结的粘弹性应变不同于与残余弹性应力相关的残余弹性应变，例如，残余的拉伸诱发或热应力。残余的拉伸诱发或热应力通常是由于光纤对接区的不同物理性质，这在文献中已作过分析。例如，粘滞度或热性质的差别可以导致光纤拉制和冷却时对接区之间发生的张力或压力。然而，冻结的粘弹性应变产生光纤折射率分布的变化，这种变化不能单单归结为残余拉伸诱发或热应力。一般地说，冻结的粘弹性应变还伴随着残余弹性应力导致的弹性应变。在某些情况下，冻结粘弹性应变比残余弹性应变产生大得多的折射率变化。
光纤的冻结应变状态通过所谓的“光弹性效应”与它的折射率有关。弹性和粘弹性应变不是体积守恒的。伸展玻璃的体积略微大于未伸展玻璃的体积。因此，伸展玻璃的密度和折射率小于未伸展玻璃的密度和折射率。如上所述，加热光纤到它的应变点或应变点以上可以冻结粘弹性应变以及随时间消失的残余弹性应力。因此，通过以下的方法可以形成沿光纤长度方向具有调制折射率分布的光纤(1)冻结粘弹性应变到光纤中，和(2)给该光纤加热，从而形成冻结粘弹性应变的调制松弛。如以上所讨论的，通过加张力到拉制的光纤，或在加热光纤到它的应变点或应变点以上之后，加张力到该光纤并在光纤的粘弹性应变消失之前冷却该光纤，可以完成冻结粘弹性应变到光纤中。如以下所描述的，用于解除冻结粘弹性应变的热源可以按照各种不同的方法进行调制，例如，按照预定的速度分布使热源有相对于光纤的运动。此外，通过调制用于形成粘弹性应变所加的张力，或通过调制所加的张力和所加的热量，也可以形成调制的折射率分布。
如上所述，典型的光纤有纤芯区和至少一个包层区。按照本发明的另一个特征，给光纤掺杂，使其中一个区的粘滞度远远低于其他光纤区的粘滞度。掺杂通常是使光纤区的粘滞度减小。因此，可以利用纯二氧化硅或给一个区轻微掺二氧化硅，而其他区是相对重掺二氧化硅的区域，可以形成高粘滞度区。相对粘滞度是这样选取的，当张力加到光纤上时，高粘滞度区承受所加的大部的张力。这种掺杂方案使粘弹性应变主要冻结在高粘滞度区，而在低粘滞度区形成轻微的粘弹性应变，虽然在该区可以发生大的残余弹性应力。因此，利用加热调制光纤中的冻结粘弹性应变可以使折射率调制主要形成在高粘滞度区。如以下所描述的，这种技术可用于制造各种不同的光学装置。
通过减小相对于低粘滞度区横截面面积的高粘滞度区横截面面积，可以大大增强折射率变化的幅度。高粘滞度区的有效应力相对地较大，因此，相对大的粘弹性应变可以冻结在光纤中。光纤设计成这样，使高粘滞度区是在纤芯附近或构成部分的纤芯，通过调制冻结的粘弹性应变，可以在纤芯附近获得相对大的折射率变化。在此情况下，有助于利用低粘滞度玻璃制造光纤的包层。
上述的技术可用于制造若干不同的光学装置，包括扩束器，跨接光纤，和光纤光栅。此外，上述的技术可用于实现光纤之间的低损耗拼接。以下描述这些应用中的每个应用。
例1扩束器按照本发明的一个特征，冻结粘弹性应变的调制可用于制造扩束器。扩束器是一种光学装置，用于增大光束传播通过这个扩束器之后的光斑尺寸。例如，扩束器可用于耦合单模光纤(SMF)与具有较大光斑尺寸的另一个装置之间的光能量，例如，激光二极管。扩束器还可用于把含有高光功率的光纤耦合在一起，因为，扩展的光束直径导致大大减小局部的光强。最后，扩展光束比小直径光束更容易被准直，因此，允许长距离的自由空间传播。利用体光学元件(即，透镜)，折射率掺杂剂的热扩散和渐变型光纤透镜已制成扩束器。
图1是按照本发明一个特征的扩束器10。扩束器10有三段，每一段有不同的折射率分布单模纤芯段12，过渡段14，和多模纤芯段16。单模纤芯段12有提供模场18的折射率分布，其直径适合于单模光信号传输。利用高斯曲线20说明单模模场18的局部位置。多模纤芯段16有提供扩展模场22的折射率分布。利用第二个高斯曲线22说明多模模场22的位置。过渡段14有这样的折射率分布，它被调制成提供单模模场18与多模模场22之间的平滑绝热过渡。“绝热”过渡是没有很大光损耗的过渡。
扩束器10是利用单根光纤制成的。通过加热量和加张力以控制光纤中冻结的粘弹性应变，形成扩束器10中的三段12，14和16。本发明的特征包括以下几个阶段(a)制造合适的预制棒；(b)在所加张力下将预制棒拉制成光纤，使该光纤中形成粘弹性应变；(c)快速冷却光纤以冻结粘弹性应变；(d)切割一段拉伸光纤；和(e)加热量和加张力到这段拉伸光纤，在光纤中沿其长度方向形成折射率分布的调制。
这个过程是从制备合适的预制棒开始。图2表示按照本发明一个特征的合适预制棒50的径向剖面图，而图3表示预制棒50的纵向剖面图，没有按比例画出。如图2和图3所示，预制棒50包括纤芯区52，围绕纤芯区52的环形包层区54，和围绕包层区54的环形外包层区56。为了便于说明，环形包层区54是用剖面线画出的。
给三个区域52，54和56掺杂以控制它们各自的折射率和各自的粘滞度。图4表示预制棒50的折射率分布100。由于玻璃的物理性质，预制棒中区域52，54和56的相对尺寸基本上保留在利用预制棒50拉制成的光纤中，拉伸光纤按比例有较小的直径。因此，为了便于说明，图4所示的折射率分布100有按比例缩小的径向轴，其数据表示利用预制棒拉制成光纤的径向坐标。
通常是利用不引入任何粘弹性应变的汽相沉积方法制造预制棒。因此，预制棒的折射率分布100也是利用该预制棒拉制成光纤的折射率分布，按比例缩小到不同的直径，其中假设光纤中已解除任何冻结的粘弹性应变或残余的拉伸诱发应力，并假设其中没有发生过任何影响光纤折射率分布的情况，例如，掺杂剂扩散。
如图4所示，折射率分布100包括中心略微升高的区域102，它对应于预制棒50的纤芯52；一对“肩膀”104，它对应于包层区54；和一对“手臂”106，它对应于外包层区56。可以看出，包层区的折射率104仅比纤芯区的折射率102低0.0005，而比外包层区的折射率106高0.003。在这个例子中，拉伸光纤的纤芯区直径为8微米，其包层区的直径为66微米。如数字模拟预测和测量结果所示，图4所示的折射率分布100有基模Petermann II型光斑，其直径在信号波长为1550nm的情况下约为40微米。当中心区的折射率102与肩膀的折射率104大致相同时，光斑直径为最大。大的光斑直径便于自由空间的准直，容许较大的横向失准，以及具有相对于标准单模光纤的低功率密度。
如以下所讨论的，除了有图4所示的折射率分布100以外，预制棒50也是掺杂的，使包层区54的粘滞度远远高于纤芯区52和外包层区56的粘滞度。一种在预制棒50中实现理想折射率分布和相对粘滞度的方法是，利用磷玻璃或锗和氟的混合物掺杂纤芯区52，而利用纯二氧化硅作为包层区54和利用低粘滞度的重下降掺杂(down-doped)管作为外包层区56。此外，外包层区56可以重掺氟以分担理想的折射率和粘滞度。
图5表示按照本发明另一个特征的光纤拉伸装置150。如图5所示，预制棒50装入到拉丝炉，其中预制棒逐渐地下降到热区152，加热预制棒的低端达到它的软化温度，可以从预制棒50拉制成光纤154。如图5的示意图所示，重物156或其他机构用于加张力到被拉制的光纤154。在这个例子中，所加的张力量大约为30g，当然，也可以使用其他合适的张力。
如上所述，预制棒50是这样掺杂的，使包层区54的粘滞度远远高于纤芯区52和外包层区56各自的粘滞度。因此，包层区54承受所加的大部分张力。然后，在应变状态可以从光纤中消失之前，通过快速冷却光纤154，包层区54中形成的粘弹性应变冻结在光纤154中。因为所加的张力主要是由包层区54承受，而纤芯区52或外包层区56中仅冻结相对小的粘弹性应变，如果发生这样的情况。
由于光弹性效应，在所加张力156作用下预制棒50被拉制成光纤，使包层区54的折射率有很大的变化，而纤芯区52和外包层区56的折射率仅有很小的变化。图6是光纤的“拉伸”折射率分布201的曲线图200。同样，折射率分布201包含三段202，204和206，它们分别对应于拉伸光纤中的纤芯区52，包层区54和外包层区56。为了便于比较，图4所示的折射率分布作为踪迹208叠加到在图6中。双向箭头210用于说明包层区54的折射率变化Δn。如图6所示，在拉伸光纤中，包层区54的折射率约减小0.0036。
如图6所示，除了使包层区的折射率204减小以外，拉制过程还使纤芯的折射率202略微增大。纤芯区52中较小的折射率增大(0.001)源于残余的拉伸诱发弹性应力。纤芯折射率的增大是有利的，因为它增大纤芯区折射率与包层折射率之差，从而便于拉伸光纤的单模运行。然而，应当注意，即使纤芯折射率没有增大，或纤芯区折射率的变化是不利的，也可以实现本发明。当低粘滞度区的横截面面积很小时，例如，掺杂的纤芯，大的残余应力可以出现在该区域。增大低粘滞度区相对于高粘滞度区的横截面面积可以减小低粘滞度区中的残余弹性应力，而仍然允许大的粘弹性应变及其相关的折射率变化冻结在光纤的高粘滞度区。
从图6中可以看出，拉伸光纤的折射率分布201，拉伸光纤中的包层区54，其折射率比纤芯区52的折射率低0.005。对于图6中所示的折射率分布201，数字模拟结果预测在信号波长为1550nm的情况下Petermann II型光斑直径是10.3微米。这个直径适合于单模光信号的传输，并可与标准单模光纤(SMF)相比较，单模光纤的光斑直径在信号波长为1550nm的情况下是10.5微米。
一旦光纤被拉伸和冷却，热量加到一段光纤上，在沿其长度方向形成理想的光纤折射率调制。如上所述，在没有张力的情况下，加热光纤到其应变点附近或应变点以上，使冻结的粘弹性应变和残余的弹性应力消失。应变点约为1,100℃。只要一段光纤保持在这个温度附近或这个温度以上，该段包层区的折射率作为从其降低的拉伸电平到其松弛的平衡电平时间的函数，而纤芯区和外包层区中的折射率受影响较小。若允许该段光纤在冻结的粘弹性应变完全消失之前冷却，则受控的冻结粘弹性应变和折射率变化仍保留在该段光纤中。
回到图1，扩束器10中的三段12，14和16是按照上述的技术制造的。利用图6所示折射率分布的拉伸光纤形成扩束器的单模段12。通过完全松弛一部分光纤形成扩束器的多模段16。通过加热源到一段光纤，使该段光纤从拉制的应变状态到完全松弛的应变状态是平滑调制的，则形成扩束器的过渡段14。当光纤完全松弛时，因为包层的折射率已回到其松弛的预制棒电平，单模纤芯基本消失，而在该处出现多模纤芯，形成大得多的模场。于是，扩束器10的单模部分12连接到标准的SMF光纤可以有很小的损耗。按照本发明的另一个特征，沿过渡段的长度方向所加的热量被调制，为的是在应变的折射率分布与未应变的折射率分布之间产生绝热过渡。
为了产生理想的过渡段调制，热量加到该过渡段，使冻结粘弹性应变状态的松弛量呈现平滑的渐变。图7表示按照本发明一个特征的加热装置250。在这个方案中，加热装置250包括恒定的热源252，它可以沿着一段光纤256的长度由箭头254所指出方向运动，从光纤的裂开端258开始运动。例如，利用有热源的熔融接合器可以制成加热装置250，热源可以沿装入熔融接合器的光纤长度方向扫描。也可以保持热源不动而移动光纤，或热源与光纤互相之间有相对运动。
在第二个方案中，利用可变热源产生理想的调制。例如，这种热源强度可以沿光纤长度的方向发生变化。这个方案可以与热源与光纤之间有相对运动的方案进行组合。
在第三个方案中，在光纤加热到其应变点附近或应变点以上时，可以给光纤加变化的张力。这种变化的张力可以在已有的冻结应变状态中形成调制或形成完全新的应变状态。在这个方案中，温度和张力的条件是这样选取的，使这个过程基本不改变原始光纤的直径。应当注意，在不偏离本发明精神的条件下，第一个方案，第二个方案和第三个方案中的一些方案或全部可以互相组合，或与其他的方案进行组合。
图8是恒定热源252沿光纤256长度方向运动的速度分布曲线图300。热源252是在光纤的裂开端258开始加上，然后，沿光纤的长度方向前进。如图8所示，该热源在约6.3秒内前进约4.4mm，从最初的速度0.3mm/sec加速到1.5mm/sec。因此，光纤的裂开端258从热源252接受最大的热量。加到光纤上的热量沿光纤的长度方向逐渐减小。
因为光纤的裂开端258接受最大的热量，它经受最大的冻结粘弹性应变的松弛量。应变松弛量沿光纤的长度方向逐渐减小。利用图8所示速度分布的加热过程在光纤的裂开端258与远离裂开端258的单模段之间产生绝热过渡。
图9和图10是按照上述技术制造的光学装置中折射率调制的曲线图350和400。图9表示四条踪迹352-358，它说明沿光纤长度方向的四个不同位置处的光纤折射率分布。最上方的踪迹352表示光纤裂开端的折射率分布。次最上方的踪迹354表示离光纤裂开端3mm的折射率分布。第三条踪迹356表示离光纤裂开端5mm的折射率分布。最下方的踪迹358表示离光纤裂开端6mm的折射率分布。如图9所示，每条踪迹352-358包括对应于光纤芯区的尖峰区360，对应于光纤包层区的高台区362，和对应于光纤外包层区的低谷区364。如图9所示，对应于踪迹352的高台区362折射率在光纤裂开端处在它的最高电平，并随着与光纤裂开端的距离增大而逐渐地降低。
图10表示扩束器折射率的三维曲线图400。在x轴和y轴上画出折射率。z轴代表与光纤裂开端的距离。每个折射率分布410-436包括对应于光纤芯区的中心尖峰440，对应于光纤包层区和位于尖峰440两侧的高台区442，和对应于光纤外包层区和位于高台区442两侧的低谷区444。如图10所示，包层区的折射率在光纤的裂开端是它的最高点，它对应于踪迹410，并随着与光纤裂开端距离的增大而逐渐下降。
图11表示比较SMF-28单模光纤452，扩束器的单模部分454，和扩束器的多模部分456中各个模场的曲线图450。利用近场扫描技术在1550nm条件下测量扩展的模场，而根据折射率测量结果利用数字方法计算较小的模场。这个特定的扩束器将模场约放大4倍。
图12和图13分别表示另一个扩束器的单模部分的模场图像500和多模部分的模场图像520。利用显微物镜和CCD摄像机在1310nm的条件下得到图12和图13所示的图像。图11-13说明扩束器多模部分的模场远远大于拉伸光纤的模场。这个特定扩束器将模场直径约放大3倍。
制成扩束器的另一个方案是，利用高粘滞度玻璃作为纤芯，例如，纯二氧化硅，利用低粘滞度和低折射率玻璃作为包层，例如，掺氟二氧化硅。当这种光纤在足够高的张力下拉制时，冻结的粘弹性应变将减小纤芯的折射率，该折射率与下降掺杂的包层折射率匹配。可以利用低折射率聚合物涂覆这种光纤，使光纤具有大模场直径多模光纤的功能。若粘弹性应变在一部分光纤中消失，且单模纤芯沿光纤长度方向逐渐显现，则光纤的多模部分平滑地演变成单模光纤，因此，制成类似于以上详细描述的扩束器。
图14表示按照本发明的方法流程图550。在步骤552，制造有多个区的预制棒，其中至少一个区有高粘滞度，和至少一个区有低粘滞度。在步骤554，在所加张力下将预制棒拉制成光纤，使光纤的高粘滞度区产生粘弹性应变。在步骤556，让光纤快速冷却，使粘弹性应变冻结在光纤区中。在步骤558，切割一段拉伸光纤。在步骤560，加热切割下的一段光纤，为的是在沿该段光纤的长度方向形成调制的折射率分布。
例2跨接光纤本发明的另一个特征提供用于制造跨接光纤(Bridge fiber)的技术，例如，跨接光纤用于减小具有不同模场形状的两个光纤之间的拼接损耗。在整个本申请书和权利要求书中，术语“拼接(splice)”一般是指光纤之间的任何连接，包括熔融拼接，机械拼接，或其他的连接技术。跨接光纤设计成这样，使有跨接光纤的总拼接损耗小于没有跨接光纤的直接拼接损耗。例如，跨接光纤用于先进的色散管理(dispersion-managed)光纤系统，这种系统通常要求完全不同光纤设计之间低损耗连接，为的是获得理想的总色散特性。某些色散管理光纤系统要求交替光纤设计之间频繁的连接。若这些连接具有过大的损耗，则色散管理光纤系统不能满足性能的要求。因此，有效的跨接光纤可以实现先进色散管理光纤系统的技术。按照本发明的一个特征，通过调制冻结应变状态制造的变化波导光纤可以作为这些光纤系统中的有效跨接光纤。
图15是结合跨接光纤概念的光纤传输线600的视图。传输线600包括第一光纤F1和第二光纤F2，这两个光纤有各自非常不同的折射率分布602和604，因此有不同的模场，导致这两个光纤之间很高的直接拼接损耗。跨接光纤BF连接在光纤F1与光纤F2之间以减小总的拼接损耗。利用熔融拼接，机械拼接，或其他合适的连接技术，或这些技术的组合，跨接光纤可以连接到光纤F1和光纤F2。
跨接光纤特别设计成在第一端与第二端之间提供低损耗过渡，第一端有与第一光纤F1匹配的折射率分布606和模场形状，而第二端有与第二光纤F2匹配的的折射率分布608和模场形状。如图15所示，跨接光纤BF第一端的折射率分布606包含中央尖峰612两侧的一对沟槽610，中央尖峰612对应于跨接光纤BF的纤芯。在跨接光纤BF第二端的折射率分布608中，沟槽610有显著减小的尺寸。
此处，若两个折射率分布的各自形状提供足够的模场重叠，使连接在一起的两个光纤有可接受的小拼接损耗，我们就说跨接光纤BF一端的折射率分布与连接到跨接光纤的光纤折射率分布“匹配”。因此，如图15所示，第一光纤F1的折射率分布602不必与跨接光纤BF第一端的折射率分布606完全相同。类似地，第二光纤F2的折射率分布604不必与跨接光纤BF第二端的折射率分布608完全相同。
按照本发明的一个方面，通过调制光纤的冻结粘弹性应变状态制造跨接光纤。使用的技术类似于上述制造扩束器的技术。同样，这个过程也是从制造合适的预制棒开始。图16表示合适预制棒650的径向剖面图。预制棒包含掺锗的纤芯区652。围绕纤芯区是用剖面线表示的环形纯二氧化硅区654。围绕纯二氧化硅区654是掺锗的环形区656。围绕掺锗的环形区是低粘滞度的外包层658。纯二氧化硅区654的粘滞度远远高于纤芯区652，掺锗环形区656和外包层区658的粘滞度。
高粘滞度纯二氧化硅区654横截面面积故意设计成相对地小，在所加的非零张力下利用预制棒650拉制成光纤时，产生相对大的折射率变化。预制棒的其他区域有相对低的粘滞度，以保证粘弹性应变优先地冻结在纯二氧化硅区654，因此，产生围绕纤芯区654有很深的折射率沟槽。
图17表示利用图16所示的预制棒拉制成光纤的折射率分布。实线702表示拉伸光纤的折射率分布，虚线704表示完全松弛光纤的折射率分布。每个折射率分布包括对应于光纤纤芯区652的尖峰706，对应于纯二氧化硅区654的沟槽区708，对应于掺锗环形区656的峰值区710，和对应于外包层658的平坦区712。如图17所示，两种折射率分布702和704主要区别是纯二氧化硅区708的折射率，沟槽区708在拉伸光纤中比较显著，而在完全松弛的光纤中是基本平坦。
第一折射率702设计成与第一光纤F1的折射率匹配，第二折射率704设计成与第二光纤F2的折射率匹配。用于制造上述扩束器的技术可在第一折射率分布702与第二折射率分布704之间形成绝热过渡。
第一光纤F1与跨接光纤BF之间的熔融拼接是在相对低的温度下完成的，并利用相对短的拼接时间以减小光纤掺杂剂的扩散。通常，熔融拼接光纤需要加热到约1,900℃的较高温度，足以使拼接点附近的冻结粘弹性应变立刻消失。拉伸光纤的纯二氧化硅区中深的折射率沟槽来源于冻结的粘弹性应变，必须有这种深的折射率沟槽以实现与第一光纤F1的低损耗拼接。为了恢复冻结的粘弹性应变和深的折射率沟槽，在保持光纤所受张力为100g量级的同时，制成的拼接点从远远高于应变点的温度下冷却。
然后，在允许解除跨接光纤中的应变以减小折射率分布中沟槽的拼接条件下，利用熔融接合器拼接跨接光纤BF的第二端到第二光纤F2。跨接光纤BF与第二光纤F2之间的熔融拼接是在相对高的温度下仔细地完成的，并利用相对长的拼接时间以增大掺杂剂的扩散，从而进一步减小拼接损耗。应当注意，在不偏离本发明精神的条件下，可以按照任何的顺序或同时进行拼接。
仅利用掺杂剂扩散以减小拼接损耗的更常规的跨接光纤设计，在第一光纤F1与第二光纤F2之间产生的总拼接损耗为0.4dB。此处描述的变化波导拼接光纤设计的数字模型预测总的拼接损耗为0.1dB。因此，此处描述的跨接光纤可以给利用光纤F1和光纤F2制造先进的色散管理光纤系统提供很大的优点。
图18表示按照本发明另一个特征的方法流程图750。在步骤752，制造一根预制棒，它有低粘滞度纤芯，围绕纤芯的高粘滞度区，和围绕高粘滞度区的低高粘滞度区。在步骤754，在所加张力下将预制棒拉制成光纤，使高粘滞度区承受大部分的张力，从而形成围绕纤芯的深折射率沟槽。在步骤756，让拉伸光纤迅速冷却，使粘弹性应变冻结到高粘滞度区。在步骤758，从该光纤中切下一段光纤。在步骤760，加热这段光纤，以便在沿光纤长度方向形成调制的折射率分布，从而制成跨接光纤。在步骤762，在保存光纤中折射率沟槽的拼接条件下，将第一光纤拼接到跨接光纤的第一端。在步骤762，在减小折射率沟槽的拼接条件下，将第二光纤拼接到跨接光纤的第二端。此外，也可以这样选取拼接条件，使掺杂剂扩散以便进一步减小拼接损耗。
例3光纤光栅本发明的一个特征提供用于制造光纤光栅的技术，例如，长周期光栅。长周期光栅是沿其长度方向有周期性变化的光纤，这种周期性变化可以交换两个模式之间的功率，例如，纤芯导模和包层导模。图19表示具有折射率周期性变化802的光栅示意图800。可以看出，图19所示的光纤光栅800不同于上述的扩束器和跨接光纤，其中光纤光栅800的折射率分布是按照周期性方式调制的，而在扩束器和跨接光纤中，它们各自的折射率分布是按照非周期性方式或单调方式调制的。
目前，通常利用多种技术制造光纤光栅。在一种技术中，两个交叉的紫外激光束形成周期性条纹的干涉图形。纤芯放置在干涉图形中，从而形成永久的光纤折射率周期性变化。在另一种目前使用的技术中，掩模用于在光纤中形成周期性图形，其中紫外激光束通过掩模使该光纤曝光。
图20表示按照本发明一个特征的方法流程图850。在步骤852，光纤被加热到其应变点附近或应变点以上。在步骤854，加受控的非零张力到光纤上，使该光纤中形成完全新的粘弹性应变状态。应当注意，粘弹性应变也影响光纤的光敏性，包括光纤对紫外辐射的灵敏性。加受控张力诱发的新粘弹性应变状态产生光纤折射率的周期性扰动。在步骤856，光纤被迅速冷却，使周期性扰动冻结在该光纤中。为了防止诱发的应变在冻结之前从光纤中消失，在光纤冷却时可以保持所加的张力。按照本发明的另一个特征，当扰动周期在500μm的量级上时，可以得到理想的光谱特性。
例4低损耗拼接最后，按照本发明的一个特征，在拼接点从远远高于光纤应变点温度下冷却的同时，通过保持拼接的张力，以减小两个光纤之间的拼接损耗。按照本发明的这个特征，通过冻结有利的粘弹性应变状态到光纤中，使拼接接合处的光纤产生有利的折射率分布。本发明的这个特征是相关专利申请的主题，序列号为No.＿＿＿＿＿＿＿＿_，该专利申请的申请日期与本申请的相同。
图21表示按照本发明另一个特征的系统图900，通过控制光纤902的粘弹性应变状态用于制造光学装置。系统900包括多个光纤导向器904，用于夹持光纤902到合适的位置进行处理。如上所述，利用热源906加热光纤到其应变点或应变点以上的温度，并加受控的张力到光纤或允许冻结的应变消失，控制该光纤中的粘弹性应变。热源906安装在平移台908上，平移台908可以使热源906沿光纤902的长度方向扫描。此外，系统900包括合适的机构910，用于调节光纤902上所加的热量强度。系统900还包括合适的测量装置912，用于监测被处理的光纤902的光学性质。例如，测量装置912可以是光功率计，光谱分析仪，光束整形器，折射率监测器，成像系统，或其他的测量设备，系统900还包括机构914，用于加张力到光纤902。机构914包括多个导向辊916，每个导向辊916有足够大的半径以避免损伤光纤902。利用活塞组件918加张力到光纤902。然而，在不偏离本发明精神的条件下，也可以使用其他加张力的技术。
按照本发明的另一个特征，微处理器控制器920用于控制系统900中各种部件，包括热源906的强度和位置，和加到光纤902上的张力。控制器920还通过测量装置912监测光纤的光学性质，测量装置912给控制器920提供反馈信号。
虽然，以上的描述包括可以使本领域专业人员实现本发明的细节，应当承认，这种描述是说明性的，理解这些内容的专业人员可以作出许多改动和变化。因此，此处描述的本发明仅仅受所附权利要求书的限制，权利要求书可以解释成超出现有技术的范围。
权利要求
1.一种制造光纤装置的方法，包括(a)制造包含纤芯和至少一个包层区的预制棒，包层区有较高粘滞度，而纤芯区有较低粘滞度，包层区与纤芯的相对粘滞度是这样选取的，当张力加到由预制棒拉制成的光纤时，所加的张力主要是由包层区承受，从而使粘弹性应变冻结在包层区中，而在纤芯中形成很小的粘弹性应变；(b)在所加的张力下将预制棒拉制成光纤，使粘弹性应变冻结在包层区中，冻结的粘弹性应变减小包层区的折射率；(c)通过加热一段光纤，改变该段光纤中包层区的折射率，为的是解除该段光纤中冻结在包层区的粘弹性应变，从而增大该段光纤中包层区的折射率。
2.按照权利要求1的方法，其中步骤(c)包括加受控的热量到该段光纤中，热量被调制以引起该段光纤中包层区的调制弛豫，从而引起该段光纤中包层区折射率的调制变化。
3.按照权利要求2的方法，其中步骤(c)还包括按照速度分布沿该段光纤扫描热源，加受控的热量到该段光纤，在该段光纤的包层区中引起冻结粘弹性应变的调制弛豫，从而造成包层区折射率的调制增大。
4.按照权利要求2的方法，其中步骤(c)还包括沿该段光纤加调制的热量，引起该段光纤中包层区的冻结应变状态的调制弛豫，从而造成该段光纤中包层区折射率的调制增大。
5.按照权利要求4的方法，其中步骤(c)还包括利用适合于产生所设计加热分布的稳定热源，从而引起该段光纤中包层区折射率的调制增大。
6.按照权利要求1的方法，其中光纤被加热以形成三段第一段有第一模场直径；第二段有大于第一模场直径的第二模场直径；和第一段与第二段之间的过渡段，过渡段提供第一模场直径与第二模场直径之间的绝热过渡。
7.按照权利要求1的方法，其中光纤被加热以形成三段第一段的折射率分布与第一光纤设计的折射率分布匹配；第二段的折射率分布与第一光纤设计的折射率分布匹配；和第一段与第二段之间的过渡段，过渡段提供第一折射率分布与第二折射率分布之间的绝热过渡，使该装置可以作为连接第一设计光纤和第二设计光纤的低损耗跨接。
8.一种光纤装置，包括有纤芯和至少一个包层区的光纤，包层区有较高的粘滞度，而纤芯区有较低的粘滞度，包层区与纤芯的相对粘滞度是这样选取的，期望的粘弹性应变状态可以冻结在包层区或从包层区中解除，从而使纤芯的粘弹性应变状态发生微小的变化；包层区有粘弹性应变状态，它被调制成沿包层区长度方向产生调制的折射率。
9.按照权利要求8的光纤装置，其中包层区的粘弹性应变状态被调制成在光纤中形成三段第一段，具有折射率分布与第一光纤设计的折射率分布匹配；第二段，具有折射率分布与第二光纤设计的折射率分布匹配；和第一段与第二段之间的过渡段，过渡段提供第一折射率分布与第二折射率分布之间的绝热过渡，使该装置可以作为连接第一设计光纤与第二设计光纤的低损耗跨接。
10.按照权利要求8的光纤装置，其中光纤被加热以形成三段第一段，具有第一模场直径；第二段，具有第二模场直径，第二模场直径大于第一模场直径；和第一段与第二段之间的过渡段，过渡段提供第一模场直径与第二模场直径之间的绝热过渡。
全文摘要
描述用于制造变化波导光纤的系统和方法。在一个方法中，制造有纤芯和至少一个包层区的预制棒。包层区有较高粘滞度，而纤芯区有较低粘滞度。包层区与纤芯的相对粘滞度是这样选取的，当张力加到由预制棒拉制成的光纤时，所加的张力主要是由包层区承受，从而使粘弹性应变冻结在包层区中，而在纤芯中形成很小的粘弹性应变。该方法还包括在所加的张力下将预制棒拉制成光纤，使粘弹性应变冻结在包层区中，冻结的粘弹性应变减小包层区的折射率。通过加热一段光纤，改变该段光纤中包层区的折射率，为的是解除该段光纤中冻结在包层区的粘弹性应变，从而增大该段光纤中包层区的折射率。
文档编号C03B37/10GK1465991SQ0215755
公开日2004年1月7日 申请日期2002年12月20日 优先权日2002年7月3日
发明者大卫·J.·迪吉奥范尼, 安德鲁·D.·亚布龙, 曼·F.·研, D. 亚布龙, 研, 大卫 J. 迪吉奥范尼 申请人:菲特尔美国公司