单模光纤和具有相同结构的通信系统的耦合装置制造方法及图纸

通过使导模ＬＰ－［０１］对适当的隧道泄漏［ＴＬ］模产生准谐振耦合，光辐射可有效地在单模纤维的中间部位处取出或注入进去．这种耦合由纤维中的光栅来实现．形成光栅的方法是对纤维施加一周期［或准周期］性的调制，或使纤维折射率产生周期［或准周期］性的变化．为使耦合是准谐振的，α－［ｒｓ］必需相当小，典型值小于ＩｄＢ／ｃｍ．适当选择λ［Ｚ］和／或光栅的幅值函数可增加耦合效率．本发明专利技术中的装置可作为辐射耦合器及滤波器使用，光折射型的还可作为幅值调制器使用．（*该技术在2006年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的装置的作用是，将光功率从光纤中耦合出来或将光功率耦合进光纤中或者两种情况都存在，此外还可以将光功率耦合到由这些装置所组成的光纤通信系统中。光通信已经取得了非常迅速的进展，并已发展到连光纤传输系统几乎也成为很普通的程度。光学纤维不只用于干线(即长送线路)上，而且也用于短距离的信息传输，如用于局间网络中，而且还能用在用户回路中。在很多应用中，必须或至少有要求在中间部位将光功率注入到纤维波导中，或者在这些部位处将光功率从纤维波导中取出来，或者是两种需要兼尔有之，同时不能把纤维弄断或进行连接，而且也不需要对纤维波导中的耦合点进行特殊的处理。一段时间以来，这样的耦合器在工艺上已被人们知道了，例如美国专利3，931，518(简写为′518)介绍了一种耦合器的具体装置，在本文中被看作为一种“光栅”耦合器。专利′518中介绍到，光功率可以从光纤中被耦合出来，方法是将一周期性的形变施加在该光纤上，对形变周期进行选择以便使适当的辐射模之间产生耦合。以这种方式，功率可以谐振性地从低次模传输到较高次的导模或束缚模中，而且非谐振性地从较高次的束缚模传输到所谓的隧道泄漏(TL)模中，然后通过与纤维波导相接触的绝缘体在周期性形变区的后方一点处从纤维波导的包层中泄漏掉，该点的折射率近似地等于或大于包层的折射率。为解释有关的理论，例如可参看D.Marcuse的文章，“Theory of Dielectric Optical Waveguides”，Academic Press，1974，especially Pages 95-157。简单地说，文章表明有可能提供一种多模光纤中的耦合机理，例如使得第(i，j)和第(p，q)束缚模互相耦合，在Lc＝π/Rij，pq的耦合长度上产生全部的能量交换，其中耦合常数Rij，pq取决于纤维的参数，如芯径、芯和包层之间的折射率差、工作波长，纤维剖面形状，而且在如专利′518所提出的一种耦合器中它还决定于纤维形变的幅值。当形变幅值增加时，耦合长度Lc减少。这样，象专利′518所提出的先前工艺所制作的耦合器中那样，通过调整多模纤维形变的幅值。使之得到最大的效率，并导致谐振能量从低次传输到较高次的束缚模中。尽管′518中指出，光功率能够从单模纤维唯一的导模(通常叫做LP01模)中被耦合到该纤维的一个或多个TL模中，因此专利′518所提出的那种类型的耦合器不仅可使用多模纤维，而且也可以使用单模纤维，但事实上这种类型的耦合器只被用在与多模纤维的连接中。其原因如下。一般都知道，在这种工艺中，多模纤维中束缚模之间的耦合过程是一种谐振过程，而且可对耦合参数进行调整而导致有效谐振功率传输到高次束缚模中，且从这些模式中非谐振地传输到TL模中。另一方面，该理论还指出，在单模纤维中，束缚模LP01′和一个TL模例如LP11′之间的耦合是非谐振的，以至于LP01模辐射的幅值在沿传播方向上随距离增加而成指数下降，这是由于LP01模的功率以一定的比值连续地传送到TL模中。例如可参看上面所引证D。Marcuse的书中112页，在那里讲到，对于单模传导的情况，耦合进TL(辐射)模的功率从传导状态被辐射，而且它不与导模相互作用。因为这种非谐振性的耦合不能进行调整，以至于有效功率在LP01模和TL模之间传送，因而在工艺上一般人们认为“光栅”型纤维接头不能有效地用在单模纤维中。多模纤维中因微弯所引起的耦式耦合涉及到一种谐振机理的事实也已被用在制做高灵敏度的纤维光学位移传感器中。例如可参看N.Lagakos的文章，Digest of Tdchnical Papers of the Conference on Optical Fiber Communica-tion，New Orleans，La，January 1984，PP.56-58。G.F.Lipscomb等人的文章，First International Conference of Optical Fibers Sensors，London，April 1983，PP.117-121，报导了使用单模和多模纤维所得到的实验结果，其中，通过将多模纤维弯折在一个园柱形轴的周围则可以感应出一次弯曲。在这两种类型的纤维中已经观察到了束缚模和TL模之间的干涉效应。尤其还观察到，这种弯曲使一部分芯子模式的功率转换为包层模式的功率，而且在特殊的角度上，一部分包层模功率反过来转换为芯模功率。应该注意到的是，Lipscomb等人的一次弯曲结构中的干涉效应不是所要求的为本应用中所关心的谐振耦合效应。关于这一方面，可参看上述Marcuse书中的156-157页。K.P.Jackson等人的文章，Applied Physics Letters，Vol.41(2)，PP.139-141(1982)，报导了一种有接头的单模光纤延迟线。通过在纤维上接一个分流线可形成这种接头，从而可感应到1.5mm的纤维弯曲半径。在这项技术中没有涉及到任何谐振耦合。由于单模光纤正迅速成为长距离传输中所选用的纤维类型，甚而也被认为是短途应用的有前途的介质，其中许多发送站和/或接受站都接了一根或双根纤维传输线路，这样就使下述要求变得极为明显，即要求有一种通用的有效装置用于将光功率耦合进单模光纤，或从中耦合出来，或者两种情况都存在，同时不破坏纤维而且不使耦合区纤维的特性发生永久性的变化。这项用途揭示出对这种耦合装置的要求。“光学纤维”(或纤维波导，或其它等价的术语)是一种细长的物体，其组成是，具有较高折射率(在信号波长λ0处)的内部区域(芯子)，它高于芯周围区域即包层的折射率。光学纤维可由具有许多折射率互不相同的包层所组成，典型的纤维周围有一个涂层或有多个涂层。典型的涂层是一种聚合物，并且对耦合进纤维或从纤维中出来的辐射是透明的(在实际所使用的纤维中，有代表性的专利技术物是透明的)。在光学通讯系统中，常常需要把两根或更多的纤维连接在一起，从而在第一根纤维的端部到第二根纤维的端部之间形成连续的光学通讯通路。一个端部可作为该通讯通路的输入端，另一端部为输出端。不过，使用一个系统并在光纤的每一端部设置发送和接收装置就可使原有的通路双向传输信号。光学纤维中所传导的辐射或其中所发出的辐射可以用辐射“模式”这样的术语来描述。在这里用D.Gloge所介绍的命名法，Applied Optics，VOl.10，PP.2252-2258(1971)，给模式做标记。每个模式LPij都能与一个衰减常数αij和一个传播常数βij联系起来。单模纤维中的“隧道泄漏”(TL)模是低次辐射模(LP11、LP12、LP21……)，它们具有相当小的衰减常数。这里的“耦合器”指的是下述两种装置，即用于将光功率由位于中间部位的纤维中取出的装置及将光功率注入到位于中间部位的纤维中的装置。“光栅”在这里是一中间纤维段，在该部位中，纤维的传输特性以一种周期性或准周期性的方式发生变化。一个光栅由N个单元组成，重复长度为λ(Z)，其中Z是纤维的轴向坐标。与光栅相关的是一种“包络”函数g(Z)所描述的“包络幅值”，函数g(Z)可以是一个常数或一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
将波长为λ↓〔０〕的电磁辐射耦合进光学纤维的中间部位或从该部位耦合出来的装置，光纤由芯子和包住芯子的包层组成，光纤的光学特性包括存在于该纤维中的每个辐射模式ＬＰ↓〔ｉｊ〕的衰减常数ａ↓〔ｉｊ〕和传播常数β↓〔ｉｊ〕，其中ｉ是一个非负整数，而ｊ是一个正整数，其特性如下：ａ）该纤维是在波长λ↓〔０〕处的单模光纤；ｂ）耦合装置包括了在纤维的中间部位形成由Ｎ个单元组成的光栅的装置，光栅是纤维的一部分，纤维中的一个或一个以上的纤维参数作为纤维轴坐标Ｚ的函数发生变化，纤维参数 包含有芯子折射率和纤维轴的几何结构，与光栅相联系的参数是一个标准重复距离λ（Ｚ）和一个标准的辐值函数ｇ（Ｚ）；ｃ）选择Λ（Ｚ）使得Ω↓〔０〕＝（２π／＊）＞β↓〔０１〕－２πｎ↓〔ｃｌ〕／λ↓〔０〕，其中Λ是光栅中的平均重复间隔，β↓〔 ０１〕是辐射中的ＬＰ↓〔０１〕模的传播常数，而ｎ↓〔ｃｌ〕是纤维包层的折射率；ｄ）对Λ（Ｚ）做进一步的选择，使得Ω↓〔０〕＝β↓〔０１〕－β↓〔ｒｓ〕，其中β↓〔ｒｓ〕是辐射中的ＬＰ↓〔ｒｓ〕模的传播常数，在这里ＬＰ↓〔ｒｓ〕是纤维中波 长为λ↓〔０〕的辐射的隧道泄漏（ＴＬ）模；ｅ）ＬＰ↓〔ｒｓ〕模的衰减常数ａ↓〔ｒｓ〕小于１ｄＢ／ｃｍ。...

【技术特征摘要】
US 1985-11-6 795,4821.将波长为λ0的电磁辐射耦合进光学纤维的中间部位或从该部位耦合出来的装置，光纤由芯子和包住芯子的包层组成，光纤的光学特性包括存在于该纤维中的每个辐射模式LPij的衰减常数αij和传播常数βij，其中i是一个非负整数，而j是一个正整数，其特征如下a)该纤维是在波长λ0处的单模光纤；b)耦合装置包括了在纤维的中间部位形成由N个单元组成的光栅的装置，光栅是纤维的一部分，纤维中的一个或一个以上的纤维参数作为纤维轴坐标Z的函数发生变化，纤维参数包含有芯子折射率和纤维轴的几何结构，与光栅相联系的参数是一个标准重复距离λ(Z)和一个标准的幅值函数g(Z)；c)选择∧(Z)使得Ω0＝(2π／)>β01-2πncl/λo其中∧是光栅中的平均重复间隔，β01是辐射中的LP01模的传播常数，而ncl是纤维包层的折射率；d)对∧(Z)做进一步的选择，使得Ω0=β01-βrs，其中βrs是辐射中的LPrs模的传播常数，在这里LPrs是纤维中波长为λ0的辐射的隧道泄漏(TL)模；e)LPrs模的衰减常数αrs小于1dB/cm。2.权项1中的耦合装置，其中形成光栅的装置由使纤维轴产生波纹形状的装置或能局部改变纤芯折射率的装置组成。3.权项1中的耦合装置，其中LPrs模是LP11模。4.权项1中的耦合装置，其中标准的幅值函数g(Z)是一个常数。5.权项1中的耦合装置，其中标准的幅值函数g(Z)是正比于Z的高斯函数。6.权项1中的耦合装置，其中标准的重复距离∧(Z)是一个常数。7.权项2中的耦合装置，其中使纤维轴产生波纹形状的装置由至少一个成波纹状的器件及将该器件加在纤维上并使之变形的装置组成。8.权项2中的耦合装置，其中，用于局部改变纤芯折射率的装置包括存在于纤芯中的光折射活性化学元素和使纤芯受到光化辐射照射的装置，从而通过光折射效应来改变纤芯的折射率。9.权项2中的耦合装置，其中，用于局部改变纤芯折射率的装置至少包括一个波纹状器件和将之加在光纤上的装置，从而通过光弹性效应来改变纤芯的折射率。10.权项1中的耦合装置，其中至少在纤维的中间部位涂有一种对波长λ0的电磁辐射基本上是透明的材料。11.权项2中的耦合装置，它具有一种可加强由纤维包层中向外发射辐射的装置。12.权项11中的装置，其中加强包层辐射向外发射的装置包含有一个在离开光栅后方部位处与纤维接触的绝缘体，该绝缘体对波长为λ0的辐射基本上是透明的。13.权项11中的装置，其中加强包层辐射向外发射的装置包含有使纤维在光栅后方部位处产生一宏观弯曲的装置。14.一个光通信系统，其组成包括波长为λ0的初级电磁辐射源;用于传输初级辐射的光纤;将初级辐射在纤维的第一个部位处耦合进纤维的第一套装置，在远离第一个部位的第二个部位处来检测由第一部位处通过纤维传输到第二部位处的初级辐射的装置;由芯和包住芯的包层组成的纤维;纤维的光学特性包括存在于纤维中的初级辐射的每个模式LPij的衰减常数αij和传播常数βij，其中i是一个非负整数，j是一个正整数。此外，该光通信系统还包含有第二套装置，它可将初级辐射在纤维的第一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：扎姆斯阿施利阿伯森，伊安阿瑟怀特，伊安阿瑟怀特，
申请(专利权)人：美国电话电报公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]