專利名稱：混合光纖擴束連接器及其使用和制作方法
技術領域：
本發明一般涉及光學連接器，尤其涉及能連接諸如模場直徑(MFD)或有效面積不同的單模光纖等不同光纖的混合光纖擴束連接器。本發明還可用于連接因由不同熱膨脹系數(CTE)的玻璃制作而難以熔接的光纖。
背景技術：
光學連接器制造商一直試圖設計一種能連接不同類光纖的光學連接器。而這類連接器是大家所期望的，因為日益增多的不同光纖類型正在變為商品，包括譬如特色光纖與色散補償光纖，它們都有不同的MFD和有效面積。遺憾的是，當今并無能連接不同光類纖的光學連接器，必須把不同類光纖相互熔接在一起，既費時間，有時還不很有效(損失高)。因此，要求有一種光學連接器能有效地使不同類光纖連接且模式匹配。本發明的混合光纖擴束連接器和方法滿足了這一要求和其它一些要求。

發明內容
本發明包括一種混合光纖擴束連接器，能連接不同的光纖，如模場直徑(MFD)或有效面積不同的單模光纖，還能連接由不同成分和不同CTE的玻璃制作的光纖，而這種光纖因拼接應力高，難以通過熔接可靠地接合在一起。該混合光纖擴束連接器包括的第一帶透鏡光纖與第二帶透鏡光纖光耦但在物理上與第二帶透鏡光纖分開，第一帶透鏡光纖包括一類能擴展在其內傳播的光束并輸出準直光束的光纖，而第二帶透鏡光纖包括另一類能接收該準直光束并對接收的光束聚焦的光纖，從而使光束從第一帶透鏡光纖傳播到第二帶透鏡光纖。以類似的方法，該混合光纖擴束連接器能將光束從第二帶透鏡光纖發射到第一帶透鏡光纖。本發明還包括制作和使用該混合光纖擴束連接器的方法。
附圖簡介通過參閱以下結合附圖的詳述，能更全面地理解本發明，其中

圖1是一框圖，示出本發明的一混合光纖擴束連接器的分解圖；圖2是支承圖1所示混合光纖擴束連接器的帶透鏡光纖的兩示例套管底部的透視圖；圖3是示出兩根帶透鏡光纖各種幾何尺寸的框圖；圖4是一帶透鏡光纖的顯微圖，它能配在圖1所示混合光纖擴束連接器；圖5是一曲線圖，說明熱纖芯展寬對具有硅石平凸透鏡與硼硅酸鹽平凸透鏡的帶透鏡光纖的作用；圖6A～6C是曲線圖，表示與圖1所示混合光纖擴束連接器有關的各種容差(如橫移、角移、縱向位移)；圖7是一流程圖，說明圖1所示混合光纖擴束連接器一較佳制作方法的諸步驟；和圖8是一流程圖，說明圖1所示混合光纖擴束連接器一較佳應用方法的諸步驟。
附圖的詳細描述參照圖1～8，揭示混合光纖擴束連接器100的一較佳實施例及其制作與使用的較佳方法700與800。雖然把混合光纖擴束連接器100描述為只光學連接一對不同的光纖，但是應該理解，它能連接多對不同的光纖，因而不應以這種限制的方式來理解混合光纖擴束連接器100和較佳方法700與800。
一般而言，混合光纖擴束連接器100能連接不同的光纖101a與101b，諸如模場直徑(MFD)或有效面積不同的單模光纖。具體地，混合光纖擴束連接器100包括第一帶透鏡光纖104，它與第二帶透鏡光纖106光耦但在物理上與之分開。包括一類光纖101a的第一帶透鏡光纖104能擴展在其內傳播的光束302并輸出準直的光束302(圖3示出在帶透鏡光纖104與106之間被準直的光束302)。包括另一類光纖106的第二帶透鏡光纖106能接收所輸出的光束302并聚集接收的光束302，從而使光束302從第一帶透鏡光纖104有效地傳播到第二帶透鏡光纖106。以類似的方法，混合光纖擴束連接器100能將光束302從第二帶透鏡光纖106發射到第一帶透鏡光纖104。
參照圖1，該框圖示出混合光纖擴束連接器100的分解圖，該連接器能光學連接一對或多對不同的光纖101a與101b。兩根光纖101a與101b在具有不同的MFD或有效面積或者用兩種不同成分的玻璃制作時，它們是不同的光纖。例如，不同的光纖101a與101b二者都是具有不同MFD的單模光纖，諸如Corning公司以SMF-28TM銷售的單模光纖、非零色移(non-zerodispersion-shifted)光纖(NZ-DSF)(如Corning MetroCorTM)、大有效面積非零色移光纖(如Corning LEAFTM)。混合光纖擴束連接器100比目前的技術水平有了顯著改進，因為過去必須拼接不同的光纖101a與101b。換言之，在混合光纖擴束連接器之前，過去并無用來連接不同光纖101a與101b的連接器。
配有帶透鏡光纖104與106的混合光纖擴束連接器100能連接不同的光纖101a與101b，而且還能連接型面(profile)復雜的光纖與另一根光纖，損失較低。例如，混合光纖擴束連接器100可以連接諸如SMF-28TM101a與大有效面積的NZ-DSF101b的單模光纖，或者連接SMF-28TM101a與NZ-DSF101b，不用拼接引線。根據對帶透鏡光纖104與106的SMF-28TM101a與SMF-28TM101a所測得的耦合效率，混合光纖擴束連接器100估算的損失為0.14dB(δ＝0.06)，這與連接不同類光纖101a與101b一樣。估算的0.14dB損失低于物理接觸連接器目前的損失指標SMF-28TM為＜0.25dB，大有效面積NZ-DSF為＜0.29，NZ-DSF為＜0.34dB。有關拼接光纖更詳細的情況，可參閱Mary Adcox在NOC/EC2000上提出的論文，題為“Splicing and Fiber Assembly Compatibility for Non-ZeroDispersion-Shifted Fiber and Standard Single-Mode Fiber”。該論文通過引用包括在這里。
如圖1所示，混合光纖擴束連接器100包括封殼102，用于支承第一和第二帶透鏡光纖104與106。尤其是封殼102支承并對準第一帶透鏡光纖104和第二帶透鏡光纖106，使它們相互面對并分開一預定距離，盡量減小插入損失。
封殼102包括第一套管(ferrule)108、第二套管110和配準具(matingalignment fixture)112。第一套管108支承并保護第一帶透鏡光纖104，第二套管110同樣支承保護第二帶透鏡光纖106。配準具112與一個或多個對準銷114(示出兩個)一起把第一套管108和第二套管110對準就位，使第一帶透鏡光纖104和第二帶透鏡光纖106分開一預定距離。對準銷114還能幫助對準這兩根帶透鏡光纖104與106。
第一套管108和第二套管110可用多種不同材料做成許多不同形式。一種形式示于圖1，其中第一帶透鏡光纖104和第二帶透鏡光纖106的凸鏡116與118分別從第一套管108和第二套管110延伸。另一種形式示于圖2，其中第一帶透鏡光纖104和第二帶透鏡光纖106的凸鏡116與118各自不從第一和第二套管108與110延伸，而是用頂塊(未示出)和底塊202a與202b制作第一套管108和第二套管110，頂塊與底塊則圍繞第一帶透鏡光纖104和第二帶透鏡光纖106用環氧粘合在一起。在第二例中，第一套管108和第二套管110可以相互緊貼，但仍在第一帶透鏡光纖104和第二帶透鏡光纖106之間保持該預定距離。
操作中，混合光纖擴束連接器100包括的第一帶透鏡光纖104能擴展在其內傳播的光束302并輸出準直的光束302(圖3示出在帶透鏡光纖14與106之間被準直的光束302)。第二帶透鏡光纖106能接收該準直的光束302并對其聚集，使光束302從第一帶透鏡光纖104有效地傳播到第二帶透鏡光纖106。以類似方式，混合光纖擴束連接器100還能把光束302從第一帶透鏡光纖106發射到第一帶透鏡光纖104。下面參照圖3～6詳述第一帶透鏡光纖104和第二帶透鏡光纖106。
參照圖3，圖中示出兩根帶透鏡光纖104與106的各種幾何尺寸，這些尺寸決定了第一帶透鏡光纖104和第二帶透鏡光纖106分開的距離。應該理解，當T＝Rc*(n/n-1)+Φ時，透鏡116與118都是完美的準直鏡，上式中T是透鏡116和118的厚度，Rc是透鏡116和118的曲率半徑，n是透鏡116和118的折射率，Φ為相移。
如在1550nm并使用硅石(n＝1.444)，當T/Rc＝3.25時，透鏡116與118為完美準直鏡。實際上，透鏡116與118的厚度要增加衍射焦點偏移，因為帶透鏡光纖104與106并非點源，而且球面透鏡部分116與118極小，故衍射作用很大。應該理解，根據光纖101a與101b不同的種類，透鏡116與118的幾何尺寸可以相同或不同，故實際上T/Rc比值大于3.25。
表1列出幾例不同設計的混合光纖擴束連接器100，用于連接諸如Corning公司的SMF-28TM101a與大有效面積的NZ-DSF等單模光纖和連接Corning公司的SMF-28TM101a與NZ-DSF101b。對表中的計算值，假定在與硼硅酸鹽帶透鏡光纖104與106拼接時，對三類光纖而言，熱纖芯展寬量一樣(即展寬30.8％)。表1的單位的為微米。
表1

注MFD、Rc與T的幾何尺寸參照圖3。
經發明人測量，具有Corning公司SMF-28TM單模光纖的兩根帶透鏡光纖104與106的耦合效率為0.14dB(標準偏差＝0.06)，相當于在1550nm窗內NZ-DSF與Corning的SMF-28TM之間傳統的0.15dB(標準偏差＝0.029)拼接損失。須注意，若兩根帶透鏡光纖104與106束腰的MFD匹配，則該損失與使用的光纖類型無關。
參照圖4，圖示為可用于本發明的示例帶透鏡光纖104與106的顯微圖。圖示的玻璃透鏡400(透鏡部件，平凸準直透鏡)用對有關波長透明的玻璃制作并與光纖101a與101b熔接。玻璃透鏡400的熱膨脹系數(CTE)與光纖101a或101b的CTE匹配或緊密匹配，其厚度為T，曲率半徑為Rc(見圖3)。更具體地說，玻璃透鏡400包括喉部402和球面透鏡部116與118。把喉部402一端拼接到光纖101a或101b，制成帶透鏡光纖104與106，再在喉部402另一端用帶鎢絲的熔接器形成凸透鏡116與118。Corning公司的美國專利申請連續號09/812,108更詳盡地討論了玻璃透鏡400，其內容通過引用包括在這里。
在該例中，帶透鏡光纖104與106，特別是球面透鏡部116與118用硼硅酸鹽玻璃制作。用硼硅酸鹽玻璃制作的球面透鏡部116與118無雙折射問題，而硅石制作的球面透鏡為雙折射型，對偏振相依損失有貢獻。而且，若用硼硅酸鹽玻璃制作透鏡116與118，還可提高混合光纖擴束連接器100的性能，因為光纖101a和101b與硼硅酸鹽玻璃的熔接會引起熱纖芯展寬，由此增大了模場直徑(MFD)，擴大了帶透鏡光纖104與106的模向的失準容限。此外，用硼硅酸鹽玻璃代替硅石時，透鏡116與118的生產程更能重現得多。
用硼硅酸鹽玻璃與用硅石制作的帶透鏡光纖104與106的詳細比較可見圖5，尤其是可從圖5看出熱纖芯展寬的效果。對附圖于Corning的SMF-28TM的一種硅石與硼硅酸鹽透鏡，諸數據點代表在X與Y方向測得的MFD，實線代表高斯束模型擬合。數據表明，Corning的SMF-28TM纖芯從標稱光纖模場10.4μm展寬到約13.6μm。
用硼硅酸鹽玻璃或硅石制作的球面透鏡部116與118還可涂上防反射(AR)涂料(未示出)，在光束302撞擊透鏡116與118表面時，該涂料可將光束302漫射成更大的光斑尺寸(見圖3)。
參照圖6A～6C，圖示曲線表示與混合光纖擴束連接器100有關的各種容限(如模移、角移、縱向位移)。尤其是這些曲線示出在帶透鏡光纖104與106(MFD＝62微米)的混合光纖擴束連接器100中和在單模光纖如Corning的SMF-28TM(MFD＝10.4)、大面積NZ-DSF(MFD＝9.6微米)與NZ-DSF(MFD＝8.4微米)傳統的對接連接器中，橫向、角向與縱向失準對損失的影響。在圖6A和6C中可以看出，與傳統的對接連接器相比，混合光纖擴束連接器100(如帶透鏡光纖104與106)的橫、縱向容限好得多。但在圖6B中可看出，在混合光纖擴束連接器100中，角失準容限卻差得多。角失準容限較小的原因在于混合光纖擴束連接器100的MFD較大。因此，混合光纖擴束連接器100的機械設計不允許傾斜。而且，最好工作距離(如透鏡的間距)短些，因為若工作距離短，角失準引起橫向失準就少。
參照圖7，圖示的流程圖說明混合光纖擴束連接器100較佳制作方法700的步驟。為了制作混合光纖擴束連接器100，先把帶透鏡光纖104插入第一套管108(步驟702)，同樣把第二帶透鏡光纖106插入第二套管110(步驟704)。在該例中，為減少返回損失(背射)，對第一帶透鏡光纖104和第二帶透鏡光纖106涂布防反射涂料。
之后，把第一套管108連至第二套管110(步驟706)，方法有幾種。例如，可用圖1所示配準具112與一個或多個對準銷114(未示出)一起對準與保持第一套管108和第二套管110，或者用例如鍵式插桿耦合或耦合插座把第一套管108和第二套管110相互連接起來。結果，第一套管108和第二套管110以某種方式相互固定，使第一帶透鏡光纖104與第二帶透鏡光纖106對準并分開一預定距離。
第一套管108和第二套管110連接后，混合光纖擴束連接器100具體是第一帶透鏡光纖104能擴展在其內傳播的光束302，并向第二帶透鏡光纖106輸出準直的光束302。第二帶透鏡光纖106收到準直光束302后，即對它聚集，使光束302從第一帶透鏡光纖104傳播到第二帶透鏡光纖106。以類似方法，混合光纖擴束連接器100還能把光束302從第二帶透鏡光纖106發射到第一帶透鏡光纖104。
參照圖8，圖示流程圖說明混合光纖擴束連接器100較佳使用方法800的步驟。一般，把混合光纖擴束連接器100的第一帶透鏡光纖104接至第一光學元件(如放大器)(步驟802)，同樣把其第二帶透鏡光纖106接至第二光學元件(如放大器)(步驟804)。
這樣，已組裝了混合光纖擴束連接器100。第一帶透鏡光纖104能擴展在其內傳播的光束302并向第二帶透鏡光纖106輸出準直的光束302，而第二帶透鏡光纖106收到準直的光束302后，即對收到的光束302聚集，使光束302從第一帶透鏡光纖104傳播到第二帶透鏡光纖106。以類似的方法，帶透鏡光纖100能把光束302從第二帶透鏡光纖106發射到第一帶透鏡光纖104。
下面描述若干使用混合光纖擴束連接器100的例子該混合光纖擴束連接器可簡化布設光纜，因為只要用一類跳接線就可連接不同的光纖101a與101b。如在本發明之前，一般在NZ-DSF路由中用單模光纖取代NZ-DSF組件以保持較低的損失預算。
混合光纖擴束連接器100可在一端為引出端或一端為另一擴束連接器的連接光纜(patchcord)上使用。如在混合光纖應用中混合光纖擴束連接器100的一端可與放大器(或以混合光纖工作的另一裝置)熔接(若有引出端)或連接(若有另一連接器)。混合光纖擴束連接器100的輸出可將信號傳回入光學網，或用于從光束中取一部分功率作光學性能監視。
混合光纖擴束連接器100還能用于實行模式轉換并連接熱膨脹系數極其不同而無法相互拼接的光纖。如在本發明之前，可用摻鉺和銩的MCS玻璃得到光纖放大器的帶寬，但MCS玻璃的熱膨脹系靈敏約6ppm，在組裝放大器時沒有與PureModeTMHI980光纖可靠地拼接。而且，除了折射率失配(n(MCS)～1.6-1.7，而n(PureModeTMHI980)＝1.45)而增大背射損失之外，MCS光纖與PureModeTMHI980光纖之間的有1微米的模場失配。應用本發明方法，可在摻鉺或銩MCS玻璃的端部用一根與纖芯同樣玻璃成分但不摻鉺或銩的棒形式透鏡，再對該透鏡涂布防反射涂料以減小返回損失。另一透鏡在PureModeTMHI980端部用硅石玻璃形成。透鏡幾何尺寸應使束腰的模場直徑相匹配。無防反射涂膜的損失為～0.5dB，有防反射涂膜的損失＜0.2dB。
在以上詳述中，雖然結合附圖只說明了本發明一個實施例，但是應該理解，本發明并不限于揭示的實施例，而是能包括各種重新配置、更改與替代，這并不違背所附諸權利要求所提出和規定的本發明的精神。
權利要求
1.一種混合光纖擴束連接器，其特征在于，它包括第一帶透鏡光纖，和與所述第一帶透鏡光纖光耦但在物理上與之分開一預定距離的第二帶透鏡光纖，其中所述第一帶透鏡光纖包括一類光纖，而所述第二帶透鏡光纖包括另一類光纖。
2.如權利要求1所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，所述一類光纖與所述另一類光纖各自具有不同的模場直徑。
3.如權利要求1所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，所述一類光纖與所述另一類光纖各自用不同的玻璃成分制作。
4.如權利要求1所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，還包括一能支承所述第一帶透鏡光纖和所述第二帶透鏡光纖的封殼。
5.如權利要求4所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，所述封殼還包括能支承所述第一帶透鏡光纖的第一套管；能支承所述第二帶透鏡光纖的第二套管；和配準具，能對準并保持所述第一和第二套管，使所述第一帶透鏡光纖與所述第二帶透鏡光纖分開預定距離。
6.如權利要求1所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，所述第一帶透鏡光纖和第二帶透鏡光纖各自包括一根光纖和一包含喉部與球面透鏡部的平凸準直透鏡。
7.如權利要求6所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，所述喉部和球面透鏡部各自的幾何尺寸決定所述第一帶透鏡光纖在物理上要與所述第二帶透鏡光纖分開的預定距離。
8.如權利要求1所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，所述混合光纖擴束連接器是陣列型混合光纖擴束連接器。
9.一種用于連接不同光纖的混合光纖擴束連接器，其特征在于，所述混合光纖擴束連接器包括包括一類光纖的第一帶透鏡光纖，能擴展光束并輸出準直的光束；和包括另一類光纖的第二帶透鏡光纖，在物理上與所述第一帶透鏡光纖分開一預定距離，并能接收準直的光束且將它聚集，使光束從所述第一帶透鏡光纖有效地傳播到所述第二帶透鏡光纖。
10.如權利要求9所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，所述第一帶透鏡光纖包括單模光纖，所述第二帶透鏡光纖包括非零色移光纖。
11.如權利要求9所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，所述第一帶透鏡光纖包括單模光纖，所述第二帶透鏡光纖包括有效面積大的非零色移光纖。
12.如權利要求9所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，所述第一帶透鏡光纖和第二帶透鏡光纖中至少一種包括物理型面復雜的光纖。
13.如權利要求9所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，所述第一帶透鏡光纖和第二帶透鏡光纖包括模場直徑不同的光纖。
14.如權利要求9所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，所述第一帶透鏡光纖和第二帶透鏡光纖包括玻璃成分不同的光纖。
15.如權利要求9所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，還包括一以某種方式支承和對準所述第一帶透鏡光纖和第二帶透鏡光纖的封殼，使所述第一帶透鏡光纖和第二帶透鏡光纖相互面對并在物理上分開預定的距離。
16.如權利要求9所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，第一帶透鏡光纖和第二帶透鏡光纖各自還包括一根光纖和一包含喉部與球面透鏡部的平凸準直透鏡。
17.如權利要求16所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，所述每個球面透鏡部涂布防反射膜。
18.如權利要求16所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，按時各球面透鏡部用硼硅酸鹽玻璃制作。
19.如權利要求9所述的混合光纖擴束連接器，其特征在于，所述混合光纖擴束連接器包括一對以上所述第一和第二帶透鏡光纖。
20.一種制作混合光纖擴束連接器的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟把包含一類光纖的第一帶透鏡光纖插入第一套管；把包含另一類光纖的第二帶透鏡光纖插入第二套管；和緊固所述第一和第二套管，使所述第一帶透鏡光纖和第二帶透鏡光纖對準并相互分開一預定距離，因而所述第一帶透鏡光纖能擴展在其內傳播的光束并輸出準直的光束給所述第二帶透鏡光纖，而所述第二帶透鏡光纖接收準直的光束并對它聚集，從而使光束從所述第一帶透鏡光纖有效地傳播到所述第二帶透鏡光纖。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于，所述一類與所述另一類光纖各自具有不同的模場直徑。
22.如權利要求20所述的方法，其特征在于，所述一類與所述另一類光纖各自用不同的玻璃成分制作。
23.如權利要求20所述的方法，其特征在于，第一和第二帶透鏡光纖各自還包括一根光纖和一包含喉部與球面透鏡部的平凸準直透鏡。
24.如權利要求22所述的方法，其特征在于，所述各球面透鏡部涂有防反射膜。
25.如權利要求22所述的方法，其特征在于，各球面透鏡部用硼硅酸鹽玻璃制作。
26.一種應用混合光纖擴束連接器的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟把包含一類光纖的第一帶透鏡光纖接至第一光學元件；和把包含另一類光纖的第二帶透鏡光纖接至第二光學元件，其中所述第一帶透鏡光纖和第二帶透鏡光纖對準并相互分開一預定距離，使所述第一帶微透鏡的光纖能擴展在其內傳播的光束并向所述第二帶透鏡光纖輸出準直的光束，而所述第二帶透鏡光纖接收準直的光束并將它聚集，從而使光束從所述第一光學元件有效地傳播到所述第二光學元件。
27.如權利要求25所述的方法，其特征在于，所述一類與所述另一類光纖具有不同的模場直徑。
28.如權利要求25所述的方法，其特征在于，所述一類與所述另一類光纖用不同的玻璃成分制作。
29.如權利要求25所述的方法，其特征在于，所述第一與第二帶透鏡光纖各自還包括一根光纖和一包含喉部與球面透鏡部的平凸準直透鏡。
30.如權利要求28所述的方法，其特征在于，所述各球面透鏡部涂有防反膜。
31.如權利要求28所述的方法，其特征在于，所述各球面透鏡部用硼硅酸鹽玻璃制作。
全文摘要
描述了一種混合光纖擴束連接器(100)及其制作與使用方法。該混合光纖擴束連接器一般可連接不同的光纖，諸如模場直徑(MFD)或有效面積不同的單模光纖。具體是該混合光纖擴束連接器包括第一帶透鏡光纖(101a)，它與第二帶透鏡光纖(101b)光耦但在物理上與之分開。包含一類光纖的第一帶透鏡光纖(101a)能擴展在其內傳播的光束并輸出準直的光束，包含另一類光纖的第二帶透鏡光纖(101b)能接收并聚集準直的光束，使光束從第一帶透鏡光纖(101a)傳播到第二帶透鏡光纖(101b)。以類似的方法，該混合光纖擴束連接器(100)能把光束從第二帶透鏡光纖(101b)發射到第一帶透鏡光纖(101a)。
文檔編號G02B6/32GK1633614SQ02813600
公開日2005年6月29日 申請日期2002年5月31日 優先權日2001年7月5日
發明者L·G·曼, L·尤克萊因辛克 申請人:康寧股份有限公司