專(zhuān)利名稱(chēng)：多模光纖系統(tǒng)的模式匹配的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及激光源和多模光纖的耦合，特別用于支持工作在短距離的恒定帶寬。
2.技術(shù)背景在建筑內(nèi)和建筑之間的局域光網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常使用多模光纖來(lái)傳輸高速度信號(hào)。多模光纖的纖心直徑比單模光纖的纖心大，而且能夠傳輸更多能量。大的芯徑也使光纖之間的連接對(duì)準(zhǔn)或光纖與其它網(wǎng)絡(luò)的連接更簡(jiǎn)單。多數(shù)多模光纖配用于通常的發(fā)光二極管(LED)源。這些源的調(diào)制能力有限，所以只能支持大約500MB/s的數(shù)據(jù)速率。為了支持更高的速度，比如1.25GB/s(G比特以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn))，系統(tǒng)需要激光源。但是，對(duì)法布里-珀羅(FP)激光器和垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSELs)這樣的激光器，人們更需要它們的高功率、窄光譜線(xiàn)寬、高調(diào)制速率及能夠和多陣列(arrays)耦合，通常很少能可靠地與多模光纖耦合。
與通常的LED源比較，激光器(FP激光器和VCSELs)提供更小的光斑尺寸而未充滿(mǎn)(underfill)多模光纖(也就是不是所有的模式同樣被激發(fā))。由于每個(gè)模式傳輸光略有不同，帶寬在不同的填充條件之間變化。小的光斑尺寸還在多模光纖中心附近集中能量，在那里折射率分布特別難以控制。在將激光器和多模光纖的對(duì)準(zhǔn)中，小的變化能夠產(chǎn)生更多的帶寬變化。
雖然多模激光器能夠根據(jù)激光源調(diào)整到最佳帶寬，但是調(diào)整需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試或其它特別維護(hù)，那樣會(huì)使網(wǎng)絡(luò)安裝復(fù)雜化并且增加費(fèi)用。比如，需要重復(fù)試驗(yàn)來(lái)確定對(duì)準(zhǔn)位置能支持足夠的帶寬，還必須在鏈路里增加專(zhuān)用裝置以確保對(duì)準(zhǔn)能夠保持。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明對(duì)多模光纖網(wǎng)絡(luò)提供了更可靠的帶寬。根據(jù)我們的發(fā)明安排的多模耦合器使激光源的輸出光束擴(kuò)展，以便更均勻地填充多模光纖的模式。由多模光纖支持的這樣得到的帶寬對(duì)激光源對(duì)準(zhǔn)變化不很敏感，于是可使用FP激光器和VCSEL源使網(wǎng)絡(luò)設(shè)施升級(jí)而不需要對(duì)準(zhǔn)位置的試驗(yàn)和誤差調(diào)節(jié)。
根據(jù)我們發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，以模式為條件的多模光纖系統(tǒng)包括一個(gè)多模耦合器，它的第一端連接著激光源，第二端連接著多模光纖，中間部分連接著兩端。耦合器的中間部分在第一和第二端之間呈錐形，逐步增大單?；蚱渌∮谶^(guò)滿(mǎn)光束的直徑，這些光束從激光源進(jìn)入耦合器的第一端。光束直徑被增加到可以填充至少一半、最好是全部多模光纖模式的尺寸。
耦合器內(nèi)是一個(gè)被內(nèi)部和外部包層包圍的纖心。纖心和至少內(nèi)部包層沿著耦合器長(zhǎng)度方向被引向更小的橫截面尺寸，于是迫使在纖心以外傳輸?shù)墓馐M(jìn)入內(nèi)部包層。在耦合器第二端保持足夠的內(nèi)部包層，使擴(kuò)展的光束以期望的光束直徑傳導(dǎo)。
在耦合器第一端的纖心和內(nèi)部包層的復(fù)合直徑，其尺寸可形成連接于激光源的單模或再稍大一些。在第一端的數(shù)值孔徑和光束直徑最好匹配激光源的特性。耦合器第二端的纖心和內(nèi)部包層的復(fù)合直徑，其尺寸可形成連接多模光纖的多模。在第二端的數(shù)值孔徑和光束直徑足以匹配多模光纖的特性，以激發(fā)多模光纖的大多數(shù)甚至所有模式。耦合器第二端的光束直徑最好等于至少是多模光纖纖心直徑的一半。
根據(jù)本發(fā)明，諸如FP激光器和VCSEL源的激光源能夠與多模光纖耦合，方法是將多模耦合器的第一端與激光源相連，將多模耦合器的第二端與多模光纖相連，光束直徑沿著多模耦合器的長(zhǎng)度擴(kuò)展，這樣多模光纖的模式會(huì)更均勻地被光束所填充。最好多模光纖的至少一半甚至所有模式被填充。使多模耦合器的纖芯逐漸變細(xì)而擴(kuò)展光束，促使更多的光束進(jìn)入包圍的內(nèi)部包層。外部包層則把擴(kuò)展的光束限制在內(nèi)部包層里。
放置在激光源和多模光纖之間的多模耦合器形成了連接著激光源的單?；蛏源笠稽c(diǎn)的模以及連接著多模光纖的多模。結(jié)果，光束擴(kuò)展減小了帶寬對(duì)多模耦合器和多模光纖之間徑向?qū)?zhǔn)變化的靈敏度。因此，多模耦合能夠?qū)?zhǔn)到與多模光纖之間耦合相似的精度。
本發(fā)明另外的特色和優(yōu)點(diǎn)將在下面的詳細(xì)描述中闡明，通過(guò)該描述或?qū)@里描述的發(fā)明在實(shí)踐上的認(rèn)識(shí)，包括下面的詳細(xì)描述、權(quán)利要求書(shū)以及附圖，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠很容易地部分明白所述發(fā)明。
可以理解，前面的概要描述和下面的詳細(xì)描述只是示范了該發(fā)明，并且為理解本發(fā)明所要求的特點(diǎn)和性質(zhì)提供了一種綜述和框架。另外，所包括的附圖也能增進(jìn)對(duì)本發(fā)明的理解并且組成了說(shuō)明書(shū)的一部分。附圖示出了本發(fā)明的不同實(shí)施例，同時(shí)與描述部分一起解釋了本發(fā)明的工作原理。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是將單模光纖連接到多模光纖的多模耦合器的截面圖。
圖2是將激光源連接到多模光纖的多模耦合器的截面圖。
圖3是對(duì)準(zhǔn)靈敏度比較圖，示出了在單模波導(dǎo)和多模光纖之間接入和不接入多模耦合器的對(duì)準(zhǔn)靈敏度。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述現(xiàn)在詳細(xì)參照本發(fā)明的較佳實(shí)施例，其中的例子在附圖中示出。我們發(fā)明的一個(gè)多模耦合器的示范實(shí)施例在圖1中示出并標(biāo)為10。
在圖1中，多模耦合器10把單模光纖12連接到多模光纖14，為單模光纖12和多模光纖14之間的對(duì)準(zhǔn)提供了更可靠的帶寬并且減小了靈敏度。單模光纖12和多模光纖14有常規(guī)的纖心16，20和包層18，22。多模光纖纖心20的直徑dM1比單模光纖纖心16的直徑dS1大幾倍(比如7或8倍)。但是，單模光纖包層18和多模光纖包層22的直徑dS2和dM2近似相同。
多模耦合器10的第一端24和第二端26通過(guò)中間部分28連接，中間部分有一個(gè)纖心30并由內(nèi)包層32和外包層34包圍。耦合器纖心30在第一端有與單模光纖12直徑dS1匹配的初始直徑dA1，然后沿中間部分28逐漸變細(xì)，在鄰近多模光纖14的第二端26成為更小的最終直徑dB1。相似的，耦合器10的內(nèi)包層32有一個(gè)與單模光纖12包層直徑dD2匹配的初始直徑dA2。但是，沿中間部分28相似的內(nèi)包層32錐形導(dǎo)致最終直徑dB2，最好比多模光纖纖心20的直徑dM1較小些。
纖心30和內(nèi)包層32從第一端24的直徑dA1，dA2較好的拉到第二端26的直徑dB1，dB2，較好的錐形比率小于5比1，更常見(jiàn)的在2.5比1左右。錐形長(zhǎng)度(比如0.5cm)較好的充分支持光能量從纖心30到內(nèi)包層32的絕熱渡越。
外包層34直徑的較好尺寸是1到3毫米，它在第一端24包圍了單模光纖12并且在第二端26鄰接著多模光纖14。其它許多安排也可能符合外包層34的一種或多種功能，包括對(duì)底層30和32的結(jié)構(gòu)支持和保護(hù)，并且把光限制在內(nèi)包層32里。外包層34最好與內(nèi)包層32和纖心30相似地逐漸變細(xì)，基本上象人為的耦合制造。
比如，將通常的光纖或光纖部分插入一根毛細(xì)管，毛細(xì)管被加熱并且在光纖周?chē)鶆虻厮s，于是形成了耦合器10。復(fù)合的光纖和管子被加熱并從相反的兩端拉長(zhǎng)，于是產(chǎn)生了需要的錐形，在錐形中間部分切割可以制造一對(duì)耦合器。
纖心30和耦合器10的內(nèi)包層32能夠由通常的光纖形成。外包層34能夠由毛細(xì)管形成。管子最好由摻雜諸如硼或氟的石英制造，以將其折射率減到至少為內(nèi)包層32的水平。外包層34的折射率最好比內(nèi)包層32的折射率低，以引導(dǎo)光沿著內(nèi)包層32傳輸。
由兩個(gè)發(fā)明人共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專(zhuān)利4,763,976描述了不同用途的相似耦合器，該專(zhuān)利的題目是“使用模場(chǎng)修正的連接器”。該專(zhuān)利通過(guò)引用包括在此。
圖2示出了另一個(gè)多模耦合器40，它將垂直腔表面發(fā)射激光器42(VCSEL)耦合到多模光纖44。其它的激光或其它光源也能使用，但是我們的發(fā)明對(duì)輸出小光斑尺寸的激光器諸如VCSELs或FP(法布里-珀羅)激光器特別有利。與耦合器10相似，耦合器40包括第一和第二端46和48，通過(guò)中間部分50連接，中間部分的纖芯52被內(nèi)包層54和外包層56包圍。第一端46鄰接耦合到激光器42，第二端48相似地耦合到多模光纖44。
與前面實(shí)施例相似，纖心52和內(nèi)包層54從第一端46錐形到第二端48。外包層56示出了相似的錐形，但是其它縱向變化包括根本不錐形也是可能的。多模光纖44有通常尺寸的一個(gè)纖心60和一個(gè)包層62，耦合器40依據(jù)它制作尺寸來(lái)增進(jìn)與激光器42的耦合可靠性。
耦合器10和40的特定尺寸主要由下述要求決定(a)滿(mǎn)足由多模光纖14和44傳輸?shù)哪Ｊ剑?b)減小耦合器10、40和多模光纖14、44之間的對(duì)準(zhǔn)變化的靈敏度，(c)限制光源12、42和多模光纖14、44之間的傳輸損耗。錐形纖心30、52迫使光從纖心30、52進(jìn)入包圍著的內(nèi)包層32、54部分。由耦合器10、40傳輸?shù)墓馐?，其直徑從第一?4、46到第二端26、48增大。
耦合器10、40擴(kuò)大的光束直徑最好等于多模光纖纖心20、60的直徑dM1的至少一半，但是比纖心20、60的直徑dM1小。如果光束直徑擴(kuò)展得太大，光會(huì)伸展超過(guò)多模光纖纖心20、60并散失。如果光束直徑擴(kuò)展得太小，光激發(fā)的多模光纖14和44的模式不足以提供可靠的性能。雖然直徑從dA2到dB2逐漸減小，內(nèi)包層32和54最好保持足夠的尺寸來(lái)傳導(dǎo)擴(kuò)大的光斑尺寸的光束通過(guò)耦合器10、40的中間部分28、50。
在耦合器10和40的第一端24、46，纖心30、52和內(nèi)包層32、54的直徑dA1和dA2被定徑形成單?；蛏源髞?lái)連接光源——最好是諸如光纖12的單模光纖的中間或直接連接諸如激光器42的光源。在第一端24和46的數(shù)值孔徑和光斑尺寸直徑最好與光源的相應(yīng)特性匹配。諸如850nm VCSELs和1300nm FP激光器源這樣的一些光源所產(chǎn)生的輸出光束比單模光纖的纖心稍大一點(diǎn)。纖心30和52的直徑dA1和dA2相應(yīng)地定徑為比通常的單模尺寸稍大，來(lái)更完全地將這樣的激光源的輸出耦合到多模耦合器10和40。
在耦合器10和40的第二端26、48，纖心30、52和內(nèi)包層32、54的直徑dB1和dB2被定徑形成多模來(lái)連接多模光纖14和44。在第二端26和48的數(shù)值孔徑和光斑尺寸直徑最好與多模光纖14和44的相應(yīng)特性匹配，以激發(fā)多模光纖14和44的多數(shù)模甚至全部模。
圖3的曲線(xiàn)圖描述了由我們的多模耦合器10和40提供的減小對(duì)準(zhǔn)靈敏度的一個(gè)例子，其中繪制的帶寬是單模波導(dǎo)和多模光纖之間徑向位置的函數(shù)。曲線(xiàn)70的數(shù)據(jù)點(diǎn)指定為鉆石狀，它描述了單模波導(dǎo)和多模光纖直接連接的靈敏度。雖然在對(duì)準(zhǔn)極好的位置初始帶寬很高，小于1微米的徑向失準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致大約50％的帶寬減小。大于6微米的失準(zhǔn)就不只是恢復(fù)初始帶寬。包括為實(shí)現(xiàn)所需的失準(zhǔn)而作的單模波導(dǎo)和多模光纖之間的試驗(yàn)和誤差調(diào)節(jié)的調(diào)試，會(huì)給局域光網(wǎng)絡(luò)的裝配增加時(shí)間、花費(fèi)或不確定性。
曲線(xiàn)72的數(shù)據(jù)點(diǎn)指定為正方形，它示出了通過(guò)我們的多模耦合器10或40的中間部分將單模波導(dǎo)耦合到同樣的多模光纖所預(yù)期的更穩(wěn)定的性能。作為數(shù)值舉例，從耦合器出射的光束尺寸直徑(FWHM)大約30到35微米，數(shù)值孔徑(NA)大約0.10到0.14。通過(guò)大約前14微米的徑向失準(zhǔn)，帶寬保持得十分穩(wěn)定。由于耦合能夠在這樣的容差內(nèi)正常地實(shí)現(xiàn)，增加我們的多模耦合器10或40可在支持預(yù)期帶寬的單模波導(dǎo)和多模光纖之間作可靠的耦合。
耦合器10和40最好裝配在激光器封裝外殼里，能夠直接與激光器相連(比如耦合器40)或通過(guò)單模光纖尾纖間接地連接激光器(比如耦合器10)。多模光纖14或44能夠在隨后的安裝中連接耦合器10或40，或者有限長(zhǎng)度的多模光纖14或44能夠預(yù)先作為跳線(xiàn)光纜來(lái)連接，這樣只需要常規(guī)的對(duì)接耦合就可增加額外的長(zhǎng)度。
上面對(duì)我們發(fā)明的詳細(xì)例子揭示了我們發(fā)明的較好的實(shí)施例。但是，技術(shù)人員將清楚本發(fā)明能夠用與本發(fā)明對(duì)工藝的全部教導(dǎo)和貢獻(xiàn)一致各種其它形式實(shí)施。比如，本發(fā)明能夠用平面技術(shù)實(shí)施，其中波導(dǎo)層由薄片代替同心環(huán)來(lái)形成。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將清楚，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變換和修改。這樣，本發(fā)明包括對(duì)該發(fā)明的變換和修改，只要它們符合后附的權(quán)利要求書(shū)及其等效技術(shù)文件的范圍。
權(quán)利要求
1.一種以模式為條件的多模光纖系統(tǒng)，其特征在于，包括一個(gè)多模耦合器，它的第一端連接著光源，第二端連接著多模光纖，中間部分連接著第一和第二端；耦合器的中間部分在第一端和第二端之間逐漸變細(xì)，以增大從光源進(jìn)入第一端的光束的光斑尺寸；光斑尺寸沿著中間部分增大以滿(mǎn)足多模光纖的多數(shù)模式。
2.如權(quán)利要求1所述的以模式為條件的多模光纖系統(tǒng)，其特征在于，光斑尺寸增大到滿(mǎn)足多模光纖的至少一半模式。
3.如權(quán)利要求1所述的以模式為條件的多模光纖系統(tǒng)，其特征在于，光斑尺寸增大到滿(mǎn)足多模光纖的幾乎所有的模式。
4.如權(quán)利要求1所述的以模式為條件的多模光纖系統(tǒng)，其特征在于，多模耦合器包括一個(gè)纖心，它被內(nèi)包層和外包層所包圍，一個(gè)纖心和內(nèi)包層的復(fù)合直徑，它從多模耦合器的第一端到多模耦合器的第二端逐漸變細(xì)，并且多模耦合器第二端的復(fù)合直徑根據(jù)多模光纖的纖心直徑定徑，以便以至少等于多模光纖纖心直徑一半的直徑傳輸光束。
5.如權(quán)利要求4所述的以模式為條件的多模光纖系統(tǒng)，其特征在于，外包層把光束限制在纖心和多模耦合器第二端的內(nèi)包層中。
6.如權(quán)利要求5所述的以模式為條件的多模光纖系統(tǒng)，其特征在于，外包層在多模耦合器第二端的內(nèi)部直徑小于多模光纖的纖心直徑。
7.如權(quán)利要求4所述的以模式為條件的多模光纖系統(tǒng)，其特征在于，多模耦合器第一端的纖心直徑大于從光源進(jìn)入多模耦合器的光束直徑。
8.如權(quán)利要求4所述的以模式為條件的多模光纖系統(tǒng)，其特征在于，多模耦合器第一端的復(fù)合直徑比多模耦合器第二端的復(fù)合直徑大至少兩倍。
9..如權(quán)利要求4所述的以模式為條件的多模光纖系統(tǒng)，其特征在于，多模耦合器第一端的復(fù)合直徑比多模耦合器第二端的復(fù)合直徑大不多于5倍。
10.如權(quán)利要求1所述的以模式為條件的多模光纖系統(tǒng)，其特征在于，多模耦合器的第一端直接連接光源。
11.如權(quán)利要求1所述的以模式為條件的多模光纖系統(tǒng)，其特征在于，多模耦合器的第一端通過(guò)一根單模光纖連接光源。
12.如權(quán)利要求1所述的以模式為條件的多模光纖系統(tǒng)，其特征在于，多模耦合器的第一端形成了一個(gè)單模來(lái)連接光源。
13.如權(quán)利要求1所述的以模式為條件的多模光纖系統(tǒng)，其特征在于，光源是一個(gè)垂直腔表面發(fā)射激光器。
14.如權(quán)利要求1所述的以模式為條件的多模光纖系統(tǒng)，其特征在于，光源是一個(gè)法布里-珀羅激光器。
15.將激光源耦合到多模光纖的方法，其特征在于，包括了以下步驟將多模耦合器的第一端接到激光源；將多模耦合器的第二端接到多模光纖；將激光源光束引到多模耦合器的第一端；并且沿多模耦合器的長(zhǎng)度方向擴(kuò)展光束的光斑尺寸，使得光束更均勻地填充多模光纖模式。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，擴(kuò)展步驟包括將光斑尺寸擴(kuò)展到滿(mǎn)足多于多模光纖的一半模式。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，擴(kuò)展步驟包括將光斑尺寸擴(kuò)展到滿(mǎn)足基本上所有的多模光纖的模式。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，擴(kuò)展步驟包括將光斑尺寸擴(kuò)展到等于多模光纖纖心直徑的至少一半的直徑。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，擴(kuò)展步驟包括沿著耦合器長(zhǎng)度方向使所述多模耦合器的纖心逐漸變細(xì)，把光束擴(kuò)展到所包圍的包層區(qū)域。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，連接第一端的步驟包括把第一端和激光源直接相連。
21.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，連接第一端的步驟包括通過(guò)單模光纖的中間部分把第一端和激光源相連。
22.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，連接第一端的步驟包括形成一個(gè)單模來(lái)連接激光源。
23.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，連接第一端的步驟包括把第一端和垂直腔表面發(fā)射激光器相連。
24.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，連接第一端的步驟包括把第一端和法布里一珀羅激光器相連。
25.增加激光源在多模光纖里激發(fā)的模數(shù)的方法，其特征在于，包括了以下步驟把多模耦合器安置在激光源和多模光纖之間；在激光源和多模耦合器的第一端之間形成單模連接；和在多模耦合器的第二端和多模光纖之間形成多模連接。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，形成單模連接的步驟包括使多模耦合器第一端的數(shù)值孔徑和光斑尺寸直徑與激光源的數(shù)值孔徑和光斑尺寸直徑相匹配。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，形成多模連接的步驟包括使多模耦合器第二端的數(shù)值孔徑和光斑尺寸直徑與多模光纖的數(shù)值孔徑和光斑尺寸直徑充分匹配，以激發(fā)多模光纖的至少一半模式。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，多模耦合器第二端的數(shù)值孔徑和光斑尺寸直徑充分匹配，以激發(fā)多模光纖的幾乎所有的模式。
29.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，還包括擴(kuò)展激光源在多模耦合器第一和第二端之間的光束的步驟。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，光束擴(kuò)展的量可減小帶寬對(duì)多模耦合器第二端和多模光纖之間對(duì)準(zhǔn)偏差的靈敏度。
全文摘要
通過(guò)一個(gè)錐形耦合器使一個(gè)單模波導(dǎo)和高帶寬局域光網(wǎng)絡(luò)的多模光纖耦合,擴(kuò)展了傳輸光束的光斑尺寸來(lái)滿(mǎn)足多模光纖的額外模式。錐形耦合器的纖心由內(nèi)包層和外包層包圍。纖心和內(nèi)包層沿著它們的長(zhǎng)度方向拉制,迫使光從纖心進(jìn)入包圍著的內(nèi)包層。外包層把擴(kuò)展光束限制在纖心和內(nèi)包層里。
文檔編號(hào)G02B6/42GK1387626SQ00815413
公開(kāi)日2002年12月25日 申請(qǐng)日期2000年10月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月9日
發(fā)明者D·E·哈什巴格爾, D·A·諾蘭, L·C·托馬斯, C·M·特魯斯戴爾 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司