專利名稱：拼接光纖的方法和多光纖元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖拼接方法，其中在熔融拼接光纖之后，利用熱處理使其模場直徑(MFD)改變成互相匹配，本發(fā)明還涉及包含該拼接方法拼接光纖的光學(xué)元件。
背景技術(shù)：
在光通信系統(tǒng)中，近來出現(xiàn)這樣一些情況，其中摻二氧化鍺(GeO2)的單模光纖(SMF)必須連接到這樣的光學(xué)元件，例如，平面型光波導(dǎo)，其模場直徑(MFD)不同于SMF的模場直徑。在這些情況下，光學(xué)元件首先拼接到與該光學(xué)元件有大致相同MFD的光纖，然后，該光纖拼接到有尋常MFD的SMF，MFD通常為10μm。
當有不同MFD的光纖拼接在一起時，僅僅利用熔融拼接方法把它們連接在一起，很難得到實際可接受的拼接損耗。在日本專利No.2618500和日本專利申請出版物No.2000-275470中，公開一種熱擴散膨脹纖芯(TEC)方法作為解決這個問題的方法。利用TEC處理，可以局部增大MFD，使光纖拼接端的MFD互相匹配，從而相應(yīng)地可以減小拼接損耗。
在連接光學(xué)元件和光纖的許多情況下，密集排列的多條光纖連接到光學(xué)元件。在這種情況下，當有不同MFD的光纖互相連接時，平行排列的多條光纖是整體地熔融拼接，隨后，對這些光纖進行TEC處理。
圖6A和6B用于解釋TEC處理。在這兩個圖中，雖然互相連接的光纖1a和1b有與裸光纖部分1相同的外徑，但是，它們在纖芯部分2a和2b有不同的MFD和不同的相對折射率。光纖的涂層部分是用數(shù)字3表示。通過熔融拼接使光纖1a和1b連接在一起。在拼接的光纖端面互相面對面放置之后，利用電弧放電使它們?nèi)廴冢谒鼈兓ハ鄬又筮M行熔融拼接。這種簡單的熔融拼接產(chǎn)生很大的拼接損耗，這是由于熔融拼接部分6中的纖芯部分2a與2b之間MFD的差別，造成連接的不連續(xù)性，如圖6A所示。
為了改進這種不連續(xù)性，TEC處理是這樣進行的，利用微噴燈或焊接噴燈對熔融拼接部分6進行補充的加熱。這種補充加熱是在這樣的溫度和時間條件下進行的，使添加到纖芯部分2a和2b中的摻雜劑熱擴散到包層部分，但并不熔融光纖1a和1b，添加摻雜劑的目的是增大折射率。利用這種加熱操作，纖芯部分2a和2b中包含的摻雜劑發(fā)生熱擴散，而拼接部分6中纖芯部分2a和2b的MFD發(fā)生膨脹，以便獲得平滑的拼接形式，如圖6B中的膨脹部分10所示。
有較小MFD和較高摻雜劑濃度的光纖1a中，與有較大MFD和較低摻雜劑濃度的光纖1b比較，它有較大量的摻雜劑發(fā)生熱擴散。因此，光纖1a中MFD的膨脹遠遠大于光纖1b中MFD的膨脹，呈現(xiàn)出一個錐形分布，相應(yīng)地降低MFD的不連續(xù)性。在這種有不同MFD光纖的熔融拼接中，我們已證明，TEC處理能夠減小拼接損耗，使一條光纖中較小的MFD接近于另一條光纖中較大的MFD。
在另一種減小拼接損耗的已知方法中，在相對地推進一對或兩對光纖之后，有相同MFD的一對光纖沿著相反的方向被回拉，以減小拼接部分的直徑增量。此外，按照日本專利No.2572978中公開的一種減小拼接端拼接損耗的方法，在相對地推進和熔融拼接多條光纖之后，多條相同類型的光纖沿著相反的方向被回拉。
圖4A至4C和圖5A至5C表示減小上述拼接端直徑增量的方法。圖4A至4C表示拼接光纖的例子，而圖5A至5D表示多條光纖拼接的例子。
如圖4A所示，通過去掉待拼接的一對光纖1的涂層部分3，使裸玻璃光纖2暴露，每條光纖的拼接端4是以預(yù)定間隔面對另一條光纖的拼接端。然后，利用電極5的電弧放電加熱和熔融這兩條光纖1的拼接端4。若每條光纖是相對另一條光纖被推進和熔融拼接，則在接合點6產(chǎn)生一個寬厚部分7，如圖4B所示。在接合點6因高溫仍然軟化時，沿相反的方向回拉一條或兩條光纖，從而使寬厚部分7的直徑減小，產(chǎn)生如圖4C所示的細窄部分8。
如圖5A所示，在拼接端4附近去掉多對多條光纖1′的涂層部分3，使光纖部分2暴露，多條光纖1′的拼接端4是面對面地放置。然而，使拼接端4形成精確的均勻排列是困難的，因此，每對光纖拼接端之間的間隔‘c’是各不相同的。在這種狀態(tài)下，利用電弧放電加熱和熔融拼接端4，沿相對于多條光纖的方向分別推進一對或兩對多條光纖1′一個預(yù)定的長度，形成如圖5B所示的光纖拼接。
若各對光纖端面之間的間隔‘c’是不同的，則每對光纖的推進量是各不相同的，這就導(dǎo)致各對光纖中接合點6的寬厚部分7有不同的增量直徑。此后，當這兩對光纖沿相反的方向回拉時，在一些情況下，產(chǎn)生如圖5C所示的寬厚部分7；而在另一些情況下，產(chǎn)生如圖5D所示的細窄部分8。所以，不一定能抑制所有各對光纖的拼接損耗達到不超過預(yù)定值的范圍內(nèi)。
在以上專利No.2572978中公開的內(nèi)容中，使比率d/D(寬厚部分7或細窄部分8的外直徑‘d’與裸光纖的外直徑‘D’之比率)是在0.95至1.18的范圍內(nèi)，可以抑制拼接損耗到不大于0.1dB。在此專利中還公開這樣的內(nèi)容，熔融拼接之后回拉光纖的時間是由以上的比率d/D與回拉時間之間的關(guān)系預(yù)先確定的。然而，以上現(xiàn)有技術(shù)中公開的技術(shù)僅適用于拼接有相同MFD的單模光纖，而沒有公開拼接有不同MFD的光纖。
此外，在日本專利No.3149194中，公開一種減小拼接損耗的方法，其中伸長有不同MFD光纖的熔融拼接部分，從而減小裸光纖的直徑以獲得降低的拼接損耗。按照這個公開的方法，通過減小裸光纖的外徑而不進行TEC處理使MFD一致。此處，兩個拼接部分的拼接損耗從伸長之前的3.8dB下降到伸長之后的0.5dB。雖然這對于拼接損耗是一個很大的改進，但0.5dB的損耗不能說是一個低的拼接損耗。理想的是，摻GeO2單模光纖的拼接損耗不大于0.1dB。此外，在整體拼接多條光纖時，推進量的偏差是不可避免的，因此，利用這種方法減小拼接損耗到不大于0.1dB是很困難的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低拼接損耗拼接光纖的方法，以及包含這種低損耗拼接光纖的光學(xué)元件。
為了實現(xiàn)以上的目的，提供一種新的光纖拼接方法，這些光纖有不同的MFD。在這種方法中，有不同MFD的光纖進行熔融拼接，對熔融拼接部分進行補充的熱處理，使纖芯部分中包含的摻雜劑發(fā)生熱擴散，從而使光纖的MFD互相一致。在這種方法中，平行排列或帶狀形式配置的多對相對光纖，在熔融拼接時從多對光纖的一端或兩端沿縱向相對地推進光纖，然后以相反的方向回拉以減小熔融拼接部分的直徑增量，隨后，這個拼接部分接受補充的熱處理。此處，直徑增量‘f’是利用下列公式得到的數(shù)值f＝(熱處理之后光纖接合點的外徑)-(裸光纖的外徑)此外，提供一種新的多光纖元件。這種多光纖元件包括有不同MFD的光纖，這些光纖進行熔融拼接，且拼接部分接受補充的熱處理，使纖芯部分中包含的摻雜劑發(fā)生熱擴散，從而使光纖的MFD互相一致，其中補充熱處理之后拼接部分的直徑增量不大于11μm。
以下參照附圖詳細地描述本發(fā)明。這些附圖僅僅是為了便于描述，而不是對本發(fā)明范圍的限制。


圖1A1至1D2用于解釋本發(fā)明的各個實施例。圖1A1至1D1是前視圖，而圖1A2至1D2是側(cè)視圖。
圖2A和圖2B用于解釋直徑增量‘f’的定義，而圖2C表示TEC處理之后的直徑增量與拼接損耗之間的關(guān)系曲線。
圖3A至3F表示本發(fā)明各個實施例的多光纖元件。
圖4A至4C用于解釋利用熔融拼接方法減小單根光纖的拼接部分直徑增量的方法。
圖5A至5D用于解釋利用熔融拼接方法減小多根光纖的拼接部分直徑增量的方法。
圖6A和6B用于解釋TEC處理。
具體實施例方式
以下參照附圖描述本發(fā)明的各個實施例。在這些附圖中，相同的數(shù)字表示相同的元件以避免重復(fù)解釋。附圖中的尺寸比例未必與說明的情況一致。MFD值是在波長為1.55μm處。
利用圖1A1至1D2描述本發(fā)明的一個實施例。圖1A1至1D1是前視圖，而圖1A2至1D2是側(cè)視圖。多光纖帶11包括平行排列的多條光纖。拼接光纖對一側(cè)上多條光纖11a中每條光纖的MFD在裸光纖段12的纖芯部分約為5μm。另一側(cè)上多條光纖11b在裸光纖段12的纖芯部分是分別摻GeO2的單模光纖(SMF)構(gòu)成，這些光纖的MFD約為10μm。
如圖1A1和1A2所示，在有不同MFD的多條光纖11a和11b的拼接端部，分別去掉光纖的涂層部分13，因此，裸光纖12是暴露的。裸光纖部分12的拼接端14被切割成預(yù)定的長度。然而，把多條光纖11切割成精確相同的長度是很困難的，因此，拼接端面之間的間隔‘c’存在偏差。在這種情況下，利用電極15的電弧放電，加熱和熔融多條光纖11a和11b的拼接端14。
隨后，相互對著地推進多光纖11a和11b對中的一者或兩者，如圖1B1和1B2所示，拼接端14進行熔融拼接。利用這種推進操作，在拼接部分16產(chǎn)生粗壯部分17。若拼接端之間的間隔‘c’越小和推進量越大，則粗壯部分17的直徑增量就越大；若間隔‘c’越大和推進量越小，則粗壯部分17的直徑增量就越小。粗壯部分的直徑增量影響隨后進行的TEC處理的拼接損耗減小量。所以，需要限制增量到預(yù)定的值。
按照本發(fā)明，為了抑制直徑增量到預(yù)定值的范圍內(nèi)，在推進操作之后，沿相反的方向回拉多條光纖一個預(yù)定的長度，如圖1C1和1C2所示。由于這種回拉操作是熔融拼接部分16在高溫下軟化的條件下進行的，因此，可以減小粗壯部分17的直徑，即，產(chǎn)生細窄部分18，細窄部分18的外徑小于裸光纖12的外徑。
在回拉(pulling back)操作使熔融拼接部分16的粗壯部分17調(diào)整到預(yù)定的直徑增量之后，進行TEC處理的補充加熱操作，如圖1D1和1D2所示。補充加熱是利用電加熱器或煤氣噴燈19進行的。對所有多條光纖11的TEC處理區(qū)20均勻加熱一個預(yù)定的時間。利用這種補充熱處理，光纖纖芯部分中包含的摻雜劑熱擴散到包層區(qū)，使多條光纖11a和11b的不同MFD在拼接部分互相一致，從而可以大大減小拼接損耗。
圖2A和2B用于解釋直徑增量的定義，而圖2C是TEC處理之后的直徑增量與拼接損耗之間的關(guān)系曲線。
直徑增量‘f’的定義如下f＝a-b其中‘a(chǎn)’是熱處理之后光纖接合點的外徑，而‘b’是裸光纖的直徑，如圖2A和2B所示。
當MFD分別為4μm和10μm的兩條光纖完成熔融拼接時，圖2C是TEC處理之后的直徑增量與拼接損耗之間的關(guān)系曲線圖，這兩條光纖的裸光纖外徑為125μm。圖2C表明，需要限制直徑增量到不大于11μm，以便得到TEC處理之后的拼接損耗不大于0.1dB，這種拼接損耗通常是SMF拼接所要求的。此外，圖2C還表明，要使直徑增量不大于5μm，以便得到TEC處理之后的拼接損耗不大于0.05dB。直徑增量越小，光纖可以更容易插入到光學(xué)連接器套管中；然而，由于連接器套管與光纖之間有間隙，并不總是要求直徑增量為零。
然而，我們清楚地知道，當直徑增量轉(zhuǎn)變成負值時，拼接損耗的下降曲線應(yīng)當恢復(fù)成水平。所以，熔融拼接之后的過量回拉操作是沒有意義的，且只能使光纖強度退化。例如，若直徑增量變成-20.5μm，則有這種直徑增量(在此情況下是直徑減小量)部分的橫截面變成不大于原始外徑為125μm橫截面的70％。于是，為了保持所需的光纖強度，根據(jù)我們的經(jīng)驗，需要使直徑增量不小于-20μm。在要求光纖有高強度的情況下，更理想的回拉操作是這樣的，直徑增量不小于-6μm。有了不大于-6.5μm的直徑增量，包括增量在內(nèi)的光纖橫截面變成不大于原始外徑為125μm橫截面的90％。
根據(jù)以上的結(jié)果，我們確認，TEC處理之后的較小直徑增量能夠有較低的拼接損耗，在熔融拼接時通過回拉操作減小直徑增量是有效的。然而，理想的是，通過對熔融拼接部分進行TEC處理，使減小直徑增量的回拉操作最小，并可以調(diào)整不同MFD達到均勻性。
利用當前技術(shù)切割多條光纖中包含的裸光纖長度，約10μm的偏差是不可避免的。若這種光纖是整體熔融拼接，則出現(xiàn)推進量的最大偏差約為20μm，導(dǎo)致直徑增量的偏差約為6μm。然而，在整體熔融拼接有不同MFD的多條光纖情況下，即使TEC處理之后光纖的直徑增量偏差為4至10μm，TEC處理之后的拼接損耗是在0.04至0.1dB的范圍內(nèi)，該拼接損耗不大于0.1dB。若每條光纖的直徑增量是從-3μm至3μm，則TEC處理之后的拼接損耗是在0.01至0.035dB的范圍內(nèi)，該拼接損耗不大于0.05dB。
從以上的解釋清楚地看出，在整體熔融拼接MFD為不同的多條光纖情況下，通過減小直徑增量的最小回拉操作，利用TEC處理可以有效地進行MFD匹配。因此，能夠使熔融拼接有不同MFD多條光纖的拼接損耗到不大于0.1dB，這相當于SMF拼接損耗所要求的。此外，直徑增量已經(jīng)減小的拼接部分可以裝入普通的光連接器套管中。
以上是解釋拼接有不同MFD的光纖；然而，本發(fā)明對于拼接每條光纖有小MFD的光纖也是有效的。本發(fā)明還可適用于熔融拼接單個光纖，而不是熔融拼接多光纖帶11。
圖3A至3F是包含利用上述拼接方法熔融拼接光纖的多光纖元件的例子。圖3A所示的光纖元件是由光纖帶21和光纖帶22構(gòu)成，光纖帶21包含較小MFD的光纖，而光纖帶21包含尋常MFD的光纖，在這兩個光纖帶整體熔融拼接操作之后，熔融拼接部分16接受的TEC熱處理使不同的MFD互相匹配。如上所述，熔融拼接部分16是在推進操作和回拉操作的熔融拼接之后接受TEC處理以減小直徑增量。要求熔融拼接部分的直徑增量不大于11μm；更理想的是，直徑增量不大于5μm。此外，要求直徑增量不小于-20μm；更理想的是，直徑增量不小于-6μm。
利用保護套對熔融拼接部分16進行機械保護和加固。在這種結(jié)構(gòu)中，可以使拼接部分的拼接損耗不大于0.1dB，這種拼接損耗相當于SMF的拼接損耗。
多光纖單元21是由這樣一些光纖構(gòu)成，例如，每條光纖的MFD約為5μm，這些光纖是平行排列或帶狀形式配置，或絞合后裝入套管中。多光纖單元22是由這樣一些光纖構(gòu)成，例如，每條光纖的MFD約為10μm，這些光纖是平行排列或帶狀形式配置，或絞合后裝入套管中。
圖3B表示這樣的光纖元件，其中多光纖連接器24連接到圖3A所示配置的多光纖帶21。這種光纖元件能夠容易地連接有較小MFD的平面型光波導(dǎo)和SMF。
圖3C是包含多條光纖22′的光纖元件(而不是圖3A所示的多光纖單元22)，其中多個單光纖連接器25分別連接到多條光纖22′。這種光纖元件能夠連接多光纖單元21，其中每條光纖的MFD為5μm，借助于單光纖連接器25，這種光纖可以插入到SMF構(gòu)成的光傳輸線。可以利用多光纖連接器代替單光纖連接器。
圖3D表示由圖3B和3C所示結(jié)構(gòu)組合而成的元件；即，光纖元件是由光纖帶21和多條光纖22′構(gòu)成，光纖帶21中每條光纖的MFD為5μm，且連接到多光纖連接器24，而多條光纖22′連接到單光纖連接器25。借助于光纖連接器25，這種光學(xué)元件能使有小MFD的平面型波導(dǎo)可插拔地連接到SMF構(gòu)成的光傳輸線。
圖3E是由分開成離散光纖21′的光纖帶21構(gòu)成的光纖元件，離散光纖21′的MFD為5μm，且分別熔融拼接到光纖22a，每條光纖22a的MFD為10μm，且其熔融拼接部分16是分別裝入單光纖連接器25。利用類似于圖3A例子中描述的方法制成熔融拼接部分16。光纖帶21中的分支部分是由分支套管支撐以保持其分支位置。利用可插拔的光纖連接器25，這種光纖元件可使SMF構(gòu)成的光傳輸線連接到MFD為5μm的光纖構(gòu)成的光纖帶21。也可以利用多光纖連接器代替單光纖連接器25。
圖3F是由光纖帶21構(gòu)成的光纖元件，在圖3E所示配置的非分支一側(cè)上，多光纖連接器24連接到光纖帶21。借助于連接器25，這可以在平面型光波導(dǎo)與SMF構(gòu)成的光傳輸線之間形成容易插拔的連接，其中每個平面型光波導(dǎo)的MFD為5μm。
在圖3C至3F描述的光纖元件中，可以利用SMF構(gòu)成的光纖帶22代替MFD為5μm的光纖構(gòu)成的光纖帶21，以及可以利用MFD為5μm的光纖代替光纖22a或光纖22′。
2002年3月22日申請的日本專利申請No.2002-80075中公開的文件，其中包括說明書，權(quán)利要求書附圖和總結(jié)，全部內(nèi)容合并在此供參考。
權(quán)利要求
1.一種拼接一對或多對光纖的方法，這些光纖有各不相同的模場直徑(MFD)，該方法包括以下步驟放置所述一對或多對光纖，使之相互對置，光纖要被拼接的端部被對準；在相互對著地推進所述光纖對中的一者或兩者時進行熔融拼接，使所述光纖對在所述熔融拼接時互相對接；沿相反的方向回拉熔融拼接的光纖，以便減小熔融拼接部分中產(chǎn)生的直徑增量；和對所述熔融拼接部分進行補充的熱處理，使所述光纖纖芯部分中包含的摻雜劑發(fā)生熱擴散，從而使它們的MFD互相匹配。
2.按照權(quán)利要求1的拼接光纖方法，其中熔融拼接部分接受所述補充熱處理之后的直徑增量不大于11μm。
3.按照權(quán)利要求1的拼接光纖方法，其中熔融拼接部分接受所述補充熱處理之后的直徑增量不大于5μm。
4.按照權(quán)利要求1至3中任何一個的拼接光纖方法，其中熔融拼接部分接受所述補充熱處理之后的直徑增量不小于-20μm。
5.按照權(quán)利要求1至3中任何一個的拼接光纖方法，其中熔融拼接部分接受所述補充熱處理之后的直徑增量不小于-6μm。
6.一種包含多條光纖的多光纖元件，這些光纖有不同的MFD并按照權(quán)利要求1的拼接方法進行拼接，其中拼接部分接受補充熱處理之后的直徑增量不大于11μm。
7.按照權(quán)利要求6的多光纖元件，其中直徑增量不大于5μm。
8.按照權(quán)利要求6或7的多光纖元件，其中直徑增量不大于-20μm。
9.按照權(quán)利要求6或7的多光纖元件，其中直徑增量不大于-6μm。
10.一種拼接一對或多對光纖的方法，該方法包括以下步驟放置所述一對或多對光纖，使之相互對置，光纖要被拼接的端部被對準；在相互對著地推進所述光纖對中的一者或兩者時進行熔融拼接，使所述光纖對在所述熔融拼接時互相對接；沿相反的方向回拉熔融拼接的光纖，以便減小熔融拼接部分中產(chǎn)生的直徑增量；和對所述熔融拼接部分進行補充的熱處理，使所述光纖纖芯部分中包含的摻雜劑發(fā)生熱擴散，從而使它們的MFD互相匹配。
全文摘要
提供一種低拼接損耗整體拼接多條光纖的方法，以及包含這種拼接光纖的多光纖元件，其中這些光纖有不同的模場直徑(MFD)。在熔融拼接操作完成之后，對熔融拼接光纖的部分進行補充的熱處理，使光纖纖芯部分中包含的摻雜劑發(fā)生熱擴散，從而使光纖的MFD互相匹配。多條光纖是平行排列的。在熔融拼接操作期間，沿相對著的方向面對面地推進所述光纖對11a和11b中的一者或兩者，再沿相反的方向回拉這些光纖，為的是減小熔融拼接部分的直徑增量，然后，再對熔融拼接部分16進行補充的熱處理。
文檔編號G02B6/255GK1447139SQ03107620
公開日2003年10月8日 申請日期2003年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月22日
發(fā)明者山田英一郎, 齋藤和人, 田村充章 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社