本发明涉及一种制造光学纤维耦合器的方法，这种耦合器能经受相当宽的温度变化和经受例如抽拉从其上伸出的光学纤维引出端等外力的影响。 有一种称为“熔融纤维耦合器”的光学纤维耦合器，它是通过将多根纤维在适当的长度上互相并排置放、并将它们的包覆层熔融在一起以固定纤维和减少芯子之间的间隔而形成的。
将耦合区域封装在玻璃体内以形成一“外包覆耦合器”可改进耦合器的种种性能。将被熔融的纤维部份插入具有低于纤维包覆层的折射率的玻璃管内。该管子具有一个细长的内孔，其两端各通过一便于纤维插入的漏斗形承口与管子的端面相连接。管子的中心区紧贴在纤维上;然后中心区的中心部分收缩到耦合所需要的直径和耦合长度。
在耦合器的中心区收缩后（见图2），在收缩区域的纤维被熔融在管子玻璃上。如图2a所示，管子玻璃通常环绕着纤维流动并完全包围着纤维，当然也有可能在某些用途中，人们希望在靠近耦合区域的纤维处保留狭长的开口区域或空气通道。从管孔的收缩的中心区到管孔的未收缩部分，通过预型件地横截面可以发现在靠近纤维的点28处开始形成小的空气通道。在离收缩中心区较远的地方，如图2b所示，空气通道增大，其中，纤维通过窄的桥接区域29与管子连接，而纤维与纤维之间则通过窄的桥接区域30互相连接。在离收缩中心区的某个距离处，如图2c所示，纤维互相之间以及与管子之间相互分离。狭窄的桥接区域29和30的端部是潜在的纤维断裂开始的部位。当轴向的拉力作用在纤维上时，断裂往往发生在耦合器的这个部位。这个部位（这里称作纤维的“脆弱部位”）常常在距离d内的某处，该距离d是指离收缩中心区端部m约5mm的地方。
耦合器被拉伸并冷却后，在各漏斗形承口里加一滴粘结剂，以增加纤维引出端的抗拉强度。封闭在孔里的空气倾向于使粘结剂停留在漏斗形承口里而不能进入孔中。增加粘结剂进入管子未收缩孔部分深度的技术请参见1992年7月16日递交的美国专利申请S.N.07/913，622（贝克等人26-7）。在该申请的第一个实施例里，将粘结剂加入漏斗形承口处。在粘结剂固化前，留有足够的时间让粘结剂的小珠在毛细管作用下沿着纤维和与其靠近的孔壁之间流动。粘结剂最好至少超过漏斗形承口底部进入孔部分内3mm。然后粘结剂被固化。在第二个实施例中，一根中空的细丝插入未收缩的孔部分内，通过该细丝将孔抽成真空。由于孔被抽成真空，加入漏斗形承口的粘结剂就被吸入未收缩孔部分内。
但是，在条件较恶劣的热循环中，发现纤维的脆弱部位将会断裂，这主要是因为粘结剂和玻璃耦合器部件之间的热膨胀系数不同。由于漏斗形承口壁与孔的轴之间存着一个角度，热膨胀的失配会使漏斗形承口里的粘结剂纵向向外膨胀，拉动埋在其中的纤维使其离开收缩中心区，从而使纤维受力。如果管孔的未收缩部分充满着粘结剂，纤维会由于空隙的存在或其它方位的不均匀性的存在而受力。此外，即使沿着纤维渗入桥接区域的一粘结剂小珠也可能在热循环期间使纤维变得脆弱。当该粘结剂处于纤维和管壁之间的狭窄的桥接区域29中时，由于温度增加而使它膨胀时，它可成为一个楔子。如果纤维从管壁断开，即如果桥接区域断裂，纤维的受损区域会变成一裂缝，如果纤维受到拉伸应力，该裂缝就会扩大。
因此，人们希望粘结剂流到漏斗形承口下面足够的距离，以提供足够的抗拉强度，但是要防止粘结剂流到桥接区域上。如果粘结剂能始终如一地流到管子端面下面的某个预定狭窄区域，则工艺过程的再现性可得到提高。例如，该区域可延伸到管孔里，离纤维开始与管子桥接处（即桥接区域29的端部）上方一给定距离的某一点。公布在上述贝克等人的专利申请中的技术不能始终如一地使粘结剂延伸进入未收缩孔内的一个预定的区域。
在制造如美国专利5，013，117所述的熔融双锥形的锥形耦合器时，两根或几根纤维被熔融在一起并被拉伸而形成一耦合区域。由此产生的耦合器（它没有外包覆管子作为支撑体）非常脆弱，必须附在支撑装置上。例如，将耦合器的端部粘结在一基体上。有些粘结剂可在纤维之间向耦合区域渗透。如果粘结剂到达桥接区域（在那里，纤维开始熔融在一起），由于上述的同样原因，在热循环期间就可能导致断裂。如果粘结剂只延伸到离桥接区有足够距离的区域，那么制造这种类型的耦合器的再现性就会增大。
因此，本发明的目的是提供一种制造能承受外力和承受热循环影响的结实的光学纤维耦合器的方法。
在本发明的制造光学纤维耦合器的方法里，首先形成一中间耦合件，其中至少有两根光学纤维以并排的方式延伸着。该中间耦合件包括（a）一耦合区域，其中各光学纤维的一部分被熔融在一起，（b）与耦合区域离开一段距离的第一和第二分离纤维区域，以及（c）分别在耦合区域和第一及第二分离纤维区域之间的第一和第二过渡区域。在分离纤维区域内，纤维未熔融在一起。随着与耦合区域的距离的增加，任何两根相邻纤维之间熔融的接触面积逐渐减少。
将一滴可通过能量固化的粘结剂加在第一分离区域和一基体上。使粘结剂向第一过渡区域流动。安装一粘结剂固化能量源，它所产生的射束将在第一过渡区和最初滴加粘结剂处之间的一个预定点处贯穿纤维，在这里，从粘结剂滴流向射束处的粘结剂被固化并停止流动。而粘结剂的其余部分也被固化，从而使第一过渡区粘结在基体上。
在本发明的一个实施例里，该中间耦合件是由若干光学纤维组成的，这些纤维以并排的方式延伸通过一耦合区域，并通过一位于纵向靠近耦合区域的管子的孔。在耦合区域纤维熔融在一起，并且在耦合区域内的纤维的直径小于它在管子内的直径。在与耦合区域相反的管子孔的一端有一滴粘结剂包裹着纤维。
按照本发明的另一个实施例，通过支撑若干并排着的光学纤维，加热两端中间的纤维的一部分区域，使它们熔融在一起而形成中间耦合件。而分离的纤维区域则粘接在相邻的基体上。
图1是插入光学纤维后的毛细管的纵剖视图;
图2是表示环绕着纤维的玻璃管收缩后形成一实体中心区的局部的纵剖视图;
图2a，2b和2c分别是沿图2中的2a-2a线，2b-2b线和2c-2c线的横剖视图;
图3是光学纤维耦合器被拉伸收缩后的局部纵剖视图;
图4是图3所示耦合器端部区域的纵剖视图，粘结剂已被注入漏斗形承口内;
图5是沿图4中的5-5线的局部的横剖视图，粘结剂已渗入光学纤维;
图6是收缩毛细管的装置的示意图，拉伸它的中心区，并可在加粘结剂的过程中支撑它;
图7是耦合器端部的剖视图，图中示出了一种不同的加粘结剂的方法;
图8是沿图7中的8-8线的局部的横剖视图;
图9是固定在一保护件上的、成双锥形的锥形耦合器的平面图;
图10，11和12分别是沿图9中的10-10线，11-11线和12-12线的横剖视图。
附图中的零件未按比例关系画出。
美国专利5，011，251公布了一种形成外包覆光学纤维的耦合器的方法，援引在此以供参考之用。本发明所述的1×2耦合器被认为在M×N耦合器中是具有代表性的，其中M≥1，N≥2。保护性的包覆材料21和22从包覆的光学纤维17和18的适当部位处剥下（图1），该光纤被插入毛细管10的纵向孔11内，使无包覆的纤维部份19和20延伸通过中心区27。毛细管10最好是由搀入B2O3（还可搀入氟F）的硅石制成。通过加入GeO2等掺杂物可使它变得较软些，而再多加些B2O3可调整它的折射率。漏斗状承口12和13在端面14和15处形成孔11的进口。
将管子10穿过环形燃烧器34（图6），并由安装在电动机控制的台架45和46上的拉伸夹具32和33夹住。将包覆的纤维17穿过孔11，直到它的无包覆部分处于管子的端面15以下为止。包覆纤维18的无包覆部分置于包覆纤维17的无包覆部分的附近，把它们一起向管子端面14移动，直到包覆端面区域位于漏斗形承口13内，而无包覆纤维部分位于端面14和15的中间为止。纤维18的端头位于管子10的中心区27和端面14之间。这些纤维通过真空装置41和41′，该真空装置41和41′与预型件31的端部密封连接。典型的真空装置公布在美国专利5，017，206里，该专利援引在此以供参考。通过管道42提供真空。一段薄橡胶管43的一端连接在真空装置41的、与预型件31相对的一端上;而橡胶管的另一端在管子夹紧装置（未画出）里延伸。上部的真空装置41′同样地与管道42′，橡胶管43′和管子夹紧装置相连。纤维的包覆部分从管道43和43′伸出。当夹紧装置内建立起空气压力，并如箭头44和44′所示压向橡胶管43和43′，从而使橡胶管紧抵着在里面延伸的纤维时，孔11通过管道42和42′被抽空。
在预型件31被抽真空的同时，环形燃烧器34加热管子10，使中心区27紧贴在光学纤维上（图2）。然后，至少中心区27的中心部分被加热，而台架45和46向相反方向移动以拉长预型件31，形成一具有收缩区域24（图3）的中间耦合件25。在中间耦合件25的两端有由漏斗形承口和孔11的未收缩端部所组成的空腔23。
通常在各漏斗形承口里滴一滴粘结剂，以增强从耦合器端部处伸出的光学纤维引出端的抗拉强度。如果管子没有漏斗形承口，粘结剂就滴在管子的端部。由于空腔23的孔11部分的直径较小，粘结剂流入时不会超过漏斗形承口13的底部16。因此，人们提出了种种粘结剂流入孔内的方法。
图4和5所示是本发明加粘结剂的一种方法，粘结剂是沿着靠近光学纤维的孔的壁“渗入”的。其方法是先在一注射器里装满粘结剂，而它的注射针48伸入漏斗形承口13之中。将足够的粘结剂注入漏斗形承口内以盖住在漏斗形承口里的纤维的裸露区域。粘结剂最好进入漏斗形承口的底部16。
如果粘结剂在注入漏斗形承口后不是马上固化，它将会沿着漏斗形承口的壁和靠近光学纤维的孔“渗入”。这里所谓的“渗入”是指粘结剂通过毛细管作用在各纤维和孔的相邻表面之间的流动，由此形成将纤维粘结在形成孔11的管壁上的细长的小珠53（图5）。粘结剂小珠53将纤维内部和外部产生的负载传送给管子。粘结剂应从漏斗形承口底部16进入孔11′至少3mm;这个距离足以将纤维上的大部分拉力传送给管孔的壁。渗入过程还可在相邻的纤维之间形成粘结剂的流动，从而形成小珠54。渗入所需时间取决于这些参数：耦合器管子的温度，粘结剂的粘性和未收缩的孔的深度。
留足够的时间以使粘结剂通过毛细管作用沿着孔流过一段所需的最短距离。在渗入所需预定时间结束时，通过紫外线、加热或其他类似的方法使粘结剂固化，然后，将耦合器从夹具取下。
然而，在预定的时间内有可能有一个或几个粘结剂小珠偶尔进入桥接区29和30（图2b），如果这种情况发生，将不利于耦合器的机械热性能。因此，有些参数如粘结剂的粘性可以选择得使粘结剂在预定的时间内不会渗入孔内太远。
根据本发明，在靠近中间耦合件25（图3）处安装一个能量源，如紫外光源35。在图4中，紫外光线的边缘用虚线35′表示，而光线延伸到该虚线的右边。在粘结剂小珠到达光线处时，固化过程开始，小珠在几个毫米内停止流动，更具体的时间视工艺过程的情况，如粘性及固化能量强度而定。当固化光线源被安装在与支撑中间耦合件25的装置对齐的支撑架上时，粘结剂能延伸进入孔11′区域内离中间耦合件25端部一个预定距离的地方。由于粘结剂的深度可以准确地控制，因此耦合器制造过程的再现性增加了。然后，紫外线朝向管子10的端部，使粘结剂的其余部分固化。
然后，在管子的另一端重复上述粘结剂的施加过程。在耦合器从夹具32和33上取下后，可再次用紫外线对粘结区域进行照射，以便使所有的粘结剂完全固化。
另外一个实施例如图7和8所示，其中紫外光线的边缘仍用虚线35′表示。一根中空的细丝56上带有保护包覆层57，带包覆层是为了比较容易操作。包覆的中空细丝通过插入抽真空的管道58的端部、并用粘结剂59密封接合处而连接到一真空源上。从细丝56的端部处剥去足够长的包覆层57，以便让细丝进入空腔23′内到所需的深度。细丝56的端部进入紫外光线，但是它不应进入纤维的桥接区域，因为在该区域里与纤维接触会使桥接区域裂开，从而削弱纤维。一种用来获得适当的细丝插入距离的简单技术如图6所示。细丝57的端部安装在某个预定点上，例如夹具33的顶部，而细丝远离该端的一段由夹持器49固定。当细丝的端部插入孔11′后，它就会延伸到所需的深度。
当一滴粘结剂52′置于漏斗形承口13′里时，由细丝56提供的低压将粘结剂吸入空腔内直至将被光线35′照射的深度，从而被固化。在空腔23′里的纤维19′和20′的那些部分完全浸入粘结剂里、光线所能达到处的预定深度。然后中空细丝56被折断，而将一滴粘结剂置于它的露出端上。粘结剂的其余部分按如上所述被固化。
在又一个实施例里，通过图7的孔抽真空技术，粘结剂被拉入孔内但小于预定距离，并给予足够的时间，以保证粘结剂渗入到紫外光线处。在渗入之前先部分地充满孔是有利的，因为在渗入过程之前就在孔里加入粘结剂，从而可减少渗入时间并保证适当的渗入作用的发生。中空细丝被折断和粘结，而粘结剂的其余部分被固化。
本发明的方法也可用于美国专利5，013，117所述的熔融双锥形的锥形耦合器。如图9所示，位于它们两端中间的包覆层75和76分别从包覆的光学纤维77和78上剥去，使纤维的剥去包覆层的部分73和74互相接触，加热接触部分使它们同时熔化，并沿着光轴拉伸纤维。通过粘结剂施加器针头82将一滴粘结剂81送入耦合器的两端，将耦合器71粘结在基体80上。粘结剂81覆盖纤维73和74（图10），以及至少一部分包覆层75和76。随首时间的过去，粘结剂小珠84、85和86能在纤维和基体之间渗透（图11）。如果粘结剂渗入纤维被桥接区域88连接的锥形区域（图12），或渗入靠近桥接区域的锥形区域，它会改变耦合比例，可能增加损失，从而产生断裂问题。为了防止粘结剂沿着纤维向熔融区域79过分渗入，紫外光线84射向纤维，以如上所述固化渗入的粘结剂。这样，粘结剂只能进入由光线84的边缘所决定的预定区域。
曾按照本发明以如下的方式制造了一根1×2光学纤维耦合器。玻璃管10的尺寸是：长度是3.8cm，外径是2.6mm，而孔径是265μm。各漏斗形承口12和13是使气相蚀刻剂NF3流过管子、并同时均匀地加热管子的端部而形成的。漏斗形承口12和13深约1.71mm，而它们的最大直径约是1.81mm。包覆纤维17和18由分别具有250μm直径的氨基甲酸乙酯丙烯酸酯（Urethane acrylate）包覆层21和22的125μm直径的单模式光学纤维19和20组成的。一段6cm长的包覆层从一根1.5米长的包覆纤维18的一端剥去。通过在纤维剥皮区域的中央点火燃烧，且同时拉动纤维的端部并将它们割断以形成锥形端，从而在纤维18的端部形成一抗反射的终端。用燃烧器火焰加热纤维20的顶端，使玻璃收缩而形成一圆的端面。由此而制成的剥皮端部区域约长3.2cm。从3米长的包覆纤维17的中间区域大约剥去3.2cm的包覆层。
将管子10插入图6所示的装置里，而纤维如上所述被插入管子10里。真空装置41和41′安装在预型件31的端部，7-12英寸（18-56cm）汞的真空被连在真空装置上。点燃环形燃烧器34，用它的火焰加热管子10，使管子中心区27收缩而紧贴着纤维。在管子冷却后，再点燃燃烧器以加热收缩区域的中心。关掉火焰，开动台架45和46以形成缩颈区域24（图3）。在耦合器冷却后，取下真空管道。在将粘结剂加到空腔23期间耦合器仍留在夹具上。
夹紧装置44和44′和真空软管43和43′脱开，并提供氮给软管42和42′。由于氮流过软管43和43′而产生的扰动有助于使纤维脱离这些管子。当氮清洗完成后，取下真空装置41和41′。
提供约30厘米长的80μm中空硅石细丝56。该细丝有200μm外径的氨基甲酸乙酯丙烯酸酯包覆层。包覆的细丝的一端粘结在管子58的一端内，管子的另一端与一真空源连通。约2.5cm的包覆层从中空细丝的另一端处剥去。将细丝56插入孔11′内，直至伸进端面15内7-8mm为止。
在注射器里充满由康涅狄格州新米尔福德的电子材料有限公司制造的电解质紫外固化环氧树脂，代号为2500UV。将粘结剂施加器针头插入耦合器预型件的下部漏斗形承口13内，并仔细操作使针头进入漏斗形承口的底部区域。将足够数量的环氧树脂注入漏斗形承口以填满它和复盖裸露的纤维。小心翼翼地使扩散到漏斗外部的粘结剂的数量降低到最低程度。
Dymax PC3紫外光线源的圆柱形输出头35置于图6所示装置的夹具33上的环形凹进部分47里。当光线打开时，它射在预型件31上，并距端面15的6-8mm处延伸。中空细丝56延伸进入紫外光线内约1-2mm。
然后空腔23′通过中空细丝被抽空，由此将环氧树脂吸入孔11′内。当环氧树脂到达紫外光线处时即被固化并停止流动。折断细丝56，将一滴环氧树脂置在它的裸露端上。从凹进部分47处取出紫外光源，将紫外光线对准夹具33和真空装置41之间的预型件31上，以进一步固化环氧树脂。
将输出头35移到夹具32的凹进部分47′，在预型件31的上端部重复进行环氧树脂的施加和固化工序。最后将耦合器从夹具上取下。为了保证环氧树脂的完全固化，将耦合器放在白色的背景上，并暴露在Bondwand UV固化头的紫外光线下至少15分钟。
由于上述1×2耦合器在长期使用中有可能因应力的存在而发生断裂的情况，决定将环氧树脂延伸到离预型件31端面约3-8mm的区域。在用这种方法制造的光学纤维耦合器里，97%的粘结剂的端部都没有超过这个范围的0.1mm。这种耦合器显示了优秀的机械热性能，这种耦合器的纤维引出端也显示了高的抗拉强度。