CN110268295B - 用于硅光子学的光纤 - Google Patents

用于硅光子学的光纤 Download PDF

Info

Publication number
CN110268295B
CN110268295B CN201880010726.XA CN201880010726A CN110268295B CN 110268295 B CN110268295 B CN 110268295B CN 201880010726 A CN201880010726 A CN 201880010726A CN 110268295 B CN110268295 B CN 110268295B
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical fiber
core
fiber
doped
cladding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201880010726.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN110268295A (zh
Inventor
D·C·伯克宾德
李明军
D·R·鲍尔斯
P·坦登
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Corning Inc
Original Assignee
Corning Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Corning Inc filed Critical Corning Inc
Publication of CN110268295A publication Critical patent/CN110268295A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110268295B publication Critical patent/CN110268295B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/421—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms the intermediate optical component consisting of a short length of fibre, e.g. fibre stub
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • G02B6/305—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device and having an integrated mode-size expanding section, e.g. tapered waveguide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B32/00—Thermal after-treatment of glass products not provided for in groups C03B19/00, C03B25/00 - C03B31/00 or C03B37/00, e.g. crystallisation, eliminating gas inclusions or other impurities; Hot-pressing vitrified, non-porous, shaped glass products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B37/00—Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
    • C03B37/01—Manufacture of glass fibres or filaments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B37/00—Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
    • C03B37/10—Non-chemical treatment
    • C03B37/16—Cutting or severing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C13/00—Fibre or filament compositions
    • C03C13/04—Fibre optics, e.g. core and clad fibre compositions
    • C03C13/045—Silica-containing oxide glass compositions
    • C03C13/046—Multicomponent glass compositions
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02004—Optical fibres with cladding with or without a coating characterised by the core effective area or mode field radius
    • G02B6/02028—Small effective area or mode field radius, e.g. for allowing nonlinear effects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/028—Optical fibres with cladding with or without a coating with core or cladding having graded refractive index
    • G02B6/0281—Graded index region forming part of the central core segment, e.g. alpha profile, triangular, trapezoidal core
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/255—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding
    • G02B6/2552—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding reshaping or reforming of light guides for coupling using thermal heating, e.g. tapering, forming of a lens on light guide ends
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/38—Mechanical coupling means having fibre to fibre mating means
    • G02B6/3807—Dismountable connectors, i.e. comprising plugs
    • G02B6/3833—Details of mounting fibres in ferrules; Assembly methods; Manufacture
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/4206—Optical features
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C2213/00—Glass fibres or filaments

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)

Abstract

一种用于将光学信号有效地耦合到光子装置的光纤。所述光纤包括掺Cl的锥形芯体区域，其具有变化的外直径和变化的最大芯体折射率，以在对光子装置关注的波长下提供改进的耦合。所述光子装置例如可以是硅光子装置，其工作波长在1310nm处或附近，或者在1550nm处或附近。

Description

用于硅光子学的光纤
本申请依据35 U.S.C.§119要求于2017年2月7日提交的系列号为62/455,728的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并将其通过引用全文纳入本文。
背景技术
本公开一般涉及光纤与光源及具有不同光学性质的其他光波导的耦合，更具体地，涉及具有扩展的模场直径(“MFD”)的光纤，以及扩展光纤的模场直径以随后与硅光子装置耦合的方法。
硅光子(SiP)收发器对数据中心应用具有吸引力，这是因为相比于850nmVCSEL系统，它们可潜在地提供高的数据速率和更长的距离。对成本敏感的数据应用来说，关键问题在于有效且廉价地将SiP激光器耦合到光纤。虽然将激光器耦合到芯体直径大且数值孔径高的多模光纤中比较容易，但是其带宽比单模或芯体小的较少模的光纤更低。因此，需要开发可低成本地将SiP激光器或类似的光源耦合到单模光纤的耦合装置。
另外，如光子光波系统领域的技术人员所知的，随着光纤产业的成熟，常需要将特种光纤(例如色散补偿光纤)或模场直径大的光纤耦合到单模光纤而不表现出过多的连接损耗或“接续损耗”。然而，这些特种光纤的模场直径与将要耦合或连接的遍及单模光纤或装置到大模光纤的模场直径在尺寸和其他方面有所不同。这种模场直径彼此错配的光纤连接一般导致过多的接续损耗。
本文引用的任何参考文献不应被认定为构成现有技术。申请人明确保留怀疑任何引用文献的准确性和相关性的权利。
发明内容
本公开的一个实施方式涉及一种光纤，其包括：长度L，第一端面和第二端面，以及在光纤的第一端面处的MFD，该MFD与光纤的另外区域处的MFD不同，所述光纤还包括：
(I)基于掺Cl二氧化硅的芯体，其包括：
(a)第一掺Cl芯体区域，该区域具有最大折射率Δ0，使得0.05％≤Δ0≤0.6％(相对于未掺杂的二氧化硅而言)，以及外芯体直径D0，其中5微米≤D0≤12微米，第一掺Cl芯体区域具有最大Cl浓度[Cl]，其中0.5重量％≤[Cl]≤5重量％；和
(b)掺Cl锥形芯体区域，其位于第一掺Cl芯体区域和第一光纤端面附近，所述掺Cl锥形芯体区域，以及最大芯体折射率Δc沿着锥形芯体区域的长度减小，锥形区域具有最大直径D最大和沿着长度变化的外直径，使得：
(i)D最大≥D0+3微米；
(ii)8微米≤D最大≤70微米；和
(II)包围芯体的基于二氧化硅的包层。
根据一些实施方式，光纤耦合器包括：(i)壳体；(ii)位于所述壳体内的套圈，并且上文所述的光纤位于所述套圈中，所述套圈被构造用于接收和支承其中的另一个光纤的至少一部分。根据一些实施方式，具有基于掺Cl二氧化硅的芯体的光纤和另一光纤在套圈内彼此相邻定位，并且彼此是光学耦合的。
根据本文公开的至少一些实施方式，包层在整个光纤长度上包含恒定的外直径。根据本文公开的至少一些实施方式，第一掺Cl芯体区域具有长度L1，并且L1>12cm。根据本文公开的至少一些实施方式，掺Cl锥形芯体区域包含长度L2，其中0.05mm≤L2≤10mm。例如，根据一些实施方式，光纤包括具有长度L1的第一掺Cl芯体区域，锥形芯体区域包含长度L2，其中L1>12cm且0.05mm≤L2≤10mm。
根据一些实施方式，一种光纤包括：
长度L，第一端面和第二端面，以及在光纤的第一端面处的模场直径MFD，该模场直径MFD与光纤的另外区域处的MFD不同，所述光纤还包括：
(I)基于掺Cl二氧化硅的芯体，其包括：
(a)第一掺Cl芯体区域，该区域沿着其长度L1具有恒定的最大折射率Δ0，使得0.05％≤Δ0≤0.6％(相对于未掺杂的二氧化硅而言)，以及沿着其长度L1的恒定的外芯体直径D0，其中5微米≤D0≤12微米并且L1>12cm，所述第一掺Cl芯体区域具有最大Cl浓度[Cl]，其中0.5重量％≤[Cl]≤5重量％；和
(b)掺Cl锥形芯体区域，其位于第一掺Cl芯体区域和第一光纤端面附近，所述掺Cl锥形芯体区域具有长度L2，其中0.05mm≤L2≤10mm，以及最大芯体折射率Δc，其沿着锥形芯体区域的长度L2减小，锥形区域具有最大直径D最大和沿着长度L2变化的外直径，使得：
(i)D最大≥D0+3微米；
(ii)8微米≤D最大≤70微米；和
(II)包围芯体的基于二氧化硅的包层，所述包层在光纤的整个长度上具有恒定的外直径。
根据一些实施方式，本公开涉及一种光纤，其具有长度，第一端面和第二端面，以及模场直径(MFD)，光纤的第一端面处的模场直径(MFD)与光纤的第二端面处的模场直径(MFD)不同。
在一些实施方式中，长度L2为0.05mm至50mm，在一些实施方式中为0.5mm至20mm，在一些实施方式中为1mm至2cm。在一些实施方式中，长度L2为0.05mm≤L2≤1mm。在一些实施方式中，长度L2为0.2mm≤L2≤5mm。在一些实施方式中，10微米/毫米≤(D最大-D0)/L2≤100微米/毫米。在一些实施方式中，14微米/毫米≤(D最大-D0)/L2≤86微米/毫米。在一些实施方式中，14微米/毫米≤(D最大-D0)/L2≤35微米/毫米。
在一些实施方式中，锥形芯体区域具有锥形轮廓，该锥形轮廓具有：线性锥度、抛物线锥度、指数式锥度或高斯锥度。在一些实施方式中，锥形芯体区域具有渐变(adiabatic)锥度，并且满足以下条件：
其中D是在锥形芯体区域中的位置z处的芯体直径，λ是工作波长，n有效是基模的有效折射率，并且n包层是包层的折射率。在一些实施方式中，λ＝1310nm。在一些实施方式中，λ＝1550nm。在一些实施方式中，λ＝980nm。
在一些实施方式中，锥形芯体区域具有基本上渐变的锥度，并且满足以下条件：
在一些实施方式中，芯体中的Cl的最大浓度是1.1重量％至5重量％。在一些实施方式中，芯体包含最大Cl浓度为1.4重量％至5重量％的至少一个区域。
在一些实施方式中,相对于未掺杂的二氧化硅，0.0％≤│Δc(D最大处)│≤0.3％，例如，其中0.0％≤│Δc(D最大处)│≤0.2％。
在一些实施方式中，长度L2小于3cm。在一些实施方式中，长度L2为0.05mm至30mm，在一些实施方式中为0.5mm至20mm，并且在一些实施方式中为1mm至2cm。
根据至少一些实施方式，包层是基于掺F二氧化硅的包层。根据一些实施方式，光纤包层中的最大F浓度是1重量％。根据一些实施方式，光纤包层中的最大F浓度例如是0.05重量％至0.75重量％。
根据一些实施方式，掺Cl锥形芯体区域具有渐变的锥度。
根据一些实施方式，锥形芯体区域在1550nm下的锥形诱导损耗≤0.2dB。根据一些实施方式，锥形芯体区域在1310nm下的锥形诱导损耗≤0.2dB。根据一些实施方式，锥形芯体区域在1310nm下的锥形诱导损耗≤0.1dB。
根据一些实施方式，相对于纯二氧化硅，最大直径最大值D最大所对应的位置处的折射率Δ——Δc为约-0.2％至约0.8％(即，-0.2％≤Δc(D最大处)≤0.8％)。根据一些实施方式，相对于未掺杂的二氧化硅，最大直径最大值D最大所对应的位置处的折射率Δ——Δc≤0.4％，即，Δc(D最大处)≤0.4％。根据一些实施方式，相对于未掺杂的(纯)二氧化硅，│Δc(D最大处)│≤0.2％。根据一些实施方式，相对于未掺杂的(纯)二氧化硅，│Δc(D最大处)│≤0.15％。根据其他实施方式，相对于未掺杂的(纯)二氧化硅，│Δc(D最大处)│≤0.1％。根据一些实施方式，相对于未掺杂的二氧化硅，0％≤│Δc(D最大处)│≤0.3％。在一些实施方式中，相对于未掺杂的二氧化硅，0.0％≤│Δc(D最大处)│≤0.2％。根据一些实施方式，0.15％≤[Δ0-Δc(D最大处)]≤0.37％。
根据一些实施方式，包层是掺F包层，并且相对于纯二氧化硅，│Δc(D最大处)│≤0.2％。根据一些实施方式，包层是掺F包层，并且相对于纯二氧化硅，│Δc(D最大处)│≤0.15％。
有利的是，可利用本文公开的光纤对硅光子和VCSEL光源提供低耦合。
根据一些实施方式，一种在包含掺氯芯体并且该芯体被包层包围的玻璃光纤中形成锥形芯体的方法包括以下步骤：
(a)向光纤的某区域施加热，施加的累积持续时间小于60秒(例如小于50秒、小于45秒，在一些实施方式中小于30秒)，由此使氯从光纤的芯体扩散到光纤的包层中，并且将模场直径MFD扩展至少3微米；以及
(b)在模场直径MFD扩展至少3微米的光纤区域中断开光纤。
根据一些实施方式，在施加热的步骤之前，光纤中的氯的最大量是0.5重量％至5重量％。根据一些实施方式，在施加热的步骤之前，光纤中的氯的最大量是1.4重量％至5重量％。根据一些实施方式，在施加热的步骤之前，掺Cl芯体区域具有最大折射率Δ0，使得0.05％≤Δ0≤0.6％(相对于未掺杂的二氧化硅而言)。根据一些实施方式，在温度Td下进行施加热的步骤，并且1500℃≤Td≤2100℃，例如1600℃≤Td≤2000℃。
根据一些实施方式，一种在玻璃光纤中形成低损耗锥形的方法，所述玻璃光纤在芯体中包含大于0.5重量％的氯，所述芯体具有初始模场直径MFD(在1550nm下)并且被包层包围，所述方法包括以下步骤：
通过向光纤施加热，施加小于60秒的累积持续时间，由此使氯从光纤的芯体扩散到光纤的包层中，从而使在15550nm下的初始模场直径MFD扩展至少3微米；在MFD扩展至少3微米的位置处断开光纤。
根据一些实施方式，一种在包含掺氯芯体并且该芯体被包层包围的玻璃光纤中形成芯体锥度的方法包括以下步骤：
将光纤放置在位于热源附近的保持用固定装置中；
通过向光纤施加来自光源的热，施加小于60秒的累积持续时间，由此将氯从光纤的芯体扩散到光纤的包层中，从而将光纤的MFD扩展至少3微米；以及
在MFD扩展至少3微米的位置处断开光纤。根据一些实施方式，掺氯芯体具有最大Cl浓度[Cl]，其中0.5重量％≤[Cl]≤5重量％。
根据一个实施方式，在包含最大Cl浓度[Cl]的光纤芯体中形成渐变锥形或基本上渐变锥形的方法，其中0.5重量％≤[Cl]≤5重量％；所述方法包括以下步骤：
(a)使所述光纤的断开端与第二光纤的断开端对准并邻接，
(b)提供与光纤相邻的热源并形成由热源提供的热区域(第一加热步骤)，以在各光纤之间形成接续缝；
(c)在所述热区域中施加热(第二加热步骤)以接续光纤并扩展光纤的模场直径MFD，同时使至少一种掺杂剂从第一和第二光纤的芯体扩散到相应的第一和第二光纤的包层中；其中，施加热的步骤的累积持续时间小于1分钟，
任选地，监测接续损耗的减少；
当接续损耗达到目标损耗或足够接近目标损耗时，终止施加热。
根据一个实施方式，在包含最大Cl浓度[Cl]和第一MFD的光纤芯体中形成渐变锥形或基本上渐变锥形的方法，其中0.5重量％≤[Cl]≤5重量％；所述方法包括以下步骤：
(a)使具有第一MFD的所述光纤的断开端与第二光纤的断开端对准并邻接，所述第二光纤具有第二模场直径，其大于第一光纤的第一MFD，
(b)提供与第一和第二光纤相邻的热源并形成由热源提供的热区域(第一加热步骤)，以在各光纤之间形成接续缝；
(c)任选地，使接续缝与热源的热区域中心偏离预定距离；
(d)在所述热区域中施加热(第二加热步骤)以接续光纤并扩展光纤的模场直径MFD，同时使至少一种掺杂剂从第一和第二光纤的芯体扩散到相应的第一和第二光纤的包层中；其中，施加热的步骤的累积持续时间小于1分钟。
根据一个实施方式，在包含最大Cl浓度[Cl]和第一MFD的光纤芯体中形成渐变锥形或基本上渐变锥形的方法，其中0.5重量％≤[Cl]≤5重量％；所述方法包括以下步骤：
(a)使具有第一MFD的所述光纤的断开端与第二光纤的断开端对准并邻接，所述第二光纤具有第二模场直径，其大于第一光纤的第一MFD，
(b)提供与第一和第二光纤相邻的热源(第一加热步骤)并形成由热源提供的热区域，以在各光纤之间形成接续缝；
(c)任选地，使接续缝与热源的热区域中心偏离预定距离；
(d)在所述热区域中施加热(第二加热步骤)以接续光纤并扩展光纤的模场直径MFD，同时使至少一种掺杂剂从第一和第二光纤的芯体扩散到相应的第一和第二光纤的包层中；其中，施加热的步骤的累积持续时间小于1分钟；
任选地，监测接续损耗的减少；
当接续损耗达到目标损耗或足够接近目标损耗时，终止施加热。
根据一些实施方式，所述方法还包括：在热从热源输送到第一光纤的位置处，断开掺氯光纤。
根据一些实施方式，施加热的步骤不超过45秒的累积(总)持续时间。根据一些实施方式，施加热的步骤不超过30秒的累积(总)持续时间。根据一些实施方式，施加热的步骤的累积(总)持续时间例如是1秒至30秒，在一些实施方式中是3秒至30秒，以及在一些实施方式中是5秒至30秒。
根据一些实施方式，所述至少一种掺杂剂包含氯(Cl)。
根据一个实施方式，在光纤中形成渐变锥形或基本上渐变锥形的方法包括以下步骤：
断开具有模场直径MFD的光纤的一端，由此形成断开端；
向距离断开端为预定区段长度的光纤的区段施加热，这通过将该光纤区段移动通过热源来进行，其中，向该光纤区段施加热持续的总时间小于1分钟；
控制光纤移动速度，以使模场直径MFD从所述区段的内端向断开端逐渐扩展。
根据一个实施方式，在光纤中形成渐变锥形或基本上渐变锥形的方法包括以下步骤：
从具有预定长度的光纤区段移除光纤涂层，所述区段位于光纤的中部区域，所述光纤具有模场直径MFD；
通过热源向光纤区段施加热，持续的总时间小于1分钟；
从该区段的两端向该区段的中部逐渐扩展模场直径MFD；以及
在中部(或内部区域)中断开光纤区段以形成两个渐变锥形。
根据一些实施方式，施加热的步骤进行过1秒至45秒。根据一些实施方式，施加热的步骤在每个位置进行共1秒至30秒。根据一些实施方式，施加热的步骤在每个位置或光纤区段进行3秒至30秒。根据一些实施方式，施加热的步骤在每个位置进行5秒至30秒。根据一些实施方式，在温度Td下在每个位置施加热，持续1秒和45秒，其中Td<2100℃，优选小于2000℃。根据一些实施方式，1500℃<Td≤2100℃。根据一些实施方式，1600℃<Td≤2100℃。根据一些实施方式，1600℃<Td≤2000℃。根据一些实施方式，1700℃<Td≤2000℃。
根据一些实施方式，一种系统包括：
与光纤光学耦合的硅光子装置，所述光纤包含：
基于掺Cl二氧化硅的锥形芯体区域，该锥形芯体区域具有沿着锥形芯体区域的长度L2变化的外直径Dc，以及最大外直径D最大，使得8微米≤D最大≤70微米；锥形芯体区域还包含最大芯体折射率Δc，其沿着锥形芯体区域的长度而减小；
以及包围芯体的基于二氧化硅的包层。根据一些实施方式，包层在整个光纤长度上具有恒定的外直径。
根据一些实施方式，所述硅光子装置包括波导，所述光纤在光学上光学耦合到所述波导。
根据一些实施方式，所述系统包括过渡波导，其位于硅光子装置与光纤之间，所述光纤光学耦合到所述过渡波导，所述过渡波导光学耦合到所述硅光子装置。根据一些实施方式，所述硅光子装置包括硅光子SiP波导，所述过渡波导通过所述硅光子SiP波导光学耦合到所述硅光子装置。
根据一些实施方式，一种光纤耦合器包括：(i)壳体；(ii)位于所述壳体之内的套圈，并且光纤位于所述套圈内，所述光纤还包括：
(I)基于掺Cl二氧化硅的芯体，其包括：
(a)第一掺Cl芯体区域，该区域具有最大折射率Δ0，使得0.05％≤Δ0≤0.6％(相对于未掺杂的二氧化硅而言)，以及外芯体直径D0，其中5微米≤D0≤12微米，第一掺Cl芯体区域具有最大Cl浓度[Cl]，其中0.5重量％≤[Cl]≤5重量％；和
(b)掺Cl锥形芯体区域，其位于第一掺Cl芯体区域和第一光纤端面附近，所述掺Cl锥形芯体区域，以及最大芯体折射率Δc沿着锥形芯体区域的长度减小，锥形区域具有最大直径D最大和沿着长度变化的外直径，使得：
(i)D最大≥D0+3微米；
(ii)8微米≤D最大≤70微米；和
(II)包围芯体的基于二氧化硅的包层，
所述套圈被构造用于接收和支承其中的另外光纤的至少一部分。
在以下的详细描述中给出了其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言是容易理解的，或通过实施书面说明书和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。应理解，上文的一般性描述和下文的具体实施方式都仅仅是示例性的，并且旨在提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
包括的附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各个实施方式的原理和操作。
附图说明
图1A是根据一个实施方式所述的光纤的截面示意图；
图1B是根据包含图1A的光纤的光纤耦合器实施方式的一个实施方式的截面示意图；
图2A、2B和2C是包含耦合到激光源的图1A的光纤的光学系统的三个实施方式的示意图；
图3例示了在1310nm和1550nm波长下模场直径(MFD，单位为μm)根据图1A的光纤的芯体外直径的变化情况；
图4示出了在1550nm的波长下，对于不同扩束尺寸(不同MFD)的单模激光束的计算空间对准公差；
图5示出了在1550nm的波长下，对于不同扩束尺寸的单模激光束的计算角对准公差；
图6示意性例示了一种通过热扩散过程制造锥形芯体光纤的方法；
图7例示了Cl、Ge和F掺杂剂在二氧化硅玻璃中的扩散率根据玻璃温度的变化情况；
图8A例示了在芯体掺有氯且包层掺有氟的光纤中，在1700℃下，氯分布[Cl浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图8B例示了在芯体掺有氯且包层掺有氟的光纤中，在1700℃下，氟分布[F浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图8C例示了在芯体掺有氯且包层掺有氟的光纤中，在1700℃下，折射率分布随着暴露时间的演变；
图9A例示了在芯体掺有氯且包层掺有氟的光纤中，在1900℃下，氯分布[Cl浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图9B例示了在芯体掺有氯且包层掺有氟的光纤中，在1900℃下，氟分布[F浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图9C例示了在芯体掺有氯且包层掺有氟的光纤中，在1900℃下，折射率分布随着暴露时间的演变；
图10A例示了在芯体掺有氯且包层掺有氟的光纤中，在2100℃下，氯分布[Cl浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图10B例示了在芯体掺有氯且包层掺有氟的光纤中，在2100℃下，氟分布[F浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图10C例示了在芯体掺有氯且包层掺有氟的光纤中，在2100℃下，折射率分布随着暴露时间的演变；
图11A例示了在具有掺氯芯体的芯体以及未掺杂的包层的光纤中，在1700℃下，氯分布[Cl浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图11B例示了在具有掺氯芯体的芯体以及未掺杂的包层的光纤中，在1700℃下，折射率分布随着暴露时间的演变；
图12A例示了在具有掺氯芯体的芯体以及未掺杂的包层的光纤中，在1900℃下，氯分布[Cl浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图12B例示了在具有掺氯芯体的芯体以及未掺杂的包层的光纤中，在1900℃下，折射率分布随着暴露时间的演变；
图13A例示了在具有掺氯芯体的芯体以及未掺杂的包层的光纤中，在2100℃下，氯分布[Cl浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图13B例示了在具有掺氯芯体的芯体以及未掺杂的包层的光纤中，在2100℃下，折射率分布随着暴露时间的演变；
图14A例示了在芯体掺有氯和氟且包层掺有氟的光纤中，在1700℃下，氯分布[Cl浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图14B例示了在芯体掺有氯和氟且包层掺有氟的光纤中，在1700℃下，氟分布[F浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图14C例示了在芯体掺有氯和氟且包层掺有氟的光纤中，在1700℃下，折射率分布随着暴露时间的演变；
图15A例示了在芯体掺有氯和氟且包层掺有氟的光纤中，在1900℃下，氯分布[Cl浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图15B例示了在芯体掺有氯和氟且包层掺有氟的光纤中，在1900℃下，氟分布[F浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图15C例示了在芯体掺有氯和氟且包层掺有氟的光纤中，在1900℃下，折射率分布随着暴露时间的演变；
图16A例示了在芯体掺有氯和氟且包层掺有氟的光纤中，在2100℃下，氯分布[Cl浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图16B例示了在芯体掺有氯和氟且包层掺有氟的光纤中，在2100℃下，氟分布[F浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图16C例示了在芯体掺有氯和氟且包层掺有氟的光纤中，在2100℃下，折射率分布随着暴露时间的演变；
图17A例示了在芯体掺有氯且包层掺有氯和氟的光纤中，在1700℃下，氯分布[Cl浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图17B例示了在芯体掺有氯且包层掺有氯和氟的光纤中，在1700℃下，氟分布[F浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图17C例示了在芯体掺有氯且包层掺有氯和氟的光纤中，在1700℃下，折射率分布随着暴露时间的演变；
图18A例示了在芯体掺有氯且包层掺有氯和氟的光纤中，在1900℃下，氯分布[Cl浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图18B例示了在芯体掺有氯且包层掺有氯和氟的光纤中，在1900℃下，氟分布[F浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图18C例示了在芯体掺有氯且包层掺有氯和氟的光纤中，在1900℃下，折射率分布随着暴露时间的演变；
图19A例示了在芯体掺有氯且包层掺有氯和氟的光纤中，在1900℃下，氯分布[Cl浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图19B例示了在芯体掺有氯且包层掺有氯和氟的光纤中，在1900℃下，氟分布[F浓度(重量％)]随着暴露时间的演变；
图19C例示了在芯体掺有氯且包层掺有氯和氟的光纤中，在1900℃下，折射率分布随着暴露时间的演变。
具体实施方式
本文所述的经热扩散扩展芯体的方法利用在加热的光纤中的掺杂剂扩散现象来扩展模场直径。熔合连接模场直径不同的两种光纤的一种方法是连续或逐渐改变一种或两种光纤的芯体直径，以便模场直径在它们的边界处匹配。在掺杂剂扩散的过程期间，相比于常规的光纤部分，芯体直径局部变得更大，且相对折射率差异局部变得更小。结果形成了锥形芯体，并因此在光纤中形成了渐缩的模场直径。本文所述的用于制造热扩散扩展芯体的方法的实施方式提供了以下一个或多个优点：其对许多应用有效，相对便宜，并且可相对较快及便宜地来完成。
图1A是根据本发明的一个示例性实施方式所述的模场直径(未涂覆)扩展的光纤10的部分截面放大图。该光纤具有长度L，并且在光纤的一个端面(例如端面12)上具有模场直径，其大于光纤的另一个端面(端面14)的模场直径(MFD)。光纤10是将具有一种MFD的光源连接到具有另一MFD的光学部件或光纤的“跳跃”光纤。在该实施方式中，光纤具有长度L且L<100m。优选地，L<50m，例如为0.2m至20m。在一些实施方式中，0.2m≤L≤2m。根据至少一个实施方式，光纤10包含掺Cl二氧化硅玻璃芯体20以及包围芯体20的掺F二氧化硅包层40。然而，在其他实施方式中，包层40例如可以是纯二氧化硅或者掺硼二氧化硅。
更具体地，光纤10包括芯体20以及包围芯体20的具有恒定外直径的包层。芯体20包括两个芯体区域：恒定的芯体区域22以及位于恒定的芯体区域22附近的锥形芯体区域24。本文所用的术语“恒定的外直径”是指光纤的包层外直径沿着长度的变化小于3微米。
芯体区域22(在本文中也被称为恒定的芯体区段或恒定的芯体区域22)具有长度L1，例如L1>10cm(优选L1>12cm或L1>15cm)，基本上恒定的最大折射率Δ——Δ0，以及沿着长度L1基本上恒定的外直径D0。如本文中所使用的术语“基本上恒定”意为芯体区域22的直径D0和最大折射率Δ——Δ0可以具有较小变化，即，在典型的制造公差范围内的变化。芯体区域22具有恒定的最大折射率。术语“恒定的最大折射率”在本文中是指光纤芯体的最大折射率沿着长度的变化小于10％。在一些实施方式中，光纤芯体区域22沿着长度的最大折射率变化小于5％。
光纤10的锥形芯体区域24的长度L2小于5cm，并且位于光纤的第一光纤端面12附近。锥形芯体区域24沿着其长度L2具有变化的芯体外直径Dc。在一些实施方式中，光纤沿着长度的外直径变化小于1微米。在一些实施方式中，例如，15cm≤L1≤50m且L2<3cm。在一些实施方式中，L2<2cm，例如2mm至1cm或者2mm至5mm。锥形芯体区域24在沿着锥形区域的长度L2的每个位置z处具有最大折射率Δ——ΔC，使得ΔC沿着锥形芯体区域24的长度L2而变化。
示例性的光纤10具有恒定的包层外直径。术语“恒定的外直径”在本文中是指光纤的外直径沿着长度的变化小于3微米。
芯体20在锥形芯体区域24中具有最大芯体外直径D最大，并且在光纤的恒定区域中具有外直径D0，所述恒定区域即芯体区域22，例如在端面14处或与之相邻。优选地，锥形芯体区域24具有渐变锥度，即，芯体的直径Dc逐渐变化。在其他实施方式中，锥形芯体区域24的锥度分布(Dc沿着光纤长度的变化)是线性的、抛物线形的或指数形的。在一些实施方式中，所述锥度是高斯锥度。芯体20含有氯(Cl)，并且在芯体中的最大Cl浓度为0.5重量％至5重量％，例如1重量％至5重量％、或1.1重量％至5重量％、或1.2重量％至5％、或1.3重量％至5％。在该实施方式中，芯体20被构造成使D最大>D0。在一些实施方式中，5μm≤D0≤11μm，8μm≤D最大≤50μm，0.005％≤Δ0≤1％(例如，0.05％≤Δ0≤0.6％或0.2％≤Δ0≤1％)，并且对应于最大直径最大值D最大的位置处的折射率Δ——Δc小于Δ0。在一些实施方式中，Δc(D最大处)<Δ0，例如，Δc(D最大处)<0.9Δ0，或者Δc(D最大处)<0.8Δ0。在一些实施方式中，│Δc(D最大处)│<0.7Δ0，例如│Δc(D最大处)│<0.5Δ0，并且在一些实施方式中│Δc(D最大处)│≤0.2Δ0。
在一些实施方式中，Δ0-Δc(D最大处)>0.05％。例如，根据一些实施方式，Δ0-Δc(D最大处)≥0.08％，或者Δ0-Δc(D最大处)≥0.1％，或者Δ0-Δc(D最大处)≥0.12。在一些实施方式中，0.35％≥Δ0-Δc(D最大处)≥0.05％。
根据一些实施方式，10微米/毫米≤(D最大-D0)/L2≤100微米/毫米。根据一些实施方式，14微米/毫米≤(D最大-D0)/L2≤86微米/毫米。根据一些实施方式，14微米/毫米≤(D最大-D0)/L2≤35微米/毫米。
恒定的芯体区域22具有模场直径MFD0。在一些实施方式中，MFD0近似于标准单模光纤的MFD，例如，MFD0在1310nm下为8μm至10μm，在1550nm下为9.5μm至11.5μm。在一些光纤实施方式中，MFD0小于标准单模光纤的MFD，例如，MFD0在1310nm下为4μm至8μm，在1550nm下为5μm至9μm。
在锥形芯体区域24中，模场直径MFD从恒定的芯体区域22的模场直径MFD0扩展到更大的直径。光纤的最大模场直径MFD最大即对应于D最大的MFD，其例如在1310nm下为8μm至50μm，在1550nm下为8.5μm至50μm。最大MFD例如可以在锥形芯体区域24的一端处，例如在端面12处。在本文所述的实施方式中，MFD最大>MFD0，例如MFD最大≥1.5MFD0，或者MFD最大≥2MFD0。在一些实施方式中，例如，15MFD0≥MFD最大≥1.5MFD0；并且在一些实施方式中，15MFD0≥MFD最大≥2MFD0。
图1B是包含光纤10的光纤耦合器实施方式的截面示意图。光纤10的锥形芯体区域24有利于另一个光纤到达光纤10，例如如图1B所示。如图1B所示，光纤耦合器100包括：(i)壳体101；(ii)位于所述壳体101内的套圈102，并且光纤10位于所述套圈102中。所述套圈102被构造用于接收和支承其中的另一个光纤105的至少一部分。当移动光纤105(参见箭头A的方向)以使其毗邻光纤10时，这两个光纤彼此耦合。光纤105具有芯体106，使得这两个光纤的模场直径在毗邻的端面处彼此匹配(即，基本上相同，或者彼此相差在正1μm或负1μm的范围内)。
光纤10的锥形芯体区域24还有利于将激光源50耦合到光纤10，例如，如图2A的实施方式所示。激光源50例如可以是SiP激光器或另一种类型的半导体激光器。这些激光器通常具有极小的模场直径和高的数值孔径，这使得难以将光直接耦合到普通的单模光纤中。为了能够通过锥形端有效地耦合到光纤，在本实施方式中，激光束52首先通过光学部件60准直以扩展光束直径。然后，准直光束54耦合到光纤10的锥形芯体区域24中(即，准直光束54入射在对应于具有较大芯体直径D最大的芯体区域的光纤端上)。光纤10被设计成具有与光源匹配的数值孔径(NA)和MFD。匹配的MFD意味着面向直接出现在其前方的光源的光纤端面(例如图2A、2B和2C所示的面向部件60或60′的光纤端面)，其模场直径MFD与部件的MFD相差在15％以内，优选在10％以内。光源的一些实施方式例如可以是硅光子(SiP)发射器，例如SiP激光器。图3例示了在1310nm和1550nm波长下MFD(单位为μm)根据图1的光纤10的芯体外直径的变化情况。优选地，区域24中的芯体直径渐缩被设计成具有渐变的过渡，以通过渐缩最大程度地减少光传播损耗。也就是说，在芯体20的较宽部分中(在锥形芯体区域24中)发生模场转换，并且芯体区域24的渐变形状或基本上是渐变的形状提供了几乎无损耗的光传输。在本文所述的一些实施方式中，锥形芯体区域24中的光损耗小于1dB，在一些实施方式中，小于0.5dB，或者甚至是0.2dB或更小。锥形损耗可以通过行业中的标准技术来测量，例如，在光纤输入端处将光发射到芯体中，并使用功率计测量光纤端部处的从芯体出来的光，以及将其与在光纤端部处具有锥形的光纤进行比较。在渐变区域中的芯体直径Dc的变化允许将第一光模(LP01)限定在锥形芯体区域24中，而无需转换成高阶模式，或者无需通过包层向外辐射，并且为了实现该目的，渐变区域的长度(锥形长度L2)应足够地长。优选地，渐变过渡使得芯体直径变化满足以下条件：
其中Dc是在长度L2内的位置z处的芯体区域24中的芯体直径，λ是传输波长，n有效是基模LP01的有效折射率，并且n包层是波长λ下包层的折射率。
在一些实施方式中，芯体锥形(芯体半径的形状)是大致渐变的(在本文中也被称为基本渐变的锥形)，使得芯体直径的变化满足以下条件：
根据本文所述的实施方式，λ＝1310nm。然而，在其他实施方式中，λ可以是1550nm或980nm。
应注意，图2A所示的光学部件60可以包含单个透镜元件或多个透镜元件。例如，其可以包括球面透镜、非球面透镜、柱面透镜、变形透镜或自聚集透镜(GRIN透镜)。
在另一个实施方式中，如图2B所示，光学部件60可以是锥形耦合元件60′(即，具有锥形芯体的波导)，其对接耦合到激光源50，例如如图2B所示。
如图2B所示，随着激光源50所提供的光束传播通过耦合元件60′(在本文中也被称为过渡波导60′)，其得到了扩展。过渡波导60′例如可以是具有锥形芯体24′的过渡光纤60″。经过扩展的光束然后被发射到锥形耦合元件60′中，该锥形耦合元件60′耦合到光纤10中，如图2B所示。锥形耦合元件60′(例如具有锥形芯体24′的过渡光纤60″)的较小侧具有与接收的光纤10的一侧相似的特性，并且其可熔接或附接于接收的光纤10。在锥形耦合元件60′的较小侧与接收光的光纤10之间具有类似或相同的外直径有利于将光纤10对准或附接到锥形耦合元件60(例如过渡光纤60″)。
在第一光学元件(透镜60或耦合元件60′)与光纤10之间，光束尺寸得到扩展。这提供了大的空间对准公差，从而能够实现现场被动对准。
在图2C所示的另一个实施方式中，光学部件60是锥形耦合元件60′(例如，具有锥形芯体24′的过渡光纤60″)，其一端通过接口62处的倏逝波耦合的方式耦合到光源50波导′(例如经由硅光子SiP波导50′)。具有锥形芯体24′的过渡光纤60″具有与光纤10相似的结构，并且其可以相似的方式来制造。锥形芯体区域24′包含最大芯体折射率，其沿着锥形芯体区域的长度减小；以及(b)包围光纤芯体的基于二氧化硅的包层40。
锥形耦合元件60′优选在工厂对准并附接于激光源50(例如SiP激光器)或SiP波导50′。锥形耦合元件60′相对于SiP波导50′可以被动对准或主动对准。优选将使用视觉系统的被动对准作为工厂对准方法。如果需要，主动对准可增加对准精确度。如图2C所示，根据一些实施方式，来自发射器(光源)的激光束被引导通过SiP波导50′，然后通过接口62处的倏逝波耦合而耦合到锥形过渡波导60′，所述锥形过渡波导60′耦合到光纤10中。倏逝波耦合将光从小的SiP波导50′传递到更大的过滤波导(锥形耦合元件60′)，这有利于从激光源50到锥形光纤10的耦合。
在锥形耦合元件60′(例如过渡光纤60″)与光纤10之间，光束尺寸得到扩展。这提供了大的空间对准公差，从而能够实现现场被动对准。例如，图4和5示出了在1550nm的波长下，对于不同扩束尺寸的单模激光束的计算空间对准公差和角对准公差，以及对应的由于制造未对准导致的损耗(dB)。如在图4和5中可见到的，在空间对准公差与角对准公差之间存在权衡。对于较大的扩束尺寸，空间平移对准公差线性增加(图4)，但是角对准公差非线性降低(图5)。考虑到可实现的空间对准公差和角对准公差二者，选择最佳的扩束尺寸以满足耦合损耗要求(损耗，dB)。对于单模激光束的示例性情形，扩束尺寸(MFD)为20μm至100μm，在一些实施方式中为20μm至70μm，以及在其他实施方式中为30μm至60μm得到了合理的对准公差，并且还大大地改进了连接件对灰尘颗粒的容受程度。(应注意，图2C所示的光学设计构造也可用于耦合到少模或多模光纤中，并且激光束无需是圆形对称的。类似的光学设计可用于激光/VCSEL源阵列与多芯光纤之间的耦合，其中，透镜系统设计需是远心的，并且锥形耦合器元件需具有多个芯体。)
用于制造锥形芯体光纤的方法
除非另有表述，否则都不旨在将本文所述的任意方法理解为需要使其步骤以具体顺序进行。因此，如果方法权利要求实际上没有陈述为其步骤遵循一定的顺序，或者其没有在权利要求书或说明书中以任意其他方式具体表示步骤限于具体的顺序，则都不旨在暗示该任意特定顺序。
根据一些实施方式，一种在包含掺氯芯体并且该掺氯芯体被包层包围的玻璃光纤中形成锥形芯体的方法包括以下步骤：向具有模场直径MFD0的光纤区域施加热，施加的累积持续时间小于60秒(例如50秒或更小、45秒或更少、30秒或更少)，由此使氯从光纤的芯体扩散到光纤的包层中，并且扩展模场直径以使光纤的光纤最大模场直径MFD最大(即，D最大所对应的MFD)大于MFD0，例如MFD最大≥1.5MFD0，或者MFD最大≥2MFD0。在一些实施方式中，例如，15MFD0≥MFD最大≥1.5MFD0；并且在一些实施方式中，15MFD0≥MFD最大≥2MFD0。在一些实施方式中，最大(扩展的)模场直径MFD最大例如在1310nm下为8μm至50μm，并且在1550nm下为8.5μm至50μm。
根据一些实施方式，一种在包含掺氯芯体且该掺氯芯体被包层包围的玻璃光纤中形成锥形芯体的方法包括以下步骤：向光纤的区域施加热，施加的累积持续时间小于60秒，由此使氯从光纤的芯体扩散到光纤的包层中，并使模场直径MFD扩展至少3微米。根据一些实施方式，在玻璃光纤中形成锥形芯体的方法包括：
向光纤的区域施加热，施加的累积持续时间小于60秒，由此使氯从光纤的芯体扩散到光纤的包层中，并使模场直径MFD扩展至少3微米；以及在模场直径MFD扩展至少3微米的光纤区域中断开光纤。
更具体地，可以通过使芯体掺杂剂热扩散到包层和/或使包层掺杂剂向光纤芯体热扩散或热扩散到光纤芯体中，来形成锥形芯体轮廓(锥形芯体区域24)。图6示意性地例示了用于制造芯体区域24的示例性方法的一个实施方式。根据该实施方式，将初始光纤10A(具有恒定的芯体直径和恒定的最大芯体折射率Δ)紧邻加热元件250放置，以形成具有带锥形的芯体区域(锥形芯体区域24)的光纤10。加热元件250可以是电阻线圈、煤气灯或激光源。根据一个实施方式，光纤通过保持用固定装置(未示出)来保持，并且加热元件包围光纤10A。优选地，热源——加热元件250围绕光纤均匀分布以形成径向对称的掺杂剂扩散分布。在该实施方式中，光纤10A的光纤端部区域通过加热元件加热到所需温度(光纤掺杂剂扩散温度Td)，例如1500℃≤Td<2200℃。申请人发现，当Td<2200℃时，由于加热导致的不期望的光纤变形最小化。优选Td≤2100℃，以避免或最大程度地减少光纤的显著不期望的变形。根据一些实施方式，1600℃≤Td≤2100℃，这是因为申请人发现，在这些温度下，光纤中的掺杂剂扩散(例如Cl的扩散)可以极快的速率发生，从而在光纤区域24中在光纤芯体中产生所需的锥形，而不会导致不利的光纤变形。例如，在一些实施方式中，1700℃≤Td≤2100℃，并且在一些实施方式中，1700℃≤Td≤2000℃。在一些实施方式中，温度Td低于包层的玻璃软化点，以避免不期望的光纤变形。光纤以某速度分布移动通过热区(温度Td)，该速度分布控制沿着光纤的掺杂剂扩散量(从光纤芯体扩散出和/或从包层扩散出)。或者，光纤保持静止而加热元件沿着光纤长度移动预定距离。在其他一些实施方式中，温度高于包层的软化点。在这些实施方式中，对应于芯体区域24的光纤部分暴露于温度Td的总暴露时间小于1分钟，以避免对光纤造成显著不期望的变形(例如弯曲、或者外半径改变)，并且在一些实施方式中，暴露于温度Td的总(或累积)暴露时间是1秒至45秒、或者1秒至30秒。虽然施加热(使光纤经受温度Td)的步骤可以间歇地进行或以单个连续步骤来进行，但是其进行的累积持续时间小于60秒，例如1秒至45秒的总时间，或者甚至是1秒至30秒的总时间。
在一些实施方式中，可以使热源(例如加热元件250)远离光纤10A的边缘放置，即，放置在光纤10A的中部附近或围绕光纤10A的中部放置。在一个实施方式中，具有掺氯芯体的光纤通过保持用固定装置来保持，并且加热元件250在光纤的中部区域中围绕光纤10A。优选地，热源——加热元件250围绕光纤均匀分布以形成径向对称的掺杂剂扩散分布。在本实施方式中，光纤10A的光纤端部区域通过加热元件加热到所需温度(光纤掺杂剂扩散温度Td)，例如1500℃≤Td<2200℃，并且使光纤相对于热源移动(或者使热源相对于光纤移动，以通过掺杂剂扩散扩展光纤的中部区域中的光纤芯体的模场直径(通过掺杂剂扩散来扩展)。在一些实施方式中，1500℃≤Td<2100℃，并且在一些实施方式中，1700℃≤Td<2100℃，例如1500℃≤Td<2000℃。
根据一些实施方式，一种在玻璃光纤中形成低损耗锥形的方法，所述玻璃光纤在芯体中包含大于0.5重量％的氯，所述芯体具有初始模场直径MFD(在1550nm下)并且被包层包围，所述方法包括以下步骤：
(a)通过向所述光纤施加热，施加小于60秒的累积持续时间，由此使氯从光纤的芯体扩散到光纤的包层中，从而使在15550nm下的初始芯体MFD扩展至少3微米；
(b)在MFD扩展至少3微米的位置处断开所述光纤。
根据一些实施方式，在光纤中形成渐变锥形或基本上渐变锥形的方法包括以下步骤：
使具有小MFD[例如MFD≥5μm，例如在5至≤11μm之间(在1550nm下)]的第一光纤的断开端与热源附近的具有大MFD(相对于第一光纤的MFD而言)的第二光纤的断开端对准并邻接，以形成接续缝；
使接续缝与热源的热区域中心偏离预定距离；
在热区域中施加热以接续光纤并扩展MFD；
在加热步骤期间监测接续损耗的减少；
当接续损耗达到目标损耗或足够接近目标损耗时，终止施加热；
在热从热源输送到热区域中心旁的第一光纤的位置断开第一光纤，其中，施加热的步骤(即，将光纤保持在温度Td)小于1分钟(共计或累积)的持续时间，由此，一种或多种掺杂剂(例如Cl)从第一和第二光纤的芯体扩散到第一和第二光纤各自的包层中。
根据另一个实施方式，在光纤中形成渐变锥形或基本上渐变锥形的方法，所述方法包括以下步骤：
断开具有小MFD[例如MFD≥5μm，例如在5至≤11μm之间(在1550nm的波长下)]和掺氯芯体的光纤的一端；
向从断开端出发具有预定距离的光纤区段施加热，这通过将该光纤区段移动通过热源来进行；
控制光纤的移动速度分布以使MFD从该区段的内端向断开端逐渐扩展，其中，施加热的步骤在温度Td下进行时间t，所述时间t的总(累积)持续时间小于1分钟。优选地，根据一些实施方式，1500℃≤Td<2200℃。根据一些实施方式，1600℃≤Td<2100℃，以促进掺杂剂在光纤芯体中最佳扩散，同时最大程度地减少或避免不期望的光纤变形。根据一些实施方式，t是45秒，或者例如30秒或更少、20秒或更少、10秒或更少，或者t是1-10秒。根据一些实施方式，t是1-45秒，或者5-45秒。
根据另一个实施方式，在具有掺Cl芯体的光纤中形成渐变锥形或基本上渐变锥形的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)移除位于光纤中部中的(即，远离光纤端面)具有预定长度的光纤区段的光纤涂层；
(ii)通过热源向所述光纤区段施加热，以使所述光纤区段暴露于温度Td，持续时间t，所述t的总(累积)持续时间小于1分钟，并且使Cl从掺Cl芯体扩散；
(iii)控制光纤的移动速度分布，以使MFD从所述区段的两端向所述区段的中部逐渐扩展；
(iv)在中部中断开光纤区段以形成两个渐变锥形。
在一些实施方式中，提供热的施加，持续时间t，该时间t为45秒或更少、30秒或更少、20秒或更少、10秒或更少、或1秒至10秒。
优选地，根据一些实施方式，1500℃≤Td<2200℃。根据一些实施方式，1500℃≤Td<2100℃，并且优选1600℃≤Td<2100℃，以促进在最少的时间内，使掺杂剂在光纤芯体中最佳扩散，从而最大程度地减少或避免不期望的光纤变形。
例如，可以使用高度局部化的高温热源，例如电弧熔接器(例如爱立信公司(Ericsson Incorporated)制造的型号为FSU 975的电弧熔接器)、钨丝或CO2激光器来扩展光纤10的模场直径并因此在掺Cl光纤芯体中形成锥形芯体区域24(例如渐变锥形)。在一个实施方式中，具有掺Cl芯体(0.3％≤Δ0≤2.5％，Cl浓度为约0.2重量％至约2.5重量％)和基于二氧化硅的包层(例如掺F二氧化硅包层)的光纤在其一部分长度内被剥离掉主涂层，从而暴露出被包层40束缚的小直径芯体20，然后将其断开。然后剥离掉另一个光纤10′(具有更大的模场直径)的涂层并将其断开，使这两个光纤(未示出)位于熔接器中，以使这两个断开端面向彼此，并且使芯体适当对准。施加电弧，以使较小的掺Cl光纤10比大模场直径光纤具有更大的部分位于电弧区域或热区域中。也就是说，在该实施方式中，电弧区域与接续缝偏离，而不是在接续缝50的正上方。通过例如约10mA至20mA的初始电弧放电电流并持续约2秒的电弧作用时间，使两个光纤10和10′在接续缝处初始熔合。在电弧区域上方间歇施加另外的电弧以将光纤温度保持在温度Td，以使停留在电弧区域中的小模场直径光纤10的芯体中的Cl扩散而形成锥形区域24。在本文所述的示例性实施方式中，在小于1分钟的总(或者累积)时间内将光纤温度保持在温度Td。在一些实施方式中，使光纤经受温度Td共5秒至45秒。然后使得到的经熔合的光纤断开，以得到具有掺Cl芯体并且其具有类似于图1和2A和2B所示的锥形区域的光纤10。不囿于理论，认为由于Cl(在芯体中)和F(在包层中)均仅具有一个键，因此这些掺杂剂起协同作用，从而在相反的方向上迅速移动并彼此替代，因此，令人惊奇并有利地使得，相比于具有掺Ge芯体的光纤可实现的，在更低的温度(<2200℃，优选≤2100℃)和更快的速率下制造所需的锥形芯体区域24。然而，具有掺Cl芯体而非掺Ge芯体的光纤可经受更低的温度Td并持续小于1分钟(例如t＝45秒或更少)来得到所需的锥形芯体区域，即使光纤10的包层40是纯二氧化硅而非掺F二氧化硅也如此。也就是说，本发明的模型表明，Cl比Ge在二氧化硅中扩散得更快并且在更低的温度下扩散。短时间暴露于温度Td(<1分钟，优选≤50秒)最大程度地减少了不期望的热诱导的光纤改变影响。因此，根据一些实施方式，基于二氧化硅的芯体40或者可以是纯二氧化硅，或者(优选)是掺F的二氧化硅。
通过以下实施例进一步阐述各个实施方式。表1公开了在光纤经受温度Td之前的光纤芯体参数，而表2示出了通过使光纤经受温度Td持续1秒至45秒而形成锥形之后，锥形芯体区域24的光纤芯体参数。
表1
/>
表2
表2的光纤10展现出在1550nm下的锥形诱导损耗≤0.2dB。例如，至少在光纤10的一些实施方式中，这些光纤的锥形区域24展现出在1310nm下的锥形诱导损耗≤0.2dB。例如，至少在光纤10的一些实施方式中，这些光纤的锥形区域24展现出在1310nm下的锥形诱导损耗≤0.1dB。
用于模场扩展的光纤设计
为了在光纤跳线(jumper)(例如光纤10)的一端附近形成锥形芯体区域，该区域中的光纤芯体折射率需逐渐下降，而该区域中的芯体直径需逐渐增大。这可通过加热光纤端部使芯体掺杂剂扩散来实现。
虽然当加热光纤时，用于大多数单模光纤的Ge掺杂剂可以在低于2200℃的温度下扩散，从而在这些光纤中形成锥形芯体区域，但是充分的模场扩展所需的扩散将花费非常长的时间(许多分钟或许多小时)，这是因为Ge的扩散系数过低，从而导致该过程效率低且昂贵。然而，如果使掺Ge光纤经受相对较快的加热时间(1-2分钟)，则需将光纤加热到极高的温度，即，高于2200℃或高于2300℃或者更高(加热时间越快，温度越高)，这造成了不期望的光纤变形，例如，其造成光纤弯曲和/或显著地改变了光纤的外直径。
申请人了解到，为了增加扩散速度而不因为将光纤加热到极高温度而导致光纤显著变形，应使用具有高于0.5重量％Cl的掺Cl芯体的光纤来替代具有掺Ge芯体的典型光纤。因此，本文所述的示例性光纤实施方式利用掺Cl芯体，因为Cl比Ge可在更低的温度下更早及更快地扩散。优选地，至少根据一些实施方式，所述光纤采用掺F包层，这是因为当Cl向着光纤外直径向外扩散时，F同时向着光纤中心向内扩散，并且这两种掺杂剂(Cl和F)协同作用以促进在更低的温度Td下快速形成锥形芯体区域，而不会造成光纤变形(即，光纤没有不期望的弯曲或光纤外直径没有显著变化)。
在Td低于2100℃(例如大于1500℃且小于2100℃，或不大于2000℃，例如1500℃至2000℃、或1600℃至2000℃、或1700℃至2000℃)的Td温度下，光纤芯体中的Cl掺杂剂比比较光纤中的Ge更快地扩散通过二氧化硅。图7示出了不同温度(750℃≤Td≤2000℃)下Cl、F和Ge在纯二氧化硅玻璃中的扩散率(cm2/秒)。应注意，在约2100℃下，氯进入到纯二氧化硅玻璃中的扩散率比氧化锗快约2倍。如图7所示，在约2000℃下，氯进入到纯二氧化硅玻璃中的扩散率比氧化锗的快约2.4倍。在约1900℃下，氯进入到纯二氧化硅玻璃中的扩散率比氧化锗的快约3倍。在约1700℃下，氯进入到纯二氧化硅玻璃中的扩散率比氧化锗的快约5.5倍。也就是说，该附图例示了温度越高，扩散速率越高。在关注的温度中(Td<2200℃，更优选Td<2100℃)，Cl比Ge显著更快地扩散通过二氧化硅，并且在该温度范围下，光纤不遭遇显著的变形。因此，至少在一些实施方式中，优选1500℃<Td<2100℃，这是因为在该温度范围下，光纤基本上不遭遇不期望的变形。
当光纤经受温度Td(例如1500℃≤Td≤2100℃)时，光纤芯体中的Cl开始从芯体向包层扩散出并进入到包层中。Cl的扩散降低了芯体的最大折射率并同时增加了芯体的外直径。在包层40包含氟的实施方式中，当光纤经受温度Td时，来自包层的氟也开始从包层扩散到芯体中，这进一步降低了芯体的折射率。图8A-19C例示了经受不同温度Td的示例性阶跃折射率光纤的掺杂的氯和氟的浓度分布的模型化变化，以及由于玻璃中的氯和氟物质的扩散导致的对应的折射率分布变化的改变。
图8A-8C例示了当光纤经受温度Td时(其中Td高于光纤包层的软化点)，光纤芯体和包层中的Cl/F浓度以及光纤的折射率分布随着时间的变化情况。更具体地，图8A-8B例示了在温度Td＝1700℃下，在具有基于掺氯二氧化硅的芯体和基于掺氟二氟化硅的包层的光纤中，Cl和F随着时间t的变化是如何在二氧化硅中扩散的(其中t是温度Td下的总时间或累积时间)。(在该实施方式中，1秒<t<1分钟，例如3秒<t≤45秒、或5秒<t≤45秒、或3秒<t≤30秒、或5秒<t≤30秒)。图8C例示了在规定的累积时间t之后(在温度Td＝1700℃下对光纤处理这些累积时间之后)，在位置D最大处的光纤的所得相对折射率Δ分布。
类似地，图9A-9B例示了在具有基于掺氯二氧化硅的芯体和基于掺氟二氧化硅的包层的光纤中，在温度Td＝1900℃下，Cl和F是如何在二氧化硅中扩散的，并且图9C例示了在1900℃的温度下对光纤处理小于1分钟的总时间之后，在位置D最大处的光纤的所得相对折射率Δ分布。例如，施加热的步骤可以进行总时间或累积时间t，其中1秒<t<1分钟，在一些实施方式中，t是3秒至45秒。
类似地，图10A-10B例示了在具有掺氯芯体和掺氟包层的光纤中，在温度Td＝2100℃下，Cl和F是如何在二氧化硅中扩散的，并且图10C例示了在该温度下，在位置D最大处的光纤的所得相对折射率Δ分布根据总时间t的变化情况。对于高于光纤包层的软化点的温度Td，总(累积)暴露时间小于1分钟，在一些实施方式中为45秒或更少，在另外的实施方式中为小于30秒，并且在另外的实施方式中为小于15秒，为5-15秒。发现当光纤具有掺氯芯体，并且Cl浓度为至少0.5重量％时，可在约1500℃至约2100℃的温度下，在小于1分钟内(例如1秒至45秒)建立渐变锥形，并且不产生不期望的变形。
如根据图8、9C和10C所示结果可知，芯体与包层之间的折射率差有所减小，并且芯体的半径增大，这是因为氯和氟掺杂剂均有扩散(Cl从芯体中心扩散出来或远离芯体中心扩散，而F从包层扩散出来，向着芯体中心扩散)，从而使芯体/包层界限之间的过渡变平滑。图8C、9C和10C例示了在经历了热诱导掺杂剂扩散的光纤的截面区域中，折射率分布有所改变，并且不再是阶跃式的折射率分布。应注意，如果原始光纤不是阶跃折射率光纤而是缓变折射率光纤(例如芯体的α值为1.8至3的光纤)，则当这些光纤经受温度Td时，它们也会展现出Cl向着边缘的扩散率，这会降低芯体相对于包层的折射率，并增加芯体尺寸。折射率分布的这些变化使得光纤(本文中也被称为跳线光纤)，例如光纤10所需的MFD扩展。
图11A-11B对应于在Td高于光纤包层软化点的温度Td下，Cl浓度和折射率分布的变化。图11A例示了在具有掺氯芯体和未掺杂的(即，纯二氧化硅)包层的光纤中，在温度Td＝1700℃下，Cl随着时间变化是如何二氧化硅中扩散的(其中1秒<t<1分钟，例如3秒<t≤45秒)。图11B例示了在将光纤加热到1700℃并持续规定的累积时间t之后(在该温度Td下对光纤处理这些时间之后)，在位置D最大处的光纤的所得相对折射率Δ分布。
类似地，图12A例示了在具有掺氯芯体和未掺杂的包层的光纤中，在温度Td＝1900℃下Cl是如何在二氧化硅中扩散的，并且图12B例示了在1900℃的温度下对光纤处理小于1分钟(即，1秒<t<1分钟)之后，在位置D最大处的光纤的所得相对折射率Δ分布。类似地，图13A例示了在具有掺氯芯体和未掺杂的包层的光纤中，在温度Td＝2100℃下，Cl是如何在二氧化硅中扩散的，并且图13B例示了在位置D最大处的光纤的所得相对折射率Δ分布根据时间t的变化情况。对于高于光纤包层的软化点的温度Td，暴露时间小于1分钟，在一些实施方式中为45秒或更少，在另外的实施方式中为小于30秒，并且在另外的实施方式中为小于15秒，为5-15秒。
发现当光纤具有掺氯芯体，并且Cl浓度为至少0.5重量％时，可在约1500℃至约2100℃的温度下，在小于1分钟内(例如1秒至45秒)建立渐变锥形，并且不产生不期望的变形。
图14A-14C对应于在Td高于光纤包层软化点的温度Td下，Cl/F浓度和折射率分布的变化。图14A-14B例示了在具有掺氯和氟的二氧化硅芯体和基于掺氟二氧化硅包层的光纤中，在温度Td＝1700℃下，Cl和F随着时间变化是如何在二氧化硅中扩散的(其中1秒<t<1分钟，例如3秒<t≤45秒)。图14C例示了在规定的时间t之后(在该温度Td下对光纤处理这些时间之后)，在位置D最大处的光纤的所得相对折射率Δ分布。类似地，图15A-15B例示了在具有掺氯和氟的芯体和掺氟包层的光纤中，在温度Td＝1900℃下，Cl和F是如何在二氧化硅中扩散的，并且图15C例示了在1900℃的温度下对光纤处理小于1分钟之后，在位置D最大处的光纤的所得相对折射率Δ分布。例如，在本文所述的示例性实施方式中，1秒<t<1分钟，或者是1秒至45秒、或者是3秒至45秒。类似地，图16A-16B例示了在具有掺氯和氟的芯体和掺氟包层的光纤中，在温度Td＝2100℃下，Cl和F是如何在二氧化硅中扩散的，并且图16C例示了在位置D最大处的光纤的所得相对折射率Δ分布根据时间t的变化情况。对于高于光纤包层的软化点的温度Td，暴露时间小于1分钟，在一些实施方式中为45秒或更少，在另外的实施方式中为小于30秒，并且在另外的实施方式中为小于15秒，为3-15秒或5-15秒。因此，当光纤具有掺Cl芯体，并且Cl浓度为至少0.5重量％时，能够在约1500℃至约2100℃的温度下，在小于1分钟内(例如1秒至45秒)建立渐变锥形，并且不产生不期望的变形。
图14A-14C对应于在Td高于光纤包层软化点的温度Td下，Cl/F浓度和折射率分布的变化。图14A-14B例示了在具有掺氯和氟的芯体和掺氟包层的光纤中，在温度Td＝1700℃下，Cl和F随着时间变化是如何在二氧化硅中扩散的(其中1秒<t<1分钟，例如1秒<t<50秒、或者3秒<t≤45秒)。图14C例示了在规定的时间t之后(在该温度Td下对光纤处理这些时间之后)，在位置D最大处的光纤的所得相对折射率Δ分布。类似地，图15A-15B例示了在具有掺氯和氟的芯体和掺氟包层的光纤中，在温度Td＝1900℃下，Cl和F是如何在二氧化硅中扩散的，并且图15C例示了在1900℃的温度Td下对光纤处理小于1分钟(即1秒<t<1分钟)之后，在位置D最大处的光纤的所得相对折射率Δ分布。类似地，图16A-16B例示了在具有掺氯和氟的芯体和掺氟包层的光纤中，在温度Td＝2100℃下，Cl和F是如何在二氧化硅中扩散的，并且图16C例示了在位置D最大处的光纤的所得相对折射率Δ分布根据时间t的变化情况。对于高于光纤包层的软化点的温度Td，暴露时间小于1分钟，在一些实施方式中为45秒或更少，在另外的实施方式中为小于30秒，并且在另外的实施方式中为小于15秒，为5-15秒。发现当光纤具有掺Cl芯体，并且Cl浓度为至少0.5重量％时，可在约1500℃至约2100℃的温度Td下，在小于1分钟内(例如1秒至45秒)建立渐变锥形，并且不产生不期望的变形。
图17A-17C对应于在Td高于光纤包层软化点的温度Td下，Cl/F浓度和折射率分布的变化。图17A-17B例示了在具有掺氯芯体和掺氯和氟的包层的光纤中，在温度Td＝1700℃下，Cl和F随着时间变化是如何在二氧化硅中扩散的(其中1秒<t<1分钟，例如3秒<t≤45秒)。图17C例示了在规定的时间t之后(在该温度Td下对光纤处理这些时间之后)，在位置D最大处的光纤的所得相对折射率Δ分布。类似地，图18A-18B例示了在具有掺氯芯体和掺氯和氟的包层的光纤中，在温度Td＝1900℃下，Cl和F是如何在二氧化硅中扩散的，并且图18C例示了在1900℃的温度下对光纤处理小于1分钟(即1秒<t<1分钟)之后，在位置D最大处的光纤的所得相对折射率Δ分布。类似地，图19A-19B例示了在具有掺氯芯体和掺氯和氟的包层的光纤中，在温度Td＝2100℃下，Cl和F是如何在二氧化硅中扩散的，并且图19C例示了在位置D最大处的光纤的所得相对折射率Δ分布根据时间t的变化情况。对于高于光纤包层的软化点的温度Td，暴露时间小于1分钟，在一些实施方式中为45秒或更少，在另外的实施方式中为小于30秒，并且在另外的实施方式中为小于15秒，为5-15秒。发现当光纤具有掺Cl芯体，并且Cl浓度为至少0.5重量％时，可在约1500℃至约2100℃的温度下，在小于1分钟内(例如1秒至45秒)建立渐变锥形，并且不产生不期望的变形。
本文所述的光纤10适于将光学信号有效地耦合到光子装置。根据本文公开的至少一些实施方式，光纤10包括掺Cl的锥形芯体区域24，其具有变化的外直径和变化的最大芯体折射率，以在对光子装置关注的波长下提供改进的耦合。所述光子装置例如可以是硅光子装置，其工作波长在1310nm处或附近。
除了光纤，本公开扩展至包含光纤10的系统(例如集成系统)500。在一个实施方式中，系统500包括光子装置200(例如硅光子装置)和光纤10。光子装置例如包括微电子芯片、光源(例如半导体激光器或LED)50和波导，例如硅光子(SiP)波导50′。在一个实施方式中，光源50在1310nm处或附近的波长下工作(所述波长例如在1250nm至1350nm的范围内、或在1275nm至1325nm的范围内、或在1290nm至1320nm的范围内、或在1200nm至1400nm的范围内)。光子装置200可以耦合到过渡波导60′(例如具有锥形芯体24′的过渡光纤60″)，以在系统的光子装置200与外部元件之间交换光学信号。光子装置200可以是有源装置，其接收电信号，将电信号转换成光学信号，将光学信号引导到波导并通过波导将光学信号输送到接口或接口波导，从而输送给外部装置。或者，光子装置200可以是无源装置，其接收光学信号并将光学信号传递给接口而输送给外部装置。系统500包括本文公开的类型的光纤10。光纤10可以直接耦合到光子装置，或者通过与波导50′光学耦合的过渡波导60′耦合到光子装置。系统500还可以包括外围装置，例如调制器、检测器、多路转换器、多路分配器等。
在一些实施方式中，光子装置200是硅光子装置200′。硅光子装置200′可以包括硅片55以及光学耦合到硅片55的硅光子SiP波导50′。硅光子装置还可以包括光源50。光源50可以是基于硅的光源。硅光子SiP波导50′可以通过接口62光学耦合到过渡波导60′的芯体24′。接口62可以允许将光学信号传递给外部装置和硅片或硅光子SiP波导50′，或者传递来自外部装置和硅片或硅光子SiP波导50′的信号。接口的硅光子SiP波导50′可以是薄膜波导或平面波导。接口的硅光子SiP波导50′例如可以是聚合物波导。接口的硅光子SiP波导50′可以耦合到过渡波导60′，并且过渡波导60′优选具有有效面积和模场直径，其允许以最小的损耗与接口的硅光子SiP波导50′进行光学信号的交换。光纤10可以耦合到过渡波导60′，并且光纤10优选具有有效面积和模场直径，其允许以最小的损耗与过渡波导60′进行光学信号的交换。光纤10、60″的相对折射率特性被设计成能够与接口波导(包括平面波导和聚合物波导)进行有效的光学信号交换。由本文所述的光纤10所提供的大的模场直径减少了光纤与光学系统或硅光子芯片组件之间的耦合损耗。例如，标准的G.652单模光纤与硅光子芯片组件的耦合损耗可以大于2dB。相较之下，光纤10与硅光子芯片组件之间的耦合损耗可以小于1.5dB、或小于1.0dB、或小于0.5dB。
再次参考图2C，根据一个实施方式，一种系统包括：
与光纤10光学耦合的硅光子装置200′，所述光纤包含：(a)基于掺Cl二氧化硅的锥形芯体区域24，该芯体区域24具有沿着锥形芯体区域24的长度L2变化的外直径Dc，以及最大外直径D最大，使得8微米≤D最大≤70微米；锥形芯体区域24还包含最大芯体折射率Δc，其沿着锥形芯体区域的长度而减小；和(b)包围光纤芯体的基于二氧化硅的包层40。优选地，包层在整个光纤长度上具有恒定的外直径。根据一些实施方式，所述硅光子装置包括波导50′(例如硅光子SiP 50′)，并且所述光纤10光学耦合到所述波导50′。根据一些实施方式，所述系统还包括位于硅光子装置50′与过渡波导60′之间的接口62，所述过渡波导60′光学耦合到接口62，所述接口62光学耦合到硅光子装置200′。硅光子装置200′可以被构造成在例如1310nm或1550nm的波长下工作。根据一些实施方式，所述系统包括过渡波导60′，其位于硅光子装置200′的硅光子SiP波导50′与光纤10之间，所述光纤10光学耦合到所述过渡波导60′，所述过渡波导60′光学耦合到接口62，并且所述接口62光学耦合到硅光子装置200′。根据所述系统的一些实施方式，硅光子装置包括波导50′，并且接口62′通过硅光子SiP波导50′光学耦合到硅光子装置200′。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以对本发明进行各种修改和变动而不偏离本发明的范围或精神。因为本领域的技术人员可以想到所述实施方式的融合了本发明精神和实质的各种改良组合、子项组合和变化，应认为本发明包括所附权利要求书范围内的全部内容及其等同内容。

Claims (34)

1.一种光纤，其包含：长度L，第一端面和第二端面，以及在光纤的第一端面处的MFD，该MFD与光纤的另外区域处的MFD不同，所述光纤还包括：
(I)基于掺Cl二氧化硅的芯体，其包括：
(a)第一掺Cl芯体区域，该区域具有最大折射率Δ0，使得相对于未掺杂的二氧化硅，0.05％≤Δ0≤0.6％，以及芯体外直径D0，其中5微米≤D0≤12微米，所述第一掺Cl芯体区域具有最大Cl浓度[Cl]，其中0.5重量％≤[Cl]≤5重量％；和
(b)掺Cl锥形芯体区域，其位于第一掺Cl芯体区域和第一光纤端面附近，
所述掺Cl锥形芯体区域具有长度L2，其中0.05mm≤L2≤10mm，以及最大芯体折射率Δc，其沿着锥形芯体区域的长度减小，锥形区域具有最大直径D最大和沿着长度L2变化的外直径，使得：
(i)D最大≥D0+3微米；
(ii)8微米≤D最大≤70微米；和
(II)基于二氧化硅的包层，其包围基于掺Cl二氧化硅的芯体，
其中，所述锥形芯体区域具有基本上渐变的锥度，并且满足以下条件：
其中D是在锥形芯体区域中的位置z处的芯体直径，λ是工作波长，n有效是基模的有效折射率，并且n包层是包层的折射率。
2.如权利要求1所述的光纤，其中：
(a)第一掺Cl芯体区域具有长度L1，并且第一掺Cl芯体区域的最大折射率Δ0沿着长度L1是恒定的，并且第一掺Cl芯体区域的芯体外直径D0沿着长度L1是恒定的，其中L1>12cm，并且
(b)所述包层在光纤的整个长度L上具有恒定的外直径。
3.如权利要求2所述的光纤，其中，所述光纤在光纤的第一端面处具有MFD，其与光纤的第二端面处的MFD不相同。
4.如权利要求2所述的光纤，其中，包层包含氟，并且光纤长度L<100m。
5.如权利要求2所述的光纤，其中，所述芯体包含Cl浓度为1.1重量％至5重量％的至少一个区域。
6.如权利要求2所述的光纤，其中，所述芯体包含Cl浓度为1.4重量％至5重量％的至少一个区域。
7.如权利要求1所述的光纤，其中，所述锥形芯体区域具有锥形轮廓，所述锥形轮廓具有以下中的一种：线性锥度、抛物线锥度、指数式锥度或高斯锥度。
8.如权利要求2所述的光纤，其中L2为0.05mm≤L2≤1mm。
9.如权利要求2所述的光纤，其中L2为0.2mm≤L2≤5mm。
10.如权利要求2所述的光纤，其中10微米/毫米≤(D最大-D0)/L2≤100微米/毫米。
11.如权利要求2所述的光纤，其中14微米/毫米≤(D最大-D0)/L2≤86微米/毫米。
12.如权利要求2所述的光纤，其中14微米/毫米≤(D最大-D0)/L2≤35微米/毫米。
13.如权利要求2所述的光纤，其中，所述锥形芯体区域具有锥形轮廓，所述锥形轮廓具有以下中的一种：线性锥度、抛物线锥度、指数式锥度或高斯锥度。
14.如权利要求1所述的光纤，其中，λ＝1310nm。
15.如权利要求1所述的光纤，其中，λ＝1550nm。
16.如权利要求1所述的光纤，其中，λ＝980nm。
17.如权利要求2所述的光纤，其中，相对于未掺杂的二氧化硅，0.0％≤│Δc，在D最大处│≤0.3％。
18.如权利要求2所述的光纤，其中，相对于未掺杂的二氧化硅，0.0％≤│Δc x，在D最大处│≤0.2％。
19.如权利要求2所述的光纤，其中，0.15％≤[Δ0–Δc，在D最大处]≤0.37％。
20.如权利要求2所述的光纤，其中，锥形芯体区域具有以下锥形诱导损耗：
1550nm下≤0.2dB，或者
1310nm下≤0.2dB。
21.如权利要求2所述的光纤，其中，锥形芯体区域具有以下锥形诱导损耗：
1310nm下≤0.1dB。
22.一种光纤耦合器，其包含：(i)壳体；(ii)位于所述壳体内的套圈，以及位于所述套圈内的如权利要求1所述的光纤，所述套圈被构造用于接收和支承其中的另一个光纤的至少一部分。
23.如权利要求22所述的光纤耦合器，其还包括所述另一个光纤，使得具有基于掺Cl二氧化硅的芯体的所述光纤和所述另一个光纤在套圈内彼此相邻定位，并且彼此是光学耦合的。
24.一种在玻璃光纤中形成低损耗锥形的方法，所述玻璃光纤在芯体中包含大于0.5重量％的氯，所述芯体具有在1550nm下的初始模场直径MFD并且被包层包围，所述方法包括以下步骤：
通过向所述光纤施加热，施加小于60秒的累积持续时间，由此使氯从光纤的芯体扩散到光纤的包层中，从而使在1550nm下的初始芯体MFD扩展至少3微米；
在MFD扩展至少3微米的位置处断开所述光纤，
其中，所述芯体包含掺Cl锥形芯体区域，
其中，所述锥形芯体区域具有基本上渐变的锥度，并且满足以下条件：
其中D是在锥形芯体区域中的位置z处的芯体直径，λ是工作波长，n有效是基模的有效折射率，并且n包层是包层的折射率。
25.如权利要求24所述的方法，其中，施加热的步骤不超过45秒的累积持续时间。
26.如权利要求24所述的方法，其中，施加热的步骤不超过30秒的累积持续时间。
27.如权利要求24所述的方法，其中，在施加热的步骤之前，光纤芯体中的氯的最大量是0.5重量％至5重量％。
28.如权利要求24所述的方法，其中，在施加热的步骤之前，光纤芯体中的氯的最大量是1.4重量％至5重量％。
29.如权利要求24所述的方法，其中，在温度Td下进行施加热的步骤，并且1500℃≤Td≤2100℃。
30.如权利要求24所述的方法，其中，在温度Td下进行施加热的步骤，并且1700℃≤Td≤2000℃。
31.一种系统，其包括：
与光纤光学耦合的硅光子装置，所述光纤包含：
基于掺Cl二氧化硅的锥形芯体区域，所述锥形芯体区域具有沿着锥形芯体区域的长度L2变化的外直径Dc，以及最大外直径D最大，使得8微米≤D最大≤70微米；锥形芯体区域还包含最大芯体折射率Δc，其沿着锥形芯体区域的长度L2而减小；
以及包围芯体区域的基于二氧化硅的包层，
其中，所述锥形芯体区域具有基本上渐变的锥度，并且满足以下条件：
其中D是在锥形芯体区域中的位置z处的芯体直径，λ是工作波长，n有效是基模的有效折射率，并且n包层是包层的折射率。
32.如权利要求31所述的系统，其中，(i)所述基于二氧化硅的包层在光纤的整个长度上具有恒定的外直径；并且/或者(ii)所述硅光子装置包括波导，所述光纤在光学上光学耦合到所述波导。
33.如权利要求31所述的系统，其还包括位于硅光子装置与光纤之间的过渡波导，所述光纤光学耦合到所述过渡波导，所述过渡波导光学耦合到所述硅光子装置。
34.如权利要求33所述的系统，其中，所述硅光子装置包括：
(i)硅光子SiP波导，所述过渡波导通过所述硅光子SiP波导光学耦合到所述硅光子装置；和/或
(ii)硅光子SiP波导，所述系统还包括位于硅光子装置与光纤之间的过渡波导，其中，所述光纤通过所述过渡波导光学耦合到所述硅光子SiP波导。
CN201880010726.XA 2017-02-07 2018-02-06 用于硅光子学的光纤 Active CN110268295B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762455728P 2017-02-07 2017-02-07
US62/455,728 2017-02-07
PCT/US2018/017012 WO2018148187A1 (en) 2017-02-07 2018-02-06 Optical fiber for silicon photonics

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110268295A CN110268295A (zh) 2019-09-20
CN110268295B true CN110268295B (zh) 2024-04-30

Family

ID=61283301

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880010726.XA Active CN110268295B (zh) 2017-02-07 2018-02-06 用于硅光子学的光纤

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10429589B2 (zh)
CN (1) CN110268295B (zh)
MX (1) MX2019009333A (zh)
TW (1) TW201835623A (zh)
WO (1) WO2018148187A1 (zh)

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019213163A1 (en) * 2018-05-01 2019-11-07 Finisar Corporation Mmf optical mode conditioning device
US11175450B2 (en) * 2018-08-08 2021-11-16 Corning Incorporated Halogen co-doped optical fibers
WO2020040220A1 (ja) * 2018-08-24 2020-02-27 住友電気工業株式会社 光ファイバ線路、モジュールおよび光ファイバ線路製造方法
WO2020070487A1 (en) 2018-10-03 2020-04-09 Lumenisity Limited Optical waveguide adapter assembly
US11275213B2 (en) * 2018-10-31 2022-03-15 Corning Research & Development Corporation Methods of forming optical fibers having an expanded core for evanescent optical coupling
JP6853291B2 (ja) * 2019-03-14 2021-03-31 株式会社フジクラ レーザ装置の製造方法
JP6902568B2 (ja) 2019-03-14 2021-07-14 株式会社フジクラ レーザ装置およびレーザ装置の製造方法
JP2020181091A (ja) * 2019-04-25 2020-11-05 古河電気工業株式会社 半導体レーザモジュール
US10921518B2 (en) * 2019-05-23 2021-02-16 International Business Machines Corporation Skewed adiabatic transition
US11041989B2 (en) 2019-07-11 2021-06-22 National Cheng Kung University Method of splicing optical fibers and structure of spliced optical fiber
TWI691745B (zh) * 2019-07-11 2020-04-21 國立成功大學 光纖熔接的方法與熔接光纖
US11320594B2 (en) * 2019-09-05 2022-05-03 Corning Incorporated Optical system comprising chlorine doped mode field expanded optical fibers
WO2021146077A1 (en) * 2020-01-17 2021-07-22 Corning Incorporated Reduced coating diameter chlorine-doped silica optical fibers with low loss and microbend sensitivity
WO2021242543A1 (en) * 2020-05-27 2021-12-02 Medical Instrument- Development Laboratories, Inc. Fiber optic tapered coupler
WO2022085534A1 (ja) * 2020-10-23 2022-04-28 住友電気工業株式会社 マルチコア光ファイバ
CN112748504A (zh) * 2021-04-06 2021-05-04 苏州海光芯创光电科技股份有限公司 硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法
US20230008662A1 (en) * 2021-07-09 2023-01-12 Lumentum Operations Llc Optical fiber with a tapered core
US11789335B2 (en) * 2021-07-30 2023-10-17 Lumentum Operations Llc Raman depressing fiber
CN113325517B (zh) * 2021-08-03 2021-10-15 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 光纤端帽及光纤激光器
WO2023055553A1 (en) * 2021-09-29 2023-04-06 Corning Incorporated Low-loss coupling between single-core and multi-core fibers
US11719883B1 (en) * 2022-02-18 2023-08-08 Nexus Photonics Inc Integrated GaAs active devices with improved optical coupling to dielectric waveguides

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1094818A (zh) * 1993-01-07 1994-11-09 康宁股份有限公司 光纤耦合器及放大器
US5446820A (en) * 1992-07-29 1995-08-29 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Mode field diameter conversion optical fiber
CN1212056A (zh) * 1996-12-20 1999-03-24 俄罗斯科学院普通物理研究所纤维光学科技中心 模场直径纤维转换器、局部变化光波导折射率的方法以及制备光波导预制件的方法
CN1320222A (zh) * 1998-09-25 2001-10-31 康宁股份有限公司 模场直径扩大的光纤以及扩大光纤模场直径的方法
CN204679680U (zh) * 2015-04-21 2015-09-30 四川飞阳科技有限公司 一种硅光子芯片的封装结构

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002072006A (ja) * 2000-08-28 2002-03-12 Sumitomo Electric Ind Ltd 光ファイバの接続方法
JP2002202429A (ja) * 2000-12-28 2002-07-19 Sumitomo Electric Ind Ltd 光ファイバ接続方法および光伝送路
JP3753040B2 (ja) 2001-09-25 2006-03-08 住友電気工業株式会社 光ファイバ融着接続部の加熱方法および加熱装置
WO2003062895A1 (fr) * 2002-01-25 2003-07-31 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Module emetteur-recepteur optique utilisant une ferrule, appareil de connexion du module emetteur-recepteur optique, et procede de fabrication du module emetteur-recepteur optique
JP2003279787A (ja) * 2002-03-22 2003-10-02 Sumitomo Electric Ind Ltd 異種光ファイバの接続方法および多心光ファイバ部品
CA2417041A1 (en) * 2002-04-12 2003-10-12 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Optical fiber component, optical module, and optical communication system
US20040096174A1 (en) * 2002-05-16 2004-05-20 Kanishka Tankala Optical fiber having an expanded mode field diameter and methods of providing such a fiber
JP4098195B2 (ja) 2003-08-29 2008-06-11 昭和電線ケーブルシステム株式会社 光ファイバ伝送路
WO2007122630A2 (en) 2006-04-24 2007-11-01 Sterlite Optical Technologies Ltd. Single mode optical fiber having reduced macrobending and attenuation loss and method for manufacturing the same
US7606452B2 (en) 2007-08-29 2009-10-20 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of Industry, Through The Communications Research Centre Canada Optical fiber fundamental mode field expander
US9709741B2 (en) * 2014-04-30 2017-07-18 Futurewei Technologies, Inc. Inverse taper waveguides for low-loss mode converters
US9618692B2 (en) * 2014-07-10 2017-04-11 Corning Incorporated High chlorine content low attenuation optical fiber
US10345524B2 (en) * 2016-12-22 2019-07-09 Huawei Technologies Co., Ltd. Optical edge coupler with controllable mode field for photonic chip

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5446820A (en) * 1992-07-29 1995-08-29 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Mode field diameter conversion optical fiber
CN1094818A (zh) * 1993-01-07 1994-11-09 康宁股份有限公司 光纤耦合器及放大器
CN1212056A (zh) * 1996-12-20 1999-03-24 俄罗斯科学院普通物理研究所纤维光学科技中心 模场直径纤维转换器、局部变化光波导折射率的方法以及制备光波导预制件的方法
CN1320222A (zh) * 1998-09-25 2001-10-31 康宁股份有限公司 模场直径扩大的光纤以及扩大光纤模场直径的方法
CN204679680U (zh) * 2015-04-21 2015-09-30 四川飞阳科技有限公司 一种硅光子芯片的封装结构

Also Published As

Publication number Publication date
US20180224607A1 (en) 2018-08-09
WO2018148187A1 (en) 2018-08-16
MX2019009333A (es) 2019-11-21
US10429589B2 (en) 2019-10-01
TW201835623A (zh) 2018-10-01
CN110268295A (zh) 2019-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110268295B (zh) 用于硅光子学的光纤
US6594419B2 (en) Tapered lensed fiber for focusing and condenser applications
US6275627B1 (en) Optical fiber having an expanded mode field diameter and method of expanding the mode field diameter of an optical fiber
CN215769128U (zh) 一种光学系统
US6963682B2 (en) Beam altering fiber lens device and method of manufacture
EP1481274B1 (en) Beam bending apparatus and method of manufacture
KR100405096B1 (ko) 실제적으로 더 큰 횡단 면적의 광학 소자에 융착 접속된 광섬유를 이용하는 시준기의 제조
EP3218750B1 (en) Adiabatic optical coupling systems
CN109799572B (zh) 一种纤维集成的高斯-环形模场适配器
WO2003009029A1 (en) Optical fiber splicing method and device
CN110542949B (zh) 一种用于硅光波导连接和耦合的光纤制作方法及加热装置
US20120063720A1 (en) Optical fiber assembly and methods of making the same
KR100430945B1 (ko) 광학 소자의 융착 접속 방법 및 이에 의해 제조된 광학 장치
US20040151431A1 (en) Lensed fiber having small form factor and method of making the same
WO2003076992A1 (en) Optical fiber biconic lens and method of manufacture
EP2548059B1 (en) Optical element with mechanical alignment and method of making same using a capillary tube
Little et al. Fabrication of periodic, resonant features in optical fibres using a CO2 laser micro-tapering system

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant