CN1138162C - 用于布拉格光栅的光纤及使用光纤的纤维布拉格光栅 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于纤维布拉格光栅的光纤以及一种使用该光纤的纤维布拉格光栅。这种光纤包括一个用于导光的芯线，它是用一种将氧化锗(GeO₂)加入到氧化硅(SiO₂)中的材料制成的；一个包层，它是由将一种具有负的热膨胀系数的材料加入到氧化硅(SiO₂)中而制成的，该包层的折射率低于芯线的折射率。从而，使用一种具有负的热膨胀系数的材料来制备这种光纤，以使得布拉格波长随温度而变化的变化量达到最小。

Description

用于布拉格光栅的光纤及使用光纤的纤维布拉格光栅

本发明涉及一种用于纤维布拉格光栅(Bragg grating)的光纤，尤其是涉及一种用于光波导型布拉格光栅的光纤，其中，衍射光栅形成于光纤内或光波导管内；同时本发明还涉及一种使用光纤的纤维布拉格光栅。

现有各种类型的用于光学器件的衍射光栅。然而，在光纤通讯系统中使用的衍射光栅，适合于采用一种光波导型衍射光栅，这种类型的光栅易于与光波导管相连，且具有较小的导入损失。

传统的光波导型衍射光栅是按如下方式制备的：例如，在掺有氧化锗(GeO₂)而具有高折射率芯线的石英基光纤上进行紫外线照射，以引起芯线的折射率进行周期性的变化。

然而，对于用上述传统方法制成的衍射光栅，由于热膨胀，会引起在折射率发生变化的部位上的栅距的改变。而且，由于有效折射率随温度而变化，考虑到与衍射光栅所安装的位置的关系，反射波长(即“布拉格波长”)也会由于环境温度的变化而改变。

为解决以上问题，本发明目的在于提供一种在布拉格光栅中使用的光纤，使用这种纤维，可使得即使环境温度发生变化，也能保证布拉格波长所发生的变化量达到最小值。

本发明的另一目的在于用光纤提供一种布拉格纤维光栅。

据此，为达到上述目的，在此所提供的光纤包括：一个用于传导光线的芯线，它是用一种将氧化锗(GeO₂)加入到氧化硅(SiO₂)中的材料制成的；一个包层，它由将一种具有负的热膨胀系数的材料加入到SiO₂中而制成的。包层的折射率低于芯线的折射率，加到包层的材料可优先选择氧化锆(ZrO₂)。

根据本发明的另一方面，所提供的用于纤维布拉格光栅的光纤包括：一个用于导光的芯线，它是用一种将GeO₂加入到SiO₂中的材料制成的；一个至少包含有SiO₂的内包层，它的折射率低于芯线的折射率；一个外包层，它是由将一种具有负的热膨胀系数的材料加入到SiO₂中而制成的。外包层包围内包层，加给包层的材料可优先选择ZrO₂。

为达到第二个目的，本发明所提供的纤维布拉格光栅包括：一个用于导光的芯线，它是用一种将GeO₂加入到SiO₂中的材料制成的；一个包层，它是由将一种具有负的热膨胀系数的材料加入到SiO₂中而制成的，包层的折射率低于芯线的折射率，其中，在芯线内提供了一个沿光轴具有多个折射率变化的部分的布拉格光栅区。在此，加给包层的材料可优先选择ZrO₂。

通过对以下最佳实施例的详细描述，就会使得本发明的上述目标和优势更为明显。最佳实施例的附图说明如下：

图1和图2显示了使用氧化钛(TiO₂)的用于衍射光栅的光纤的物理结构和折射率分布。

图3显示了热膨胀系数变化与TiO₂和ZrO₂浓度之间的关系；以及

图4显示了一种通过在要产生光纤光栅的部分进行紫外线照射而制成的纤维布拉格光栅。

在此，本发明将参照附图详述如下。

图1和图2显示了可用于制作纤维布拉格光栅的光纤，其中，其上部显示了光纤的物理结构，下部则相应显示了光纤的折射率分布。

图1所显示的光纤是由一根芯线11和一个包层12所组成的。在此，为了通过芯线11导光，芯线11的折射率必须高于包层12的折射率。图2所示的光纤是由芯线21、内包层22和外包层23所组成的。为了通过芯线21导光，芯线21的折射率必须高于内包层22的折射率。

在图1所示的光纤的结构中，芯线11是由GeO₂和SiO₂制成的，包层12是由TiO₂或ZrO₂和SiO₂制成的。在图2所示的光纤的结构中，芯线21是由GeO₂和SiO₂制成的，内包层22是由SiO₂制成的，外包层23是由TiO₂或ZrO₂与SiO₂制成的。

更具体地，在图1中，芯线11是通过将GeO₂掺入到SiO₂中形成的。包层12的折射率低于芯线11的折射率，它是通过将TiO₂或ZrO₂包含到SiO₂中而形成的。在图2中所显示的双包层光纤中，其芯线21是通过将GeO₂包含到SiO₂中形成的。内包层22的折射率低于芯线21的折射率，它的形成至少包括SiO₂。外包层23的折射率低于芯线21的折射率，它是通过至少将TiO₂或ZrO₂包含到SiO₂中而形成的。外包层23也可以通过将B(硼)和F(氟)进一步引入SiO₂中而形成。

用于纤维布拉格光栅的光纤对温度较为敏感。在光纤中形成的芯线的折射率也对温度较为敏感。在芯线内写入的光栅周期(即栅距)随温度增加或减小。也就是说，芯线的热膨胀系数随温度的变化而改变。具体地说，布拉格波长(λ_B)通过芯线的有效折射率(n)以及衍射光栅的折射率的变化周期的间距(Λ)描述，如方程(1)所示：

λ_B＝2nΛ    …(1)

另外，公式(1)对温度(T)进行微分，可得到布拉格波长(λ_B)随温度的变化，可表达成方程式(2)或方程式(3)： $\frac{\∂{\mathrm{\λ}}_B}{\∂T}=2(\mathrm{\Λ}\·\frac{\∂n}{\∂T}+n\·\frac{\∂\mathrm{\Λ}}{\∂T})\…\…\…\left(2\right)$ $\frac{\∂{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=\frac{1}{\mathrm{\Λ}}\·\frac{\∂\mathrm{\Λ}}{\∂T}\·\mathrm{\ΔT}+\frac{1}{n}\·\frac{\∂n}{\∂T}\·\mathrm{\ΔT}$ $=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ζ})\·\mathrm{\ΔT}$ ∴ $\frac{\∂{\mathrm{\λ}}_B}{\mathrm{\ΔT}}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ζ})\·{\mathrm{\λ}}_B\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

其中n是芯线的有效折射率，Λ是衍射光栅的折射率的变化周期的间距，ΔT是温度的变化，α是热膨胀系数(等于

)，ζ是芯线折射率的温度系数(等于

)。

例如，假设热膨胀系数α是0.5×10^-8/℃，芯线折射率的温度系数ζ是6.8×10^-8/℃，则在室温下的布拉格波长λ_B为1550nm。布拉格波长λ_B的变化可通过公式(3)进行计算，即0.0113nm/℃。因此，当环境温度在-20℃至60℃之间变化时，即ΔT＝80℃，布拉格波长λ_B的最大变化量是0.9nm。

根据本发明，有可能对光纤的布拉格波长的变化在光纤自身内进行补偿，而无需单独使用外部设备，从而使得光纤的布拉格波长甚至可以不随温度而变化。换而言之，对于公式(2)中所表达的布拉格波长随温度变化的关系式，最好是将变化量置为零。然而，在公式(2)中，n/T是正的常数，而且，对于热膨胀系数起决定性因素的Λ/T值也根据形成芯线所用材料类型的不同而变化。因此，可以通过使用一种具有负的热膨胀系数的材料形成包层的方式来使得布拉格波长随温度变化的变化量达到最小值。

具有负的热膨胀系数的材料包括TiO₂和ZrO₂。图3给出了热膨胀系数的变化与TiO₂和ZrO₂的浓度(摩尔浓度)的关系。参照图3，TiO₂和ZrO₂的热膨胀系数均为负值，在处于同一浓度水平时，ZrO₂的热膨胀系数的绝对值大约是TiO₂的热膨胀系数绝对值的4倍。因此，具有ZrO₂的而不是TiO₂的光纤，能够提供一种对温度更为敏感且更为可靠的纤维布拉格光栅。

在如图1和图2所示的光纤的形成光栅的部分进行紫外线照射，从而制备出如图4所示的纤维布拉格光栅。进一步，这种纤维布拉格光栅可用于光学器件或者元件中如耦合器、反射滤光器、Febry-Perot滤光器等等。

依据本发明，在制作将用于形成纤维布拉格光栅的光纤时，使用一种具有负的热膨胀系数的材料来制备这种光纤，从而使得布拉格波长根据温度而产生的变化量的达到最小。因此，可以获得这样一种纤维布拉格光栅，其布拉格波长几乎不随该纤维布拉格光栅所安装的环境温度以及光栅自身温度的改变而变化，从而增加了在WDM(Wavelength divisionmultiplexing：波分多路复用)通信等领域中的这种纤维布拉格光栅的可靠性。

Claims (5)

1.一种用于纤维布拉格光栅的光纤，其特征在于，其中包括：

一个包含GeO₂和SiO₂用于导引光的芯线；以及

一个围绕芯线且折射率低于芯线的包层，其为由SiO₂和添加剂所构成的玻璃，所述添加剂从具有负的热膨胀系数的TiO₂和ZrO₂所构成的组中选出。

2.一种用于纤维布拉格光栅的光纤，其特征在于，其中包括：

一个用于导光的包含GeO₂和SiO₂芯线；

一个围绕芯线且折射率小于芯线折射率的内包层，所述内包层为包含SiO₂的玻璃；以及

一个外包层，其围绕内包层且折射率小于芯线的折射率，且为由SiO₂和添加剂所构成的玻璃，所述添加剂从具有负的热膨胀系数的TiO₂和ZrO₂所构成的组中选出。

3.一种纤维布拉格光栅，其特征在于包含一个光纤，所述光纤具有折射率发生变化的栅距，所述光纤包含：

一个包含GeO₂和SiO₂用于导引光的芯线；以及

一个围绕芯线且折射率低于芯线的包层，其为由SiO₂和添加剂所构成的玻璃，所述添加剂从具有负的热膨胀系数的TiO₂和ZrO₂所构成的组中选出。

4.根据权利要求3中所述的纤维布拉格光栅，其特征在于，该包层包括：

一个至少包含有氧化硅的内包层，该层的折射率低于芯线的折射率；以及

一个至少包含有氧化锆的外包层，该层包围着内包层。

5.根据权利要求4中所述的纤维布拉格光栅，其特征在于，该外包层是通过进一步将硼和氟加入到氧化硅中而形成的。

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