CN1198155C - 用于实现充分均匀的光衰减的光导纤维和平面波导 - Google Patents

用于实现充分均匀的光衰减的光导纤维和平面波导 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于实现充分均匀的光衰减的光导纤维和平面波导，包括一个芯层，其中所述芯层共同掺杂有第一金属离子和第二金属离子，所述第一金属离子在特别波长带内具有负斜率的光吸收系数，所述第二金属离子在所述特别波长带内具有正斜率的光吸收系数。

Description

用于实现充分均匀的光衰减的光导纤维和平面波导
技术领域
本发明涉及一种光导纤维和一种平面波导，用于衰减光通信系统中接收的光信号。
背景技术
在光通信中需要传送极大量的数据带来除时分多路传输(TDM)之外波分多路传输(WDM)的开发。WDM将通过单传输线传送多个具有不同波长的光信号，因而增加了信号的传输效率。
在光通信系统中，由于信号损失随光导纤维的长度而增加，所以远接收端接收信号如此变弱，以致难以有效地检测这些信号。
为了解决这样的信号损失问题，在发送器与接收器之间布置一个放大装置，用于放大光信号，并且发送器加强输出信号，以便补偿这样的信号损失。然而，如果一个接收设备例如光导纤维放大器安装在产生高电平输出的信号的发送器附近，它就不能适当地检测这样的信号。因此，已经提出各种使接收设备的前端所接收的光信号衰减的方法。这些方法将使箍(ferule)相互偏移，以引起一些量的光漏过箍之间的间隙，以使光导纤维的芯具有不同的直径，或在箍之间插入过滤器。
然而，过滤器型光衰减器具有的衰减区太小，以致不能精确地控制吸收率。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种光衰减器，它包括一种光导纤维，具有一个掺杂有掺杂物的芯，用于吸收特别波长带的光。
本发明的另一个目的是提供一种光导纤维，用于均匀地衰减特别波长带的光信号。
本发明的又一个目的是提供一种平面波导，用于均匀地衰减特别波长带的光信号。
根据本发明的一个方面，用于实现充分均匀的光衰减的光导纤维包括一个芯层和一个覆层，其中芯层共同掺杂有第一金属中的至少一种或多种的离子，和第二金属中的至少一种或多种的离子，第一金属在特别波长带下具有负斜率的光吸收系数，第二金属在特别波长带下具有正斜率的光吸收系数，第一金属的离子与第二金属的离子的克分子比是1至3∶4至6。
优选地，第一金属是Fe、Cr、Mn和V，并且第二金属是Co和Ni。
根据本发明的另一方面，一种用于实现充分均匀的光衰减的平面波导包括一个芯和一个覆层，其中芯共同掺杂有第一金属中的至少一种或多种的离子，和第二金属中的至少一种或多种的离子，第一金属在特别波长带下具有负斜率的光吸收系数，第二金属在特别波长带下具有正斜率的光吸收系数，第一金属的离子与第二金属的离子的克分子比是1至3∶4至6。
优选地，第一金属是Fe、Cr、Mn和V，并且第二金属是Co和Ni。
由以下连同附图所作的说明，本发明的以上目的和其他特点将更加显而易见。
附图说明
图1是流程图，表示根据本发明的第一实施例的用于光衰减的光导纤维的制造过程；
图2A至图2D是断面图，表示图1说明的金属离子掺杂过程；
图3A至图3C是断面图，表示根据本发明的第二实施例的用于光衰减的光导纤维的制造过程；
图4至图7是曲线图，表示根据波长的第一金属离子的光吸收特性；
图8和图9是曲线图，表示根据波长的第二金属离子的光吸收特性；
图10是曲线图，表示根据波长的掺杂Fe的光导纤维的光吸收特性；
图11是曲线图，表示根据波长的掺杂Co的光导纤维的光吸收特性；
图12和图13是曲线图，表示共同掺杂有Fe和Co的光导纤维的光衰减特性；
图14是曲线图，表示根据共同掺杂有Fe和Co的光导纤维的长度的光衰减特性；
图15是曲线图，表示在将掺杂有Fe的第一光导纤维和掺杂有Co的第二光导纤维串联连接的情况下的光衰减特性；
图16说明根据本发明的第三实施例的用于光衰减的平面波导；以及
图17A至图17F是断面图，表示根据本发明的第三实施例的用于光衰减的平面波导的制造过程。
具体实施方式
图1是流程图，说明根据本发明的第一实施例的用于实现充分均匀的光衰减的光导纤维的制造过程，其中使用变更的化学汽相淀积(MCVD)。
首先，在一个管的内部用SiCl4、POCl3和CF4淀积一个覆层(ST1)，然后用SiCl4和GeCl4淀积一个芯层(ST2)。
此后，将芯层部分烧结，并且掺杂特别金属离子(ST3)。然后使其干燥，并且烧结伴随氧化(ST4)。
然后，使其紧裹和密封，以获得光导纤维预型件(ST5，ST6)，最终将其抽出，以生产包含金属离子的光导纤维(ST7)。
以下，参考图2A至图2D，将叙述使芯层掺杂金属离子的过程。
首先，如图2A至图2D所示，在管11的内部淀积覆层12和芯层13(图2A)，然后部分地烧结，以形成多孔层(图2B)。
随后，将多孔层渗入含有预定量金属离子的溶液14，并且保持约1小时(图2C)。
此后，从管11中排出溶液14。此时，溶于溶液14的有些金属离子保留在多孔芯层中。也就是，芯层13掺杂有金属离子(图2D)。
在这种情况下，以上溶于溶液14的金属离子包括第一金属例如Fe、Cr、V和Mn中的至少一种或多种的离子，和第二金属例如Co和Ni中的至少一种或多种的离子，以及Al离子，其中第一金属在光信号波长带下具有负斜率的光吸收系数，而第二金属在光信号波长带下具有正斜率的光吸收系数。Al用来防止金属离子在热紧裹步骤期间蒸发。
在这种情况下，第一金属离子、第二金属离子和Al的克分子比是1到3∶4到6∶1到3。由于克分子比的最终值可能随过程的温度和气体压力而改变，所以克分子比必须确定在较高和较低限值之内。
因此，芯部分共同掺杂有第一金属离子和第二金属离子，它们的光吸收系数在光信号波长带下分别具有负斜率和正斜率，所以本发明的光导纤维可能使输入光信号充分均匀。
此外，通过将掺杂有第一金属离子的第一光导纤维和掺杂有第二金属离子的第二光导纤维串联连接，也能获得用于实现均匀光衰减的光导纤维。图3A至图3C说明根据本发明的第二实施例的用于实现均匀光衰减的光导纤维。
图3A是第一光导纤维的预型件，其多孔芯层13掺杂有第一金属离子21，以及图3B是第二光导纤维的预型件，其多孔芯层13掺杂有第二金属离子22。如图3C所示，在第二实施例中，掺杂有第一金属离子21的第一光导纤维23和掺杂有第二金属离子22的第二光导纤维24分别地插入普通光导纤维的部分25之间，形成一条传输线。
第一光导纤维L1与第二光导纤维L2的长度比是L1∶L2＝1∶2，其中第一光导纤维掺杂有0.125克分子的Fe离子，并且第二光导纤维掺杂有0.3克分子的Co离子。
当然，如前所述，芯层共同掺杂有Al，并且第一金属离子、第二金属离子与Al的克分子比是1到3∶4到6∶1到3。
以下，参考图4至图15，将叙述第一金属离子和第二金属离子的光吸收系数。
图4至图7说明第一金属离子随波长变化的光吸收系数。
图4说明含有Fe的石英玻璃，它在约1100nm到1900nm的波长带内具有按负斜率随波长变化的光吸收系数。
图5说明含有V的石英玻璃，它在约700nm到1800nm的波长带内具有按负斜率随波长变化的光吸收系数。
图6说明含有Cr的石英玻璃，它在约600nm到1600nm的波长带内具有按负斜率随波长变化的光吸收系数。
图7说明含有Mn的石英玻璃，它在约450nm到1600nm的波长带内具有按负斜率随波长变化的光吸收系数。
也就是，如图4至图7所示，第一金属例如Fe、V、Cr和Mn的离子在约1100nm到1600nm的特别波长带内，具有负斜率的光吸收系数。
同样，图8和图9说明第二金属离子的光吸收系数。图8说明含有Co的石英玻璃，它在约900nm到1800nm的波长带内具有按正斜率随波长变化的光吸收系数。
图9说明含有Ni的石英玻璃，它在约1000nm到1600nm的波长带内具有按正斜率随波长变化的光吸收系数。
也就是，如图8和图9所示，第二金属例如Co和Ni的离子在约1100nm到1600nm的特别波长带内，具有正斜率的光吸收系数。
同样，图10说明掺杂有Fe离子的光导纤维的光吸收系数，它在约1150nm到1650nm的波长带内具有随波长的负斜率。
并且，图11说明掺杂有Co离子的光导纤维的光吸收系数，它在约900nm到1650nm的波长带内具有随波长的正斜率。
也就是，在图4与10之间、图8与图11之间作比较，虽然表示稍微不同，光吸收系数在1200nm到1600nm的光信号传输带内具有随波长的负斜率。
图12和图13说明根据本发明的第一实施例的光导纤维的光衰减特性，该实施例按特别克分子比，例如1∶4.4∶1.6共同掺杂有Fe离子、Co离子和Al离子。
图12说明用白光源作为输入光，掺杂有Fe和Co的光导纤维的光衰减特性，其中光衰减偏差在1200nm到1600nm的波长带内约为±0.4dB。在这种情况下，光导纤维的长度选择为1nm。
图13说明用宽带光源作为输入光，掺杂有Fe和Co的光导纤维的光衰减特性，其中光衰减偏差在1450nm到1600nm的波长带内约为±1dB。
如图14说明，光衰减水平随光导纤维的长度变化，该图表示使用1550nm的输入波长，光衰减随共同掺杂有Fe离子和Co离子的光导纤维的长度而变化的特性。
在这种情况下，衰减率对每1mm的共同掺杂有Fe离子和Co离子的光导纤维约为5dB，以便光衰减水平随光导纤维的长度增加。
此外，图15说明根据本发明的第二实施例的光导纤维的光衰减特性，其中将5cm的掺杂有Fe离子的第一光导纤维和10cm的掺杂有Co离子的第二光导纤维串联连接。在这种情况下，Fe离子∶Co离子的克分子比是0.125∶0.3。这表示在1300nm到1600nm的波长带内充分均匀的光衰减。
因而，根据本发明，通过用第一金属中的一种的离子和第二金属中的一种的离子共同掺杂芯层，能提供用于均匀光衰减的光导纤维，第一金属在特别光信号波长带下具有负斜率的光吸收系数，而第二金属在特别光信号波长带下具有正斜率的光吸收系数。具体地说，共同掺杂物对可以是Fe离子和Co离子、Cr离子和Co离子、Mn离子和Co离子、Fe离子和Ni离子、V离子和Ni离子、Cr离子和Ni离子、Mn离子和Ni离子等等。通过将掺杂有以上第一金属中的一种的离子的第一光导纤维，和掺杂有以上第二金属中的一种的离子的第二光导纤维串联连接，也能提供该光导纤维。
虽然已经说明和叙述了被认为是本发明的优选具体实施例，但是本领域技术人员将会理解，本发明不限于其具体实施例，并且在不违反本发明的真正范围下，可以用各种各样的改变、变更和等效来替代其要素。
例如，芯层可能共同掺杂有一种混合物，它由包括Fe离子、V离子、Cr离子和Mn离子的第一金属中的至少两种或多种按特别比率组成，和一种混合物，它由Co和Ni按特别比率组成，因而产生一种用于均匀光衰减的光导纤维。
或相反，通过将掺杂有以上第一金属中的至少两种或多种按特别比率组成的混合物的第一光导纤维，和掺杂有以上第二金属中的至少两种或多种按特别比率的混合物的第二光导纤维串联连接，能获得用于均匀光衰减的光导纤维。
此外，使用根据上述实施例的用于光衰减的光导纤维，能获得一种衰减器。
而且，上述本发明的概念能等同地适合一种用于光衰减的平面波导。也就是，通过用以上掺杂物共同掺杂芯，能获得一种用于实现充分均匀的光衰减的平面波导。
图16说明根据本发明的第三实施例的用于光衰减的平面光路。本发明的用于光衰减的平面波导具有一个芯33，它共同掺杂有第一金属中的至少一种或多种的离子，和第二金属中的至少一种或两种的离子。32是覆层，并且31是Si衬底。
本发明的用于光衰减的平面波导可能具有多个芯。因此，本发明的平面波导可能具有多个波导，它们由芯和包围芯的覆层构成。
图17A至图17F是断面图，表示根据本发明的第三实施例的用于光衰减的平面波导的制造过程。
首先，如图17A所示，用火焰水解淀积(FHD)法在Si衬底31上形成一个缓冲覆层32a。缓冲覆层32a可能是SiO2-P2O5、SiO2-B2O3或SiO2-P2O5-B2O3。
此后，如图17B所示，用FHD法在缓冲覆层32a上形成一个芯层33。芯层可能是SiO2-GeO2-P2O5、SiO2-GeO2-B2O3或SiO2-GeO2-P2O5-B2O3。
此后，如图17C所示，将芯层33部分地烧结形成一个多孔层33a。
其后，如图17D所示，用金属离子掺杂多孔层33a，形成一个掺杂多孔层33b。掺杂过程包括步骤：将多孔层浸入含有预定量的金属离子的溶液中，保持约1小时，然后使多孔层干燥。在这种情况下，以上溶于溶液中的金属离子包括第一金属例如Fe、Cr、V和Mn中的至少一种或多种的离子，和第二金属例如Co和Ni中的至少一种或多种的离子，以及Al离子，其中第一金属在光信号波长带内具有负斜率的光吸收系数，而第二金属在该光信号波长带内具有正斜率的光吸收系数。并且，第一金属离子、第二金属离子和Al的克分子比是1到3∶4到6∶1到3。
此后，如图17E所示，用光刻术和蚀刻过程形成芯33c。
此后，如图17F所示，用FHD法在芯33c和缓冲覆层32a上面形成一个上面覆层32b，因而形成一个覆层32。上面覆层可以是SiO2-P2O5或SiO2-P2O5-B2O3。
因此，本发明的用于衰减的平面波导的芯的光吸收系数可能在光信号波长带下对于输入光信号具有均匀衰减。
如上所述，根据本发明，通过用第一金属中的至少一种或多种的离子，和第二金属中的至少一种或多种的离子共同掺杂芯层，提供用于均匀光衰减的光导纤维和平面波导，第一金属在特别光信号波长带下具有负斜率的光吸收系数，而第二金属在特别光信号波长带下具有正斜率的光吸收系数。具体地，第一金属是Fe、Cr、Mn和V，而第二金属是Ni和Co。并且，通过将掺杂有上述第一金属中的至少一种或多种的离子的第一光导纤维，和掺杂有上述第二金属中的至少一种或多种的离子的第二光导纤维串联连接，提供用于均匀光衰减的光导纤维。

Claims (6)

1.一种用于实现充分均匀的光衰减的光导纤维，具有一个芯层和一个覆层，其中所述芯层共同掺杂有第一金属中的至少一种或多种的离子，和第二金属中的至少一种或多种的离子，所述第一金属在特别波长带内具有负斜率的光吸收系数，所述第二金属在所述特别波长带内具有正斜率的光吸收系数，第一金属的离子与第二金属的离子的克分子比是1至3∶4至6。
2.如权利要求1限定的用于实现充分均匀的光衰减的光导纤维，其中所述第一金属是Fe、Cr、Mn和V，并且所述第二金属是Co和Ni。
3.如权利要求1限定的用于实现充分均匀的光衰减的光导纤维，其中所述芯层共同掺杂有Al。
4.一种用于实现充分均匀的光衰减的平面波导，具有一个芯和一个覆层，其中所述芯共同掺杂有第一金属中的至少一种或多种的离子，和第二金属中的至少一种或多种的离子，所述第一金属在特别波长带内具有负斜率的光吸收系数，而所述第二金属在所述特别波长带内具有正斜率的光吸收系数，第一金属的离子与第二金属的离子的克分子比是1至3∶4至6。
5.如权利要求4限定的用于实现充分均匀的光衰减的平面波导，其中所述第一金属是Fe、Cr、Mn和V，并且所述第二金属是Co和Ni。
6.如权利要求4限定的用于实现充分均匀的光衰减的平面波导，其中所述芯共同掺杂有Al。
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