CN1243258A - 采用双组分石英的扩散型光纤 - Google Patents

采用双组分石英的扩散型光纤 Download PDF

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Abstract

提供一种根据波长不同而具有不同的芯－覆盖层折光指数差的扩散光纤。该扩散光纤包括由掺入第一扩散材料的石英组成的芯,和由掺入第二扩散材料的石英组成的覆盖层,其特征在于:在一个预定的交叉波长处,该第一扩散材料及第二扩散材料的折光指数彼此交叉。该第一扩散材料及第二扩散材料包括硼及氟。通过分别往该芯及该覆盖层掺入每种扩散材料可得到该扩散光纤,从而降低传输损失,且能偶合到至普通光纤上。

Description

采用双组分石英的扩散型光纤
本发明涉及一种扩散型光纤，该光纤具有随波长而变化的芯-覆盖层折光指数差，更具体地讲，本发明涉及一种采用双组分石英玻璃的扩散型光纤。
一般而言，折光指数为光的波长的函数。如图1所示，波长越短，折光指数越大。在光学设备中使用的传统光纤中，芯玻璃与覆盖层玻璃具有相似的光谱特征，因此它们之间的折光指数差相对于波长几乎是恒定的。如图1所示，GeO2和SiO2之间的折光指数差相对于波长几乎恒定。标为GeO2的较高折光指数曲线为芯的曲线，标为SiO2的较低折光指数的曲线为覆盖层的曲线。因此，通过使用一般的光纤不易得到具有各种光谱特性的光纤设备。
根据波长而具有可变折光指数差的光纤被称作扩散光纤。使用扩散光纤的光学设备包括光纤滤光片、波长不敏感偶合器、波长选择性光纤偶合器等。
扩散光纤具有下述特性。首先，芯与覆盖层之间的折光指数差依赖于波长。第二，在某一特定波长处，芯材料和覆盖层材料的折光指数变得相等。第三，根据入射光的波长，该入射光通过芯或覆盖层进行扩散。下表列出了目前已知的具有高扩散性的玻璃材料和采用这些材料的滤光片类型。
                        表1
    芯材料     覆盖层材料     交叉波长(λ交叉)   滤光片类型
    BaCED4     F11     0.72μm     长
    BaCED1     ADF10     0.9μm     长
    ADF10     BaF7     1.62μm     短
    LaF8     FD13     0.82μm-1.65μm     带通
    LaKN18     SF10     ＜0.6μm     长
    SK6     TiF6     0.67μm     长
    TiF6     SK1     0.87μm     短
传统的扩散光纤一般由多组分玻璃组成，且其传输损失大于纯石英光纤。此外，由于传统光纤的熔点低，不可能用典型的光纤对其进行熔融连接。传统扩散光纤可采用一种棒插入管(rod-in-tube)技术制备，其中，一个棒，即一种芯材料，插入到一个管，即一种覆盖层材料中，然后加热并软化以除去其间的空隙，从而形成这种光纤。但是，棒插入管(rod-in-tube)技术非常复杂。由于多组分玻璃的折光指数高于典型玻璃的折光指数，故由多组分玻璃与典型玻璃的机械连接增大了连接损失。
为解决上述问题，本发明的目的之一在于提供一种扩散光纤，通过使用一种双组分石英材料，而不是多组分玻璃，该光纤的芯和覆盖层之间根据不同的波长具有不同的折光指数差。
因此，为达到上述目的，提供一种扩散光纤，它包括由掺杂第一种扩散材料的石英制成的芯，和由掺杂第二扩散材料的石英制成的覆盖层，在预定的交叉波长处，第一扩散材料与第二扩散材料的折光指数彼此交叉。
附图简要说明
参考下列附图，通过一个优选实施例的详述，本发明的上述目的及优点将变得更加明显：
图1显示一种典型光纤的芯与覆盖层之间的折光指数差；
图2显示根据波长而改变的芯与覆盖层之间的折光指数差；
图3A、3B、3C显示在短波通过滤光片的情况下，根据不同波长，芯与覆盖层折光指数之间的关系及能量曲线；
图4A、4B、4C显示在长波通过滤光片的情况下，根据不同波长，芯与覆盖层折光指数之间的关系及能量曲线；
图5显示根据本发明的扩散光纤，对氦-氖激光辐射，当一种短波通过滤光片时的折光指数曲线；
图6显示根据本发明的扩散光纤，对氦-氖激光辐射，当一种长波通过滤光片时的折光指数曲线；
图7A及7B为一种确定硼及氟的掺杂物浓度的方法的示意图，在特定波长处，芯与覆盖层的折光指数变得相等；
图8显示通过图7A及7B所示方法制备的光纤随波长变化的折光指数；
图9显示通过图7A及7B所示方法制备的短波通过滤光片的传输特性；
图10为根据本发明的扩散光纤制成的一种波长分离器的一个实例。
优选实施例的描述
下面将参照附图详述本发明。
根据本发明的扩散型光纤使用石英作为芯和覆盖层的基料。扩散型材料掺杂进形成芯和覆盖层的石英中，从而采用一种典型的光纤制备法制成本发明的光纤。
在本发明的实施例中，硼及氟用作为扩散型材料，但该发明并不限于这两种材料。任何两种具有一个特定交叉波长-----在该波长处两种材料的折光指数曲线彼此交叉------的材料都能用作扩散型材料。
根据本发明，通过在石英玻璃中分别掺杂硼及氟而得具有滤光特征的光纤，根据掺杂进芯或覆盖层的扩散材料的种类及用量的不同，滤光特征将改变。
根据滤光特征，滤光片大致可分成短波通过滤光片和长波通过滤光片。例如，当材料A与材料B之间的折光指数差依波长而改变时，如图2所示，在特定波长λ交叉处，材料A的折光指数变得与材料B的折光指数相同。波长小于λ交叉的区域，材料A的折光指数大于材料B的折光指数。因此，材料A成为芯材料，材料B成为覆盖层材料。在此条件下，波长小于交叉波长λ交叉的光被引入至芯中，而波长大于交叉波长λ交叉的光则被扩散。也就是说，当芯由材料A制成，覆盖层由材料B制成时，一种光信号施加于光纤的一端，然后，测量光纤另一端的输出光。这样，波长小于交叉波长λ交叉的光信号被导入芯中，然后在该光纤的输出端产生光信号。但是，波长大于交叉波长λ交叉的光信号在光纤的外部扩散，而不被导入，这种，在该光纤的输出端不会产生光信号。因此，由于上述光纤只过滤波长小于交叉波长λ交叉的光，故它就作为一种短波通过滤光片。
图3A及3B显示在芯由材料A制成，而覆盖层由材料B制成时，入射光信号的折光指数特征与波长的关系。具体讲，图3A显示光信号的波长小于交叉波长λ交叉的情况下，芯和覆盖层的指数曲线，而图3B显示光信号的波长大于交叉波长λ交叉时，芯和覆盖层的指数曲线。图3C则显示能量(P)与波长的关系曲线，从中可知上述构造的光纤用作短波通过滤光片。
相反，为引导波长大于交叉波长λ交叉的光信号，芯由材料B制成，覆盖层则由材料A制成，图4A及4B显示入射光信号的折光指数特征与波长的关系。图4A显示光信号的波长小于交叉波长λ交叉时，芯和覆盖层的指数曲线，而图4B显示光信号的波长大于交叉波长λ交叉时，芯和覆盖层的指数曲线。而图4C则显示能量(P)与波长的关系曲线，从中可知上述构造的光纤用作长波通过滤光片，它导入波长大于交叉波长λ交叉的光。
将短波通过滤光片与长波通过滤光片串联，可得到一种带通滤光片。换言之，将短波通过滤光片与长波通过滤光片重叠，能制成一种仅过滤重叠谱带光的带通滤光片。
为得到一种短波通过滤光片，该芯由一种掺杂硼(B)的石英基材料构成，而该覆盖层则由掺杂氟(F)的石英基材料构成。掺入该芯的硼的掺杂浓度为3.2％摩尔，掺入该覆盖层的氟的掺杂浓度为1.57％摩尔。
图5显示根据本发明的用于氦-氖激光辐射的用作短波通过滤光片的扩散光纤的折光指数曲线，其中d代表芯的直径，D代表覆盖层的直径。芯由B2O3-SiO2制成，对于氦-氖激光辐射，其折光指数为1.4555。覆盖层由F-SiO2制成，对于氦-氖激光辐射，其折光指1.4546。玻璃的折射指数按照光的波长而有所不同。因而，如果入射光的波长发生变化，核心和覆盖层的折射指数以及它们之间的折射指数差也因而发生变化。
另一方面，为了得到不同于短波长通过滤光片的长波长通过滤光片，核心是由掺杂有氟的硅石形成的，并且覆盖层是由掺杂有硼的硅石形成的。氟在核心中掺入的浓度是2.1摩尔％，硼在覆盖层中掺入的浓度是7.8％。
图6显示了按照本发明的被用作长波长通过滤光片的扩散光纤的折射指数曲线，对于氦-氖激光辐射，其中d表示核心直径，D表示覆盖层直径。核心是由F-SiO2制成，对于氦-氖激光辐射，其折光指数为1.4538。覆盖层由B2O3-SiO2制成，对于氦-氖激光辐射，其折光指数为1.4539。这里，由于氦-氖激光的波长值相对小，即632.8nm，氦-氖辐射曲线表明芯的折光指数小于覆盖层的折光指数。这样，氦-氖激光不能被导入芯中。但是，当光的波长远远大于氦-氖激光的波长时，比如1500nm时，芯的折光指数可能大于覆盖层的折光指数。这样，氦-氖激光被导入芯中。
一般来讲，玻璃的折光指数依所使用光的波长而变。因此，根据硼及氟的掺杂浓度，按照本发明的光纤滤光片能调节过滤光的波长。
图7A及7B显示一种确定硼及氟的掺杂浓度的方法，在此浓度时芯和覆盖层的折光指数在某一特定波长处变得相等，图7A显示某一特定交叉波长(λ交叉)处的硼及氟的掺杂浓度，图7B显示当芯和覆盖层分别由图7A中所示掺杂浓度的硼及氟组成时，氦-氖激光的折光指数。换言之，如图7B所示，当芯由掺杂浓度为(B)的硼组成，覆盖层由掺杂浓度为(F)的氟组成时，氦-氖激光在芯中的折光指数大于覆盖层的折光指数，据此可知：它表现了短波通过滤光的特征，即，只有波长小于交叉波长的光能通过。
图8显示由图7A及7B中所示方法制备而成的光纤的波长-折光指数关系，其中交叉波长(λ交叉)约为1400nm。因此，若硼掺入芯中，氟掺入覆盖层中，该光纤表现为一种短波通过滤光片，用于过滤波长小于1.4μm的光。当光的波长大于1.4μm时，覆盖层的折光指数大于芯的折光指数。因此，光不能通过该光纤的芯。
图9显示由图7A及7B中所示方法制备而成的一种短波通过滤光片的传输特性。从图10中可以看到，在滤光片的输出端检测到波长小于1.4μm的光，而波长大于1.4μm的光不被导入至该芯中。
图10显示使用按照本发明的扩散光纤实现的一种波长分配器的实例。图10所示的波长分配器为Y-型，在Y-型波长分配器的分支处，使用扩散光纤的一种短波通过滤光片10及一种长波通过滤光片20分别在其输出处排列。例如，如图10所示，用于过滤波长小于1.35μm的短波通过滤光片10排列于分支输出处之一端，而用于过滤波长大于1.45μm的长波通过滤光片20排列于另一分支输出处。
若波长分别为1.3μm与1.5μm的激光混合，以能量(P)入射进输入处，并通过一个分支点A，在该分支点A的能量被分成初始能量(P)的一半，即(P/2)，然后转换至相应的输出端。之后，短波滤光片10将波长为1.3μm的激光过滤，而波长为1.5μm的激光则不能过滤。另一方面，长波滤光片20将波长为1.5μm的激光过滤，而波长为1.3μm的激光则不能过滤。
通过采用一种改性的化学蒸汽沉积法(MCVD)，在一种石英管中沉积石英、硼及氟，能制备本发明的扩散光纤及光纤滤光片。这里，反应温度优选1900℃或更低。
通过将短波通过滤光片与长波通过滤光片适当地进行连接，能制成一种带通滤光片及一种带阻滤光片。这很容易被本领域的技术人员理解，故不再详述。根据本发明的扩散光纤也能适用于传统的扩散光纤领域，包括光学预定网络、波长分配偶合器、波长分配混合器，都在本发明的范围内。
根据本发明，通过将每种扩散材料掺入一种芯及一种覆盖层中，可制备扩散光纤，从而降低传输损失，且以低损失方式与普通光纤偶合。采用一种MCVD方法而非棒插入管(rod-in-tube)方法也能制备扩散光纤，从而使制备过程简化。

Claims (6)

1.一种根据波长具有不同的芯-覆盖层折光指数差的扩散光纤，包括：
由掺入第一扩散材料的石英制成的芯；和
由掺入第二扩散材料的石英制成的覆盖层，
其特征在于，在一个预定的交叉波长处，该第一扩散材料和第二扩散材料的折光指数彼此交叉。
2.根据权利要求1所述的扩散光纤，其特征在于，扩散光纤通过一种改性的化学蒸汽沉积法制备。
3.一种扩散光纤，包括：
由掺入第一预定掺杂浓度硼的石英制成的芯；和
由掺入第二预定掺杂浓度氟的石英制成的覆盖层。
4.根据权利要求3所述的扩散光纤，其特征在于，掺入芯的硼浓度为
3.28％摩尔，掺入覆盖层的氟浓度为1.57％摩尔。
5.一种扩散光纤，包括：
由掺入第一预定掺杂浓度氟的石英制成的芯；和
由掺入第二预定掺杂浓度硼的石英制成的覆盖层。
6.根据权利要求5所述的扩散光纤，其特征在于，掺入芯的氟浓度为2.1％摩尔，掺入覆盖层的硼浓度为7.8％摩尔。
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