CN1266993A

CN1266993A - 使残余机械应力最大化的光纤及用它制造光纤光栅的方法

Info

Publication number: CN1266993A
Application number: CN00104115A
Authority: CN
Inventors: 白云出; 郑暎筹; 金昌锡; 朴贤洙; 朴用雨; 郭京昊
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1999-03-11
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2000-09-20
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: JP2000304944A; GB2347759B; KR20000060053A; US20030138229A1; US6568220B1; GB0005641D0; GB2347759A; CN1125354C; KR100322135B1; US6845202B2

Abstract

提供一种使残余机械应力最大化的光纤和利用此种光纤制造光纤光栅的方法。该光纤包括基本上由硅形成的用来传播光线的纤芯和基本上由硼掺杂的硅形成并包围纤芯的包层。或者,该光纤包括基本上由磷掺杂的硅形成的纤芯和基本上由硅形成并包围纤芯的包层。

Description

使残余机械应力最大化的光纤及用它制造光纤光栅的方法

本申请要求题为“使残余机械应力最大化的光纤及用它制造光纤光栅的方法”的申请的优先权，所述申请于1999年3月11日向韩国产权局提交，顺序号No.99-8080，其内容被包括在本文中作为参考。

本发明一般地涉及一种使残余机械应力最大化的光纤，和利用该光纤制造光纤光栅的方法，更具体地说，涉及具有最大化机械应力以便在其中写入光纤光栅的光纤，以及利用此种光纤制造光纤光栅的方法。

在改进光学通信系统的性能方面，光学信号滤波器起着重大作用。最近具有光纤光栅的滤波器吸引人们浓厚的兴趣，因为它们能够在光纤内部制造，而无须外部的其它控制装置。光纤光栅滤波器由于损失小而且成本低，在光通信和光传感器中找到了广泛的用途。光纤光栅按光纤纤芯反射指数变化n的周期，大体上被分类成Bragg光栅(反射或短周期光栅)和长周期光栅(传输光栅)。

长周期光纤光栅是基于在紫外(UV)激光束辐照光纤时折射率出现巨大变化这一原理。通常利用振幅掩蔽来把光栅写入光纤纤芯，而把H₂装入光纤可使光纤的光敏性增大。传统的长周期光纤是在一种具有用锗掺杂纤芯的光纤内制造的。由于光栅是利用光纤的光敏性写入的，所以不能通过传统的工艺用非光敏性光纤来形成光栅。另一个问题是需要用氢处理来提高光纤的光敏性。

同时，残余应力已经用来代替光敏性。残余应力分成热应力和机械应力。前者是由于各层之间膨胀系数的系数不匹配而引起的，而后者是由于各层之间不同的粘度而产生的，与拉力有密切关系。热应力与拉力不成正比，而可以忽略其存在。这样，作为残余应力的主要是机械应力。为了使机械应力达到最大，为纤芯和包层适当选择掺杂材料是非常重要的，因为纤芯和包层的粘度随着掺杂材料而变化。

因此，本发明的一个目的是提供一种光纤，它适合于通过以令残余机械应力最大化的材料掺杂纤芯和包层来制造光纤光栅。

本发明的另一个目的是提供一种以令残余机械应力最大化的材料掺杂光纤而在光纤内制造光纤光栅的方法。

达到这些和其它目的的方法是提供一种使残余机械应力最大化的光纤，并且提供一种利用所述光纤制造光纤光栅的方法。所述光纤包括基本上由硅形成的传播光线用的纤芯和基本上由硼掺杂的硅形成并包围纤芯的包层。

按照本发明的另一方面，光纤包括基本上由磷掺杂的硅形成的纤芯和基本上由硅形成的包围纤芯的包层。

在光纤光栅的制造方法中，形成包括基本上由硼掺杂硅形成的包层和基本上由硅形成的纤芯的光纤预制棒，通过对所述预制棒施加预定的拉力而由所述预制棒拉制而形成光纤，并且通过对拉制出来的光纤的预定的周期部分进行退火从而消除光纤的残余应力而在光纤中形成光栅。

从以下结合附图所进行的详细描述，可以更加明白本发明的上述和其它目的、特征和优点，附图中：

图1是表示掺杂材料和粘度之间的关系的曲线图；

图2A和2B分别图解说明具有P₂O₅-SiO₂纤芯和F-SiO₂包层的光纤预制棒的相对折射率分布和粘度分布；

图3图解说明粘度和相对折射率差之间的关系；

图4A和4B图解说明按照本发明的光纤断面；

图5举例说明利用CO₂激光器的长周期光纤光栅制造装置；

图6是表示由硅纤芯/硼掺杂硅包层DIC(凹陷内包层)光纤形成的长周期光纤光栅的透射光谱的曲线图；

图7和8举例说明在D/d分别为4和8的磷掺杂纤芯/匹配包层光纤中形成的长周期光纤光栅的透射光谱；

图9举例说明利用电弧制造长周期光纤光栅用的装置；以及

图10是表示在D/d＝8的磷掺杂纤芯/匹配包层光纤中利用电弧和CO₂激光器形成的长周期光纤光栅的透射光谱的曲线图。

下面将参照附图描述本发明的最佳实施例。在以下的描述中，众所周知的功能或结构将不再详细描述，因为它们会以不必要的细节使本发明变得模糊不清。

可以在具有纯硅纤芯的光纤中利用残余应力来形成长周期光纤光栅。由于光弹性效应，拉力引起的残余应力会降低纤芯的折射率。通过用CO₂激光器或电弧周期性地局部消除残余应力可使折射率返回它原来的水平。于是便形成光栅。

至于阶跃折射率光纤中的残余应力，阶跃折射率光纤包括各由不同的材料形成因而呈现不同特性的纤芯和包层。当施加拉力和高热能拉制光纤时纤芯和包层各层各自在不同的瞬态温度下从固态转移到液态，并由于每一个过程中的热量而经受拉应力或压应力。当光纤在室温下冷却时，在机械上引起不同类型的应力。这两种不同类型的残余应力残留的光纤中。

因此，残余应力包括热应力和机械应力。前者是由各层热膨胀系数之间的差异引起的，而后者则是由于各层粘度之间的差异引起的，与拉力有密切关系。

至于热应力，光纤的纤芯和包层是由不同的材料形成的，因而在不同的玻璃瞬态温度下具有不同的热膨胀系数。已知在液态下各层的热膨胀系数比各层固态下的热膨胀系数大3倍。因此，光纤表现出非常复杂的热应力分布。但作为残余应力，热应力不如机械应力明显，而且在拉制过程中不易控制。

纤芯和包层之间粘度差造成的机械应力与拉力成正比。因而残余应力可以通过控制拉力来确定。

机械应力的产生机理可以分两个阶段考虑：在高温下施加拉力；和释放拉力并降至室温。

在第一阶段，基于弹性和非弹性的变形速率是随着光纤在高温下被拉伸时的每层的粘度、表面积和拉力而改变的。拉力F和预制棒熔化部分的应力之间的关系可表达如下：

[方程式1]

F = 3 η_{1} A_{1} \frac{B_{V}}{B_{Z}} + 3 η_{2} A_{2} \frac{B_{V}}{B_{Z}}

= 3 η_{1} A_{1} \frac{B_{V}}{B_{Z}} (1 + \frac{η_{2} A_{2}}{η_{1} A_{1}})

= 3 η_{2} A_{2} \frac{B_{V}}{B_{Z}} (1 + \frac{η_{1} A_{1}}{η_{2} A_{2}})

= 3 η_{1} A_{1} \frac{B_{V}}{B_{Z}} G_{1}^{- 1}

= 3 η_{2} A_{2} \frac{B_{V}}{B_{Z}} G_{2}^{- 1}

式中n为粘度，A为表面积，B为弹性系数，V为预制棒熔化部分的移动速率，Z为光纤的轴向长度，而下标1和2分别指示纤芯和包层。

当预制棒熔化部分的半径达到光纤在软化温度下的半径时，初始应力计算如下：

[方程式2]

σ_{1}^{i} = 3 η_{1} \frac{B_{V}}{B_{Z}} = \frac{F}{A_{1}} G_{1}

σ_{2}^{i} = 3 η_{2} \frac{B_{V}}{B_{Z}} = \frac{F}{A_{2}} G_{1}

而初始和最后弹性变形速率ε₁’和ε₂’用下式计算：

[方程式3]

ϵ_{1}^{i} = \frac{F}{A_{1} E_{1}} G_{1}

ϵ_{2}^{i} = \frac{F}{A_{2} E_{2}} G_{2}

初始弹性变形速率持续到拉力在室温下释放为止。当初始状态转变到最终状态时，光纤立即恢复稳定状态，涉及每一层的弹性变形的变形长度在初始状态和最终状态都一样，加在每一层上的应力总和为0。就是说，

[方程式4]

ε₁ ^f-ε₁’＝ε₂ ^f-ε₂’

A₁E₁ε₁ ^f+A₂E₂ε₂ ^f＝0

于是

[方程式5]

ϵ_{1}^{f} = - \frac{A_{2} E_{2}}{A_{1} E_{1}} ϵ_{2}^{f} = - \frac{A_{2} E_{2}}{A_{1} E_{1}} (ϵ_{1}^{f} - ϵ_{1}^{i} + ϵ_{2}^{i})

因此，最终状态下的纤芯的变形表达为

[方程式6]

ϵ_{1}^{f} = \frac{A_{2} E_{2}}{A_{1} E_{1} + A_{2} E_{2}} (ϵ_{1}^{i} - ϵ_{2}^{i})

= \frac{F}{A_{1} E_{1}} \frac{A_{2} E_{2} G_{1} - A_{1} E_{1} G_{2}}{A_{1} E_{1} + A_{2} E_{2}}

= \frac{F}{A_{1} E_{1}} g

而最终状态下纤芯的残余应力为

[方程式7]

σ_{1}^{f} = E_{1} ϵ_{1}^{f} = \frac{F}{A_{1}} g

类似地，可用下式计算包层的变形和应力：

[方程式8]

ϵ_{2}^{f} = \frac{F}{A_{1} E_{1}} g

σ_{2}^{f} = \frac{F}{A_{2}} g

热和机械引起的残余应力用来在光纤内制造长周期光纤光栅。热应力与拉力作用没有关系，并与机械应力相比在折射率上引起的变化小得可以忽略不计。另一方面，由于机械应力与拉力成正比，因此通过用CO₂激光束加热光纤同时释放拉力就可以释放机械应力。光纤中周期性地交替的应力释放部分和应力残留部分表现出不同的折射率。可以通过下式来计算关于应力引起的反射率变化的光弹性效应：

[方程式9]

Δn_γ＝C_aσ_γ+C_b(σ_θ+σ_z)

Δn_θ＝C_aσ_θ+C_b(σ_z+σ_γ)

Δn_z＝C_aσ_z+C_b(σ_γ+σ_θ)

式中C_a和C_b是SiO₂的光弹性系数，Δn是折射率的变化，σ是应力，而γ，θ，和z分别为半径、角度和轴向长度。径向折射率对于通过光纤传播的光信号意义重大。单模光纤中轴向应力和径向折射率的变化为

[方程式10]

σ_z＝σ_jγ(Kσ_γ+σ_θ)

Δn_γ＝C_bσ_jγ

因为C_b是-4.2×1-10^-12Pa^-1，Δn_γ相对于延伸率σ_jγ为负值。其含义是拉应力减小折射率，而压应力增大折射率。因而，为了制造长周期光纤光栅，光纤应以高拉力拉制，就是说，在比正常拉制状态较低的温度下以较高的缠绕速度拉制。

现将描述用于长周期光纤光栅的硅的掺杂材料。

光纤是通过用锗、氟、磷、硼等掺杂硅来制造的。GeO₂和P₂O₅增大硅的折射率，而F和B₂O₃降低其折射率。P₂O₅和B₂O₃用来降低处理温度和粘度。

随着GeO₂，P₂O₅和B₂O₃mol％增大，用它们掺杂的硅热膨胀系数增大。用F掺杂的硅热膨胀系数随着Fmol％增大而减小。若是纯硅，则硅玻璃的粘度达到最高极限，而若硅用某些材料掺杂，则硅玻璃的粘度会减小。

图1是表示掺杂材料与粘度的关系的曲线图。对于小量掺杂材料的浓度变化，粘度灵敏度系数为

[方程式11]

K_{F} = \frac{B \log [η]}{B [F]}

K_{{GeO}_{2}} = \frac{B \log [η]}{B [Ge O_{2}]} (\log [Pa E_{S}] / %)

于是，用F掺杂的硅和用GeO₂掺杂的硅的粘度的对数(log)为

[方程式12]

log[η]＝K_o+K_F[F]

[方程式13]

log[η]＝K_o+K_GeO2[GeO₂]

这里，用F和GeO₂掺杂时硅的相对折射率差分别是负值和正值。已知它们分别是-0.5和1.5。

用F和GeO₂掺杂时硅玻璃的粘度的对数(log)的变化是由F掺杂和GeO₂掺杂引入的各自粘度的对数(log)变化的线性和。因此，用F和GeO₂掺杂时硅玻璃的粘度的对数(log)为

[方程式14]

log[η]＝K_o+K_F[F]+K_GeO2[GeO₂]

图2A和2B分别举例说明具有P₂O₅-SiO₂纤芯和F-SiO₂包层的光纤预制棒的相对折射率分布和粘度分布。图3举例说明图2A和2B中粘度和相对折射率差的关系。

如方程式15所表达的，P₂O₅的粘度灵敏度系数在-1.5和-23之间。就是说，P₂O₅的粘度灵敏度系数大于K_F，因为P₂O₅和B₂O₃降低处理温度，并显著地增大玻璃的粘度。

[方程式15]

K_{P_{2} O_{5}} = \frac{B \log [η]}{B [P_{2} O_{5}]} (\log [PaEs] / %)

因而，与用F或GeO₂掺杂硅相比，通过用P₂O₅掺杂硅而进一步降低了硅的粘度和处理温度。同时，从图1可以看出，因为掺杂B₂O₃而引起的折射率变化是负值，所以K_B2O3的符号是正的。

粘度与玻璃从液态转变为固态的玻璃瞬态温度T_g有密切关系。随着玻璃粘度降低，其玻璃的瞬态温度降低。这是由于玻璃瞬态温度出现在约10^12.6Pa.s的粘度处。

图4A和4B举例说明按照本发明的光纤的断面。该光纤是这样构成的，使得残余机械应力最大化，以便形成长周期光纤光栅。光纤拉制之后，对粘度相对较高的层施加拉力，而对粘度相对较低的层施加压力。于是，机械应力便残留在光纤内。

在图4A和4B中，虚线表示没有机械应力的光纤断面，而实线表示有机械应力的光纤断面。

图4A中所示的光纤具有基本上由硅形成的纤芯41和基本上由硼掺杂的硅形成并包围纤芯41的包层42。覆盖包层42的管子43基本上由硅形成，并具有低于包层42的粘度。这里，由于硼的掺杂，包层42的粘度相对非常低，甚至比纤芯41的还低。纤芯41可以用锗掺杂，以提高其折射率，或者包层42可以进一步用氟掺杂以降低其折射率。

图4B所示的光纤具有基本上由磷掺杂的硅形成的纤芯46和基本上由硅形成并包围纤芯46的包层47以及覆盖包层47并基本上由硅形成的管子48。管子48表现出比包层47高的粘度。由于磷掺杂，纤芯46的粘度变得较低，而其折射率高于包层47的折射率。纤芯46可以进一步用锗掺杂以增大其折射率，或者可以进一步用氟掺杂包层47以降低其折射率。

现将描述在利用CO₂激光器或电弧引入机械应力的光纤内形成长周期光纤光栅的方法。

图5示出按照本发明利用CO₂激光器的长周期光纤光栅形成装置。长周期光纤光栅形成装置包括CO₂激光器系统51、反射镜52、透镜53、架子54和控制计算机55。CO₂激光器系统51包括激光头、电源模块、遥控器和连接电缆。激光器系统51以脉冲方式发射CO₂激光束，使得用户可以调整所发射的激光束的强度和功率。脉冲宽度和周期可以通过遥控器或者连接到遥控器的脉冲发生器来控制。反射镜53镀金，用来控制光束的通路。透镜53用ZnSe制造，用来聚焦具有适当宽度的激光束。

包括光纤固定器的架子54由计算机55通过一种接口总线，GPIB(通用接口总线)14a控制的高分辨率的步进马达推动。可以再设置白光源和光谱分析仪，以便在长周期光纤光栅的制造过程中观察长周期光纤光栅的透射光谱。

图6是表示在硅纤芯/硼掺杂硅DIC光纤中形成的光纤光栅的透射光谱特性的曲线图。图6中虚线表示以10g(克)拉力拉制的光纤的透射强度与波长的关系，而实线指示以20g拉力拉制的光纤的透射强度与波长的关系。这里，光栅周期是500μm(微米)，光束功率为18W(瓦)，曝光时间为0.1sec(秒)，位置(c)上的光束宽度为200μm。因而，能量密度为1.7j/mm²(焦耳/平方毫米)。

参见图6，以10g拉力拉制的光纤不表现出滤波效果，而以20g拉力拉制的光纤却表现出带阻滤波器的特性，峰值在1000nm(毫微米)，带宽25nm。通过消除周期性地暴露于光束下的光纤部分的残余应力而使长周期光纤光栅变化的折射率返回其原来的折射率。

图7和8举例说明在P掺杂纤芯/匹配包层的其D/d(D为从纤芯中心起包层的半径，而d为纤芯的半径)分别为4和8的光纤中形成的光纤光栅的透射光谱。在图7和8中，虚线表示装入H₂的情况，而实线表示不装入H₂的情况。长周期光纤光栅是在光栅周期为500μm，光栅长度为2cm(厘米)，输出光束功率为12W，曝光时间为0.2sec以及位置(b)处光束宽度为377μm的条件下形成的。因此，能量密度为1.2J/mm²。

正如从残余应力的计算中所预期的，在D/d＝4和8条件下写入P掺杂纤芯/匹配包层光纤中的长周期光纤光栅与纤芯层施加拉力的光纤中的相比分别表现出较弱的滤波作用。但是，增大光纤光栅的长度或用H₂装入光纤可改善滤波作用。虽然在100℃、100bar(巴)下装入H₂72小时增大了写入灵敏度，但是节距移向长波长的方向。

图9举例说明利用电弧形成长周期光纤光栅用的装置。一对电极91调整放电电压。光纤93放在V型槽上，沿着箭头94的方向周期地移动预定的距离。

图10举例说明当长周期光纤光栅是在D/d＝8的条件下、在P掺杂纤芯/匹配包层光纤中分别用电弧和CO₂激光器形成的时长周期光纤光栅的透射光谱。比较起来，耦合峰几乎出现在同一位置上，而在耦合方式下电弧的效率比CO₂激光器的低。这是因为在电弧方法中放电时间无法调整，而且退火边界不清晰。

随着光纤各层之间的粘度差变宽和施加较大的拉力而引入较多的残余机械应力。这样，折射率在很大的程度上变化，而长周期光纤光栅的作用得以增强。因此，本发明通过P或B的加入显著降低光纤的粘度而使得能够形成性能得到改进的长周期光纤光栅。

如上所述，根据本发明，通过加入P而明显降低光纤的纤芯和包层的粘度，使残余机械应力达到最大。这样，可以更有效地把长周期光纤光栅写入光纤中。

尽管已经参照其某些最佳实施例表示和描述了本发明，但是本专业的技术人员应该明白，在不脱离后附权利要求书所定义的本发明的精神和范围的情况下，在形式上或细节上都可以作出各种改变。

Claims

1.一种光纤，它包括：

基本上由硅形成的传播光线用的纤芯；和

基本上由硼掺杂的硅形成并包围所述纤芯的包层。

2.权利要求1的光纤，其特征在于：所述包层进一步用锗掺杂。

3.权利要求1的光纤，其特征在于：所述包层进一步用氟掺杂。

4.权利要求1的光纤，其特征在于还包括基本上由硅形成并包围所述包层的管子。

5.权利要求1至4中任一项的光纤，其特征在于还包括通过按预定的周期消除残余应力而在所述纤芯中形成的光栅。

6.一种光纤，它包括：

基本上由磷掺杂的硅形成的传播光线用的纤芯；和

基本上由硅形成并包围所述纤芯的包层。

7.权利要求6的光纤，其特征在于：所述包层进一步用锗掺杂。

8.权利要求6的光纤，其特征在于：所述包层进一步用氟掺杂。

9.权利要求6的光纤，其特征在于还包括基本上由硅形成并包围所述包层的管子。

10.权利要求6至9中任一项的光纤，其特征在于还包括通过按预定的周期消除残余应力而在所述纤芯中形成的光栅。

11.一种光纤光栅制造方法，所述方法包括以下步骤：

形成光纤预制棒，它包括基本上由硼掺杂的硅形成的包层和基本上由硅形成的纤芯；

通过对所述预制棒施加预定的拉力而由所述预制棒拉制光纤；以及

通过对所述拉制的光纤的预定的周期部分进行退火从而消除所述光纤的残余应力而在所述光纤中形成光栅。

12.权利要求11的光纤光栅制造方法，其特征在于：在所述光栅形成步骤中利用CO₂激光对所述光栅的所述部分进行退火。

13.权利要求11的光纤光栅制造方法，其特征在于：在所述光栅形成步骤中利用电弧对所述光栅的所述部分进行退火。