CN1285933C - 纤维型光学元件 - Google Patents

Abstract

一种纤维型光学元件，其中光纤折射率的非均匀性增加被限制到最小值，给该元件的包层(2)区和该光纤的包层区加入光敏材料，形成该光纤时，使该光纤光敏层的最外层直径是模式范围直径的两倍或更大，更优选的是模式范围直径的2.5倍，并且利用该光纤形成倾斜型光纤光栅，这样，有可能实现这种纤维型光学元件，该纤维型光学元件的透射损耗的带宽又窄又陡，在反射抑制角内透射损耗大，因而具有滤光能力。

Description

纤维型光学元件

技术领域

本发明涉及一种用作光学元件的光纤，以及利用该光纤的一种纤维型光学元件。本发明特别涉及一种利用光从纤维侧面方向发射，使折射率增加的纤维型光学元件。

背景技术

为了实际应用，生产了各种光学元件，这些光学元件是在光纤中添加具有光敏性的材料制备的，因而根据所加光敏材料的特性发射光线，折射率便有所改变。这里，光敏性是指折射率由于发光而改变的一种性质。举一种光纤光栅作为例子。光纤光栅是在光纤传输光的区域增加预先安排好的一种周期扰动而制成的。通常，折射率的变更能够指示出这样的扰动。一般，折射率的这种周期性变更是通过对光纤添加具有光敏性的材料，并根据光敏材料特性向该光纤发射光线而产生的。为了得到这样一种周期性的折射率，采用的方法通常有全息法、相位隐蔽法、步进法以及类似的方法等。

由于吸收了发射的光，所以添加了光敏材料的区域的折射率得到增加。也就是说，当发射的光通过添加了光敏材料的区域时，发射光的强度减弱。所以在上述方法中，光从光纤的侧面发射出来，发射侧面的折射率容易增加，而和该侧面相对的面的折射率的增加会受到限制；这样，人们担心在光纤的截面上不可能得到均匀增加的折射率。但是，传统上光敏材料只加在光纤的芯部，而芯部截面的外径最大也只有10μm。所以并不认为折射率增加的非均匀性是个问题。

然而，近来有需要形成一种光栅，该光栅利用一种外部覆盖着光敏材料的纤维，类似布拉格(Bragg)光栅中与倾斜布拉格光栅中的一种限制包层组合的光栅。对于这种纤维光栅，当加在包层上的光敏层的外径减小时，不可能得到所需要的特征。因此必须使添加光敏材料区域的外径增加到20μm或更大。

反之，当光敏层的外径增加，而且增加得太大时，就可能会限制靠近芯部的折射率的增加；这是因为折射率是非均匀性增加的，而且光学元件中出现了与极化有关的损耗的缘故。这样，就不能忽视折射率非均匀性产生的影响，这是需要解决的问题。

发明内容

本发明正是考虑了这种情况。本发明的一个目的是获得一种纤维结构，该结构具备所要求的性质，并且把由于折射率非均匀性增加在光纤中对加有光敏材料的外层和芯部所造成的影响降低到最小。本发明的另一个目的是提供一种利用这种光纤的纤维型元件，特别是一种光栅型光学元件。

为了解决上面提到的问题，本发明的第一个观点是发明一种纤维型光学元件，该纤维型光学元件包括芯部、包层以及折射率增加区，其中，芯部和包层具有光敏性，折射率增加区是利用向光纤上发射紫外光形成的，芯部和包层上具有光敏层中的锗密度满足公式1如下

$24[\mathrm{\&mu;m}\&CenterDot;\mathrm{wt}\%]<\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&beta;}}_k{d}_k<100[\mathrm{\&mu;m}\&CenterDot;\mathrm{wt}\%]$

利用紫外光发射，芯部和包层折射率的变更量在波长为674.9nm时小于0.002。这里，公式1中β_k是GeO₂在每个光纤层中的密度，d_k是每个光纤层的径向厚度。

本发明的第二个观点是发明一种纤维型光学元件，该纤维型光学元件包括芯部、包层以及折射率增加区，其中，芯部和包层具有光敏性，折射率增加区是向光纤发射紫外光形成的，光纤中的芯部和包层上的光敏层满足公式2如下

$0.35<\exp (-2\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&alpha;}}_k{d}_k)$

利用紫外光发射，芯部和包层折射率的变更量在波长为674.9nm时小于0.002。这里，公式2中α_k是每个光纤层的吸收系数，d_k是每个光纤层的径向厚度。

这样做，有可能实现一种纤维型光学元件，在该纤维型光学元件中，光纤截面内折射率增加的非均匀性小，从而可以获得良好的光学性质。

按照第一个或第二个观点发明的纤维型光学元件中，本发明的第三个观点是发明一种纤维型光学元件，其中，芯部和包层折射率变化量在波长为674.9nm时小于0.001。

按照第三个观点发明的纤维型光学元件中，本发明的第四个观点是发明一种纤维型光学元件，其中，光纤上加有光敏材料的最外层直径是模式范围直径的两倍或更大。

按照第四个观点发明的纤维型光学元件中，本发明的第五个观点是发明一种纤维型光学元件，其中，光纤上加有光敏材料的最外层直径是模式范围直径的3倍或小些。

利用这种光纤，形成倾斜型的光纤光栅，有可能实现一种纤维型光学元件，在该纤维型光学元件中，能得到如下的滤光性质：反射抑制角中透射损耗的带宽又窄又陡，透射损耗大。

按照第五个观点发明的纤维型光学元件中，本发明的第六个观点是发明一种纤维型光学元件，其中，光敏材料是锗。

按照第六个观点发明的纤维型光学元件中，本发明的第七个观点是发明一种纤维型光学元件，其中，用KrF准分子激光器发射激光来增加芯部和包层的折射率。

按照第七个观点发明的纤维型光学元件中，本发明的第八个观点是发明一种纤维型光学元件，其中，通过在光纤中形成一种周期性的折射率区来构成一种光纤光栅。

按照第八个观点发明的纤维型光学元件中，本发明的第九个观点是发明一种纤维型光学元件，其中，把光栅的点阵矢量相对纤维轴的角度设置为不等于零度。

如上面所解释的，按照本发明，利用芯部和包层中光敏层里锗密度满足例如24[μm·wt％]＜∑_kβ_kd_k＜100[μm·wt％]关系的光纤，并使得芯部和包层折射率的变更量在发射波长674.9nm光的时候小于0.002，这时，获得这种纤维型光学元件成为可能，在该纤维型光学元件中，光纤具有良好光学性能，其截面内折射率非均匀性的变更小。

此外，利用芯部和包层中光敏层里锗密度满足例如0.35＜exp(-2∑_kα_kd_k)关系的光纤，并使得芯部和包层折射率的变更量在发射波长674.9nm的紫外光时小于0.002，这时，获得这种纤维型光学元件成为可能，在该纤维型光学元件中，光纤具有良好的光学性能，其截面内折射率非均匀性的变更小。

再有，借助于光敏层最大直径是模式范围直径两倍或更大的光纤的形成，并利用该光纤构成一种倾斜型光纤光栅，这时，有可能实现一种纤维型光学元件，在该纤维型光学元件中，反射约束角透射损耗的带宽又窄又陡，透射损耗大，因而具有滤光能力。

附图说明

图1是倾斜型短周期光纤光栅的截面。

图2A和2B是表示光纤芯部和包层的折射率以及光敏性的曲线图。

图3A，3B，3C和3D表示了倾斜型光纤光栅的透射损耗带宽随光纤光敏层最大直径变化的曲线。

图4表示了倾斜型光纤光栅透射损耗带宽的透射损耗的面积。

图5表示了归一化的透射损耗面积与光敏层最大直径之间的关系。

图6表示了归一化的透射损耗面积与诸如“光敏层/芯部最大直径”值之间的关系。

图7表示了归一化的透射损耗面积与诸如“光敏层最大直径/模式范围”值之间的关系。

图8表示了在光纤的光敏层中添加锗密度的一个例子。

图9A，9B和9C表示了向光纤发射紫外光时，光敏层折射率分布的例子。

具体实施方式

下面参照各图对本发明优选的实施方案进行详细解释。

这里，参照在包层上有光敏层的倾斜短周期光栅(以下简称SSPG)，对一种纤维型光学元件进行解释。

图1是SSPG截面的一个例子。图1中数字1表示一种芯部，一个包层2环绕芯部1，其折射率比芯部1的小。芯部1和包层2用石英型玻璃做成。通过给芯部1和包层2添加光敏掺杂物，并借助发射预定波长的紫外光来提高石英型玻璃的折射率，掺杂物通常是锗。

向添加了锗的石英型玻璃发射预定波长紫外光是通过一种相位掩膜并沿着芯部1和包层2的纵向进行的。芯部1和包层2受发射紫外光的照射折射率增加，并形成光栅区4，在光栅区4上有一种多层折射率增加区3。折射率增加区3为对角线形式，横跨过芯部1但不和芯部1的中轴B正交。折射率增加区3的各层沿着纵向并相互平行。在光纤中以大致为操作光波波长的1/3波长对SSPG各个区的折射率进行调制，形成一些折射率变更率很大的区。

线A正交穿过折射率增加区3的方向是光栅的点阵矢量的方向。该点阵矢量方向和芯部1中轴之间的角度θ是一个不为0度的倾斜角。倾斜角给出折射率增加区3倾斜的大小。在SSPG中，入射光5当中的一部分被光栅区4反射，成为向包层2发射的光6，光6和入射光一部分组合，以一种背向入射光前进方向向后发射的模式，射向包层区。该模式此后称作为后包层模式。这样做，降低了与芯部1中向后反射模式组合的程度，使得多次反射几乎不发生。

由于和后包层模式组合的光消失了；故可用SSPG作为一种滤光器，按照这样一种组合来减弱预定的光。还有一个优点是，可以设置一个优选的倾斜角度去限制与该反射模式的组合。能够限制与反射模式组合的倾斜角叫做反射约束角。这样一种SSPG能够用于一种增益-平整滤光器，该滤光器能平整光学放大器的增益。

为了决定能满足预定光敏条件的包层的最大直径，对于这种SSPG曾经进行过模拟。

大家知道，对于这种SSPG，给其包层添加锗可以改善滤光能力。特别是，当给包层添加锗的时候，反射抑制角内透射损耗的带宽变得更窄更陡；所以滤光器的透射损耗增加。

与此相反，如果加锗的包层直径太大，就会产生不利情况：光发射时折射率的增加会不均匀。曾经在三种条件下对于包层加锗的最大直径的变化对滤光能力的影响进行过测试：三种条件如图1所示：

                   表1

条件	芯部的半径a(μm)	V值	MFD(μm)
				1	3.5	1.7	10.5
2	3.5	2.3	7.9
				3	4.5	2.2	10.5

图2A和2B表示了光纤的芯部和包层的折射率和光敏性。图2A中数字1代表芯部，数字2代表包层，字母″a″代表芯部半径。此外，n_core代表芯部的折射率，n_clad代表包层的折射率。图2B中RGe是光敏层的最大直径。P_core是芯部的光敏性，P_clad是包层的光敏性。关于光敏性，芯部光敏性和包层光敏性的比值是一个重要的因子。这个测试是在例如以下条件下进行的：P_core/P_clad＝0，P_core/P_clad＝0.15和P_core/P_clad＝0.3。表1里的“V值”是一种归一化频率，这种归一化频率可以用公式3表示如下：

$V=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}a(n_{\mathrm{core}}^2-n_{\mathrm{clad}}^2)$ 公式3.

公式3中，“λ”是操作光的波长。本测试中，“λ”被设置为1550nm。此外，表1里的MFD是一种模式范围的直径，表示了一个点的直径，在该点导向模式的电场分布是峰值的1/e。

每种测试条件下的计算中，当加锗的包层直径RGe为30μm时，倾斜角被设置为反射抑制角。此外，包层折射率平均值的变更固定为0.001。计算结果如图3A-3D所示。图3A-3D显示的是在表1条件1(a＝3.3，V＝1.7，MFD＝10.5)以及芯部的光敏性与包层的光敏性的比值为0.15情况下的事例。此外，该事例中，图3A是RGe＝6μm的事例，图3B是RGe＝9μm的事例，图3C是RGe＝12μm的事例，图3D是RGe＝15μm的事例。再有，从图3A-3D的显示，人们可以看出随着RGe的减少会造成透射损耗恶化。为了对这种恶化进行定量的分析，定出了在每种测试条件下如图4所显示的透射损耗面积，图5-7显示了这种恶化。

图5-7显示的透射损耗面积已经用在RGe＝30μm条件下透射损耗面积进行了归一。图5表示的是水平轴为RGe的情况。图6表示的是水平轴为RGe/a的情况。图7表示的是水平轴为2RGe/MFD的情况。如图5和图6所示，归一化面积的比值按照纤维结构条件而变化；所以不可能找到对所有纤维都合适的条件。

图7显示的和上述情况不同，当让水平轴是2RGe/MFD的时候，即使纤维的参数不同，也能观察到存在着类似的特性。这就是说，对于光敏层的最大直径RGe，发现从MFD值作为标准的观点，可以得到与纤维的各种结构都相应的最适宜的条件。此外还发现，如果光敏层的最大直径2RGe是MFD的2倍或更大时，透射损耗面积将大于96％。因此发现，即使把2RGe做得大于MFD的2倍，性能几乎不会有所改善，而当2RGe做得大于MFD的3倍时就没有任何优点了。

这样，优选光纤的光敏层的最大直径是模式范围直径的两倍。如果光敏层的最大直径小于模式范围直径的三倍时，可以获得优选的特性。

下面来说明当发射紫外光时，由于紫外光被吸收，折射率增加对光敏层的影响。

通常，光纤的结构是同心多层的，如果使每一层的折射率和光敏性交替变更，就能够得到所要求的最适宜的结构。本说明中，每层径向的厚度是d_k，该层的吸收系数是α_k。这里，“k“代表第几层。吸收系数α代表每单位长度吸收的光量，定义为T1/T0＝exp(-αd)。吸收系数α的量纲是长度的倒数。其中，T0代表入射到吸收层上的光功率，”d“代表该层的厚度，T1代表通过吸收层被减弱后的发射光强度。

这里所说明的是入射光从纤维的侧面通过纤维的中心的事例。入射光会被每层吸收，根据公式，其强度要乘以“exp(-α_kd_k)”，所以通过每层到达与纤维发射表面相对的另一面时的光功率可用公式4表示如下：

$\frac{T_{\mathrm{out}}}{T_{\mathrm{in}}}=\exp (-2\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}{a}_k{d}_k)$ 公式4

公式4中，T_in代表入射到光纤上的光功率，T_out代表发射的光功率。对这样一种公式的概念检查如下。对一般的纤维加入光敏材料锗。石英型纤维加入锗后将对波长近似为248nm的光表现出光敏性。优选一种KrF eximer激光器和一种Ar激光器的二次谐波作为发射光。本实施方案中，采用一种波长为248nm的KrF准分子激光器作为发射光源。设GeO₂每1wt％的吸收系数是α_Ge，每层GeO₂的密度是β_k(wt％)。公式4可转换为公式5如下：

$\frac{T_{\mathrm{out}}}{T_{\mathrm{in}}}=\exp (-2{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{Ge}}\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&beta;}}_k{d}_k)$ 公式5

根据已发表的文献如”Applied Optics，Vol.34，No.18，3436-3440(此后称为参考文献1)“以及“Electronics Letters，Vol.28，No.18，1743-1744(此后称为参考文献2)”，加锗石英在带宽248nm时每1wt％GeO₂密度的吸收系数α_Ge＝40-55cm^-1。在这样的条件下，观察到加锗纤维折射率的增加如图8所示。就这种光纤而言，其芯部的光敏性：P_core＝1wt％，包层的光敏性：P_clad＝4.3wt％，芯部直径：a＝4.2μm，包层的光敏层最大直径：RGe＝26.2μm。如果将此条件应用于公式5，可得到公式6如下。

$\frac{T_{\mathrm{out}}}{T_{\mathrm{in}}}=\exp (-{2\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{Ge}}(22\&times;4.3+4.2\&times;1))\&ap;\exp (-2{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{Ge}}\&times;100)$ 公式6

由此可知，优选光敏层满足关系式∑_kβ_kd_k＜100[μm·wt％]。如果按照参考文献1和2，假定α_Ge的值为40-50cm^-1，则入射光的透射系数是33.5-45％。由KrF eximer激光器向光纤发射光，折射率的增加示于图9A-9D。折射率的分布是用一种RNF(近场折射率法)方法测量的，该方法是JIS(日本工业标准)和ITU-T(国际通讯联合会通讯标准化处)的标准测量方法。本实施方案中，利用一种半导体激光器作为测量光源。测量光的波长为674.9nm；所以，本实施方案中待测量的折射率以及折射率的变更是对波长为674.9nm而言的。此外，当光纤，如光纤光栅，的折射率在纵向周期性变化时，折射率的变化用纵向的平均折射率来决定。

图9A所显示的折射率变更的条件是每一个脉冲的功率密度为：1.7mJ/mm2，重复频率为：60Hz以及发射时间为：100秒。这种情况下，折射率的改变为0.0008。图9B所显示的折射率变化的条件是每一个脉冲的功率密度为：2.7mJ/mm²，重复频率为：60Hz以及发射时间为：50秒。这种情况下，折射率的改变为0.001。图9C所显示的折射率变化的条件是每一个脉冲的功率密度为：2.7mJ/mm²，重复频率为：60Hz以及发射时间为：100秒。这种情况下，仅芯部中心折射率的改变大到为0.002。所有情况下折射率的决定都是在光从该图的左边射向光纤的。

从图9A和9B没有发现折射率仅在光纤左边显着增加的现象。但是从图9C观察到了折射率仅在光纤左边显着增加的现象。就是说，该光纤中，向侧面方向发射的光透射系数为35％，如果发射光使折射率的变化量为0.001时，折射率的非均匀性增加就不会发生。如果发射紫外光使折射率变化量大到0.002或更大，便观察到了非均匀折射率的产生。

所以，当制造一种纤维型光学元件，诸如光栅，时，折射率变化的增加优选地限制在0.002以下。折射率变化的增加更优选地限制在0.001以下。

借助对加锗量的考虑以及合理设置每个脉冲的功率密度、重复频率和发射时间，可以得到这种范围的折射率。例如，具有4wt％锗密度的光纤中，应优选设置重复频率和发射时间，使得当每个脉冲的功率密度是1.7J/mm²时，总发射量为15J/mm²或小些。类似，应优选设置重复频率和发射时间，使得当每个脉冲的功率密度是2.7J/mm²时，总发射量可达13J/mm²或小些。

根据上述实验，发现可以在包层上有光敏层的光栅中，制造出折射率非均匀性增加受到限制的光纤光栅，条件是设置∑_kβ_kd_k＜100[μm·wt％]，其中d_k是光纤每层的厚度，β_k[wt％]是GeO₂的密度，而且折射率的变化量小于0.002，更优选小于0.001。从光纤侧面发射光的透射系数几乎是35％。

此外，一般纤维的MFD至少是8μm。所以，如果预定的直径是模式范围直径的2倍时，要求加锗后的最大直径是8×2＝16μm。为了使折射率产生足够的变化，需要在光敏层加入比3.0wt％更多的GeO₂。据此，诸如∑_kβ_kd_k＝16/2×3＝24μm·wt％的关系是有效的。就是说，在向光纤包层加锗时，应优选满足例如∑_kβ_kd_k＞24μm·wt％这样的关系。

在以上说明中，解释了一种光纤光栅的一个例子。但是，本发明并不限于这种光纤光栅。只要光学元件利用了从纤维侧向发射紫外光使折射率增加的效应，就可以把本发明应用于该光学元件。

根据纤维型光学元件的这个例子，利用芯部和包层中光敏层的锗密度满足如24[μm·wt％]＜∑_kβ_kd_k＜100[μm·wt％]关系的光纤，并使芯部和包层在发射波长674.9nm时的折射率变化量小于0.002，就有可能获得这种纤维型光学元件，在该纤维型光学元件中，光纤具有良好的光学性能，其截面内折射率的非均匀性变化小。

此外，利用芯部和包层中光敏层满足例如0.35＜exp(-2∑_kα_kd_k)关系的光纤，并使芯部和包层在发射波长为674.9nm的紫外光时的折射率变化量小于0.002，就有可能获得这种纤维型光学元件，在该纤维型光学元件中，光纤具有良好的光学性能，其截面内折射率的非均匀性变化小。

再有，利用光敏层最大直径是模式范围直径两倍或更大的光纤的形成，并利用该光纤构成一种倾斜型光纤光栅，就有可能实现一种纤维型光学元件，在该纤维型光学元件中，在反射约束角方面透射损耗的带宽又窄又陡，透射损耗大，因而具有滤光能力。

Claims (9)

1.一种纤维型光学元件，包括：

芯部(1)；

包层(2)；和

折射率增加区(3)，

其中芯部(1)和包层(2)具有光敏性，

折射率增加区(3)是利用向光纤发射紫外光形成的，

光纤的芯部和包层上具有光敏性的层中的锗密度满足以下公式1：

$24[\mathrm{\&mu;m}\&CenterDot;\mathrm{wt}\%]<\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&beta;}}_k{d}_k<100[\mathrm{\&mu;m}\&CenterDot;\mathrm{wt}\%]$

其中k为自然数，β_k为每个光纤层中GeO₂的密度，d_k是每个光纤层的径向厚度，

在发射波长为674.9nm的紫外光时芯部的折射率变化量和包层的折射率变化量都各自小于0.002。

2.一种纤维型光学元件，包括：

芯部(1)；

包层(2)；和

折射率增加区(3)，

其中芯部(1)和包层(2)具有光敏性，

折射率增加区(3)是利用向光纤发射紫外光形成的，

光纤的芯部和包层上具有光敏性的层满足以下公式2：

$0.35<\exp (-2\underset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&alpha;}}_k{d}_k),$

其中k为自然数，α_k是每个光纤层的吸收系数，d_k是每个光纤层的径向厚度，

在发射波长为674.9nm的紫外光时芯部的折射率变化量和包层的折射率变化量都各自小于0.002。

3.按照权利要求1和2之一的纤维型光学元件，其中芯部(1)和包层(2)的折射率的变化量在波长带宽为674.9nm时小于0.001。

4.按照权利要求3的一种纤维型光学元件，其中添加光敏材料的光纤最外层的直径是模式范围直径的两倍或更大。

5.按照权利要求4的一种纤维型光学元件，其中添加光敏材料的光纤最外层的直径是模式范围直径的3倍或更小。

6.按照权利要求5的一种纤维型光学元件，其中光敏材料是锗。

7.按照权利要求6的一种纤维型光学元件，其中激光是具有预定波长的KrF准分子激光器发射的，该激光用来增加芯部和包层的折射率。

8.按照权利要求7的一种纤维型光学元件，其中在光纤中形成周期的折射率区，用来形成一种光纤光栅。

9.按照权利要求8的一种纤维型光学元件，其中把光栅的点阵矢量相对纤维轴的角度设置为不等于零度。

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