CN1340724A - 光纤以及含有光纤的光部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有不仅在核心区域、而且在敷层区域也包含GeO2的充分强度的光纤以及含有该光纤的光部件。该光纤具有外径D,同时具备核心区域、包围该核心区域的第1敷层区域、以及包围该第1敷层区域的第2敷层区域。核心区域是以GeO2含量为1wt%以上的硅玻璃作为主材料的玻璃区域,第1敷层区域是具有0.80D以上、并且在0.98D以下的外径、同时以GeO2含量为1wt%以上的硅玻璃作为主材料的玻璃区域,而且第2敷层区域是以GeO2含量不满0.2wt%的硅玻璃作为主材料的玻璃区域。

Description

光纤以及含有光纤的光部件
技术领域
本发明涉及具备在沿着光的行进方向形成折射率变化的光栅时能获得良好特性的光纤、以及由该光纤构成的光纤耦合器等光部件。
背景技术
光纤耦合器是将多个光纤各自的所定部位(光耦合部分)进行光耦合的光部件，例如，具有光的合波(合成波)、分波(分量波)、分离等功能。例如，在里田等人撰写的“使用光纤光栅耦合器的add-drop多路复用器”、电气信息通信学会预备稿汇编、2000年春、讲演号码C-3-65(文献1)，五十岚等人撰写的“熔化延伸型光纤光栅耦合器的制作”、应用物理学会讲演预备稿汇编、1999年秋、讲演号码2P-ZF-8(文献2)，以及五十岚等人撰写的“提高熔化延伸型光纤光栅耦合器的特性”、应用物理学会预备稿汇编、2000年春、讲演号码30a-ZG-18(文献3)的各自文献中记载了形成在光耦合部分折射率周期地变化的光栅的光部件(光纤光栅耦合器)
图1是表示作为光部件的光纤光栅耦合器的结构图。该图所示的光纤光栅耦合器1具备分别经由所定部位(光耦合部分13)相互进行光耦合的第1光纤11和第2光纤12，在光耦合部分13设置了沿着光的信号方向折射率变化的布雷格光栅。通过相互并列、紧密地配置在核心区域分别被添加的GeO2的第1光纤和第2光纤，一边拉伸一边熔化两者的所定部位，形成光耦合部分13，并通过相位格子法和二光束干涉(干扰)法将紫外光照射在光耦合部分13上形成光栅，通过以上这些步骤，该光栅耦合器1被制造。
在该光纤光栅耦合器1中，从第1光纤11的第1端11a入射的光到达光耦合部分13。这时，在具有满足在光耦合部分13的光栅的布雷格条件的波长的光到达该光耦合部分13的场合，到达该光耦合部分13的光在它的光耦合部分13被反射，从第2光纤12的第1端12a被射出。另一方面，具有没有满足在它的光耦合部分13被设置的光栅的布雷格条件的波长的光在从第1光纤11的第1端11a到达了光耦合部分13的场合，到达了该光耦合部分13的光通过它的光耦合部分13从第2光纤12的第2端12b被射出。这时，光纤光栅耦合器1的功能是作为将入射到第1光纤的第1端11a的光根据它的波长在第2光纤12的第1端12a和第2端12b的任何一端射出的分波器。
另外，在该光纤光栅耦合器1中，从第1光纤11的第1端11a入射的光到达光耦合部分13。这时，没有满足被设置在光耦合部分13的光栅的布雷格条件的波长的光在到达该光耦合部分13的场合，到达该光耦合部分13的光通过光耦合部分13从第2光纤12的第2端12b被射出。另一方面，从第1光纤11的第2端11b被入射的光也到达光耦合部分13。这时，没有满足被设置在光耦合部分13的光栅的布雷格条件的波长的光在到达该光耦合部分13的场合，在该光耦合部分13被反射，并从第2光纤12的第2端12b射出。这时，光纤光栅耦合器1的功能是作为把从第1光纤11的第1端11a入射的光(具有没有满足布雷格条件的波长的光)和从第1光纤11的第2端11b入射的光(具有满足布雷格条件的波长的光)进行波形合成、并从第2光纤12的第2端12b射出的合波(波形合成)器。
该光纤光栅耦合器1的功能是通过合并保持上述分波器以及合波器各自的功能还作为光ADM(add-drop multiplexer)。再者，对于在光耦合部分13没有设置光栅的光部件(光纤耦合器)而言，它的功能是作为使入射到第1光纤11的第1端11a的光分离、使被分离的一方的光从第1光纤11的第2端11b射出、而使被分离的另一方的光从第2光纤12的第2端12b射出的分离器。
发明内容
发明者们研讨了上述的以往技术的结果，发现了以下那样的课题。即，在作为上述光部件的光纤光栅耦合器1中，对于被设置在光耦合部分13的光栅被要求用高反射率反射具有满足布雷格条件的波长的光、同时用高透射率透射具有没有满足布雷格条件的波长的光的功能。因此，例如，象在[F.Bakhti，et al.“Optical add/drop multiplexer based on UV-writtenBrag grating in a fused 100％ coupler”，ElectronicsLetters，Vol.33，No.9，pp.803-804(1997)](文献4)和上述文献2以及3中分别被启发的那样，研讨了不仅在第1以及第2光纤11、12各自的核心区域，而且在整个敷层区域也添加GeO2，在光耦合部分13中不仅在核心区域、而且在整个敷层区域也形成光栅的情况。
但是，若不仅在各光纤的核心区域、而且在整个敷层区域也含有GeO2，那么，发明者们就发现了存在以下的课题。即，包含核心区域、并在整个敷层区域添加了GeO2的光纤，其强度极端低下。另外，在利用该光纤制造上述那样的光纤光栅耦合器1的场合，在用于形成光耦合部分13的熔化时，GeO2容易挥发、并在光纤内容易产生气泡。由于这种起因，就存在着熔化困难，或者熔化强度变弱的课题。
本发明就是根据上述发明者们的见识用来解决上述课题而创造的，其目的是提供不仅在核心区域、而且在整个敷层区域也添加了GeO2的同时具有充分强度的光纤，以及含有该光纤、并具有优良特性的、容易制造的光部件。
本发明涉及的光纤是以具有外径的硅玻璃作为主要成分的光纤，并至少具备沿着所定轴延伸的核心区域、设置在高核心区域周边的第1敷层区域、以及被设置在该第1敷层区域周边的第2敷层区域。上述核心区域和第1敷层区域都添加了1wt％以上的GeO2。另一方面，第2敷层区域中的GeO2的含量不满0.2wt％。另外，上述第1敷层区域的外径是0.80D以上、并且是0.98D以下。
该光纤由于具备上述的结构，因此能得到高的强度。另外，由于含有GeO2的区域跨越核心区域和第1敷层区域的两个区域，因此，在整个这两个区域可能形成光栅，并能获得优良的光耦合特性。
另外，涉及本发明的光纤的特征在于，上述第1敷层区域的GeO2的含量是上述核心区域的GeO2含量的20％～180％。这时，在光栅所形成的区域在比反射波长更短的波长一侧产生的透射损耗被降低到在实用上不成问题的程度。
涉及本发明的光纤的特征在于，上述第1敷层区域的折射率比上述第2敷层区域的折射率高、并且以上述第2敷层区域的折射率为基准，上述第1敷层区域的比折射率差是0.01％以上。这时，在该光纤所适用的光纤光栅耦合器等光部件中，从光耦合部分向外界泄漏的光量被抑制得变小，而且能得到稳定的光耦合特性。
在涉及本发明的光纤中，上述第1和第2敷层区域各自使硅玻璃的折射率降低，例如，可以添加F元素、B2O3等添加物。这时，如果只是GeO2含量的差别，即使不能充分加上分别在上述第1敷层区域和上述第2敷层区域的各自区域间的折射率的差，通过适当地设置在该第1和第2敷层区域中各自的F元素含量也能够在这些区域间确保折射率的差(能够实现所希望的折射率分布)。
而且，涉及本发明的光部件具备具有与具备上述那样结构的光纤(涉及本发明的光纤)相同结构的第1和第2光纤，这些第1和第2光纤在所定部位(光耦合部分)相互被光耦合。另外，该光部件在光耦合部分也可以沿着光的行进方向设置布雷格光栅。即，涉及本发明的光部件包含例如具有光合(合成)分(分解)功能的光耦合器以及光纤光栅耦合器。由于具备了上述那样的光纤(包含在涉及本发明的光纤中)被应用，因此能获得更高强度，同时实现优良的光耦合特性。
还有，在从第1光纤的一端入射的特定波长的光在光耦合部分不反射而被通过、并从第2光纤的一端射出的场合，涉及本发明的光部件具有优于将该第2光纤一端的光功率维持在该第1光纤一端的光功率的95％以上的程度的光耦合特性。
附图说明
图1是表示作为光部件之一的光纤光栅耦合器的结构图。
图2的2A～2D是用来说明涉及本发明的光纤结构的图，图2A表示该光纤的断面结构，图2B表示该光纤的折射率的分布，图2C表示它的GeO2含量分布，图2D表示它的F元素含量分布。
图3是作为涉及本发明的光纤所适用的光部件的光耦合特性表示对波长1.55μm的光的遮断量α(dB)和比率2b/D(％)的关系的曲线图。
图4是作为涉及本发明的光纤所适用的光部件的光耦合特性表示分离比率变量与比率2bD(％)的关系的曲线图。
图5是表示对涉及本发明的光纤的、比率2b/D(％)的强度特性的曲线图。
图6是表示对涉及本发明的光纤的、GeO2含量的强度特性的曲线图。
图7是作为涉及本发明的光纤所适用的光部件的光耦合特性表示透射量(dB)和波长(nm)的关系的曲线图。
具体实施方式
以下，使用图1、2A～2D、以及3～7说明涉及本发明的光纤以及包含它的光部件的各实施例子。再者，在附图说明中，在相同要素上附加相同的符号，并省略重复的说明。
图1是表示作为涉及本发明的光纤可能适用的光部件之一的光纤光栅耦合器的结构图。另外，图2A～2D是用来说明涉及本发明的光纤的结构图，图2A是表示该光纤的断面结构，图2B表示其折射率分布，图2C表示它的GeO2含量，图2D表示它的F元素含量。
光纤100具有外径D，同时，具备所定轴、例如沿着该光纤100的光轴伸长的核心区域110，包围该核心区域110的第1敷层区域121，包围第1敷层区域121的第2敷层区域122。上述核心区域110具有外径2a和折射率n1。上述第1敷层区域121具有外径2b，同时具有比折射率n2更低的折射率。再有，该光纤100的外径D(＝2R：R是半径)通常是125μm。
在该光纤100中，第1敷层区域121的外径(与第2敷层区域122的内径一致)2b是0.80D以上、并且是0.98D以下。核心区域110的外径2a不足0.80D(参照式(1))。
2a＜0.80D≤2b≤0.98D    …(1)
此外，图2B表示示出图2A中的线L上的各部位中的折射率的折射率分布150。在该折射率分布150中的区域151表示核心区域110线L上的折射率，区域152表示第1敷层区域121的线L上的折射率，区域153表示第2敷层区域122的线L上的折射率。
另外，该光纤100将硅玻璃作为主材料，象图2C的GeO2含量分布160中所示的那样，在核心区域110中的GeO2含量g1在1wt％以上(核心区域110的线L上的GeO2含量)，第1敷层区域121的GeO2含量g2也在1wt％以上(第1敷层121线L上的的GeO2含量)。但是，第2敷层区域122中的GeO2含量g3不足0.2twt％(第2敷层区域122的线L上的GeO2含量)(参照式(2A))。
g1≥1wt％    ....(2A)
g2≥1wt％    ....(2B)
g3＜0.2wt％  ....(2C)
由于具备以上那样的结构，因此该光纤100能得到充分的强度。另外，该光纤100所适用的光纤光栅耦合器等光部件(参照图1)能够容易制造，同时具有优良的光耦合特性。再有，为了达到涉及本发明的光纤100的母材，可以用OVD法、VAD法等方法制造。
在涉及本发明的光纤100中，第1敷层区域121中的GeO2含量g2最好是核心区域110中的GeO2含量g1的20％～180％(参照式(3))。
0.2g1≤g2≤1.8g1    ....(3)
更希望在第1敷层区域121中的GeO2含量g2是在核心区域110中的GeO2含量g1的80％～120％(参照式(4))。
0.8g1≤g2≤1.2g1  ....(4)
在该光纤100中，第1敷层区域121、第2敷层区域122的各折射率n1、n2以及n3满足以下式子(5A)所表示的关系，但希望以第2敷层区域122的折射率n3为基准的第1敷层区域121的比率折射率差在0.01以上(参照式子(5B))
n1＞n2＞n3                ....(5A)
100×((n2-n3)/n2)≥0.01   ....(5B)
由于满足以上那样的条件，若依据该光纤所适用的光纤光栅耦合器的光部件就能充分地抑制从光耦合部分向外界泄漏的光量，同时能得到稳定的光耦合特性。
更好的是希望在该光纤100中，第1和第2敷层区域121、122分别添加降低硅玻璃的折射率的添加物，例如F元素、B2O3。这时，如果只是GeO2含量的差异，那么，即使在核心区域110、第1敷层区域121以及第2区域122中的各折射率之间不能给予充分的差，象在图2D的F元素含量分布170中所示那样，通过适当地分别设定第1敷层区域121的F元素含量f2和第2敷层区域122的F含量f3也能够在各玻璃区域110、121、122之间充分地确保折射率的差，并能得到所希望的折射率分布(参照图B)。此外，核心区域110的F元素含量f1可以为0。
在涉及本发明的光纤所适用的光部件中，包含例如象图1所示那样的光纤光栅耦合器1。该光纤光栅耦合器1具备准备作为具有上述结构的光纤100的第1光纤11和第2光纤12。这些第1和第2光纤11、12通过在所定部位(光耦合部分13)分别进行光耦合构成光耦合器。在光耦合部分13中，沿着光的行进方向设置了布雷格光栅。在该光纤光栅耦合器1的制造中，通过相互并列地紧密配置第1光纤11和第2光纤12、并通过将贴紧的部分中的一部分熔化、同时通过将两者拉伸形成光耦合部分13，并通过相位格子法和二光束干涉法将紫外光(例如从KrF受激准分子激光源输出的波长247的激光光)照射在光耦合部分13形成折射率调制。此外，在应被反射的光的波长λ、各光纤的实效的折射率n、以及折射率调制周期∧(光栅周期)之间必须满足以下式子(6)(布雷格条件)。
λ＝2n∧    ....(6)
图3作为是涉及本发明的光纤所适用的光部件的光纤光栅耦合器的光耦合特性，是表示对波长1.55μm的光的遮断量α(dB)和比率2b/D(％)的关系的曲线图。
构成被准备的光纤光栅耦合器1(参照图1)的第1和第2光纤11、12分别是具备图2A～2D所示的结构的光纤(包含在涉及本发明的光纤中)，并且，核心区域110中的GeO2含量g1为5wt％，第2敷层区域121中的GeO2含量g2为4.5wt％，第2敷层区域122中的GeO2含量g3为0wt％(即，不包含GeO2)。再者，在将比率(2b/D)作为100％的场合，第2敷层区域就不存在。通过以熔化了其中一部分状态拉伸这样的第1和第2光纤11、12，并在该熔化部分(光耦合部分13)形成能反射1.55μm的光的周期的光栅，就能得到光纤光栅1。
关于这样制造的光纤光栅耦合器1，发明者们在16％～100％的范围测定了改变第1敷层区域121的外径2b和光纤外径D(＝125μm)的比率(2b/D)的场合的各遮断量α(dB)。再者，遮断量α是从第1光纤11的第1端11a经由光耦合部分13向着第2光纤12的第2端12b行进的波长1.55μm的光的损失量。由图3可知，如果第1敷层区域121的外径2b在0.6D(＝75μm)以上，那么，遮断量α就变得十分大，如果第1敷层区域121的外径2b在0.8D(＝100μm)以上，那么，遮断量α就变得更大。
图4作为涉及本发明的光纤所使用的光部件的光耦合特性，是表示分离比率变化量(％)和比率2b/D(％)的关系的曲线图。此处，准备用来测定的光部件是具有与准备图3测定用的光部件相同的结构的光纤光栅耦合器。再者，分离比率变化量是由光栅形成前后的分离比率的差给出，并表示对所形成的光栅的分离比率变化的贡献程度。
首先，在分离比率的测定中，准备比率(2b/D)采用0％～100％中的任何一个值的多个种类的光纤耦合器。然后，就光栅形成前的各抽样而言、以及关于从第1光纤11的第1端11a入射的波长1.55μm的光要测定从该第1光纤11的第2端11b射出的光的强度P1和从该第2光纤12的第2端12b射出的光的强度P2，并算出光栅形成前的分离比(P2/(P1+P2))。另一方面，就光栅形成后的各抽样，也从由端部11b、12b分别射出的光的强度P1、P2算出分离比(P2/(P1+P2))。之后，算出象以上那样算出的光栅形成前后的分离比的差作为分离比变化量。
结果，象由图4所知道的那样，分离比(P2/(P1+P2))的变化情况是：比率(2b/D)大约在50％～70％范围变大，比率(2b/D)大约在30％以下或80％以上的范围变小。
由图3和4所示的曲线图可知，GeO2含量g2在1wt％以上的第1敷层区域121的外径2b如果是0.8D(＝100μm)以上，那么，就能得到优良的光耦合特性(遮断量α大，分离比(P2/(P1+P2))稳定)。
再有，图5是表示涉及本发明的、对于比率(2b/D)的强度特性(断裂张力(Gpa))的曲线图。
准备用来测定该强度特性的抽样(具有与图2A同样的断面结构)的比率(2b/D)分别是20％、40％、60％、80％、98％以及100％。另外，在各抽样中，核心区域110中的GeO2含量g1是5wt％，第1敷层区域121中的GeO2含量g2是4.5wt％，第2敷层区域122中的GeO2含量g3是0wt％。即，第2敷层区域122不含GeO2。此外，比率(2b/D)在100％的抽样中，第2敷层区域不存在。
有关被准备的这些各抽样，发明者们测定了断裂时张力(拉伸各抽样两端时该抽样断裂时的张力)。如从图5所知道那样，在比率(2b/D)为98％以下时，为使纤维断裂，需要3.5Gpa以上的张力，与此相对，若比率(2b/D)超过98％，则断裂时的张力急剧下降。
另外，图6是表示涉及本发明的、对于在第2敷层中的GeO2含量的强度特性(断裂时张力(Gpa))的曲线图。
在该测定中所准备的抽样(具有与图2A相同的断面结构)都是：在核心区域110中的GeO2含量g1是5wt％，在第1敷层区域121中的GeO2含量g2是4.5wt％。但是，各抽样在第2敷层区域122中的GeO2含量被设定为0wt％～0.3wt％范围的任何一个值。再有，第1敷层区域121的外径2b和光纤直径D(＝125μm)之比率(2b/D)被固定在80％。
关于被准备的各抽样，发明者们测定了断裂时张力。如从图6所知道的那样，若在第2敷层区域122中的GeO2含量g3是0.25wt％以下，那么，在断裂时需要3.0Gpa以上的张力，若在第2敷层区域122中的GeO2含量g3不满0.20wt％，那么，断裂时所需要的张力是3.5Gpa程度。另一方面，若在第2敷层区域122中的GeO2含量g3超过0.25wt％，那么，断裂时所需要的张力将急剧下降。
从图5以及图6的曲线图中所示的结果可以判断，GeO2含量g2是1wt％以上的第1敷层区域121的外径2b在0.98D以下，若第2敷层区域122中的GeO2含量g3不满0.20wt％，那么，在实用上就能得到在具有充分的强度的光纤。
图7作为涉及本发明的光纤所适用的光部件，是表示光纤光栅耦合器(参照图1)的光学特性(透射量的波长依赖性)的曲线图。再有，该曲线图表示从第1光纤11的第1端11a到达第2光纤12的第2端12b的光的透射量的波长依赖性，在准备用于该测定的光纤光栅耦合器中，设置了反射波长为1553nm的布雷格光栅。通常，大部分从第1光纤11的第1端11a入射的波长为1553nm的光通过被设置在光耦合部分13的光栅进行布雷格反射后从第2光纤12的第1端12a射出。因此，从第1光纤11的第1端11a向第2光纤12的第2端12b行进的光的光量(透射T)因波长1553nm而变小。
通常，象图7所示的那样，在比反射波长1553nm短的波长一侧产生透射损耗(短波长损耗L)。但是，在核心区域11中的GeO2含量g1和在第1敷层区域121中的GeO2含量g2的关系通过满足上述式子(3)，在比反射波长1553nm短的波长一侧产生的透射损耗在实用上将变成不成问题的0.5dB以下。另外，两者的关系通过满足上述式子(4)，比反射波长1.55μm短的波长一侧产生的透射损耗将变成更好的0.2dB以下。
另外，涉及本发明的光部件1(参照图1)在光耦合部分没有设置光栅的场合，关于入射到第1光栅11的第1端11a、并从第2光栅12的第2端12b射出的光希望射出时对入射时的功率比率是95％以上。另一方面，当该光部件1在光耦合部分13设置了能反射波长λ的光的周期∧的光栅的场合，有可能使从第1光纤11的第1端11a入射后到达了光耦合部分13的波长λ的光中95％以上向第2光纤12的第1端12a反射。
本发明不受上述实施例子的限定，可以有各种变型。例如，涉及本发明的光纤的折射率分布不受图2B所示的形状限制，在不改变本发明的宗旨的范围可以有各种形态。例如，第1敷层区域121内的折射率可以沿着直径方向变化(不一定是固定的)。
象以上那样，若依据本发明，对于光纤外径D，第1敷层区域的外径被设定在0.80D以上、而且在0.98D以下，同时在各自核心区域以及第1敷层区域的GeO2含量被设定在1wt％以上，第2敷层区域中的GeO2含量被设定为不满0.2wt％。通过这种结构，该光纤能得到高的强度，同时由于不仅在核心区域，而且也在第1敷层区域能够形成光栅，因此能得到优良的光耦合特性。

Claims (8)

1.光纤以及包含光纤的光部件的特征在于，该光纤具有外径D，并具备以下特点：
沿着所定轴被拉伸的核心区域，该核心区域中的GeO2含量为1wt％以上；
被设置在所述核心区域的周边的第1敷层区域，该第1敷层区域具有0.80D以上并且在0.98D以下的外径，同时第1敷层区域中的GeO2含量是1wt％以上；而且，
被设置在所述第1敷层区域的周边的第2敷层区域，该第2敷层区域中的GeO2含量不满0.2wt％。
2.在权利要求1的光纤中，所述第1敷层区域中的GeO2含量是所述核心区域中的GeO2含量的20％～180％。
3.权利要求1记载的光纤的特征在于，在权利要求1的光纤中，所述第1敷层区域具有比所述第2敷层区域更高的折射率，同时，对于所述第2敷层区域具有0.01％以上的比率折射率差。
4.在权利要求1的光纤中，所述第1和第2敷层区域分别被添加了使硅玻璃的折射率降低的添加物。
5.具备了具有与权利要求1的光纤相同结构的第1和第2光纤的光部件经由位于这些第1和第2光纤各自的所定部位的光部件，使第1和第2光纤相互被光耦合。
6.在权利要求5的光部件中，关于按所述第1光纤的一端、所述光耦合部件、所述第2光纤的一端的顺序传播的特定波长的光，在该光纤的一端的光功率是所述该第1光纤的一端的光功率的95％以上。
7.在权利要求5的光部件中，在所述光部件中设置了沿着光的行进方向拉伸的布雷格光栅。
8.在权利要求7的光部件中，关于按照所述第1光纤的一端、所述光部件、所述第2光纤的一端的顺序传播的特定波长的光，该第2光纤的一端的光功率是该第1光纤的一端的光功率的95％以上。
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