CN1375067A - 带有包层模抑制的光纤布拉格光栅 - Google Patents

Abstract

一种光波导光纤具有光敏性纤芯和包层,包层包括邻近纤芯的光敏性内包层区域和外包层区域。内包层区域和外包层区域的折射率基本相等。当暴露于紫外光中时,内包层区域的光敏性足以引起内包层的折射率调制。在本发明的另一方面,光纤包括纤芯中的光栅,光栅径向地延伸到内包层区域。光纤的纤芯和内包层区域掺有Ge和B浓度,足以赋予光敏性于内包层区域,并导致内包层区域中的折射率与外包层区域中的折射率基本相等。

Description

带有包层模抑制的光纤布拉格光栅

发明背景

1.技术领域

本发明一般涉及光纤布拉格光栅，尤其涉及包括光纤布拉格光栅在内光纤中包层模的抑制。

2.背景技术

光纤布拉格光栅是沿光波导光纤长度上周期性的折射率调制。在波分复用(WDM)系统和光纤系统的其它应用中光纤布拉格光栅变得越来越重要。它们已经成为实现各种装置的技术平台，这些装置包括加/减滤光器、增益平坦化滤光器、频带分离器和色散补偿器。

光纤布拉格光栅一般显示出高度合乎需要的光学特征，但容易制造。制造光纤布拉格光栅最常用的技术是通过将纤芯暴露于期望图形的紫外光中以产生折射率调制的图形。通过两束紫外光(UV)之间的干涉或其它公知的方式，可以产生该图形。通过暴露于紫外光中经过公知的光敏性效果，使纤芯的折射率得以永久改变。该技术通常称为“写”光栅折射率调制，它作为写过程中产生的折射率峰间变化之半加以测量，是光纤光栅的关键特征。折射率调制直接关系到其中被写入光栅的材料的光敏性。

光纤布拉格光栅将反射中心位于布拉格波长λ_Bragg处的窄带中的光，布拉格波长λ_Bragg由相位匹配条件的等式确定： $2{\mathrm{\β}}_{01}\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Bragg}}\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}----\left(1\right)$ 其中Λ是光栅周期，β₀₁是基模LP₀₁的传播系数，基模有时也称为纤芯模。

在包括纤芯、包围纤芯的包层和可以是空气或聚合物覆盖层的外层在内的光波导光纤中，光纤结构可以支撑大量的包层模。它们根据外层或纤芯覆盖层的折射率是比包层高还是低而可以是导模或漏模。这些模通常被表示为LP_nm包层模，其中nm是模数。在以下等式给出的相位匹配条件下，光纤布拉格光栅上，处于导基模LP₀₁的传播光可以耦合入包层模： ${\mathrm{\β}}_{01}\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nm}}\right)+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{nm}}\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nm}}\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}----\left(2\right)$ 其中Λ是光栅周期，β_nm是包层模LP_nm在波长λ_nm处的传播常数，β₀₁是基模LP₀₁在波长λ_nm处的传播常数。如果满足等式(2)，那么其上LP₀₁将耦合入包层模的波长λ_nm总是小于布拉格波长λ_Bragg，因为β_nm总是小于β₀₁。

通常，对应于一系列包层模，将有一系列波长符合该条件。当包层模传播时，通过光纤覆盖层的吸收或散射，耦合入包层模的功率通常有损耗。因此，如图1所示，耦合入包层模在布拉格波长损耗峰值14的短波一侧引起一系列的损耗峰值(一般表示为标号12)，限制了光栅的自由光谱范围。如图1所示，在布拉格波长峰值14和包层模峰值12的始端之间有一波长带A-A。通过包层模抑制加宽该频带A-A，以增加光栅的自由光谱范围将是所期望的。

已有一种采用带有大约为2％高Δ(其中Δ是纤芯和包层之间归一化的折射率差)的光纤以实现包层模抑制的方法。虽然这提供了λ_Bragg短波长一侧多至大约为10nm的自由光谱范围，但是对多种应用这仍然是不够的。该方法的另一问题是当将这种高Δ光纤与诸如由Corning公司出售的商标为SMF-28^TM的标准光纤相接时，由于模式点的尺寸不匹配，其接头损耗大到无法接受。

所需要的是这样一种光波导光纤，它具有将使光纤布拉格光栅中耦合入的包层模受到抑制的性质，从而增加由光纤布拉格光栅构成的滤光器的自由光谱范围，而不产生对光纤或光栅的其它光学性质的不利影响。

发明内容

本发明的一个方面是具有光敏性纤芯和包层的光波导光纤，所述包层包括邻近纤芯的光敏性内包层区域和外包层区域。内包层区域和外包层区域具有基本相等的折射率。纤芯和内包层区域掺有Ge。纤芯和内包层区域中的至少一个还掺有至少一种额外的掺杂剂。纤芯中的Ge、包层中的Ge和额外掺杂剂的浓度如此调整，使内包层区域中的折射率调制是在纤芯中折射率调制的50％以内，纤芯中的折射率调制是通过暴露于如紫外光的光化辐射中而引起的。

另一方面，本发明包括一种具有光敏性纤芯以及邻近纤芯的光敏性内包层区域和折射率基本相等的外包层区域的光纤，其中当暴露于紫外光中时，内包层区域的光敏性足以引起内包层的折射率调制。

在本发明的又一方面中，光纤包括纤芯中的光栅，光栅径向延伸到内包层区域。

在本发明的又一方面中，光纤的纤芯和内包层区域掺有所述Ge和B掺杂剂的浓度，足以将光敏性赋予内包层区域，并导致内包层区域的折射率基本等于外包层区域的折射率，或者内包层区域的折射率减去剩余包层的折射率在-0.003到0.001的范围之内。

在以下详细描述中将给出本发明的额外特征和优点，而其中的部分通过该描述对于本领域熟练的技术人员而言将是显而易见的，或者通过实施这里所述的发明，包括以下的详细描述、权利要求以及附图在内而加以理解。

要知道以上一般描述和以下详细描述都仅仅是本发明的示范例，且旨在提供概要或框架用于理解如权利要求所述本发明的本质和特征。所包括的附图用于提供对本发明进一步的理解，并结合构成在说明书的一部分。附图说明了本发明的各种实施例，它和描述一起用于解释本发明的原理和操作。

附图说明

图1是典型光纤布拉格光栅的透射对波长的曲线图；

图2是根据本发明典型实施例的光纤的透视图；

图3是根据本发明的典型实施例，显示模场分布和归一化折射率调制作为光纤半径的函数的曲线图；

图4是根据本发明的典型实施例，显示归一化折射率调制和折射率作为光纤半径的函数的曲线图；

图5是根据本发明的典型实施例，成分(重量百分比)对光纤半径的曲线图；和

图6是根据本发明的典型实施例，光纤布拉格光栅中透射对波长的曲线图。

图7是显示最大重叠积分值的曲线图。

较佳实施例的详细描述

现将详细引用本发明的较佳实施例，在附图中说明了它的实例。附图中尽可能地用相同的标号指出相同或类似的部分。图2中示出本发明光波导光纤的典型实施例，并且一般被表示为标号10。

根据发明，本发明的光波导光纤包括光敏性纤芯16和包层18。如这里实施的和图2中所述的，纤芯16包括诸如在光波导光纤纤芯中常用的石英玻璃混合物，并添加Ge和B作为掺杂剂。在一个实施例中，以GeO₂的形式提供Ge掺杂剂。掺入纤芯16中的GeO₂的量可以在大约3wt％到大约40wt％的范围内，或者较佳的是，从大约5wt％到大约25wt％。

在典型实施例中，以B₂O₃的形式提供掺杂剂硼。掺入纤芯16中的B₂O₃的量可以在大约0wt％到大约40wt％的范围内，或者较佳的是，从大约0wt％到大约20wt％。这些重量百分比是纤芯总重量的百分比，也就是纤芯上有效的平均重量百分比。

在图2所示的实施例中，包层18可以由石英玻璃混合物构成，如同通常在光波导纤芯中对包层所用的那样。包层18包括在邻近纤芯16区域内的内包层区域20。内包层区域20还包括掺杂剂Ge和B。在典型实施例中，以GeO₂的形式提供Ge。掺入内包层区域20中的GeO₂的量可以在大约1wt％到大约30wt％的范围内，或者较佳的是，从大约5wt％到大约20wt％。在典型实施例中，以B2O₃的形式提供B。掺入内包层区域20中的B₂O₃的量可以在大约1wt％到大约40wt％的范围内。这些重量百分比是包层掺杂部分总重量的百分比，也就是内包层区域20上有效的平均重量百分比。

图3显示根据本发明的典型实施例，各种模式的归一化折射率调制和归一化场强作为光纤半径的函数的曲线图。图3所示曲线的光纤的纤芯半径为从大约3.3μm，光敏性内包层区域的厚度为从大约3.3μm，从中心到包层外缘的总半径为从大约62.5μm。在所说明的实施例中，由于加入了掺杂剂Ge和B，曲线22所示的归一化折射率调制从半径0到大约6.6μm基本恒定。曲线24、26、28和30分别画出对LP₀₁、LP₀₂、LP₀₅、LP₀₉模式的场分布。

通过在光纤10的截面A上执行的重叠积分I，可以测量光栅使任何两种模式之间耦合的概率，并由以下等式给出： ${\∫}_A\mathrm{\Δn}(r,\mathrm{\φ})F_{01}(r,\mathrm{\φ})F_{\mathrm{nm}}(r,\mathrm{\φ})\mathrm{rdrd\φ}----\left(3\right)$ 其中F₀₁(r，φ)是LP₀₁模式的场分布，F_nm(r，φ)是LP_nm模式的场分布，Δn(r，φ)是弥补光栅的折射率调制。变量r和φ是光纤截面的极坐标。

该重叠积分以及光栅强度和长度确定光栅中两种模式之间的总耦合。如果在光纤截面上光栅是恒定的，那么由于模的正交性，对于模间耦合重叠积分将等于0。然而，在实际意义上，基模LP₀₁只有在区域B-B中具有基本非零的功率，区域B-B从中心点延伸到远小于整个光纤包层的半径处(见图3)。因此，足以使该光纤中心部分B-B上的光栅分布大致恒定，该部分包括纤芯16和接近于纤芯包层中的小环。包层中的该环就是以上被称为内包层区域20的区域。

将光栅限定在光纤中心的小区域中，具有额外的优点。通常，纤芯中的光栅强度是最关键的。使整个包层具有光敏性将干扰纤芯和包层中心部分中光栅的写入，并且对该光纤内中心区域中的光栅强度有不利影响。使整个包层具有光敏性就等于对写入UV光引入损耗至整个包层。如果使整个包层或包层中的相对大的部分具有光敏性，那么在写入UV光到达重要的光纤中心部分之前它将衰减，因此不能在光纤的中心部分写入有效的光栅。使光栅向外延伸到较小的包层最内区域提供包层模抑制，但仍然允许在纤芯中有效地写入所期望强度的光栅。在所说明的实施例中，内包层区域从半径为从大约3.3μm的纤芯外半径向外延伸到大约为6.6μm的半径。已经发现内包层区域20的外半径高达纤芯半径的大约五倍是可以接受的。已经发现外半径高达纤芯半径的两倍是较佳的。

通过可实现的折射率调制确定光栅强度。根据本发明，内包层区域20中作为掺杂剂提供的Ge提高了该区域可实现的折射率调制，从而使得通过暴露于诸如紫外光一类光化辐射而写入光纤的光栅从纤芯16向外延伸到内包层区域20。图7示出最大重叠积分值的曲线图，用于获得对30dB光栅、40dB光栅和50dB光栅的小于0.1dB的包层模耦合损耗。如图7所示，对于30dB的光栅为了获得小于0.1dB的包层模耦合损耗，内包层区域的折射率调制应该在纤芯折射率调制的20％以内。

然而，单单加入Ge将使内包层区域20的折射率明显不同于剩余包层18的折射率。为了避免这一点，通过组合掺杂Ge和B，使内包层区域20的折射率与剩余包层18的折射率大致相同，也就是在相差-0.003到0.001的范围内。掺杂Ge提高了石英的折射率，而掺杂硼则降低石英的折射率。掺杂Ge也提供光敏性。光敏性随着Ge浓度的提高而提高。单单掺杂硼并不提供光敏性，但能增强掺杂Ge所提供的光敏性。典型光纤中所用的三元玻璃允许通过调节Ge和B的浓度水平，独立调节折射率和光敏性。掺杂在内包层中的B用于完成内包层中折射率的调制，后者由于内包层中Ge的低掺杂浓度而基本上相等于纤芯中的。或者，适当的P掺杂量也可用于降低光纤中适当部分如纤芯的光敏性，以获得内包层和纤芯中基本相等的折射率调制。在这种情况下，作为内包层中掺杂的B的替换物，可以通过组合掺杂的Ge和F使内包层区域20的折射率与剩余包层18的折射率相同。对于纤芯，已经发现P₂O₅的浓度从大约0.5wt％到大约20wt％，F的浓度从大约0wt％到大约10wt％的是合适的。对于内包层区域，已经发现P₂O₅的浓度从大约0wt％到大约20wt％，F的浓度从大约0wt％到大约10wt％的是合适的。

在典型的实施例中，纤芯包含较高浓度水平(相对于内包层)的Ge和较低浓度水平(相对于内包层)的B，以在提供光敏性的同时提高其折射率，而内包层具有较低浓度的Ge(相对于纤芯)和较高浓度的B(相对于纤芯)，则提供类似于组成剩余包层的石英折射率的折射率，与此同时提供相等于纤芯折射率调制的折射率调制。图4示出所说明实施例中，归一化折射率调制作为半径的函数的曲线图32，作为半径的函数的折射率分布34。如图4所示，可以如此选择掺杂浓度水平，使得整个包层中的折射率基本恒定，如图4中区域C-C所示那样。

对于确定的所希望掺杂剂浓度可以使用两步工艺。首先，制造一系列具有合成物中Ge和B掺杂浓度水平系统差异的光纤。然后，将光栅写入每个光纤，并且测量整个包层模的光谱分布。从测量出的光纤折射率分布中计算基模和多个包层模(例如100个)的模场分布。然后，根据假设的折射率调制分布，评价每个包层模的包层模强度。于是，将计算出的包层模结构与所测量出的作比较。然后，根据所得的差异，假设新的折射率调制分布，直到获得良好的所估计光敏性分布为止。已发现二阶折射率调制分布适于大部分光纤，一阶对应于纤芯一阶对应于包层。这等同于在纤芯和包层中获取有效的阶跃折射率调制。在第一步中收集到的数据可能不足以给出最终的优化设计，但的确提供了良好的近似。在第二步中，固定包层合成物，精确地调节纤芯合成物，以达到所期望的光敏性分布。图6示出被优化成对于30dB布拉格光栅包层模耦合损耗为0.1dB的光纤的包层模测量值。

可以用任何已知的光纤制造方法制造根据本发明的光纤。已经发现具有某些改变的MCDV法是合适的制造工艺。较佳的是，独立地加入Ge和B掺杂剂，而非同时加入，并且沉积和烧结过程作为独立步骤，和在不同的温度下加以进行。1999年9月17日提交的美国专利申请序号09/399,291题为“Methodfor Creating Codoped Layers and Fibers Containing Codoped Layers”(发明人：戚刚和Martin L.Swan)中描述了该工艺，由是通过引用以其全部加以结合。

实例

通过以下的实例，本发明将更为清晰，该实例期望为本发明的典型实例。

制造光纤。通过使用锗和硼的掺杂组合，使光敏性包层的折射率与剩余包层的折射率大致相同。图5中示出Ge和B的掺杂浓度水平作为半径的函数，并由下表中给出：

半径(μm)	SiO2(wt.％)	GeO2(wt.％)	B2O3(wt.％)
				0.00	91.44	5.99	2.57
0.20	82.35	12.25	5.39
				0.41	75.18	16.42	8.39
0.61	71.53	17.97	10.50
				0.82	69.32	18.81	11.87
1.02	68.43	18.99	12.58
				1.22	65.93	20.04	14.02
1.43	63.22	20.82	15.96

1.63	62.34	21.06	16.60
				1.84	61.48	21.02	17.50
2.04	61.76	20.89	17.35
				2.24	61.00	20.57	18.40
2.45	61.78	19.79	18.41
				2.65	61.95	19.12	18.93
2.86	62.79	17.83	19.37
				3.06	63.64	16.67	19.69
3.26	64.90	15.17	19.93
				3.47	66.33	13.64	20.03
3.67	67.88	12.04	20.06
				3.88	68.38	11.10	20.49
4.08	68.64	10.45	20.90
				4.28	69.56	9.90	20.52
4.49	69.30	9.67	21.01
				4.69	69.39	9.63	20.97
4.90	69.51	9.54	20.95
				5.10	69.35	9.58	21.07
5.30	69.29	9.58	21.08
				5.51	70.21	9.47	20.28
5.71	71.25	9.18	19.51
				5.92	72.57	8.53	18.81
6.12	78.24	6.44	15.20
				6.32	92.18	1.56	5.94
6.53	99.29	0.01	0.10
				6.73	98.93	0.00	0.15
6.94	98.55	0.00	0.26
				7.14	98.62	0.00	0.00

7.34	99.31	0.00	0.00
				7.55	99.30	0.00	0.00
7.75	98.64	0.00	0.38
				7.96	98.40	0.00	0.27
8.16	98.75	0.00	0.14
				8.36	99.32	0.00	0.09
8.57	98.87	0.00	0.21
				8.77	98.57	0.00	0.15
8.98	98.90	0.00	0.24
				9.18	99.44	0.00	0.00
9.38	98.77	0.00	0.29
				9.59	98.63	0.00	0.04
9.79	98.82	0.00	0.37
				10.00	99.34	0.00	0.00
10.20	98.86	0.00	0.05
				10.40	98.52	0.00	0.19
10.61	99.40	0.00	0.00
				10.81	98.99	0.00	0.04
11.02	98.67	0.00	0.35
				11.22	99.30	0.00	0.23
11.42	99.75	0.00	0.19
				11.63	99.71	0.00	0.28
11.83	99.72	0.00	0.27
				12.04	99.63	0.00	0.37
12.24	99.71	0.00	0.29
				12.44	99.67	0.00	0.32
12.65	99.86	0.00	0.13
				12.85	99.92	0.00	0.08

13.06	99.89	0.00	0.11
				13.26	99.55	0.00	0.45
13.46	99.85	0.00	0.15
				13.67	99.72	0.00	0.28
13.87	99.71	0.00	0.29
				14.08	99.71	0.00	0.29
14.28	99.88	0.00	0.12
				16.32	99.72	0.00	0.28
18.36	99.62	0.00	0.38
				20.40	100.00	0.00	0.00
22.44	99.85	0.00	0.15
				24.48	99.77	0.00	0.23
26.52	99.93	0.00	0.07
				28.56	99.75	0.00	0.25
30.60	99.96	0.00	0.03
				32.64	99.99	0.00	0.01
34.68	99.94	0.00	0.06
				36.72	99.82	0.00	0.18
38.76	99.72	0.00	0.28
				40.80	99.94	0.00	0.05
42.84	99.88	0.00	0.12
				44.88	99.91	0.00	0.09
46.92	99.76	0.00	0.24
				48.96	99.94	0.00	0.06
51.00	99.73	0.00	0.27

本发明提供了对于不同光纤中的30dB光栅获得低于0.1dB的包层模耦合损耗的方法，所述光纤包括氢化和非氢化光纤两者在内。还可以优化本发明光纤，使之以低的平均接头损耗0.03dB与购自诸如Corning公司的SMF-28^TM光纤一类常用的光纤相接。

对于本领域熟练的那样技术人员来说，不脱离本发明的精神和范围，对本发明作出各种改变和变化是很明显的。因此本发明试图覆盖该发明的各种变化和改变，只要它们落在后附权利要求书及其等效技术范围以内。

Claims (11)

1.一种光波导光纤，其特征在于，它包括：

掺有Ge的光敏性纤芯；

包层，包括邻近所述纤芯、掺有Ge的光敏性内包层区域和外包层区域，

内包层区域和外包层区域具有基本相等的折射率。

纤芯和内包层中的至少一个包括至少一种与Ge掺杂剂组合的额外掺杂剂，纤芯中的Ge、包层中的Ge和额外掺杂剂的浓度使得光纤暴露于紫外光之后，内包层区域的折射率调制是在由所述暴露引起的纤芯中折射率调制的50％以内。

2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，内包层区域的外半径小于所述纤芯半径的大约五倍。

3.如权利要求2所述的光纤，其特征在于，内包层区域的折射率调制是在纤芯中折射率调制的25％以内。

4.如权利要求3所述的光纤，其特征在于，由暴露于紫外光中引起的纤芯和内包层区域的折射率调制基本相等。

5.如权利要求1、2、3或4所述的光纤，其特征在于，至少一种额外的掺杂剂包括掺入所述内包层区域中的B。

6.如权利要求5所述的光纤，其特征在于，所述Ge和B掺杂剂浓度足以将光敏性赋予内包层区域，并使得内包层区域的折射率和外包层区域的折射率之差在大约-0.003到大约0.001的范围以内。

7.如权利要求6所述的光纤，其特征在于，所述纤芯包括作为掺杂剂的Ge和B。

8.如权利要求7所述的光纤，其特征在于，

纤芯包括的GeO₂的浓度为从大约3wt％到大约40wt％，而B₂O₃的浓度为从大约0wt％到大约40wt％，并且

内包层区域包括的GeO₂的浓度为从大约1wt％到大约30wt％，而B₂O₃的浓度为从大约5.8wt％到大约40wt％。

9.如权利要求8所述的光纤，其特征在于，

纤芯包括的GeO₂的浓度为从大约5wt％到大约25wt％，而B₂O₃的浓度为从大约0wt％到大约20wt％，并且

内包层区域包括的GeO₂的浓度为从大约5wt％到大约20wt％，而B₂O₃的浓度为从大约10wt％到大约30wt％。

10.如权利要求1、2、3或4所述的光纤，其特征在于，

纤芯包括的GeO₂的浓度为从大约3wt％到大约40wt％，P₂O₅的浓度为从大约0.5wt％到大约20wt％，F的浓度为从大约0wt％到大约10wt％，而B₂O₃的浓度为从大约0wt％到大约40wt％，并且

内包层区域包括的GeO₂的浓度为从大约1wt％到大约30wt％，P₂O₅的浓度为从大约0wt％到大约20wt％，F的浓度为从大约0wt％到大约10wt％，而B₂O₃的浓度为从大约0wt％到大约40wt％，

11.如权利要求10所述的光纤，其特征在于，

纤芯包括的GeO₂的浓度为从大约3wt％到大约30wt％，P₂O₅的浓度为从大约0.5wt％到大约10wt％，F的浓度为从大约0wt％到大约5wt％，而B₂O₃的浓度为从大约0wt％到大约5wt％，并且

内包层区域包括的GeO₂的浓度为从大约1wt％到大约30wt％，P₂O₅的浓度为从大约0wt％到大约10wt％，F的浓度为从大约1wt％到大约5wt％，而B₂O₃的浓度为从大约0wt％到大约10wt％。

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