CN1413310A - 利用压力改变光纤折射率的方法 - Google Patents

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Abstract

沿着它的纵轴方向压迫光纤，产生至少1％的应变，同时横向引入光以便写入光栅。应变提高了光纤的光敏度，并减少了写入光栅所需要的时间。或者，也可以沿径向且向内压紧光纤或者沿着它的轴压紧光纤。

Description

利用压力改变光纤折射率的方法
政府权利声明
本发明至少部分由国防部提供资金，许可证号为F49620-97-1-0238。政府对本发明可以具有一定的权利。
技术领域
本发明涉及光纤和波导，具体地说涉及在光纤和波导上写入光栅。
背景技术
如今光纤广泛用于在光通讯系统中传输光信号。改变光纤的折射率(称为“光栅”)用于控制这些光信号。光纤光栅可以作为滤波器、路由器、调制器、和衰减器，可以用于在波分复用(WDM)通信系统中处理不同的通道，或者可以用于控制激光器的输出。
已经提出几种用于制造光纤光栅的方法。可以利用具有周期图案的紫外光从一端照射光纤，导致光纤的感光芯的折射率发生永久性变化。产生的周期折射率图案形成光纤光栅。
写入光栅所需要的时间与光纤玻璃芯的光敏度有关。光敏度实质上与为获得固定的光栅强度而需要的激光能量密度成反比。对纤芯中锗浓度高(＞10％)的光纤，光敏度高，而且写入光栅所需要的时间最少。然而，对于某些应用，这种光纤的数值孔径可能不希望地过高(数值孔径NA＞0.2)。对于纤芯中含有少于3％mol锗的标准通信光纤(NA～0.12)，纤芯的光敏度小。在这样的光纤中写入光栅需要相当大的紫外光能量密度，因此增加了写入光栅的时间。对于布拉格光纤，光栅周期通常为0.5微米左右，所以在写入光栅过程中即使光纤非常轻微的位置移动或偏差将损坏光栅。
已知把光纤放置在高压氢气环境下很多个小时能够提高光纤的光敏度，但是这是一个非常漫长而且可能是很危险的过程。也可使用另一种方法，光纤可以在纤芯中搀杂高浓度锗，然后同时搀杂硼以减小光纤的NA。这种光纤的光敏度提高了，但是纤芯中加入硼使得产生的光栅变得不稳定，意味着过一段时间光栅将很快消失。也可以将UV光的波长降低到200nm以下，这样光纤的敏感度提高了，但是这样短波长的激光源会难以操作。传播这样短波长激光的光学元件必须使用稀有而且昂贵的材料。这种激光的最常用光源是氩/氟准分子激光器，这种激光器的氟气过于活跃而且有毒。
发明内容
本发明包括在照射光纤时拉伸光纤的方法和装置，该照射或者是横向或者通过使光通过光纤的方式，以便写入光栅。拉伸以如下方式进行，即提高光敏度和减少写入光栅的时间。
可以通过首先把光纤围绕适当的芯棒缠绕几周拉伸光纤，或者也可以夹紧光纤。光纤两部分间距加大直到获得希望的应变(即Δ1/1)。或者，可以通过给光纤施加向内指向的径向力压紧光纤。也可使用另一种方法，通过施加沿着光纤轴的压力压缩光纤。
根据光纤的结构以及入射光聚焦在光纤上的方式，光栅可以形成在光纤芯或者光纤的包层中。光可以是紫外光、可见光或者红外光。
在拉伸和照射光纤之前，玻璃光纤可以剥离全部或者所需部分的塑料包覆层，所述塑料包覆层围绕包层形成。或者，可以在保持塑料包覆层完好的情况下拉伸和照射光纤。在后一情况下，光的波长必须以最小损失通过光纤包覆层，如同美国专利5,881,186所述。对于某些塑料包覆层，通过这样的没有拉伸的光纤包覆层写入合理长的光栅(R＞1％)将是困难的，因为所需要的光能量密度将损坏包覆层。也可使用另一种方法，在光纤的包层上可以覆盖一薄层金属。
通过拉伸光纤，写入光栅所需要的光能量密度(与光敏度成反比)大大降低(例如减少到20之一)，以便光纤必须暴露在光中的时间也以相同倍数降低。通过拉伸光纤，可以通过商业应用的普通光纤的塑料包覆层写入光栅，而不损害光纤包覆层。因此该方法通过横向传导光通过某些光纤中的光纤包覆层能够写入光栅，在所述这些光纤中如果不拉伸光纤包覆层将在能够写入光栅之前就损坏了。也可以在光纤处于压力下，通过沿着光纤轴闪烁光(shining light)照射光纤芯。
如最佳实施例中所述，因此本发明包括在纤芯搀杂低浓度锗的光纤中快速写入光栅的方法；不使用氟基准分子激光器在光纤中写入光栅的有效方法；不对光纤使用氢在光纤中写入光栅的方法；一种不会损害光栅的长期稳定性的在光纤中写入光栅的方法；一种能够使通过光纤的聚合物包覆层而不损坏包覆层层在光纤中写入光栅的方法；以及简单而且容易的在光纤中写入光栅的方法，从而提高速度并降低光栅的制造成本。
从下面的描述附图及权利要求中，其他特征及优点可显现出来。
附图说明
图1a和1b示出用光照射光纤时拉紧光纤的方法；
图2是曲线图，示出了当用光照射的同时拉伸光纤时光敏度的提高；
图3示出缠绕在拉伸光纤的滑动芯棒上的光纤；
图4示出照射不去掉光纤包覆层的拉伸光纤；
图5示出利用切趾图案光照射拉伸光纤中的已有光栅。
具体实施方式
本发明人发现如果拉伸光纤，在应力作用下用光照射，例如紫外光，能够显著提高光纤的光敏度。最好以如下方式进行拉伸，即使拉伸产生至少1％的应变(即Δ1/1)，而且发现在2％到至少3％时产生更好的效果。虽然不是想限于具体的理论，但是相信纵向(沿着它的长度方向)拉伸光纤给光纤施加横向(即径向)压力，而且当用紫外光照射时该压力可更有效地压紧光纤。当移走光时，压力仍继续存在。当光纤处于压力下用紫外光图案从侧面照射光纤，在光纤中产生压紧图案。压紧程度高的区域具有较高折射率。产生的折射率图案形成光纤光栅。
该发现与许多文章相反，这些文章断言当写入光栅时不希望拉紧光纤，参见例如T.Taunay等人，在J Phys.D：Appl.Phys.30，40～52(1997)，and I.Riant and F.Haller，J.Lightwave Tech.，Vol.15，no.8，1464-69(1997)的文章。在这些情况下，应变不大于大约0.67％。美国专利No.5,787,213更建议施加6％或更大的应变，但是在这种情况下光纤弯曲成环形，所以虽然光纤环的外侧面被拉伸，但是环的内侧面实际上是被压缩。这意味着在光纤芯区域的应变大约为零。因此，所建议的弯曲方法与在光纤芯上施加纵向应变非常不同，而且实验证明这种弯曲方法不能实质上提高光纤的光敏度。而且，相信超过大约6％的纵向应变将折断通常的光纤。美国专利No.5,956,442也示出拉紧光纤以便写入光栅，但是开始只有0.6％，然后在十五个连续降低0.04％的步骤中，以便制造线性调制光栅。
本发明的一个实施例在图1a中示出。光纤12缠绕在芯棒16上，并沿着箭头18的方向拉伸(即纵向或沿着光纤轴)。光14在沿垂直于纵向的方向照射光纤以便改变光纤的折射率。
可以在横向方向上提供多束光，这些光在纤芯或包层内组合，或者可以通过光纤和光源之间的掩膜提供光，如同美国专利No.5,881,186中描述的一样，该专利在这里引入完全是为了供参考。如同该专利中所述，使用波长至少接近紫外光即至少为275nm的光是有利，诸如使用聚合物或者塑化相掩膜给光纤提供光。也可使用另一种方法，可以沿着纵轴方向提供光，例如美国专利No.5,384,884中所示。
图1b示出在两个块体20之间利用压力22向内并沿径向压紧光纤12的组件，同时用光14横向照射光纤12的压紧部分。虽然这里的机构与用于纵向应变的机构不同，而且效果在某些方面也不同，但是应相信当照射时这样的压紧相同地提高了光纤的光敏度。在该实施例中也可以沿着纵轴提供光。
图2是示出在标准通信光纤中由紫外光导致的折射率变化的比较曲线图。在该纵向拉紧光纤中应变为3％，在激光能量密度作用下折射率变化显著加快。相反地，在没有拉紧的光纤中，折射率变化很慢，而且达到较小的平稳段。
图3示出固定光纤并给光纤施加张力的机构。光纤12具有塑料保护包覆层，被缠绕在芯棒16上。可以部分去掉保护包覆层，或者全部去掉，以便在离开芯棒处露出纤维32。芯棒16安装在底座34上，底座可以沿着轨道36滑动。螺钉(未示出)推在底座34上以便给光纤12施加张力，光纤的远端固定。系统可以计算机控制，如同V.Grubsky等人在Phot.Tech.Lett 11，87-89(1999)中所述，将该内容在这里引入仅是用于参考。当施加张力时，可以从侧面照射纤维32以便写入光栅。
图4示出保持光纤12的保护包覆层并用图案紫外光44照射以便在光纤中产生类似的折射率图案。光纤12缠绕在芯棒16上并用与图3所示类似方式拉伸。
图5示出利用图案紫外光52从侧面照射具有纤芯54和包层56的光纤。光纤的芯上已经写入上光栅58。紫外光52改变光栅的包络。当光纤处理于压力下时进行照射，如箭头18所示。
根据已经进行的实验，相信少量应变能够导致光敏度稍微提高(与上面引用的一些文章相反)，但是在大约1％应变时，这种益处得到了非常显著地增强，而且在大于2％而且到至少3.3％时继续增强。在一个实验中，发现在大约1.5％应变时光敏度加倍，而且在大约3％应变时光敏度提高了四倍到五倍。
在先形成在光纤上的光栅能够利用这一技术永久改变。在光纤处于压力下时用均匀光分布照射光栅。那么光纤的平均折射率改变，从而改变光栅的谐振波长。例如，对于布拉格光栅，谐振波长λS由下式给出：
λS＝2nd
其中d是光栅周期(对于布拉格光栅d＜10微米)，n是平均折射率。改变平均折射率从而改变光栅的谐振波长。通过这一方法可以改变光栅的谐振波长，而不必剥离光纤包覆层露出玻璃。通过避免剥离，保持了光纤的机械强度。
可以利用该方法切趾或线性调制在先形成在光纤中的光栅。利用适当图案的光横向照射拉伸的光纤能够在光纤中产生线性调制。例如，通过使用强度单调增加的图案光，可以在光栅上产生单调增加的线性调制。在照射例如光栅切趾过程中拉伸可以变化。
长周期光栅(d＝10微米-100微米)也可以写入在拉伸的光纤上。这种长周期光栅可以用于把光耦合到光纤包层模中，或者在多模光纤的同向传输纤芯模之间。拉伸光纤降低了形成光栅所需要的光能量密度，从而减少了写入光栅所需要的时间。
水蒸气弱化玻璃。因此，可以在已经降低水蒸气含量的空气中把光纤暴露在光下，以便防止光纤在高应变下断裂。加热光纤使水从玻璃上蒸发。因此，可以加热光纤以便进一步防止光纤断裂。例如，光纤可以加热到100℃以上。冷却光纤也能够降低水弱化玻璃的作用。例如，可以用液氮冷却光纤。
金属包覆的光纤与不带包覆层的光纤相比能够提高抗张强度。因此，为了提高能够施加到光纤上的最大应变，光纤可以在光纤包层上增加一薄层金属包覆层。金属包覆的光纤还具有如下附加优点，即能够容易地通过快速锡焊夹紧，以便然后能够向光纤施加应变。
例1
布拉格光栅形成在NA＝0.31的光纤中，该光纤芯搀杂锗(例如称为Fibercore SM1500HG的光纤)。写入光束是双频Ar激光器发出的50mW的244nm紫外光，并通过焦距为3cm的圆柱透镜聚焦在光纤上。为了写入光栅，写入光束通过透明相掩膜沿着光纤长度方向以20μm/s的速度扫描5mm距离，。在光纤中没有应变时所产生的布拉格光栅的反射只有5dB深度。然而，光纤中存在2.5％应变时，光栅的反射为15dB深度。
例2
长周期光栅形成在AT&T制造的标准通信光纤中。双频Ar激光器发出的波长为244nm的紫外光通过10x显微物镜聚焦在光纤芯上。在照射过程中给光纤施加3％的应变。光栅具有80个相同的320μm周期。利用50Mw的入射激光功率，形成10dB光栅。(在没有施加应变时，光栅强度只有1dB)。
例3
布拉格光栅形成在纤芯搀杂Ge为20mol％的光纤中。紫外光光源是Ar激光器发出的100mW的334nm紫外光。利用圆柱透镜通过塑化相掩膜、并穿透光纤聚合物包覆层把紫外光聚焦在光纤芯上。在写入光栅过程中给光纤施加2％的应变。30秒后产生6mm的长布拉格光栅，反射率为20％。
当在例1中使用Ar激光器发出的334nm光时，在光纤中也发现与上述例子类似的效果，而且在GeO2-B2O3搀杂纤芯的光纤中(FibercorePS 1500，NA＝0.14)也发现了类似的效果。其他实施例落入权利要求书的范围之内。

Claims (31)

1、一种在具有纤芯的光纤中形成折射率的方法，包括沿着它的纵轴方向拉紧光纤，以便产生至少1％的应变，在拉紧的同时用光照射光纤以便形成折射率图案。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述光从光纤的侧面垂直于纵轴方向照射。
3、根据权利要求2所述的方法，其中所述光是紫外光。
4、根据权利要求1所述的方法，其中所述光沿着纵轴方向通过光纤。
5、根据权利要求4所述的方法，其中所述光的波长至少为275nm。
6、根据权利要求2所述的方法，其中所述图案由掩膜形成。
7、根据权利要求6所述的方法，其中所述图案由塑化相掩膜形成。
8、根据权利要求1所述的方法，其中所述光纤在湿度＜30％的环境下被拉伸。
9、根据权利要求1所述的方法，其中所述光纤在液体中被拉伸。
10、根据权利要求1所述的方法，其中所述光纤在温度高于100℃的环境下被拉伸。
11、根据权利要求1所述的方法，其中所述光纤在照射时用液氮冷却。
12、根据权利要求2所述的方法，其中所述图案利用光干涉形成。
13、根据权利要求1所述的方法，其中所述图案具有交变亮暗区域，周期小于10微米，以便产生布拉格光栅。
14、根据权利要求1所述的方法，其中所述图案具有交变亮暗区域，周期大于10微米，以便产生长周期光栅。
15、根据权利要求1所述的方法，进一步包括在照射之前从光纤去掉包覆层，并照射去掉包覆层的光纤部分。
16、根据权利要求1所述的方法，其中光纤具有完好的包覆层，且包覆层未被去掉。
17、根据权利要求1所述的方法，其中光纤包覆层部分被去掉。
18、根据权利要求1所述的方法，其中光纤具有金属包覆层。
19、根据权利要求15所述的方法，其中光纤具有金属包覆层。
20、根据权利要求1所述的方法，其中光纤被加氢。
21、根据权利要求1所述的方法，其中进行拉紧以便光纤的应变大于2％。
22、根据权利要求1所述的方法，其中进行拉紧以便光纤的应变大于3％。
23、一种在光纤中形成折射率图案的方法，通过沿着它的纵轴方向把光纤拉紧足够量时用光照射光纤，以便把光纤的光敏度提高至少1倍。
24、根据权利要求23所述的方法，其中在光纤上没有包覆层围绕的部分照射光纤。
25、根据权利要求23所述的方法，其中在光纤上有包覆层围绕的部分照射光纤。
26、根据权利要求23所述的方法，其中所述光沿着垂直于光纤纵向的方向引入。
27、根据权利要求23所述的方法，其中所述光沿着光纤纵向引入。
28、一种通过在向内并沿径向压紧光纤的同时用光照射光纤而在光纤中形成折射率图案的方法。
29、根据权利要求28所述的方法，其中所述光沿着垂直于光纤纵向的方向引入。
30、根据权利要求28所述的方法，其中所述光沿着光纤纵向引入。
31、一种通过在沿着它的轴压紧光纤的同时用光照射光纤而在光纤中形成折射率图案的方法。
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