CN1711490A - 布拉格光栅光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光纤，它能在没有氢装填的情况下提供高感光度同时提供低数值孔径。本发明的一个方面涉及一种光纤，它包括核心，该核心包括由至少约6mol％的氧化锗和至少约0.9wt％的氟掺杂的二氧化硅；以及包围该核心的包层。本发明的光纤适合于光纤布拉格光栅的制造。
Description
发明背景
发明领域
本发明一般涉及光通信，尤其涉及适于光纤布拉格光栅的制造的光纤。
技术背景
高性能光通信系统在远距离上具有高数据率而不用电子再生。例如，已实现了在三百到五百公里的无再生距离上的10Gb/s或更高的速率。高性能系统可采用高功率信号激光器、光放大器、色散补偿装置、光开关装置，并可使用波分多路复用。光通信系统正向更高的速度和更长的跨度距离的方向发展，并使得对系统部件的要求越发严格。
这种系统部件中的一个是光纤布拉格光栅。光纤布拉格光栅由光纤核心的折射率的周期性调制构成。光纤布拉格光栅起到从光纤中传播的波长带中选择性地回射单个波长的作用。光纤布拉格光栅已发现可应用于各种应用中，诸如激光稳定、波分多路复用、放大器的增益平整以及色散补偿。
常规上通过将具有感光核心的光纤暴露给具有所需强度调制的UV辐射图案来制造光纤布拉格光栅。UV辐射图案通常利用干涉技术形成，诸如通过将辐射通过相位掩模。为了制造有效的光栅，期望具有含高感光度的光纤。常规感光光纤在它们的核心中具有相对较高的氧化锗浓度。当增加氧化锗含量起到增加核心的感光度的作用时，它还起到增加核心的折射率，因而增加光纤Δ和数值孔径的作用。具有高Δ值和高数值孔径的光纤具有与标准单模光纤耦合不好的倾向。这样，其核心中具有高氧化锗含量的常规光纤中写入的光纤布拉格光栅会与其它光纤具有较高的耦合损耗，因此这对于在光通信系统中的使用是不利的。
增加含氧化锗光纤的感光度的另一种方法是在高压下用分子氢装填光纤。虽然分子氢装填在光纤布拉格光栅的制造中是有用的方法，但它增加了氢装填和后曝光退火的额外处理步骤并需要使用高度易燃气体的高压使用。
常规感光光纤不提供用于具有所需性能和制造简单性的光纤布拉格光栅的制造。仍需要呈现高感光度和所需低数值孔径的光纤。从成本和处理的观点来看，进一步具有感光光纤，它可用于光纤布拉格光栅的制造中而不用氢装填。
定义
以下定义与本领域中的一般应用是一致的。
折射率分布是折射率和光纤半径之间的关系。
Delta，Δ，是相对折射率百分比Δ＝(ni 2-nc 2)/2nc 2，其中ni是区域i中的特定折射率，且nc是包层区的平均折射率。Delta常规上表示为百分比。
α-分布项表示折射率分布，根据Δ(b)表示，其中b是半径，其遵循等式
Δ(b)＝Δ(b0)(1-[|b-b0|/(b1-b0)α]
其中bO是Δ(b)为最大值的点，b1是Δ(b)％为零的点，且b在bi≤b≤bf的范围内，其中delta如上定义，bi是α-分布的起始点，bf是α-分布的终止点，且α是实数指数。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种光纤，它包括含由至少约6mol％的氧化锗和至少约0.9wt％的氟掺杂的二氧化硅的核心以及包围该核心的包层。
本发明的另一个方面涉及光纤，它包括含由至少约6mol％的氧化锗和氟掺杂的二氧化硅的核心以及包围该核心的包层，其中光纤在1550nm处具有小于约0.22的数值孔径。
本发明的另一个方面涉及一种制造光纤布拉格光栅的方法，该方法包括以下步骤：提供光纤，该光纤包括：核心，该核心包括掺杂了至少约6mol％的氧化锗和至少约0.9wt％的氟的二氧化硅，以及包围该核心的包层；以及将一部分光纤曝光给形成图案的UV辐射，从而将所述光栅写入光纤的核心中。
本发明的光纤比起现有技术光纤产生许多优点。例如，本发明的光纤具有高感光度同时保持期望的低数值孔径。通过明智地选择掺杂程度，熟练技术人员可以基本独立地调节感光度和数值孔径。本发明的光纤具有较高的玻璃同质性和均匀性，因此具有较低的由于散射引起的光损耗。利用本发明光纤的光纤布拉格光栅可以在不使用氢装填工艺的状态下制造。本发明的其它特点和优点将在以下的详细描述加以阐述，且将通过本领域熟练技术人员通过描述或通过实施本发明而变得显而易见，如所写的描述及其权利要求书以及附图中所描述的。
应理解，前述一般描述和以下的详细描述仅仅是实例性的，并旨在提供综述或框架以理解所要求的本发明的性质和特点。
包含附图以提供本发明的进一步理解，其结合在本说明书中并构成其一部分。附图不必是按比例的。附图说明本发明的一个或更多实施例，并与描述一起用于说明本发明的工作原理。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的光纤的剖视图；以及
图2是示出将本发明的光纤结合到常规光纤的结果的图表。
具体实施方式
这里所揭示和描述的本发明涉及适于光纤布拉格光栅的制造的光纤。根据本发明的一个方面，光纤包括含掺杂了6mol％氧化锗和至少约0.9wt％氟的二氧化硅的核心。图1中的剖视图示出了本发明光纤的一个实施例。光纤20包括核心22和包层24。核心基本绕光纤的中心线设置，并可具有任何所需折射率分布形状，例如包括阶跃分布、倒圆阶跃分布、梯形分布、倒圆梯形分布或α-分布。应注意，这里所述的掺杂程度在分布的最大折射率处采用。本领域的熟练技术人员应理解，折射率分布沿中心线具有折射率降低。包层的折射率可以是基本均匀的，且包层可由单种材料构成，诸如未掺杂的二氧化硅或者磷-氟共掺杂二氧化硅。或者，包层可包括多个不同掺杂的层，如本领域熟练技术人员所熟悉的。例如，包层可包括氧化锗-磷共掺杂二氧化硅的内包层和磷—氟共掺杂二氧化硅的外包层。按惯例，光纤可由一层或多层聚合物涂层26涂覆。
根据本发明的一个实施例，光纤在光纤核心中由至少约6mol％的氧化锗和至少约0.9wt％氟掺杂。光纤核心可适当地由至少约7mol％的氧化锗掺杂。光纤核心的感光度将很大程度地取决于氧化锗的量。光纤核心可适当地由至少约1.2wt％氟掺杂。光纤的Δ和数值孔径将取决于氧化锗、氟以及核心和包层中其它掺杂物的相对量。核心中氧化锗的量的增加将提升核心的折射率，从而增加光纤的Δ和数值孔径。核心中氟的量的增加将降低核心的折射率，从而降低Δ和数值孔径。这样，可以利用较高量的氟来抵消由于氧化锗的较高量引起的Δ和数值孔径增加。本领域的熟练技术人员将调节光纤核心中氧化锗和氟的量，以生产所需的感光度水平和所需的数值孔径。在本发明的期望实施例中，光纤核心由约0.9wt％和约6wt％之间的氟掺杂；并且由约6mol％和约30mol％之间的氧化锗掺杂。
在本发明的一个实施例中，光纤核心包括如上所述的氧化硅、氧化锗和氟，而在核心中没有实质量的其它掺杂物。例如，在本发明的一个实施例中，光纤核心包含除了氧化锗或氟之外的小于约0.1wt％的掺杂物。根据本发明的光纤由于较低的损耗和简化的制造故将是有利的。
根据本发明的另一个实施例，光纤包括由氟和至少约6mol％氧化锗掺杂的核心，且光纤具有小于约0.22的数值孔径。特别是，所需的光纤具有小于约0.16的数值孔径。在根据本发明实施例设计光纤过程中，本领域熟练技术人员可选择氧化锗的浓度以形成所需的感光度，并选择氟的量以形成所需的数值孔径。
根据本发明的一个实施例，光纤的核心基本没有硼。例如，在本发明的一个实施例中，光纤的核心包含小于约0.1wt％的氧化硼。在氧化锗掺杂的材料中包含硼会引起较差的同质性和均匀性。在核心中包含硼的氧化锗掺杂光纤中制造的光栅需要较强的后曝光退火步骤，使得光栅制造过程稍许更加复杂和耗时。
表1中示出了根据本发明一个实施例的三个阶跃折射率光纤和两个常规光纤的氧化锗浓度、氟浓度和数值孔径。核心由氧化锗和氟掺杂的二氧化硅构成，如表1所示。光纤1、2和3分别具有3μm、2.5μm和2μm的核心半径。熟练技术人员将理解，本发明的光纤可以具有与表1的那些光纤基本不同的核心半径，这取决于所需的光学性能。在表1的光纤中，包层是磷-氟共掺杂的二氧化硅，并与未掺杂的二氧化硅折射率匹配。常规光纤氧化锗掺杂光纤A和B在核心中基本没有氟。利用标准MCVD方法制造光纤。
表1
| 光纤 | 核心的氧化锗浓度(mol％) | 核心的氟浓度(wt％) | 数值孔径(1550nm) |
| 光纤1 | 7.2 | 1.5 | 0.12 |
| 光纤2 | 7.8 | 1.5 | 0.14 |
| 光纤3 | 12.5 | 1.5 | 0.195 |
| 常规光纤A | 5.2 | 0 | 0.14 |
| 常规光纤B | 9.5 | 0 | 0.195 |
利用扫描电子显微镜测量氧化锗浓度。由测量出的氧化锗浓度和测量出的光纤的数值孔径来计算氟浓度。表1的光纤1、2和3在它们的核心中具有较高的氧化锗浓度，并具有所需的较低数值孔径值。为了允许与常规光纤的有效接合，期望本发明光纤的数值孔径在1550nm处小于约0.22。为了接合到特定的较低数值孔径常规光纤，期望本发明的光纤具有1550nm处0.16的数值孔径。例如，光纤1具有1550nm处的0.12的数值孔径，使其适合于与SMF-28单模光纤(可从Corning，NY的Corning Incorporated获得)接合。光纤2具有1550nm处0.14的数值孔径，并适于与PUREMODETMHI 1060光纤(可从Corning，NY的Corning Incorporated获得)接合。光纤3具有1550nm处0.195的数值孔径，并适于与PUREMODETMHI980光纤(可从Corning，NY的Corning Incorporated获得)接合。光纤2和3分别具有与常规光纤A和B相同的数值孔径值，但具有更高的氧化锗浓度。
表2示出了表1的光纤的感光度。布拉格光栅利用244nm波长处工作的受激准分子UV源被写入光纤而不用氢装填。该源以70Hz脉冲，具有200mJ/脉冲的能量。写入能量通过设定于17％透过率的可变衰减器，随后通过相位掩模。干涉条纹的可见度[(最大强度-最小强度)/最大强度]约为80％。向三分钟曝光和饱和曝光两者给出计算出的折射率变化。如这里所使用的，饱和曝光是足以使光纤达到它的最大UV诱发折射率变化(即最大布拉格光栅强度)的曝光。
表2
| 光纤 | 1550nm处的折射率变化(3分钟曝光) | 1550nm处的折射率变化(饱和) |
| 光纤1 | 5.8×10-4 | 无数据 |
| 光纤2 | 6.2×10-4 | 1.6×10-3 |
| 光纤3 | 9.2×10-4 | 无数据 |
| 常规光纤A | 3.7×10-4 | 无数据 |
| 常规光纤B | 5.1×10-4 | 1.5×10-3 |
本发明的光纤的感光度比核心中没有氟的类似氧化锗掺杂光纤的感光度更高。例如，虽然光纤2和常规光纤A具有相似的数值孔径，但光纤2的感光度高于常规光纤A的感光度165％。同样，虽然光纤3和常规光纤B具有相似的数值孔径，但光纤3的感光度高于常规光纤B的感光度180％。通过相位掩模曝光于波长244nm和能量428J的辐射剂量时，本发明的所需光纤在1550nm处在没有氢装填的核心中呈现至少约5.5×10-4的折射率变化，产生具有约80％的可见度的干涉图案。通过相位掩模曝光于波长244nm和能量428J的辐射剂量时，本发明的特别期望的光纤在1550nm处在没有氢装填的核心中呈现至少约6.0×10-4的折射率变化，产生具有约80％的可见度的干涉图案。
用于量化本发明光纤的感光度的有用参数是核心中1550nm处折射率变化与光纤的数值孔径的比率，通过在没有氢装填的情况下通过相位掩模曝光给波长为244nm且能量为428J的辐射剂量而引起折射率变化，产生具有约80％的可见度的干涉图案。本发明的期望的光纤具有至少约3.0×10-3的核心中1550nm处折射率变化与数值孔径的比率，所述折射率变化通过在没有氢装填的情况下通过相位掩模曝光给波长为244nm且能量为428J的辐射剂量而引起，产生具有约80％的可见度的干涉图案。本发明的特别期望的光纤具有至少约4.0×10-3的核心中1550nm处折射率变化与数值孔径的比率，通过在没有氢装填的情况下通过相位掩模曝光给波长为244nm且能量为428J的辐射剂量而引起所述折射率变化，产生具有约80％的可见度的干涉图案。
用于量化本发明光纤的感光度的另一个参数是饱和曝光时在没有氢装填的情况下核心中1550nm处的折射率变化与光纤的数值孔径的比率。本发明的期望的光纤具有至少约9.0×的没有氢装填情况下1550nm处的饱和折射率变化与数值孔径的比率。
本发明的特别期望的光纤具有至少约1.05×10-2的没有氢装填情况下1550nm处的饱和折射率变化与数值孔径的比率。
本发明的光纤被设计成具有适合于允许以较低的光损耗耦合到标准光纤的数值孔径。表1的光纤2的数值孔径被设计成类似于PUREMODETMHI 1060光纤的数值孔径。图2是将表1的光纤2与PUREMODETMHI 1060接合的结果以及将PUREMODETMHI 1060与其自身接合的结果进行比较的图表。进行了每个组合的11次接合。所使用的接合参数是用于PUREMODETMHI 1060-PUREMODETM HI 1060接合的FUJIKURA40S熔接接合器的菜单中可以找到的那些。表1的光纤2与PUREMODETMHI 1060的平均接合损耗小于1dB，并在统计上类似于PUREMODETMHI 1060与其自身的接合损耗。
可以通过标准光纤制造工艺形成这里揭示的光纤，如熟练技术人员显而易见的。例如，可以利用改良化学气相沉积(MCVD)、外部气相沉积(OVD)、气相轴向沉积(VAD)或管棒法工艺来构造光纤预制件。标准加固和拉伸工艺可以用于由预制件制成光纤。因此，可以利用本领域熟练技术人员已知的技术实现这里揭示的光纤的折射率和成分分布，其中包括但不限于OVD，VAD和MCVD工艺。
本发明的另一个方面涉及在以上揭示的光纤之一中制造光纤布拉格光栅的方法。在本发明的一个实施例中，该方法包括以下步骤：提供具有核心的光纤，该核心包括用至少约6mol％的氧化锗和至少约0.9wt％的氟掺杂的二氧化硅，以及包围核心的包层；以及将一部分光纤曝光于形成图案的UV辐射，从而将光栅写入光纤核心中。该曝光适合于在没有光纤的氢装填的情况下执行。该方法可以与本发明的光纤一起使用以形成有效的光纤布拉格光栅，而不使用氢装填工艺。
本发明的另一个方面包括在上述光纤之一中制造的光纤布拉格光栅。例如，本发明的一个实施例包括具有核心的光纤，该核心包括用至少约6mol％的氧化锗和至少约0.9wt％的氟掺杂的二氧化硅，以及包围核心的包层，其中光纤布拉格光栅存在于光纤的核心中。本发明的光纤布拉格光栅可以以较低的损耗与光通信系统中的其它光纤耦合。
本领域的熟练技术人员可以理解，可以对本发明进行各种修改和变型，而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明旨在覆盖本发明的修改和变型，只要它们在所附权利要求书及其等效物的范围之内。
Claims (14)
1.一种光纤，它包括含二氧化硅的核心以及包围该核心的包层，其特征在于，所述核心由至少约6mol％的氧化锗和至少约0.9wt％的氟掺杂。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述核心由至少约7mol％的氧化锗掺杂。
3.如权利要求1或2所述的光纤，其特征在于，所述核心由至少约1.2wt％的氟掺杂。
4.如以上任一项权利要求所述的光纤，其特征在于，所述核心实质没有硼。
5.如以上任一项权利要求所述的光纤，其特征在于，所述核心在实质量上不包括其它掺杂物。
6.如以上任一项权利要求所述的光纤，其特征在于，所述光纤在1550nm处具有小于约0.22的数值孔径。
7.如以上任一项权利要求所述的光纤，其特征在于，当通过相位掩模曝光于244nm波长和428J能量的辐射剂量时，所述核心呈现1550nm波长处的至少约5.5×10-4的折射率变化，产生具有约80％的可见度的干涉图案，所述曝光是在没有光纤的氢装填的状态下进行的。
8.如以上任一项权利要求所述的光纤，其特征在于，所述核心呈现至少约3.0×10-3的1550nm处的折射率变化与数值孔径的比率，所述折射率变化是由于在没有氢装填的情况下通过相位掩模曝光给244nm波长和428J能量的辐射剂量而引起的，产生具有约80％可见度的干涉图案。
9.如权利要求1-6中任一项所述的光纤，其特征在于，布拉格光栅存在于光纤的核心中。
10.一种制造光纤布拉格光栅的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
提供光纤，该光纤包括：
核心，该核心包括掺杂了至少约6mol％的氧化锗和至少约0.9wt％的氟的二氧化硅，以及
包围该核心的包层；以及
将一部分光纤曝光给形成图案的UV辐射，从而将所述光栅写入光纤的核心中。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在没有光纤的氢装填的情况下进行曝光。
12.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，包层包括选自基本未掺杂的二氧化硅、氧化锗—氟共掺杂的二氧化硅和磷—氟共掺杂的二氧化硅构成的组的材料。
13.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，光纤在1550nm处具有小于约0.16的数值孔径。
14.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述核心呈现在没有氢装填的情况下至少约9.0×10-2的1550nm处的饱和折射率变化与数值孔径的比率。
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