專利名稱：采用雙組分石英的擴(kuò)散型光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種擴(kuò)散型光纖，該光纖具有隨波長而變化的芯-覆蓋層折光指數(shù)差，更具體地講，本發(fā)明涉及一種采用雙組分石英玻璃的擴(kuò)散型光纖。
一般而言，折光指數(shù)為光的波長的函數(shù)。如

圖1所示，波長越短，折光指數(shù)越大。在光學(xué)設(shè)備中使用的傳統(tǒng)光纖中，芯玻璃與覆蓋層玻璃具有相似的光譜特征，因此它們之間的折光指數(shù)差相對于波長幾乎是恒定的。如圖1所示，GeO2和SiO2之間的折光指數(shù)差相對于波長幾乎恒定。標(biāo)為GeO2的較高折光指數(shù)曲線為芯的曲線，標(biāo)為SiO2的較低折光指數(shù)的曲線為覆蓋層的曲線。因此，通過使用一般的光纖不易得到具有各種光譜特性的光纖設(shè)備。
根據(jù)波長而具有可變折光指數(shù)差的光纖被稱作擴(kuò)散光纖。使用擴(kuò)散光纖的光學(xué)設(shè)備包括光纖濾光片、波長不敏感偶合器、波長選擇性光纖偶合器等。
擴(kuò)散光纖具有下述特性。首先，芯與覆蓋層之間的折光指數(shù)差依賴于波長。第二，在某一特定波長處，芯材料和覆蓋層材料的折光指數(shù)變得相等。第三，根據(jù)入射光的波長，該入射光通過芯或覆蓋層進(jìn)行擴(kuò)散。下表列出了目前已知的具有高擴(kuò)散性的玻璃材料和采用這些材料的濾光片類型。
表1
傳統(tǒng)的擴(kuò)散光纖一般由多組分玻璃組成，且其傳輸損失大于純石英光纖。此外，由于傳統(tǒng)光纖的熔點低，不可能用典型的光纖對其進(jìn)行熔融連接。傳統(tǒng)擴(kuò)散光纖可采用一種棒插入管(rod-in-tube)技術(shù)制備，其中，一個棒，即一種芯材料，插入到一個管，即一種覆蓋層材料中，然后加熱并軟化以除去其間的空隙，從而形成這種光纖。但是，棒插入管(rod-in-tube)技術(shù)非常復(fù)雜。由于多組分玻璃的折光指數(shù)高于典型玻璃的折光指數(shù)，故由多組分玻璃與典型玻璃的機(jī)械連接增大了連接損失。
為解決上述問題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種擴(kuò)散光纖，通過使用一種雙組分石英材料，而不是多組分玻璃，該光纖的芯和覆蓋層之間根據(jù)不同的波長具有不同的折光指數(shù)差。
因此，為達(dá)到上述目的，提供一種擴(kuò)散光纖，它包括由摻雜第一種擴(kuò)散材料的石英制成的芯，和由摻雜第二擴(kuò)散材料的石英制成的覆蓋層，在預(yù)定的交叉波長處，第一擴(kuò)散材料與第二擴(kuò)散材料的折光指數(shù)彼此交叉。
附圖簡要說明參考下列附圖，通過一個優(yōu)選實施例的詳述，本發(fā)明的上述目的及優(yōu)點將變得更加明顯圖1顯示一種典型光纖的芯與覆蓋層之間的折光指數(shù)差；圖2顯示根據(jù)波長而改變的芯與覆蓋層之間的折光指數(shù)差；圖3A、3B、3C顯示在短波通過濾光片的情況下，根據(jù)不同波長，芯與覆蓋層折光指數(shù)之間的關(guān)系及能量曲線；圖4A、4B、4C顯示在長波通過濾光片的情況下，根據(jù)不同波長，芯與覆蓋層折光指數(shù)之間的關(guān)系及能量曲線；圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)散光纖，對氦-氖激光輻射，當(dāng)一種短波通過濾光片時的折光指數(shù)曲線；圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)散光纖，對氦-氖激光輻射，當(dāng)一種長波通過濾光片時的折光指數(shù)曲線；圖7A及7B為一種確定硼及氟的摻雜物濃度的方法的示意圖，在特定波長處，芯與覆蓋層的折光指數(shù)變得相等；圖8顯示通過圖7A及7B所示方法制備的光纖隨波長變化的折光指數(shù)；圖9顯示通過圖7A及7B所示方法制備的短波通過濾光片的傳輸特性；圖10為根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)散光纖制成的一種波長分離器的一個實例。
優(yōu)選實施例的描述下面將參照附圖詳述本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)散型光纖使用石英作為芯和覆蓋層的基料。擴(kuò)散型材料摻雜進(jìn)形成芯和覆蓋層的石英中，從而采用一種典型的光纖制備法制成本發(fā)明的光纖。
在本發(fā)明的實施例中，硼及氟用作為擴(kuò)散型材料，但該發(fā)明并不限于這兩種材料。任何兩種具有一個特定交叉波長-----在該波長處兩種材料的折光指數(shù)曲線彼此交叉------的材料都能用作擴(kuò)散型材料。
根據(jù)本發(fā)明，通過在石英玻璃中分別摻雜硼及氟而得具有濾光特征的光纖，根據(jù)摻雜進(jìn)芯或覆蓋層的擴(kuò)散材料的種類及用量的不同，濾光特征將改變。
根據(jù)濾光特征，濾光片大致可分成短波通過濾光片和長波通過濾光片。例如，當(dāng)材料A與材料B之間的折光指數(shù)差依波長而改變時，如圖2所示，在特定波長λ交叉處，材料A的折光指數(shù)變得與材料B的折光指數(shù)相同。波長小于λ交叉的區(qū)域，材料A的折光指數(shù)大于材料B的折光指數(shù)。因此，材料A成為芯材料，材料B成為覆蓋層材料。在此條件下，波長小于交叉波長λ交叉的光被引入至芯中，而波長大于交叉波長λ交叉的光則被擴(kuò)散。也就是說，當(dāng)芯由材料A制成，覆蓋層由材料B制成時，一種光信號施加于光纖的一端，然后，測量光纖另一端的輸出光。這樣，波長小于交叉波長λ交叉的光信號被導(dǎo)入芯中，然后在該光纖的輸出端產(chǎn)生光信號。但是，波長大于交叉波長λ交叉的光信號在光纖的外部擴(kuò)散，而不被導(dǎo)入，這種，在該光纖的輸出端不會產(chǎn)生光信號。因此，由于上述光纖只過濾波長小于交叉波長λ交叉的光，故它就作為一種短波通過濾光片。
圖3A及3B顯示在芯由材料A制成，而覆蓋層由材料B制成時，入射光信號的折光指數(shù)特征與波長的關(guān)系。具體講，圖3A顯示光信號的波長小于交叉波長λ交叉的情況下，芯和覆蓋層的指數(shù)曲線，而圖3B顯示光信號的波長大于交叉波長λ交叉時，芯和覆蓋層的指數(shù)曲線。圖3C則顯示能量(P)與波長的關(guān)系曲線，從中可知上述構(gòu)造的光纖用作短波通過濾光片。
相反，為引導(dǎo)波長大于交叉波長λ交叉的光信號，芯由材料B制成，覆蓋層則由材料A制成，圖4A及4B顯示入射光信號的折光指數(shù)特征與波長的關(guān)系。圖4A顯示光信號的波長小于交叉波長λ交叉時，芯和覆蓋層的指數(shù)曲線，而圖4B顯示光信號的波長大于交叉波長λ交叉時，芯和覆蓋層的指數(shù)曲線。而圖4C則顯示能量(P)與波長的關(guān)系曲線，從中可知上述構(gòu)造的光纖用作長波通過濾光片，它導(dǎo)入波長大于交叉波長λ交叉的光。
將短波通過濾光片與長波通過濾光片串聯(lián)，可得到一種帶通濾光片。換言之，將短波通過濾光片與長波通過濾光片重疊，能制成一種僅過濾重疊譜帶光的帶通濾光片。
為得到一種短波通過濾光片，該芯由一種摻雜硼(B)的石英基材料構(gòu)成，而該覆蓋層則由摻雜氟(F)的石英基材料構(gòu)成。摻入該芯的硼的摻雜濃度為3.2％摩爾，摻入該覆蓋層的氟的摻雜濃度為1.57％摩爾。
圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的用于氦-氖激光輻射的用作短波通過濾光片的擴(kuò)散光纖的折光指數(shù)曲線，其中d代表芯的直徑，D代表覆蓋層的直徑。芯由B2O3-SiO2制成，對于氦-氖激光輻射，其折光指數(shù)為1.4555。覆蓋層由F-SiO2制成，對于氦-氖激光輻射，其折光指1.4546。玻璃的折射指數(shù)按照光的波長而有所不同。因而，如果入射光的波長發(fā)生變化，核心和覆蓋層的折射指數(shù)以及它們之間的折射指數(shù)差也因而發(fā)生變化。
另一方面，為了得到不同于短波長通過濾光片的長波長通過濾光片，核心是由摻雜有氟的硅石形成的，并且覆蓋層是由摻雜有硼的硅石形成的。氟在核心中摻入的濃度是2.1摩爾％，硼在覆蓋層中摻入的濃度是7.8％。
圖6顯示了按照本發(fā)明的被用作長波長通過濾光片的擴(kuò)散光纖的折射指數(shù)曲線，對于氦-氖激光輻射，其中d表示核心直徑，D表示覆蓋層直徑。核心是由F-SiO2制成，對于氦-氖激光輻射，其折光指數(shù)為1.4538。覆蓋層由B2O3-SiO2制成，對于氦-氖激光輻射，其折光指數(shù)為1.4539。這里，由于氦-氖激光的波長值相對小，即632.8nm，氦-氖輻射曲線表明芯的折光指數(shù)小于覆蓋層的折光指數(shù)。這樣，氦-氖激光不能被導(dǎo)入芯中。但是，當(dāng)光的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氦-氖激光的波長時，比如1500nm時，芯的折光指數(shù)可能大于覆蓋層的折光指數(shù)。這樣，氦-氖激光被導(dǎo)入芯中。
一般來講，玻璃的折光指數(shù)依所使用光的波長而變。因此，根據(jù)硼及氟的摻雜濃度，按照本發(fā)明的光纖濾光片能調(diào)節(jié)過濾光的波長。
圖7A及7B顯示一種確定硼及氟的摻雜濃度的方法，在此濃度時芯和覆蓋層的折光指數(shù)在某一特定波長處變得相等，圖7A顯示某一特定交叉波長(λ交叉)處的硼及氟的摻雜濃度，圖7B顯示當(dāng)芯和覆蓋層分別由圖7A中所示摻雜濃度的硼及氟組成時，氦-氖激光的折光指數(shù)。換言之，如圖7B所示，當(dāng)芯由摻雜濃度為(B)的硼組成，覆蓋層由摻雜濃度為(F)的氟組成時，氦-氖激光在芯中的折光指數(shù)大于覆蓋層的折光指數(shù)，據(jù)此可知它表現(xiàn)了短波通過濾光的特征，即，只有波長小于交叉波長的光能通過。
圖8顯示由圖7A及7B中所示方法制備而成的光纖的波長-折光指數(shù)關(guān)系，其中交叉波長(λ交叉)約為1400nm。因此，若硼摻入芯中，氟摻入覆蓋層中，該光纖表現(xiàn)為一種短波通過濾光片，用于過濾波長小于1.4μm的光。當(dāng)光的波長大于1.4μm時，覆蓋層的折光指數(shù)大于芯的折光指數(shù)。因此，光不能通過該光纖的芯。
圖9顯示由圖7A及7B中所示方法制備而成的一種短波通過濾光片的傳輸特性。從圖10中可以看到，在濾光片的輸出端檢測到波長小于1.4μm的光，而波長大于1.4μm的光不被導(dǎo)入至該芯中。
圖10顯示使用按照本發(fā)明的擴(kuò)散光纖實現(xiàn)的一種波長分配器的實例。圖10所示的波長分配器為Y-型，在Y-型波長分配器的分支處，使用擴(kuò)散光纖的一種短波通過濾光片10及一種長波通過濾光片20分別在其輸出處排列。例如，如圖10所示，用于過濾波長小于1.35μm的短波通過濾光片10排列于分支輸出處之一端，而用于過濾波長大于1.45μm的長波通過濾光片20排列于另一分支輸出處。
若波長分別為1.3μm與1.5μm的激光混合，以能量(P)入射進(jìn)輸入處，并通過一個分支點A，在該分支點A的能量被分成初始能量(P)的一半，即(P/2)，然后轉(zhuǎn)換至相應(yīng)的輸出端。之后，短波濾光片10將波長為1.3μm的激光過濾，而波長為1.5μm的激光則不能過濾。另一方面，長波濾光片20將波長為1.5μm的激光過濾，而波長為1.3μm的激光則不能過濾。
通過采用一種改性的化學(xué)蒸汽沉積法(MCVD)，在一種石英管中沉積石英、硼及氟，能制備本發(fā)明的擴(kuò)散光纖及光纖濾光片。這里，反應(yīng)溫度優(yōu)選1900℃或更低。
通過將短波通過濾光片與長波通過濾光片適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行連接，能制成一種帶通濾光片及一種帶阻濾光片。這很容易被本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解，故不再詳述。根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)散光纖也能適用于傳統(tǒng)的擴(kuò)散光纖領(lǐng)域，包括光學(xué)預(yù)定網(wǎng)絡(luò)、波長分配偶合器、波長分配混合器，都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，通過將每種擴(kuò)散材料摻入一種芯及一種覆蓋層中，可制備擴(kuò)散光纖，從而降低傳輸損失，且以低損失方式與普通光纖偶合。采用一種MCVD方法而非棒插入管(rod-in-tube)方法也能制備擴(kuò)散光纖，從而使制備過程簡化。
權(quán)利要求
1.一種根據(jù)波長具有不同的芯-覆蓋層折光指數(shù)差的擴(kuò)散光纖，包括由摻入第一擴(kuò)散材料的石英制成的芯；和由摻入第二擴(kuò)散材料的石英制成的覆蓋層，其特征在于，在一個預(yù)定的交叉波長處，該第一擴(kuò)散材料和第二擴(kuò)散材料的折光指數(shù)彼此交叉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散光纖，其特征在于，擴(kuò)散光纖通過一種改性的化學(xué)蒸汽沉積法制備。
3.一種擴(kuò)散光纖，包括由摻入第一預(yù)定摻雜濃度硼的石英制成的芯；和由摻入第二預(yù)定摻雜濃度氟的石英制成的覆蓋層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的擴(kuò)散光纖，其特征在于，摻入芯的硼濃度為3.28％摩爾，摻入覆蓋層的氟濃度為1.57％摩爾。
5.一種擴(kuò)散光纖，包括由摻入第一預(yù)定摻雜濃度氟的石英制成的芯；和由摻入第二預(yù)定摻雜濃度硼的石英制成的覆蓋層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的擴(kuò)散光纖，其特征在于，摻入芯的氟濃度為2.1％摩爾，摻入覆蓋層的硼濃度為7.8％摩爾。
全文摘要
提供一種根據(jù)波長不同而具有不同的芯－覆蓋層折光指數(shù)差的擴(kuò)散光纖。該擴(kuò)散光纖包括由摻入第一擴(kuò)散材料的石英組成的芯,和由摻入第二擴(kuò)散材料的石英組成的覆蓋層,其特征在于:在一個預(yù)定的交叉波長處,該第一擴(kuò)散材料及第二擴(kuò)散材料的折光指數(shù)彼此交叉。該第一擴(kuò)散材料及第二擴(kuò)散材料包括硼及氟。通過分別往該芯及該覆蓋層摻入每種擴(kuò)散材料可得到該擴(kuò)散光纖,從而降低傳輸損失,且能偶合到至普通光纖上。
文檔編號G02B6/34GK1243258SQ9910922
公開日2000年2月2日 申請日期1999年6月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月23日
發(fā)明者白云出, 吳慶煥, 徐弘錫 申請人:三星電子株式會社