專利名稱：多包層光纖，寫入其內(nèi)的長周期光纖光柵和寫入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多包層光纖，一種多包層光纖中的長周期光纖光柵和它的寫入方法，特別涉及多包層光纖尤其是雙包層光纖，在光纖中寫入的應(yīng)力釋放的長周期光纖光柵和它的寫入方法。
長周期光纖光柵(LPFGs)由于它們的許多用途，例如摻鉺光纖放大器中的增益濾光器，最近引起了人們的注意。因為利用由于鍺(Ge)相關(guān)玻璃光敏性的缺陷導(dǎo)致的紫外線(UV)導(dǎo)入折射率的變化，周期性的結(jié)構(gòu)能夠很容易地得到，所以大多數(shù)長周期光纖光柵刻在鍺硅酸鹽光纖上。這種技術(shù)需要LPFGs的光纖包含光敏部位，因此它不能應(yīng)用到內(nèi)部沒有光敏中心的光纖上，像純硅芯光纖光柵。


圖1說明了一種制造普通光纖光柵的方法，圖中詳細(xì)地說明了分別在制造光纖光柵階段、拉制光纖光柵和對光纖光柵進(jìn)行退火階段的殘余應(yīng)力和折射率的關(guān)系。
一般地，如果在硅芯中摻入氟，芯的折射率會減小，這將導(dǎo)致如圖所示的折射率外形。也就是說在制造階段存在應(yīng)力是必然的，這是因為在芯和外包層之間的熱膨脹系數(shù)不同。如果通過拉制形成光纖光柵，則在芯上會產(chǎn)生應(yīng)力，并且折射率會減小。換句話說，高的拉力會導(dǎo)致在高粘性芯區(qū)的張力的增大，這是因為光電效應(yīng)的緣故。通過對光纖光柵退火，殘余應(yīng)力可以很容易地得到釋放并且折射率也恢復(fù)到制造階段的水平。
在通過對具有上述結(jié)構(gòu)的光纖進(jìn)行熱處理來制造長周期光纖光柵過程中，為了控制長周期光纖光柵的特性，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整光纖中的氟含量或光纖的張力。然而，通過調(diào)整光纖中的氟含量或光纖的張力不容易得到最佳的光纖光柵。
圖2說明了一種在傳統(tǒng)的光纖上寫長周期光纖光柵的方法。在圖2中，為了把光導(dǎo)入通過芯，芯的折射率必須大于芯外包層的折射率。圖2所示的長周期光纖光柵被寫入以便由摻N2的芯和SiO2包層組成的光纖通過弧光放電或CO2激光器輻射熱處理。然而，根據(jù)這種制造方法，因為在比較長的時期后N2會從芯中逸出，所以N2的可靠性降低了。
圖3說明了在另一種傳統(tǒng)光纖上寫長周期光纖光柵的方法。在圖3中，和圖2一樣芯的折射率必須大于包裹于芯的包層的折射率。如圖3所示的寫長周期光纖光柵，因此H2注入到由SiO2和GeO2做成的芯和SiO2包層組成的光纖中，然后用紫外(UV)激光器照射。然而，根據(jù)這種制造方法，長周期光纖光柵的壽命不是很長且它的可靠性也沒有保證。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種具有多包層并且能夠通過改變芯和包層的輻射指數(shù)得到所期待的熱和機(jī)械應(yīng)力形貌的多包層光纖，提供一種寫在多包層光纖上的應(yīng)力釋放的長周期光纖光柵，提供一種在多包層光纖上寫長周期光纖光柵的方法。
因此，為了達(dá)到上述目的，必須具備一個用作導(dǎo)入光的包含由摻鍺二氧化硅(GeO2-SiO2)做成芯的多包層光纖，一個由摻氟二氧化硅(F-SiO2)做成的內(nèi)包層，該包裹于芯的內(nèi)包層的折射率小于芯的折射率，和一個折射率小于芯折射率、大于內(nèi)包層折射率的包裹內(nèi)包層的外包層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，必須具備一個長周期光纖光柵，其芯和包層的光纖被周期性地退火，芯的折射率被周期性地改變，且為了導(dǎo)入光，這種光纖包括由摻鍺二氧化硅(GeO2-SiO2)做成的芯，一個由F-SiO2做成的且折射率小于芯的折射率的內(nèi)包層，一個折射率大于內(nèi)包層的折射率的包裹內(nèi)包層的二氧化硅制成的外包層。
根據(jù)本發(fā)明，一種寫長周期光纖光柵的方法包括以下步驟，(1)制造包括GeO2-SiO2芯的多包層光纖，為了導(dǎo)入光，內(nèi)包層用F-SiO2做成，且內(nèi)包層的折射率小于芯的折射率并包裹芯，以及二氧化硅制成的一外包層，其折射率小于芯的折射率而大于內(nèi)包層的折射率并且包裹內(nèi)包層，(2)周期性地?zé)崽幚硗ㄟ^步驟(1)制造的多包層光纖來周期性地改變多包層光纖的芯的折射率。
借助于附圖通過詳細(xì)描述最佳實施例，本發(fā)明上述的目的和優(yōu)點將更加明晰。
圖1描述了一種制造普通光纖的方法；圖2描述了一種在普通光纖上寫長周期光纖光柵的方法；
圖3描述了一種在另一種普通光纖上寫長周期光纖光柵的方法；圖4A和4B是根據(jù)本發(fā)明的多包層光纖的橫截面圖和折射率形貌圖；圖5是摻氧化鍺(GeO2)和摻氟(F)的熱膨脹系數(shù)和摻雜濃度的依賴關(guān)系；圖6是固態(tài)和液態(tài)時的玻璃的熱膨脹系數(shù)與玻璃溫度的關(guān)系圖；圖7描述了芯的軸向熱應(yīng)力和內(nèi)包層直徑與芯直徑之比的依賴關(guān)系；圖8描述了芯的熱應(yīng)力和芯與外包層之間折射率之差的依賴關(guān)系；圖9描述了芯的局部機(jī)械應(yīng)力和內(nèi)包層與外包層之間折射率之差的依賴關(guān)系；圖10描述了局部機(jī)械應(yīng)力和內(nèi)包層直徑與芯直徑之比的依賴關(guān)系；圖11是解釋根據(jù)本發(fā)明寫長周期光纖光柵方法的圖。
下面，參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明。
圖4A是根據(jù)本發(fā)明的多包層光纖的橫截面圖。圖4A所示的多包層光纖包括芯40，內(nèi)包層42，和外包層44。芯40是由GeO2-SiO2做成的。內(nèi)包層42包裹著芯40，且由F-SiO2做成，外包層44包裹著內(nèi)包層42且由二氧化硅(SiO2)做成。
圖4B是圖4A中的多包層光纖的折射率形貌圖。如圖4B所示，內(nèi)包層42的折射率小于芯40的折射率。同樣，外包層44的折射率小于芯40的折射率，并大于內(nèi)包層42的折射率。
圖5到圖10是說明在制造根據(jù)本發(fā)明的多包層光纖中影響光纖特性的參數(shù)曲線和解釋由這些參數(shù)產(chǎn)生的影響。
圖5是GeO2和F的熱膨脹系數(shù)和摻雜濃度的依賴關(guān)系。如圖5所示，當(dāng)GeO2和F的濃度增大時，GeO2的熱膨脹系數(shù)增大而F的熱膨脹系數(shù)減小。
圖6是固態(tài)和液態(tài)時的玻璃的熱膨脹系數(shù)與玻璃溫度的關(guān)系圖。當(dāng)芯、內(nèi)包層和外包層分別用1、2、3表示時，α1、α2和α3是層1、2、3在固體玻璃態(tài)時的熱膨脹系數(shù)，α*1、α*2和α*3是層1、2、3在液體玻璃態(tài)時的熱膨脹系數(shù)，Tg1、Tg2、Tg3分別是層1、2、3的轉(zhuǎn)變溫度，其存在于三個溫度范圍內(nèi)Tg1＜T＜Tg3，Tg2＜T＜Tg1和T＜Tg2。
圖7描述了芯的軸向熱應(yīng)力和內(nèi)包層直徑與芯直徑之比的依賴關(guān)系。如圖7所示，即使內(nèi)包層的直徑(D)和外包層的直徑(d)比D/d被設(shè)計為不同的，芯的軸向應(yīng)力微小變化也能被觀測到。
圖8描述了芯的熱應(yīng)力和芯與外包層折射率之差Δ+的依賴關(guān)系。用芯的折射率減去外包層的折射率得到的差除以外包層折射率得到Δ+，即，(芯的折射率-外包層的折射率)/外包層折射率。如圖8所示，對應(yīng)于給定的比D/d，當(dāng)芯的折射率與內(nèi)包層的折射率之差Δ固定在0.0035且芯的直徑也被固定時，則芯的折射率的增大，即Δ+增大引起芯的熱應(yīng)力的線性增大。也就是說，熱應(yīng)力僅依賴于芯的折射率，而與內(nèi)包層的折射率無關(guān)。
圖9描述了芯的局部機(jī)械應(yīng)力和內(nèi)包層與外包層折射率之差Δ-的依賴關(guān)系。用內(nèi)包層的折射率減去外包層的折射率得到的差除以外包層折射率得到Δ-，即，(芯的折射率-外包層的折射率)/外包層折射率。如圖9所示，當(dāng)Δ-增大即內(nèi)包層的折射率增大時，應(yīng)力由壓力變?yōu)閺埩?。在這種情況下，如果氟(F)量增大，內(nèi)包層的折射率也增大。
圖10描述了局部機(jī)械應(yīng)力和內(nèi)包層直徑與芯直徑之比D/d的依賴關(guān)系。參照圖10，如果D/d增大，殘留機(jī)械應(yīng)力由壓力變?yōu)閺埩?。在這種情況下，如果摻F層的厚度增大，則D/d也增大。
因此，根據(jù)本發(fā)明，具有期望特性的光纖可以通過調(diào)整上述參數(shù)之一來制造，即，內(nèi)包層42中的F含量、內(nèi)包層42的厚度、摻入芯40中的GeO2量、外包層44中SiO2成分和光纖的牽拉張力。
通過對具有上述結(jié)構(gòu)的多包層光纖進(jìn)行周期性的退火，能夠得到應(yīng)力釋放的長周期光纖光柵。
圖11是解釋在上面所述的多包層光纖上寫長周期光纖光柵方法的示意圖。其中參照號110代表根據(jù)本發(fā)明的多包層光纖，112代表退火裝置，114是多包層光纖110的芯。
參照圖11，來描述寫長周期光纖光柵的方法。首先，用上述材料做成的具有折射率形貌和預(yù)期特性的多包層光纖通過調(diào)整上述參數(shù)被制造出來。做成的多包層光纖110被一步一步地退火來改變芯114的折射率?？梢圆捎没」夥烹娀駽O2激光器輻射作為退火裝置112。圖11中，116代表具有增大的折射率的芯，通過退火裝置112對多包層光纖110進(jìn)行退火使殘余應(yīng)力得到釋放。
根據(jù)本發(fā)明，有可能制造出最適合寫長周期光纖光柵的光纖。也就是說，可以通過調(diào)整F含量、摻F的內(nèi)包層的厚度、摻入芯中的GeO2量、外包層中SiO2成分和光纖的牽拉張力等參數(shù)，可以制造具有預(yù)期特性的光纖。同樣，通過周期性地對這樣制造出來的光纖進(jìn)行退火，光纖的芯的折射率被周期性地改變，從而在光纖中寫入應(yīng)力釋放的長周期光纖光柵。
權(quán)利要求
1.一種多包層光纖，其中包括用于導(dǎo)引光的由GeO2-SiO2做成的芯；由F-SiO2做成的內(nèi)包層，該內(nèi)包層具有小于所述芯的折射率的折射率并且包裹芯；由SiO2做成的外包層，該外包層具有小于芯的折射率而大于內(nèi)包層的折射率的折射率并且包裹內(nèi)包層。
2.一種寫入光纖的長周期光纖光柵，該光線包括為導(dǎo)引光用的由GeO2-SiO2做成的芯，由F-SiO2做成的內(nèi)包層，該內(nèi)包層具有小于芯的折射率的折射率并且包裹于芯外，由SiO2做成的外包層，外包層的折射率小于芯的折射率而大于內(nèi)包層的折射率并且包裹于內(nèi)包層外，其特征在于所述光纖被周期性地退火且芯的折射率被周期性地改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多包層光纖光柵，其特征在于至少通過調(diào)整摻入內(nèi)包層的F含量、內(nèi)包層的厚度、摻入芯的GeO2量、外包層中的SiO2成分和光纖的牽拉張力等參數(shù)之一，來調(diào)整多包層光纖的特性。
4.一種制造長周期光纖光柵的方法，其中包括以下步驟(1)制造用于導(dǎo)引光的多包層光纖，多包層光纖包括GeO2-SiO2制成的芯；F-SiO2做成的內(nèi)包層，該內(nèi)包層的折射率小于芯的折射率并包裹該芯；以及由二氧化硅制成的外包層，外包層具有大于內(nèi)包層的折射率的折射率并且包裹該內(nèi)包層；(2)周期性地?zé)崽幚硗ㄟ^步驟(1)制造的多包層光纖來周期性地改變多包層光纖的芯的折射率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于在步驟(1)中制造出的多包層光纖的特性是通過至少調(diào)整摻入內(nèi)包層的F含量、內(nèi)包層的厚度、摻入芯的GeO2量、外包層中的SiO2成分和光纖的牽拉張力等參數(shù)之一調(diào)整的。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于在步驟(2)中是通過弧放電或CO2激光器輻射進(jìn)行退火的。
全文摘要
一種多包層光纖、在光纖上寫入的長周期光纖光柵和寫入方法。該光纖包括為導(dǎo)引光用的由GeO
文檔編號G02B6/02GK1239779SQ99109269
公開日1999年12月29日 申請日期1999年6月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月24日
發(fā)明者白云出, 吳慶煥, 韓英根 申請人:三星電子株式會社