專利名稱：纖維型光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用作光學(xué)元件的光纖，以及利用該光纖的一種纖維型光學(xué)元件。本發(fā)明特別涉及一種利用光從纖維側(cè)面方向發(fā)射，使折射率增加的纖維型光學(xué)元件。
由于吸收了發(fā)射的光，所以添加了光敏材料的區(qū)域的折射率得到增加。也就是說，當(dāng)發(fā)射的光通過添加了光敏材料的區(qū)域時，發(fā)射光的強度減弱。所以在上述方法中，光從光纖的側(cè)面發(fā)射出來，發(fā)射側(cè)面的折射率容易增加，而和該側(cè)面相對的面的折射率的增加會受到限制；這樣，人們擔(dān)心在光纖的截面上不可能得到均勻增加的折射率。但是，傳統(tǒng)上光敏材料只加在光纖的芯部，而芯部截面的外徑最大也只有10μm。所以并不認(rèn)為折射率增加的非均勻性是個問題。
然而，近來有需要形成一種光柵，該光柵利用一種外部覆蓋著光敏材料的纖維，類似布拉格(Bragg)光柵中與傾斜布拉格光柵中的一種限制包層組合的光柵。對于這種纖維光柵，當(dāng)加在包層上的光敏層的外徑減小時，不可能得到所需要的特征。因此必須使添加光敏材料區(qū)域的外徑增加到20μm或更大。
反之，當(dāng)光敏層的外徑增加，而且增加得太大時，就可能會限制靠近芯部的折射率的增加；這是因為折射率是非均勻性增加的，而且光學(xué)元件中出現(xiàn)了與極化有關(guān)的損耗的緣故。這樣，就不能忽視折射率-非均勻性產(chǎn)生的影響，這是需要解決的問題。
為了解決上面提到的問題，本發(fā)明的第一個觀點是發(fā)明一種纖維型光學(xué)元件，該纖維型光學(xué)元件包括芯部、包層以及折射率增加區(qū)，其中，芯部和包層具有光敏性，折射率增加區(qū)是利用向光纖上發(fā)射紫外光形成的，芯部和包層上具有光敏層中的鍺密度滿足公式1如下24[μm·wt%]<Σkβkdk<100[μm·wt%]]]>利用紫外光發(fā)射，芯部和包層折射率的變更量在波長為674.9nm時小于0.002。這里，公式1中βk是GeO2在每個光纖層中的密度，dk是每個光纖層的徑向厚度。
本發(fā)明的第二個觀點是發(fā)明一種纖維型光學(xué)元件，該纖維型光學(xué)元件包括芯部、包層以及折射率增加區(qū)，其中，芯部和包層具有光敏性，折射率增加區(qū)是向光纖發(fā)射紫外光形成的，光纖中的芯部和包層上的光敏層滿足公式2如下0.35<exp(-2Σkαkdk)]]>利用紫外光發(fā)射，芯部和包層折射率的變更量在波長為674.9nm時小于0.002。這里，公式2中αk是每個光纖層的吸收系數(shù)，dk是每個光纖層的徑向厚度。
這樣做，有可能實現(xiàn)一種纖維型光學(xué)元件，在該纖維型光學(xué)元件中，光纖截面內(nèi)折射率增加的非均勻性小，從而可以獲得良好的光學(xué)性質(zhì)。
按照第一個或第二個觀點發(fā)明的纖維型光學(xué)元件中，本發(fā)明的第三個觀點是發(fā)明一種纖維型光學(xué)元件，其中，芯部和包層折射率變化量在波長為674.9nm時小于0.001。
按照第三個觀點發(fā)明的纖維型光學(xué)元件中，本發(fā)明的第四個觀點是發(fā)明一種纖維型光學(xué)元件，其中，光纖上加有光敏材料的最外層直徑是模式范圍直徑的兩倍或更大。
按照第四個觀點發(fā)明的纖維型光學(xué)元件中，本發(fā)明的第五個觀點是發(fā)明一種纖維型光學(xué)元件，其中，光纖上加有光敏材料的最外層直徑是模式范圍直徑的3倍或小些。
利用這種光纖，形成傾斜型的光纖光柵，有可能實現(xiàn)一種纖維型光學(xué)元件，在該纖維型光學(xué)元件中，能得到如下的濾光性質(zhì)反射抑制角中透射損耗的帶寬又窄又陡，透射損耗大。
按照第五個觀點發(fā)明的纖維型光學(xué)元件中，本發(fā)明的第六個觀點是發(fā)明一種纖維型光學(xué)元件，其中，光敏材料是鍺。
按照第六個觀點發(fā)明的纖維型光學(xué)元件中，本發(fā)明的第七個觀點是發(fā)明一種纖維型光學(xué)元件，其中，用KrF eximer激光器發(fā)射激光來增加芯部和包層的折射率。
按照第七個觀點發(fā)明的纖維型光學(xué)元件中，本發(fā)明的第八個觀點是發(fā)明一種纖維型光學(xué)元件，其中，通過在光纖中形成一種周期性的折射率區(qū)來構(gòu)成一種光纖光柵。
按照第八個觀點發(fā)明的纖維型光學(xué)元件中，本發(fā)明的第九個觀點是發(fā)明一種纖維型光學(xué)元件，其中，把光柵的點陣矢量相對纖維軸的角度設(shè)置為不等于零度。
如上面所解釋的，按照本發(fā)明，利用芯部和包層中光敏層里鍺密度滿足例如24[μm·wt％]＜∑kβkdk＜100[μm·wt％]關(guān)系的光纖，并使得芯部和包層折射率的變更量在發(fā)射波長674.9nm光的時候小于0.002，這時，獲得這種纖維型光學(xué)元件成為可能，在該纖維型光學(xué)元件中，光纖具有良好光學(xué)性能，其截面內(nèi)折射率非均勻性的變更小。
此外，利用芯部和包層中光敏層里鍺密度滿足例如0.35＜exp(-2∑kαkdk)關(guān)系的光纖，并使得芯部和包層折射率的變更量在發(fā)射波長674.9nm的紫外光時小于0.002，這時，獲得這種纖維型光學(xué)元件成為可能，在該纖維型光學(xué)元件中，光纖具有良好的光學(xué)性能，其截面內(nèi)折射率非均勻性的變更小。
再有，借助于光敏層最大直徑是模式范圍直徑兩倍或更大的光纖的形成，并利用該光纖構(gòu)成一種傾斜型光纖光柵，這時，有可能實現(xiàn)一種纖維型光學(xué)元件，在該纖維型光學(xué)元件中，反射約束角透射損耗的帶寬又窄又陡，透射損耗大，因而具有濾光能力。
圖2A和2B是表示光纖芯部和包層的折射率以及光敏性的曲線圖。
圖3A，3B，3C和3D表示了傾斜型光纖光柵的透射損耗帶寬隨光纖光敏層最大直徑變化的曲線。
圖4表示了傾斜型光纖光柵透射損耗帶寬的透射損耗的面積。
圖5表示了歸一化的透射損耗面積與光敏層最大直徑之間的關(guān)系。
圖6表示了歸一化的透射損耗面積與諸如“光敏層/芯部最大直徑”值之間的關(guān)系。
圖7表示了歸一化的透射損耗面積與諸如“光敏層最大直徑/模式范圍”值之間的關(guān)系。
圖8表示了在光纖的光敏層中添加鍺密度的一個例子。
圖9A，9B和9C表示了向光纖發(fā)射紫外光時，光敏層折射率分布的例子。
這里，參照在包層上有光敏層的傾斜短周期光柵(以下簡稱SSPG)，對一種纖維型光學(xué)元件進行解釋。


圖1是SSPG截面的一個例子。圖1中數(shù)字1表示一種芯部，芯部2環(huán)繞芯部1，其折射率比芯部1的小。芯部1和芯部2用石英型玻璃做成。通過給芯部1和芯部2添加光敏摻雜物，并借助發(fā)射預(yù)定波長的紫外光來提高石英型玻璃的折射率，摻雜物通常是鍺。
向添加了鍺的石英型玻璃發(fā)射預(yù)定波長紫外光是通過一種相位掩膜并沿著芯部1和芯部2的縱向進行的。芯部1和芯部2受發(fā)射紫外光的照射折射率增加，并形成光柵區(qū)4，在光柵區(qū)4上有一種多層高折射率區(qū)3。高折射率區(qū)3為對角線形式，橫跨過芯部1但不和芯部1的中軸B正交。高折射率區(qū)3的各層沿著縱向并相互平行。在光纖中以大致為操作光波波長的1/3波長對SSPG各個區(qū)的折射率進行調(diào)制，形成一些折射率變更率很大的區(qū)。
線A正交穿過高折射率區(qū)3的方向是光柵的點陣矢量的方向。該點陣矢量方向和芯部1中軸之間的角度θ是一個不為0度的傾斜角。傾斜角給出高折射率區(qū)3傾斜的大小。在SSPG中，入射光5當(dāng)中的一部分被光柵區(qū)4反射，成為向包層2發(fā)射的光6，光6和入射光一部分組合，以一種背向入射光前進方向向后發(fā)射的模式，射向包層區(qū)。該模式此后稱作為后包層模式。這樣做，降低了與芯部1中向后反射模式組合的程度，使得多次反射幾乎不發(fā)生。
由于和后包層模式組合的光消失了；故可用SSPG作為一種濾光器，按照這樣一種組合來減弱預(yù)定的光。還有一個優(yōu)點是，可以設(shè)置一個優(yōu)選的傾斜角度去限制與該反射模式的組合。能夠限制與反射模式組合的傾斜角叫做反射約束角。這樣一種SSPG能夠用于一種增益-平整濾光器，該濾光器能平整光學(xué)放大器的增益。
為了決定能滿足預(yù)定光敏條件的包層的最大直徑，對于這種SSPG曾經(jīng)進行過模擬。
大家知道，對于這種SSPG，給其包層添加鍺可以改善濾光能力。特別是，當(dāng)給包層添加鍺的時候，反射抑制角內(nèi)透射損耗的帶寬變得更窄更陡；所以濾光器的透射損耗增加。
與此相反，如果加鍺的包層直徑太大，就會產(chǎn)生不利情況光發(fā)射時折射率的增加會不均勻。曾經(jīng)在三種條件下對于包層加鍺的最大直徑的變化對濾光能力的影響進行過測試三種條件如圖1所示表1

圖2A和2B表示了光纖的芯部和包層的折射率和光敏性。圖2A中數(shù)字1代表芯部，數(shù)字2代表包層，字母″a″代表芯部半徑。此外，ncore代表芯部的折射率，nclad代表包層的折射率。圖2B中RGe是光敏層的最大直徑。Pcore是芯部的光敏性，Pclad是包層的光敏性。關(guān)于光敏性，芯部光敏性和包層光敏性的比值是一個重要的因子。這個測試是在例如以下條件下進行的Pcore/Pclad＝0，Pcore/Pclad＝0.15和Pcore/Pclad＝0.3。表1里的“V值”是一種歸一化頻率，這種歸一化頻率可以用公式3表示如下V=2πλa(ncore2-nclad2)]]>公式3.
公式3中，“λ”是操作光的波長。本測試中，“λ”被設(shè)置為1550nm。此外，表1里的MFD是一種模式范圍的直徑，表示了一個點的直徑，在該點導(dǎo)向模式的電場分布是峰值的1/e。
每種測試條件下的計算中，當(dāng)加鍺的包層直徑RGe為30μm時，傾斜角被設(shè)置為反射抑制角。此外，包層折射率平均值的變更固定為0.001。計算結(jié)果如圖3A-3D所示。圖3A-3D顯示的是在表1條件1(a＝3.3，V＝1.7，MFD＝10.5)以及芯部的光敏性與包層的光敏性的比值為0.15情況下的事例。此外，該事例中，圖3A是RGe＝6μm的事例，圖3B是RGe＝9μm的事例，圖3C是RGe＝12μm的事例，圖3D是RGe＝15μm的事例。再有，從圖3A-3D的顯示，人們可以看出隨著RGe的減少會造成透射損耗惡化。為了對這種惡化進行定量的分析，定出了在每種測試條件下如圖4所顯示的透射損耗面積，圖5-7顯示了這種惡化。
圖5-7顯示的透射損耗面積已經(jīng)用在RGe＝30μm條件下透射損耗面積進行了歸一。圖5表示的是水平軸為RGe的情況。圖6表示的是水平軸為RGe/a的情況。圖7表示的是水平軸為2RGe/MFD的情況。如圖5和圖6所示，歸一化面積的比值按照纖維結(jié)構(gòu)條件而變化；所以不可能找到對所有纖維都合適的條件。
圖7顯示的和上述情況不同，當(dāng)讓水平軸是2RGe/MFD的時候，即使纖維的參數(shù)不同，也能觀察到存在著類似的特性。這就是說，對于光敏層的最大直徑RGe，發(fā)現(xiàn)從MFD值作為標(biāo)準(zhǔn)的觀點，可以得到與纖維的各種結(jié)構(gòu)都相應(yīng)的最適宜的條件。此外還發(fā)現(xiàn)，如果光敏層的最大直徑2RGe是MFD的2倍或更大時，透射損耗面積將大于96％。因此發(fā)現(xiàn)，即使把2RGe做得大于MFD的2倍，性能幾乎不會有所改善，而當(dāng)2RGe做得大于MFD的3倍時就沒有任何優(yōu)點了。
這樣，優(yōu)選光纖的光敏層的最大直徑是模式范圍直徑的兩倍。如果光敏層的最大直徑小于模式范圍直徑的三倍時，可以獲得優(yōu)選的特性。
下面來說明當(dāng)發(fā)射紫外光時，由于紫外光被吸收，折射率增加對光敏層的影響。
通常，光纖的結(jié)構(gòu)是同心多層的，如果使每一層的折射率和光敏性交替變更，就能夠得到所要求的最適宜的結(jié)構(gòu)。本說明中，每層徑向的厚度是dk，該層的吸收系數(shù)是αk。這里，“k“代表第幾層。吸收系數(shù)α代表每單位長度吸收的光量，定義為T1/T0＝exp(-αd)。吸收系數(shù)α的量綱是長度的倒數(shù)。其中，T0代表入射到吸收層上的光功率，”d “代表該層的厚度，T1代表通過吸收層被減弱后的發(fā)射光強度。
這里所說明的是入射光從纖維的側(cè)面通過纖維的中心的事例。入射光會被每層吸收，根據(jù)公式，其強度要乘以“exp(-αkdk)”，所以通過每層到達(dá)與纖維發(fā)射表面相對的另一面時的光功率可用公式4表示如下ToutTin=exp(-2Σkαkdk)]]>公式4公式4中，Tin代表入射到光纖上的光功率，Tout代表發(fā)射的光功率。對這樣一種公式的概念檢查如下。對一般的纖維加入光敏材料鍺。石英型纖維加入鍺后將對波長近似為248nm的光表現(xiàn)出光敏性。優(yōu)選一種KrF eximer激光器和一種Ar激光器的二次諧波作為發(fā)射光。本實施方案中，采用一種波長為248nm的KrF eximer激光器作為發(fā)射光源。設(shè)GeO2每1wt％的吸收系數(shù)是αGe，每層GeO2的密度是βk(wt％)。公式4可轉(zhuǎn)換為公式5如下ToutTin=exp(-2αGeΣkβkdk)]]>公式5根據(jù)已發(fā)表的文獻(xiàn)如”Applied Optics，Vol.34，No.18，3436-3440(此后稱為參考文獻(xiàn)1)“以及“ Electronics Letters，Vol.28，No.18，1743-1744(此后稱為參考文獻(xiàn)2)”，加鍺石英在帶寬248nm時每1wt％GeO2密度的吸收系數(shù)αGe＝40-55cm-1。在這樣的條件下，觀察到加鍺纖維折射率的增加如圖8所示。就這種光纖而言，其芯部的光敏性Pcore＝1wt％，包層的光敏性Pclad＝4.3wt％，芯部直徑a＝4.2μm，包層的光敏層最大直徑RGe＝26.2μm。如果將此條件應(yīng)用于公式5，可得到公式6如下。ToutTin≈exp(-2αGe(22×4.3+4.2×1))≈exp(-2αGe×100)]]>公式6由此可知，優(yōu)選光敏層滿足關(guān)系式∑kβkdk＜100[μm·wt％]。如果按照參考文獻(xiàn)1和2，假定αGe的值為40-50cm-1，則入射光的透射系數(shù)是33.5-45％。由KrF eximer激光器向光纖發(fā)射光，折射率的增加示于圖9A-9D。折射率的分布是用一種RNF(近場折射率法)方法測量的，該方法是JIS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))和ITU-T(國際通訊聯(lián)合會通訊標(biāo)準(zhǔn)化處)的標(biāo)準(zhǔn)測量方法。本實施方案中，利用一種半導(dǎo)體激光器作為測量光源。測量光的波長為674.9nm；所以，本實施方案中待測量的折射率以及折射率的變更是對波長為674.9nm而言的。此外，當(dāng)光纖，如光纖光柵，的折射率在縱向周期性變化時，折射率的變化用縱向的平均折射率來決定。
圖9A所顯示的折射率變更的條件是每一個脈沖的功率密度為1.7mJ/mm2，重復(fù)頻率為60Hz以及發(fā)射時間為100秒。這種情況下，折射率的改變?yōu)?.0008。圖9B所顯示的折射率變化的條件是每一個脈沖的功率密度為2.7mJ/mm2，重復(fù)頻率為60Hz以及發(fā)射時間為50秒。這種情況下，折射率的改變?yōu)?.001。圖9C所顯示的折射率變化的條件是每一個脈沖的功率密度為2.7mJ/mm2，重復(fù)頻率為60Hz以及發(fā)射時間為100秒。這種情況下，僅芯部中心折射率的改變大到為0.002。所有情況下折射率的決定都是在光從該圖的左邊射向光纖的。
從圖9A和9B沒有發(fā)現(xiàn)折射率僅在光纖左邊顯著增加的現(xiàn)象。但是從圖9C觀察到了折射率僅在光纖左邊顯著增加的現(xiàn)象。就是說，該光纖中，向側(cè)面方向發(fā)射的光透射系數(shù)為35％，如果發(fā)射光使折射率的變化量為0.001時，折射率的非均勻性增加就不會發(fā)生。如果發(fā)射紫外光使折射率變化量大到0.002或更大，便觀察到了非均勻折射率的產(chǎn)生。
所以，當(dāng)制造一種纖維型光學(xué)元件，諸如光柵，時，折射率變化的增加優(yōu)選地限制在0.002以下。折射率變化的增加更優(yōu)選地限制在0.001以下。
借助對加鍺量的考慮以及合理設(shè)置每個脈沖的功率密度、重復(fù)頻率和發(fā)射時間，可以得到這種范圍的折射率。例如，具有4wt％鍺密度的光纖中，應(yīng)優(yōu)選設(shè)置重復(fù)頻率和發(fā)射時間，使得當(dāng)每個脈沖的功率密度是1.7J/mm2時，總發(fā)射量為15J/mm2或小些。類似，應(yīng)優(yōu)選設(shè)置重復(fù)頻率和發(fā)射時間，使得當(dāng)每個脈沖的功率密度是2.7J/mm2時，總發(fā)射量可達(dá)13J/mm2或小些。
根據(jù)上述實驗，發(fā)現(xiàn)可以在包層上有光敏層的光柵中，制造出折射率非均勻性增加受到限制的光纖光柵，條件是設(shè)置∑kβkdk＜100[μm·wt％]，其中dk是光纖每層的厚度，βk[wt％]是GeO2的密度，而且折射率的變化量小于0.002，更優(yōu)選小于0.001。從光纖側(cè)面發(fā)射光的透射系數(shù)幾乎是35％。
此外，一般纖維的MFD至少是8μm。所以，如果預(yù)定的直徑是模式范圍直徑的2倍時，要求加鍺后的最大直徑是8×2＝16μm。為了使折射率產(chǎn)生足夠的變化，需要在光敏層加入比3.0wt％更多的GeO2。據(jù)此，諸如∑kβkdk＝16/2×3＝24μm·wt％的關(guān)系是有效的。就是說，在向光纖包層加鍺時，應(yīng)優(yōu)選滿足例如∑kβkdk＞24μm·wt％這樣的關(guān)系。
在以上說明中，解釋了一種光纖光柵的一個例子。但是，本發(fā)明并不限于這種光纖光柵。只要光學(xué)元件利用了從纖維側(cè)向發(fā)射紫外光使折射率增加的效應(yīng)，就可以把本發(fā)明應(yīng)用于該光學(xué)元件。
根據(jù)纖維型光學(xué)元件的這個例子，利用芯部和包層中光敏層的鍺密度滿足如24[μm·wt％]＜∑kβkdk＜100[μm·wt％]關(guān)系的光纖，并使芯部和包層在發(fā)射波長674.9nm時的折射率變化量小于0.002，就有可能獲得這種纖維型光學(xué)元件，在該纖維型光學(xué)元件中，光纖具有良好的光學(xué)性能，其截面內(nèi)折射率的非均勻性變化小。
此外，利用芯部和包層中光敏層滿足例如0.35＜exp(-2∑kαkdk)關(guān)系的光纖，并使芯部和包層在發(fā)射波長為674.9nm的紫外光時的折射率變化量小于0.002，就有可能獲得這種纖維型光學(xué)元件，在該纖維型光學(xué)元件中，光纖具有良好的光學(xué)性能，其截面內(nèi)折射率的非均勻性變化小。
再有，利用光敏層最大直徑是模式范圍直徑兩倍或更大的光纖的形成，并利用該光纖構(gòu)成一種傾斜型光纖光柵，就有可能實現(xiàn)一種纖維型光學(xué)元件，在該纖維型光學(xué)元件中，在反射約束角方面透射損耗的帶寬又窄又陡，透射損耗大，因而具有濾光能力。
權(quán)利要求
1.一種纖維型光學(xué)元件，該光學(xué)元件包括芯部(1)；包層(2)；和折射率增加區(qū)(3)，其中芯部(1)和包層(2)具有光敏性，折射率增加區(qū)(3)是利用向光纖發(fā)射紫外光形成的，光纖的芯部和包層中具有光敏層的鍺密度滿足公式1，如24[μm·wt%]<Σkβkdk<100[μm·wt%],]]>在發(fā)射波長為674.9nm的紫外光時芯部和包層的折射率變化量小于0.002。
2.一種纖維型光學(xué)元件，該光學(xué)元件包括芯部(1)；包層(2)；和折射率增加區(qū)(3)，其中芯部(1)和包層(2)具有光敏性，折射率增加區(qū)(3)是利用向光纖發(fā)射紫外光形成的，光纖的芯部和包層上具有光敏性的層滿足公式20.35<exp(-2Σkαkdk),]]>和在發(fā)射波長為674.9nm的紫外光時芯部和包層的折射率變化量小于0.002。
3.按照權(quán)利要求1和2之一的纖維型光學(xué)元件，其中芯部(1)和包層(2)的折射率的變化量在波長帶寬為674.9nm時小于0.001。
4.按照權(quán)利要求3的一種纖維型光學(xué)元件，其中添加光敏材料的光纖最外層的直徑是模式范圍直徑的兩倍。
5.按照權(quán)利要求4的一種纖維型光學(xué)元件，其中添加光敏材料的光纖最外層的直徑是模式范圍直徑的3倍。
6.按照權(quán)利要求5的一種纖維型光學(xué)元件，其中光敏材料是鍺。
7.按照權(quán)利要求6的一種纖維型光學(xué)元件，其中激光是一種KrFeximer激光器發(fā)射的，該激光用來增加芯部和包層的折射率。
8.按照權(quán)利要求7的一種纖維型光學(xué)元件，其中在光纖中形成周期的折射率區(qū)，用來形成一種光纖光柵。
9.按照權(quán)利要求8的一種纖維型光學(xué)元件，其中把光柵的點陣矢量相對纖維軸的角度設(shè)置為不等于零度。
全文摘要
一種纖維型光學(xué)元件，其中光纖折射率的非均勻性增加被限制到最小值，給該元件的包層(2)區(qū)和該光纖的包層區(qū)加入光敏材料，形成該光纖時，使該光纖光敏層的最外層直徑是模式范圍直徑的兩倍或更大，更優(yōu)選的是模式范圍直徑的2.5倍，并且利用該光纖形成傾斜型光纖光柵，這樣，有可能實現(xiàn)這種纖維型光學(xué)元件，該纖維型光學(xué)元件的透射損耗的帶寬又窄又陡，在反射抑制角內(nèi)透射損耗大，因而具有濾光能力。
文檔編號G02B6/02GK1407357SQ0214229
公開日2003年4月2日 申請日期2002年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月31日
發(fā)明者坂元明, 奧出聰, 須藤正明 申請人:株式會社藤倉