專利名稱：基于多成分硅石玻璃的高雙折射保偏光纖的制作方法
石玻璃包括玻璃基體(matrix);增加所述玻璃的折射率并增加所述玻璃基體的熱膨脹系數(shù)的第一摻雜劑；以及降低所述玻璃的所述膨脹系數(shù)以至少部分地抵消所述玻璃基體的熱膨脹系數(shù)的所述增加的第二摻雜劑。涉及本改善的許多其他特點及其組合將在閱讀本公開后對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見。


在附圖中，圖I是示出根據(jù)一個實施例的多包層保偏光纖的(a)配置以及(b)折射率分布的 示意圖；圖2是示出對具有各種摻雜劑的摻雜硅石玻璃的熱膨脹的效應(yīng)的圖；圖3是示出(a)沿著X軸的折射率分布以及(b)沿著X軸的圖I的多包層保偏光纖的熱膨脹系數(shù)分布的圖；圖4是示出多包層保偏光纖的另一個實施例的熱膨脹系數(shù)分布的圖；圖5是示出根據(jù)其中底座具有兩個不同的層的另一個實施例的多包層保偏光纖的(a)配置以及(b)折射率分布的圖；以及圖6是示出被適配用于圖I的保偏光纖的制造的多包層光纖光學(xué)部件預(yù)制件的折射率分布的圖。注意，在全部附圖中，類似的特點用類似的參考標(biāo)號表示。
具體實施例方式現(xiàn)在參考附圖，圖I (a)示出了基于PANDA配置的保偏光纖100的橫截面，且圖I(b )不出了其折射率分布。在該實例中，光纖100是適配用于持續(xù)高功率應(yīng)用的有源光纖。其具有大稀土摻雜的核I，其摻雜有產(chǎn)生激光或放大效果的至少一種稀土摻雜劑；被稱為底座2的第一包層，圍繞大稀土摻雜的核I ;以及被稱為泵浦引導(dǎo)(pump-guide)3的第二包層，其圍繞底座。由具有低折射率的聚合物或玻璃構(gòu)成的外包層5也在此使用。在操作中，光信號功率可在核I中傳播，而光泵功率在泵浦引導(dǎo)3中傳播。使用應(yīng)力施加部件獲得PANDA保偏配置，該應(yīng)力施加部件被稱為應(yīng)力構(gòu)件4，其具有足夠的直徑，并被設(shè)置為與核I足夠近以在保偏光纖100中產(chǎn)生滿意的雙折射。注意在可替換的實施例中，保偏光纖僅具有一個應(yīng)力構(gòu)件或多于兩個應(yīng)力構(gòu)件。而且，在一些保偏光纖中，應(yīng)力構(gòu)件具有除了圓形以外的橫截面。此后，為了提供示例性實施例的目的，僅在此示出兩個典型的圓形應(yīng)力構(gòu)件配置。如從圖IB可看出，底座2的折射率略低于核I的折射率，這允許光信號在核I中的單?；驕?zhǔn)單模傳播。泵浦引導(dǎo)3的折射率顯著低于底座2的折射率，這允許核I摻雜有高稀土摻雜劑濃度或其他特定的共摻雜劑。為了變得有效，底座2也應(yīng)具有大直徑，即，約是核直徑的3到5倍。事實上，當(dāng)摻雜劑濃度和/或核直徑高時，在核I中維持單?；驕?zhǔn)單模狀態(tài)很難。但是，在實踐中，在感興趣的波長(典型地在Iym到2μπι波長范圍內(nèi))在核的單模或準(zhǔn)單模狀態(tài)中，通過使用大的底座直徑，通過彎曲以操作光纖則可以過濾掉更高階模式。
在稀土摻雜的光纖中使用底座提供了許多優(yōu)勢。首先，已知共摻雜各種摻雜劑，如鋁、磷、鈰或其混合可阻止鐿摻雜的光纖的光暗化效應(yīng)。這樣的摻雜劑增加了核的折射率。通過使用底座，可達(dá)到核的更低數(shù)值孔徑，其允許單模或準(zhǔn)單模狀態(tài)。第二，在鉺-鐿共摻雜光纖的情況下，Yb3+離子用作敏化劑離子，且Er3+離子用作受主(acceptor)。氧化物磷P2O5隨后被加入到核以增加從Yb3+離子到Er3+離子的能量轉(zhuǎn)移。圍繞核的底座被用于通過降低數(shù)值孔徑而補(bǔ)償由于P2O5摻雜而導(dǎo)致的折射率增加。第三，這樣的三包層設(shè)計可使得高摻雜的單模核狀態(tài)操作成為可能。注意到其他實施例可以是無源光纖，其沒有摻雜稀土離子。例如，PANDA三包層無源光纖可被用作中繼光纖?；赑ANDA光纖的應(yīng)力分析，雙折射B典型地由以下等式給出
(I — 3(——))
·(I)其中k是光纖的特征常數(shù)，Δ α是應(yīng)力構(gòu)件4和硅石石包層3的熱膨脹系數(shù)的差，h是應(yīng)力構(gòu)件4的直徑，e是每個應(yīng)力構(gòu)件4的中心和核I的中心之間的距離，且Φ是硅石包層3的直徑。等式(I)示出了當(dāng)距離e減少時雙折射增加。因此，為了獲得高雙折射，應(yīng)力構(gòu)件4應(yīng)被盡可能近地插入為鄰近核I。在PANDA光纖的情況下，應(yīng)力構(gòu)件4在制造預(yù)制件時被插入到光纖100，預(yù)制件隨后被用于拉拔出光纖100。為了插入應(yīng)力構(gòu)件4，在預(yù)制件中鉆出通道，且應(yīng)力棒隨后被插入到通道中。如上所述，底座2應(yīng)當(dāng)具有比核I的直徑大約3到5倍的直徑。因此，對于足夠大且足夠接近核I以獲得高雙折射的應(yīng)力構(gòu)件4，部分地在底座2中且部分地在包層3中鉆出預(yù)制件。但是，應(yīng)當(dāng)選擇底座2的折射率以獲得底座2和泵浦引導(dǎo)硅石包層3之間的高數(shù)值孔徑。通過在玻璃組成中加入氧化鍺GeO2，或另一種增加折射率的摻雜劑，在底座2中典型地達(dá)到目標(biāo)折射率，這增加了折射率但也具有增加硅石玻璃的熱膨脹系數(shù)的副作用。如圖2所示，6602造成了每mol%約0.7X10_7/°C的熱膨脹系數(shù)的增加。當(dāng)受鉆孔熱度影響時，熱膨脹系數(shù)的這種增加可造成預(yù)制件中的應(yīng)力并引起不可逆的損壞。因此在此提議更改底座2的組成以降低底座2的熱膨脹系數(shù)，以便降低這種應(yīng)力并允許預(yù)制件的安全鉆孔離核I盡可能地近。這是通過用二氧化鈦(TiO2)或另一種熱膨脹系數(shù)降低摻雜劑共摻雜底座2的硅石玻璃而完成的，這對折射率也有影響但降低了硅石玻璃的熱膨脹系數(shù)，由此至少部分地抵消了由于其他共同摻雜劑諸如GeO2造成的熱膨脹系數(shù)的增加。此后，可選擇增加折射率的摻雜劑和降低熱膨脹系數(shù)的摻雜劑的比例以獲得滿意的折射率，同時產(chǎn)生等于或至少操作地接近周圍包層的熱膨脹系數(shù)。在本上下文中，操作地接近指，給定希望的應(yīng)用，足夠接近以在鉆孔期間維持由熱膨脹引起的損壞在可接受的閾值之下。圖2示出了具有各種摻雜劑(摻雜化合物)濃度的硅石玻璃的熱膨脹系數(shù)，該摻雜劑包括 P205、GeO2 λ B2O3 以及 TiO2,如在 Izawa 等人的 “Optical fibers !Materials andFabrication”，第 48 頁，Eds. KTK ScientificPublisher, Tokyo (1987)” 中給出的。根據(jù)Izawa等人，摻雜lmol%的TiO2導(dǎo)致硅石玻璃的熱膨脹系數(shù)的0. 9X 10—7°C的降低。TiO2也增加了硅石玻璃折射率，每mol%Ti02是4. 3X 10_3。由于其折射率和熱膨脹系數(shù)的性質(zhì)，TiO2也是底座2的組成中作為共摻雜劑的良好的候選項?；氐綀D1，保偏光纖100的一個組成實例如下。光纖100由硅石玻璃構(gòu)成。核I在有源光纖100的情況下?lián)诫s有一種或多種稀土元素，或在無源光纖100的情況下具有折射率增加摻雜劑，諸如Ge02。核I具有典型地大于或等于IOym的直徑Φ I。底座2共摻雜了增加折射率并增加硅石玻璃的熱膨脹系數(shù)的GeO2,以及降低硅石玻璃的熱膨脹系數(shù)的TiO2，這樣由于TiO2滿意地抵消了由于GeO2的熱膨脹系數(shù)的增加，熱膨脹系數(shù)降低。選擇GeO2和TiO2濃度以到達(dá)用于底座2的目標(biāo)折射率和熱膨脹系數(shù)。底座2具有直徑Φ2，以便Φ2/Φ1>3。底座2的直徑Φ2和核的直徑Φ I之間該大比率提供了核I中的單?；驕?zhǔn)單模狀態(tài)。泵浦引導(dǎo)包層3由未摻雜的硅石玻璃構(gòu)成并具有直徑Φ3。第三包層5由低折射率的聚合物構(gòu)成，諸如氟丙烯酰酯聚合物涂層、特氟隆 涂層或硅酮圖層，或摻雜為降低折射率的硅石玻璃，諸如例如氟摻雜的硅石玻璃。第三包層5和泵浦引導(dǎo)包層3之間的數(shù)值孔徑應(yīng)當(dāng)盡可能高以保證泵浦引導(dǎo)包層3中的泵浦光的最佳限制。
如圖I所示，核I的折射率是最高的。底座2的折射率低于核2的折射率，且高于泵浦引導(dǎo)包層3的折射率。第三包層5的折射率低于泵浦引導(dǎo)包層3的折射率。在特定情況下，核I和底座2之間的數(shù)值孔徑位于約O. 06到O. 08的范圍，且底座2和泵浦引導(dǎo)包層3之間的數(shù)值孔徑位于約O. 12到O. 20的范圍。等式(I)示出了雙折射與應(yīng)力構(gòu)件4和泵浦引導(dǎo)硅石包層3之間的熱膨脹系數(shù)差Δ α成比例。因此，獲得滿意的高雙折射的一個因素是使用應(yīng)力構(gòu)件4中的高熱膨脹系數(shù)。應(yīng)力構(gòu)件4典型地由摻雜了氧化磷(P2O5)和氧化硼(B2O3)或僅摻雜了氧化硼的硅石玻璃構(gòu)成。氧化硼增加了硅石玻璃的熱膨脹系數(shù)，且其也顯著地降低了其折射率。事實上，雙折射隨著硼摻雜水平的增加而線性增加。而且，如上所述，為了獲得高雙折射，應(yīng)力構(gòu)件4應(yīng)當(dāng)被設(shè)置為與核I盡可能地接近且足夠大。因此，應(yīng)力構(gòu)件4典型地與底座2重疊。更具體地,光纖100的中心和應(yīng)力構(gòu)件4的最近邊緣之間的距離e’位于核I的半徑rl和底座2的半徑r2之間的某處。圖3示出了圖I的光纖100沿著X軸的折射率和熱膨脹系數(shù)分布。在該實施例中，底座2的GeO2和TiO2的濃度被調(diào)整為使底座2的熱膨脹系數(shù)低于核I的熱膨脹系數(shù)，且基本上等于泵浦引導(dǎo)包層3的熱膨脹系數(shù)。在另一個實施例中(未示出)，底座2的GeO2和TiO2的濃度可被調(diào)整，以便底座2的熱膨脹系數(shù)低于核I的熱膨脹系數(shù)，且在保持可操作地接近泵浦引導(dǎo)包層3的熱膨脹系數(shù)的同時僅略高于泵浦引導(dǎo)包層3的熱膨脹系數(shù)。圖4示出了根據(jù)另一個實施例三包層保偏光纖的熱膨脹系數(shù)，其中折射率分布與圖3 Ca)中示出的折射率一樣但其中底座2的GeO2和TiO2的濃度作為光纖半徑的函數(shù)而變化，以便熱膨脹系數(shù)從核I的半徑^平穩(wěn)地降低到底座2的半徑r2。圖5示出了多包層保偏光纖的另一個實施例，其中底座102僅部分地?fù)诫s有鈦。底座由兩個同心層構(gòu)成，即，內(nèi)層106和外層107，兩個具有同樣的折射率。內(nèi)層106被設(shè)置在核101周圍并在該情況下?lián)诫s有GeO2以增加折射率。外層107被設(shè)置在內(nèi)層106周圍且共摻雜了 1102和6602。GeO2增加了折射率和熱膨脹系數(shù)，而TiO2增加了折射率但降低了熱膨脹系數(shù)。這種配置應(yīng)用在光纖激光器中，其中當(dāng)發(fā)射波長的衰減增加時，輸出功率降低。在圖I的配置中，在靠近核I的底座2中并入TiO2，這會引起發(fā)射波長的衰減增加。底座的兩層構(gòu)造106，107，其中內(nèi)層106沒有TiO2而有助于阻止這種情況。內(nèi)層106用作核101和摻雜了 TiO2的外層107之間的緩沖。對于PANDA設(shè)計，設(shè)置應(yīng)力構(gòu)件104，以便光纖的中心和應(yīng)力構(gòu)件104的最近邊緣之間的距離e’位于內(nèi)層106的半徑r6和外層107的半徑r7之間的某處。應(yīng)力構(gòu)件104由此僅與外層107重疊?，F(xiàn)在討論基于上述配置可被用于制造保偏光纖的方法的一個實例?，F(xiàn)在針對圖I示出的三包層保偏光纖100的特定實例描述處理，但注意可使用類似的處理以產(chǎn)生光纖的其他實施例。以下處理可被適配用于無源或有源光纖。制造的主要步驟如下1)制造前體(precursor)預(yù)制件；2)在前體預(yù)制件中鉆孔通道；3)拋光通道的內(nèi)表面；4)制造應(yīng)力構(gòu)件；5)在通道中插入應(yīng)力構(gòu)件；以及6)將預(yù)制件拉拔為光纖。I)制造前體預(yù)制件圖6示出了被用作前體的光纖預(yù)制件的折射率分布以制造三包層保偏光纖。前體預(yù)制件使用本領(lǐng)域已知的改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積來制造。使用提供泵浦引導(dǎo)包層區(qū)域603的低OH融合石英管。底座區(qū)域602在低融合OH的石英管內(nèi)部被制造。通過利用4/02燃燒 器來加熱SiCl4、GeCl4以及TiCl4前體的混合物，玻璃組成SiO2-GeO2-TiO2的連續(xù)層被設(shè)置在低OH融合石英管中。選擇層數(shù)和前體的流量以滿足底座直徑(Φ2)以和核直徑(Φ I)之間希望的比率，諸如Φ2/Φ1>3。注意，根據(jù)Paul 等人的 “Chemistry of titanium incorporation insilicaglass of optical perform for making of Ti doped optical fiber by theMCVDprocess”，Optical Materials，30，第 1538 到 1548 頁(2008)，其研究了 TiO2 并入到硅石玻璃的動力學(xué)，使用MCVD處理，利用TiCl4作為氣體前體，沉積溫度對于鈦濃度具有顯著不顯著的效果。但是，優(yōu)選地在低溫下沉積TiO2以避免Ti (III)中的Ti (IV)的寄生減少，因為這種反應(yīng)引發(fā)了玻璃的棕色著色，而這增加了衰減。Paul等人也推薦TiO2濃度應(yīng)當(dāng)不大于2mol%，因為太高的濃度會引起棕色著色。接下來，制造預(yù)制件的核區(qū)域601。在有源光纖的情況下，具有或不具有各種折射率增加共摻雜劑，諸如氧化鍺和/或氧化磷，的多孔硅石煙灰層被沉積在管中。隨后如本領(lǐng)域熟知的，通過溶液摻雜過程，稀土元素被摻雜到多孔層內(nèi)。稀土元素可包括銩(Tm)、鉺(Er)、鐿(Yb)等及其組合。溶液由稀土鹽前體構(gòu)成。已知Al2O3或P2O5增加硅石玻璃網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的稀土元素的溶解性。在干燥后，稀土摻雜的硅石煙灰層以高溫被燒結(jié)。管隨后通過增加燃燒器的溫度而被瓦解。在無源光纖的情況下，摻雜了增加折射率摻雜劑，諸如GeO2和/或P2O5,的硅石的連續(xù)玻璃層被沉積在管603中，通過利用H2/02燃燒器加熱諸如SiCl4、GeCl4和/或POCl3的前體的混合物。管隨后通過增加燃燒器的溫度而被瓦解。前體預(yù)制件隨后被氫氟酸蝕刻或用低OH融合石英管包覆以獲得泵浦引導(dǎo)包層區(qū)域603和核區(qū)域601之間正確比率直徑。2)在前體預(yù)制件中鉆孔通道前體預(yù)制件的截面隨后被切割用于鉆孔步驟。使用超聲波銑削加工機(jī)，鉆出兩個通道。關(guān)鍵的鉆孔參數(shù)是孔的直徑h和孔的位置。事實上，等式(I)示出了應(yīng)力構(gòu)件直徑h和應(yīng)力構(gòu)件的中心和光纖的中心之間的距離e對于雙折射具有很大影響。要求大的應(yīng)力構(gòu)件直徑h和短距離e以獲得高雙折射。在底座中添加氧化鈦允許非常接近核地鉆孔前體預(yù)制件，以便獲得應(yīng)力構(gòu)件的中心和光纖中心之間的低距離e，從而光纖的中心和應(yīng)力構(gòu)件的最近邊緣之間的距離e’滿足條件rl〈e’ <r2。3)拋光應(yīng)力構(gòu)件通道的內(nèi)表面隨后利用低強(qiáng)度H2/02火焰來拋光應(yīng)力構(gòu)件通道的內(nèi)表面以避免孔的變形。4)制造應(yīng)力構(gòu)件應(yīng)力構(gòu)件被單獨(dú)制造，諸如利用MCVD處理。等式(I)示出了雙折射與應(yīng)力構(gòu)件和泵浦引導(dǎo)包層之間的熱膨脹系數(shù)差標(biāo)注為△ α成比例。因此，應(yīng)力構(gòu)件典型地由被摻雜為增加其熱膨脹系數(shù)以便獲得高雙折射的硅石玻璃構(gòu)成。應(yīng)力構(gòu)件典型地使用摻雜有P2O5和 B2O3或僅摻雜有B2O3的硅石玻璃構(gòu)成。應(yīng)力構(gòu)件隨后被拉拔為小直徑的桿以安裝在鉆出的應(yīng)力構(gòu)件通道中。5)在通道中插入應(yīng)力構(gòu)件應(yīng)力構(gòu)件隨后被插入到預(yù)制件的通道中。該組裝的預(yù)制件隨后被拉拔為PANDA光纖。6)將預(yù)制件拉拔為光纖在被設(shè)計用于高功率應(yīng)用的三包層保偏光纖的情況下，由諸如氟丙烯酰酯聚合物涂層、特氟隆TM涂層或硅酮涂層的低折射率聚合物構(gòu)成的外包層在拉拔過程中典型地被添加在光纖周圍。低折射率包層也可由摻雜有例如氟的特定硅石玻璃組成，且其在鉆孔之前設(shè)置在預(yù)制件周圍。也可使用空氣包層的包層，通過將一個或多個硅石毛細(xì)管環(huán)圍繞在預(yù)制件周圍并用硅石管來包覆，以提供低折射率包層。在任一種情況下，最后添加保護(hù)聚合物涂層。根據(jù)光纖被設(shè)計用于的應(yīng)用，選擇三包層保偏光纖的最終直徑。實例三包層PANDA無源光纖由MCVD方法制造預(yù)制件。首先，多成分底座GeO2-TiO2摻雜硅石玻璃被設(shè)置在低OH融合石英管上。GeO2和TiO2濃度旨在使得底座和硅石包層之間的熱膨脹系數(shù)的差操作地接近零。GeO2摻雜的硅石核隨后被設(shè)置。Φ1和Φ2分別是底座和核直徑。核和底座層被最優(yōu)化，諸如Φ2/Φ1大于3。預(yù)制件隨后被燒結(jié)。在預(yù)制件被制造后，通過使用超聲波銑削機(jī)在預(yù)制件的200mm長的截面鉆兩個通道。PANDA幾何形狀被設(shè)計用于125微米直徑光纖，諸如應(yīng)力構(gòu)件直徑=30微米距離e’ =15微米在鉆孔期間沒有發(fā)現(xiàn)預(yù)制件的破裂。在鉆孔后，兩個通道都被用火拋光，且B2O3摻雜的硅石應(yīng)力構(gòu)件被插入到通道中。組裝的預(yù)制件隨后被拉拔為125微米光纖。設(shè)置UV固化低折射率氟丙烯酰酯聚合物以作為外包層且光纖由UV固化的標(biāo)準(zhǔn)丙烯酸酯聚合物保護(hù)。獲得的三包層PANDA光纖具有以下規(guī)格底座GeO2 濃度=1. 4mol%底座TiO2 濃度=1. 2mol%核GeO2 濃度=8mol%應(yīng)力構(gòu)件B2O3濃度=20%核直徑Φ 1=10微米
底座直徑Φ 2=42微米應(yīng)力構(gòu)件直徑h=27微米距離e’ =15微米核NA=O. 09底座NA=O. 13泵浦引導(dǎo)NA=O. 46雙折射Β=2· 3Χ1(Γ4測量的GeO2和TiO2濃度及其對硅石玻璃熱膨脹系數(shù)的貢獻(xiàn)被用于計算底座和硅 石包層之間的熱膨脹系數(shù)差。我們得到O. 1X10_7/°C。如所針對的，該值接近零且導(dǎo)致預(yù)制件的鉆孔沒有顯著損傷。還注意到核和底座滿足條件Φ2/Φ1>3，且距離e’滿足條件rl〈e，<r2o盡管測試是在無源光纖上做的，我們完全可以預(yù)測這也可以在某些有源光纖上實現(xiàn)?？紤]到這樣的理論，即，不可逆損壞的消失是由在底座中使用降低熱膨脹系數(shù)的摻雜劑引起的，其使得熱膨脹系數(shù)操作地接近周圍包層的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)鉆孔通道時，認(rèn)為將激光效果或其他摻雜劑添加到核不應(yīng)具有任何顯著的效果，因為鉆孔在包層和底座中實現(xiàn)。注意在上述實施例中使用氧化鈦是由于其在硅石玻璃中的光學(xué)和機(jī)械特性的組合。將理解可使用對熱膨脹系數(shù)具有抵消作用的其他摻雜劑，諸如鈮或鉭(Nb2O5、Ta2O5) °根據(jù)特定應(yīng)用，獲得的雙折射的值可在，例如2X10_4到5X10_4之間變化。因此由此可見，以上描述和示出的實例僅是示例性的。范圍由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種多包層保偏光纖,包括 核； 底座，其圍繞所述核并具有底座折射率，所述底座由摻雜有具有增加熱膨脹系數(shù)的副作用的增加折射率的摻雜劑和降低熱膨脹系數(shù)的摻雜劑兩者的硅石玻璃構(gòu)成； 包層，圍繞所述底座并具有顯著低于所述底座折射率的包層折射率； 至少一個應(yīng)力構(gòu)件，平行于所述核而延伸到所述底座和所述包層中并被適配為在所述核中產(chǎn)生用于保偏的雙折射； 外包層，具有顯著低于所述包層折射率的折射率；以及 套層，圍繞所述外包層。
2.如權(quán)利要求I所述的保偏光纖，其中所述底座的熱膨脹系數(shù)和所述包層的熱膨脹系數(shù)的值為相等和操作地接近中的一種。
3.如權(quán)利要求I所述的保偏光纖，其中所述增加折射率的摻雜劑是Ge02、P2O5中的一種。
4.如權(quán)利要求I所述的保偏光纖，其中所述降低熱膨脹系數(shù)的摻雜劑是Ti02、Nb2O5,Ta2O5中的一種。
5.如權(quán)利要求I所述的保偏光纖，其中所述包層由未摻雜的娃石玻璃構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求I所述的保偏光纖，其中所述至少一個應(yīng)力構(gòu)件具有圓形的截面。
7.如權(quán)利要求I所述的保偏光纖，其中所述核摻雜有至少一種稀土離子以用于激光或放大器應(yīng)用。
8.如權(quán)利要求I所述的保偏光纖，其中所述核在Iμ m到2 μ m之間的波長處以單?；驕?zhǔn)單模狀態(tài)操作。
9.如權(quán)利要求I所述的保偏光纖，其是無源光纖，其中所述核具有僅摻雜有增加折射率的摻雜劑的硅石玻璃。
10.如權(quán)利要求I所述的保偏光纖，其中所述雙折射位于2X 10_4和5X 10_4之間。
11.一種保偏光波導(dǎo)，包括 核，具有第一折射率且由摻雜的玻璃構(gòu)成； 第一包層，設(shè)置在所述核周圍并具有低于所述第一折射率的第二折射率，所述第一包層由至少摻雜有增加所述玻璃的折射率并增加所述玻璃的熱膨脹系數(shù)的第一摻雜劑和降低所述玻璃的所述熱膨脹系數(shù)以至少部分地抵消所述玻璃的熱膨脹系數(shù)的所述增加的第二摻雜劑的所述玻璃構(gòu)成；以及 至少一個應(yīng)力構(gòu)件，沿著所述光波導(dǎo)至少部分地延伸在所述第一包層中以在所述保偏光纖中產(chǎn)生雙折射。
12.如權(quán)利要求11所述的保偏光波導(dǎo)，還包括所述核和所述第一包層之間的中間層，所述中間層由至少摻雜有增加所述玻璃的折射率的摻雜劑的所述玻璃構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求11所述的保偏光波導(dǎo)，其中所述第一包層是底座包層，還包括 泵浦引導(dǎo)包層，設(shè)置在所述底座包層周圍且至少由所述玻璃構(gòu)成，并具有低于所述第二折射率的第三折射率；以及 外包層，設(shè)置在所述泵浦引導(dǎo)包層周圍并具有低于所述第三折射率的第四折射率。
14.如權(quán)利要求13所述的保偏光波導(dǎo)，其中所述第一摻雜劑是氧化鍺。
15.如權(quán)利要求13所述的保偏光波導(dǎo)，其中所述第二摻雜劑是氧化鈦。
16.如權(quán)利要求13所述的保偏光波導(dǎo)，其中所述底座包層的直徑至少是所述核的直徑的三倍。
17.如權(quán)利要求16所述的保偏光波導(dǎo)，其中所述底座包層的直徑小于所述核的直徑的五倍。
18.如權(quán)利要求13所述的保偏光波導(dǎo)，其中所述核摻雜有稀土元素以提供有源多包層保偏光波導(dǎo)。
19.如權(quán)利要求13所述的保偏光波導(dǎo)，其中所述應(yīng)力構(gòu)件以PANDA配置成形并設(shè)置。
20.一種用于制造保偏光纖的光纖光學(xué)部件預(yù)制件，所述預(yù)制件包括 核區(qū)域； 底座區(qū)域，圍繞所述核并具有底座折射率，所述底座區(qū)域具有硅石玻璃，所述硅石玻璃摻雜有具有增加熱膨脹系數(shù)的副作用的增加折射率的摻雜劑和至少部分地抵消所述增加熱膨脹系數(shù)的副作用的降低熱膨脹系數(shù)的摻雜劑二者；以及 包層區(qū)域，圍繞所述底座區(qū)域且具有顯著低于所述底座折射率的包層折射率； 至少一個應(yīng)力構(gòu)件，平行于所述核而延伸到所述底座和所述包層二者中，并被適配為在所述核中產(chǎn)生用于保偏的雙折射。
21.—種用于制造光波導(dǎo)的多成分娃石玻璃,所述多成分娃石玻璃包括玻璃基體；第一摻雜劑，增加所述玻璃的折射率并增加所述玻璃基體的熱膨脹系數(shù)；以及第二摻雜劑，降低所述玻璃的所述熱膨脹系數(shù)以至少部分地抵消所述玻璃基體的熱膨脹系數(shù)的所述增加。
22.如權(quán)利要求21所述的多成分玻璃,所述多成分玻璃被鉆有一個或多個孔。
23.如權(quán)利要求21所述的多成分玻璃，其中所述第一摻雜劑是氧化物或氧化物的混合物。
24.如權(quán)利要求21所述的多成分玻璃，其中所述第一摻雜劑是氧化鍺。
25.如權(quán)利要求21所述的多成分玻璃，其中所述第二摻雜劑是氧化鈦。
26.如權(quán)利要求21所述的多成分玻璃，其中所述多成分玻璃是多包層波導(dǎo)的底座區(qū)域。
27.如權(quán)利要求26所述的多成分玻璃，其具有部分地在其中延伸的應(yīng)力構(gòu)件以形成保偏波導(dǎo)。
28.一種從多包層預(yù)制件制造用于制造保偏光纖的預(yù)制件的方法，所述多包層預(yù)制件含有核區(qū)域、圍繞所述核并具有底座折射率的底座區(qū)域，所述底座區(qū)域具有硅石玻璃，所述硅石玻璃摻雜有具有增加熱膨脹系數(shù)的副作用的增加折射率的摻雜劑和至少部分地抵消所述增加熱膨脹系數(shù)的副作用的降低熱膨脹系數(shù)的摻雜劑二者；以及包層區(qū)域，圍繞所述底座區(qū)域并具有顯著低于所述底座折射率的包層折射率，所述方法包括 在所述多包層預(yù)制件的包括所述底座區(qū)域的一部分和所述包層區(qū)域的一部分二者的混雜部分中鉆孔至少一個圓形截面的通道。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，還包括拋光所述通道的至少一個內(nèi)表面中的每一個并隨后將對應(yīng)的應(yīng)力構(gòu)件插入到至少一個所述通道的每一個中?；诙喑煞止枋ＡУ母唠p折射保偏光纖
相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求享有申請人于2010年5月13日提交的美國臨時申請61/334，218的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
背景技術(shù)：
在一些應(yīng)用中,偏振變化可誘導(dǎo)輸出光束不穩(wěn)定性。由此期望穩(wěn)定輸出光束的偏振狀態(tài)，這是通過使用保偏(polarization maintaining)光纖做到的。在已知類型的保偏光纖中，PANDA光纖被廣泛使用，且具有至少一個，且更典型地，兩個平行于核而延伸的應(yīng)力構(gòu)件，并包括保偏不對稱。PANDA光纖可被制造為有源或無源保偏光纖，因為其制造過程允許應(yīng)力施加部件或應(yīng)力構(gòu)件的單獨(dú)制造，且光纖使得核不摻雜或摻雜有例如用于激光或放大器應(yīng)用的稀土離子。
盡管有一定的滿意度，但從其可處理的功率量的角度來說，之前的保偏光纖具有局限性。發(fā)明內(nèi)容
對于高功率應(yīng)用，使用多包層、大模面積光纖是有利的。這些纖維具有大的稀土摻雜的核。由激光泵二極管發(fā)送的光被射入到光纖的包層，這被稱為泵浦引導(dǎo)，且隨后耦合到摻雜有稀土的核(即，具有摻雜核的稀土摻雜劑)。大的稀土摻雜的核的更大表面積有助于管理有源光纖中的損傷，給定聚焦光束的高注入功率，損傷可能發(fā)生。光纖的更低的核數(shù)值孔徑和卷繞可隨后被使用于仍然維持在單模(或更可能是準(zhǔn)單模)核狀態(tài)下操作光纖。
為了提供這樣的低核數(shù)值孔徑，可使用多包層配置。第一包層，被稱為底座(pedestal)，插入在摻雜有稀土的核和被稱為泵浦引導(dǎo)的硅石包層之間。該設(shè)計的主要優(yōu)點是具有這樣的可能性，即，具有可以單模操作進(jìn)行操作的高摻雜核。核和底座由摻雜的硅石玻璃構(gòu)成。為了制造具有高雙折射能力的保偏光纖，一種方式是應(yīng)用具有這樣的光纖的PANDA配置。
但是，由于雙折射水平(其影響保偏特點的效率)與應(yīng)力構(gòu)件和核之間的距離以及應(yīng)力構(gòu)件的直徑有關(guān)，且給定底座直徑的要求，在這樣的光纖上使用PANAD配置，導(dǎo)致應(yīng)力構(gòu)件部分地延伸到包層部分并部分地延伸到底座以達(dá)到滿意的雙折射水平。
PANDA光纖典型地由管棒法(rod-in-tube)制造，這涉及在光纖預(yù)制件中鉆通道，隨后在其中插入應(yīng)力構(gòu)件。組裝的預(yù)制件隨后被拉拔為PANDA光纖，其中預(yù)制件的比例(包層的相對直徑和應(yīng)力構(gòu)件的位置)基本上被維持。在鉆孔過程中，在具有兩個不同部分的預(yù)制件的硅石玻璃的截面鉆出通道。在底座部分，典型地?fù)诫s硅石以增加相對于包層部分的折射率或折射，所述包層部分典型地沒有被摻雜。在玻璃的該混雜(heterogeneous)部分的鉆孔導(dǎo)致發(fā)生不可逆的損傷，這使得預(yù)制件不能有效地拉拔為光纖。
該損傷的一個可能的原因是在底座中使用的增加折射率的摻雜劑典型地具有增加底座材料的熱膨脹系數(shù)的副作用。由于周圍的包層典型地沒有這樣的摻雜劑，由此產(chǎn)生折射率臺階，周圍的包層不會遭受熱膨脹系數(shù)的增加，且由此具有與底座部分不同的熱膨脹系數(shù)。典型地在鉆孔操作期間產(chǎn)生熱，受到鉆熱的影響時，在鉆孔過程中對預(yù)制件的損傷很可能是 底座和包層的不均勻熱膨脹的結(jié)果。
向底座加入又一種摻雜劑以抵消導(dǎo)致折射率增加的摻雜劑對于熱膨脹系數(shù)的副作用，且由此使得底座的熱膨脹系數(shù)盡可能地與包層的熱膨脹系數(shù)接近，同時維持包層和底座之間滿意的折射率臺階。所述又一種摻雜劑在此被稱為降低熱膨脹系數(shù)的摻雜劑。測試已顯示當(dāng)在混雜底座/包層部分中鉆通道時，其成功地限制了損傷的發(fā)生。
此后，根據(jù)一個方面，提供了一種光纖預(yù)制件，其具有核、具有增加折射率的摻雜劑和降低熱膨脹系數(shù)的摻雜劑的底座、圍繞底座的包層以及部分地在包層及部分地在底座中鉆出、并容納應(yīng)力構(gòu)件的至少一個通道。底座的熱膨脹系數(shù)可由此接近包層的熱膨脹系數(shù)。
根據(jù)另一個方面，提供了一種多包層保偏光纖，其包括核、圍繞核并具有底座折射率的底座，所述底座由摻雜有具有增加熱膨脹系數(shù)的副作用的增加折射率的摻雜劑和降低熱膨脹系數(shù)的摻雜劑二者的硅石玻璃構(gòu)成；包圍所述底座的、并具有顯著低于底座折射率的包層折射率的包層；平行于核而延伸到底座和包層二者中、并被適配為在核中產(chǎn)生用于保偏的雙折射的至少一個應(yīng)力構(gòu)件；外包層，具有顯著低于包層折射率的折射率；以及圍繞外包層的封套。
根據(jù)又一個方面，提供了一種多包層保偏光波導(dǎo)，其包括具有第一折射率并由摻雜的玻璃構(gòu)成的核；圍繞所述核并具有低于所述第一折射率的第二折射率的底座包層，所述底座包層至少摻雜了第一摻雜劑，其增加所述玻璃的折射率并增加所述玻璃的熱膨脹系數(shù)，以及第二摻雜劑，其降低所述玻璃的所述熱膨脹系數(shù)以至少部分地抵消所述玻璃的熱膨脹系數(shù)的所述增加；泵浦引導(dǎo)包層，設(shè)置在所述底座包層的周圍并至少由所述玻璃構(gòu)成且具有低于所述第二折射率的第三折射率；外圍包層，設(shè)置在所述泵浦引導(dǎo)周圍并具有低于所述第三折射率的第四折射率；以及至少一個應(yīng)力構(gòu)件，沿著所述光波導(dǎo)至少部分地在所述底座包層中延伸以在所述保偏光纖中產(chǎn)生雙折射。
根據(jù)又一個方面，提供了一種保偏光波導(dǎo)，其包括具有第一折射率并由摻雜的玻璃構(gòu)成的核；第一包層，設(shè)置在所述核周圍并具有低于所述第一折射率的第二折射率，所述第一包層由至少摻雜有增加所述玻璃的折射率并增加所述玻璃的熱膨脹系數(shù)的第一摻雜劑以及將所述玻璃的所述熱膨脹系數(shù)降低以至少部分地抵消所述玻璃的熱膨脹系數(shù)的所述增加的第二摻雜劑的所述玻璃構(gòu)成；以及至少一個應(yīng)力構(gòu)件，沿著所述光波導(dǎo)至少部分地在所述第一包層中延伸以在所述保偏光纖中產(chǎn)生雙折射。
根據(jù)又一個方面，提供了一種從多包層預(yù)制件制造用于制造保偏光纖的預(yù)制件的方法，所述多包層預(yù)制件具有核區(qū)域、圍繞所述核并具有底座折射率的底座區(qū)域，所述底座區(qū)域具有硅石玻璃，所述硅石玻璃摻雜有具有增加熱膨脹系數(shù)的副作用的增加折射率的摻雜劑和至少部分地抵消所述增加熱膨脹系數(shù)的副作用的降低熱膨脹系數(shù)的摻雜劑二者；以及包層區(qū)域，圍繞所述底座區(qū)域并具有顯著低于所述底座折射率的包層折射率，所述方法包括在所述多包層預(yù)制件的包括所述底座區(qū)域的一部分和所述包層區(qū)域的一部分的混雜部分鉆孔至少一個圓形截面的通道。
根據(jù)又一個方面，提供了一種用于制造光波導(dǎo)的多成分娃石玻璃，所述多成分娃
全文摘要
保偏光纖或其預(yù)制件為具有基于摻雜有降低熱膨脹系數(shù)的摻雜劑的多成分硅石玻璃的底座的PANDA類型，該降低熱膨脹系數(shù)的摻雜劑可抵消增加折射率的摻雜劑的增加熱膨脹系數(shù)的副作用，這樣當(dāng)鉆孔預(yù)制件以在具有底座部分和包層部分二者的混雜區(qū)域形成應(yīng)力構(gòu)件通道時，熱膨脹系數(shù)足夠接近以管理損傷，該損傷由鉆孔熱度引起的不均勻熱膨脹導(dǎo)致。
文檔編號G02B6/036GK102933995SQ201180023760
公開日2013年2月13日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月13日
發(fā)明者E·加格農(nóng), C·拉豐, B·莫拉瑟, S·沙蒂格尼 申請人:科拉克蒂夫高科技公司