专利名称：处理作为调相器和开关使用的光纤和材料的方法
技术领域：
本发明涉及光通信，更具体地讲，本发明涉及一种利用加热和极化电场处理石英光纤和其它硅基材料以感应光调制和光交换所需的光学非线性的方法。
在吉赫至数个吉赫范围工作的调相器和开关是光通信系统，局域网，和光纤传感器，特别是光纤陀螺仪中的光纤传感器所需关键器件。直到现在，合理高频(＞1MHz)的低压调相和开关还不可在任何形式的全光纤组件中使用。它一般是由一个LiNbO3集成光(IO)通道波导器件提供的，其依赖于LiNbO3的电光特性通过一个外部施加电场调制光信号的相位。但是，当把这些IO器件插入一个光纤回路时，将导致至少1dB的相当大的耦合损耗。把IO器件物理耦合于光纤的所谓猪尾连接(pigtailing)过程也是高成本和十分困难的。用一个全光纤调制器代替这些IO通道波导调制器，通过提供一种能够直接连接到回路光纤的器件将会消除高成本和技术上的困难。连接也将一同消除通常发生在光纤/IO接口的机械不稳定性和不希望的反射损耗。
在通信领域中，损耗制约更大。光纤市场的大部分是面对包括成百个，具有极低总损耗，一般低于0.1dB串行开关的多用户系统。这样严格的要求再次基本上排除了IO组件。这些考虑实际上要求这些器件必须用玻璃基光纤制造。其它许多应用也可以从远红外和紫外线光纤基器件的低传输损耗获得好处，并且因此可以把其它电光器件，电光光纤调制器和开关在一个大的波长和功率范围中使用。
本发明的目的是一种新方法，这种方法能够在包括，但不限于，用熔凝石英制造的标准光纤和IO波导器件的玻璃基材料中感应大的电光系数，并因此而能够制造单模光纤中的低压电光相位振幅调制器和开关。如同其IO对应物，由低电压、低电流信号直接驱动这些器件。
简单地讲，把一种石英或其它玻璃基材料放置在一个最好是真空腔的密封室内的炉子中。逐渐把炉内温度从室温提高到450℃左右或更高等级的最大值T1。以一种不会物理地损害玻璃材料的速度提高温度。在升温期间或是在达到最高温度之后对石英材料施加一个电场。电场强度应当尽可能高，在800V/μm或更高的等级，和/或电压应当在不超过材料的介质击穿值的前提下尽可能高(10kV或更高)。将温度和电场维持一段时间(极化时间)，该时间的范围是数秒至数十分钟。然后以足以使材料处于恒定的极化平衡的低速逐渐降低温度。当样品的温度已经降低到一个足够低的值时切断电压，该温度最好是室温(一般为20℃)，尽管较高的温度(例如50℃)也可以。
通过参考附图可以从以下的说明和所附的权利要求更为清楚地了解包括其处理替代方法的本发明。
图1示出了实施本发明的装置；图2是显示本发明的极化温度周期的时间和温度曲线图。
标准单模光纤是由非晶石英制造的，其一般不具有二阶非线性，特别是电光效应。我们提出的用于在光纤中感应二阶非线性的方法是极化，沿用了几年前S.Brueck及其新墨西哥大学的合作者提出的方法。见Opt.Lett.Vol.16，1732(1991)中R.A.Myer，N.Mukerjhee和S.R.J.Brueck所写“极化熔凝石英中的大二阶非线性(Large Second-OrderNonlinearity in Poled Fused Silica)”一文。极化包括提高玻璃样品的温度到大约280℃左右，并对其施加数分钟的高电压(见Myers等人的文章)。X.-C.Long，R.A.Myers，和S.R.J.Bruek在Electronic Letters vol.30，pp.2162-2163，1994的“在温度/电场极化光纤中线性电光效应的测量(Mearsurement of linear electrooptic effect intemperature/field poledoptical fiber)”一文中提到，这种简单的方法已经用来在一个石英衬底中感应出0.4pm/v等级的电光(非线性)系数r。这个值要比以前用不同方法(光电感应的非线性)在相同的光纤中感应的强二到三个数量级。见U.Osterburg和W.Margulis在Opt.Lett.Vol.11，516(1986)中发表的“用在玻璃光纤中倍增的NdYAG激光脉冲频率泵激的染色激光(Dye Laser Pumped by NdYAG Laser Pulses Frequency Doubled in aGlass Optical Fiber)”，和D.M.Kroll和J.R.Simpson在Opt.Lett.Vol.16，No.21，1650-1652，Nov.1991中发表的“在稀土掺杂的铝硅酸盐光纤中的光电感应二次谐波产生(Photoinduced Second-Harmonic Generationin Rare-Earth-Doped Aluminosilicate Optical Fiber)”。我们，以及其他一些人，自从应用了该极化方法已经成功地在包括石英通道波导的各种玻璃基材料中展示了电光调制器和二次谐波产生。见A.C.Liu，M.J.F.Digonnet和G.S.Kino在Opt.Lett.Vol.19，No.7，466-468，(April1994)中发表的“在石英通道波导中的电光调相(Electro-optic PhaseModulation in a Silica Channel Waveguide)”论文。从这些测量方法推导出的电光系数一般具有与Broeck等人报导的相同的等级。但是，由于通过上面定义的极化方法产生的非线性区仅延伸到波导芯的一部分，并且由于它的非线性仍然太弱，因此观察到的调相相当低，大约为35mrd。作为比较，为制造一个有用的调相器或开关，需要有一个π的调相。一年半前，在澳大利亚的光纤技术中心(OFTC)对相同效应所作的研究产生了5.8pm/V的电光系数r的显示。见T.Fujiwara，D.Wong，Y.Zhao，S.Fleming，S.Poole和M.Sceats在19th Australian Conf.on Opt.Fibre Techno.，Postdeadline Paper PDP-3，1994上发表的论文“在石英光纤中用紫外线激励极化感应的电光效应(Electro-optic effect induced byUV-excited poling in a silica fiber)”。为此目的，他们在室温，紫外线照射下，用比以前强得多的电场(-80V/μm)极化光纤。最近，南安普敦大学报导了光纤技术中的新进展，从中可以得到1.3pm/V的电光系数r。见P.G.Kazansky，A.R.Smith，L.Dong，P.St.J.Russel在Conf.onlasers and Electro-optic 1996，Paper CWK2，1996年6月发表的论文“在经过内电极极化的石英光纤中的二次谐波产生(Second harmonicgeneration in silica fibers poled via internal electrodes)”。
为校准目的，在标准商用IO调制器中使用的LiNbO3电光系数r为-31pm/V。利用这个值，在2.5-cm长的LiNbO3波导管中，在1.55μm信号波长的π的调相需要-10伏的电信号。电光效应的响应时间非常短，可以在10fs范围内。因此，调制器的响应受电路影响，并根据电路设计在毫微秒至微微秒的范围内。由于施加的一般也是10伏的电压足够低，因此这样高的调制频率是可能的。一个重要的考虑是石英的介电常数大约是LiNbO3的1/20。结果，电光石英光纤器件可以比LiNbO3器件的长20倍，并仍然具有同样的容量和频率响应。因此，即使是比较长的器件(数十cm)也将在GHz范围内响应。相反，如果我们把LiNbO3调制器的需要与具有较小非线性的极化石英调制器的相比，后者需要较长的器件但同样的调制电压，并且它将展示同样的响应时间。换言之，对于石英器件，我们可以容忍某种较小的非线性，例如几pm/V级，以制造实际上的高速器件。
尽管上述结果令人鼓舞，但该领域存在着一些问题。第一，OFTC所报导的5.8pm/V的值从公开起就受到怀疑。包括我们本身和原研究人员在内的一些研究组一直试图重现这个值，但没有成功。第二，包括我们本身在内的几个研究组已经再现的值0.4pm/V，一般仅出现在极化阳极下面几微米的空间区域。因此，对于实际器件该非线性区太小并且不够强。第三，对于导致形成非线性区的物理过程仍然不十分理解，直到最近本领域技术人员还在严重怀疑能够在物理上解释5.8pm/V这样高的值。
我们在阐明这种非线性的可能的机理上进行了实验和理论研究。至今，假定的解释是被称为石英的X(3)的矫正。石英呈现了一种被称为克尔效应的三阶非线性。根据矫正模型，在极化期间，空间电荷(电子)在材料内迁移一短距离，并在离它们原始位置稍远的地方被俘获，例如在缺陷位置。这些电荷结合它们留在后面的带正电的空穴产生了一个内电场EDC。当把这个极化的材料用作调制器时，在其两端施加一个频率为ω的调制电场E(ω)，并把要调制的光信号射入材料。接着这三个电场(EDC，E(ω))，和光信号)被三阶非线性混合，以产生一个在频率ω调制的光信号。也就是说，DC电场已经矫正三阶非线性。该器件的作用象一个具有等效r值的电光调制器，r值可以表示为r＝1.36X(3)EDC。
这个最后的等式可以用来估算利用这种方法可能取得的最大可能的r值。在实际中，很难估算极化方法感应的电场EDC。但是，由于这个电场不可能超过石英的介质击穿电场，因此我们可以为该值的可能范围设置一个上限。我们并不十分了解石英的击穿电场，并且它取决于包括玻璃成分，杂质含量以及机械性质等几个参数，但是文献中提到的在光纤中测量到的最大值是大约800V/μm。适于在上述等式中使用的X(3)是用于DC电场的X(3)。尽管还没有测量到石英中这个参数的值，但可以从张量X(3)的两个元素的差的测量中导出下限值(例如见M.C.Farries和A.J.Rogers在Electronic Letters vol.19 pp.890-891，1983中发表的论文“石英光纤中的克尔效应的温度关系(Temperaturedependence of the Keer effect in a silica optical fiber)”。从这个参量，可以推导出X(3)＞1.610-22m2/V。根据上一段结尾处引用的等式，r＝1.36X(3)EDC，那么可以获得关于pm/V的r的最大可能值。第一结论是，矫正机理可以解释成批抽样中测量的r的大小。第二结论是，这同一种机理能够或不能够解释最新报导的r的较高的值(1.3至5.8pm/V)。
现在我们认为对计划方法是关键的机理的第二种机理，是偶极子取向。在极化过程中，施加于样品的高电场使分子键，特别是在使用石英场合的Si-O键，向平行于施加电场的方向空间取向。每个Si-O是一个不对称的偶极子，并因此呈现小的二阶非线性。在具有规则空间取向的Si-O键晶体石英中，所有分子的作用结构地加在一起，产生一个相当大的宏观非线性(r-0.5pm/V)。在未极化的非晶石英中，Si-O键是空间随机取向的，并且它们的作用相互抵消，即，没有净宏观非线性。极化非晶石英，使一些键在优先方向(施加电场的方向)取向，这感应出有限的宏观非线性。这种偶极子取向，机理在其它材料的极化中是已知的，例如聚合物的极化。基于熔凝石英的非线性的估算表明这种机理可以导致迄今报导的1.3-5.8pm/V等级的、甚至更大的r值。
最近我们通过理论研究感应的r对光信号偏振的依赖关系，进一步阐明了这一机理。我们的发现是，如果非线性是由于X(3)的矫正，那么具有平行于极化电场偏振的光信号和一个具有垂直于极化电场偏振的光信号应当经历相同的调制。如果它是由于偶极子取向，那么一个偏振应当经历比另一个强3倍的调制。文献中报导的测量，以及我们最近进行的未公布的测量，清楚地显示了两种偏振调制的3比1的比率。这一结果是偶极子取向是最可能的机理的另一个证据。
根据这两个发现，我们可以制订出一种用来产生非常强的非线性的改进的极化技术。由于希望定向大密度的键，关键的要求是(1)把样品加热到尽可能大的增大分子扰动的温度，和(2)施加介质击穿所允许的尽可能高的大电场，以便大部分分子在电场方向上对准。这与通常极化聚合物的作法是一致的。在一个特定的参考例中，掺杂聚合物在200℃左右的温度下，用100-300 V/μm的电场极化。见J.F.Valley等人在Appl.Phys.Lett.Vol.60，No.2，160-162，Jan.1993中发表的论文“电光聚酰胺基质薄膜的热塑性和平行板极化(Thermoplasticity and parallel-plate poling of electro-optic polyamide host thin films)”。到现在，石英是在300℃温度下，用80V/μm的电场极化的。报导的最高r值(5.8pm/V)实际上是用80V/μm的最高电场取得的，但是它是在室温下进行的。我们相信，通过同时增加极化温度(至450℃或更高)和电场(至接近石英的击穿电场，即，800V/μm或更高)或电压(大于20kV)，我们可以增大定向分子的比例，超过迄今所达到的，并且因此感应出更大的非线性。
在室温，干空气的击穿电场发生在3V/μm左右。在较高的温度下，这个值降低。由于空气的击穿电场如此的低，特别是在升高的温度下，必须在实践中使用专门技术，以便在高温和高电场极化。一种解决方案是在真空中操作。在一给定温度，当降低空气压力时，击穿电压首先降低，然后增大。为了能够在450℃或更高温度下极化，极化装置(炉子以及供给电压的导线和电极)必须放置在10-7tort或更低的真空中。这可以用成批样品，波导芯片或光纤进行。
作为替代，本发明的第二实施例是使用一个具有较大的横向尺寸的样品。横向尺寸的意思是样品在垂直于其厚度方向上的尺寸。在这种方法中，两电极之间的空气通路增大。当这一通路足够长时，沿所述通路感应的电场低于极化温度的空气介质击穿电场，并且不会发生空气击穿。作为一个特定的实施例，如果将样品在空气的介质击穿是0.4V/μm的提高的温度下极化，样品周围的电极之间的空气通路必须大于40kV/0.4V/μm，或大于10cm。因此，在这个特定的例子中，样品的横向尺寸必须至少为10cm，以避免空气击穿。结果，在这个实施例中，可以在空气中进行极化，消除了对真空的要求。
在别处还有另一种涉及双电极光纤的验证的技术可以使用，在空气中或在真空中(见Fujiwara等人和Kazansky等人的论文)。这些光纤具有与标准单模光纤相同的波导特性，除了它们有两个平行于芯延伸，对称地位于芯两侧几微米处的小孔。薄金属电极从相反的方向插入每个孔中，使它们沿光纤的一段长度空间重叠。从相反的方向插入电极避免了在空气中击穿。
第四个可能的实施例涉及一种所谓的D-型光纤，即，一种在包层表面之下一小段距离(一般为几微米)具有一个芯的光纤。通过在高真空中将这种光纤放置在两个电极之间并加热的方法极化光纤。由于非线性区恰好在阳极区下面产生，必须定向光纤，以使其芯区正好在阳极之下，使得在光纤的芯区感应出非线性区。在这种方法中，在芯中行进的光信号将更强地与非线性重叠，产生最大的相移。
熟悉本领域的读者将发现，显然各种标准电场抑制技术，即，专门用来提高空气击穿电压或电场临界值的技术也可以以直通的方式在本发明的范围中使用(例如，见L.E.Myers，R.C.Eckardt，M.M.Fejer，W.R.Bosenbert，和J.W.Pierce在Journal of Optical Society of AmericaB.(Optical Physics)，vol.12，no.11，pp.2102-2116，Nov.1995中发表的论文“在批量周期极化的LiNbO3中的准相位匹配光参量振荡器(Quasi-phase matched optical paramettricoscillators in bulk periodicallypoled LiNbO3)”)。
图1示出了极化装置的示意图。炉子放置在一个封闭室内，封闭室如上所述可以是一个真空室。显示在图2中的极化过程中样品的热周期是重要的。在时间t＝t0＝0，样品在室温，接通炉子使温度开始升高。可以在此时施加极化电压，或在温度达到其最大值T1的时间，t＝t1时施加。在加热期间温度的升高的速率，在图2中标为α1，必须足够慢，以避免玻璃的热损伤。对于石英基玻璃，通常适用每分钟几℃的速率，虽然其它较低或较高的速率也能产生同样的结果。在时间t＝t1之后，迫使温度保持在T1的水平，直到时间t＝t2。最佳极化时间t2-t1可以是与当前极化方法所用的相同等级，在一分钟至数十分钟的范围。对于一个给定的极化电场或电压，我们期望有一个将产生非线性强度，非线性区深度，或两者意义上的最好结果的最佳极化温度Topt。这个最佳温度可以用实验测量。作为替代，可以选择一个高于Topt的温度T1，并在t＝t2开始以足够慢的速率冷却样品同时一直施加极化电场。在这种方法中，样品在一个足够长的时间内(比如说数分钟)保持在给定温度附近。在温度从T1降低到Topt的过程中，使样品在一个逐渐降低的温度下再极化，当温度到达Topt时达到最佳极化条件。当进一步冷却(T＜＜Topt)样品时，由于温度太低使得在高电压存在条件下，早先已经对准的偶极子不能显著运动，因此样品的极化状态不再进展。因而极化特性保持不变和最佳。因此，这种缓慢变化的方法允许最佳极化而不必确切地了解确切的最佳极化温度。为使这种方法成为可能，冷却速率(图2中的α2)应当足够低，以使样品能够在一个恒定的极化平衡中。每数分钟1℃(例如，0.5-9.1℃/分钟)的冷却速率可能是适宜的。在样品冷却到足够低的温度后，可以用较高的速率降低温度，可以用每分钟数℃的速率，并且随温度的降低可以提高这个速率，其目的是减少总的冷却时间。冷却速率可以开始安全地增加的温度将取决于玻璃的成分以及它的热历程，并且必须用短实验实验地确定。因此，相应的总冷却时间t3-t2一般在10-20小时或更短的范围。当样品温度接近室温时，切断电场，完成了极化过程。
作为替代，如上所述，可以实验地确定Topt并在温度Topt极化，然后使用较快的冷却(在速率α1)。可以通过在各种温度T1进行重复的极化，用中等快的速率(也是相对于α1的α2)冷却，并测量每个极化温度的样品的非线性，实验地测量最佳温度Topt。最佳温度是产生非线性强度，非线性区深度或二者意义上的最大非线性的温度。在确定了Topt之后，除了可以用较高的速率冷却之外，比如说每分钟数℃，用前一段中所述的相同的方法进行极化，。
这种改进的极化技术预期会产生等于LiNbO3的非线性的相当大小比率的非线性。因此，我们预期在10-cm光纤中仅用20-30V的1.55μm信号的π调相。器件的内耗极小。只要为每个信号波长调节电压(由于调相随信号波长的倒数变化，即，较短的波长需要较低的电压)，一个给定器件将具有等于光纤的波导带宽的带宽，即，数百毫微米。同样，通过用一种在一个适当频谱范围中携带单模的光纤制造它，这种类型的光纤调制器可以在紫外至红外范围的任何地方使用。
这里公开的方法与现在已知的热极化方法不同。主要的差别在于本方法使用(1)高得多的温度(大于450℃)，和(2)高电场(每微米数百伏)。这应当与经常在其下进行热极化的典型条件比较，即，280℃左右的温度和高的施加电场而不是小的电场和电压(一般在一个一至数毫米厚的样品两侧施加数千伏电压)。
以上我们详细说明的解释在高电场和高温度极化的重要性的机理不同于文献中公开的机理。如上所述，一个研究组宣称极化样品的非线性取决于施加的极化电压而不是施加的电场，这意味在相同电压下极化的两个不同厚度的样品将产生相同的非线性。见Myers等人的论文。另一小组公布了一种研究，从这个研究中他们得出了与我们在这里提出的正好相反的结论，即，极化石英的非线性背后的机理是由于空间电荷的X(3)的矫正。见P.G.Kazansky和P.St.J.Russel在Opt.Comm.Vol.110，611-614，1994中发表的论文“热极化玻璃内冻结电场或定向偶极子？(Thermally poled glassfrozen-in electric field or orienteddipoles？)”。
这种分歧并不影响本发明的内容。本发明人进行的未公布的实验显示，.使用这里描述的极化技术，即，在高温(＞400℃)和高电压(＞30kV)或高电场(＞10V/μm)下极化产生具有比文献中所述的在低温，低电场和/或低电压热极化技术极化相同的玻璃获得的更强和/或更深的二阶非线性的非线性区。例如，对于一些商业散装玻璃，加大极化电压或极化电场(对于400℃左右的极化温度和大约30分钟的极化时间)提高了非线性区的强度和/或深度。这一结论适用于设在Georgia州Duluth的Heraeus Amersil公司制造的Infrasil 302，Herasil 1和T08(商业级玻璃)。其它玻璃组合物可能以同样的方式响应这三个极化参数的增大，尽管这些参数的最大(由击穿施加的)和/或最佳值的确定取决于玻璃的成分，并需用最小和直通实验来实验确定。
尽管是参考特定的实施例来说明本发明的，该描述仅是对本发明的说明并不限制本发明。熟悉本领域的技术人员可以对其进行各种修改和应用而不脱离所附权利要求所定义的本发明的真实精神和范围。
权利要求
1.一种在石英材料中感应非线性的方法，包括步骤a)把石英材料放到一个受控环境内的炉中，b)将炉内的温度以不会物理地损害石英材料的速率逐渐提高到一个升高的温度，c)通过石英材料施加一个低于石英材料的介质击穿的电场，d)以足以能够使石英材料是极化平衡的低速率逐渐降低炉内温度。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述受控环境是真空。
3.如权利要求1所述的方法，其中步骤b)把温度提高到450℃或更高的等级。
4.如权利要求1所述的方法，其中步骤c)施加800V/μm或更高等级的电场。
5.如权利要求1所述的方法，其中电场施加的时间周期在一至数十分钟的范围内。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述石英材料是光纤。
全文摘要
一种极化诸如光纤之类的石英材料的方法,通过这种方法感应电光非线性,使得材料能够在光通信应用中起调相器和开关的作用。极化是在450℃或更高等级的提高温度,利用800V/μm或更高等级的电场,经过一至数十分钟范围的时间周期而生效的。
文档编号C03B32/00GK1194694SQ97190639
公开日1998年9月30日 申请日期1997年6月3日 优先权日1996年6月4日
发明者米歇尔·迪戈内, 艾丽丝·刘, 戈登·基诺 申请人:利兰·斯坦福初级大学理事会