专利名称：生成共掺杂层和包含共掺杂层光纤的方法
背景技术：
发明领域本发明涉及一种生成共掺杂层的方法，尤其是光纤里的共掺杂层，更特别的是用于光纤纤芯的有高掺杂浓度的共掺杂层。
相关工艺描述光敏光器件是这样一种器件，把器件暴露在光照射下，一般在光谱的紫外区域，它的折射率会改变。光敏光器件已被认识了许多年。现在，人们对光敏光器件有很大的兴趣，特别是光敏光纤光栅，因为它们易于制造、应用广泛，尤其是在电信和传感领域。需要大的光敏性来允许生成大的光诱导折射率变化。改进的光敏性允许许多新应用，比如极宽带的反射器/滤波器，超短光栅，包层模抑制光栅，和其它所知的光子带隙器件。已知共掺杂光纤，比如掺锗和硼或掺锗和锡，提高了最好的光敏单模掺杂也就是掺杂了锗的光纤的光敏性。以前人们对光敏光纤的需求不断增加而一般不需要纤芯的高掺杂浓度。当然，共掺杂光纤还可以有其它用途，不管光纤怎么使用，同样有取得高程度掺杂浓度共掺杂光纤的问题。
这里所用的共掺杂指的是两种或更多种杂质被放在同一区域，与其相反，诸如渐变折射率光纤这样的光纤在不同的分层中有不同的掺杂浓度。在常规的共掺杂工艺中，所有的杂质被同时加入过程中来形成一个共掺杂的光纤纤芯。但是，一般不同的杂质需要不同的条件，比如温度，内部气压等等来达到最佳综合功效。
在使用B和Ge的特例中，掺杂B需要比掺杂Ge相对低的温度。另外，BCl3氧化产生了局部高浓度的Cl2环境，这显著的减小了GeCl4氧化。而且，B2O3减小了玻璃粘性，这样又加速了GeO2的热分解。最坏的情况是要防止Ge掺杂到纤芯折射率相对初始材料是负的这样一种程度。
发明概要本发明可以通过制造共掺杂层的一种方法来实现，包括了生成有第一种杂质的第一层，在第一层上面生成有第二种杂质的第二层，第一层生成后紧接着进行第二层的生成，第一层和第二层相互扩散以至于基本上消除了它们之间的层结构。
生成第一和第二层的每一层时可以包括沉积一种杂质并固化该层。固化可包括烧缩该层。沉积和固化可以连续进行。固化可以在不同条件下执行，比如温度，气压，而沉积却不。第一和第二层的沉积和固化也可以都在不同条件下进行，比如温度，气压。
在相互扩散前，可在第二层上面生成掺有第三种杂质的第三层。第三种杂质可以和第一和第二种杂质中的一种相同。邻接层不需要不同的杂质。这些层可以有多于一种的杂质。
在生成第一和(或)第二层以前，将要生成该层的区域需要冷却。
本发明另外可以通过制造包含共掺杂层的光纤的一种方法来实现，包括了生成有第一种杂质的第一层，在第一层上面生成有第二种杂质的第二层，第一层生成后紧接着进行第二层的生成，第一层和第二层相互扩散以至于基本上消除了层之间的界限，生产有共掺杂的层的光纤，在那里形成有所需尺寸的光纤。生成第一层和第二层的方法可以在光纤结构的纤芯区域进行。
本发明的这些和其它特征会在后面给出的详细描述中更容易的呈现出来。但是，需要理解显示本发明的较好实施例的详细描述和特例只是为了举例说明而给出的，显然那些工艺上的能手将在根据详细描述的本发明精神和范围内作出不同变化和修改。
附图概述上文的和其它的目的，特征和优点将通过参考图来描述，其中
图1a示出了一个管子和包层的端面横截面，在其中形成了纤芯；图1b示出了图1a中的管子和包层的纵向截面图；图1c示出了图1a中的管子和包层并在那里有第一沉积层的纵向截面图；图1d示出了图1c的结构并在那里有第二沉积层的纵向截面图；图1e示出了图1d在塌缩后的结构；图2是根据本发明方法的流程图。
较好实施例的详细描述根据本发明，在光纤生成过程中，杂质是独立掺入的。这种独立的掺入排除了改进的化学汽相沉积法(MCVD)的一个特点，MCVD通常用于能够同时沉积和固化的光纤制造中，比如单程生成纤芯。当在纤芯中掺杂多于一种杂质时，也将这种单程生成法在同一时间用于所有的杂质。根据本发明的独立生成各层的方法允许最优化每一层的生成条件，并且能够使用适用于每种杂质的条件。然后，生成的各层相互扩散，于是得到基本均匀的掺杂分布。
杂质集中的最优化也可以通过在生成各层中连续进行沉积和固化来进一步的改进。使用连续的沉积和烧缩可以增加单掺杂光纤的生产量或生成有性质不同的掺杂区域的光纤，但这种连续沉积不能用于联合制造有连续杂质分布的共掺杂光纤。根据本发明，连续沉积和固化使得杂质的集中效率更优化。由于一般沉积需要的温度低于固化需要的温度，于是可以实现集中沉积的最优化。
另外，根据本发明，沉积和固化的分离使得固化环境从一般的氧化环境改变到更利于提高光敏性的环境。比如，当Ge是掺入的一种杂质时，在还原条件中进行烧缩能产生更多的缺少中心的氧化锗(Gerelatedoxygen)，这增加了光敏性。这样，通过增加光纤里掺杂的杂质量和改变烧缩环境以提高光敏性，本发明可以用于产生增加了光敏性的光纤。
图1a示出了管子10和包层12的端面截面图，图1b示出了它们的纵向截面图，其中纤芯材料根据本发明沉积。到现在为止，形成共掺杂层的结构的制作方法是常规的。请注意所有的结构图只为示意而用。它们并不成比例，为了清晰一些，其厚度，包括相对厚度被放大了。另外，图1b-1e示出的纵向截面图只是部分的截面图，这可从在末端的破折线看出。
于是，如图1c所示，为了在最佳条件下进行沉积和固化，在最佳条件下供给第一种杂质来形成第一层。然后，如图1d所示，为了在最佳条件下进行沉积和固化，在最佳条件下供给另一种杂质来形成第二层。不同的杂质在它们各自最佳条件下的沉积和固化可按需要重复数次。另外，为了保证最终共掺杂层的均匀性和/或使杂质充分沉积，可以在不同的层掺杂相同的杂质。比如，先是一个Ge层，再是一个B层，然后是另一个Ge层，然后是另一个B层，等等，也可以在许多相邻的层包含相同的杂质。另外，某一层的杂质类型可以不止一种。此外，虽然在许多层中可使用不止一种杂质，但相邻的层不一定需要不同杂质。
如图1e所示，一旦沉积和固化了所有所需层，就对该结构塌缩来形成有均匀纤芯18的预制棒，也就是，能够知道交替沉积要保持没有层结构。然后，该预制棒准备拉制成所需参数的光纤或经另外加工来达到所需的纤芯/包层比例。
图2示出了本发明的工艺概要。在形成如图1a的管结构或其它共掺杂层已生成的适当结构后，开始概要工艺过程。在20中，冷却管子来增加粉尘集中效率和稳定化学反应流。一般，管子沉积的最大温度低于200℃。然后，在22中，在所需条件下沉积第一种杂质。一般，所需条件要求得到所需杂质的最大集中效率。在24中，通过在不同沉积条件下烧缩固化该层。
在26，如果图1c所示的带有第一层的管子不具备所需的温度，则使之冷却。然后，在需要的条件下沉积带有另一种杂质的另一层。其它杂质一般与第一种杂质不同。这样，沉积条件一般与22中先前条件不同，该沉积条件一般能实现其它杂质的最大集中效率。然后其它层在30中被固化，比如通过烧缩，烧缩条件和前面24中的烧缩条件可以不同。
31示出了任何需要结合的任何数目的额外层，比如，所有层可有不同的杂质，一些层可有先前沉积的相同杂质，一些层可包括不止一种杂质，等等，这些层在它们各自所需的条件下沉积和固化。另外，如前面所述，当层是连续生成时，每一层在单程通过中生成，但更愿以所示的连续方法生成。换言之，22，24可同时进行，22，24后面的28，30也可同时进行。如果所有层都已生成，流程进到32。
在32中，一旦沉积和固化了所有所需层，整个结构被塌缩形成如图1e所示的预制棒。烧缩促进了杂质的互相扩散并且使纤芯层的合成物均匀化。在生成的结构中不需要在折射率分布上分辨出纤芯中层的存在。塌缩可用常规方法完成，温度最好在层的固化温度之上。不会导致充分内部扩散的一层的最大厚度依赖于特殊的杂质扩散系数。但是，在许多沉积过程中，烧缩预制棒时的一些生成厚度会导致充分的内部扩散。
下面讨论一个特例。沉积了包含了Ge，F，P和Si的一个标准包层。在SiCl4扩散器(bubbler)中的O2流大约600sccm，在GeCl4扩散器中为70sccm，在POCl3扩散器中为75sccm，SiF4为5sccm。这样一个构成形成了一个障碍层来防止管子和H2/O2炉的水扩散。掺入F和P是为了减小处理温度。掺入Ge是为了补偿折射率减小和减小拉制导致的衰减。
在形成纤芯层以前，已经形成的管子需要为了下面的沉积而冷却以来提高粉末集中效率和稳定化学反应流。纤芯沉积从Ge沉积开始。Ge粉末层在较适宜温度下沉积，比如1550℃。然后，粉末层通过烧缩固化。在这个例子中沉积和固化是连续完成的，为了不增加掺杂浓度就使光灵敏度或生成光纤的其它所需特性最佳化，完成固化的条件和沉积的条件可以不同。比如，当使用Ge作为一种杂质时，可以通过在包括烧缩方法的固化中使用还原环境或氧化环境来实现这样一种增进。依赖于环境温度在比如1880℃通过O2和/或He和/或CO和/或Cl2和/或其它气体执行烧缩。
然后是B的沉积，实际上是B/Ge共沉积。在这个沉积通过中，BCl3和GeCl4气体都要流过。但是，过程条件要使B沉积最佳化。因此，温度要减小到比如1450℃。另外，B层的熔点比Ge层低，包括了烧缩的固化在一个减小的温度，比如1700℃上进行。
在B/Ge沉积和固化之后，沉积另一层Ge层，接着是另一层B/Ge层，然后是一共五层的最后的Ge层。层数依赖于需要的最终目的和应用。每一层的生成一般包括冷却、沉积和固化。使用这种方法，能够实现B2-O3和GeO2的浓度都大于15重量百分比。
一旦所需的层都生成了，管子就塌缩成预制棒。在塌缩时使用高温，也就是高于固化温度，比如2000-2100℃，可促进杂质的相互扩散。塌缩实质上使纤芯的成分均匀，也就是，消除了交替的层结构。
于是根据本发明，许多不同掺杂的层能够分别生成，最好在最佳条件下对每一层分别沉积和固化。结果是，结构可以相互扩散来消除层结构。
虽然来源于光敏光纤光栅的需要提供了一种可以增加共掺杂浓度的方法，但本发明可用于生成任何需求用途的共掺杂光纤。
另外，虽然上述描述是关于形成共掺杂的纤芯，但本发明的工艺也能够用于形成任何要求的共掺杂层。比如，使用本发明可以生成在光纤状态的环状结构，凹陷包层，光敏包层，等等，所有的都不止一种杂质并且沿共掺杂区基本上是均匀折射率分布。
虽然本发明在这里引证描述特定用途的实施例，但可以理解本发明另外不限于此。比如，虽然在沉积以前最好冷却一下，但不需要对所有的掺杂层都这么做。那些拥有普通工艺技能并且有权使用这里提供的教导的人可以认识到在本发明的范围和本发明不需过分的实验就显著有用的另外的领域的另外的修改，应用，和实施例。这样，本发明的范围不限于所给出的例子，而需要由附加的权利要求和它们的法律等价物来决定。
权利要求
1.一种制造共掺杂层的方法，其特征在于，包括生成有第一种杂质的第一层；生成在第一层上的有第二种杂质的第二层，所述第二层紧接所述第一层的生成而生成；以及第一层和第二层相互扩散以基本上消除它们之间的层结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一层的生成包括了沉积第一种杂质并且固化第一层。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的固化第一层包括了烧缩第一层。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，另外包括了所述固化条件和所述沉积条件不同。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的第二层的生成包括进行沉积的条件和所述第一层的沉积条件不同。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的第二层的生成包括进行固化的条件和所述第一层的固化条件不同。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第二层的生成包括了沉积第二种杂质并且固化第二层。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，另外包括了所述固化条件和所述沉积条件不同。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一层的生成和这里所述的第二层的生成在不同条件下完成。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在互相扩散以前，另外包括了生成在第二层上的有第三种杂质的第三层。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，这里的第三种杂质和第一和第二种杂质中的一种相同。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的互相扩散包括了塌缩第一和第二层。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二层中至少一层包括了不止一种杂质。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述不止一种杂质包括了一种与第一和第二层以外的杂质一样的杂质。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一和第二种杂质的一种是Ge，另一种是B。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的生成每一层包括了连续的沉积一种杂质并且固化该层。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述的对第一和第二层里至少一层的固化包括了在氧化和还原环境中的一个环境下的烧缩。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，另外包括了在所述的第一和第二层里至少一层的生成以前，冷却将要生成层的区域。
19.一种制造有共掺杂层的光纤的方法，其特征在于，包括在光纤结构里生成有第一种杂质的第一层；生成在第一层上的有第二种杂质的第二层，所述第二层紧接所述第一层的生成而生成；第一层和第二层相互扩散以基本上消除它们之间的层结构；加工有共掺杂层的光纤以使光纤有需要的尺寸。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述的第一层的生成和所述的第二层的生成发生在光纤结构的纤芯区域。
全文摘要
一种生成共掺杂层的方法，包括了生成有第一种杂质的第一层和至少有另一种杂质的另一层，然后相互扩散这些杂质来生成基本均匀的共掺杂层。在同一层中可以沉积不止一种杂质。每一层的生成条件可以最优化。另外，当一层的生成包括了连续的沉积和固化时，在层的生成中每个工艺的条件可以最优化。虽然形成了至少两层，但互相扩散基本上消除了任何的层化或层结构。
文档编号C03B37/018GK1402655SQ00815627
公开日2003年3月12日 申请日期2000年7月24日 优先权日1999年9月17日
发明者戚钢, M·R·斯万 申请人:康宁股份有限公司