专利名称：模场直径纤维转换器、局部变化光波导折射率的方法以及制备光波导预制件的方法
技术领域：
本发明涉及光纤。
K.Shiraishi,Y.Aizava,S.kawakamid在对比文献“使用掺杂剂热扩散的光束膨胀纤维(Beam Expanding Fiber Using Thermal Diffusion ofDopant)”，光波技术IEEE杂志．(IEEE Journal of LightwaveTechnology),1990，第8卷，第8期，P1151-1161中公开了常规的模场直径纤维转换器，该转换器包括光波导段，该光波导包括石英玻璃皮料和掺锗的石英玻璃芯料，其中芯料直径沿该光波导的长度而变化，向着其端部增加。在上述现有技术的模场直径纤维转换器中，由于在锗的热扩散过程中的径向掺杂曲线的重新分布而产生芯料直径的纵向变化，这种重新分布形成了光波导的折射率结构。
这种模场直径纤维转换器的问题在于由于锗向石英玻璃中的扩散系数较小而引起的复杂技术，使得用来产生模场直径纤维转换器所需的光波导的热处理时间加长。除此之外，该扩散只能在接近熔点的温度1600-1800℃的温度下才能有效进行，因而会造成光波导变形。
最接近所说的发明的纤维转换器是含有包括石英玻璃皮料和掺杂的石英玻璃芯料的光波导段的模场直径纤维转换器，其中芯料的直径沿着该光波导的长度而变化，向着其端部增加(例如参见US5381503,IPC:G02B6/10)。在该现有技术的纤维转换器中，首先用锗和氟掺杂该芯料。与锗不同，氟降低了石英玻璃的折射率并且在1600-1800℃的温度下具有较大的热扩散系数。结果，当将具有双掺杂的芯料的光波导加热时，氟更快地渗透到皮料中，从而使玻璃芯料的折射率有效地增加，由此而使模场直径降低。
上述现有技术的缺点在于模场直径纤维转换器的制造过程复杂并且模场直径变化的范围较窄，它是由于与锗一起导入到芯料中的氟的浓度有限而造成的。此外，氟扩散不可避免地在这种光波导中导致产生低折射率的区域，它们不利于与常规光波导的耦合。
O.Hill,Y.Fujii,D.C.Johnson和B.S.Kawasaki在对比文献“光纤波导的光敏性应用到反射过滤器制造(Photosensitivity in Optical FiberWaveguides:Application to Reflection Filter Febrication)”，应用物理通讯(Appl.Phys.Lett.)1978,Vol.32.No.10,P.647-649中描述了一种用于局部改变光波导折射率的方法，它包括将该光波导向外暴露。折射率的变化由于光折射作用而发生并且由于缺陷的存在而引发，该缺陷使得该光波导芯料的吸收光谱中出现特殊的吸收带。在这种情况下会发生二光子作用。在该光波导中，入射的光束和由该端面反射的光束相互干扰，引起折射率发生周期变化。
上述现有技术方法的缺点在于工艺复杂、折射率范围较小(△-10-6)、不能改变所产生的光栅的周期、成本较高以及用来实施该方法的设备操作较复杂。
另一种用于局部改变光波导的折射率的方法由G.MeltzW.W.Morey,W.H.Glen公开在对比文献“用横向全息照相方法在光纤中形成布喇格光栅(Formation of Bragg Gratings in Optical Fibers by a TransverseHolographic Method)”，光学通讯(Opt.Lett.),1989,vol.14,No.15,p.823-825中，该方法包括将光波导向外暴露。根据该方法，将光波导向波长接近240钠米的激光辐射暴露。采用干涉作用在该光波导中形成光栅，它是将两束光以θ角指向该光波导表面。通过改变θ角可以改变所形成的光栅的周期。
但是上述现有技术的缺点在于局部改变光波导折射率的技术太复杂。
K.O.Hill,F.Bilodean,B.Malo,D.C.Malo,D.C.Johnson,I.S.Kinner在“使用外写入光栅在通讯光纤中的有效模转换(Efficient Mode Conversionin Telecommunication Fiber Using Externally Writing Gratings)”电子通讯(Electron.Lett.),1990,vol.26,p.1270-1272中公开了一种用于局部改变光波导折射率的方法，它包括将该光波导向外暴露。在这种方法中，将光敏光波导从侧面向经过一个细缝的紫外激光辐射暴露。在暴露区域中，发生由光子诱发的局部折射率增加，它对应于写入该光栅的一个槽。然后终止暴露并且将该光波导以与光栅周期相等的距离向激光束轴向位移，此后再写入下一个光栅槽。通过周期性地重复光波导暴露和轴向位移过程可以形成具有不同折射率的芯料区域的周期序列，它表示一个光栅。
但是，由于采用紫外激光辐射以及许多光波导的光敏类型是有限的，因而使得这种局部改变折射率的方法变得相当复杂。此外，所采用的紫外激光是相当昂贵的并且使用起来较复杂，可靠性不够并且其辐射对人眼有害。
最接近本发明的技术是一种用来局部改变光波导折射率的方法，它包括将包括皮料和芯料的光波导段加热，该皮料和芯料均基于石英玻璃并且其中至少一种是掺杂的，从而使包含在芯料中的元素局部热扩散到皮料中，和/或包含在皮料中的元素局部热扩散到芯料中。例如参见US5381503,IPC:G02B6/10。在该方法中，光波导段在一种电阻加热炉中加热。
用锗和氟进行双掺杂明显地使模场直径纤维转换器的制造过程复杂化。这种方法的另一个缺点在于它不能控制沿该光纤轴改变芯料折射率的规则，它是通过加热炉中的温度分布来限定的并且在工艺过程中不能改变。另一个问题在于该光波导在加热时会由于在将该光波导固定时出现的潜在的应力的松弛而发生变形。
用来制造用于石英玻璃基光波导的预制件的方法包括将含有氧原子和硅原子的分子气态试剂的混合物送入到基体管中并且将在该混合物中发生的反应的产物沉积在该基体管的内表面上，例如该方法公开在光纤通讯联系参考书(the Reference Book of Fiber Optic Communication Links),L.M.Andrushko,V.A.Voznesenskii,V.B.Katok等人；编者S.V.Svechnikov和L.M.Andrushko，基辅，技术(Tekhnika),1988,p.69。
但是，由掺氮的石英玻璃制造预制件在这种方法常用的热力学平衡条件下是行不通的。
与本发明最接近的用来制造用于以掺氮的石英玻璃为基础的光波导预制件的方法包括将含有氮原子、氧原子和硅原子的分子气态试剂混合物送入到基体管中，在该混合物中激发微波放电并且将在该混合物中发生的反应的产物沉积在基体管的内表面上。例如参见E.M.Dianov,K.M.Golant，R.R.Kharpko,A.S.Kurkov,A.L.Tomashuk“由SPCVD制备的低氢氧碳化硅光纤(Low-Hydrogen Silicon Oxynitride Optical Fibers Prepared bySPCVD)”，光波技术IEEE杂志(IEEE Journal of LightwaveTechnology),1995,vol.13,No.7,p.1471-1474。这种方法的基础是通过SPCVD法在石英玻璃基体管的内壁上等离子体增强合成掺氮石英玻璃层而制造光波导预制件。
但是，这种方法在技术上是复杂的，其原因在于它在预制件合成过程中没有使用可以重复控制石英玻璃中氮浓度的工艺参数，这一参数是在光波导芯料和皮料之间获得所需的折射率差△n所必须的。
本发明的一个目的在于光波导预件的制备过程以及以它们为基础的装置。
上述目的可以通过常规的模场直径纤维转换器来实现，该纤维转换器含包括石英玻璃皮料和掺杂的石英玻璃芯料的光波导段，芯料的直径沿光波导而变化，向着其端部增加，其中根据本发明，该光波导的芯料用一种掺杂剂，如氮掺杂，掺杂剂的浓度为0.01原子％-5原子％。
本发明的目的还可以通过用于制备模场直径纤维转换器的常规方法而获得，该方法包括将含皮料和芯料的光波导段加热，皮料和芯料每一种均以石英玻璃为基础并且其中至少一种是掺杂的，其中根据本发明通过将具有以0.01-5原子％浓度掺氮的芯料的光波导段加热而产生局部热扩散，所说的加热是通过电弧电流或红外激光的辐射而进行的。
更进一步地说，光波导段的加热是周期性中断的，并且在该周期性中断过程中，加热区域沿着光波导轴以可以被折射率变化间隔整除的距离作相对位移。
更进一步地说，可以产生掺杂剂，如磷、铝、钠、钾、锂、铈、锗、氟、硼和至少一种稀土元素的局部热扩散。
利用5毫安-500毫安的电弧电流将光波导加热0.1秒-600分钟，该电弧沿该光波导轴位于大到1毫米-15毫米的区域中并且通过带有尖端的电极而产生，在所说的加热之后，在对应于预定的模尺寸的区域中以与其轴相垂直的角度切断光波导段。
该电弧可以沿该光波导轴以可变的速度位移，和/或电弧电流可以变化。
更进一步地说，为了避免由于在将光波导固定在两点上时的机械应力而引起的变形，在热扩散之前将该光波导连接一根辅助光波导。
可以通过CO激光器、CO2激光器、Er激光器或Ho激光器的辐射来进行加热。
更进一步地说，可以将具有氧氮化硅(Si3N4∶SO2)基芯料的光波导段加热。
本发明的目的还可以通过用于制备掺氮石英玻璃光波导预制件的常规方法而达到，该方法包括将含有氮、氧和硅原子的分子气态试剂混合物送入到基体管中，在该化合物中激发微波放电并且将在该混合物中发生的反应的产物沉积在基体管的内表面上，其中根据本发明送入到基体管中的分子气态试剂被混合成在每一个硅原子上有少于5个原子的氧并且在每1000个氧原子上有超过一个原子以上的氮。
更进一步地说，该分子气态试剂混合物至少是下列混合物中的一种SiCl4+O2+N2,SiCl4+O2+NO3,SiCl4+O2+N2O3,SiCl4+O2+N2O4,SiCl4+O2+N2O,SiCl4+O2+NO和/或SiCl4+O2+NH3。
更进一步地说，基体管的温度为900-1300℃。
更进一步地说，用来在基体管中激发微波放电的功率为0.1-10kW。
更进一步地说，在基体管中的气态试剂处于0.05-50mmHg压力下。
根据本发明的光波导模场直径纤维转换器、用于局部改变光波导折射率的方法和制备用于生产模场直径纤维转换器的光波导预制件的方法属于一个发明构思并且联合起来达到上述技术结果。
由下列实施方案的描述并结合附图可以更清楚地明白本发明。
图1表示光波导模场直径纤维转换器的结构；芯料直径上的电场E(r)的分布；作为原该光波导轴的距离z的函数的芯料直径d和折射率n；图2是采用电弧用于制备光波导模场直径纤维转换器的装置的方框图；图3是采用CO激光器用于制备光波导模场直径纤维转换器的装置的方框图；图4是热扩散之前光波导辐射的方向图5是热扩散以后光波导辐射的方向图；图6是采用电弧用于调节折射率的装置的方框图；图7是采用激光器用于调节折射率的装置的方框图；图8表示采用热扩散制得的长度为20毫米的长周期光栅的特殊透光光谱；图9是根据本发明的用于实施预制件制造方法的装置的方框图。
参见图1，模场直径纤维转换器包括一光波导段1，该光波导段包括皮料2和芯料3，其中芯料3的直径d朝着光波导长度的端部4增加，而其有效折射率则递减。
在采用电弧用于制备模场直径纤维转换器的装置中(图2)，带有尖端的电极5以与光波导1的轴垂直地放置。光波导1通过夹具6而固定。辅助光波导7用夹具9固定在三维微米定位器8上。
电弧10沿光波导轴通过传送器11利用步进电机12而移动。电极与设定电弧电流的动力源13相连。通过计算机14控制电弧位移和电流。
在采用CO激光器15用于制备模场直径纤维转换器的装置中(图3)，通过透镜17将辐射光束16聚焦在光波导1上。功率调节器18调整激光辐射16的强度。带有步进电机12的传送器19沿着轴相对于辐射光束16而移动光波导1。功率调节器18和传送器19的移动通过计算机14来控制。
为了测定模尺寸，在该模场直径纤维转换器的输出处测定辐射图(图4和5)。
用于实施本发明的方法的装置(图2)按下面所说的方式进行操作用辅助光波导7通过电弧10连接光波导1，辅助光波导7已经用微米定位器8预先经过调整。然后将电弧10设定在进行热扩散的光波导1的长度上，或者将电弧沿该光波导移动。利用静止电极5，加热区的尺寸可以大到0.1-5毫米，这取决于电极5与电弧10电流之间的距离。光波导1的局部区域向电弧10暴露的时间取决于电极5沿光波导1的移动速度。通过调整电弧10的移动速度，可以在其端部4靠近时沿着光波导1改变芯料3的直径。一旦热扩散终止，在对应于所需的模尺寸的区域中、靠近光波导1与辅助光波导7相连的区域以直角切割光波导1。
另一种用于实施本发明的方法的装置(图3)的操作方式如下。
通过激光辐射光束16将光波导1与一种辅助光波导7相连，辅助光波导7事先以已经用微米定位器8进行了调整。然后将光波导1和辅助光波导7沿着它们的轴通过传送器19一起相对激光辐射光束16移动。光波导1的局部区域向CO激光辐射的暴露时间取决于光波导1相对于激光光束16的移动速度。通过调整光波导1的移动速度，可以在其端部4靠近时沿着光波导1改变芯料34的直径。沿光波导1的轴改变芯料3的直径的原则还可以采用功率调节器18通过在光波导1相对于激光光束16的均匀位移调整激光辐射强度而设定。通过静止光波导，加热区的尺寸可以大到0.01-15毫米，这取决于透镜17的焦点长度及其位置。一旦热扩散终止，在对应于所需的模尺寸的区域中、靠近与辅助光波导7相连的区域以直角切割光波导1。
为了防止芯料向皮料模转换，模直径一直在变化的光波导的长度L和芯料直径d应该具有L＞＞d的关系。实际上，如果L＞1毫米，才具有这种关系。当静止电弧位于沿该光波导的轴大到1-5毫米的区域中，电极尖端之间的距离以及电弧10的电流一直在变化，或者当电弧沿着光波导的轴位移从而加热长度为1-15毫米的光波导时，才可以使芯料直径获得如此平滑的变化。光波导1的加热温度还取决于电极和电弧电流之间的距离。我们的经验指出根据掺杂剂的类型，电弧电流应该在5-500毫安之间。为了产生所需的热扩散，光波导1向电弧10的暴露时间应为0.1秒-600分钟，并且电弧沿光波导轴的移动速度应在1微米/秒-1厘米/秒之间的变化。
模场直径纤维转换器与其它部件的连接由于该模场直径纤维转换器的折射率分布不包括折射率递减的区域而变得很容易，折射率递减在其中一种掺杂剂是氟时是不可避免的。我们的经验使我们推断氮的浓度应为0.01-5原子％。
在采用电弧的用于定期调节折射率的装置中(图6)，电极5设置成与包括皮料2和芯料3的光波导1的轴成直角。该光波导通过夹具6和9固定。电极连接到设定电弧10电流的电源13上。带有步进电机12的转送器11用来沿该光波导轴移动电极5，形成周期性局部区域20，在该区域中，芯料折射率由于热扩散而与未进行热扩散的区域的不同，如图6中曲线所示，该图表示沿该光波导轴的作为坐标z的函数的芯料折射率n。为了对折射率的调整进行监测，装置(图6)包括一白色光源21和光谱分析议22。计算机14控制转送器11的步进电机12并且通过控制电源13确定电弧10的条件。
在利用激光器15调节折射率的装置中(图7)，通过透镜17将激光辐射16聚焦在光波导1的芯料3上。暴露时间由快门23设定，光波导相对激光束16的位移通过受计算机14控制的带有步进电机12的转送器19提供。
本发明的基础是一种新型的调节光波导1芯料3的折射率的原理。在最接近的现有技术中，折射率由于在向紫外光暴露时的光折射作用而发生变化，而根据本发明，这一点是通过在该光波导的局部区域被电弧放电10(图6)或红外激光15的辐射(图7)时而导致包含在芯料3和/或皮料2中成分发生热扩散而造成的。扩散使芯料3的折射率发生局部变化，即写入光栅的一个槽。整个光栅是通过在加热区沿光波导轴以可以被光栅周期整除的距离位移时连续写入各个槽而形成的。光栅槽可以通过以两个周期、两次穿过光波导1相同区域连续相对光源10(图6)或16(图7)移动光波导1而写入，反之亦然。
光栅槽的写入浓度和时间取决于光波导1芯料3和皮料2的化学成分，并且可以较容易地通过常规试验来确定。在具有掺GeO2芯料的石英光波导1中，Ge在超过1400℃的温度下发生有效的扩散。长写入时间和接近二氧化硅熔化温度的高温下的缓慢扩散使得光波导1发生变形。
芯料3基于氧氮化硅SI3N4∶SiO2的石英光波导1或者带有石英芯料3和掺氟皮料2的光波导1没有避免这种问题，这是因为N和F向二氧化硅中的扩散速度大大超过Ge的。结果，它们会在明显低的温度下发生扩散并且在相当少的时间内写入一个槽。
光波导1可以通过电弧放电10来局部加热，该电弧与在用来连接光波导的装置中的相似。加热区长度和温度可以通过选择电极5之间的距离和电弧10电流而改变。更进一步地说，电板5之间的距离可以在D-100D范围内或更大，D是光波导1的外径，而电流可以在5-50mA范围内或更大。
局部加热还可以通过具有辐射波长16的激光器15来实现，在该波长下光波导1的材料具有0.1cm-1-10cm-1的吸收率。为此可以采用红外激光器，如波长为约5微米的CO激光器、波长为约10微米的CO2激光器、波长为2.76微米的Er激光器以及波长为2.94微米的Ho激光器。虽然纯石英玻璃在Er激光辐射波长下的吸收低于5×10-2cm-1，但由于含有水的石英光波导中的OH键振荡吸收键(波长2.76微米)，可以将其吸收值提高几个数量级。
利用电弧10，可以达到的最小加热区约等于光波导1的外径，通常为125微米。向红外激光辐射暴露可以使最小加热区在10微米以下。
在长周期光栅中，由于芯料3和皮料2模之间的共振耦合、能量有选择地由芯料3模耦合到皮料2模上并且在涂覆到皮料2上的外聚合物涂层中快速散发。这些共振波长由光栅周期和范围确定，通常为200-400微米。确切的是该作用证明了可以对光波导1的折射率进行调整。
与最接近的现有技术相比，本发明具有下列优点。
热扩散使得即使在具有弱光折射作用的光波导1中也可以对折射率进行调整。
本发明采用电弧放电10或红外激光器15作为加热源，这种加热源生产和操作均简单，因此成本相当低廉。
红外辐射器15和电弧10的辐射16对于人类来说比紫外激光辐射更安全。
利用电弧10(图6)，可以按照下面所说的方式实施本发明的方法。
将已经从上面剥下保护聚合物涂层的光波导1固定在静止夹具6和9中，然后通过微米定位器8和步进电机12沿光波导1的轴z固定电极5，其位置与改变折射率的第一区相对应，而后接上电弧10的电源13并且在预定的时间内加热光波导1，随后断掉电弧10的电源13。通过带有步进电机12的传送器11沿光波导1的轴z向着改变折射率的下一个区域(与折射率调整周期的第一区隔开)移动电极5，而后再接上电弧10的电源13并且在预定的时间内加热光波导1，而后将电弧10的电源断开。周期性地重复上述操作，从而有多个重复对应于在光波地1的芯料3中所需的折射率调整周期数量。传送器11的步进电机12和电弧10的电源13通过计算机14来控制，从而在按照合适的规律时产生所需的顺序以及操作的周期。为了对形成折射率光栅的过程进行监视，利用光谱分析仪22和白光光源21对加热的光波导1的透光光谱进行测定。一旦达到与芯料3的皮料2模之间的共振作用相对应的所需的吸收峰深度，可就可以终止该过程。
与图6的装置不同的是，在采用红外激光器15的用于周期性调整折射率的装置中(图7)，将光波导1固定在夹具6和9中，这些夹具固定在传送器19的可以移动的部件上，该传送器使光波导1相对于对光波导1进行局部加热的红外激光器15的辐射光束16进行移动。通过透镜17将光束聚焦并且周期性地通过快门15而终断。图7的装置根据与前面对图6的装置所说的相似的方式进行操作并且通过计算机14来进行。
为了对用来实施本发明所说的制造光波导预制件的方法的装置进行说明，图9表示基体石英管24、分子气态试剂的混合物25、沉积区26、通过光波导28施加的管间隙29上的微波功率27、表面等离子体波30、带有活塞32的相匹配的部件31以及等离子体柱33。
在几个毫米汞柱的压力下，将组合物SiCl4+O2+N2的分子气态试剂25的混合物供入石英玻璃基体管24中。从相对一侧，将微波功率27施加到管24上，管24保持在该混合物中静态放电，产生等离子体柱33。该试剂25是与四氯化硅一起的干燥氧和氮。在进入等离子体柱33的区域时，试剂25由于在该混合物中出现活性基团而发生化学转化，所说的活性基团是在与等离子体“热电子”相互作用时在该混合物中由未激发的分子产生的。结果，由于包括含氮基团在内的异相反应，四氯化硅转化成被石英管24的壁吸收的氧化硅并且最后氧化成二氧化硅，从而形成掺杂的石英玻璃沉积区26。通过改变所施加的微波功率27而改变等离子体柱33的长度，可以沿基体石英管24扫过沉积区26，由此而使玻璃一层一层地沉积在内表面上。
氮向石英玻璃中的热扩散系数大大高于锗的。这就容易形成模场直径纤维转换器，其原因在于与最接近的现有技术不同的是它不需要加入具有高热扩散系数的掺杂剂来形成膨胀芯料3(图1)，并且热扩散的时间缩短了。
一旦完成了沉积过程，将内表面沉积了掺氮玻璃层的基体石英管24通过在燃烧火焰中加热而热缩成棒。然后将由此形成的预制件拉制成单模光波导1。
将具有掺氮芯料3的石英光波导1用来制造模场直径纤维转换器，该纤维转换器的模直径大约一个数量级。芯料3中的氮浓度为1原子％。初始光波导1的芯料3的直径为4.5微米，芯料3与皮料2之间的折射率差为△n=0.012。通过静态电弧加热的区域为0.3毫米，电弧电流为14mA，光波导加热区的长度为5毫米。在靠近光波导1与辅助纤维7的连接点时，电弧移动速度逐渐由500微米/秒变化到10微米/秒。暴露时间为1分钟。在热扩散过程中没有发现光波导发生变形，这是因为光波导1通过夹具6仅仅固定在一点上并且在另一侧与辅助纤维7相连，该辅助纤维事先通过微米定位器8进行过调整(图2)。
模直径由离开该光波导的辐射图计算，该光波导由位于相对端面的激光二极管照明。图4表示在热扩散之前的光波导1的辐射图。可以看出，在半强度水平上的辐射图的宽度为7.1度，它对应于4.9微米的纤维模直径。图5表示热扩散之后光波导的辐射图。可以看出，半强度水平上的辐射图的宽度降低到0.8度，它对应于43微米的模直径。
因此，采用本发明可以使模直径由4.9微米增加到43微米。与最接近的现有技术不同的是，该模场直径纤维转换器由于所需的工艺步骤数量降低而可以更容易地制备。由于与光波导1相连的辅助光波导7进行了热扩散，在现有技术中由于应力松弛而导致的光波导变形在该热扩散中完全得以避免。与最接近的现有技术不同的是，根据本发明制得的模场直径纤维转换器的折射率分布中不含有折射率降低的区域，这使得它完全可以与常规的相比。
还可以将长周期光栅写入直径为4.5微米的Si3N4∶SiO2芯料3和直径为120微米的SiO2皮料2的石英光波导1中，其中芯料与皮料的折射率差为△n=0.012并且氮浓度为1原子％。
在第一种实施方案中，加热源为电弧放电10(图6)。电弧10通过距离为250微米的传送器6沿光波导1轴向移动，控制精度为10微米。电极5之间的距离和电弧10的电流分别为150微米和5mA，从而使得折射率改变的区域20的尺寸与光波导1的直径大约相同。采用一种显微镜来监测该尺寸，芯料3光辐射区的特征尺寸为120微米。写入每一个槽所用的时间为1秒。光栅周期为250微米，总槽数为80。
通过光谱分析仪22来监视透射光光谱(图8)。该光谱显示出与芯料3模共振耦合到具有不同的潜在指数的皮料2轴向对称的模上相对应的7个吸收峰。这毫无疑问地表明对光波导1的芯料3的折射率进行周期性的调整并且芯料3的折射率的长周期光栅产生。
为了制备带有不掺杂的石英玻璃皮料2、掺氮的玻璃芯料3和折射率差为0.02的光波导1的预制件，将直径为20毫米、壁厚为2毫米的基体石英管24加热到1300℃。在总压力为1毫米汞柱的条件下，将组份为SiCl4+O2+N2的混合物25供入基体管24中。微波功率27在1kW-5kW范围内变化，所需的氮掺杂玻璃的量是在质量流速比[SiCl4]∶[O2]=0.92以及[O2]∶[N2]=0.5的条件下获得的。单位时间内加入到该反应器中的氧和硅原子量的比为2.2，而氮与氧的原子比为2。
为了制备具有未掺杂的石英玻璃皮料2、掺氮的玻璃芯料3和折射率差为0.01的光波导1的预制件，将直径为20毫米、壁厚为2毫米的基体石英管24加热到1300℃。在总压力为1毫米汞柱的条件下，将组份为SiCl4+O2+N2的混合物25供入基体管24中。微波功率27在1kW-5kW范围内变化，所需的氮掺杂玻璃的量是在质量流速比[SiCl4]∶[O2]=0.92以及[O2]∶[N2]=0.5的条件下获得的。单位时间内加入到该反应器中的氧和硅原子量的比为2.6，而氮与氧的原子比为2。
本发明涉及光纤并且可以用于纤维辐射准直仪、光波导偶合器、滤光器、光学分离器、长周期光栅、分散补偿器、在模拟拉曼作用上的格状模场直径纤维转换器、物理数值(折射率、温度、应力等等)敏感器、用于预定波长的辐射拟制元件，如用于在Er纤维扩增器中在1.53微米波长下提高自发发光峰，在其它光学范围内操作、在Ne扩增器和激光器中在1.06微米区域内的自发发光，以及在所使用的Er纤维扩增器中，特别是在具有波长分区重合的系统中用于平整光谱。
权利要求
1．一种模场直径纤维转换器，它含包括石英玻璃皮料(2)和掺杂的石英玻璃芯料(3)的光波导(1)段，芯料(3)的直径沿光波导(1)的长度而变化，向着其端部(4)增加，所说的模场直径纤维转换器的特征在于该光波导(1)的芯料(3)用一种掺杂剂，如氮掺杂，掺杂剂的浓度为0.01原子％-5原子％。
2．一种用于局部改变光波导(1)的折射率的方法，它包括下列步骤将包括皮料(2)和芯料(3)的光波导(1)段加热，皮料和芯料每一种均以石英玻璃为基础并且至少其中一种是掺杂的，使包含在芯料(3)中的成分局部热扩散到皮料(2)中，和/或使包含在皮料(2)中的成分局部热扩散到芯料(3)中，所说的方法特征在于通过将具有以0.01-5原子％浓度掺氮的芯料(3)的光波导(1)段加热而产生局部热扩散，所说的加热是通过电弧(10)电流或红外激光(15)的辐射(16)而进行的。
3．权利要求2的方法，其中光波导(1)段的加热是周期性中断的，并且在该周期性中断过程中，加热区域沿着光波导轴以可以被折射率变化间隔整除的距离作相对位移。
4．权利要求2的方法，其中所说的局部热扩散是掺杂剂，如磷、铝、钠、钾、锂、铈、锗、氟、硼和至少一种稀土元素的局部热扩散。
5．权利要求2的方法，其中利用5毫安-500毫安的电弧电流将光波导(1)段加热0.1秒-600分钟，该电弧(10)沿该光波导(1)的轴位于大到1毫米-15毫米的区域中并且通过带有尖端的电极(5)而产生，在所说的加热之后，在对应于预定的模尺寸的区域中以与其轴相垂直的角度切断光波导(1)段。
6．权利要求2的方法，其中电弧(10)可以沿该光波导(1)的轴以可变的速度位移，和/或电弧电流可以变化。
7．权利要求2的方法，其中在热扩散之前将该光波导(1)连接到一根辅助光波导上。
8．权利要求2的方法，其中可以通过CO激光器、CO2激光器、Er激光器或Ho激光器的辐射(16)来进行该加热。
9．权利要求2的方法，其中可以将具有氧氮化硅(Si3N4∶SO2)基芯料的光波导(1)段加热。
10．权利要求7的方法，其中将具有掺氟和/或硼的皮料(2)的光波导(1)段加热。
11．一种用于制备掺氮石英玻璃光波导预制件的方法，它包括下列步骤将含有氮、氧和硅原子的分子气态试剂混合物(25)送入到基体管(24)中，在该混合物中激发微波放电(27)并且将在该混合物中发生的反应的产物沉积在基体管(24)的内表面(26)上，所说的方法特征在于送入到基体管(24)中的分子气态试剂被混合成在每一个硅原子上有少于5个原子的氧并且在每1000个氧原子上有超过一个原子以上的氮。
12．权利要求11的方法，其中该分子气态试剂混合物(25)至少是下列混合物中的一种SiCl4+O2+N2,SiCl4+O2+NO2,SiCl4+O2+N2O3,SiCl4+O2+N2O4,SiCl4+O2+N2O,SiCl4+O2+NO和/或SiCl4+O2+NH3。
13．权利要求11的方法，其中基体管(24)的温度为900-1300℃。
14．权利要求11的方法，其中用来在基体管(24)中激发微波放电(32)的功率(27)为0.1-10kW。
15．权利要求11所说的方法，其中在基体管(24)中的气态试剂处于0.05-50mmHg压力下。
全文摘要
本发明涉及光纤领域并且可简化光波导的制备技术以及基于该技术的装置如光学分离器、长周期光栅、分散补偿器。在用化学等离子体方法制备光波导(1)的预制件时,送入到基体管(24)中的分子气态试剂被混合成在每一个硅原子上有少于5个原子的氧并且在每1000个氧原子上有超过一个原子以上的氮。通过加热光波导(1)段而局部改变折射率。这使得包含在芯料(3)中的成分局部热扩散到皮料(2)中或相反。光波导(1)通过电弧(10)的电流或红外激光器(15)的辐射(16)而加热。芯料(3)以0.01—5原子%的浓度掺氮。在该模场直径纤维转换器中,芯料(3)的直径沿光波导(1)的长度变化,向着其端部(4)增加。
文档编号C03B37/10GK1212056SQ97192436
公开日1999年3月24日 申请日期1997年9月3日 优先权日1996年12月20日
发明者E·M·迪亚诺夫, K·M·格兰特, V·I·卡波夫, V·N·普罗托波波夫, M·V·格里科夫, R·R·克拉普科 申请人:俄罗斯科学院普通物理研究所纤维光学科技中心