专利名称：光波导衰减器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及影响光纤信号的传输的器件。尤其是，本发明涉及光波导衰减器件。
背景技术：
在长距离地传输光信号的光纤通信系统中，普遍希望把光纤中的吸收和散射所引起的光损耗减到最少。然而，在许多情况下，必须利用光学衰减器器件来减少光信号中所存在的功率的数量。
例如，通信系统接收机在一定范围的光输入电平内发挥最佳的功能，因此必须把输入电平调节到所需的范围。光学通信系统中的路径衰减是纤维长度和纤维衰减系数的函数。因而，可通过增大纤维长度来调节路径衰减，但这不适用于使用低损耗的纤维。相应地，在不适用于使用长度长的低损耗纤维时，可利用高损耗光纤的衰减器来增大路径衰减。还可利用衰减器均衡来自不同源的光学信号，或者在校准光学元件或网络时模拟存在长的低损耗线。
还在诸如波分多路复用器和星形耦合器等器件的未使用光纤的终端的端接(termination)时使用纤维衰减器，来消除不想要的后向反射。在5,573,618号美国专利中描述了把纤维衰减器用作星形耦合器中未使用纤维的端接器(terminator)，这里依据该专利并通过参考而引入。
光纤衰减器通常包括具有核心和包层的光纤，核心包括增大光纤的衰减的杂质材料。杂质可通过稀土元素的溶解掺杂过渡而引入纤维核心内，纤维的衰减正比于杂质浓度和纤维长度。例如，见5,633,974号美国专利。然而，溶解掺杂的几个缺点主要在于，溶解掺杂包括必须在光纤制造后进行的额外的处理步骤。
在4,881,793号美国专利中所述的另一种纤维衰减器包括以诸如Ti、V、Cr或Fe等原子价可变元素对光纤的核心进行汽相淀积掺杂，这些元素局部处于较低价的状态。由淀积过程中所使用的氧气量或在还原气氛中固结预制坯来控制存在的较低价状态。据报告，以4,881,793号美国专利中所述的纤维所实现的衰减仅达到约25dB/m。在诸如端接器等某些应用中，希望提供衰减超过100dB/m的衰减器。
相应地，希望提供一种能提供大的衰减范围的光学衰减器件的制造方法。
发明内容
申请人已发现一种光波导衰减器件的制造方法，在波长从约780nm到约1600nm处，该器件的衰减可在从约0.5dB/m到大于约5000dB/m的范围内变化。
本发明的一个方面包括一种光学衰减器件的光波导的制造方法，该方法包括在使核心形成坯件(blankmaking)的过程中以过渡金属对二氧化硅核心进行掺杂并把过渡金属掺杂的核心暴露在氢气中。本发明的方法还可包括使掺杂的核心固结，这最好在没有氯干燥气体的固结炉中进行。最好在核心坯件固结后进行把掺杂核心暴露于氢气的步骤，尤其是对于波导为光纤的实施例，在核心已形成芯棒(core rod)后进行。在本发明的一个实施例中，杂质包括钨。
本发明的另一个方面包括一种光学衰减器件，该器件包括具有掺杂钨的核心和包层的光波导，最好是光波导纤维。所提供的钨的数量的重量百分比最好从约0.1％到约5％，然而，可包括较高浓度的钨。在本发明的一个方面中，钨的至少一部分从+6的氧化状态还原到+5的氧化状态。本发明的衰减器件可用于在约1300nm到约1550nm的波长处产生从约0.5dB/m到约5,000dB/m的衰减。在另一个方面中，本发明包括一种衰减器件，这种衰减器件包括具有掺杂钨的核心和包层的掺杂钨的波导纤维，最好是单模式光波导纤维，掺杂钨的光波导纤维连接到至少一个光纤。
申请人已发现本发明的方法能提供衰减范围比申请人公知的器件更宽的衰减器件。
在以下的描述中提出本发明的附加特点和优点，从此描述将使部分特点和优点变得明显起来，或可通过本发明的实践而得到。应理解，上述总体描述和以下的详细描述是示例和说明性的，并将对所要求的发明提供进一步的说明。
所包括的附图使得可进一步理解本发明，它们引入并构成本说明书的一部分，这些附图示出本发明的一个实施例，并将与描述一起来说明本发明的原理。
附图概述
图1是依据本发明的示意实施例构成的光波导纤维衰减器件的透视图。
本发明的较佳实施方式现在将详细地参考本发明的较佳实施例，在附图中示出该实施例的一个例子。在图1中示出本发明的光波导衰减器件的一个示例实施例，由标号10从总体上表示该器件。
本发明的一个方面包括光学衰减器件的光波导10(最好是单模式光波导纤维)的制造方法，此方法包括在使玻璃核心形成坯件的过程中形成掺有过渡金属的核心坯件。有用于形成坯件核心的化合物包括金属卤化物及没有卤化物的环硅氧烷化合物，诸如八甲基四硅氧烷、十甲基环戊硅氧烷、六甲基环三硅氧烷及其混合物。在本发明的另一个方面，引入过渡金属杂质的方法发生在使玻璃核心形成坯件的过程中。例如，在钨为杂质的实施例中，可在汽相淀积过程中引入钨气体化合物，最好是六氟化钨。本发明的另一个方面包括使核心坯件固结，在核心坯件周围设置包层而产生波导预制坯，使波导预制坯固结，以及把预制坯拉制成光波导纤维。
在波导为光纤的实施例中，可使核心坯件形成芯棒，可在核心周围设置包层前把芯棒暴露在氢气中。作为本说明书中所使用的，术语“芯棒”指直径大于约一毫米最好具有约7毫米到约10毫米的圆柱体形状的玻璃坯件。
可在诸如OVD工艺等汽相淀积过程中把过渡金属杂质引入光波导的核心中。例如，为了产生包含的钨杂质在1％和4％之间的核心坯件，可经由质量流控制器把六氟化钨气体从一容器通过一导管传送到位于燃烧器前的火焰水解系统的传送管道。六氟化钨气体的流速可从每分钟约0.05标准升变化到每分钟约0.5标准升。可利用起泡器(bubbler)传送系统使用以每分钟约2升的速率流动的氧气载运气体把SiCl4蒸汽传送到燃烧器。然后，SiCl4蒸汽和六氟化钨气体在燃烧器处燃烧而形成掺杂钨的核心坯件。或者，如1996年12月17日提交的名为“通过液体反应物的燃烧而形成的石英玻璃(fused silica)的方法和设备”的08/767,653号未决申请中所揭示的，可通过燃烧液体化合物来形成掺杂的核心坯件，这里通过参考引入该申请。
可把掺杂核心坯件固结，这最好是在没有氯干燥气体的固结炉中进行的。申请人已发现，当掺杂钨的核心坯件在有氯干燥气体的炉子中固结时，钨在固结期间脱离核心坯件，导致衰减较低的波导。此外，由在没有氯干燥气体的炉子中固结的坯件来形成波导包含羟基团(hydroxyl group)，它进一步增大了本发明的器件的衰减。固结炉最好包含以每分钟约0.9标准升到每分钟约40标准升的速率流动的氦气。
可把固结的掺有过渡金属的核心坯件拉制成直径约7mm到约10mm的芯棒。然后，可以二氧化硅包裹核心，进行固结并拉制成光波导纤维，以形成衰减器件。在核心中包含重量百分比约3.8％的钨的波导纤维产生了一种衰减器件，其衰减在1550nm处为约50dB/m，在约1300nm处为约100dB/m。
申请人已发现通过把掺杂的核心暴露于氢气可明显地增大掺有过渡金属的波导纤维的衰减。最好通过在包含氢气的炉子中处理芯棒来将经掺杂的核心暴露于氢气中。控制炉子的温度、炉子中氢气的压强以及核心暴露于氢气的时间使得能够制造衰减范围宽的波导制造。
应理解，在包含氢气的炉子中处理芯棒的时间较长使更多部分的过渡金属杂质从较高的氧化状态还原到较低的氧化状态，导致衰减较高。类似地，增大炉子中的氢气压强将增大过渡金属元素还原到较低氧化状态的速率。例如，在650℃的温度下，在包含压强为1个大气压强的氢气的炉子中对包含3.8％钨的芯棒处理44小时，在随后产生的光波导纤维中所提供的衰减在1300nm处约750dB/m，在约1550nm约500dB/m。当然，通过调节工艺条件可实现更高的衰减。对于任何所需的衰减，可通过实验来确定最佳的温度、杂质浓度、氢气压强和处理时间。
当已在包含氢气的炉子中处理了掺有过渡金属的芯棒后，可在芯棒上淀积外包的二氧化硅，从而形成光波导预制坯，它可以固结并拉制成光波导纤维。光波导预制坯的固结最好在没有氯干燥的炉子中进行。
现在参考图1，本发明的另一个实施例包括一种光学衰减器件10，在本示例实施例中示为光波导纤维，它最好是具有掺杂钨的核心12和包层14的单模式纤维。可由通过包括例如OVD、MCVD、PCVD和VAD等任何常规的汽相淀积工艺或通过包括诸如硅氧烷等液体反应物的燃烧而形成的石英玻璃预制坯来形成波导纤维。虽然可包括更高的浓度，但核心12中所存在的钨杂质的数量的重量百分比可从约0.1％到约5％。更高浓度的钨将实现更高的衰减。
最好，如上所述通过把核心12暴露于氢气，使核心12中的至少一部分钨从+6的氧化状态还原到+5的氧化状态。申请人已发现把核心12在氢气中暴露较长的时间增大了衰减器件的衰减。依据本发明的原理产生的器件可用于在约780nm到约1600nm的波长处产生从约0.5dB/m到大于约5,000dB/m的衰减。如上所述，除了钨核心在氢气中暴露的时间以及其它处理条件以外，还可通过核心中钨的浓度来控制衰减。
在本发明的另一个方面，光学衰减器件包括掺杂钨的光波导，最好是如图1所示的单模式光波导纤维，掺杂钨的波导的至少一端连接到一光纤(未示出)。本领域内的技术人员容易理解，本发明的器件可用作端接器，其中光学衰减器件的一端连接到诸如星形耦合器等器件的未使用光纤的一端来消除后向反射。在其它应用中，可通过在两个长度的光纤之间接合衰减器件而把本发明的衰减器件插入现有的光路中。
当然，应理解，可利用任何适当的耦合或连接装置来把本发明的衰减波导纤维耦合到一个或多个纤维的终端。耦合器或连接器的特定类型通常将取决于所选择的应用。
当然，本发明不限于以上仅通过举例所述和所示的实施例。对本领域内的技术人员很明显的是，可对本发明的器件和方法进行各种修改和变化而不背离本发明的精神或范围。例如，虽然通过在淀积二氧化硅外包层前在包含氢气的炉子中把掺有过渡金属的核心暴露于氢气来处理掺杂芯棒是较佳的，但把二氧化硅外包层淀积在掺杂钨的芯棒上、使光波导预制坯固结、然后在包含氢气的炉子中处理该预制坯以把核心暴露于氢气也在本发明的范围内。因而，本发明试图覆盖所附权利要求书所限定的本发明的各种修改和变化。
权利要求
1.一种光学衰减器件的光波导的制造方法，其特征在于包括以下步骤在使核心形成坯件的过程中以过渡金属对二氧化硅核心进行掺杂；以及把掺有过渡金属的核心暴露于氢气。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括使掺杂核心固结的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于在没有氯干燥气体的固结炉中进行使掺杂核心固结的步骤。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于还包括把掺杂的二氧化硅核心暴露于温度至少约100℃的氢气中的步骤。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于杂质包括钨。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于还包括在核心形成坯件的过程中引入六氟化钨气体的步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于还包括把掺杂钨的核心在压强至少约1个大气压强且温度为大约625℃到大约690℃的氢气中暴露至少约20小时的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所存在的钨的数量的重量百分比从大约0.1％到大约5％。
9.一种光学衰减器件，其特征在于包括具有掺杂钨的核心和包层的光波导。
10.如权利要求9所述的光学衰减器件，其特征在于钨的至少一部分从+6的氧化状态还原到+5的氧化状态。
11.如权利要求10所述的光学衰减器件，其特征在于所存在的钨的数量的重量百分比从大约0.1％到大约5％。
12.一种光学衰减器件，其特征在于包括具有掺杂钨的核心和包层的掺杂钨的光波导，所述掺杂钨的光波导连接到至少一个光纤。
全文摘要
一种光学衰减器件的制造方法,该制造包括具有掺杂过渡金属的核心和包层的光波导。在核心形成坯件的过程中把过渡金属淀积在核心中。把掺杂了过渡金属的核心暴露于炉子中的氢气,以明显增大器件的衰减。
文档编号C03B37/014GK1265637SQ98807808
公开日2000年9月6日 申请日期1998年7月20日 优先权日1997年7月31日
发明者G·E·伯克, C·L·霍格林, C·M·特鲁斯德尔 申请人:康宁股份有限公司