制造对称光波导的方法

专利名称：制造对称光波导的方法
技术领域：
本发明涉及制造诸如平面波导等光学器件的方法，尤其涉及从包含光折射敏感成分的最初非波导结构制造光波导器件的方法，此方法包括在该结构中充入氢并使该结构的一部分选择性地暴露于光化学辐射线中，以改变这部分的折射率并形成波导。本发明还涉及本方法所使用的结构以及本方法所制造的产品。
背景技术：
成行的光学纤维衍射光栅已成公知。在光学纤维中写入成行光栅的一个方法包括使纤维一部分中的两束光化学(通常是UV)辐射发生干涉。这两束光线沿横向入射到纤维上，两束光线之间的角度(以及辐射的波长)限定光栅间隔。一般，以锗掺杂的纤维来形成纤维光栅，通过热氢处理来增强锗掺杂纤维对光化学辐射的敏感度。在预定压强和温度下充入氢。此方法可用于把光栅写入纤维或平面硅石(silica)波导并把一波道(channel)写入平面光波导的核心层中。波导玻璃例如石英玻璃必须包含诸如二氧化锗等光折射敏感成分。
5,235,659号美国专利和5,287,427号相关美国专利揭示了通过一种处理可在基于硅石的光波导(纤维或平面波导)中获得大的归一化折射率变化，该处理包括在至多250℃的温度下使波导的至少一部分暴露于压强适度的氢中并以光化学辐射线来照射暴露部分的一部分。尤其是，揭示了一种改变平面波导折射率的方法(第5栏的第34行到第6栏的第9行)。形成包括例如硅衬底的层状结构，在硅衬底上形成透明石英构成的下包层、中间(核心)硅酸锗层以及透明石英构成的上包层。在此结构的核心层的竖直平面内具有波导特性，但不把辐射线限制在核心层水平平面内。通过在此结构中充入氢、以垂直于层状结构的聚焦光化学辐射线来照射该结构并以预定方式在此结构上移动射束来实现水平限制。把硅酸锗核心层中被照射区域的折射率提高到超过核心层中的邻近横向部分，从而提供横向波导。包层的折射率基本上保持不变。
在如5,235,659号美国专利所述的结构中，在已呈现平面波导特性的层状结构中进行写操作，这是因为包含锗杂质的核心层的折射率已超过缺乏该杂质的下包层和上包层的折射率而已提供了竖直限制。在写操作后，进一步增加了核心层中被照射区域的折射率。核心中被写区域与上下包层之间的折射率之差将大于核心的被写区域与核心层中包含杂质的邻近横向区域之间的折射率。此平面波导的一个缺点在于它是一个不对称的波导，即被写区域和邻近区域之间的折射率之差并非沿所有的方向都相等。在此结构中，与水平线度相比，沿竖直线度的波道波导及周围结构之间的折射率之差较大。因此，这种模沿水平方向的传播较少并且沿此方向扩展。
不对称波导的缺点是由于在此结构中传播的不对称模场(mode field)。其结果包括单模纤维的耦合损耗增加以及与偏振有较大关系。通过使波导的剖面形成矩形，例如高度比它的宽度大，可使不对称波导的模场形成圆形对称。此方案将克服耦合损耗较高的问题。然而，此方案仍将发生在波道波导和平面或“平板”波导之间产生耦合这一事实。此耦合将导致相应于波道波导的本征模的传播常数与平面波导的本征模的传播常数(几个)相等的选定波长处的传输损耗。用于对称平面波导的本发明没有“平板”波导，所以这些损耗将不会产生。
本发明的一个目的是提供在制造具有对称波导特性的波导中所使用的非波导结构。

发明内容
简短地说，本发明提供了一种在形成光学元件中所使用的结构，该结构包括光学材料构成的非波导主体；以及主体内一定浓度的光折射敏感成分，从而在用一束光化学辐射线照射主体的一部分时，被照射部分的折射率增加。
在本发明的另一个方面提供了一种制造光学元件的方法，该方法包括提供光学材料构成的非波导主体；在主体内提供一定浓度的光折射敏感成分；使光学材料构成的非波导主体与包含氢、氘及其混合物中一种的气氛相接触；以及把光学材料构成的非波导主体的一部分暴露于光化学辐射线中，从而增加暴露部分的折射率。
可用此结构和方法来形成对称平面波导，光学纤维波导和诸如光栅等其他光学元件。
在本发明的另一个方面，提供了一种在形成对称平面波导中所使用的结构，该结构包括由折射率为选定值的光学材料构成的第一和第二层；以及由光学材料构成的位于第一和第二层之间的第三层，该层包括浓度选定的光折射敏感成分，以使第三层的折射率充分接近于第一和第二层的值来防止波导。
在本发明的另一个方面，提供了一种制造对称平面波导的方法，该方法包括提供由折射率为选定值的光学材料构成的第一和第二层；提供由光学材料构成的位于第一和第二层之间的第三层，该层包括浓度选定的光折射敏感成分，以使第三层的折射率足够接近于第一和第二层的值来防止波导；至少使光学材料构成的第三层与包含氢、氘及其混合物中一种的气氛相接触；以及把光学材料构成的第三层的一部分暴露于光化学辐射线中，从而充分地改变暴露部分的折射率以产生对称波导。
在本发明的另一个方面，提供了一种对称平面波导，该波导包括由折射率为选定值的光学材料构成的第一和第二层；由光学材料构成的位于第一和第二层之间的第三层，该层包括浓度选定的光折射敏感成分，以使第三层的折射率充分接近于第一和第二层的值来防止波导；以及位于第三层内通过暴露于足以产生对称波导的光化学辐射线中而形成的折射率增加的区域。
在本发明的另一个方面，提供了一种在形成光学纤维波导中所使用的结构，该结构包括由折射率为选定值的光学纤维材料构成的包层；以及由光学纤维材料构成的被包层所包围的核心，该核心包括浓度选定的光折射敏感成分，以使核心的折射率充分接近于包层的值以防止波导。
在本发明的另一个方面，提供了一种制造光学纤维波导的方法，该方法包括提供由折射率为选定值的光学纤维材料构成的包层；提供由光学纤维材料构成的被包层所包围的核心，该核心包括浓度选定的光折射敏感成分，以使核心的折射率充分接近于包层的值以防止波导；至少使核心光学纤维材料与包含氢、氘及其混合物中一种的气氛相接触；以及把核心光学材料的一部分暴露于光化学辐射线中，从而充分地改变暴露部分的折射率以产生此波导。
在所附的权利要求书中特别地提出了本发明的新方面。参考以下对本发明较佳实施例的详细描述并结合附图将更全面地理解本发明本身及其进一步的目的和优点。
附图概述

图1是形成波导所使用的结构的示意图。
图2是平面波导的示意图。
图3是光学纤维波导的示意图。
本发明的较佳实施方式这里所讨论的光波导通常是一种细长结构，该结构包括折射率相对高的玻璃构成的核心，该核心至少被折射率相对低的材料构成的包层局部包围，适于通过该核心来传输光波长的电磁辐射。对于单模波导，所需的折射率之差(归一化增量)大于10-4，最好从10-3到10-2或更大。
本发明涉及从非波导结构中制造光学元件例如平面波导、纤维波导和纤维或平面波导中的光栅的方法。在制备对称平面波导的本发明的一个实施例中，该方法包括提供包括氧化物玻璃构成的非波导主体的结构、把该结构暴露于氢中并以光化学辐射线照射该结构的一部分，从而改变被照射部分的折射率并形成波导波道。
图1示出在制备平面波导中所使用的结构20。结构20包括任意衬底(substrate)22、下包层24、核心层26和上包层28。基底22通常是其上淀积有波导层的硅或二氧化硅晶片。然而，在某些结构中，下包层起到衬底层的作用。
在已有技术的波导中，下包层和上包层24、28通常是由石英玻璃构成的，每一层有折射率n0。一般，层24是透明石英，而层28是包含氧化硼和五氧化二磷且折射率等于透明石英的折射率的硅石。核心层26一般是硅酸锗，即掺有光折射敏感氧化锗的透明石英，折射率为n1，这里n1＞n0。一般，增量是大约10-5。此结构具有垂直于各层的波导特性。在此结构中充入氢并对包含光折射敏感锗的核心层的选定区域进行光化学辐射把被照射区域的折射率增加到n2，这里n2＞n1＞n0。包层和核心层其余部分的折射率基本上不变。现在，此结构的核心层内具有限定的波导区，其中核心的被照射区域与邻近包层之间的折射率之差大于核心的被照射区域与横向的邻近核心层之间的折射率之差，这样形成了不对称(平板)波导。
在本发明的波导中，核心层26一般是折射率为n1的光折射敏感氧化物玻璃层。氧化物玻璃一般包括氧化锗作为光折射敏感杂质。适当的玻璃包括其中二氧化硅为主要成分的硅酸锗。实现写波导所必需的光折射效应所需的高石英玻璃的锗含量最好大于10个重量百分数。然而，也可使用其中二氧化锗为主要成分的氧化物玻璃。本发明的一个重要特征是，包层24、28包括折射率为n0的氧化物玻璃，例如石英玻璃，这里n1近似等于n0。此结构不具有任何波导特性，因为它所有的三层都具有基本上相同的折射率。n1可稍稍大于或小于n0，只要在所关心的波长处不发生波导。
此外，在包层和核心层包括石英玻璃的本发明的一个较佳实施例中，包层可包含对光折射不敏感的成分，以把折射率增加到近似于包含诸如二氧化锗等光折射敏感成分的核心层石英玻璃的折射率。用于提高折射率的适当的光折射不敏感混合物包括二氧化钛和五氧化二磷。在本发明的另一个实施例中，可把降低玻璃(例如氧化硼)的折射率的光折射不敏感成分加到包层。同样，除了光折射敏感成分以外，核心层可包含可变数量的光折射不敏感成分，以增大或降低其折射率以与包层的折射率相匹配。
在本发明的一个典型实施例中，可把一种或更多的光折射不敏感成分加到所有的三层中而光折射敏感成分只存在于核心层中以允许折射率匹配。
现在参考图2，其中示出本发明的波导结构30，此结构具有衬底层32、下包层34、核心层36和上包层38，为了更清楚除去了部分上包层。下包层和上包层的折射率均为n0，核心层的折射率为n1，这里n0和n1基本上相等此结构30是非波导。
为了在波导结构中产生波导，首先在平面结构30中充入氢分子。在某些应用中，可使用氘或氢与氘的混合物。在填充后氢分子的浓度越高，则引入的折射率变化越大。在足够高的温度下注入氢，以使氢扩散而不与玻璃起反应。最好在例如100大气压的高压下注入氢。所得到的氢的浓度与填充压强成线性。由所需渗透的表面深度来决定填充的时间。这样填充的氢增强了玻璃内的光反应，继而由光化学辐射来产生折射率的变化。
一般在12小时到7天的周期内，在20℃和250℃之间并在10和300大气压之间的氢中，把氢充入此平面结构。把这样制备的结构在来自eximer激光器的大约248nm的UV辐射线(例如处于20脉冲/秒、240mJ/脉冲)下暴露0.5-2小时的时间，从而引入所需的折射率变化。
通过把包括10mm厚的SiO2层的平面结构在85℃且100大气压的氢中保持三天，则可使本发明的结构获得所需的折射率增加，该SiO2层的下面具有厚度为6mm的掺杂石英玻璃层(79wt％SiO2、5wt％B2O3、2wt％P2O5和14wt％GeO2)。把此结构在来自eximer激光器的大约248nm的UV辐射线(例如处于20脉冲/秒、300mJ/脉冲)下暴露0.5小时的时间，从而引入5.5×10-3的折射率变化。
在5,287,427号美国专利中所揭示的示例结果需要把包括25mm厚的SiO2层的平面结构在21℃且187大气压的氢中保持6天，该SiO2层的下面具有硅酸锗玻璃层(8mm厚，2.6mole％GeO2)。经判断，这将导致充分的氢填充而在暴露于UV辐射线后折射率变化为4×10-3的锗掺杂玻璃中产生波导核心。本领域内的熟练技术人员一般以最少的经验来就能确定需要哪一组条件来引入所需的折射率变化。
再参考图2，把结构30的限定区域暴露于诸如UV光等光化学辐射线42以形成波导。此曝光可以是直径为几微米数量级的聚焦光线的形式，或者是通过掩模的曝光。从而可把核心的被照射区域40的折射率增加到n2，从而n2＞n1且n1=n0。现在此结构的核心层36内具有限定的波导区(或波道)40，其中波道和竖直方向的邻近包层之间的折射率之差与波道与横向的邻近核心层之间的折射率之差基本上相同，这样形成了对称波导。波导的形状不是决定性的，因为没有“平板”波导效应以及没有传输损耗。
在本发明的平面波导中，核心层最好包括包含50-90wt％SiO2、0-20wt％B2O3、0-10wt％P2O5和1-30wt％GeO2的硅酸锗玻璃。
在一个较佳实施例中，核心层包括79wt％SiO2、5wt％B2O3、2wt％P2O5和14wt％GeO2。
在另一个较佳实施例中，核心层包括63wt％SiO2、7wt％B2O3、8wt％P2O5和23wt％GeO2。
在本发明的平面波导中，最好由没有氧化锗的与核心层类似的玻璃来形成包层。通过改变构成物的值例如50-100wt％SiO2、0-20wt％B2O3、0-30wt％P2O5来实现所需的折射率匹配。
该结构也可以是在每一光学层中具有不同浓度的光折射敏感成分以及适当浓度的光折射不敏感成分，从而每一层具有基本上相同的折射率。在充入氢并以光化学辐射线照射该结构时，在核心层上形成对称波导。
通过本发明从最初的非波导结构获得的对称平面波导将形成这样的光导结构，该结构具有沿平面内和垂直于平面的方向的传播常数都相等的双轴对称模场。防止了明显的耦合损耗，也排除了几何上的双折射(与偏振有关)。
本发明也提供了实现不同层的成分的不同范围。
可用各种光学装置包括光学纤维波导来实施以上所述的本发明。其他可能的应用包括纤维增量的在线调谐、用于soliton传播的分散减少纤维、分散管理纤维、隔热圆锥、光栅、传感器和类似的应用。
参考图3，其中示出在形成光学纤维波导中所使用的结构50，该结构包括包围光学纤维材料构成的核心54的光学纤维材料构成的包层52。核心54包含一定量的光折射敏感成分，从而包层与核心的折射率足够接近以防止光化学照射前产生波导。包层的材料类似于以上对寸对称平面波导的包层所述的材料。光学纤维核心最好是掺有光折射敏感成分的氧化物玻璃，例如掺有锗的石英玻璃或锗玻璃。以与如上所述对称平面波导相同的方式来充入氢并对核心进行UV照射，以在核心中产生波导波道。通过均匀或强度变化的UV曝光来产生波道。包层和核心之间的归一化折射率差(增量)可以是均匀的，或者也可沿核心的长度来改变该增量。通过改变照射的强度和/或持续时间，也可把诸如光栅等其他特征写入核心中。
以核心与包层的折射率相等或近似匹配开始，使得核心可包含大量的光折射敏感材料(例如，大于10wt％的锗)，而不使任何位置的纤维增量都变高。想要高含量的光折射敏感材料，因为这样增强了光折射效应，从而更便于把结构写入纤维中。想要低的增量，以把对标准电信纤维的耦合损耗减到最小。
虽然结合本发明的较佳实施例描述了本发明，当本领域内的技术人员应理解可在本发明内进行各种修改而不背离本发明的实际精神和范围，相应地，将只由附加的权利要求书来限定本发明的范围。
权利要求
1．一种在形成光学元件中所使用的结构，其特征在于包括光学材料制成的非波导主体；以及主体内一定浓度的光折射敏感成分，从而在用光化学辐射线照射主体的一部分时，被照射部分的折射率增加。
2．如权利要求1所述的结构，其特征在于主体的折射率在照射前基本上是均匀的。
3．如权利要求1所述的结构，其特征在于被照射的主体部分的折射率大于主体其余部分的折射率并形成对称平面光波导的一个波道。
4．一种在形成对称平面波导中所使用的结构，其特征在于包括由折射率为选定值的光学材料构成的第一和第二层；以及由光学材料构成的位于第一和第二层之间的第三层，所述层包括浓度选定的光折射敏感成分，以使第三层的折射率充分接近于第一和第二层的值来防止波导。
5．如权利要求4所述的结构，其特征在于光学材料构成的每一层都包括氧化物玻璃。
6．如权利要求5所述的结构，其特征在于氧化物玻璃包括石英玻璃。
7．如权利要求4所述的结构，其特征在于光折射敏感材料是二氧化锗。
8．如权利要求7所述的结构，其特征在于第三层包括至少10wt％的二氧化锗。
9．如权利要求4所述的结构，其特征在于第一和第二层还包括第一种光折射不敏感成分。
10．如权利要求9所述的结构，其特征在于第一种光折射不敏感成分是氧化硼、五氧化二磷和二氧化钛及其混合物中的一种。
11．如权利要求4所述的结构，其特征在于第三层还包括第二种光折射不敏感成分。
12．如权利要求11所述的结构，其特征在于第二种光折射不敏感成分是氧化硼、五氧化二磷、二氧化钛及其混合物中的一种。
13．如权利要求4所述的结构，其特征在于第三层包括包含50-90wt％SiO2、0-20wt％B2O3、0-10wt％P2O5和1-30wt％GeO2的硅酸锗玻璃。
14．如权利要求4所述的结构，其特征在于第一和第二层包括包含50-100wt％SiO2、0-20wt％B2O3、0-30wt％P2O5的石英玻璃。
15．如权利要求4所述的结构，其特征在于第三层还包括氢、氘及其混合物中的一种。
16．一种对称平面波导，其特征在于包括由折射率为选定值的光学材料构成的第一和第二层；由光学材料构成的位于第一和第二层之间的第三层，所述层包括浓度选定的光折射敏感成分，以使第三层的折射率充分接近于第一和第二层的值来防止波导；以及位于第三层内通过暴露于足以产生对称波导的光化学辐射线而形成的折射率增加的区域。
17．如权利要求16所述的波导，其特征在于每种光学材料包括石英玻璃。
18．如权利要求17所述的波导，其特征在于第一和第二层还包括氧化硼、五氧化二磷和二氧化钛及其混合物中的一种。
19．如权利要求17所述的波导，其特征在于光折射敏感材料是二氧化锗。
20．一种制造光学元件的方法，其特征在于包括提供光学材料构成的非波导主体；在主体内提供一定浓度的光折射敏感成分；使光学材料构成的非波导主体与包含氢、氘及其混合物中一种的气氛相接触；以及把光学材料构成的非波导主体的一部分暴露于光化学辐射线中，从而增加暴露部分的折射率。
21．一种制造对称平面波导的方法，其特征在于包括提供由折射率为选定值的光学材料构成的第一和第二层；提供由光学材料构成的位于第一和第二层之间的第三层，所述层包括浓度选定的光折射敏感成分，以使第三层的折射率足够接近于第一和第二层的值来防止波导；至少使光学材料构成的第三层与包含氢、氘及其混合物中一种的气氛相接触；以及把光学材料构成的第三层的一部分暴露于光化学辐射线中，从而充分地改变暴露部分的折射率以产生对称波导。
22．如权利要求21所述的方法，其特征在于光折射敏感材料是二氧化锗。
23．如权利要求21所述的方法，其特征在于第一和第二层还包括第一种光折射不敏感成分。
24．如权利要求23所述的方法，其特征在于第一种光折射不敏感成分是氧化硼、五氧化二磷和二氧化钛及其混合物中的一种。
25．如权利要求21所述的结构，其特征在于第三层还包括第二种光折射不敏感成分。
26．如权利要求25所述的结构，其特征在于第二种光折射不敏感成分是氧化硼、五氧化二磷、二氧化钛及其混合物中的一种。
27．如权利要求1所述的结构，其特征在于被照射的主体部分的折射率大于主体其余部分的折射率并形成光学纤维波导的一个波道。
28．一种在形成光学纤维波导中所使用的结构，其特征在于包括由折射率为选定值的光学纤维材料构成的包层；以及由光学纤维材料构成的被包层所包围的核心，所述核心包括浓度选定的光折射敏感成分，以使核心的折射率充分接近于包层的值以防止波导。
29．如权利要求28所述的结构，其特征在于每种光学纤维材料包括石英玻璃。
30．如权利要求28所述的结构，其特征在于光折射敏感材料是二氧化锗。
31．一种制造光学纤维波导的方法，其特征在于包括提供由折射率为选定值的光学纤维材料构成的包层；提供由光学纤维材料构成的被包层所包围的核心，所述核心包括浓度选定的光折射敏感成分，以使核心的折射率充分接近于包层的值以防止波导；至少使核心光学纤维材料与包含氢、氘及其混合物中一种的气氛相接触；以及将核心光学材料的一部分暴露于光化学辐射中，使被暴露部分的折射率的改变足以产生波导。
32．如权利要求31所述的方法，其特征在于每种光学纤维材料包括石英玻璃。
33．如权利要求31所述的方法，其特征在于光折射敏感材料是二氧化锗。
全文摘要
描述了在形成光学元件(30)中所使用的结构以及制造此元件(30)的方法。该结构包括光学材料(34,36,38)制成的非波导主体,该主体内有一定浓度的光折射敏感成分,从而在用光化学辐射线(42)照射主体的一部分(40)时,被照射部分的折射率增加。此方法包括提供光学材料(34,36,38)构成的非波导主体;在主体内提供一定浓度的光折射敏感成分;使光学材料构成的非波导主体与包含氢、氘及其混合物中一种的气氛相接触;以及把光学材料构成的非波导主体的一部分(40)暴露于光化学辐射线(42),从而增加暴露部分的折射率。此结构和方法可用于形成对称平面波导、光学纤维波导以及诸如光栅等其他光学元件。
文档编号G02B6/13GK1211326SQ97192263
公开日1999年3月17日 申请日期1997年2月4日 优先权日1996年2月15日
发明者N·F·博雷利, C·莱米尼奥, R·O·马施迈尔 申请人:康宁股份有限公司