专利名称：多包层光纤，写入其内的长周期光纤光栅和写入方法
技术领域：
本发明涉及一种多包层光纤，一种多包层光纤中的长周期光纤光栅和它的写入方法，特别涉及多包层光纤尤其是双包层光纤，在光纤中写入的应力释放的长周期光纤光栅和它的写入方法。
长周期光纤光栅(LPFGs)由于它们的许多用途，例如掺铒光纤放大器中的增益滤光器，最近引起了人们的注意。因为利用由于锗(Ge)相关玻璃光敏性的缺陷导致的紫外线(UV)导入折射率的变化，周期性的结构能够很容易地得到，所以大多数长周期光纤光栅刻在锗硅酸盐光纤上。这种技术需要LPFGs的光纤包含光敏部位，因此它不能应用到内部没有光敏中心的光纤上，像纯硅芯光纤光栅。
图1说明了一种制造普通光纤光栅的方法，图中详细地说明了分别在制造光纤光栅阶段、拉制光纤光栅和对光纤光栅进行退火阶段的残余应力和折射率的关系。
一般地，如果在硅芯中掺入氟，芯的折射率会减小，这将导致如图所示的折射率外形。也就是说在制造阶段存在应力是必然的，这是因为在芯和外包层之间的热膨胀系数不同。如果通过拉制形成光纤光栅，则在芯上会产生应力，并且折射率会减小。换句话说，高的拉力会导致在高粘性芯区的张力的增大，这是因为光电效应的缘故。通过对光纤光栅退火，残余应力可以很容易地得到释放并且折射率也恢复到制造阶段的水平。
在通过对具有上述结构的光纤进行热处理来制造长周期光纤光栅过程中，为了控制长周期光纤光栅的特性，适当地调整光纤中的氟含量或光纤的张力。然而，通过调整光纤中的氟含量或光纤的张力不容易得到最佳的光纤光栅。
图2说明了一种在传统的光纤上写长周期光纤光栅的方法。在图2中，为了把光导入通过芯，芯的折射率必须大于芯外包层的折射率。图2所示的长周期光纤光栅被写入以便由掺N2的芯和SiO2包层组成的光纤通过弧光放电或CO2激光器辐射热处理。然而，根据这种制造方法，因为在比较长的时期后N2会从芯中逸出，所以N2的可靠性降低了。
图3说明了在另一种传统光纤上写长周期光纤光栅的方法。在图3中，和图2一样芯的折射率必须大于包裹于芯的包层的折射率。如图3所示的写长周期光纤光栅，因此H2注入到由SiO2和GeO2做成的芯和SiO2包层组成的光纤中，然后用紫外(UV)激光器照射。然而，根据这种制造方法，长周期光纤光栅的寿命不是很长且它的可靠性也没有保证。
为了解决上述问题，本发明提供一种具有多包层并且能够通过改变芯和包层的辐射指数得到所期待的热和机械应力形貌的多包层光纤，提供一种写在多包层光纤上的应力释放的长周期光纤光栅，提供一种在多包层光纤上写长周期光纤光栅的方法。
因此，为了达到上述目的，必须具备一个用作导入光的包含由掺锗二氧化硅(GeO2-SiO2)做成芯的多包层光纤，一个由掺氟二氧化硅(F-SiO2)做成的内包层，该包裹于芯的内包层的折射率小于芯的折射率，和一个折射率小于芯折射率、大于内包层折射率的包裹内包层的外包层。
根据本发明的另一个方面，必须具备一个长周期光纤光栅，其芯和包层的光纤被周期性地退火，芯的折射率被周期性地改变，且为了导入光，这种光纤包括由掺锗二氧化硅(GeO2-SiO2)做成的芯，一个由F-SiO2做成的且折射率小于芯的折射率的内包层，一个折射率大于内包层的折射率的包裹内包层的二氧化硅制成的外包层。
根据本发明，一种写长周期光纤光栅的方法包括以下步骤，(1)制造包括GeO2-SiO2芯的多包层光纤，为了导入光，内包层用F-SiO2做成，且内包层的折射率小于芯的折射率并包裹芯，以及二氧化硅制成的一外包层，其折射率小于芯的折射率而大于内包层的折射率并且包裹内包层，(2)周期性地热处理通过步骤(1)制造的多包层光纤来周期性地改变多包层光纤的芯的折射率。
借助于附图通过详细描述最佳实施例，本发明上述的目的和优点将更加明晰。
图1描述了一种制造普通光纤的方法；图2描述了一种在普通光纤上写长周期光纤光栅的方法；
图3描述了一种在另一种普通光纤上写长周期光纤光栅的方法；图4A和4B是根据本发明的多包层光纤的横截面图和折射率形貌图；图5是掺氧化锗(GeO2)和掺氟(F)的热膨胀系数和掺杂浓度的依赖关系；图6是固态和液态时的玻璃的热膨胀系数与玻璃温度的关系图；图7描述了芯的轴向热应力和内包层直径与芯直径之比的依赖关系；图8描述了芯的热应力和芯与外包层之间折射率之差的依赖关系；图9描述了芯的局部机械应力和内包层与外包层之间折射率之差的依赖关系；图10描述了局部机械应力和内包层直径与芯直径之比的依赖关系；图11是解释根据本发明写长周期光纤光栅方法的图。
下面，参照附图来详细描述本发明。
图4A是根据本发明的多包层光纤的横截面图。图4A所示的多包层光纤包括芯40，内包层42，和外包层44。芯40是由GeO2-SiO2做成的。内包层42包裹着芯40，且由F-SiO2做成，外包层44包裹着内包层42且由二氧化硅(SiO2)做成。
图4B是图4A中的多包层光纤的折射率形貌图。如图4B所示，内包层42的折射率小于芯40的折射率。同样，外包层44的折射率小于芯40的折射率，并大于内包层42的折射率。
图5到图10是说明在制造根据本发明的多包层光纤中影响光纤特性的参数曲线和解释由这些参数产生的影响。
图5是GeO2和F的热膨胀系数和掺杂浓度的依赖关系。如图5所示，当GeO2和F的浓度增大时，GeO2的热膨胀系数增大而F的热膨胀系数减小。
图6是固态和液态时的玻璃的热膨胀系数与玻璃温度的关系图。当芯、内包层和外包层分别用1、2、3表示时，α1、α2和α3是层1、2、3在固体玻璃态时的热膨胀系数，α*1、α*2和α*3是层1、2、3在液体玻璃态时的热膨胀系数，Tg1、Tg2、Tg3分别是层1、2、3的转变温度，其存在于三个温度范围内Tg1＜T＜Tg3，Tg2＜T＜Tg1和T＜Tg2。
图7描述了芯的轴向热应力和内包层直径与芯直径之比的依赖关系。如图7所示，即使内包层的直径(D)和外包层的直径(d)比D/d被设计为不同的，芯的轴向应力微小变化也能被观测到。
图8描述了芯的热应力和芯与外包层折射率之差Δ+的依赖关系。用芯的折射率减去外包层的折射率得到的差除以外包层折射率得到Δ+，即，(芯的折射率-外包层的折射率)/外包层折射率。如图8所示，对应于给定的比D/d，当芯的折射率与内包层的折射率之差Δ固定在0.0035且芯的直径也被固定时，则芯的折射率的增大，即Δ+增大引起芯的热应力的线性增大。也就是说，热应力仅依赖于芯的折射率，而与内包层的折射率无关。
图9描述了芯的局部机械应力和内包层与外包层折射率之差Δ-的依赖关系。用内包层的折射率减去外包层的折射率得到的差除以外包层折射率得到Δ-，即，(芯的折射率-外包层的折射率)/外包层折射率。如图9所示，当Δ-增大即内包层的折射率增大时，应力由压力变为张力。在这种情况下，如果氟(F)量增大，内包层的折射率也增大。
图10描述了局部机械应力和内包层直径与芯直径之比D/d的依赖关系。参照图10，如果D/d增大，残留机械应力由压力变为张力。在这种情况下，如果掺F层的厚度增大，则D/d也增大。
因此，根据本发明，具有期望特性的光纤可以通过调整上述参数之一来制造，即，内包层42中的F含量、内包层42的厚度、掺入芯40中的GeO2量、外包层44中SiO2成分和光纤的牵拉张力。
通过对具有上述结构的多包层光纤进行周期性的退火，能够得到应力释放的长周期光纤光栅。
图11是解释在上面所述的多包层光纤上写长周期光纤光栅方法的示意图。其中参照号110代表根据本发明的多包层光纤，112代表退火装置，114是多包层光纤110的芯。
参照图11，来描述写长周期光纤光栅的方法。首先，用上述材料做成的具有折射率形貌和预期特性的多包层光纤通过调整上述参数被制造出来。做成的多包层光纤110被一步一步地退火来改变芯114的折射率。可以采用弧光放电或CO2激光器辐射作为退火装置112。图11中，116代表具有增大的折射率的芯，通过退火装置112对多包层光纤110进行退火使残余应力得到释放。
根据本发明，有可能制造出最适合写长周期光纤光栅的光纤。也就是说，可以通过调整F含量、掺F的内包层的厚度、掺入芯中的GeO2量、外包层中SiO2成分和光纤的牵拉张力等参数，可以制造具有预期特性的光纤。同样，通过周期性地对这样制造出来的光纤进行退火，光纤的芯的折射率被周期性地改变，从而在光纤中写入应力释放的长周期光纤光栅。
权利要求
1.一种多包层光纤，其中包括用于导引光的由GeO2-SiO2做成的芯；由F-SiO2做成的内包层，该内包层具有小于所述芯的折射率的折射率并且包裹芯；由SiO2做成的外包层，该外包层具有小于芯的折射率而大于内包层的折射率的折射率并且包裹内包层。
2.一种写入光纤的长周期光纤光栅，该光线包括为导引光用的由GeO2-SiO2做成的芯，由F-SiO2做成的内包层，该内包层具有小于芯的折射率的折射率并且包裹于芯外，由SiO2做成的外包层，外包层的折射率小于芯的折射率而大于内包层的折射率并且包裹于内包层外，其特征在于所述光纤被周期性地退火且芯的折射率被周期性地改变。
3.根据权利要求2所述的多包层光纤光栅，其特征在于至少通过调整掺入内包层的F含量、内包层的厚度、掺入芯的GeO2量、外包层中的SiO2成分和光纤的牵拉张力等参数之一，来调整多包层光纤的特性。
4.一种制造长周期光纤光栅的方法，其中包括以下步骤(1)制造用于导引光的多包层光纤，多包层光纤包括GeO2-SiO2制成的芯；F-SiO2做成的内包层，该内包层的折射率小于芯的折射率并包裹该芯；以及由二氧化硅制成的外包层，外包层具有大于内包层的折射率的折射率并且包裹该内包层；(2)周期性地热处理通过步骤(1)制造的多包层光纤来周期性地改变多包层光纤的芯的折射率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在步骤(1)中制造出的多包层光纤的特性是通过至少调整掺入内包层的F含量、内包层的厚度、掺入芯的GeO2量、外包层中的SiO2成分和光纤的牵拉张力等参数之一调整的。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在步骤(2)中是通过弧放电或CO2激光器辐射进行退火的。
全文摘要
一种多包层光纤、在光纤上写入的长周期光纤光栅和写入方法。该光纤包括为导引光用的由GeO
文档编号G02B6/02GK1239779SQ99109269
公开日1999年12月29日 申请日期1999年6月24日 优先权日1998年6月24日
发明者白云出, 吴庆焕, 韩英根 申请人:三星电子株式会社