利用壓力改變光纖折射率的方法

2023-06-05 01:38:26 2

專利名稱：利用壓力改變光纖折射率的方法
政府權利聲明本發明至少部分由國防部提供資金，許可證號為F49620-97-1-0238。政府對本發明可以具有一定的權利。
已經提出幾種用於製造光纖光柵的方法。可以利用具有周期圖案的紫外光從一端照射光纖，導致光纖的感光芯的折射率發生永久性變化。產生的周期折射率圖案形成光纖光柵。
寫入光柵所需要的時間與光纖玻璃芯的光敏度有關。光敏度實質上與為獲得固定的光柵強度而需要的雷射能量密度成反比。對纖芯中鍺濃度高(＞10％)的光纖，光敏度高，而且寫入光柵所需要的時間最少。然而，對於某些應用，這種光纖的數值孔徑可能不希望地過高(數值孔徑NA＞0.2)。對於纖芯中含有少於3％mol鍺的標準通信光纖(NA～0.12)，纖芯的光敏度小。在這樣的光纖中寫入光柵需要相當大的紫外光能量密度，因此增加了寫入光柵的時間。對於布拉格光纖，光柵周期通常為0.5微米左右，所以在寫入光柵過程中即使光纖非常輕微的位置移動或偏差將損壞光柵。
已知把光纖放置在高壓氫氣環境下很多個小時能夠提高光纖的光敏度，但是這是一個非常漫長而且可能是很危險的過程。也可使用另一種方法，光纖可以在纖芯中攙雜高濃度鍺，然後同時攙雜硼以減小光纖的NA。這種光纖的光敏度提高了，但是纖芯中加入硼使得產生的光柵變得不穩定，意味著過一段時間光柵將很快消失。也可以將UV光的波長降低到200nm以下，這樣光纖的敏感度提高了，但是這樣短波長的雷射源會難以操作。傳播這樣短波長雷射的光學元件必須使用稀有而且昂貴的材料。這種雷射的最常用光源是氬/氟準分子雷射器，這種雷射器的氟氣過於活躍而且有毒。
可以通過首先把光纖圍繞適當的芯棒纏繞幾周拉伸光纖，或者也可以夾緊光纖。光纖兩部分間距加大直到獲得希望的應變(即Δ1/1)。或者，可以通過給光纖施加向內指向的徑向力壓緊光纖。也可使用另一種方法，通過施加沿著光纖軸的壓力壓縮光纖。
根據光纖的結構以及入射光聚焦在光纖上的方式，光柵可以形成在光纖芯或者光纖的包層中。光可以是紫外光、可見光或者紅外光。
在拉伸和照射光纖之前，玻璃光纖可以剝離全部或者所需部分的塑料包覆層，所述塑料包覆層圍繞包層形成。或者，可以在保持塑料包覆層完好的情況下拉伸和照射光纖。在後一情況下，光的波長必須以最小損失通過光纖包覆層，如同美國專利5,881,186所述。對於某些塑料包覆層，通過這樣的沒有拉伸的光纖包覆層寫入合理長的光柵(R＞1％)將是困難的，因為所需要的光能量密度將損壞包覆層。也可使用另一種方法，在光纖的包層上可以覆蓋一薄層金屬。
通過拉伸光纖，寫入光柵所需要的光能量密度(與光敏度成反比)大大降低(例如減少到20之一)，以便光纖必須暴露在光中的時間也以相同倍數降低。通過拉伸光纖，可以通過商業應用的普通光纖的塑料包覆層寫入光柵，而不損害光纖包覆層。因此該方法通過橫向傳導光通過某些光纖中的光纖包覆層能夠寫入光柵，在所述這些光纖中如果不拉伸光纖包覆層將在能夠寫入光柵之前就損壞了。也可以在光纖處於壓力下，通過沿著光纖軸閃爍光(shining light)照射光纖芯。
如最佳實施例中所述，因此本發明包括在纖芯攙雜低濃度鍺的光纖中快速寫入光柵的方法；不使用氟基準分子雷射器在光纖中寫入光柵的有效方法；不對光纖使用氫在光纖中寫入光柵的方法；一種不會損害光柵的長期穩定性的在光纖中寫入光柵的方法；一種能夠使通過光纖的聚合物包覆層而不損壞包覆層層在光纖中寫入光柵的方法；以及簡單而且容易的在光纖中寫入光柵的方法，從而提高速度並降低光柵的製造成本。
從下面的描述附圖及權利要求中，其他特徵及優點可顯現出來。
該發現與許多文章相反，這些文章斷言當寫入光柵時不希望拉緊光纖，參見例如T.Taunay等人，在J Phys.DAppl.Phys.30，40～52(1997)，and I.Riant and F.Haller，J.Lightwave Tech.，Vol.15，no.8，1464-69(1997)的文章。在這些情況下，應變不大於大約0.67％。美國專利No.5,787,213更建議施加6％或更大的應變，但是在這種情況下光纖彎曲成環形，所以雖然光纖環的外側面被拉伸，但是環的內側面實際上是被壓縮。這意味著在光纖芯區域的應變大約為零。因此，所建議的彎曲方法與在光纖芯上施加縱向應變非常不同，而且實驗證明這種彎曲方法不能實質上提高光纖的光敏度。而且，相信超過大約6％的縱向應變將折斷通常的光纖。美國專利No.5,956,442也示出拉緊光纖以便寫入光柵，但是開始只有0.6％，然後在十五個連續降低0.04％的步驟中，以便製造線性調製光柵。
本發明的一個實施例在

圖1a中示出。光纖12纏繞在芯棒16上，並沿著箭頭18的方向拉伸(即縱向或沿著光纖軸)。光14在沿垂直於縱向的方向照射光纖以便改變光纖的折射率。
可以在橫向方向上提供多束光，這些光在纖芯或包層內組合，或者可以通過光纖和光源之間的掩膜提供光，如同美國專利No.5,881,186中描述的一樣，該專利在這裡引入完全是為了供參考。如同該專利中所述，使用波長至少接近紫外光即至少為275nm的光是有利，諸如使用聚合物或者塑化相掩膜給光纖提供光。也可使用另一種方法，可以沿著縱軸方向提供光，例如美國專利No.5,384,884中所示。
圖1b示出在兩個塊體20之間利用壓力22向內並沿徑向壓緊光纖12的組件，同時用光14橫向照射光纖12的壓緊部分。雖然這裡的機構與用於縱向應變的機構不同，而且效果在某些方面也不同，但是應相信當照射時這樣的壓緊相同地提高了光纖的光敏度。在該實施例中也可以沿著縱軸提供光。
圖2是示出在標準通信光纖中由紫外光導致的折射率變化的比較曲線圖。在該縱向拉緊光纖中應變為3％，在雷射能量密度作用下折射率變化顯著加快。相反地，在沒有拉緊的光纖中，折射率變化很慢，而且達到較小的平穩段。
圖3示出固定光纖並給光纖施加張力的機構。光纖12具有塑料保護包覆層，被纏繞在芯棒16上。可以部分去掉保護包覆層，或者全部去掉，以便在離開芯棒處露出纖維32。芯棒16安裝在底座34上，底座可以沿著軌道36滑動。螺釘(未示出)推在底座34上以便給光纖12施加張力，光纖的遠端固定。系統可以計算機控制，如同V.Grubsky等人在Phot.Tech.Lett 11，87-89(1999)中所述，將該內容在這裡引入僅是用於參考。當施加張力時，可以從側面照射纖維32以便寫入光柵。
圖4示出保持光纖12的保護包覆層並用圖案紫外光44照射以便在光纖中產生類似的折射率圖案。光纖12纏繞在芯棒16上並用與圖3所示類似方式拉伸。
圖5示出利用圖案紫外光52從側面照射具有纖芯54和包層56的光纖。光纖的芯上已經寫入上光柵58。紫外光52改變光柵的包絡。當光纖處理於壓力下時進行照射，如箭頭18所示。
根據已經進行的實驗，相信少量應變能夠導致光敏度稍微提高(與上面引用的一些文章相反)，但是在大約1％應變時，這種益處得到了非常顯著地增強，而且在大於2％而且到至少3.3％時繼續增強。在一個實驗中，發現在大約1.5％應變時光敏度加倍，而且在大約3％應變時光敏度提高了四倍到五倍。
在先形成在光纖上的光柵能夠利用這一技術永久改變。在光纖處於壓力下時用均勻光分布照射光柵。那麼光纖的平均折射率改變，從而改變光柵的諧振波長。例如，對於布拉格光柵，諧振波長λS由下式給出λS＝2nd其中d是光柵周期(對於布拉格光柵d＜10微米)，n是平均折射率。改變平均折射率從而改變光柵的諧振波長。通過這一方法可以改變光柵的諧振波長，而不必剝離光纖包覆層露出玻璃。通過避免剝離，保持了光纖的機械強度。
可以利用該方法切趾或線性調製在先形成在光纖中的光柵。利用適當圖案的光橫向照射拉伸的光纖能夠在光纖中產生線性調製。例如，通過使用強度單調增加的圖案光，可以在光柵上產生單調增加的線性調製。在照射例如光柵切趾過程中拉伸可以變化。
長周期光柵(d＝10微米-100微米)也可以寫入在拉伸的光纖上。這種長周期光柵可以用於把光耦合到光纖包層模中，或者在多模光纖的同向傳輸纖芯模之間。拉伸光纖降低了形成光柵所需要的光能量密度，從而減少了寫入光柵所需要的時間。
水蒸氣弱化玻璃。因此，可以在已經降低水蒸氣含量的空氣中把光纖暴露在光下，以便防止光纖在高應變下斷裂。加熱光纖使水從玻璃上蒸發。因此，可以加熱光纖以便進一步防止光纖斷裂。例如，光纖可以加熱到100℃以上。冷卻光纖也能夠降低水弱化玻璃的作用。例如，可以用液氮冷卻光纖。
金屬包覆的光纖與不帶包覆層的光纖相比能夠提高抗張強度。因此，為了提高能夠施加到光纖上的最大應變，光纖可以在光纖包層上增加一薄層金屬包覆層。金屬包覆的光纖還具有如下附加優點，即能夠容易地通過快速錫焊夾緊，以便然後能夠向光纖施加應變。
例1布拉格光柵形成在NA＝0.31的光纖中，該光纖芯攙雜鍺(例如稱為Fibercore SM1500HG的光纖)。寫入光束是雙頻Ar雷射器發出的50mW的244nm紫外光，並通過焦距為3cm的圓柱透鏡聚焦在光纖上。為了寫入光柵，寫入光束通過透明相掩膜沿著光纖長度方向以20μm/s的速度掃描5mm距離，。在光纖中沒有應變時所產生的布拉格光柵的反射只有5dB深度。然而，光纖中存在2.5％應變時，光柵的反射為15dB深度。
例2長周期光柵形成在ATT製造的標準通信光纖中。雙頻Ar雷射器發出的波長為244nm的紫外光通過10x顯微物鏡聚焦在光纖芯上。在照射過程中給光纖施加3％的應變。光柵具有80個相同的320μm周期。利用50Mw的入射雷射功率，形成10dB光柵。(在沒有施加應變時，光柵強度只有1dB)。
例3布拉格光柵形成在纖芯攙雜Ge為20mol％的光纖中。紫外光光源是Ar雷射器發出的100mW的334nm紫外光。利用圓柱透鏡通過塑化相掩膜、並穿透光纖聚合物包覆層把紫外光聚焦在光纖芯上。在寫入光柵過程中給光纖施加2％的應變。30秒後產生6mm的長布拉格光柵，反射率為20％。
當在例1中使用Ar雷射器發出的334nm光時，在光纖中也發現與上述例子類似的效果，而且在GeO2-B2O3攙雜纖芯的光纖中(FibercorePS 1500，NA＝0.14)也發現了類似的效果。其他實施例落入權利要求書的範圍之內。
權利要求
1.一種在具有纖芯的光纖中形成折射率的方法，包括沿著它的縱軸方向拉緊光纖，以便產生至少1％的應變，在拉緊的同時用光照射光纖以便形成折射率圖案。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述光從光纖的側面垂直於縱軸方向照射。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述光是紫外光。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述光沿著縱軸方向通過光纖。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述光的波長至少為275nm。
6.根據權利要求2所述的方法，其中所述圖案由掩膜形成。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述圖案由塑化相掩膜形成。
8.根據權利要求1所述的方法，其中所述光纖在溼度＜30％的環境下被拉伸。
9.根據權利要求1所述的方法，其中所述光纖在液體中被拉伸。
10.根據權利要求1所述的方法，其中所述光纖在溫度高於100℃的環境下被拉伸。
11.根據權利要求1所述的方法，其中所述光纖在照射時用液氮冷卻。
12.根據權利要求2所述的方法，其中所述圖案利用光幹涉形成。
13.根據權利要求1所述的方法，其中所述圖案具有交變亮暗區域，周期小於10微米，以便產生布拉格光柵。
14.根據權利要求1所述的方法，其中所述圖案具有交變亮暗區域，周期大於10微米，以便產生長周期光柵。
15.根據權利要求1所述的方法，進一步包括在照射之前從光纖去掉包覆層，並照射去掉包覆層的光纖部分。
16.根據權利要求1所述的方法，其中光纖具有完好的包覆層，且包覆層未被去掉。
17.根據權利要求1所述的方法，其中光纖包覆層部分被去掉。
18.根據權利要求1所述的方法，其中光纖具有金屬包覆層。
19.根據權利要求15所述的方法，其中光纖具有金屬包覆層。
20.根據權利要求1所述的方法，其中光纖被加氫。
21.根據權利要求1所述的方法，其中進行拉緊以便光纖的應變大於2％。
22.根據權利要求1所述的方法，其中進行拉緊以便光纖的應變大於3％。
23.一種在光纖中形成折射率圖案的方法，通過沿著它的縱軸方向把光纖拉緊足夠量時用光照射光纖，以便把光纖的光敏度提高至少1倍。
24.根據權利要求23所述的方法，其中在光纖上沒有包覆層圍繞的部分照射光纖。
25.根據權利要求23所述的方法，其中在光纖上有包覆層圍繞的部分照射光纖。
26.根據權利要求23所述的方法，其中所述光沿著垂直於光纖縱向的方向引入。
27.根據權利要求23所述的方法，其中所述光沿著光纖縱向引入。
28.一種通過在向內並沿徑向壓緊光纖的同時用光照射光纖而在光纖中形成折射率圖案的方法。
29.根據權利要求28所述的方法，其中所述光沿著垂直於光纖縱向的方向引入。
30.根據權利要求28所述的方法，其中所述光沿著光纖縱向引入。
31.一種通過在沿著它的軸壓緊光纖的同時用光照射光纖而在光纖中形成折射率圖案的方法。
全文摘要
沿著它的縱軸方向壓迫光纖，產生至少1％的應變，同時橫向引入光以便寫入光柵。應變提高了光纖的光敏度，並減少了寫入光柵所需要的時間。或者，也可以沿徑向且向內壓緊光纖或者沿著它的軸壓緊光纖。
文檔編號C03B37/10GK1413310SQ00817524
公開日2003年4月23日 申請日期2000年12月19日 優先權日1999年12月21日
發明者D·斯塔羅杜博夫, E·薩利克 申請人:賽巴斯光學器件公司