使用mcvd製造光纖預型件的製作方法
2023-04-24 08:52:06
專利名稱：使用mcvd製造光纖預型件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用改進化學汽相澱積法製造光纖預型件的方法，和一種使用該方法製造的非線性光纖，其中光纖通過添加一種特殊摻雜物而具備特定功能。
一般地，製造光纖的過程進一步分為製造光纖預型件的過程，和從光纖預型件抽取光纖的過程。製造光纖預型件的過程利用這種方法，例如改進化學汽相澱積(MCVD)法、汽相軸澱積(VAD)法和外部汽相澱積(OVD)法來完成。
此外，為了使光纖具備特別功能性，在MCVD過程中在使芯層澱積並部分地燒結之後，對芯層的燒結部分添加一種含有摻雜物的溶液。
圖1是用於表示按照一般MCVD法製造功能光纖預型件的過程的流程圖。
首先，將一種原料氣體例如SiCl4、POCl3、CF4和GeCl4與氧氣一起吹到一個石英玻璃管裡面，並用加熱裝置將石英玻璃管加熱。然後，在石英玻璃管的內部由於熱氧化反應而形成象煙炱的氧化沉積物，因而形成覆層和芯層(步驟ST1和ST2)。
其後，將芯層部分地燒結，然後摻雜一種摻雜物，以便具有特別功能性(步驟ST3)。
進一步，使摻雜有摻雜物的部分乾燥，並燒結伴隨氧化物(步驟ST4)。
其後，使燒結的光纖經受收縮步驟和密封步驟，以便完成光纖預型件的製造(步驟ST5和ST6)。
在這種情況下，利用圖2所示設備執行以上摻雜步驟ST3和ST4，以下參考圖3A至圖3D詳細地描述這些步驟。
如圖3A所示，在石英玻璃管31內部形成覆層32和芯層33，並且如圖2所示，使石英玻璃管31通過一個特氟隆連接器20與燒瓶10連接。
在這種情況下，燒瓶10裝有一種含有摻雜物以對石英玻璃管31摻雜的溶液S，並且具有一個氣體注入/排出口11，通過該口注入適當氣體，例如氬氣(Ar)，以將溶液S供給石英玻璃管31內。
換句話說，在石英玻璃管31與燒瓶10通過特氟隆連接器20相互連接的狀態下，當將預定量的氬氣注入燒瓶10的氣體注入/排出口11時，由於注入氣體而引起的壓力，使燒瓶10中裝有的溶液S通過特氟隆連接器20注入石英玻璃管31內。也就是，石英玻璃管31保持在如圖3B所示狀態。
其後，當經過預定時間時，使氬氣通過燒瓶10的氣體注入/排出口11排出。然後，保留在石英玻璃管31中的溶液S通過特氟隆連接器20回到燒瓶10。也就是，如圖3C所示，芯層的燒結部分摻雜有溶液。
然而，由於圖2所示設備將僅執行摻雜過程，所以對於MCVD過程還必須用一個常規設備執行其它各個處理步驟，例如在石英玻璃管內形成覆層和芯層的步驟、燒結步驟、收縮步驟以及密封步驟。
因此，在用常規MCVD處理設備在石英玻璃管內形成覆層和芯層之後，將石英玻璃管移到一個附加設備，以執行摻雜過程。然後，再將完成摻雜步驟的石英玻璃管安裝在常規MCVD處理設備中，以進行隨後步驟，因而使製造光纖預型件的過程複雜化。
而且，當如圖2所示設備執行摻雜過程時，石英玻璃管垂直放置，在預定時間內充滿含有摻雜物的溶液，然後排空，所以充滿芯的燒結部分的有些摻雜物趨向隨同溶液一起漏出。這樣導致由摻雜光纖預型件而給予的功能特性的變壞，如圖3D所示。
同時，光通信技術的最新發展要求高速非線性光學元件，例如光調製器、光開關和光隔離器。作為一種努力，為了生產這樣的非線性光學元件，正在進行用半導體微粒摻雜光纖的研究。
然而，在如上所述製造光纖預型件的常規方法中，在摻雜比現有摻雜物的尺寸要大的毫微尺寸的半導體微粒時存在困難。
此外，如上所述的摻雜設備限制了芯層的燒結部分，並且因而限制了摻雜物的摻雜量。
這樣不利地影響功能光纖的特性，特別是非線性光纖的特性，它受摻雜物的摻雜量的影響。
本發明的另一個目的是提供一種使用改進化學汽相澱積法製造光纖預型件的方法。
本發明的又一個目的是提供一種使用該方法製造的非線性光纖，它摻雜有相對大尺寸的半導體微粒，以具有穩定的非線性特性。
本發明的又一個目的是提供一種光纖。
本發明的又一個目的是提供一種製造平面光波導電路的方法。
本發明的又一個目的是提供一種平面光波導電路。
按照一個方面，本發明提供一種使用改進化學汽相澱積法製造具有所希望的功能的光纖預型件的方法，該方法包括如下步驟在石英玻璃管的內部形成覆層和芯層；部分地燒結芯層；使具有覆層和部分燒結的芯層的石英玻璃管在靠近其兩端的兩個位置處的直徑部分地收縮；以及用摻雜物摻雜芯層的燒結部分。
按照本發明的另一個方面，本發明提供一種包括覆層和芯層的非線性光纖，該非線性光纖用包括如下步驟的方法製造在石英玻璃管內形成覆層和芯層；部分地燒結芯層；使石英玻璃管在靠近其兩端的兩個位置處的直徑部分地收縮；以及用特別摻雜物摻雜芯層的燒結部分。
也就是，在使石英玻璃管其兩端的直徑收縮之後，用含有摻雜物特別是毫微尺寸的半導體微粒的原料，摻雜燒結的芯層，以便能用製造光纖預型件的常規設備而不用附加設備穩定地執行摻雜過程，從而使得有可能獲得一種具有穩定特性的非線性光纖。優選地摻雜物包括PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一種。
按照本發明的又一個方面，提供一種非線性光纖，它包括一個覆層、一個芯層，其中芯層摻雜有毫微尺寸的半導體微粒。在這種情況下，半導體微粒包括PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一種。
按照本發明的又一個方面，提供一種製造平面光波導電路的方法，它包括如下步驟準備一個矽晶片；用FHD(火焰水解澱積)方法在矽晶片上澱積由SiO2-P2O5或SiO2-P2O5-B2O3組成的第一沉積物；在高溫電爐中燒結第一沉積物，以便形成一個緩衝覆層；用FHD方法在緩衝覆層上澱積由SiO2-GeO2-P2O5、SiO2-GeO2-B2O3或SiO2-GeO2-P2O5-B2O3組成的第二沉積物，從而形成多孔芯層，第二沉積物比緩衝覆層具有更高的折射率；將澱積有多孔芯層的矽晶片浸入一種溶解毫微尺寸的半導體微粒的溶液中；去除溶液使矽晶片乾燥，以便形成一個摻雜的芯層；並燒結摻雜的芯層；使燒結的芯層經受反應離子蝕刻(RIE)，以便留下用作光波導的芯部分；用FHD方法在緩衝覆層和芯部分上面澱積與緩衝覆層具有相同成分的第三沉積物；以及燒結第三沉積物，以便形成一個上面覆層。半導體微粒優選地由PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一種組成。
按照本發明的又一個方面，提供一種平面光波導電路，它包括一個矽襯底；一個在矽襯底上形成的緩衝覆層；一個在緩衝覆層上形成的芯；和一個在緩衝覆層和芯部分上面形成的上面覆層，其中芯摻雜有毫微尺寸的半導體微粒。半導體微粒優選地由PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一種組成。
圖4是按照本發明的第一實施例的使用MVCD製造光纖預型件的設備的結構圖。
如圖4所示，在製造光纖預型件的設備中，石英玻璃管52由車床51保持，在部分53用加熱裝置54加熱。例如，使石英玻璃管52沿第一方向55a旋轉，並用運載部件56使加熱裝置54沿第二方向55b移動。也就是，使石英玻璃管52的加熱部分53在旋轉的同時而移動。
同時，通過注射管57從供料器58向石英玻璃管52內注入一種原料，優選地為溶液，它含有一種物質，特別為幾毫微尺寸的半導體微粒，用於形成功能光纖預型件。在這種情況下，從供料器58注入石英玻璃管52的半導體微粒包括由PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一種組成的微粒。
以下，將描述使用具有上述結構的設備製造光纖預型件的過程。
首先，如圖4所示，在將用於形成光纖預型件的石英玻璃管52安裝在車床51上的狀態下，通過注射管57將一種特別原料例如SiCl4、POCl3、CF4和GeCl4與氧氣一起注入石英玻璃管52內，用於形成覆層和芯層。
其後，當使石英玻璃管52沿第一方向55a旋轉的同時，使加熱裝置54沿第二方向55b移動，以便在石英玻璃管52內形成覆層和芯層。
此外，將芯層部分地燒結，然後摻雜一種摻雜物，以便產生一種功能光纖預型件。以下將參考圖5A至圖5C描述摻雜過程。
首先，如圖5A所示，在石英玻璃管52的內部形成部分燒結的芯層之後，使加熱裝置54沿第二方向55b移動，以使石英玻璃管52在靠近其兩端的兩個位置處的直徑部分地收縮，如圖5B所示。
也就是，在圖4所示設備中，使加熱裝置54在靠近石英玻璃管52的第一端的位置521處，保持固定預定時間，以便使石英玻璃管52在位置521處的直徑收縮預定量。其後，使石英玻璃管52在靠近第二端的位置522處經受如上述相同的處理，以便使石英玻璃管52在位置522處的直徑收縮預定量。在這種情況下，優選地石英玻璃管52在兩個位置處的直徑的收縮量大於或等於芯層的厚度。
其後，如圖5B所示，將一種含有摻雜物的原料即功能溶液從供料器58注入因收縮而形成內部環形突起的石英玻璃管52內。
在這種情況下，這樣提供含有摻雜物雜質成分的功能溶液，以便與芯層的燒結部分的厚度和內部環形突起的高度相應。
也就是，如圖5C所示，當將含有摻雜物的功能溶液注入石英玻璃管52內時，使石英玻璃管52旋轉，以便摻雜物滲透在具有圓筒形的石英玻璃管52內形成的芯層的燒結部分。
在這種情況下，由於石英玻璃管52的內部環形突起與芯層具有相同的水平面，所以即使當芯層具有較大燒結部分時，摻雜物也可以穩定地保留在燒結部分中。因此，有可能增加滲透芯層的摻雜物的量。
其後，供料器58使O2和Cl2通過石英玻璃管52的內部，以消除在摻雜過程期間產生的羥基(OH)成分，並且在使石英玻璃管52沿第一方向旋轉的同時，使加熱裝置54沿第二方向移動，以便使石英玻璃管52內的摻雜物乾燥。
圖6A和圖6B是用於表示分別按照常規方法和本發明方法摻雜有摻雜物的非線性光纖的光吸收係數的曲線圖。
圖6A表示按照常規摻雜方法摻雜有PbTe半導體微粒的非線性光纖的光吸收係數的特性，而圖6B表示按照本發明的利用部分收縮的摻雜方法摻雜有PbTe的非線性光纖的光吸收係數的特性，其中用0.05克分子的PbTe摻雜各光纖的芯層。
如圖6A所示，按照常規摻雜方法摻雜有PbTe的非線性光纖在1050nm附近波長範圍內表現無光吸收，這個波長是PbTe的固有波長。這意味光纖為表現非線性光特性而不適當地摻雜有PbTe。
然而，如圖6B所示，按照本發明的部分收縮方法摻雜有PbTe的非線性光纖，在1050nm附近波長範圍內表現測量為0.005cm-1的光吸收係數。這意味毫微尺寸的PbTe保留在石英玻璃管的芯層中。
因此，注意本發明方法提供一種非線性光纖，與常規方法比較，它在寬帶波長範圍內具有普遍高的光吸收係數。這是由於使用本發明部分收縮方法與常規方法比較，在芯層中相同半導體微粒的摻雜含量變得較高的事實而引起。
因此，按照本發明，有可能用製造光纖預型件的常規設備，而不用單獨的附加設備，來執行摻雜物特別是毫微尺寸的半導體微粒的摻雜過程，並增加摻雜物的量。
此外，能均勻地形成摻雜有摻雜物的光纖預型件的芯層，以便使得由摻雜雜質成分而引起的光纖的特性得到穩定和改善。
按照本發明的另一個實施例，提供一種如圖7所示的平面光波導電路。以下，參考圖8A至圖8E描述製造平面光波導電路的過程。
首先用FHD方法在矽晶片70上澱積由SiO2-P2O5或SiO2-P2O5-B2O3組成的第一沉積物，並使第一沉積物在高溫電爐中燒結，以便形成一個玻璃層的緩衝覆層71(圖8A)。然後，用FHD方法在緩衝覆層上澱積由SiO2-GeO2-P2O5、SiO2-GeO2-B2O3或SiO2-GeO2-P2O5-B2O3組成的第二沉積物，它比緩衝層具有較高的折射率，以便形成多孔芯層72(圖8B)。
隨後，將澱積有多孔芯層72的矽晶片70浸入一種溶解半導體微粒的溶液中，然後通過去除溶液使其乾燥並燒結，以便形成一個玻璃層的摻雜芯層72』，如圖8C所示。使摻雜芯層72』經受RIE，以便留下用作光波導的芯部分72」，如圖8D所示。最後，用FHD方法在緩衝覆層71和芯部分72」上面澱積與緩衝覆層71具有相同成分的第三沉積物，並且燒結，以便形成一個上面覆層73，如圖8E所示。毫微尺寸的半導體微粒優選地由PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一種組成。
同時，本發明不限於上述的具體實施例，並且能在不違反本發明的真正範圍下以各種方式改變和變更。
例如，按照本發明的部分收縮方法，通過使用各種半導體微粒作為摻雜物，能產生具有非線性特性和各種功能的各種光纖元件，例如用於光開關和光調製器的光纖。
如上所述，按照本發明，使石英玻璃管的直徑在靠近其兩端的兩個位置處部分地收縮，然後摻雜一種摻雜物，例如半導體微粒，以便摻雜過程能穩定地進行，以利用製造光纖預型件的常規設備，而不使用附加設備，產生一種具有穩定特性的非線性光纖。
雖然已經說明和描述了被認為是本發明的優選具體實施例，但本領域技術人員將會理解，本發明不限於其具體實施例，並且在不違反本發明的真正範圍下，可以用各種改變和變更及等效來代替其要素。
權利要求
1.一種使用改進化學汽相澱積法製造具有希望功能的光纖預型件的方法，包括如下步驟(1)在一個石英玻璃管的內部形成一個覆層和一個芯層；(2)部分地燒結芯層；(3)使具有覆層的石英玻璃管的直徑部分地收縮，並且在靠近其兩端的兩個位置處部分地燒結芯層；以及(4)用一種摻雜物摻雜芯層的燒結部分。
2.如權利要求1所述的使用改進化學汽相澱積法製造光纖預型件的方法，其中在步驟(4)，將一種含有毫微尺寸的半導體微粒的原料注入石英玻璃管內。
3.如權利要求2所述的使用改進化學汽相澱積法製造光纖預型件的方法，其中半導體微粒包括PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一種。
4.一種包括覆層和芯層的非線性光纖，該非線性光纖用包括如下步驟的方法製造在一個石英玻璃管的內部形成覆層和芯層；部分地燒結芯層；使石英玻璃管在靠近其兩端的兩個位置處的直徑部分地收縮；以及用一種摻雜物摻雜芯層的燒結部分。
5.如權利要求4所述的非線性光纖，其中摻雜物包括半導體微粒。
6.如權利要求4所述的非線性光纖，其中半導體微粒包括PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一種。
7.一種包括覆層、芯層的非線性光纖，其中芯層摻雜有毫微尺寸的半導體微粒。
8.如權利要求7所述的非線性光纖，其中半導體微粒包括PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一種。
9.一種製造平面光波導電路的方法，包括如下步驟在一個矽晶片上形成一個緩衝覆層；在緩衝覆層上形成一個多孔芯層；用毫微尺寸的半導體微粒摻雜多孔芯層，以便形成一個摻雜芯層；燒結摻雜芯層；使摻雜芯層形成圖形，以便形成芯部分；以及在緩衝覆層和芯部分上面形成一個上面覆層。
10.如權利要求9所述的方法，該方法包括如下步驟準備一個矽晶片；用FHD(火焰水解澱積)方法在矽晶片上澱積由SiO2-P2O5或SiO2-P2O5-B2O3組成的第一沉積物；在高溫電爐中燒結第一沉積物，以便形成一個緩衝覆層；用FHD方法在緩衝覆層上澱積由SiO2-GeO2-P2O5、SiO2-GeO2-B2O3或SiO2-GeO2-P2O5-B2O3組成的第二沉積物，它比緩衝覆層具有更高的折射率，以便形成一個多孔芯層；將澱積有多孔芯層的矽晶片浸入一種溶解半導體微粒的溶液中，以便形成一個摻雜芯層；燒結摻雜芯層；使摻雜芯層經受反應離子蝕刻(RIE)，以便留下一個用作光波導的芯部分；用FHD方法在緩衝層和芯部分上面澱積與最初玻璃層具有相同成分的第三沉積物；以及燒結第三沉積物，以便形成一個上面覆層。
11.如權利要求10所述的方法，其中半導體微粒由PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一種組成。
12.一種平面光波導電路，包括一個矽襯底；一個在矽襯底上形成的緩衝覆層；一個在緩衝覆層上形成的芯；一個在緩衝覆層和芯上面形成的上面覆層，其中芯摻雜有毫微尺寸的半導體微粒。
13.如權利要求12所述的平面光波導電路，其中半導體微粒由PbTe、PbS、SnTe、CuCl、CdS和CdSe中的至少一種組成。
全文摘要
本發明公開了一種使用改進化學汽相澱積法製造光纖預型件的方法和利用該方法製造的非線性光纖，其中在石英玻璃管的兩端被部分地收縮之後摻雜雜質成分，從而摻雜過程能夠穩定地進行，並且能夠增大雜質成分的摻雜量。該方法包括如下步驟在一個石英玻璃管內形成一個覆層和一個芯層；部分地燒結芯層；使其中形成覆層和部分燒結的芯層的石英玻璃管的兩端部分地收縮；以及用一種雜質成分摻雜芯層的燒結部分，從而製成的光纖預型件具有預定的功能。
文檔編號G02B6/132GK1458909SQ02800672
公開日2003年11月26日 申請日期2002年3月11日 優先權日2001年3月16日
發明者韓元澤, 曹正植 申請人:奧普託內斯特公司, 光州科學技術院