高折射率差纤维波导及其应用制造技术

本发明专利技术的特征在于可由预制棒拉制的高折射率差纤维波导（１３０１）。本发明专利技术的特征还在于用于形成高折射率差纤维波导（１３０１）的材料，及选择它们的方针。高折射率差纤维波导（１３０１）可包括光导纤维及光子晶体光纤，其可能对纤维波导（１３０１）中的光信号提供增强的径向限制。此外，在高折射率差纤维波导内部可获得较大的光能量密度，使它们成为多种应用的有力候选。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纤维波导，更具体地涉及高折射率差(high index-contrast)的纤维波导。
技术介绍
光学元件在电信网中的应用变得越来越普遍。例如，纤维波导如光纤被用于在不同的地点之间携带作为光信号的信息。这些波导基本上限制光信号沿一个或多个优选路径传播。类似地，其它部件如电源、调制器及变换器通常也包括用于限制电磁(EM)能量的被导引的区域(guided regions)。虽然金属波导在较长波长(例如微波)的使用方面有很长的历史，但它们在光波范围(例如350nm至3微米)中作为波导的使用因其吸收性能而受到限制。因此，在许多光学应用中优选介电波导区域。纤维波导的最普遍类型是光导纤维，光导纤维利用折射率导引(index guiding)将光信号限制到优选路径上。这种纤维包括沿波导轴延伸的纤芯区域，及环绕波导轴包围该纤芯的、折射率小于纤芯区域折射率的外包层区域。由于存在折射率差，因此在高折射率的纤芯部分中基本上沿波导轴传播的光辐射可经受来自纤芯-外包层界面的全内反射(TIR)。其结果是，光导纤维引导电磁(EM)辐射的一个或多个模式沿波导轴在纤芯中传播。这些被引导的模式的数目随着纤芯的直径的增大而增加。特别是，这种折射率导引的机制将阻止对于平行于波导轴的给定波矢量，出现低于最低频率的被导引模式的任何外包层模式。在商业上应用的几乎所有折射率导引光导纤维均为基于硅石的光纤，其中纤芯及外包层区域中的一个或两者被掺以杂质以产生折射率差并生成纤芯-外包层区域界面。例如，通常使用的硅石光导纤维具有约1.45的折射率，且对于1.5微米范围内的波长具有视应用而定的约0.2％至3％范围内的折射率差。从预制棒(preform)拉出纤维是制造纤维波导所使用的最普遍的方法。预制棒是具有所需纤维的精确形状及组分的一个短棒(例如10至20英寸长)。但是预制棒的直径比纤维直径大得多(例如大100至1000倍)。典型地，当拉制光导纤维时，预制棒的材料组分包括单一玻璃，该单一玻璃具有在预制棒纤芯中所提供的变化等级的一种或多种掺杂物，以增大纤芯区域相对于外包层区域折射率的纤芯折射率。这可保证形成纤芯及外包层区域的材料被拉制时在流变(rheologically)上及化学上保持相似，同时仍能提供足够的折射率差以支持纤芯区域中的被导引的模式。为了由预制棒制成纤维，由加热炉将预制棒加热到使玻璃粘度足够低(例如小于108泊)的温度，以便从预制棒拉出纤维。在拉制后，该预制棒的截面缩小形成纤维，该纤维具有与预制棒相同的横截面组分及结构。纤维的直径由纤维的特定流变特性及其拉伸速率来确定。预制棒可使用本领域技术人员所公知的多种技术来制造，其中包括改进的化学汽相沉积(MCVD)及外汽相沉积(OVD)。MCVD法涉及将汽化原料层以粉尘(soot)形式沉积到预先制作的管的内壁。在沉积成玻璃层后每个粉尘层很快熔化。这就产生了一个预制管，该预制管随后被瓦解(collapse)成一个固体棒，外部形成套层(over iacketed)，然后被拉制成纤维。OVD法涉及将原料层沉积到一个旋转棒上。这在两个步骤中完成沉积及烧结(consolidation)。在沉积步骤期间，由例如四氯化硅(用于硅石纤维)及四氯化锗的超纯蒸气制成粉尘预制棒。这些蒸气通过横向的燃烧室并在火焰中反应，形成二氧化硅及氧化锗的粉尘颗粒。这些颗粒被沉积到旋转的靶棒表面。当沉积完成时，棒被移走，并将沉积材料放置到烧结炉中。除去水蒸汽，预制棒被瓦解并变成致密的透明玻璃。用于制造纤维预制棒的另一方法是简单地将一种材料的棒插入到一个空心预制棒的纤芯中。加热将预制棒固结成单个物体。纤维波导除简单地提供了光信号的传输通道外，还形成了多种光学装置的基础。例如，纤维波导可被设计用以补偿可能对光信号有害的效应，如散射。散射是可引起不同波长的光信号以不同速度传播，并引起光脉冲变宽的波导特性。典型地，长距离光导纤维对于1.5微米范围内的波长具有2-50ps/nm-km的正散射。该正散射可通过将信号导入具有负散射的波导来补偿，该负散射在幅值上等于由硅石光导纤维所引起的正散射。通常，这种补偿通过在光通信网络中提供具有正及负散射的纤维交替区域来实现。可能对光信号有害的效应的另一个例子是衰减。衰减就是当信号通过光导纤维传输时光信号强度的损失。当衰减足够大时，光信号变得不可与背景噪音区分。因此，纤维放大器是通信网络中的重要部件。顾名思义，纤维放大器是可放大光信号的信号强度的纤维波导。例如，密集波分复用(dense wavelength-division multiplexing)的应用的增长，使得掺铒光纤放大器(EDFA)成为现代电信系统中的基本的结构单元。EDFA可放大纤维内部的光信号并由此使信息可以在长距离上传输而无需传统的重发器(repeater)。为了形成EDFA，用稀土元素铒对纤维进行掺杂，铒在其原子结构中具有适合的能级以放大1550纳米的光。使用980纳米泵激光器将能量注入到掺铒纤维中。当1550纳米的弱信号进入纤维时，光激励铒原子释放它们所存储的能量作为额外的1550纳米的光。该激励发射与原始信号相干，因此当原始信号沿纤维传播时其强度变得更强。纤维激光器是使用光导纤维制造的光学部件的另一例子。典型地，在径向上由高折射率纤芯及低折射率外包层之间的折射率差限定出空腔，折射率差通过全内反射(TIR)确定了EM辐射。空腔也可在轴向上由反射器来限定。早期纤维激光器中的端部反射器(endreflector)是放置或汽化在抛光纤维端部的反射镜。沿纤维轴的折射率调制也可被用来产生反射器并由此定义出激光光腔。例如，两个布拉格光栅可围绕一个增益介质并定义出端部反射器，由此形成分布式布拉格反射器(DBR)激光器。可选择地，轴向调制可延伸贯穿增益介质的长度以形成“分布反馈”(DFB)激光器。典型纤维波导的组分通常由具有适当的掺杂横截面分布的单一材料构成，以控制纤维的光学性能。但是，也可使用包括不同材料的组分。相应地，公开了包括不同材料的组分、由该不同材料组分得到的纤维波导及示范性装置。
技术实现思路
本专利技术的特征是可由预制棒拉制的高折射率差纤维波导。本专利技术的特征还在于构成高折射率差纤维波导的材料及选择它们的方针。可包括光导纤维(即，使用全内反射以将光限制至纤芯的纤维波导)及光子晶体光纤(例如布拉格光纤)的高折射率差纤维波导，可对纤维波导中的光信号提供增强的径向限制。该增强的径向限制可减小辐射损耗，由此改善传输效率。此外，在高折射率差纤维波导内部可获得大的光能量密度，使它们成为多种应用、如非线性应用的有力候选。另外，除了增强径向限制外，还可在纤维波导中获得增强的轴向限制。使用增强的轴向限制及增强的径向限制，可在高折射率差纤维波导中形成具有高Q值和/或小模式容量(modalvolume)的光腔。这些空腔可形成许多光学装置、如双稳装置的基础。现在将概括描述本专利技术的各个方面、特征及优点。总体上，本专利技术一个方面的特征是一种具有波导轴的纤维波导。该纤维波导包括沿波导轴延伸的第一部分，该第一部分包括具有折射率n1、工作温度Tw及软化温度Ts的第一材料。该纤维波导还包括沿波导轴延伸的第二部分，该第二部分包括具有折射率n2、作为温度T的函数而变化的粘本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有波导轴的纤维波导，包括：沿波导轴延伸的第一部分；以及沿波导轴延伸并包围第一部分，且与第一部分不同的第二部分；其中第一及第二部分中的至少一个包括从由硒硫属化物玻璃及碲硫属化物玻璃组成的组中选择出的硫属化物玻璃。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：埃米莉亚安德森，韦斯利金，约埃尔芬克，洛里普雷斯曼，
申请(专利权)人：全波导通信公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]