專利名稱：具有可更改的光導(dǎo)特性的光體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有可更改的光導(dǎo)特性的光體，具體地說(shuō)，是一種光纖，其光導(dǎo)特性能夠通過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砭植康馗淖?，還涉及生產(chǎn)光波導(dǎo)體的方法。
以前已知幾種在其它成品光波導(dǎo)中局部地改變諸如折射率這類光導(dǎo)特性的幾種不同方法?，F(xiàn)在描述如下1．在摻雜了氧化鍺的、以二氧化硅為基礎(chǔ)的光纖中，可通過(guò)將這樣的光纖經(jīng)紫外線照射獲得該折射率的持續(xù)增加。該射線應(yīng)該具有這樣的波長(zhǎng)，該波長(zhǎng)相應(yīng)于某個(gè)吸收間隔的波長(zhǎng)或氧化鍺的間隔波長(zhǎng)。有一個(gè)使用由紫外光誘導(dǎo)的這種折射率變化的例子是光纖光柵，這在由Phillip St.Russel等的“光纖光柵”，Physics World,oct.1993,pp.41-46的文獻(xiàn)中被描述，由國(guó)際專利申請(qǐng)WO94/00784公開(kāi)，產(chǎn)生的光柵被用作，例如，濾光鏡。當(dāng)它們暴露在高達(dá)500°-900℃的高溫下時(shí)，這種光柵的光柵結(jié)構(gòu)消失。
2．摻雜氧化鍺的玻璃材料的折射率的增加可以通過(guò)在處理前用紫外光，氫氣彌散進(jìn)材料，這種被稱作氫敏化的方法得到加強(qiáng)。摻雜氧化鍺、磷或磷-鋁的玻璃材料的折射率的增加，可以通過(guò)處理時(shí)在氫氣環(huán)境和高壓下首先使氫氣彌散進(jìn)材料，隨即間隔一定時(shí)間(interval)在不太高的溫度例如500℃下加熱該材料，見(jiàn)Atkins等的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?,500,031，與歐洲專利申請(qǐng)0622343中公開(kāi)的一致。
3．在1996年九月17提交的瑞士專利申請(qǐng)9603406-1中，改為用光誘導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)來(lái)達(dá)到這種變化。假設(shè)氟原子在最初已經(jīng)存在于光纖芯中，可以假定它的原子結(jié)合在玻璃結(jié)構(gòu)中。氫原子加入到光纖中是通過(guò)在具有高壓的氫氣環(huán)境包圍下使氫氣彌散進(jìn)入光纖。該光纖在選定的區(qū)域用紫外光照射，以使得芯中的鍺原子與已經(jīng)彌散進(jìn)入材料中的氫原子和光纖的石英材料結(jié)合在一起，形成羥基。這種形成的羥基與氟原子反應(yīng)形成氟化氫。氟化氫與該材料結(jié)合不是太緊密，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)募訜岵僮魇顾鼜男緩浬⒌街車牟牧?。因此在芯中照射區(qū)域的氟的濃度被減少，這增加了在這些區(qū)域內(nèi)的折射率。這種方法可以總結(jié)為在光纖中使用的摻雜氟的玻璃，它首先經(jīng)過(guò)氫敏化，然后用紫外線照射，最后經(jīng)加熱操作。
4．摻雜物，例如，這些最初可以被加入到玻璃材料中的鍺和氟原子，在加熱操作時(shí)可以彌散，這可以引起暴露于熱源下的部分的折射率的改變。鍺增加玻璃材料的折射率，而氟減小它的折射率。因此，例如，如果鍺原子存在于光纖中一個(gè)有限的區(qū)域，則這個(gè)區(qū)域的折射率高于周圍材料，可以通過(guò)加熱操作來(lái)減小這個(gè)有限區(qū)域內(nèi)的折射率。相反可以通過(guò)加熱操作來(lái)增加只含有氟原子的區(qū)域的折射率。
根據(jù)上面1和3的方法，起初用于產(chǎn)生光柵結(jié)構(gòu)，即，空間的折射率的周期變化，如在光波導(dǎo)的波導(dǎo)芯的變化，例如在光纖芯的折射率的變化，它沿著該光纖的縱軸呈周期性變化。
根據(jù)上述2的方法可用來(lái)增加摻雜氧化鍺的區(qū)域的折射率，例如在平面襯底上產(chǎn)生波導(dǎo)，因此允許制造集成光學(xué)元件。
根據(jù)1、2和3的方法僅僅改變了最初有一定濃度鍺和/或氟原子的區(qū)域的折射率。周圍的沒(méi)有摻雜區(qū)域，例如具有摻雜芯區(qū)域的光纖的覆蓋層，基本上沒(méi)有顯著影響。在這些情形的處理過(guò)程中，當(dāng)該光體被認(rèn)為是光纖時(shí)，光波導(dǎo)的芯維持它的延展性，特別是它的半徑。
在根據(jù)上述4的方法中，必須用很高的溫度產(chǎn)生明顯的擴(kuò)散。在很多典型的波導(dǎo)中，如用于遠(yuǎn)程通訊的傳統(tǒng)的光纖中，當(dāng)產(chǎn)生波導(dǎo)時(shí)，通過(guò)在玻璃材料中摻雜氧化鍺GeO2來(lái)產(chǎn)生在形成真正的波導(dǎo)或波導(dǎo)芯的部分的折射率的增加。當(dāng)這種傳統(tǒng)的光纖在一個(gè)不短的時(shí)間內(nèi)暴露于量級(jí)達(dá)到1600℃的高溫時(shí)，鍺原子從芯區(qū)域擴(kuò)散到周圍材料，即覆蓋層。在摻雜鍺的材料和基本上沒(méi)有摻雜的材料，如覆蓋層的折射率之間的差異，與鍺原子的濃度成正比，這意味著，這種擴(kuò)散導(dǎo)致折射率“擦除”，即芯區(qū)域延展，其折射率下降。這種典型的光纖在這樣的高溫處理前和后的折射率，還可以被稱為芯擴(kuò)散，在圖7的圖表中顯示。
公式NA=n12-nz2]]>中給出了一個(gè)光纖的數(shù)值孔徑，這里n1是光纖芯的折射率，n2是包圍光纖芯的覆蓋層的折射率，通過(guò)一個(gè)高溫加熱操作，可減小該光纖的數(shù)值孔徑，特別是這種加熱操作可被用在這種光纖與其它光纖或元件相連的末端部分。
在Electrnics Letters,1991年8月15th,Vol.27,No.17中的H.Y.Tam的文章“用于減小在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和摻雜鉺光纖之間的結(jié)合損失的簡(jiǎn)單融合結(jié)合技術(shù)”，和Electrnics Letters,1988年2月18th,Vol.24,No.4中的J.S.Harper等的“通過(guò)控制芯擴(kuò)散引起單模光纖中芯遞減”的文章中，芯擴(kuò)散被用來(lái)適應(yīng)將不同數(shù)值孔徑的光纖彼此相連或適應(yīng)于將具有不同直徑的光纖彼此相連的模場(chǎng)。芯擴(kuò)散還可被用來(lái)適應(yīng)不同的“光纖-到-光纖-元件”模場(chǎng)，見(jiàn)J.Lightw.Techn.,Vol.8,No.8,1991年8月Kazuo Shiraishi等的“使用摻雜物的熱擴(kuò)散的光束擴(kuò)展光纖”，和J.Lightw.Techn.,Vol.11,No.10,1993年10月Kazuo Shiraishi等的“熱彌散延展芯光纖的光傳播特性”。模場(chǎng)的適應(yīng)還用在美國(guó)專利申請(qǐng)5,301,252和5,381,503公開(kāi)的方法中。
在J.of Non-Cryst.Solids 181,1995,pp.266-273中J.Kirchhof等的“在石英玻璃中氟的擴(kuò)散特性”文章中，在描述的其它事情中，SiO2材料中的磷原子非常有利于氟原子的擴(kuò)散，即當(dāng)這種材料中也同時(shí)存在磷原子時(shí)，在這種材料中的氟原子的遷移率獲得增強(qiáng)，擴(kuò)散非常容易。與之相反，鍺原子的存在不會(huì)明顯影響氟原子的擴(kuò)散特性。在引用的Atkins等的美國(guó)專利5,500,031中提到的在P-F摻雜的普通覆蓋層材料的折射率在加熱時(shí)明顯增高。該覆蓋層材料還包含氫原子。
本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)結(jié)構(gòu)，特別是可以選擇性地提供更改的波導(dǎo)特性，以及即使在經(jīng)受高溫的情況下也能夠選擇性地維持一些更改的特性的光纖。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種產(chǎn)生光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，特別是一種經(jīng)過(guò)局部處理后被賦予更改的波導(dǎo)特性的光纖，它可以在即使經(jīng)受高溫的情況下也能維持一些更改的特性。
在光學(xué)透明基質(zhì)如在光纖的覆蓋層中使用適當(dāng)選擇的摻雜物和適當(dāng)選擇的濃度，以及通過(guò)局部加熱操作該折射率結(jié)構(gòu)可以被改變，因此波導(dǎo)或波導(dǎo)芯可被“創(chuàng)建”或“擦除”，而同時(shí)，構(gòu)成波導(dǎo)芯的其它存在的結(jié)構(gòu)，如果需要的話可以基本不改變的保留。這可以通過(guò)例如，在用于遠(yuǎn)程通訊的大體上是標(biāo)準(zhǔn)型的光纖中使用氟的減小折射率的擴(kuò)散特性被極大地改變而獲得，同樣，如果摻雜磷，它可增加折射率。氟和磷結(jié)合的擴(kuò)散比沒(méi)有磷原子存在而僅僅氟原子的情況下要容易的多，也要比鍺和磷存在時(shí)容易的多。不需要?dú)湓印?br> 在特別設(shè)計(jì)的單模型光纖的光纖中，可以創(chuàng)建平行于已經(jīng)存在的波導(dǎo)芯的局部附加的波導(dǎo)芯。以這種方法在一定程度上可以在光纖內(nèi)局部創(chuàng)建“集成光學(xué)元件”。這也可能通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇初始摻雜物和摻雜標(biāo)準(zhǔn)來(lái)擦除波導(dǎo)芯。
根據(jù)上述的1和3的方法，以及根據(jù)2的第一部分的方法，可以通過(guò)將摻雜氧化鍺和減小折射率的物質(zhì)諸如氧化硼或氟的區(qū)域暴露于紫外光之下創(chuàng)建波導(dǎo)芯，在經(jīng)紫外線處理之前這個(gè)玻璃材料中沒(méi)有折射率差異，即不存在波導(dǎo)芯。這些方法的缺點(diǎn)是獲得足夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的波導(dǎo)芯的折射率的增加很難而且費(fèi)時(shí)。另外，當(dāng)使用這些方法時(shí)不能擦除已存在的波導(dǎo)芯。
在4以下描述的方法可被用來(lái)僅僅改變波導(dǎo)的模場(chǎng)，即在波導(dǎo)中準(zhǔn)確的光的分布，和/或波導(dǎo)芯的直徑。因此它很難被用來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新的波導(dǎo)，而且擦除一個(gè)已經(jīng)存在的波導(dǎo)也很費(fèi)時(shí)。
用添加足夠的如磷原子等其它原子或離子種類，取代與構(gòu)成玻璃材料中的摻雜物的原子或離子種類如氟原子擴(kuò)散特性相關(guān)的溫度的改變，通過(guò)適當(dāng)?shù)募訜崽幚砜梢詣?chuàng)建或擦除波導(dǎo)芯，其中沒(méi)有包含這些種類的離子或原子不會(huì)受到明顯影響。對(duì)于氟-磷摻雜系統(tǒng)大約要使用1300℃的熱處理溫度，在這個(gè)系統(tǒng)中，以這種溫度，存在于同時(shí)具有適當(dāng)濃度的磷原子的區(qū)域內(nèi)的氟原子，將從這個(gè)區(qū)域向外擴(kuò)散。
因此，一般來(lái)說(shuō)，包含基本上是二氧化硅的光波導(dǎo)體在下文中一般被認(rèn)定并具有用來(lái)導(dǎo)引一些波長(zhǎng)或波長(zhǎng)間隔或波段的光的波導(dǎo)體特性。該光體一般來(lái)說(shuō)至少有一個(gè)波導(dǎo)芯，該波長(zhǎng)的光可以沿著它傳播。在這個(gè)光體中配置了一個(gè)摻雜有被仔細(xì)確定濃度的至少氟和磷原子的區(qū)域。該區(qū)域最好不包含氫原子，這種氫原子在加熱光體可自由移動(dòng)因此它不與光體的材料有強(qiáng)烈的化學(xué)結(jié)合。這個(gè)區(qū)域可以是一個(gè)例如作為允許使光沿著它傳播的標(biāo)準(zhǔn)芯的波導(dǎo)芯。這個(gè)區(qū)域還可以包含另外種或另外一些種類原子或離子，例如鍺原子。
氟、磷和可能的其它離子或原子的摻雜濃度或摻雜標(biāo)準(zhǔn)是這樣被選擇的當(dāng)認(rèn)定波長(zhǎng)的光的區(qū)域的某一部分被加熱時(shí)，改變了該區(qū)域的被加熱部分的折射率，在某些情況下甚至有很大地改變。如此，認(rèn)定波長(zhǎng)的光的區(qū)域的被加熱部分的光導(dǎo)引特性也分別被改變或被極大地改變。選擇的濃度和定位的區(qū)域不同，特別是該區(qū)域被加熱的部分將產(chǎn)生一個(gè)新的波導(dǎo)芯，擦除已經(jīng)存在的波導(dǎo)芯，或改變這個(gè)被加熱部分的波導(dǎo)特性，從而加熱后的光可以或不可以被偶聯(lián)到那里或從那里被偶聯(lián)。典型的情形包括-該區(qū)域在加熱前沒(méi)有用于認(rèn)定波長(zhǎng)的光的波導(dǎo)特性，當(dāng)在被加熱后或經(jīng)過(guò)熱處理后該區(qū)域的這部分形成一個(gè)新的波導(dǎo)芯，該波導(dǎo)芯可以沿著它引導(dǎo)認(rèn)定波長(zhǎng)的光。
-該區(qū)域在加熱前有一些用于認(rèn)定波長(zhǎng)的光的波導(dǎo)特性，但不允許在光體的該區(qū)域和另一個(gè)波導(dǎo)芯之間的光的偶聯(lián)。例如，該區(qū)域可以具有一般性狀的波導(dǎo)芯，但它的折射率與另一個(gè)波導(dǎo)芯的不同，導(dǎo)致具有不同的傳播速率，不允許光在這兩者之間的偶聯(lián)。這個(gè)區(qū)域的折射率可以，例如，對(duì)應(yīng)于這個(gè)折射率和該光體的大塊材料的折射率之間的差異，即，當(dāng)光體是一個(gè)光纖的情況下它的覆蓋層的折射率，這個(gè)差異是其它波導(dǎo)的折射率和大塊材料的折射率之間的差異的一半。該區(qū)域的這一部分加熱后獲得改變的波導(dǎo)特性，允許偶聯(lián)其它波導(dǎo)芯和該區(qū)域的加熱部分之間的光。
-該區(qū)域在加熱前具有用于認(rèn)定波長(zhǎng)的光的波導(dǎo)特性，基本上被作為該光體的標(biāo)準(zhǔn)的波導(dǎo)芯。加熱后該區(qū)域的這一部分丟失了它的波導(dǎo)特性，即該光體的波導(dǎo)芯被擦除。
-該區(qū)域在加熱前有一些用于認(rèn)定波長(zhǎng)的光的波導(dǎo)特性，基本上被作為該光體的標(biāo)準(zhǔn)的波導(dǎo)芯，并且允許到或從另一個(gè)波導(dǎo)芯偶聯(lián)光線。該區(qū)域的這一部分在加熱后改變了它的波導(dǎo)特性，失去了在這一部分和其它波導(dǎo)芯之間偶聯(lián)光的能力。例如，這一部分的折射率的差異可以被減小到其它波導(dǎo)芯的折射率差異的一半，這個(gè)折射率的差異被作為上述認(rèn)定部分或芯的折射率和那個(gè)大塊材料的折射率之間的差異。
本發(fā)明將通過(guò)非限定的實(shí)施例并參考伴隨的草圖進(jìn)行描述。


圖1a是一個(gè)垂直于光纖的縱向的光纖截面的示圖，其中該光纖具有更改的組成，適合于制造具有局部偏心定位的附加芯的光纖；圖1b是一個(gè)圖表，它圖示了圖1a所示的沿適當(dāng)選定的直徑或x軸的光纖的折射率；圖1c是類似于圖1b的圖表，它圖示了圖1a的光纖在加熱操作后的折射率；圖1d是一個(gè)圖表，它圖示了圖1a中的光纖沿x軸的氟原子的濃度；圖1e是類似于圖1d的圖表，它圖示了圖1a的光纖在加熱操作后的氟原子的濃度；圖1f是一個(gè)圖表，它圖示了圖1a中的光纖沿x軸的磷原子的濃度；圖1g是一個(gè)圖表，它圖示了圖1a中的光纖沿x軸的鍺原子的濃度；圖2a是一個(gè)貫穿圖1a所示光纖的縱軸平面的截面圖，包含一個(gè)x軸。
圖2b是類似于圖2a的圖，它顯示該光纖經(jīng)局部加熱后的截面圖；圖3是類似于圖2b的截面的圖，但是具有稍大一些尺寸并顯示了光纖的光路。
圖4a是類似于圖1a的截面圖，但是顯示用于形成D-光纖的光纖；圖4b是一個(gè)圖表，它圖示了圖4a中的光纖的光場(chǎng)強(qiáng)度；圖5a是一個(gè)垂直于光纖縱向的光纖截面的示圖，其中根據(jù)另一實(shí)施例的光纖具有更改的組成，它允許局部擦除已經(jīng)存在的芯，并且在這個(gè)被擦除的芯面至少形成一個(gè)新芯；圖5b是一個(gè)圖表，它圖示了圖5a所示的沿適當(dāng)選定的直徑或x軸的光纖的折射率；圖5c是類似于圖5b的圖表，它圖示了圖5a的光纖在加熱操作后的折射率；圖5d是一個(gè)圖表，它圖示了圖5a中的光纖沿x軸的氟原子的濃度；圖5e是類似于圖5d的圖表，它圖示了圖5a的光纖在加熱操作后的氟原子的濃度；圖5f是一個(gè)圖表，它圖示了圖5a中的光纖沿x軸的磷原子的濃度；圖5g是一個(gè)圖表，它圖示了圖5a中的光纖沿x軸的鍺原子的濃度；
圖6a是一個(gè)貫穿圖5a所示的光纖的縱軸平面的截面圖，包含一個(gè)x軸。
圖6b是類似于圖6a的圖，它顯示該光纖經(jīng)局部加熱后的截面圖；圖7a是一個(gè)光纖從垂直于光纖的縱向截面的示圖，其中根據(jù)另一實(shí)施例的光纖具有更改的組成，它適于產(chǎn)生局部具有圓芯或圓環(huán)形芯的光纖；圖7b是一個(gè)圖表，它圖示了圖7a所示的沿適當(dāng)選定的直徑或x軸的光纖的折射率；圖7c是類似于圖7b的圖表，它圖示了圖7a的光纖在加熱操作后的折射率；圖7d是一個(gè)圖表，它圖示了圖7a中的光纖沿x軸的氟原子的濃度；圖7e是類似于圖7d的圖表，它圖示了圖7a的光纖在加熱操作后的氟原子的濃度；圖7f是一個(gè)圖表，它圖示了圖7a中的光纖沿x軸的磷原子的濃度；圖7g是一個(gè)圖表，它圖示了圖7a中的光纖沿x軸的鍺原子的濃度；圖1a-3顯示了在光纖1中如何產(chǎn)生局部Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)，在圖1a中顯示了它的截面。光纖1在某些方面是標(biāo)準(zhǔn)型的，即，是用于例如遠(yuǎn)程通訊的類型，像這種單模型并基于二氧化硅的光纖，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)型的焊接儀器與類似的光纖焊接，具有一個(gè)基本上是圓柱形的外界面和一個(gè)具有基本上是圓柱形的位于中心的芯3。平行于芯3伸展的一個(gè)“閑置的”或可激活的芯5，它的直徑基本上與中心放置的芯3的一樣。中心放置的芯3具有稍微高于包括光纖的覆蓋層7和閑置芯5兩者的周圍材料的折射率，如圖1b的曲線圖所顯示。這個(gè)曲線圖顯示了沿圖1a中所畫的沿X-軸9的折射率，這個(gè)X-軸9沿光線1的直徑伸展，并穿過(guò)中心放置的芯3和閑置芯5兩者的中心。覆蓋層7和閑置芯5的材料具有基本相同的折射率。
光纖1的化學(xué)成分從分別顯示了氟、磷和鍺原子濃度的圖1d,1f和1g顯示。中心放置的芯3具有明顯的鍺原子濃度和明顯的氟原子濃度。這些加入玻璃塊中的原子的量也被稱作摻雜物。芯3在這種情況下被摻入氧化鍺形式的鍺原子和氟原子。摻雜鍺和摻雜磷增加玻璃塊的折射率，而摻雜氟則降低它的折射率。閑置芯或可激活芯5摻雜稍微高一點(diǎn)的氟，摻雜明顯較低的鍺和較明顯的氧化磷形式的磷。在可激活芯5中的這些種類的離子/原子的濃度非常合適，它基本上可得到與覆蓋層7的材料相同的折射率。
由于制造方法的緣故，覆蓋層7的內(nèi)部10具有常規(guī)的氟和磷濃度，但是其中的濃度很低，磷原子用來(lái)降低光纖形成于其上的基質(zhì)的融熔溫度，氟原子用來(lái)中和低濃度的磷原子將會(huì)產(chǎn)生的折射率的增加。
限定長(zhǎng)度的光纖1現(xiàn)在可以在大約10分鐘內(nèi)被加熱到較高的溫度，例如1300℃，見(jiàn)圖2b。在摻雜物中最容易移動(dòng)的原子種類是氟，如上所述，當(dāng)磷存在時(shí)它的活動(dòng)性明顯增高。加熱則導(dǎo)致在可激活芯5中的從那兒向外擴(kuò)散，產(chǎn)生如圖1e所示的氟的分布。在可激活芯中氟的濃度明顯增加，因?yàn)榉咏档驼凵渎?，則現(xiàn)在可激活芯5的折射率將被增高。因?yàn)檫m當(dāng)選擇可激活芯的加熱長(zhǎng)度的摻雜物濃度，可獲得基本上與中心放置的芯的量級(jí)相同的折射率，見(jiàn)圖1c中加熱后折射率的圖表?，F(xiàn)在，在光纖的加熱長(zhǎng)度產(chǎn)生一個(gè)新的、附加的平行的芯。
因?yàn)檫m當(dāng)?shù)男?和11的尺寸，以及特別是芯的外界或包絡(luò)面之間的距離，使得光可以從中心放置的芯3連接到激活的，預(yù)先閑置的芯11。圖3顯示了這個(gè)光的連接，其中的箭頭代表通過(guò)兩個(gè)芯之間的光程。因?yàn)檫m當(dāng)選擇激活的芯11的長(zhǎng)度可以為光提供一個(gè)正干擾或相消干擾。因此由這種光纖構(gòu)成的成分可被用作濾光器，用以從包含多個(gè)波長(zhǎng)的光中濾去某些一定波長(zhǎng)的光，即，可形成光隔離器的成分，在一些特別情況下，它可被用來(lái)從兩種認(rèn)定波長(zhǎng)中，濾去其中一個(gè)波長(zhǎng)，例如，得到用于1.5/1.3μm的濾光器，其中具有1.5μm波長(zhǎng)的光被連接通過(guò)該成分傳播，具有1.3μm波長(zhǎng)的光被連接到覆蓋層7。
上面描述的具有可激活附加芯5的光纖還可被用于制造低成本光學(xué)元件，如調(diào)制器或傳感器。它可以通過(guò)產(chǎn)生如圖4a顯示的D-光纖一樣的光纖來(lái)獲得。D-光纖具有D-形截面，D-光纖的平的面13應(yīng)該位于靠近可激活芯5的位置，距離非常的近以至于在該光纖的激活的部分傳播的光的漸逝場(chǎng)，以一個(gè)充足的部分延伸超過(guò)這個(gè)平的面因此到了光纖的外部。對(duì)于具有適當(dāng)波長(zhǎng)、在這種D-光纖中傳播、穿過(guò)一個(gè)或幾個(gè)經(jīng)由如前所述的加熱操作而提供的雙重芯的長(zhǎng)度的光，從激活的芯長(zhǎng)度的漸逝場(chǎng)將能夠與適當(dāng)選擇的、位于光纖周圍特別是它的平的面13周圍的有源媒質(zhì)或無(wú)源媒質(zhì)相互作用。位于激活的芯周圍的有源媒質(zhì)可活躍地影響光在芯中的傳播。只要光纖的被激活的芯外面的無(wú)源媒質(zhì)可被用作感受器，感受光纖外面的折射率的變化。
在圖4b也可以看出從中心芯3的漸逝場(chǎng)以一個(gè)明顯的部分如何穿過(guò)這個(gè)可激活的芯，以及這個(gè)中心芯的光如何與可激活芯5的激活的長(zhǎng)度和與連接到這個(gè)附加的芯11的部分相互作用。
根據(jù)上面描述的可在它的長(zhǎng)度的選定部分給于一個(gè)附加芯的D-光纖，具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，能夠僅僅在這些選擇的部分感覺(jué)或被外部條件所影響。一個(gè)具有單一芯的普通型D-光纖，在其它情況中用作感受器光纖，如果沒(méi)有形成特別的設(shè)置，則感受它的整個(gè)全長(zhǎng)的外部狀況。使用上述的具有可激活的附加芯干涉測(cè)量結(jié)構(gòu)的D-光纖，可以在光纖內(nèi)產(chǎn)生包括一個(gè)可被外部條件影響的干涉計(jì)臂，另一個(gè)臂，即參考臂，可免受這種影響。
在圖5a-6b中顯示了一個(gè)波導(dǎo)芯是如何被擦除的。取代被擦除的波導(dǎo)芯，獲得兩個(gè)平行的波導(dǎo)芯。在這種情況下，位于光纖1的中心的波導(dǎo)3｀具有氧化鍺和氧化磷兩種摻雜物，見(jiàn)圖1g和1f，這兩者都可以明顯提高芯的折射率。在形成兩個(gè)都摻雜氟的平行波導(dǎo)芯的區(qū)域5｀，提供氧化磷和氧化鍺摻雜物。選擇摻雜物以使得在這些區(qū)域5｀的折射率基本上等同于覆蓋層7的材料的折射率。在覆蓋層的內(nèi)區(qū)10和芯3｀和區(qū)域5｀的外部，同上面一樣存在一些低濃度的磷和氟。同樣也可以存在一些濃度的鍺，它協(xié)助達(dá)到的這個(gè)區(qū)域的折射率被維持在與周圍覆蓋層7的外部相近的折射率，在加熱操作中也一樣。
這種光纖1在一個(gè)限定長(zhǎng)度進(jìn)行加熱操作時(shí)，假設(shè)已經(jīng)選擇了合適的摻雜物濃度，圖6b中可見(jiàn)，中心芯3｀可以消失而它的旁邊可以創(chuàng)建一個(gè)新的芯9｀。圖6c顯示了相應(yīng)的折射率。在加熱操作中，氟原子從這個(gè)同時(shí)存在磷原子的區(qū)域向外擴(kuò)散。特別是氟原子從區(qū)域5｀擴(kuò)散，它的折射率明顯增高，形成新的芯9｀。然后，氟原子豐富的部分?jǐn)U散進(jìn)入現(xiàn)有的芯3，降低那里的折射率，于是這個(gè)芯漸漸消失。這個(gè)效應(yīng)可以通過(guò)下面的事實(shí)得以增強(qiáng)，即在圓柱形區(qū)域15非常靠近中心放置的芯3｀包含的氟和磷原子的濃度不是太低，于是氟原子可以從圍繞芯3｀的所有區(qū)域擴(kuò)散進(jìn)入芯3｀。
如果圖6b顯示的光纖在加熱區(qū)域內(nèi)被截?cái)?，這個(gè)區(qū)域存在在加熱操作中創(chuàng)建的雙重芯9｀，在它們的末端將可獲得具有雙重芯的結(jié)構(gòu)。倘若在新創(chuàng)建的芯9｀之間的距離合適，于是光可以在每個(gè)新芯和中心芯的殘留部分之間連接，從而使光不會(huì)在新創(chuàng)建的芯之間相互連接，這種結(jié)構(gòu)可被用作往返于普通雙重芯光纖的耦合器，這種光纖使它們的芯的彼此距離安置的與“創(chuàng)建”的芯9｀相同。
圖7a顯示了另一個(gè)光纖結(jié)構(gòu)的例子，它具有一個(gè)通過(guò)局部加熱可以被激活的區(qū)域。在現(xiàn)有的普通恒定型，即當(dāng)加熱時(shí)不被擦除類型的芯3的周圍，提供一個(gè)環(huán)形芯17。它是一個(gè)或厚或薄的圓柱形殼，它以選定的距離環(huán)繞在位于光纖中心的圓柱形芯3的周圍。當(dāng)在這種類型的光纖的縱軸方向加熱它的一段時(shí)，對(duì)于在那里創(chuàng)建的新的環(huán)形芯17的適當(dāng)?shù)恼凵渎剩@個(gè)有效的折射率可以被沿常規(guī)型芯3傳播的光波的電磁模式所影響。該光波的模場(chǎng)擴(kuò)張則會(huì)被改變，其它模式特性也可以改變，從而可以獲得，例如在多模型和單模型波的傳播之間的變化。
上面描述的光體，在它的長(zhǎng)度范圍內(nèi)可以選擇性地給予更改的光導(dǎo)特性，例如具有可以被擦除的芯的光纖，或者一種具有在它的長(zhǎng)度的部分中可以提供一個(gè)或多個(gè)附加的芯的光纖。
權(quán)利要求
1．一種用于導(dǎo)引認(rèn)定波長(zhǎng)的光、基本上由二氧化硅構(gòu)成的、具有至少一個(gè)波導(dǎo)芯的光波導(dǎo)體，其特征在于，摻雜至少一定濃度的氟和磷的區(qū)域，這個(gè)濃度使得在加熱這個(gè)區(qū)域的該部分時(shí)，這個(gè)區(qū)域的加熱部分的認(rèn)定波長(zhǎng)的光的折射率被改變，從而這一區(qū)域加熱部分的認(rèn)定波長(zhǎng)的光的光導(dǎo)特性被改變，使得這一區(qū)域加熱部分形成另一個(gè)波導(dǎo)芯以導(dǎo)引認(rèn)定波長(zhǎng)的光和/或改變?cè)搮^(qū)域的該部分的波導(dǎo)特性，從不允許到沿著另一波導(dǎo)芯傳播的光到該區(qū)域的該部分或反向從該部分到另一波導(dǎo)芯的光的傳播的耦合和/或使得一個(gè)波導(dǎo)芯消失，即，消除認(rèn)定波長(zhǎng)的波導(dǎo)芯的波導(dǎo)特性，和/或從允許到不允許沿著另一個(gè)波導(dǎo)芯傳播的光到該區(qū)域的該部分的耦合或反向從該部分到另一個(gè)波導(dǎo)芯的光的傳播的耦合，改變?cè)搮^(qū)域該部分的波導(dǎo)特性。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的光波導(dǎo)體，其特征在于該區(qū)域基本上無(wú)氫原子。
3．根據(jù)權(quán)利要求1-2的任意一種的光波導(dǎo)體，其特征在于該光體是具有光纖芯和一個(gè)延伸的圓柱形區(qū)域，該區(qū)域位于平行于該光纖芯的位置，與該光纖芯具有基本相同的尺寸，特別是相同的直徑。
4．根據(jù)權(quán)利要求1-2的任意一種的光波導(dǎo)體，其特征在于該光體是具有光纖芯和一個(gè)延伸的有環(huán)繞該光纖的環(huán)形殼的區(qū)域。
5．一種基本上由二氧化硅構(gòu)成的光波導(dǎo)體，其特征在于基本上無(wú)氫原子的區(qū)域摻雜至少一定濃度的氟和磷，這個(gè)濃度使得在加熱這個(gè)區(qū)域的部分時(shí)，這個(gè)區(qū)域的加熱部分的折射率被改變，從而這一區(qū)域加熱部分的認(rèn)定波長(zhǎng)的光的光導(dǎo)特性被明顯改變。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的光波導(dǎo)體，其特征在于該濃度被這樣選擇，該區(qū)域具有這樣的形狀和被定位于光體一定的位置，使得這個(gè)區(qū)域在被加熱前沒(méi)有用于認(rèn)定波長(zhǎng)的光導(dǎo)特性，在加熱這個(gè)區(qū)域的要加熱部分時(shí)，在光體中形成用于導(dǎo)引認(rèn)定波長(zhǎng)的光的波導(dǎo)芯。
7．根據(jù)權(quán)利要求5的光波導(dǎo)體，其特征在于該濃度被這樣選擇，該區(qū)域具有這樣的形狀和被定位于光體一定的位置，使得該區(qū)域在被加熱前具有認(rèn)定波長(zhǎng)的光導(dǎo)特性，不允許沿著另一個(gè)波導(dǎo)芯傳播的光到該區(qū)域的連接或反向從該區(qū)域到另一個(gè)波導(dǎo)芯的光的傳播的連接，在加熱該區(qū)域的該部分后，允許沿著另一個(gè)波導(dǎo)芯傳播的光到該部分的連接或反向從該部分到另一個(gè)波導(dǎo)芯的光的傳播的連接。
8．根據(jù)權(quán)利要求5的光波導(dǎo)體，其特征在于該濃度被這樣選擇，該區(qū)域具有這樣的形狀和被定位于光體一定的位置，使得該區(qū)域形成用于導(dǎo)引認(rèn)定波長(zhǎng)的光的波導(dǎo)芯，濃度還被這樣地選擇，使得在加熱該區(qū)域的該部分后，該區(qū)域的該部分停止形成波導(dǎo)芯，在光體中不再能夠?qū)бJ(rèn)定波長(zhǎng)的光。
9．根據(jù)權(quán)利要求5的光波導(dǎo)體，其特征在于該濃度被這樣選擇，該區(qū)域具有這樣的形狀和被定位于光體這樣的位置，使得該區(qū)域形成用于導(dǎo)引認(rèn)定波長(zhǎng)的光允許沿著另一個(gè)波導(dǎo)芯傳播的光到該區(qū)域的連接或反向從該區(qū)域到另一個(gè)波導(dǎo)芯的光的傳播的連接，在加熱該區(qū)域的該部分后，不允許沿著另一個(gè)波導(dǎo)芯傳播的光到該部分的連接或反向從該部分到另一個(gè)波導(dǎo)芯的光的傳播的連接。
10．一種用于產(chǎn)生光波導(dǎo)體的方法，包括以下步驟提供一種基本由二氧化硅組成的具有至少一個(gè)用于導(dǎo)引認(rèn)定波長(zhǎng)的光的波導(dǎo)芯；在該光體中產(chǎn)生一個(gè)摻雜至少預(yù)定濃度的氟和磷的區(qū)域；加熱至少該區(qū)域的這部分；其特征在于在產(chǎn)生這個(gè)區(qū)域的步驟中，預(yù)定濃度和該區(qū)域的定位是這樣選擇的，即在加熱中該區(qū)域的該加熱部分的認(rèn)定波長(zhǎng)的光的折射率被改變，從而使該區(qū)域被加熱部分的認(rèn)定波長(zhǎng)的光的光導(dǎo)特性被改變，形成另一個(gè)波導(dǎo)芯以導(dǎo)引認(rèn)定波長(zhǎng)的光和/或從不允許到允許沿著另一個(gè)波導(dǎo)芯傳播的光到該區(qū)域的該部分的耦合或反向從該部分到另一個(gè)波導(dǎo)芯的光的傳播的耦合，和/或使得一個(gè)波導(dǎo)芯消失，即，消除認(rèn)定波長(zhǎng)的波導(dǎo)芯的波導(dǎo)特性，和/或從允許到不允許沿著另一個(gè)波導(dǎo)芯傳播的光到該區(qū)域的該部分的耦合或反向從該部分到另一個(gè)波導(dǎo)芯的光的傳播的耦合。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，在產(chǎn)生該區(qū)域的步驟中，該區(qū)域基本上無(wú)氫原子。
12．根據(jù)權(quán)利要求10-11的任意一種的方法，其特征在于在提供光體的步驟中，被提供的該光體可為一種具有光纖芯的光纖，在產(chǎn)生該區(qū)域的步驟中，這個(gè)區(qū)域被制成一種延伸的圓柱形結(jié)構(gòu)，位于平行于光纖芯的位置，其尺寸，特別是直徑基本上與光纖芯相同。
13．根據(jù)權(quán)利要求10-11的任意一種的方法，其特征在于在提供光體的步驟中，被提供的該光體可為一種具有光纖芯的光纖，在產(chǎn)生該區(qū)域的步驟中，這個(gè)區(qū)域被制成一種延伸的圓環(huán)殼形結(jié)構(gòu)，包繞在光纖芯的周圍。
14．一種用于產(chǎn)生光波導(dǎo)體的方法，包括以下步驟提供一種基本由二氧化硅組成的光體；在該光體中產(chǎn)生一個(gè)摻雜至少預(yù)定濃度的氟和磷的區(qū)域；加熱至少該區(qū)域的這部分；其特征在于在產(chǎn)生這個(gè)區(qū)域的步驟中，該區(qū)域的產(chǎn)生基本上是無(wú)氫的，預(yù)定濃度的選擇使得在加熱步驟中，這個(gè)區(qū)域的加熱部分的折射率被明顯改變，從而明顯改變這一區(qū)域加熱部分的認(rèn)定波長(zhǎng)的光的光導(dǎo)特性。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于，在產(chǎn)生這個(gè)區(qū)域的步驟中，預(yù)定濃度的選擇使得在加熱步驟前，認(rèn)定波長(zhǎng)的光沒(méi)有光導(dǎo)特性，該光體具有這樣形狀，在光體中具有這樣的位置，即，在加熱后，該光體的這個(gè)區(qū)域的加熱部分形成用于導(dǎo)引認(rèn)定波長(zhǎng)的光的波導(dǎo)芯。
16．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于，在產(chǎn)生該區(qū)域的步驟中，該濃度被這樣選擇，該區(qū)域具有這樣的形狀和被定位于光體一定的位置，使得這個(gè)區(qū)域具有認(rèn)定波長(zhǎng)的光引導(dǎo)特性，其在被加熱前不允許沿著另一個(gè)波導(dǎo)芯傳播的光到該區(qū)域的連接或反向從該區(qū)域到另一個(gè)波導(dǎo)芯的光的傳播的連接，在加熱該區(qū)域的該部分后，允許沿著另一個(gè)波導(dǎo)芯傳播的光到該部分的連接或反向從該部分到另一個(gè)波導(dǎo)芯的光的傳播的連接。
17．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于在產(chǎn)生區(qū)域的步驟中，該預(yù)定濃度被這樣選擇，該區(qū)域具有這樣的形狀和被定位于光體這樣的位置，使得在加熱步驟之前，該區(qū)域形成用于導(dǎo)引認(rèn)定波長(zhǎng)的光的波導(dǎo)芯，預(yù)定濃度還被這樣地選擇，使得在加熱步驟后，該區(qū)域的被加熱部分停止形成波導(dǎo)芯，在光體中不再能夠?qū)бJ(rèn)定波長(zhǎng)的光。
18．根據(jù)權(quán)利要求14的光波導(dǎo)體，其特征在于在產(chǎn)生該區(qū)域的步驟中，該濃度被這樣選擇，該區(qū)域具有這樣的形狀和被定位于光體這樣的位置，使得在加熱前，該區(qū)域形成用于導(dǎo)引認(rèn)定波長(zhǎng)的光允許沿著另一個(gè)波導(dǎo)芯傳播的光到該區(qū)域的連接或反向從該區(qū)域到另一個(gè)波導(dǎo)芯的光的傳播的連接，在加熱步驟后，該區(qū)域的加熱的部分不允許沿著另一個(gè)波導(dǎo)芯傳播的光到該部分的連接或反向從該部分到另一個(gè)波導(dǎo)芯的光的接。
全文摘要
在光纖或其它光導(dǎo)體中,利用極大地改變減小折射率的氟的擴(kuò)散特性,如果還使其摻雜磷,以改變折射率進(jìn)而改變光導(dǎo)特性。例如在單模光纖(1)中,局部的附加波導(dǎo)芯(9)可以造成平行于已經(jīng)存在的波導(dǎo)芯,并且適當(dāng)摻雜氟和磷。它可以用于生產(chǎn)光纖元件。如果該光纖為D光纖,則可以生產(chǎn)敏感元件。此外,對(duì)于適當(dāng)濃度的摻雜物和鍺,可以通過(guò)加熱操作擦除已存在的波導(dǎo)芯。
文檔編號(hào)G02B6/28GK1308731SQ99806920
公開(kāi)日2001年8月15日 申請(qǐng)日期1999年4月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月1日
發(fā)明者M·福基尼 申請(qǐng)人:光導(dǎo)研究所有限公司