專利名稱：具有軸向變化結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)的制作方法
背景技術(shù)：
本申請基于1998年9月15日提交的臨時申請60/100,349，我們要求該申請的優(yōu)先權(quán)日。
本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)在軸向變化的光纖預(yù)制棒或光纖。具體地說，新型預(yù)制棒或波導(dǎo)的包層折射率沿波導(dǎo)長度變化，該變化是由包層的多孔性或組成成份的改變引起的。本發(fā)明包括制造新型波導(dǎo)預(yù)制棒或光纖的方法。
已經(jīng)討論了具有周期性包層結(jié)構(gòu)的光纖。作為舉例，包層的周期性結(jié)構(gòu)可以是一種光子晶體。Knight等人在1996年10月1日出版的光學(xué)通訊第21卷、第19期上發(fā)表了“具有電子晶體包層的全石英單模光纖”，Birk等人在1997年7月1日出版的光學(xué)通訊第21卷、第19期上發(fā)表了“無端單模光子晶體光纖”，這兩篇論文都對光子晶體作了描述。在這兩篇論文中，描述了具有石英纖芯和多孔石英包層的單模光纖。石英包層中的孔或穴是細(xì)長的，并從頭到尾在包層中延伸。將孔安排成周期性六邊形的圖案，使包層構(gòu)成一光子晶體。如此構(gòu)造的波導(dǎo)纖維在任何波長上都是單模光纖。
在公開號為EP 0810453A1的歐洲專利中，描述了進(jìn)一步對具有多孔填充或孔填充包層的波導(dǎo)纖維所作的工作。在此公開文獻(xiàn)中，包層包含許多細(xì)長的孔，這些孔能降低包層的平均折射率。細(xì)長孔沒有被安排成周期的圖案，因此，此波導(dǎo)中的導(dǎo)光機(jī)制是在纖芯-包層的邊界處折射。
在光子晶體包層中，實(shí)質(zhì)上可以獲得無限的截止波長范圍，或者說可能不存在任何截止波長。這對單模波導(dǎo)設(shè)計(jì)是有利的。從提供附加設(shè)計(jì)變量的角度來說，相對折射率的差Δ也是有用的，因?yàn)榘鼘影艘粋€特定的、由非周期性孔組成的體積。如下所述，通過控制光纖中的空氣填充部分，可以控制此體積。
但是，這些設(shè)計(jì)都不能提供相對折射率的軸向變化。這種軸向變化對試圖控制色散的單模光纖設(shè)計(jì)是有利的。另外，由于相對折射率的軸向變化是由包層中的變化引起的，所以可以獲得一組新的參數(shù)，諸如孔體積、孔截面和孔圖案等，以便改變波導(dǎo)中的模功率分布，進(jìn)而改變波導(dǎo)纖維的關(guān)鍵性能。試圖將包層結(jié)構(gòu)軸向變化與多種纖芯折射率分布曲線設(shè)計(jì)組合，提供專用的波導(dǎo)纖維性能。期望包含光子晶體導(dǎo)光和折射導(dǎo)光兩者的包層能夠有利于為控制色散所作的波導(dǎo)設(shè)計(jì)。另外，本發(fā)明包括這樣的包層結(jié)構(gòu)，它具有一個由周期性或隨機(jī)分布的特征組成的陣列，包括用一種材料代替孔，這進(jìn)一步增加了波導(dǎo)纖維設(shè)計(jì)的靈活性。
發(fā)明概要本發(fā)明的新型波導(dǎo)預(yù)制棒和波導(dǎo)纖維以及制造該波導(dǎo)預(yù)制棒和波導(dǎo)纖維的方法提供了附加的波導(dǎo)設(shè)計(jì)變量，并且對于制造色散補(bǔ)償或色散受控的波導(dǎo)是有利的。
本發(fā)明的第一方面是一種光波導(dǎo)預(yù)制棒，它包括玻璃纖芯區(qū)和位于玻璃纖芯上的玻璃包層。為便于描述，稱玻璃包層分成許多沿預(yù)制棒軸的分段。包層玻璃的密度沿一方向變化，該方向稱作預(yù)制棒的軸，平行于纖芯區(qū)，這樣包層玻璃的密度從高到低或從低到高一個分段一個分段地變化。也就是說，各相鄰分段的密度不是軸向位置的單調(diào)函數(shù)。
通過改變包層的多孔性可以獲得預(yù)制棒的包層密度，以便在相鄰分段中從高變低以及從低變高。具體地說，沿預(yù)制棒軸的各相鄰分段可以在兩種狀態(tài)之間變化，一種狀態(tài)是包層含有許多孔，另一種狀態(tài)是包層基本上沒有孔。在新型預(yù)制棒的一個實(shí)施例中，所述孔是細(xì)長的，并且被排列成一個周期性的陣列，周期性陣列可以具有節(jié)距，即在孔的相應(yīng)點(diǎn)之間存在間距?？梢赃x擇節(jié)距，使其位于許多不同的范圍內(nèi)。為了在光通信波長上使用，可以有利地選擇預(yù)制棒節(jié)距，使得在由預(yù)制棒拉絲得到的光纖中，節(jié)距在大約0.4μm至20μm的范圍內(nèi)。玻璃纖維的典型外直徑大約為125μm。此范圍的下限提供了可以在通信信號波長范圍內(nèi)有效地形成光子晶體的拉絲光纖節(jié)距。但是，申請人已經(jīng)證明，在幾十微米范圍內(nèi)的間距或節(jié)距可以有利地用于制造具有軸向變化包層的波導(dǎo)。盡管這里敘述了上限20μm，但申請人期望可以使用更大的包層節(jié)距特征。間距或節(jié)距特征的上限事實(shí)上是由包層厚度決定的實(shí)際極限。
申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，細(xì)長孔的直徑以其節(jié)距對于確定由預(yù)制棒拉絲得到的波導(dǎo)纖維的性能是很重要的。在一特定的實(shí)施例中，孔的直徑與細(xì)長孔陣列節(jié)距之比在大約0.1至0.9的范圍內(nèi)。
預(yù)制棒的纖芯玻璃可以具有較寬范圍的折射率分布曲線。一個區(qū)域的折射率分布曲線是作為該區(qū)域上徑向位置函數(shù)的折射率或相對折射率Δ的值。關(guān)于折射率分布曲線、分段分布曲線、Δ和α分布曲線的定義是本領(lǐng)域已知的，并且這些定義在授予Antos等人的美國專利5,553,185或者授予Smith的美國專利5,748,824中可以找到。上述專利通過引用包括在此。因此，預(yù)制棒纖芯區(qū)可以具有階躍型形狀、梯形、在斜率銳變處帶圓角的階躍型形狀或梯形，或者α分布曲線形狀。另外，可以將纖芯區(qū)分成兩個或多個部分，并且每個部分可以采用上述可選擇的分布曲線。對此纖芯區(qū)的設(shè)計(jì)結(jié)合包層調(diào)制可以確定波導(dǎo)纖維的色散性能和其它性能特征。
通過包含諸如氧化鍺、氧化鋁、磷、氧化鈦、硼和氟等摻雜物，可以改變諸如石英等基質(zhì)玻璃材料的折射率。還可以添加諸如鉺、鐿、釹、銩或鐠等稀土摻雜物，以提供一種可以拉絲成光放大器波導(dǎo)纖維的預(yù)制棒。
在新型預(yù)制棒的另一實(shí)施例中，包層密度沿預(yù)制棒的軸一個分段一個分段地在兩個值之間切換。如上所述，這種切換與預(yù)選的纖芯結(jié)構(gòu)一起決定了纖維的色散控制特征。同樣在這里，密度可以通過控制包層各分段中的多孔性體積來控制。作為替代，密度也可以通過控制加入包層基質(zhì)玻璃中的摻雜玻璃的體積來控制。在包層的基質(zhì)玻璃中，摻雜玻璃可以表現(xiàn)為細(xì)長絲。將這些細(xì)絲按周期性陣列布置，以模擬上述細(xì)長孔的布置。盡管可以用本領(lǐng)域已知的幾種工藝來形成細(xì)絲，但可以將細(xì)絲稱為填充的細(xì)長孔。如果希望含細(xì)絲的包層以具有全帶隙的光子晶體的方式與光相互作用，那么細(xì)絲的大小和間距應(yīng)該能夠提供在大約0.4μm至5μm范圍內(nèi)的節(jié)距，并且基質(zhì)玻璃和構(gòu)成其中所含玻璃柱的玻璃，其各自的介電常數(shù)應(yīng)該相差大約三倍。
多孔包層或填充細(xì)絲的包層可以通過在纖芯包層界面上的折射來導(dǎo)光，其中纖芯的折射率大于被看作是結(jié)構(gòu)化包層之平均折射率的值。
上述預(yù)制棒是為了從中拉出光纖而制造的。因此，本發(fā)明包括從新型預(yù)制棒拉絲得到的光波導(dǎo)。
本發(fā)明的另一個方面是一種制造新型預(yù)制棒的方法，從所述新型預(yù)制棒可以拉絲得到新型波導(dǎo)。在第一種方法中，用本領(lǐng)域中已知的幾種方法中的任何一種方法制造纖芯預(yù)制棒，所述已知方法包括外部和軸向汽相沉積法、MCVD或等離子沉積技術(shù)。預(yù)制棒的纖芯部分是無孔實(shí)心的。作為替代，纖芯預(yù)制棒可以是一根具有開口端管子，并且在形成預(yù)制棒之前不作任何改變。在拉絲步驟期間，此管子將塌縮，形成一均勻的或摻雜的(如果管子摻過雜的話)實(shí)心玻璃纖芯區(qū)。制造多根玻璃管子，其開口延伸通過管子。沿諸管子在預(yù)選數(shù)目的位置上縮小管子的尺寸，并且放置在中央纖芯預(yù)制棒的周圍。實(shí)質(zhì)上，每根尺寸縮小的管子都與其它尺寸縮小的管子相同。這些管子可以在尺寸縮小的位置處部分或全部塌縮。尺寸縮小管子繞中央纖芯預(yù)制棒的布置就是一根包層密度軸向變化的預(yù)制棒。
管子可以是圓形的，或者是具有3個或更多個側(cè)面的多邊形。繞中央纖芯預(yù)制棒的管子陣列可以是隨機(jī)的或周期性的，根據(jù)信號類型和波導(dǎo)互作用(在纖芯包層界面處希望是折射的或者光子晶體的)，管子可以具有特別選定的幾何形狀。在包層具有光子晶體性能和全帶隙的情況下，周期性管子陣列的節(jié)距必須幾乎是波導(dǎo)中運(yùn)載的光信號波長的數(shù)量級。
代替沿管子長度間斷分布的孔，可以利用外部基質(zhì)玻璃和內(nèi)含的玻璃柱來制造管子。在制造尺寸縮小部分期間，可以用玻璃成形粉或一段玻璃絲填充管子的各個分段，或者在完成尺寸縮小之前將細(xì)絲放入管子中。在提供填充管的過程中可以使用上述任何一種技術(shù)(即，細(xì)絲或粉的填充)，其中填充材料的軟化溫度明顯低于管子的軟化溫度，后者為例如20度以上。在替換例中，將柱子和管子組件裝入一個軟化溫度接近柱子軟化溫度的較大管子中，這里柱子的軟化點(diǎn)高于管子的軟化點(diǎn)。如果從如此構(gòu)造的預(yù)制棒拉絲得到的波導(dǎo)纖維要起光子晶體的作用，那么基質(zhì)玻璃和柱子玻璃之間介電常數(shù)的差應(yīng)該不小于大約三倍。
為了對依照本發(fā)明制造的預(yù)制棒拉絲，必須提供一些裝置將預(yù)制棒的部件保持在一起。在新型預(yù)制棒的一個實(shí)施例中，將管子和纖芯預(yù)制棒放入一較大的管子，然后使較大的管子塌縮在由管子和纖芯預(yù)制棒構(gòu)成的組件上。
在預(yù)制棒的另一實(shí)施例中，可以將管子和纖芯預(yù)制棒插入夾具中，然后在管子上沉積一層微粉體，并使其成為玻璃物體。在夾緊和沉積步驟之前，將管子和纖芯預(yù)制棒束扎在一起，以便插入夾具中。束扎可以通過將預(yù)制棒的部件加熱定位在一起來實(shí)現(xiàn)。作為一種替代，可以用一種玻璃原料將預(yù)制棒的部件彼此玻璃焊接起來。另一種束扎方法是用帶子將預(yù)制棒的部件固定在一起，直到完成夾緊操作。帶子可以在沉積開始之前除去，或者由一種在沉積第一層玻璃微粉體期間很容易燒去的材料制成。
本發(fā)明的另一個方面是一種由新型預(yù)制棒制造波導(dǎo)纖維的方法，其中新型預(yù)制棒具有如上所述的一般結(jié)構(gòu)和特殊實(shí)施例。一種由新型預(yù)制棒拉出波導(dǎo)的方法實(shí)施例包括下述步驟密封包裹著纖芯預(yù)制棒的、每根經(jīng)改變的管子的一端，以及從另一端拉出波導(dǎo)纖維。經(jīng)改變管子內(nèi)的孔通過拉絲步驟后仍保持著，因?yàn)樗鼈儽幻芊庠诠茏觾?nèi)。在拉絲步驟期間，通過對預(yù)制棒中與拉波導(dǎo)的一端相對的另一端抽真空，使管子之間不希望有的孔或穴塌縮。
制造方法的另一個實(shí)施例在拉絲步驟之前省略了密封包裹著預(yù)制棒的管子之一端的步驟。沿管子長度改變管子截面的步驟也可以省略。在此實(shí)施例中，在拉絲步驟期間，對非密封的管子施加一氣壓。管子內(nèi)部氣壓的增大會使管子開口保持不改或者變大。管子內(nèi)部氣壓的減小會使管子開口在拉絲期間變小或完全閉合。這樣，通過改變氣壓可以使波導(dǎo)纖維包層的密度沿軸向變化。此實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是，包層密度實(shí)質(zhì)上從實(shí)心玻璃連續(xù)變化到具有最大多孔性的玻璃，其中最大多孔性僅受限于包層內(nèi)開口管子數(shù)目、管子最小壁厚以及成品波導(dǎo)纖維之理想幾何形狀。諸如氮或氦等惰性增壓氣體是受歡迎的。管子之間不希望有的填隙孔或穴也受所加壓力的作用。根據(jù)管內(nèi)孔相對于填隙孔的大小，工藝中可以選擇-所有孔塌縮或閉合；-所有孔開口；-填隙孔開口，而管孔閉合；或者-管孔開口，而填隙孔閉合。應(yīng)該理解，通過壓力控制實(shí)質(zhì)上可以構(gòu)成一個最終填隙孔大小與最終管孔大小的比值連續(xù)統(tǒng)。
在本發(fā)明的又一個實(shí)施例中，預(yù)制棒的部件是上述具有纖芯預(yù)制棒，包括一個玻璃棒陣列的包層布置在纖芯預(yù)制棒的周圍。對棒的陣列整形，使得在棒之間或通過棒存在周期性的或隨機(jī)的孔陣列。通過在拉絲步驟期間對此預(yù)制棒間歇地抽真空，可以使棒之間的這些孔從等于或小于原始孔截面的值斷續(xù)地下降至最小截面零，從而生產(chǎn)出密度沿軸向變化的波導(dǎo)。截面中這種斷續(xù)變化還可以如上所述通過對開口管子的孔施加氣壓來實(shí)現(xiàn)。同樣在這里，實(shí)質(zhì)上可以使包層的可能密度從實(shí)心玻璃材料連續(xù)地變化成具有多孔性的多孔玻璃材料，其中多孔性僅受限于預(yù)制棒部件以及從中拉出的波導(dǎo)的尺寸。如此選擇本實(shí)施例中預(yù)制棒的結(jié)構(gòu)，致使粘力在中性壓力下使孔閉合。然后，通過調(diào)制拉絲期間施加在預(yù)制棒上的正壓力，來調(diào)制孔的大小。與本實(shí)施例的相反的實(shí)施例則是，選擇預(yù)制棒的結(jié)構(gòu)，以便通過調(diào)制負(fù)壓力來調(diào)制孔的大小。
在一個特別有用的新型波導(dǎo)實(shí)施例中，從一段一段的波導(dǎo)控制總色散。將預(yù)選纖芯折射率分布曲線與包層密度分段變化的特定模式相結(jié)合，使得總色散在正值和負(fù)值之間變化。在具有正色散的波導(dǎo)纖維中，短波長光的傳播速度大于長波長光的速度。結(jié)果是，可以使分段長度與分段總色散的積在整個波長纖維波長上的代數(shù)和，即凈總色散等于一預(yù)選的目標(biāo)值。例如，即使波導(dǎo)中任何一分段的總色散都不為零，也可以可以使波導(dǎo)纖維的凈總色散等于零。
利用以下附圖進(jìn)一步描述新型預(yù)制棒和從中拉出的光波導(dǎo)的這些和其它特征。
附圖概述

圖1a示出了具有圓形截面的管子。
圖1b示出了具有六邊形截面的管子。
圖2是具有縮小尺寸的管子的草圖。
圖3示出了布置在纖芯預(yù)制棒周圍并插入一較大保持管中的六邊形管子。
圖4示出了一預(yù)制棒或波導(dǎo)的截面，它具有一纖芯區(qū)和一個多孔的或復(fù)合的包層。
圖5示出了一波導(dǎo)截面，所述波導(dǎo)具有一纖芯區(qū)和一個多孔包層，在多孔包層中，也是由包層管之間的填隙孔產(chǎn)生的。
圖6a和6b示出了兩種預(yù)制棒或波導(dǎo)的截面，它們分別具有實(shí)心的，以及多孔或復(fù)合的包層。
圖6c、6e和6g示出了具有實(shí)心包層的預(yù)制棒或波導(dǎo)的纖芯折射率分布曲線。
圖6d、6f和6h示出出具有多孔或復(fù)合包層的預(yù)制棒或波導(dǎo)的纖芯折射率分布曲線。
本發(fā)明的詳細(xì)描述新型的波導(dǎo)預(yù)制棒或波導(dǎo)纖維利用了折射率軸向變化的包層的導(dǎo)光性能，這里包層的折射率小于波導(dǎo)纖芯的折射率。期望有一種波導(dǎo)纖維，通過構(gòu)造包層，使其充當(dāng)光子晶體來進(jìn)行導(dǎo)光，其中光子晶體至少在波導(dǎo)長度的某些部分上具有一帶隙。在每種類型的包層中，通過改變包層材料組成成份或分布可以獲得所需要的包層性能。
一個實(shí)施例是通過包括具有特定大小和形狀的孔來改變包層。在一類似的實(shí)施例中，用一種材料來代替孔，材料的介電常數(shù)不同于基體包層玻璃的介電常數(shù)。在任何一種情況下，波導(dǎo)中信號光的模功率分布都會受到影響，從而影響波導(dǎo)性能。由于在新型波導(dǎo)預(yù)制棒或波導(dǎo)纖維中，纖芯和包層都可以改變，所以光纖設(shè)計(jì)者可以擁有很大的靈活性。
在本文獻(xiàn)揭示和描述的一個感興趣實(shí)施例中，包層中含有細(xì)長孔或玻璃絲。圖1a和1b示出了這類包層的兩種可能的子結(jié)構(gòu)，它們是分別具有中心線孔4和6的管子截面。包裹在孔周圍的材料具有圖1a所示的圓形2以及圖1b所示的六邊形8。選擇外形，以提供將由包層中子結(jié)構(gòu)形成的較佳孔圖案。
孔4或6可以用一種材料填充，所述材料包含了一種玻璃，其介電常數(shù)不同于周圍或基質(zhì)玻璃材料的介電常數(shù)。
圖2示出了用于改變一個子結(jié)構(gòu)的方法中的一個步驟。在例示的管子10中已形成了缺口12。這些缺口在由區(qū)域16分隔的中心孔或細(xì)絲中產(chǎn)生限制區(qū)14，而在區(qū)域16上，管子的中心部分不受干擾。由這類關(guān)于纖芯區(qū)的子結(jié)構(gòu)組成的組件提供了一種折射率作軸向變化的包層。另外，子結(jié)構(gòu)經(jīng)安排，使得中心孔或細(xì)絲18形成一周期性的陣列。周期性陣列可以設(shè)計(jì)光子晶體的節(jié)距，以便在一較佳波長范圍內(nèi)使用。目前，電信應(yīng)用中感興趣的波長范圍是大約600nm至2000nm。
圖3示出了依照本發(fā)明的波導(dǎo)預(yù)制棒。在本例中，子結(jié)構(gòu)是具有基本上相同的六邊形截面的管子20和22。管子20和22之間的細(xì)微差別是指，可以將多個子結(jié)構(gòu)形成一個二次結(jié)構(gòu)，然后將該二次結(jié)構(gòu)裝配到包層中。作為替代，細(xì)微差別可以指，子結(jié)構(gòu)具有不同的組成成份，并且經(jīng)裝配可以形成一個合成圖案，該合成圖案的組份面積大于個別子結(jié)構(gòu)的面積。這種組件例如可以按以下工藝制造，即擠壓、裝配二次結(jié)構(gòu)，然后將其拉成所需的截面面積。1998年7月30日提交的美國臨時專利60/094,609揭示和描述了該擠壓和拉絲工藝。
例子參照圖3，如下制造波導(dǎo)預(yù)制棒和波導(dǎo)纖維。六邊形子結(jié)構(gòu)20和22沿中心線具有一開口。將子結(jié)構(gòu)20和22裝配到包裹在纖芯預(yù)制棒30周圍的包層中。將包裹著纖芯預(yù)制棒30的整個六邊形管子組件放入管子28中，使其穩(wěn)定。圖中的細(xì)節(jié)將子結(jié)構(gòu)的開口示為點(diǎn)26。
在本例中，管子20和22的表面都不帶缺口。圖中，圖3平面內(nèi)的管子端被示作非密封的，例示點(diǎn)26表示開口。
在將預(yù)制棒拉絲成波導(dǎo)纖維之前或期間，可以將管子28塌縮在組件上。為了確保適當(dāng)?shù)乜刂瓢鼘拥亩嗫仔?，在拉絲步驟期間對管子28施加一壓力，該壓力的范圍從大氣壓開始增大。在起始于大氣壓終止于預(yù)定壓力的第一壓力范圍中，由于拉絲步驟期間存在粘力作用，所以子結(jié)構(gòu)開口將很密集。在第二壓力范圍上，拉絲結(jié)束后包層中將存在開口，其中第二壓力范圍是從略高于第一壓力范圍的最大壓力開始，并繼續(xù)增大。所加壓力的大小可以控制開口的尺寸。在拉絲步驟期間，施加到子結(jié)構(gòu)開口上的壓力在第一壓力范圍內(nèi)的一個值和第二壓力范圍內(nèi)的一個值之間變化。因此，開口的直徑從零變化到與選自第二范圍的壓力相對應(yīng)的預(yù)選直徑。對施加壓力進(jìn)行調(diào)制，可以對包層密度或折射率產(chǎn)生相應(yīng)的軸向調(diào)制。也就是說，包層的密度和平均折射率沿波導(dǎo)纖維的軸向變化。
比較例1如上例所述制造一光波導(dǎo)預(yù)制棒，除了在本比較例中，密封子結(jié)構(gòu)管子端。另外，如圖2所示使管子帶有缺口。在管子28中，使子結(jié)構(gòu)管子的缺口彼此對準(zhǔn)。如上所述，通過束扎或其它方式保持所述對準(zhǔn)。
從與子結(jié)構(gòu)管子密封端相對的預(yù)制棒端部拉絲出光纖。在拉絲期間，可以在具有密封子結(jié)構(gòu)管子的預(yù)制棒端部對預(yù)制棒管子28抽真空。由此，密封的、經(jīng)改變的(即帶缺口的)管子形成細(xì)長孔，其圖案基本上與預(yù)制棒中子結(jié)構(gòu)的圖案相同。管子中的缺口部分塌縮，形成基本上均勻的包層截面。細(xì)長孔因包層中這些基本上具有均勻截面的塌縮部分而彼此軸向分離。子結(jié)構(gòu)的壁使細(xì)長孔在橫截面中彼此分離。真空與拉絲期間在預(yù)制棒中起作用的粘力一起使得子結(jié)構(gòu)管子之間不希望有的填隙孔緊密。
在此比較例的一個預(yù)制棒和波導(dǎo)實(shí)施例中，預(yù)制棒的纖芯部分可以是具有所需組成成份和未密封端部的管子組件。在拉絲期間，粘力與抽真空一起使非密封纖芯管子中的開口緊密，以產(chǎn)生一實(shí)心的玻璃纖芯。
圖4是依照本例拉絲得到的波導(dǎo)纖維截面的照片圖示。纖芯區(qū)32是實(shí)心玻璃，并且包層區(qū)截面包含例示的孔34，這些孔起減小包層平均折射率的作用。
應(yīng)該理解，可以對孔34定尺寸或者進(jìn)行構(gòu)造以形成光子晶體，由于信號波長位于晶體的帶隙中，所以晶體可以將信號限制在纖芯區(qū)。
比較例2在另一種替代工藝中，子結(jié)構(gòu)是實(shí)心的，并且與上述比較例1中的一樣，被安置在一較大的管子中。但是，在本例中，子結(jié)構(gòu)沒加改變。在拉絲期間，對管子28間歇地抽真空，致使子結(jié)構(gòu)之間的填隙孔交替地塌縮(抽真空)或者在包層中保持細(xì)長孔(不抽真空)。圖5示出了這種工藝的結(jié)果，它是波導(dǎo)纖維包層截面的照片圖示。包層中存在的細(xì)長孔36分布在實(shí)心包層玻璃基質(zhì)38之間。在軸向上，基本上均勻的、不帶孔的包層玻璃無孔部分使包層的多孔部分彼此分離。
成對構(gòu)成圖6的圖示出了將孔引入包層的效果。在圖6a中，示出了波導(dǎo)纖維無孔部分的截面。實(shí)心的玻璃包層42包裹著纖芯或纖芯預(yù)制棒40。在圖6b中，多孔包層46包裹著纖芯或纖芯預(yù)制棒44。圖6a和6b，圖6c和6d，圖6e和6f，以及圖6g和6h中的纖芯相互對應(yīng)，它們是從同一預(yù)制棒中拉絲得到的。成對圖中的第一張圖，即圖6a、6c、6e和6g都具有實(shí)心的包層，而成對圖中的第二張圖，即圖6b、6d、6f和6h都具有多孔包層。
在顯示折射率分布曲線的成對圖中，示出了細(xì)長孔在多孔包層中的作用。例如，圖6c中纖芯48的階躍型折射率與包層折射率49不同。圖6c對應(yīng)于圖6a所示的實(shí)心纖芯和包層結(jié)構(gòu)。作為比較，如圖6d所示，纖芯折射率50與多孔包層平均折射率51的折射率差較大。與信號在圖6d的折射率分布曲線的波導(dǎo)區(qū)中傳播時的模功率分布相比，由圖6c的折射率分布曲線表征的、信號在一部分波導(dǎo)中的模功率分布較寬。還應(yīng)該理解，對于沿新型波導(dǎo)的不同軸向部分，諸如總色散、總色散斜率、波長、零色散波長等其它性能也是不同的。一個經(jīng)適當(dāng)構(gòu)造和拉絲的預(yù)制棒產(chǎn)生波導(dǎo)性能軸向變化的波導(dǎo)纖維。
在用圖6c和圖6d模擬時，圖6e和圖6f示出了纖芯具有三個分層的相對分布曲線。相對于包層53，纖芯52具有一給定的折射率分布曲線。通過將孔引入包層，可以在纖芯折射率54和包層折射率56之間獲得較大的折射率差。同樣在這里，相對折射率的差改變了波導(dǎo)中傳播信號的模功率分布。
在圖6g和圖6h中，包層折射率的軸向變化產(chǎn)生了第一分布曲線56，相對于包層折射率57，該分布曲線具有三個不同的環(huán)形區(qū)60、62和64。相反，相對于多孔或孔填充包層59的折射率，纖芯分布曲線58只有兩個不同的環(huán)形區(qū)66和68。
在圖6(c-h)中，很容易看出新型波導(dǎo)預(yù)制棒和相關(guān)波導(dǎo)纖維具有補(bǔ)償色散的潛能。另外，對模功率分布進(jìn)行控制可以控制諸如截止波長、零色散波長以及波導(dǎo)色散的大小和符號等關(guān)鍵性的波導(dǎo)纖維參數(shù)，從而為使用新型波導(dǎo)提供較大的適當(dāng)性。
盡管在此揭示和描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例，但本發(fā)明僅由后附的權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1．一種光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，包括中央玻璃纖芯，它被一玻璃包層包裹著并與其接觸，形成一預(yù)制棒，預(yù)制棒具有第一和第二端，并且在兩端之間有一軸，包層包括多個環(huán)形分段，它們依次沿軸延伸，其中每個分段用一預(yù)選密度表征，緊緊相鄰分段的預(yù)選密度不同，并且每個分段的密度高于或低于兩個緊緊相鄰分段的密度。
2．如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，預(yù)選密度低于相鄰分段之預(yù)選密度的分段包含孔。
3．如權(quán)利要求2所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，預(yù)選密度高于相鄰分段之預(yù)選密度的分段也包含孔。
4．如權(quán)利要求2所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，孔是細(xì)長的，并且其長度方向沿預(yù)制棒的軸取向。
5．如權(quán)利要求3所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，孔是細(xì)長的，并且其長度方向沿預(yù)制棒的軸取向。
6．如權(quán)利要求4所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，細(xì)長孔形成一周期性的陣列。
7．如權(quán)利要求5所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，細(xì)長孔形成一周期性的陣列。
8．如權(quán)利要求6或7所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，周期性陣列的節(jié)距使得由預(yù)制棒拉絲到一預(yù)選直徑而形成的波導(dǎo)纖維包括一個由細(xì)長孔構(gòu)成的周期性陣列，該周期性陣列的節(jié)距在0.4μm至20μm的范圍內(nèi)。
9．如權(quán)利要求6或7所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，細(xì)長孔具有一直徑，直徑與周期性陣列之節(jié)距的比在大約0.1至0.9的范圍。
10．如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，纖芯玻璃具有一折射率分布曲線，該曲線選自由以下分布曲線組成的組階躍型、帶圓角的階躍型、梯形、帶圓角的梯形和α分布曲線；還包括一分段分布曲線，其中分段分布曲線的各分段選自以下分布曲線組成的組多孔層、階躍型、帶圓角的階躍型、梯形、帶圓角的梯形和α分布曲線。
11．如權(quán)利要求10所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，玻璃纖芯包括石英玻璃，石英玻璃具有一摻雜物，而所述摻雜物選自以下物質(zhì)組成的組氧化鍺、氧化鋁、磷、氧化鈦、硼和氟。
12．如權(quán)利要求11所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，玻璃纖芯包括摻有一種物質(zhì)的石英，所述物質(zhì)選自以下物質(zhì)組成的組鉺、鐿、釹、銩和鐠。
13．如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，一包層分段的密度是兩個預(yù)選值中的一個。
14．如權(quán)利要求13所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，具有兩個預(yù)選密度中第一個預(yù)選密度的玻璃包層分段是均勻的第一組成成份，并且具有兩個預(yù)選密度中第二個預(yù)選密度中第二個預(yù)選密度的玻璃包層分段包括多孔的第一組成成份。
15．如權(quán)利要求14所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，具有第二預(yù)選密度的包層中的孔是細(xì)長的，并且其長度方向沿預(yù)制棒的軸取向。
16．如權(quán)利要求15所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，細(xì)長孔形成一周期性的陣列。
17．如權(quán)利要求16所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，周期性陣列的節(jié)距使得從預(yù)制棒拉絲到一預(yù)選直徑而形成的波導(dǎo)纖維包括一個由細(xì)長孔構(gòu)成的周期性陣列，該周期性陣列的節(jié)距在0.4μm至20μm的范圍內(nèi)。
18．如權(quán)利要求13所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，具有兩個預(yù)選密度中第一個密度的玻璃包層分段是具有一介電常數(shù)的、均勻的第一組成成份，并且具有兩個預(yù)選密度中第二個密度的玻璃包層分段包括多孔的第一組成成份，其中孔是細(xì)長的，并且孔的長度方向沿預(yù)制棒的軸取向，并且細(xì)長孔用一種具有第二介電常數(shù)的材料填充，其中第一和第二介電常數(shù)至少相差三倍。
19．如權(quán)利要求18所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，細(xì)長的填充孔形成一個周期性的陣列。
20．如權(quán)利要求19所述的光波導(dǎo)預(yù)制棒，其特征在于，周期性陣列的節(jié)距使得從預(yù)制棒拉絲到一預(yù)選直徑而形成的波導(dǎo)纖維包括一個由細(xì)長孔構(gòu)成的周期性陣列，該周期性陣列的節(jié)距在0.4μm至20μm的范圍內(nèi)。
21．一種由權(quán)利要求1-7或10-20中任何一項(xiàng)所述的預(yù)制棒拉絲得到的光纖。
22．一種由權(quán)利要求1-7或10-20中任何一項(xiàng)所述的預(yù)制棒拉絲得到的光纖，其特征在于，纖芯具有一折射率分布曲線，并且分段密度經(jīng)選擇，與纖芯分布曲線一起提供了一總色散，當(dāng)分段密度在不同的預(yù)選密度之間變化時，總色散在正值和負(fù)值之間變化，從而提供一種凈色散等于預(yù)選值的波導(dǎo)纖維。
23．一種光纖預(yù)制棒的制造方法，其特征在于，包括以下步驟a)制造具有長軸的纖芯預(yù)制棒；b)制造多根玻璃管，這些玻璃管具有內(nèi)、外尺寸和長軸；c)沿每根玻璃管的長軸形成N個內(nèi)、外尺寸縮小的部分，其中N個尺寸縮小的部分被管子部分一一分離；d)將步驟c)中的多根管子安排成一個包裹在纖芯預(yù)制棒周期的陣列，纖芯預(yù)制棒的長軸基本上平行于管子的長軸。
24．如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，步驟b)中管子的截面形狀選自以下形狀組成的組圓形、三角形、平行四邊形和多邊形。
25．如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，陣列是隨機(jī)的。
26．如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，陣列是周期性的。
27．如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，經(jīng)縮小的內(nèi)尺寸為零。
28．如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，管子具有第一組成成份和第一介電常數(shù)，并且在形成步驟c)期間或之前，用具有第二組成成份和第二介電常數(shù)的材料填充使N個部分分離的每個部分，其中第一介電常數(shù)與第二介電常數(shù)至少相差三倍。
29．如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，管子具有第一組成成份和第一介電常數(shù)，并且在形成步驟c)期間或之前，用具有第二組成成份和第二介電常數(shù)的材料填充使N個部分分離的每個部分，其中第一折射率大于第二折射率。
30．如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟e)將步驟d)的布置插入外管中；并且f)將外管塌縮在所述布置上。
31．如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟，即將玻璃微粉體粒子沉積在外管上。
32．如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟e)束扎步驟d)的管子布置，將它們彼此對準(zhǔn)；并且f)將玻璃微粉體沉積在管子束上。
33．如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，束扎步驟包括下述步驟，即通過加熱管子，使玻璃管彼此固定，并且將最內(nèi)層的管子與纖芯預(yù)制棒固定。
34．如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，束扎步驟包括下述步驟，即用玻璃原料使使玻璃管彼此固定，并且將最內(nèi)層的管子與纖芯預(yù)制棒固定。
35．一種光纖制造方法，其特征在于，包括以下步驟a)依照權(quán)利要求23-34中任何一項(xiàng)所述的方法制造一預(yù)制棒；b)密封玻璃管的一端；c)從與具有密封管子的預(yù)制棒端部相對的預(yù)制棒端部拉絲出一波導(dǎo)纖維；并且d)對與被拉絲端部相對的預(yù)制棒端部抽真空。
36．一種光纖制造方法，其特征在于，包括以下步驟a)制造一纖芯預(yù)制棒；b)制造多個具有某截面形狀的玻璃棒；c)將多根玻璃棒安排成一個包裹在纖芯預(yù)制棒周圍的陣列，致使該陣列包含多個孔；d)將棒的陣列和纖芯預(yù)制棒插入管中，形成一拉絲預(yù)制棒；e)將拉絲預(yù)制棒拉成一光纖；并且f)在步驟e)期間，對管子施加一變化的壓力。
37．如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所加壓力在大氣壓和大氣壓以下的一預(yù)選壓力之間變化。
38．如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，預(yù)選壓力足以至少使孔部分塌縮。
39．如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所加壓力在大于或等于大氣壓的第一預(yù)選壓力和大于第一預(yù)選壓力的第二預(yù)選壓力之間變化。
全文摘要
一種光纖預(yù)制棒和一種由此拉絲得到的光纖，其中包層(42)的密度以至有效折射率以一種預(yù)選的方式沿波導(dǎo)預(yù)制棒和相關(guān)波導(dǎo)纖維的軸向變化。包層(42)之密度的軸向變化是由包層體的一小部分是空氣或者是不同地基質(zhì)包層玻璃的玻璃組成成份。包層折射率的軸向變化改變了單模功率分布，從而改變了諸如色散大小和符號、截止波長和零色散波長等關(guān)鍵的波導(dǎo)纖維參數(shù)。本發(fā)明包括制造具有軸向變化包層的結(jié)構(gòu)的方法，本發(fā)明還預(yù)期這樣的預(yù)制棒，由此預(yù)制棒拉絲得到的波導(dǎo)纖維由于全包層長度或包層長度各分段的光子晶體結(jié)構(gòu)而導(dǎo)光。
文檔編號C03B37/012GK1317099SQ99810798
公開日2001年10月10日 申請日期1999年8月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月15日
發(fā)明者J·C·法哈多, G·P·格蘭杰 申請人:康寧股份有限公司