低偏振模色散包层模抑制型光敏光纤及其制备方法

摘要

本发明涉及一种低偏振模色散包层模抑制型光敏光纤及其制备方法，其特征是：在光纤的芯层中掺入了46％－54％锗元素，光纤的NA值为0.25－0.31，光纤芯层的折射率的增大Δ值为1.8％－2.1％，光纤内包层的下陷型折射率相对差值Δ在－0.1％－1％。本发明具有很高的边模抑制比和很低的偏振模色散值，使得使用这种光纤刻写的光栅能够使用在高速的通信系统中，在完成器件性能的同时，不引入有害的影响，为光纤通信和传感系统提供优良的原器件。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信和光纤传感领域中的一种光敏光纤，具体说是一种低偏振模色散包层模抑制型光敏光纤及其制备方法。该光纤可使用在1310nm或1550nm窗口，在光纤的芯层中刻写光纤光栅，利用光纤光栅的性能进行使用，其最常用的使用领域为光纤通信系统中的色散补偿器件。

背景技术

为了满足人们对信息日益增长的需求，干线光通信系统正在朝高速率、长距离、大容量传输系统演进，目前，传输速率高达10Gbit/s的WDM系统已在国内长途骨干传输网及省内干线传输网中得到广泛应用，其无电中继传输距离由480km向2000km乃至4000km延伸，传输容量也由32波增大至160波，应用带宽由C波段向L波段发展。

作为光通信系统的传输媒质，光纤的参数和性能直接影响到传输系统的性质，光纤对通信系统的影响主要表现在信号衰减、色散和非线性效应3个方面。在高速光通信系统中，由于光放大器的出现，衰减已不是限制光纤传输的主要因素；色散受限距离已经取代了功率受限距离，而成为一个焦点。而且，单波长速率越高，对色散控制的要求也越高。因此，近年来对色散问题的研究及控制成了高速光通信系统中的一个热点。

近年来，色散补偿技术在人们的重视下得到迅速发展，目前已经有多种色散补偿方案。对色度色散的补偿方法主要有：色散补偿光纤、光纤布拉格光栅、虚像相位阵列、中点谱翻转和平面波导等。其中实用化程度最高的是色散补偿光纤和光纤布拉格光栅补偿技术。

光纤光栅是通过在光纤或光波导上刻上光栅来控制光在其中的反射，从而实现光信号的延迟。如果在一个波导上采用不等间距的刻度，则可以控制不同频率的光延时，从而实现较大带宽上的色散补偿。

啁啾光纤光栅是指光栅周期沿光纤方向呈周期性线性变化，这样不同波长的光经过啁啾光栅时被反射的位置不同，从而出现了相对的时间差，即具有波长色散的特性。利用该特性可以补偿光纤线路中的色散，所能补偿的色散量及带宽由光栅长度和啁啾量来决定。采用啁啾光纤光栅进行色散补偿的原理是基于反射式的补偿。光栅的光学特性主要由其长度、纤芯区折射率调制强度和光栅的啁啾参数决定。对同一长度的光栅来说，啁啾量越大，反射带宽越大，色散值越小。通过均衡考虑光栅的这几个参数，即可得到所需的色散补偿量。

光纤的光敏性提供了在纤芯中直接书写稳定折射率周期分布的光栅的方法。光纤光栅(Fiber Grating)是基于光纤的光敏特性制成的一类重要的光纤型器件，光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的。这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器件，在光信息领域有着重要地位及广泛的应用前景。

光栅型色散补偿器件，其偏振模色散性能和包层模抑制性能十分重要。光纤光栅的偏振模色散性能在很大程度上取决于刻写光纤光栅所用的光敏光纤的偏振模色散特性。所以对光敏光纤的偏振模色散性能的优化将对光栅型色散补偿器件的性能提高起到很大的作用。同时光栅的包层模特性会在器件中引入噪声，为了减少噪声的干扰，增大光栅的包层模抑制比是一个很好的办法。所以对刻写光栅所使用的光敏光纤的偏振模特性的优化，并且设计成包层模下陷型的结构，可以有助于降低刻写出的啁啾光纤光栅的偏振模色散值，并优化光纤光栅的边模抑制比等参数。

发明内容

本发明目的就是提出一种低偏振模色散包层模抑制型光敏光纤及其制备方法，这种新型的光敏光纤具有低的偏振模色散值和下陷型的包层结构设计，它能够满足色散补偿器件在系统中的需求，这样就可以在使用这种光敏光纤进行啁啾光纤光栅刻写的过程中，降低光栅的偏振模色散值，增加其边模抑制比等性能。使得使用这种光栅制造的色散补偿器件能够实现不增加系统的偏振模色散，并保证较高的边模抑制比，从而使得制备的光纤器件的整体偏振模色散降至较低水平。

光纤的偏振模色散的来源是：一是光纤纤芯的不圆所造成的偏振双折射的不对称，二是由于光纤纤芯所受到的应力不对称所造成的偏振双折射的不对称。这两个因素都来自于光纤的制造过程，通过控制光纤制造过程中的各个工艺，优化工艺参数，将使得光纤的偏振模色散性能得到极大的优化。

光栅的包层模耦合的原理是：光栅反向传输的基模和包层模之间的耦合，造成了基模的能量耦合到包层之中，增大了包层之中的传输的噪声。这时必须减少基模和包层模的耦合，防止出现包层模噪声。在光纤的剖面结构设计中，需要增加包层模下陷的设计，增强光纤纤芯对基模的限制能力，从而达到较高的包层模抑制比。

本发明石英光纤的基本结构包括芯层、内包层和外包层，一般而言，芯层和内包层是掺杂的石英玻璃，而外包层是纯石英玻璃，包层环绕着芯层组成。为了达到写出的光纤光栅的高的边模抑制比的性能，光敏光纤必须设计为具有下陷的内包层，这样将使得反射的包层模得到很强的抑制，同时内包层应具有较高的光敏性，达到在芯层和包层同样被紫外光照射的情况下，光纤的波导结构不会改变太大。从而保证了达到较高的边模抑制比的性能的情况下，光敏光纤的传输性能保持较好的一致性。在器件的设计中，还需要保证所引入的偏振模色散达到不影响系统的性能的水平，所以同时需要对光敏光纤的偏振模色散性能进行优化。偏振模色散性能的优化需要对光纤制造的工艺进行优化，包括沉积、熔缩、拉丝这些工艺的优化。同时内包层则通过不同的掺杂材料和掺杂浓度，使得光纤的折射率分布达到理论设计的要求，以保证工作波长的光以单模传输。内包层和外包层的界面处采取梯度变化的设计，能够减少外应力对芯层的不对称作用。外包层为纯硅包层，对芯层进行保护。

本发明所涉及的低偏振模色散包层模抑制型光敏光纤就是按照上述原理设计的。

本发明的技术方案是这样实现的：它是在光纤的芯层中掺入了46％-54％锗元素，光纤的NA值为0.25-0.31，光纤芯层的折射率的增大Δ值为1.8％-2.1％，光纤内包层的下陷型折射率相对差值Δ在-0.1％--1％。

所述光纤在1550nm波长的模场直径为3.7μm-4.7μm。

所述光纤内包层的厚度在1μm-15μm范围内。

所述光纤的内包层和外包层的界面处采取梯度变化的斜面设计结构。

所述光纤光栅的边模抑制比达到25dB以上，光纤的偏振模色散值小于0.05ps/m。

本发明的制备方法包括以下步骤：

(1)首先沉积外包层和内包层，然后沉积芯层；

(2)将沉积好的衬管进行融缩，得到预制棒；

(3)将预制棒拉丝得到光纤；

其中光纤内包层的下陷型折射率相对差值在-0.1％--1％，内包层的厚度在1μm-15μm范围内，内包层和外包层的界面处采取梯度变化的斜面设计结构，在沉积芯层的过程中掺入46％-54％锗元素。

本发明方法在芯层的沉积过程中控制沉积的温度小于1100℃、管内的气压控制为5mbar-20mbar，沉积的速率为0.5-1.0g/min。

其中在融缩过程中，控制融缩孔径为2mm-7mm。

其中拉丝时，控制拉丝温度为1900℃-2100℃，将芯棒的芯层不圆度控制在5％之内，内包层不圆度控制在2％之内。

其中拉丝时控制拉丝张力在50g-200g范围内。

本发明内包层和外包层的界面处采取梯度变化的设计，能够减少外应力对芯层的不对称作用；通过控制沉积、熔缩工艺中的参数，在融缩过程中，控制融缩孔径为2mm-7mm；拉丝时，控制拉丝温度为1900℃-2100℃，将芯棒的芯层不圆度控制在5％之内，内包层不圆度控制在2％之内；再通过拉丝的张力、温度、速度等参数的控制，将光纤的偏振模色散值控制在0.05ps/m之内。

本发明的光敏光纤，光纤的芯层折射率剖面类似于一般单模光纤的简单阶跃结构，但光纤的NA值比普通单模光纤高很多，即光纤中的锗的含量增大了很多。同时光纤包含下陷型的内包层，内包层的折射率相对差值为-0.1％--1％，内包层的厚度为1μm-15μm。光纤的芯不圆度小于5％，内包层不圆度小于2％。根据专利调查及文献搜索，常见的光敏光纤的芯不圆度和内包层不圆度和外包层不圆度的指标均未给出，偏振模色散性能给出的指标一般为：0.05ps/m左右。本发明的低偏振模色散包层模抑制型光敏光纤在掺入很多的锗的情况下，光纤在1550nm波长的模场直径为3.7μm-4.7μm，光纤在1550nm波长的偏振模色散值为0.04ps/m。在这样的光纤性能下，使得本发明的低偏振模色散包层模抑制型光敏光纤能够使用在高速光纤通信系统之中。当需要达到折射率更低、厚度更厚的内包层结构，需要在内包层掺入更多的杂质，也会给光纤的制造工艺带来极大的困难。

由于本发明的高掺锗型的光敏光纤的掺杂量比一般光敏光纤高出很多，而且具有高光敏性的下陷包层，同时光纤的偏振模色散水平也控制的非常低。当使用紫外光源进行刻写光纤光栅时，其显示的光敏特性将比一般高掺锗型光纤高出很多，并且光栅将具有很强的边模抑制比性能和低偏振模色散水平。可以在光纤通信和光纤传感系统中得到较好的应用。

本发明光纤使用等离子体化学气相沉积法(PCVD)制造。PCVD是管内法。在制造过程中采用了如下工艺方法来保证光纤的偏振模色散：

1、在芯层的沉积过程中控制沉积的温度(小于1100℃)和管内的气压(5mbar-20mbar)，从而达到减小芯棒的芯圆度和包层圆度的作用；

2、降低沉积的速率(达到0.5-1.0g/min)来达到掺杂量很大的内包层和掺杂层数很多的内包层的目的，增加光纤的内包层的下陷深度(-0.1％--1％)和内包层的厚度(1μm-15μm)的目的；

3、在融缩过程中，通过仔细控制融缩孔径(约2mm-7mm)和熔缩的管内压力等参数，达到优化芯棒的芯圆度和包层圆度的作用。

4、拉丝时，控制拉丝温度(1900℃-2100℃)及拉丝张力(50g-200g)，使所制备光纤的偏振模色散性能得到最佳的控制。

本发明有益效果主要有如下几点：

1、采用了包层模下陷的光敏光纤的设计，使得刻写出的光纤光栅的边模抑制比很高；

2、在下陷折射率的内包层中掺入了大量的锗元素，保证了此下陷内包层的光敏性，使得内包层遇到紫外光照射时折射率的变化程度基本达到芯层的水平，将有助于保持光敏光纤在紫外光照射之后的折射率剖面的一致性；

3、采用了内包层和外包层界面梯度变化的结构设计，减少了芯层所受到的外界不对称应力的影响，减少了应力双折射产生的可能性；

4、通过控制芯棒的沉积和熔缩工艺，控制光纤的拉丝工艺来达到优化光敏光纤的偏振模色散性能的目的。

本发明的一个显著特点在于其具有很高的边模抑制比和很低的偏振模色散值，使得使用这种光纤刻写的光栅能够使用在高速的通信系统中，在完成器件性能的同时，不引入有害的影响。为光纤通信和传感系统提供优良的原器件。

附图说明

图1：本发明所采用的光纤剖面结构设计图

图2：低偏振模色散包层模抑制型光敏光纤刻写光栅反射谱测试图

图3：低偏振模色散包层模抑制型光敏光纤刻写光栅透射谱测试图

表1：低偏振模色散包层模抑制型光敏光纤的参数和测试结果

表2：低偏振模色散包层模抑制型光敏光纤刻写光栅测试结果

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：(内包层Δ＝-0.2％，厚度为3μm)

在本实施例中，采用图1所示的包层模抑制型光敏光纤的折射率剖面来进行光纤的PCVD工艺的设定，光纤的NA值为0.25。首先沉积外包层、内包层，然后沉积芯层，在沉积芯层的过程中掺入46％氯化锗；将沉积后的衬管进行融缩，得到预制棒；将预制棒拉丝得到光纤；其中内包层的折射率变化值为：-0.2％，光纤芯层的折射率的增大Δ值为1.8％，内包层的厚度为3μm。在沉积的过程中将沉积的温度控制在1100℃以下，沉积的管内气压控制在10mbar，芯层的沉积速率为0.5g/min。衬管熔缩时的温度控制在1900℃，熔缩时的管内气压控制在20mbar；在融缩过程中，控制融缩孔径为3mm；拉丝时，控制拉丝温度为2000℃，拉丝的张力控制为70g。

最后得到光敏光纤，其截止波长在1420+/-50nm范围内，且光纤的1550nm的模场直径在4.2+/-0.5um的范围内，光纤的内包层的折射率变化值为：-0.2％，内包层的厚度为3μm。很好的改善了光纤的包层模抑制比。实施例光纤的部分测试数据如表1所示。图1是这种高掺锗型光敏光纤的刻写光栅测试结果图，刻写光栅的条件为：刻写波长248nm，刻写栅长80mm，刻写激光功率40mJ，脉冲数3600个，脉宽60us，频率20Hz。随着掺锗量的增加，光纤的光敏性能得到了很大的提高。达到了15dB左右的透射率，反射率约为95％，包层模抑制比达到了-25dB，光栅的偏振模色散小于0.045ps。达到了商业使用的水平，是理想的高掺锗型光敏光纤。

实施例2：(内包层Δ＝-0.4％，厚度为5μm)

在本实施例中，采用图1所示的高掺锗型光敏光纤的折射率剖面来进行光纤的PCVD工艺的设定，光纤的NA值为0.28。首先沉积外包层、内包层，然后沉积芯层，在沉积芯层的过程中掺入50％氯化锗；将沉积后的衬管进行融缩，得到预制棒；将预制棒拉丝得到光纤；其中内包层的折射率变化值为：-0.4％，内包层的厚度为5μm。在沉积的过程中将沉积的温度控制在1100℃以下，沉积的管内气压控制在12mbar，芯层的沉积速率为0.65g/min。衬管熔缩时的温度控制在1950℃，熔缩时的管内气压控制在30mbar；在融缩过程中，控制融缩孔径为2.5mm；拉丝时，控制拉丝温度为2000℃，拉丝的张力控制为90g。最后得到的光敏光纤随着内包层掺锗量和沉积量的增加，光纤的性能得到了一些提高。达到了16dB左右的透射率，反射率约为96％，包层模抑制比达到了-28dB，光栅的偏振模色散小于0.040ps。

实施例3：(内包层Δ＝-1％，厚度为15μm)

采用图1所示的高掺锗型光敏光纤的折射率剖面来进行光纤的PCVD工艺的设定，光纤的NA值为0.31。首先沉积外包层、内包层，然后沉积芯层；在沉积芯层的过程中掺入54％氯化锗；将沉积后的衬管进行融缩，得到预制棒；将预制棒拉丝得到光纤；其中内包层的折射率变化值为：-1％，内包层的厚度为15μm。在沉积的过程中将沉积的温度控制在1100℃以下，沉积的管内气压控制在20mbar，芯层的沉积速率为1g/min。衬管熔缩时的温度控制在2000℃，熔缩时的管内气压控制在50mbar；在融缩过程中，控制融缩孔径为2.8mm；拉丝时，控制拉丝温度为2050℃，拉丝的张力控制为100g。最后得到光敏光纤达到了17dB左右的透射率，反射率约为97％，包层模抑制比达到了-30dB，光栅的偏振模色散小于0.035ps。

3个实施例光纤的测试数据和写光栅的数据分别列在表1和表2中。

实施例  内包层的折射率下陷值  内包层的厚度  光纤的芯圆度  光纤的内包层圆度  1  -0.1％  1μm  1％  0.2％  2  -0.5％  5μm  3％  0.5％  3  -1％  15μm  5％  0.8％

                                表1

实施例光栅的透射率光栅的反射率  光栅的边模抑制比  光栅的偏振模色散值  1  15dB  95％  25dB  0.45ps  2  16dB  96％  28dB  0.4ps  3  17dB  97％  30dB  0.35ps

                                表2