光纤光栅及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种光纤光栅及其制作方法。按照此方法，为了获得足够的光致折射率变化量，掺氢过程是在紫外线照射之前完成。尤其是，该方法的掺氢过程的目标是以树脂覆盖裸光纤外表面得到的涂覆光纤为特征，此裸光纤有一芯区和一包层区。涂覆光纤暴露在预定加压状态的氢气氛下一段预定的时间之后，部分地去除树脂。紫外线照射在去除树脂的预定裸光纤区域上，从而在芯区形成反射光栅。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光纤光栅(光学元件)及其制作方法，此种光纤光栅有一根光纤以及在光纤芯区内沿着光纤纵向有一个布拉格(Bragg)光栅。近年来，随着光纤通讯技术的最新进展，光通讯系统结构已发展到可实现复杂的网络和信号的波长复用。在这种光通讯系统中，光路元件(光学元件)的重要性不断增加。作为光路元件通常例子的光纤型元件的优点是体积小和插入损耗小，而且它可以容易地连接到用作传输线的光纤。这种光纤型光学元件的一个实例是光纤型滤波器。众所周知，当紫外线照射到掺有氧化锗(GeO2)的玻璃上时，被照射部分的折射率发生变化。近年来，已经研究和开发了在光纤芯区中形成布拉格光栅的光纤光栅，这是利用光致折射率变化的一个光纤型滤波器实例。在本说明书中，光纤光栅定义为至少有一光纤的光学元件，该光纤包括有预定折射率并掺有GeO2的芯区，以及在芯区周围的包层区，包层区的折射率低于芯区的折射率，且布拉格光栅是在光纤芯区内沿着光纤的纵向形成。光栅是芯区折射率沿着芯区的纵向呈周期性变化的一个区域，它是经紫外线或类似射线照射形成的。更具体的说，光纤光栅的一个功能是，反射沿着光纤传输的光中具有特定波长(以下称之为光栅的反射波长)的光分量并传输其余的光分量(即，波长偏离光栅反射波长的光分量)。光栅反射波长由芯区内产生的折射率变化周期确定。用紫外线照射的在光纤内形成光致光栅的方法具有高生产率的优点。在这一种光纤光栅中，其反射率R是一重要的特征因子。反射率R取决于光栅的长度(即，芯区折射率沿芯区纵向呈周期性变化的区域长度)和光致折射率变化量。此关系表示成R＝tanh2(L∏Δn/λR)其中R反射率L光栅长度Δn光致折射率变化量λR布拉格波长众所周知，由紫外线照射产生的折射率变化是芯区中包含在玻璃内与锗相关的玻璃缺陷产生的。然而，根据本专利技术者的发现，由于普通光纤(玻璃光纤)含掺有二氧化锗的芯区，该光纤内玻璃缺陷数目很少，即使用紫外线照射，光致折射率变化量Δn小。如从上面方程可以看出，反射率R也是低的。更具体的说，紫外线照射导致芯区内折射率的变化约为10-5，而折射率低至百分之几。如上面方程所指出的，可以增加光栅的长度使光栅的反射率R增大。然而，在这种情况下，要求紫外激光束的照射有极好的均匀性。辐射紫外线的光学系统因此就格外复杂。另外，由于玻璃缺陷数目很少，导致光致折射率的变化率减小，在此情况下要增大反射率R就需长时间照射，使生产率降低。作为一个增大光栅反射率R的方法，日本专利No.7-244210公开了一个技术，在光纤芯区掺氢以增大相应紫外线辐射功率下光致折射率变化量。按照此方法，利用高压氢的加压过程，使氢掺入到光纤中。为了增大光致折射率变化，需要氢在高浓度下掺入。为此目的，要获得掺有高浓度氢的光纤，光纤在含氢的气氛中(以下称之为氢气氛)暴露一段预定的时间，在氢气氛中氢被加压到高压强。本专利技术者研究了上述掺氢技术，发现了以下问题。更具体的说，当用普通掺氢技术将氢掺入硅玻璃中时，由于玻璃表面的损坏，玻璃的抗拉强度急剧下降，当布拉格光栅是在表面损坏的玻璃光纤中形成，以制作光纤光栅(光学元件)时，机械强度减小，降低了可靠性。本专利技术要解决上述问题，其目的是提供一种高可靠性的光纤光栅及制作此种光纤光栅的方法，即使在高压下氢掺入光纤中，也不存在机械强度下降或类似的问题。更具体的说，本专利技术涉及一个制作光纤光栅的方法，在此方法中，反射光栅是在玻璃光纤作为裸光纤(以下称之为裸光纤)以及含有掺GeO2的芯区的一包层区的涂覆光纤中(以下称之为涂覆光纤)，并有树脂覆盖裸光纤的外表面，以及因此方法制成的光纤光栅。特别是，按照本专利技术的制作方法，掺氢过程是在照射紫外线之前完成的，掺氢过程的目标是玻璃光纤(裸光纤)外表面有树脂覆盖的涂覆光纤。更具体地是，在按照本专利技术制作光纤光栅的方法中，裸光纤包括有预定折射率并掺有预定量GeO2的芯区和在芯区外表面周围的包层区，包层区的折射率低于芯区的折射率，并制备好覆盖着裸光纤外表面的树脂。此制作方法的第一步是，将制备的涂覆光纤在氢气氛下(即，充氢气的容器)暴露一段预定的时间，在氢气氛下氢气被加压到预定的压强，从而将氢掺入涂覆光纤，第二步是，去除掺氢涂覆光纤的部分树脂以暴露裸光纤预定区域(即，布拉格光栅形成的区域)表面，第三步是，用紫外线照射裸光纤的预定区域，该区域是在第二步中去除树脂后暴露的，使沿着芯区纵向位于暴露预定区域的芯区的折射率发生变化。按照本专利技术制作方法制成的光纤光栅中，暴露区域(掺氢过程之后，除去树脂层的区域)再用树脂涂覆以避免变坏。按照本专利技术的制作方法，形成布拉格光栅的目标是在玻璃光纤外表面周围形成树脂层的涂覆光纤。树脂是在掺氢之后被部分地去除。涂覆光纤在氢气氛下即使暴露一段长时间，玻璃光纤的表面也不变坏。而且还能够维持裸光纤本身的机械强度。在本专利技术中，对涂覆光纤进行掺氢过程时，此涂覆光纤中要形成布拉格光栅的裸光纤外表面覆盖着树脂，在玻璃光纤(裸光纤)与树脂之间的界面处可能形成气泡或发生分层。在已经有气泡或发生分层的这种光纤中形成布拉格光栅以制作光纤光栅(光学元件)，势必使机械强度或类似的性能下降，使可靠性减小。在此说明书规定中，树脂层与裸光纤(包括含有GeO2以形成布拉格光栅的芯区)界面处产生的气泡意味着裸光纤半径方向上有厚度为1μm至20μm且最大长度为1μm至10μm的间隙(此间隙的尺寸是裸光纤本身抗拉强度受影响的尺寸)，并且是一小间隙。另一方面，分层意味着一个从10mm至覆盖整个光纤光栅的间隙。特别是，当存在分层时，由于散射光在间隙处变得更强，制成的光纤光栅中产生分层的那部分外表面看起来比不产生分层的那部分外表面更加明亮。所以，在此说明书中，分层意味着一个比气泡尺寸大的间隙，它并不包括在本说明书的气泡中。本专利技术的制作方法还包括第一步与第二步之间的第四步，即以预定的速率减小氢气氛的压强。如上所述，氢气氛的压强是以预定的速率减小的，使掺入到裸光纤中的氢逐渐扩散，从而避免气泡的产生。更具体的是，本专利技术者发现，有效的最大压强减小率为120atm/min或更小些，最好是从加压状态以2atm/min至10atm/min速率减小氢气压强到正常压强状态。加压状态意味着加压到至少40atm到400atm的状态。正常压强状态不限制于1atm，而包括与提供氢气给容器的外界压强相同的压强。在本专利技术的制作方法中，第一步加压状态下的氢气压最好是100atm至300atm，环境温度是在0℃(最好是室温)至100℃范围。当氢气设定在这种条件下，可以在一段短时间内将氢有效地掺入到芯区，而不会产生涂覆树脂的热损坏。可以采用硅酮树脂作为覆盖裸光纤的树脂，但考虑到耐压性和耐热性，紫外线固化树脂比上述树脂更好。在按上述制作方法制成的光纤光栅中，形成光栅的裸光纤外表面与余留下的树脂层之间互相紧密接触，可以达到足够的抗拉强度。在制成的光纤光栅中，尽管其中存在分层(间隙的厚度在半径方向为1μm或更大，最大长度为10mm或更大)和气泡(间隙的厚度为1μm至20μm，最长长度为1μm至10mm)，但产生的气泡数目限制在每1-m参考长度1000个以下。因此，即使光纤光栅中气泡和分层混合存在，但按上述规定的气泡产生率限制在1000个气泡/m以下的光纤光栅也归本文档来自技高网...

【技术保护点】
一个制作光纤光栅的方法，它包括： 第一步：制备一根涂覆光纤，此涂覆光纤有： 一根裸光纤，它有预定折射率的芯区和在所述芯区外表面周围的包层区，所述包层区的折射率小于所述芯区的折射率；以及 覆盖所述裸光纤外表面的树脂，将所述制备的涂覆光纤暴露在预定加压状态的氢气氛下一段预定时间，从而在所述涂覆光纤中掺入氢； 第二步：部分去除第一步中掺氢的所述涂覆光纤所述树脂，从而暴露出所述裸光纤预定部分的表面；以及 第三步：将紫外线照射到所述裸光纤的预定暴露部分，所述裸光纤的所述树脂是在第二步中去除的，从而改变了沿着所述芯区的纵向上所述裸光纤预定暴露部分中所述芯区的折射率。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：伊藤真澄，池知麻纪，榎本正，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]