径向不均匀且方位角向不对称的光纤 【发明背景】
本发明基于1998年9月9日提交的美国临时申请60/099,535。我们要求该申请的优先权日。
本发明涉及一种光纤以及一种光纤制造方法，所述光纤的折射率分布曲线沿径向和方位角两个方向变化。沿方位角变化所赋予的附加适应性提供了这样的折射率分布曲线设计，即与折射率只沿径向坐标方向变化的情况相比，这些设计可以满足更多的波导纤维性能要求。
近期开发的折射率分布沿径向变化的波导纤维已径显示出，通过调节此分布曲线可以优化波导特性。例如用一种比简单的阶跃方式更一般的方式来改变折射率分布曲线，这种改变允许在不牺牲一组基础特性(衰减、强度或抗弯曲性)的情况下选择一个或多个波导特性的值。
另外，某些方位角不对称的纤芯折射率分布(诸如那些具有椭圆形、三角形或正方形纤芯几何形状的分布)已经显示出，它们能够提供有用的波导性能，诸如保持或混合偏振模式。
因此，期望沿方位角和径向两个方向变化的纤芯折射率分布曲线能够提供机会制造适于在电信、信号处理或传感器系统中使用的、具有新的或经改进性能的波导。
在授予Marcuse的美国专利3,909,110(简称′110专利)中，描述了一种多模波导，其纤芯相对方位角不对称。′110专利中地计算表明，折射率沿径向和方位角两个方向的周期性变化会产生模式耦合，从而增大带宽、同时限制因与径向模式耦合而产生的损耗。此概念并不推广至单模波导。另外，′110专利的范围也仅局限正弦的方位角变化。
在描述目前的方位角和径向不对称的纤芯时，引入了纤芯扇区的概念。一个纤芯扇区只是纤芯的一部分，它由形成波导中环形区的第一和第二半径点的轨迹所限定。两个半径彼此不同，并且小于或等于纤芯半径。扇区的剩余边界是彼此成一角度的两个平面，每个平面都包含波导纤维的中心线。折射率沿扇区内一直线的变化是指，该直线上至少有两个点的折射率不同。
定义
以下定义符合本领域的常规用法。
-分层纤芯是一种在预选半径分层上具有特定折射率的纤芯。一个特定分层具有第一折射率点和最后折射率点。从波导中心线到第一折射率点位置的半径是纤芯区或纤芯分层的内半径。同样，从波导中心线到最后折射率点位置的半径是纤芯分层的外半径。
-相对折射率Δ，它由下式定义：Δ=(n12-n22)/2n12，其中，n1是折射率分层1的最大折射率，而n2是参考折射率，在本申请中，它是包层的最小折射率。本领域使用术语“Δ％”，它是100×Δ。
-术语“折射率分布曲线”是指，在纤芯一选定部分上Δ％或折射率与半径之间的关系。术语“α分布曲线”是指，满足以下等式的折射率分布曲线：
n(r)=n0(1-Δ[r/a]α)，
其中r是纤芯半径，Δ的定义如上，a是分布曲线的最后一点，r在分布曲线的第一点处选择为零，并且α是限定分布曲线形状的指数。其它折射率分布曲线包括阶跃型折射率、梯形折射率和带圆角的阶跃型折射率，其中带圆角一般是由于掺杂物在折射率快速变化的区域内扩散而造成的。
【发明内容】
在本发明的第一方面，单模波导的纤芯至少具有一个扇区。扇区内至少一点的折射率与扇区外至少一点的折射率不同。当扇区正好是半个纤芯时，可以任意选择构成扇区内一点的部分，而不失去分布曲线定义的准确性。纤芯折射率分布曲线沿一个半径的至少一部分变化，产生径向不对称。在一个预选的半径上，扇区内的纤芯折射率与扇区外的纤芯折射率不同，从而提供了方位角不对称。
在一个实施例中，整个纤芯是圆柱形对称的，因此便于用柱面坐标的半径r、方位角φ和中心线高度z来描述。折射率发生变化的预选半径部分Δr在0＜Δr≤r0的范围内，其中r0是纤芯半径。至少对于两个不同方位角折射率为不同的预选半径在此同一范围内。
在另一实施例中，预选半径部分是分层Δr=r2-r1，其中0≤r1＜r2，而r2＜r0。
在另一个实施例中，折射率沿一扇区内的任何或所有半径变化，并且所述扇区的夹角φ大于零度，但小于或等于180°。
在另一实施例中，半径部分在0＜Δr≤r0的范围内，并且方位角φ和高度z具有任何值，只要坐标点(r,φ,z)在纤芯区内。
在本发明的另一些实施例中，规定了扇区的数目和扇区的角度尺寸和半径大小，并且规定了半径r和相对折射率Δ％之间的函数关系。函数关系的例子是α分布曲线、阶跃型和带圆角的阶跃型折射率分布曲线，以及梯形分布曲线。
在本发明的又一些实施例中，波导具有一分层纤芯和规定数目的扇区，在扇区的一些区域中嵌入了具有特定大小和形状的玻璃体。以下描述了具有三个和四个扇区的且具有特定纤芯结构和嵌入部分的实施例。在一些实施例中，嵌入部分本身具有分层的折射率结构。
一般地说，本发明第一方面的实施例可以是单模或多模波导纤维。
本发明的第二方面是一种制造方位角和径向不对称的波导纤维的方法。该方法可以用来制造单模或多模波导纤维。
本发明的一个实施例包括以下步骤：改变拉丝预制棒的形状，然后将预制棒拉丝成一根具有圆形截面的波导纤维。这样，预制棒的形状便转移给了预制棒内所包含的圆柱形对称特征，具体地说转移给了纤芯的圆柱形对称特征。拉丝预制棒的形状可以用诸如蚀刻、锯、钻孔或磨等方法中的任何一种方法来改变。
在该方法的一个实施例中，通过在预制棒中形成孔或表面缺口来改变预制棒。改变后的预制棒经后续拉丝，成为具有圆形截面的波导纤维，使得圆形对称的纤芯变得径向或方位角不对称。
附图概述
图1A是一截面图，示出了本发明具有中心纤芯设计的波导或预制棒的一个实施例。
图1B是通过图1A的1B截面取得的折射率分布曲线。
图1C是通过图1A的1C截面取得的折射率分布曲线。
图1D是一截面图，示出了本发明具有中心纤芯设计的波导或预制棒的一个实施例。
图1E是通过图1D的1E截面取得的折射率分布曲线。
图1F是通过图1D的1F截面取得的折射率分布曲线。
图1G是一截面图，示出了本发明具有嵌入纤芯设计的波导或预制棒的一个实施例。
图2A是一截面图，示出了具有嵌入纤芯设计的波导或预制棒的一个实施例。
图2B是通过图2A的2B截面取得的折射率分布曲线。
图2C是一截面图，示出了具有嵌入纤芯设计的波导或预制棒的一个实施例。
图2D是通过图2C的2D截面取得的折射率分布曲线。
图2E是一截面图，示出了具有嵌入纤芯设计的波导或预制棒的一个实施例。
图2F是一截面图，示出了具有嵌入纤芯设计的波导或预制棒的一个实施例。
图3是一截面图，示出了含孔的新型波导或预制棒。
图4A和4B以及4C和4D是截面图，示出了拉丝后预制棒外形传递给纤芯。
图5A和5B是截面图，示出了预制棒的孔对纤芯形状的影响。
图6A和6B以及7A和7B示出了预制棒纤芯和管组件的截面图，以及对组件拉丝后得到的波导。
图8A和8B是截面图，示出了开槽的分层纤芯预制棒，以及拉丝后得到的波导。
本发明的详细描述
缺口4使得图1A的纤芯2是方位角不对称的。在此图示的新型预制棒或波导纤维中，缺口的材料与包层6的材料相同。图1B和图1C分别示出了通过纤芯的垂直截面，并且给出了阶跃型折射率分布曲线宽度的方位角变化。此特定的分布曲线是径向对称的。
图1D的预制棒或波导纤芯在径向和方位角上都是不对称的。在此图示的新型波导或预制棒中，纤芯被分成四个扇区。如通过纤芯取得的扇区1F和1E所示，两个对角扇区8和10相互是对方的反射镜像。在图1E中，标号16表示1E扇区对径向依赖关系，它是带圆角阶跃型分布曲线或α分布曲线。在图1F中，1F扇区的分布曲线18是阶跃型折射率分布曲线。包层部分12和14可以包括折射率小于相邻纤芯区的任何材料。也就是说，包层的组成成份一般只受纤芯包层结构导波情况而不是辐射光进入波导的情况限制。
图1G是依照新型预制棒和波导的一例较复杂的结构。在此图示的波导中，纤芯或纤芯预制棒20包括一分层纤芯，该纤芯具有中心区22和相邻的环形区28、24和26。每个区都用相应的相对折射率Δ％、折射率分布曲线和由半径32、34、36、38和40所确定的区域来表征。例如，中心区22和环形区24各自包括相应的掺锗石英玻璃，而环形区28和26包含石英，各区的相对尺寸参见附图。嵌入的玻璃体30将不对称引入纤芯预制棒，玻璃体30的折射率一般与其所接触的环形分层24或26不同。
玻璃体30可以下述方式形成，例如先锯或研磨，然后用诸如沉积等方式用玻璃填充到容器中。各分层22、28、24、26和30的相对折射率及其尺寸将决定纤芯20所能运载的光能分布。光能在纤芯预制棒或纤芯20上分布决定了波导的功能特性。
在新型预制棒或波导的另一个实施例中，如图2A所示，纤芯由基质玻璃50构成，而基质玻璃50具有嵌入玻璃体42、44和48。玻璃体在预制棒或由预制棒拉丝得到的波导中从头到尾延伸。玻璃包层52包裹着纤芯50。纤芯玻璃50的折射率大于包层52的折射率。图2B示出了通过一个嵌入体的截面2B，它具有阶跃型折射率分布曲线。嵌入玻璃体42、44和48之截面积的大小可以相同或不同，并且相对玻璃包层可以有许多相对取向。
图2A的结构通过下述方法制成，即对预制棒钻孔，使所得孔的壁光滑，并将玻璃粉或棒填入孔中。另一种方法是，用许多棒构成纤芯，然后将棒插入保持管中，可以使用或不使用隔离玻璃棒或玻璃粒子。如果用适当的玻璃隔离材料将这些棒结合在一起，那么就不需要保持管。可以将外包层沉积在结合组件上，或者将其制作成一根管子，在拉丝之前或期间将管子塌缩在组件上。
图2C示出了另一个实施例，它包括基质玻璃和多个嵌入玻璃体。这里，波导54的总体结构类似于图2A的结构，除了每个嵌入玻璃体56、58和60都有一个分层纤芯的折射率分布曲线。图2D例示了一个分层纤芯分布曲线，它是通过一个嵌入体的截面，其中中心区具有相对较高的Δ％，外面包裹着两个环形区62和64。在该图中，第一环62的Δ％小于第二环64。可以理解，每个分层都有一个从多种可能性中选出的径向依赖关系，诸如α分布曲线或带圆角的阶跃型分布曲线，并且可以调节各分层的相对Δ％，以提供不同的波导功能特性。
图2C所示预制棒或波导的制造方法实质上与图2A所示预制棒或波导的制造方法相同。
图2E和图2F示出了这种预制棒或波导类型的另外两个实施例。图2E中的嵌入玻璃体66、68和70具有矩形的截面，并且大体上安排在等边三角形的顶角。还尝试了嵌入玻璃体的其它布置，诸如沿纤芯区的直径安排。纤芯区72可以包括许多种形状和组成万分。在图2E所示的简单例子中，纤芯玻璃72是阶跃型折射率分布曲线，并且按导光需要，其折射率至少大于包层74的一部分。
在图2F中，示出了一种包含五个嵌入玻璃体的结构。这里，四个具有菱形截面的玻璃体76、78、80和82关于圆形中心纤芯区84作对称布置。很明显，此设计可以有许多种变化。例如，嵌入体76、78、80、82和84的折射率都可以具有与纤芯86不同的相对折射率。
如图3所示，预制棒或波导中的嵌入体88可以是孔。沿长轴具有细长孔的波导可以通过形成细长孔来制造，例如通过纤芯或拉丝预制棒中钻孔或蚀刻来形成。纤芯玻璃90的折射率必须不同于孔的折射率，由此提供不对称的纤芯区。在图3所示的拉丝预制棒中，可以在拉丝工艺期间使孔塌缩，以产生不对称的纤芯。孔塌缩后纤芯区的形状由纤芯材料90和包层材料92的相对粘度来决定。通过控制预制棒中正被拉丝的部分的温度梯度，可以保持对玻璃相对粘度的的控制。相对粘度还取决于纤芯和包层玻璃的组成成份。
图4A和图4B示出了使图4A中预制棒的形状98从预制棒的包层部分94传递给图4B中经预制棒98拉丝得到的波导100的纤芯部分102。当预制棒纤芯的最初对称性与波导包层104的对称性相同时，发生如图4A和图4B所示的传递。图中显示了圆柱形对称，因为这是与目前预制棒制造和拉丝工艺最相容的对称性。其它对称性也是可以的，例如将预制棒的形状部分传递给波导纤芯形状，即波导的最终形状偏离圆柱形对称性。
图4C示出了正方形分层纤芯预制棒的截面。在对预制棒加热并将其拉丝成圆柱形波导后，图4D中的分层纤芯106取正方形，因为纤芯材料发生粘性流，以适应包层的圆柱形表面。
用类似的方式，当把图5A中具有纤芯110、包层112和细长孔108的预制棒拉丝成圆柱形波导时，它将产生不对称纤芯。但是，在该情况下，预制棒是圆柱形的，并且纤芯材料会因拉丝期间填满孔而发生移动。只要在将预制棒拉丝成波导时保持预制棒的形状，纤芯必然会变形，即变得不对称，以填满孔。
举例
用外部汽相沉积工艺制造图5A所示的预制棒类型。纤芯区110是掺锗石英，而包层112是石英。通过钻孔，然后用蚀刻溶液使孔壁光滑，在预制棒中形成孔108。将预制棒拉丝成一波导纤维，其零色散波长在1500nm的工作窗口中，即使波导发生色散位移。与具有方位角对称纤芯且模场直径在7μm至8μm范围内的色散位移波导相比，该波导具有非常大的模场直径10.4μm。
图6A和图6B示出了不对称纤芯的制造方法。用几种已知方法中的任何一种方法来制造分层纤芯预制棒114、116和118，所述已知方法包括外部汽相沉积法、轴向汽相沉积法、等离子沉积法或者改进的化学汽相沉积法。将纤芯预制棒插入管子122中，在管子122中，用隔离棒120将预制棒保持在适当的位置。隔离棒可以由石英、掺杂石英等制成。如果需要，可以将包层124沉积在管子上。现在，可以将预制棒组件拉丝成一波导纤维，如图6B所示，其纤芯130、132和134嵌在纤芯玻璃128中，并被玻璃包层126包裹着。可以直接对图6A所示的组件进行拉丝。另一种方法是，在拉丝之前，将沉积的包层熔凝。另外，在沉积包层之前，可以对管子、纤芯预制棒和隔离棒组件充分加热，使其表面软化，造成彼此间粘在一起，从而形成更稳定的结构，以便于在外包层或拉丝工艺中使用。
图7A和图7B所示的不对称纤芯的制造方法与图6A和图6B所示的方法密切相关。在图7A中，纤芯被环136约束着，环136可以使光更好地在阶跃型折射率纤芯预制棒138、140和142内传播。如上所述，可以用隔离棒或玻璃粉来稳定纤芯预制棒在环内的相对位置。可以直接对纤芯预制棒、可选择的隔离材料、环和外包层材料的组件拉丝，或者先将组件熔凝，然后拉丝。图7B示出了所得到的波导纤维。
图8A和8B示出了最后一例不对称纤芯的制造方法。在图8A中，预制棒的分层纤芯具有中心区144、第一环形区146和第二环形区148 。预制棒经过研磨和锯开等工艺，形成槽152。这些槽可以是空的，或者填满材料150，材料150不同于包层154的组成成份。对预制棒组件拉丝，形成一波导，它具有如图8B所示的不对称纤芯。这里，同样可以直接将组件拉丝，或者在拉丝之前进行沉积、熔凝或定位步骤，以使预制棒中的各部件保持适当的相对定位。
尽管在此揭示和描述本发明的特定实施例，但本发明仅由后附的权利要求书来限定。