[发明专利]氧化钽掺杂的波导及制造方法

说明书

发明领域

本发明一般涉及具有高折射率的光波导玻璃和制造该光波导玻璃的方法，具体涉及用Ta₂O₅掺杂光波导玻璃得到基本上不含结晶的光波导纤维。

尽管本发明能够用多种烟灰收集和掺杂技术来进行，但本发明特别适宜于结合外部气相沉积(OVD)方法一起使用，就这方面会具体说明。

发明背景

在迅速发展的电讯领域，对在更短时间内传送更大量数据的系统的需求永远在增加。因此，在光电子领域不断需要新的光波导系统，从而需要新的光波导和新的光波导组件来满足这些系统的需求。

一般来说，光波导纤维包括被包层材料包围的纤芯，该包层材料的折射率低于纤芯的折射率。该种光波导纤维通常由选择性掺杂以掺杂剂(如锗)的二氧化硅组成。尽管锗是主要且使用最广泛的掺杂剂，通常还可使用其它掺杂剂，如磷、氟、硼和铒。然而，氧化锗由于其比二氧化硅更低的熔点和更高的折射率而得到很普遍的应用。

所有的掺杂剂(包括氧化锗)都有缺点，限制了它们在某些场合的应用。因此，随着技术改进和对新用途要求的增加，对能满足这些用途要求的新型光波导纤维的需求也在增加。这些需求促使研究者们思考应用新掺杂剂和掺杂光波导纤维的新方法来满足这些要求。此外，竞争也不断地促使研究者们开发更低成本的光波导纤维。由于氧化锗的成本约为每千克$1,000，因此理想的是一种更便宜的掺杂剂，它能以更少的含量提供比氧化锗作掺杂剂更高的折射率。

一种已知具有高折射率的此类掺杂剂是氧化钽。事实上，Ta₂O₅薄膜被广泛地用于薄膜波导透镜和硅晶片太阳电池用的抗反射涂层。因为用于集成光学器件的Ta₂O₅薄膜很有吸引力，许多研究者已经活跃于这一领域。用于集成光学器件的含Ta₂O₅的薄膜通常用溅射技术来制造，得到的损耗是可观的，约为0.4dB/cm。在薄膜领域中，造成这些高损耗的因素被认为是溅射后对薄膜的热处理。发现热处理会使得薄膜从非晶态变化至晶态。这一缺陷如果形成在光波导纤维中，会对光波导纤维的工作性能产生不利影响，会使该纤维在光波导纤维系统中无法作用。

还用Ta₂O₅制造了平面器件。用于这类器件的Ta₂O₅-SiO₂纤芯玻璃用电子束气相沉积技术进行沉积。然而，该类器件观察到的最低损耗约为0.15dB/cm，即15,000dB/km。对于光波导纤维，目标是损耗低于1dB/km。因此，薄膜和平面的光学器件都没有表明氧化钽掺杂的二氧化硅在光波导纤维中能够应用。

有鉴于此，需要这样一种掺杂剂，它以有限的量能够向光波导纤维提供高的纤芯折射率。此外，需要这样一种掺杂剂，它具有良好的非线性性能，不会对含这种掺杂剂的光波导纤维的机械性能产生不利影响，并显示有利的放大特性。而且需要一种向光波导纤维提供掺杂剂的方法，它与现有的光纤制造技术差别不大，在经济上可行且又是适宜的。氧化钽比氧化锗成本更低，折射率更高，使其成为在代替氧化锗方面很有前途的掺杂剂。

发明概述

本发明的一个方面涉及具有高折射率纤芯的低损耗光波导的制造方法：形成包含Ta₂O₅和SiO₂的烟灰坯料(soot blank)，在适合于防止含Ta₂O₅-SiO₂的玻璃结晶的条件下固结该烟灰坯料形成棒(cane)，将该棒拉伸成光纤。

本发明的另一个方面涉及光纤，其制法如下：制备包含至少Ta₂O₅和SiO₂的烟灰坯料，在适合于防止含Ta₂O₅-SiO₂的玻璃结晶的条件下固结该烟灰坯料形成棒，将该棒拉伸成光纤。

本发明的另一个方面涉及具有高纯度玻璃包层和由被该包层包围的高折射率玻璃纤芯的光纤。玻璃纤芯包含约2-5％(重量)Ta₂O₅，结果该光纤的光衰减在1550nm低于约1.8dB/km。

本发明还有一个方面涉及用于光波导纤芯的玻璃，它包含SiO₂和在固结后以氧化物重量计的约2-5％非结晶的Ta₂O₅。