專利名稱：具有大芯半徑的低損耗光子晶體波導(dǎo)的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考本申請(qǐng)要求2001年1月25日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)60/264,201和2001年11月8日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)60/337,603的優(yōu)先權(quán)，這些文獻(xiàn)的內(nèi)容被結(jié)合在此作參考。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及介質(zhì)光波導(dǎo)和光學(xué)遠(yuǎn)程通信領(lǐng)域。
光波導(dǎo)引導(dǎo)光信號(hào)沿一個(gè)或若干個(gè)優(yōu)選的路徑傳播。因而，光波導(dǎo)可被用于在不同位置之間傳送光信號(hào)信息，從而構(gòu)成光學(xué)遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。最普遍類型的光波導(dǎo)是基于折射率引導(dǎo)的光纖。這類光纖包括沿波導(dǎo)軸延伸的芯區(qū)和沿波導(dǎo)軸圍繞芯區(qū)的包層區(qū)，其中包層區(qū)具有低于芯區(qū)的折射率。由于這種折射率差，較高折射率芯內(nèi)大體沿波導(dǎo)軸傳播的光線就在芯-包層界面處進(jìn)行全內(nèi)反射。從而，光纖引導(dǎo)電磁(EM)輻射的一個(gè)或多個(gè)模在芯內(nèi)沿波導(dǎo)軸傳播。這類導(dǎo)模的數(shù)目隨芯直徑而增大。值得注意的是，這種折射率引導(dǎo)機(jī)構(gòu)阻止了處于最低頻率導(dǎo)模之下的任何模的出現(xiàn)。幾乎所有商業(yè)上使用的折射率引導(dǎo)光纖都是基于石英的，其中芯和包層的一個(gè)或兩個(gè)被摻雜雜質(zhì)來產(chǎn)生折射率差并形成芯-包層界面。例如，對(duì)于1.5微米范圍內(nèi)的波長，通常使用的石英光纖具有大約1.45的折射率和高達(dá)約2-3％的折射率差。
沿光纖傳播的信號(hào)逐漸衰減，需要周期的放大和/或再生，一般是每隔50-100km。這類放大器很昂貴，而且特別不適合于空間、能源和維護(hù)成問題的海底光纜。石英基光纖的損耗已經(jīng)被降至大約0.2dB/km，在此點(diǎn)處損耗變得受限于瑞利散射過程(process)。瑞利散射是由光與分子尺度的介質(zhì)之間的微觀相互作用引起的，并與ω4ρ和材料的其它一些常數(shù)成比例，其中ω是光頻，ρ是材料密度。
除損耗外，沿光纖傳播的信號(hào)還可能經(jīng)受非線性相互作用。在理想的線性材料內(nèi)，光不會(huì)與自身相互作用-這就允許光纖能用分離的波長來同時(shí)傳送多個(gè)通信信道(波分復(fù)用或WDM)，而不產(chǎn)生相互作用或串?dāng)_。然而，任何理想的光學(xué)介質(zhì)(即使是真空)都具有一些非線性性質(zhì)。盡管石英和其它常用材料的非線性很弱，但是當(dāng)在長距離(數(shù)百或數(shù)千千米)上或以很高功率傳播光時(shí)，這些非線性就變得很顯著。這些非線性性質(zhì)具有許多不良的效應(yīng)，包括自/交叉相位調(diào)制(SPX/XPM)，這會(huì)引起增加的脈沖展寬并限制比特率；四波混頻(FWM)和受激拉曼/布里淵散射(SRS/SBS)，這會(huì)誘發(fā)不同波長信道間的串?dāng)_，而且會(huì)限制WDM可獲得信道的數(shù)目。這類非線性是波導(dǎo)內(nèi)材料的物理性質(zhì)，一般與波導(dǎo)芯的密度成比例。
一般地，用于長距離通信的光纖具有很小的纖芯，僅足以承載理想頻率范圍內(nèi)的一個(gè)基模，因此被稱作“單?！惫饫w。單模工作對(duì)限制模色散所引起的信號(hào)惡化是必要的，當(dāng)信號(hào)耦合至具有不同速率的多個(gè)導(dǎo)模時(shí)，這種模色散就會(huì)產(chǎn)生。盡管如此，“單?！惫饫w的名稱總有些不恰當(dāng)。實(shí)際上，單模光纖可承載兩種光學(xué)模，包括光纖內(nèi)光的兩種正交偏振。這兩種模的存在和類似是已知的偏振模色散(PMD)這種問題產(chǎn)生的根源。理想的光纖沿其軸具有完全的軸向?qū)ΨQ，在這種情形下這兩種模的行為(behave)完全等同(它們是“簡并的”)，而且不引起任何麻煩(difficulty)。然而，實(shí)際上，真實(shí)的光纖在其制造時(shí)總具有一些非圓度，而且還存在著可破環(huán)這種對(duì)稱性的環(huán)境應(yīng)力。從而就具有兩種效應(yīng)，都是隨機(jī)和不可預(yù)測(cè)地出現(xiàn)第一，隨著光沿光纖的傳播，光的偏振會(huì)旋轉(zhuǎn)；第二，這兩種偏振以不同的速率傳播。因此，任何傳輸信號(hào)都會(huì)包括以隨機(jī)改變的速率進(jìn)行傳播的兩種隨機(jī)變化的偏振，從而導(dǎo)致PMD脈沖隨時(shí)間而分布(spreadout)，除非限制比特率和/或距離，否則最終會(huì)產(chǎn)生交疊。同時(shí)還存在其它的有害效應(yīng)，例如偏振依賴損耗。雖然存在著其它具有完全圓對(duì)稱的導(dǎo)模，從而是真正的“單”模，但是這些模并不是基模且僅僅具有能承載多個(gè)模的大芯。然而，在傳統(tǒng)的光纖內(nèi)，對(duì)于更大芯多模光纖內(nèi)的模色散效應(yīng)，同僅承載“單?！钡男⌒净Ｏ嗦?lián)的PMD效應(yīng)是更加優(yōu)選的。
與沿光波導(dǎo)引導(dǎo)光信號(hào)有關(guān)的另一個(gè)問題是波導(dǎo)內(nèi)色散或群速度色散的出現(xiàn)。這類色散是被引導(dǎo)輻射的不同頻率沿波導(dǎo)軸以不同速度(即群速度)所傳播程度的度量。由于任何光脈沖都包括一定范圍的頻率，因此隨著不同頻率分量以不同速度的傳播，色散會(huì)促使光脈沖及時(shí)的展寬。隨著這種展寬，光信號(hào)中相鄰的脈沖或“比特”就可能開始交疊，從而惡化信號(hào)檢測(cè)。因此，缺少的補(bǔ)償和光傳輸長度上的色散會(huì)對(duì)光信號(hào)的比特率或帶寬施加較高的限制。
色散包括兩種組分材料色散和波導(dǎo)色散。材料色散來源于光波導(dǎo)的材料成分其折射率的頻率依賴性。波導(dǎo)色散來源于導(dǎo)?？臻g分布內(nèi)頻率依賴性的變化。隨著導(dǎo)?？臻g分布的變化，它對(duì)波導(dǎo)的不同區(qū)域采樣，從而“發(fā)現(xiàn)”波導(dǎo)平均折射率的變化，這種變化有效地改變了其群速度。在傳統(tǒng)的石英光纖內(nèi)，材料色散和波導(dǎo)色散在大約1310nm處相互抵消，從而產(chǎn)生一個(gè)零色散點(diǎn)。而且石英光纖已經(jīng)被改進(jìn)使零色散點(diǎn)移至約1550nm，這對(duì)應(yīng)于石英的最小材料吸收。
然而，不幸的是，盡管工作在零色散處可將脈沖展寬降至最小，但同時(shí)卻增強(qiáng)了光纖內(nèi)的非線性相互作用像四波混頻(FWM)，這是因?yàn)殚L距離上的不同頻率保持著相位匹配。這在波分復(fù)用(WDM)的系統(tǒng)中是特別成問題的，其中在通常的光纖內(nèi)以不同的波長來傳送多個(gè)信號(hào)。在這類WDM系統(tǒng)中，如上所述，F(xiàn)WM會(huì)在不同的波長信道間引入串?dāng)_。為了消除這一問題，WDM系統(tǒng)通過引入足夠色散以將交叉相位調(diào)制減至最小的光纖來傳輸信號(hào)，然后通過“色散補(bǔ)償光纖”(DCF)傳輸信號(hào)來抵消原始的色散，并將補(bǔ)償信號(hào)內(nèi)的脈沖展寬降至最小。但不幸的是，色散和其它非線性過程像自相位調(diào)制之間的總體相互作用使色散補(bǔ)償變得很復(fù)雜。
另一類型的波導(dǎo)光纖是布拉格光纖，是一類不基于TIR折射率引導(dǎo)的波導(dǎo)光纖，它包括多個(gè)沿波導(dǎo)軸圍繞芯的介質(zhì)層。這些多個(gè)層形成一個(gè)圓柱形的反射鏡，將一定頻率范圍內(nèi)的光局限在芯內(nèi)。該多個(gè)層形成已知的光子晶體，布拉格光纖是光子晶體光纖的一個(gè)例子。一些研究人員已經(jīng)評(píng)論對(duì)于長距離光學(xué)傳輸，布拉格光纖并不切實(shí)可行(參看N.J.Doran和K.J.Blow，J.of Lightwave Tech.，LT-1588，1983)。
發(fā)明概要本發(fā)明的特征在于一種光子晶體光纖，它具有特別適合用于光傳輸中的性質(zhì)。具體的講，此處描述的這種光子晶體光纖具有很低的損耗，顯示出很小的非線性效應(yīng)，而且能以非簡并的單模形式來有效地工作。
本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，對(duì)具有大芯半徑(例如大于所引導(dǎo)輻射波長兩倍)的光子晶體光纖(像布拉格光纖)的設(shè)計(jì)會(huì)帶來許多理想的特性。例如，本發(fā)明人已經(jīng)確定，對(duì)于光子晶體光纖內(nèi)的導(dǎo)模，纖芯外部的部分能量與芯半徑的立方成反比例。從而，通過增大芯半徑，可以使與介質(zhì)限制層相關(guān)連的輻射和耗散損耗非常小。而且，因?yàn)檫@種限制機(jī)制不基于全內(nèi)反射(TIR)，所以芯材料并不限于具有相對(duì)高折射率的材料。因此，就可以挑選芯材料來將損耗和非線性降至最小。例如，光纖可以具有中空纖芯。此外，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過選擇芯外各層(或各區(qū))的材料以具有大的折射率差，還可進(jìn)一步改善芯內(nèi)的束縛。這種折射率差是可能的，因?yàn)榇蟮男景霃绞沟猛獠扛鲗?或各區(qū))更少地發(fā)出耗散，從而對(duì)外部各層(或各區(qū))組份材料的選擇更多地以能提供理想折射率差為依據(jù)，而不是以吸收損耗為依據(jù)。
本發(fā)明人還進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，盡管大芯可導(dǎo)致多個(gè)導(dǎo)模，但是這些多個(gè)模具有彼此差別很大的衰減損耗。對(duì)于適當(dāng)?shù)膫鬏旈L度，這些多個(gè)模中的微分損耗(即模濾波)會(huì)迅速地導(dǎo)致單模工作，從而避免模色散。而且，可以將最低損耗的模選擇為是非簡并的，這就消除了諸如偏振模色散這些效應(yīng)。盡管如此，本發(fā)明人也認(rèn)識(shí)到芯尺寸也存在上限。當(dāng)芯尺寸太大時(shí)(例如大于所引導(dǎo)輻射波長的約四十倍)，這些模就會(huì)變得間隔很小，從而擾動(dòng)更容易引起不同模之間的耦合。同時(shí)，發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在布拉格光纖內(nèi)，TE01模具有一個(gè)接近芯/包層界面的波節(jié)(node)，這會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗和非線性效應(yīng)的降低。
現(xiàn)在，概述本發(fā)明的不同方面、特征和優(yōu)點(diǎn)。
一般地，在一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于一種光波導(dǎo)，包括(i)沿波導(dǎo)軸延伸的介質(zhì)芯區(qū)；和(ii)在所述波導(dǎo)軸周圍環(huán)繞所述芯的介質(zhì)限制區(qū)，所述限制區(qū)包括一種具有光子帶隙的光子晶體結(jié)構(gòu)，其中在工作期間，所述限制區(qū)導(dǎo)引處于至少第一頻率范圍內(nèi)的EM輻射，以沿所述波導(dǎo)軸進(jìn)行傳播。對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的一個(gè)頻率，所述芯具有的平均折射率小于約1.3，所述芯具有的直徑在約4λ至80λ的范圍內(nèi)，λ是對(duì)應(yīng)于所述第一頻率范圍內(nèi)中心頻率的波長，以及所述介質(zhì)限制區(qū)從所述芯橫向地延伸至少約6λ的距離。
一般地，在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種光波導(dǎo)，包括(i)沿波導(dǎo)軸延伸的介質(zhì)芯區(qū)；和(ii)在所述波導(dǎo)軸周圍環(huán)繞所述芯的介質(zhì)限制區(qū)，所述限制區(qū)具有的平均折射率大于所述芯的平均折射率，其中在工作期間，所述限制區(qū)導(dǎo)引處于至少第一頻率范圍內(nèi)的EM輻射，以沿所述波導(dǎo)軸進(jìn)行傳播。對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的一個(gè)頻率，所述芯具有的平均折射率小于約1.3，所述芯具有的直徑在約4λ至80λ的范圍內(nèi)，λ是對(duì)應(yīng)于所述第一頻率范圍內(nèi)中心頻率的波長，以及所述介質(zhì)限制區(qū)從所述芯橫向地延伸至少約6λ的距離。
一般地，在又一方面，本發(fā)明的特征在于一種光波導(dǎo)，包括(i)沿波導(dǎo)軸延伸的介質(zhì)芯區(qū)；和(ii)在所述波導(dǎo)軸周圍環(huán)繞所述芯的介質(zhì)限制區(qū)。所述限制區(qū)包括在所述波導(dǎo)軸周圍環(huán)繞所述芯至少兩種介質(zhì)材料的若干交替層，所述兩種介質(zhì)材料具有相差至少10％的折射率，其中在工作期間，所述限制區(qū)導(dǎo)引處于至少第一頻率范圍內(nèi)的EM輻射，以沿所述波導(dǎo)軸進(jìn)行傳播。對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的一個(gè)頻率，所述芯具有的平均折射率小于約1.3，所述芯具有的直徑在約4λ至80λ的范圍內(nèi)，λ是對(duì)應(yīng)于所述第一頻率范圍內(nèi)中心頻率的波長，以及所述介質(zhì)限制區(qū)從所述芯橫向地延伸至少約6λ的距離。
一般地，在又一方面，本發(fā)明的特征在于一種光波導(dǎo)，包括(i)沿波導(dǎo)軸延伸的介質(zhì)芯區(qū)；和(ii)在所述波導(dǎo)軸周圍環(huán)繞所述芯的介質(zhì)限制區(qū)。所述限制區(qū)包括至少12對(duì)具有不同折射率的介質(zhì)材料的交替層，這些層足以導(dǎo)引處于至少第一頻率范圍內(nèi)的EM輻射沿所述波導(dǎo)軸進(jìn)行傳播。對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率，所述交替層的折射率至少相差10％，所述交替層對(duì)的至少一些具有等于大約α的總厚度，以及所述芯的直徑在約10α至100α的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，所述芯直徑在20α至80α的范圍內(nèi)。
在又一方面，本發(fā)明的特征在于一種光波導(dǎo)，包括(i)沿波導(dǎo)軸延伸的介質(zhì)芯區(qū)；和(ii)在所述波導(dǎo)軸周圍環(huán)繞所述芯的介質(zhì)限制區(qū)，所述限制區(qū)導(dǎo)引處于至少第一頻率范圍內(nèi)的EM輻射沿所述波導(dǎo)軸進(jìn)行傳播。對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率，所述芯具有的平均折射率小于約1.3，所述芯具有的直徑在約5微米至170微米的范圍內(nèi)。
一般地，在又一方面，本發(fā)明的特征在于一種光波導(dǎo)，包括(i)沿波導(dǎo)軸延伸的介質(zhì)芯區(qū)；和(ii)在所述波導(dǎo)軸周圍環(huán)繞所述芯的介質(zhì)限制區(qū)。所述限制區(qū)包括形成光子晶體結(jié)構(gòu)的至少兩種介質(zhì)材料，所述光子晶體結(jié)構(gòu)具有一光子帶隙，所述介質(zhì)材料足以導(dǎo)引處于至少第一頻率范圍內(nèi)的EM輻射沿所述波導(dǎo)軸進(jìn)行傳播。對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率，所述限制區(qū)內(nèi)介質(zhì)材料的折射率至少相差10％，以及所述芯具有的直徑在約5微米至170微米的范圍內(nèi)。
上述的任一波導(dǎo)的實(shí)施例可以包括任何一個(gè)下面的特征。
所述介質(zhì)限制區(qū)可從所述芯橫向地延伸至少約8λ、約10λ或約12λ的距離。對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率，所述芯的平均折射率可以小于約1.3、小于約1.2或小于約1.1。所述芯可以包括氣體。
所述芯的直徑可以處于下限為4λ、6λ、8λ或10λ中任一個(gè)和上限為100λ、80λ、60λ或40λ中任一個(gè)的范圍內(nèi)，其中λ是對(duì)應(yīng)于第一頻率范圍內(nèi)中心頻率的波長。
所述芯的直徑可以處于下限為5微米、7微米、10微米或12微米中任一個(gè)和上限為170微米、120微米、100微米或50微米中任一個(gè)的范圍內(nèi)。
所述第一頻率范圍可以對(duì)應(yīng)于約1.2微米至1.7微米范圍內(nèi)的波長。或者，所述第一頻率范圍可以對(duì)應(yīng)于約0.7微米至0.9微米范圍內(nèi)的波長。所述第一頻率范圍的帶寬與其中心頻率的比率可以至少是約10％。
所述波導(dǎo)軸可以大體是直的，或者可以包括一個(gè)或多個(gè)彎曲。所述芯可以具有圓形橫截面、六角形橫截面或矩形橫截面。
對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率，所述限制區(qū)可以以低于0.1dB/km或者甚至低于0.01dB/km的輻射損耗導(dǎo)引至少一個(gè)模沿所述波導(dǎo)軸傳播。例如，所述?？梢允荰E模(例如TE01)。對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的一個(gè)頻率，所述波導(dǎo)可承載一個(gè)模，其中所述傳播EM輻射的平均能量的至少99％位于所述芯內(nèi)。
所述限制區(qū)可以包括至少兩種具有不同折射率的介質(zhì)材料。較高折射率介質(zhì)材料的折射率與較低折射率介質(zhì)材料的折射率的比率可以大于1.1、大于1.5或者大于2。例如，所述較低折射率介質(zhì)材料可以包括聚合物或玻璃，而較高折射率介質(zhì)材料可以包括鍺、碲或硫?qū)倩锊ＡА?br> 所述光子帶隙可以是一種全向光子帶隙。對(duì)于0°至至少80°范圍的入射角，所述光子帶隙可足以引起處于所述第一頻率范圍內(nèi)且具有任一偏振、從所述芯入射到所述限制區(qū)上的EM輻射，以對(duì)平面幾何體具有高于95％的一反射率。所述光子晶體可以是一維光子晶體或二維光子晶體。
所述限制區(qū)可以包括在所述波導(dǎo)軸周圍環(huán)繞所述芯的兩種介質(zhì)材料的交替層。例如，至少一些所述交替介質(zhì)層的折射率和厚度大體滿足下述等式dhidlo=nlo2-1nhi2-1]]>其中dhi和dlo分別是相鄰較高折射率層和較低折射率層的厚度，nhi和nlo分別是相鄰較高折射率層和較低折射率層的折射率。所述限制區(qū)可以包括至少12對(duì)交替層。所述波導(dǎo)可以承載至少一個(gè)沿波導(dǎo)軸傳播的模，對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率，所述限制區(qū)包括足夠的交替層對(duì)的數(shù)量，以將模的輻射損耗限于低于0.1dB/km甚至0.01dB/km。
所述波導(dǎo)的至少第一端可以包括一耦合段，所述折射率橫截面在該耦合段上連續(xù)變化以改變一個(gè)工作模的場(chǎng)輪廓(field profile)。此外，還可包括耦合至所述第一提及波導(dǎo)的第二波導(dǎo)，其中所述第二波導(dǎo)鄰近所述第一波導(dǎo)的橫截面包括摻雜硅的區(qū)域，該區(qū)域被設(shè)置用來改善所述工作模對(duì)所述第二波導(dǎo)的耦合。作為替代，或者另外，所述第二波導(dǎo)鄰近所述第一波導(dǎo)的橫截面包括一個(gè)接觸所述第一波導(dǎo)的色散處理(tailoring)區(qū)的中空環(huán)，從而改善所述工作模對(duì)所述第二波導(dǎo)的耦合。
在再一方面，本發(fā)明的特征在于一種光學(xué)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)，包括(i)產(chǎn)生光信號(hào)的發(fā)射機(jī)；和(ii)一端耦合至所述發(fā)射機(jī)的上述任一光波導(dǎo)，用來傳送所述光信號(hào)，其中所述光信號(hào)位于所述第一頻率范圍內(nèi)的一個(gè)頻率上。所述光波導(dǎo)可具有大于30km、或大于200km或大于500km的長度。
所述系統(tǒng)還可包括耦合至所述光波導(dǎo)另一端、用來探測(cè)所述光信號(hào)的光接收機(jī)，耦合至所述光波導(dǎo)另一端、用來放大所述光信號(hào)的光放大器，耦合至所述光波導(dǎo)另一端、用來將所述光信號(hào)再生為電信號(hào)的光再生器，和/或耦合至所述光波導(dǎo)另一端、用來將色散引入所述光信號(hào)中從而基本上將由所述光波導(dǎo)引起的色散消除的色散補(bǔ)償模塊。所述光信號(hào)可以是在約1.2微米至約1.7微米、或約0.7微米至約0.9微米范圍內(nèi)的一個(gè)波長上。此外，所述發(fā)射機(jī)可以產(chǎn)生不同波長的多個(gè)信號(hào)，而且所述不同波長對(duì)應(yīng)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率。
一般地，在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種設(shè)計(jì)光子晶體光波導(dǎo)的方法，包括介質(zhì)芯區(qū)沿波導(dǎo)軸延伸，和介質(zhì)限制區(qū)在所述波導(dǎo)軸周圍環(huán)繞所述芯，其中所述限制區(qū)被配置來導(dǎo)引處于至少第一頻率范圍內(nèi)的EM輻射使其沿所述波導(dǎo)軸傳播，對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的一個(gè)頻率，所述芯具有小于約1.3的平均折射率。所述方法包括基于一種或多種被引導(dǎo)的EM輻射的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來選擇所述芯的直徑，包括模間隔、群速度色散、輻射損耗、吸收損耗和包層非線性抑制。例如，所述芯的直徑基于至少兩種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。特別是，可以基于模間隔來選擇所述芯直徑的上限，可以基于群速度色散、輻射損耗、吸收損耗和包層非線性抑制的至少一個(gè)來選擇所述直徑的下限。此外，所述限制區(qū)可包括至少兩種具有不同折射率的介質(zhì)材料，所述方法還包括基于包括輻射損耗、吸收損耗和包層非線性抑制的至少一個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來選擇不同折射率的折射率差。
除非另外限定，這里采用的所有技術(shù)術(shù)語和科技術(shù)語都具有本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域任何一位普通技術(shù)人員通常理解的相同意義。雖然與此處所述相同或等效的方法和材料都可用于本發(fā)明的實(shí)施和試驗(yàn)，合適的方法和材料在下面描述。此處提及的所有公開文獻(xiàn)、專利申請(qǐng)、專利和其它參考文獻(xiàn)都被全文結(jié)合以作參考。在沖突的情況下，以當(dāng)前的說明書(包括定義)為準(zhǔn)。另外，這些材料、方法和實(shí)施例僅是例舉性的，并無意作為限制。
由下面的詳細(xì)描述和附圖以及權(quán)利要求書，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將更加明白。


現(xiàn)在僅僅借助于例舉的方式參考附圖來進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中圖1是光子晶體波導(dǎo)光纖100的橫截面的示意圖；圖2是布拉格光纖波導(dǎo)(左圖)和中空金屬波導(dǎo)(右圖)的橫截面的示意圖；圖3是平面布拉格反射鏡(左圖)和中空金屬波導(dǎo)(右圖)的光子帶圖表；圖4是布拉格光纖的光子帶的曲線圖；圖5是TE01(左圖)和EH11(右圖)場(chǎng)分布的圖表；圖6是對(duì)于大芯(R＝30a)、17層中空布拉格光纖的模的輻射泄漏的曲線圖；圖7是對(duì)于大芯布拉格光纖的TE01模的群速度色散的曲線圖；圖8是對(duì)于大芯布拉格光纖的模、由包層材料的吸收損耗的曲線圖；圖9是對(duì)于大芯布拉格光纖的TE01模的包層非線性抑制的曲線圖；圖10是表示吸收和非線性相對(duì)于布拉格光纖中芯半徑的比例特性的曲線圖；圖11是實(shí)施此處描述的大芯光子晶體波導(dǎo)光纖的一種光學(xué)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的示意圖。
詳細(xì)描述本發(fā)明的特征在于一種光子晶體光纖波導(dǎo)100，它具有很小的衰減率、顯示出很低的非線性而且提供有效地單模工作。
基本結(jié)構(gòu)波導(dǎo)100的橫截面示出在圖1中，包括沿波導(dǎo)軸延伸的介質(zhì)芯110和圍繞該芯的介質(zhì)限制(confinement)區(qū)120。在圖1的實(shí)施例中，所示出的限制區(qū)120包括具有不同折射率的介質(zhì)材料交替層122和124。一組層(例如層122)確定一組較高折射率層，具有折射率nhi和厚度dhi，另一組層(例如層124)確定一組較低折射率層，具有折射率nlo和厚度dlo其中nhi＞nlo。為了方便起見，僅僅在圖1中示出數(shù)個(gè)介質(zhì)限制層。而實(shí)際上，限制區(qū)120可以包括更多層(例如二十層或更多)。波導(dǎo)100還可包括一個(gè)圍繞限制區(qū)120的附加結(jié)構(gòu)包層140，以對(duì)波導(dǎo)提供結(jié)構(gòu)支撐來作為一個(gè)整體。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)層140實(shí)質(zhì)上對(duì)波導(dǎo)的光學(xué)性質(zhì)(例如輻射損耗和色散)沒有影響，所以不再進(jìn)一步討論。
為了簡化這些區(qū)內(nèi)的數(shù)字計(jì)算，下面假定光纖波導(dǎo)100具有圓形的橫截面，且芯110具有圓形的橫截面，區(qū)120(和其中的層)具有環(huán)形的橫截面。
但在其他實(shí)施例中，波導(dǎo)和其組成區(qū)可以具有其它的幾何橫截面，像矩形或六角形橫截面。此外，如下所述，芯110和限制區(qū)120可以包含具有不同折射率的多種介質(zhì)材料。在這些情形中，我們可能提到給定區(qū)域的“平均折射率”，其是指組成區(qū)加權(quán)折射率的總和，其中通過其組成區(qū)內(nèi)的部分面積(fractional area)來加權(quán)每個(gè)折射率。但是區(qū)110和120之間的邊界由折射率變化來確定。這種變化可由兩種不同介質(zhì)材料的界面或由相同介質(zhì)材料中的不同摻雜濃度(例如二氧化硅中的不同摻雜濃度)來產(chǎn)生。
介質(zhì)限制區(qū)120引導(dǎo)第一頻率范圍內(nèi)的EM輻射沿波導(dǎo)軸在介質(zhì)芯110內(nèi)傳播。該限制機(jī)構(gòu)是基于區(qū)120內(nèi)形成包括第一頻率范圍的帶隙的光子晶體結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@種限制機(jī)構(gòu)不是折射率導(dǎo)引的，所以不必使芯具有比直接鄰近該芯的限制區(qū)部分更高的折射率。相反，芯110可以具有比限制區(qū)120更低的平均折射率。例如，芯110可以是空氣或真空。在這種情形下，在這種芯內(nèi)導(dǎo)引的EM輻射將比在二氧化硅芯內(nèi)導(dǎo)引的EM輻射具有小得多的損耗和小得多的非線性相互作用，從而相對(duì)于二氧化硅或其它這類固體材料，表現(xiàn)出許多氣體更小的吸收和非線性相互作用常數(shù)。例如，在另外的實(shí)施例中，芯110可以包括多孔介質(zhì)材料，以對(duì)圍繞的限制區(qū)提供一些結(jié)構(gòu)支撐，同時(shí)還限定主要是空氣的芯。從而，芯110不必具有均勻的折射率分布。
限制區(qū)120的交替層122和124形成已知的布拉格光纖。這些交替層類似于平面介質(zhì)疊層反射器(也稱作布拉格反射鏡)的交替層。限制區(qū)120的環(huán)形層和介質(zhì)疊層反射器的交替平面層都是光子晶體結(jié)構(gòu)的實(shí)例。John D.Joannopoulos等人在“光子晶體”中描述到光子晶體結(jié)構(gòu)(普林斯頓大學(xué)出版社，普林斯頓，新澤西，1995)。
如此處所采用的，光子晶體是一種帶有折射率調(diào)制的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種折射率調(diào)制在光子晶體中生成光子帶隙。如此處所使用的，光子帶隙是一個(gè)頻率范圍，其中介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)不存在任何可獲得(accessible)展寬(即傳播，非定位的)態(tài)。一般地，該結(jié)構(gòu)是一種周期性介電結(jié)構(gòu)，但它也可以包括例如更復(fù)雜的“準(zhǔn)晶體”。通過將光子晶體與偏離帶隙結(jié)構(gòu)的“缺陷”區(qū)進(jìn)行結(jié)合，該帶隙就可被用來限制、引導(dǎo)和/或定位光。此外，對(duì)于低于和高于該帶隙的頻率，存在著可獲得的展寬態(tài)，允許光被限制在即使是低折射率的區(qū)內(nèi)(與折射率引導(dǎo)TIR結(jié)構(gòu)相反)。術(shù)語“可獲得”態(tài)指的是這些態(tài)，即在這些態(tài)下耦合尚未被系統(tǒng)的一些對(duì)稱定律或守恒定律所禁止。例如，在二維系統(tǒng)內(nèi)，偏振是守恒的，從而僅有類似的偏振態(tài)需要從帶隙排除。在具有均勻橫截面的波導(dǎo)(例如一般的光纖)中，波矢β守恒，因此僅僅具有給定β的態(tài)需要從帶隙排除，以承載光子晶體導(dǎo)模。而且，在具有圓柱對(duì)稱的波導(dǎo)內(nèi)，“角動(dòng)量”指數(shù)m守恒，從而僅僅具有相同m的模需要從帶隙排除。簡而言之，與其中所有態(tài)都被排除而不論對(duì)稱性的“完整”帶隙相比，對(duì)于極其對(duì)稱的系統(tǒng)，對(duì)光子帶隙的需求相當(dāng)寬松。
因此，在光子帶隙中，介質(zhì)疊層反射器是高度反射的，這是因?yàn)镋M輻射不可能穿過疊層而傳播。類似地，因?yàn)閷?duì)于帶隙內(nèi)的入射光線，限制區(qū)220內(nèi)的環(huán)形層是高度反射的，所以這些環(huán)形層可提供限制。嚴(yán)格的講，當(dāng)光子晶體內(nèi)的折射率調(diào)制具有無限范圍時(shí)，光子晶體僅是完全反射的。否則，入射輻射能夠借助于一個(gè)迅衰?！伴_隧道”穿過光子晶體，該迅衰模將傳播模耦合在光子晶體的任一側(cè)。然而，實(shí)際上，這種隧穿的比率隨光子晶體的厚度(例如交替層的數(shù)目)而按指數(shù)規(guī)律地降低。同時(shí)，它也隨限制區(qū)內(nèi)折射率差的量級(jí)而降低。
此外，光子帶隙可以僅在相對(duì)小的傳播矢量區(qū)上延伸。例如，介質(zhì)疊層可以對(duì)法向入射光高度反射，而對(duì)傾斜入射光僅部分反射?！巴耆庾訋丁笔且环N在所有可能的波矢和所有偏振上延伸的帶隙。一般地，完全光子帶隙僅同沿三維具有折射率調(diào)制的光子晶體相關(guān)聯(lián)。但是，在從相鄰介質(zhì)材料入射到光子晶體上的EM輻射的上下文范圍內(nèi)，我們同樣可定義一個(gè)“全向光子帶隙”，它是一種對(duì)所有可能的波矢和偏振的光子帶隙，為此相鄰介質(zhì)材料都可承載傳播EM模。相同地，全向光子帶隙可被定義為對(duì)光紋(light line)之上所有EM模的光子帶隙，其中該光紋確定鄰近光子晶體的材料所承載的最低頻率傳播模。例如，在空氣中，光紋大致由ω＝cβ給出，其中ω是輻射的角頻率，β是波矢，c是光速。美國專利6,130,780中披露了一種全向平面反射器的描述，該文獻(xiàn)被引用在此作參考。此外，在PCT申請(qǐng)WO00/22466中披露了采用交替介質(zhì)層來向圓柱形波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)提供全向反射(限于平面)，該文獻(xiàn)也被引用在此作參考。
當(dāng)限制區(qū)120內(nèi)的交替層122和124產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)于芯110的全向帶隙時(shí)，導(dǎo)引模就被穩(wěn)固地束縛，這是因?yàn)樵瓌t上所有從芯入射到限制區(qū)上的EM輻射都被完全反射。然而，這種完全反射僅僅在當(dāng)存在著無限數(shù)目的層時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。對(duì)于有限數(shù)目的層(例如約20層)，全向光子帶隙可能相應(yīng)于平面幾何結(jié)構(gòu)中至少95％的反射率，對(duì)0°至80°范圍內(nèi)所有的入射角和對(duì)具有全向帶隙內(nèi)頻率的所有EM輻射的偏振而言。而且，即使當(dāng)波導(dǎo)100含有的限制區(qū)具有非全向的帶隙時(shí)，它也仍舊可以承載被穩(wěn)固引導(dǎo)的模，例如對(duì)帶隙內(nèi)的頻率范圍具有小于0.1dB/km輻射損耗的模。一般地，帶隙是否為全向依賴于由交替層和光子晶體最低折射率組份所產(chǎn)生的帶隙尺寸(size)，該交替層一般與兩層的折射率差成比例。
在另外的實(shí)施例中，該介質(zhì)限制區(qū)可包括不同于多層布拉格配置的光子晶體結(jié)構(gòu)。例如，除了作為一維周期光子晶體例子的布拉格結(jié)構(gòu)(在平面限制中)外，可以選擇限制區(qū)以形成例如二維周期光子晶體(在平面限制中)，如對(duì)應(yīng)于蜂窩結(jié)構(gòu)的折射率調(diào)制。例如，參看R.F.Cregan等人，“科學(xué)”2851537-1539，1999。此外，即使在類似布拉格結(jié)構(gòu)中，高折射率層也可在折射率和厚度上進(jìn)行改變，而且/或者低折射率層可在折射率和厚度上進(jìn)行改變。一般地，限制區(qū)可以基于產(chǎn)生光子帶隙的任何折射率調(diào)制。
這些多層波導(dǎo)可以采用多層共拉制技術(shù)、共擠壓技術(shù)或沉積技術(shù)來制造。合適的高折射率材料包括硫?qū)俨Ａ?如二元和三元玻璃系)、重金屬氧化物玻璃、非晶合金和高折射率摻雜聚合物。合適的低折射率材料包括氧化物玻璃(如硼硅酸鹽玻璃)、鹵化物玻璃和聚合物(如聚苯乙烯)。另外，低折射率區(qū)可以通過采用中空結(jié)構(gòu)的支撐材料(石英球或中空光纖)來制造，以將高折射率層或區(qū)分開。
一般地，本領(lǐng)域已知的計(jì)算方法可被用來確定此處描述的介質(zhì)波導(dǎo)的模性質(zhì)。而且，迭代計(jì)算也可被用來確定最優(yōu)化所選擇波導(dǎo)性質(zhì)的波導(dǎo)規(guī)范。下面概述一些基本的物理性質(zhì)，作為這些計(jì)算的基礎(chǔ)。具體的講，一種結(jié)構(gòu)所承載的EM模可根據(jù)Maxwell(麥克斯威爾)方程和該結(jié)構(gòu)的邊界條件來進(jìn)行數(shù)字求解。而且，對(duì)于全介質(zhì)的、各向同性結(jié)構(gòu)，Maxwell方程可簡化為▿×(1ϵ(r)▿×H(r))=(ω2c2)H(r)---(1)]]>·H(r)＝·E(r)＝0(2)E(r)=(-icωϵ(r))▿×H(r)---(3)]]>其中H和E分別是宏觀磁場(chǎng)和電場(chǎng)，ε是該結(jié)構(gòu)的標(biāo)量介電常數(shù)。為了求解這一結(jié)構(gòu)的EM模，求解出由方程1給出的本征值方程(其中H是本征函數(shù)，ω2/c2是本征值)，該方程1受限于散度方程，方程2，從而給出H。然后，根據(jù)方程3由H確定E。
對(duì)稱性經(jīng)常可被用于簡化求解方法。例如，對(duì)于此處描述的許多特定實(shí)例，假定沿其縱向軸(我們將其表示為z軸)，具有連續(xù)的平移對(duì)稱(即均勻的橫截面)。當(dāng)然，實(shí)際上這些結(jié)構(gòu)可以具有偏離這種均勻性的很小偏移。而且，這些結(jié)構(gòu)具有有限的空間范圍。盡管如此，基于對(duì)相對(duì)于波導(dǎo)直徑很大的某些段的均勻橫截面的假設(shè)，波導(dǎo)所承載的EM?？墒疽庑缘膶懽鱂(x，y，z)＝exp[i(βz-ωt)]F(x，y)，其中F是任一個(gè)電磁場(chǎng)分量。該F表達(dá)式中的參數(shù)β是縱向波矢。
在接下來的部分，將更詳細(xì)地分析光子晶體光纖波導(dǎo)100和能產(chǎn)生用于長距離光學(xué)遠(yuǎn)程通信的最佳性能的參數(shù)。這些分析集中于布拉格光纖設(shè)置，但是其結(jié)果和比例定律一般可適用于大芯光子晶體光纖。
中空介質(zhì)對(duì)比金屬波導(dǎo)通過類推中空金屬波導(dǎo)可以獲得對(duì)介質(zhì)波導(dǎo)100原理的理解。圖2示出一個(gè)具有芯半徑R的中空介質(zhì)光子晶體波導(dǎo)200(左圖)，與具有芯半徑R的中空金屬波導(dǎo)210(右圖)形成對(duì)照。在介質(zhì)波導(dǎo)200內(nèi)，中空芯(折射率一致)被一個(gè)多層限制區(qū)(以下稱作“包層”)圍繞，該多層限制區(qū)包括具有高(黑)和低(亮)折射率的交替層。在當(dāng)前描述的實(shí)施例中，包層的折射率被選擇分別是4.6和1.6，厚度分別是0.33a和0.67a，其中a是一個(gè)高/低雙層的厚度。當(dāng)模頻率v被計(jì)算為c/a單位(unit)，其中c是光速，對(duì)于某個(gè)理想的工作波長λ，a的實(shí)際值(physical value)由a＝λ/v確定。波導(dǎo)的半徑R在此處示出的不同實(shí)施例中變得不同，例如從最小的2a變化至最大的100a。正如所看到的，大于約5a(或者大于10a或20a)的R值具有很多優(yōu)點(diǎn)。
金屬波導(dǎo)210具有類似中空介質(zhì)波導(dǎo)200的結(jié)構(gòu)，但是金屬圓柱替代了多層介質(zhì)包層。在金屬的情形下，由于金屬幾乎完全(near-perfect)的不可穿透性(在光頻處實(shí)際上不存在)，光被束縛在芯內(nèi)。對(duì)于最低的七個(gè)模，具有R＝2a的金屬波導(dǎo)210的限制模示出在圖3中(右圖)。圖3中示出的色散關(guān)系描繪了兩個(gè)守恒量軸向的波數(shù)β和頻率ω。由于對(duì)稱性，圓柱波導(dǎo)的模也可用其“角動(dòng)量”整數(shù)m來標(biāo)識(shí)。對(duì)于沿Z軸放置的波導(dǎo)，模的(z，t，)依賴性由exp[i(βz-ωt+m)]給出，其中是圓柱的極坐標(biāo)軸。在中空金屬管內(nèi)，本征模完全偏振為TM(Hz＝0)或TE(Ez＝0)，給定m的1階模被標(biāo)記為TXm1。
在介質(zhì)的情形下，光被多層包層的一維光子帶隙束縛，在包層為平面的極限情況下這很容易進(jìn)行分析。最終的帶結(jié)構(gòu)示出在圖3的左圖中。圖3左圖中的黑色區(qū)域?qū)?yīng)于光能夠在反射器內(nèi)傳播的(β，ω)對(duì)，而白色和灰色區(qū)域?qū)?yīng)于光不能在反射器內(nèi)傳播的位置。圖3左圖中的粗黑線對(duì)應(yīng)于光紋(ω＝cβ)，灰色區(qū)域?qū)?yīng)于反射器的全向反射率頻率區(qū)域。對(duì)于平面介質(zhì)反射器，β是平行于表面的波矢分量。在光子帶隙區(qū)域(白色和灰色區(qū)域)內(nèi)，認(rèn)為反射器的表現(xiàn)(behave)類似于金屬，而且可穩(wěn)固地限制模。因?yàn)槊總€(gè)本征模都具有有限的守恒數(shù)m，所以隨著r的變大，向的有效波矢k＝m/r會(huì)趨于零。如果實(shí)際上不是這樣，則圖3中不會(huì)有任何帶隙，這是因?yàn)榉橇鉱⊥β必須投射在布拉格能帶圖上。注意，該布拉格能帶圖示出全向反射的范圍(灰色區(qū)域)，其對(duì)應(yīng)于來自空氣的任何入射波被平面反射器所反射位置處的頻率(反過來也一樣)。對(duì)于這些光纖內(nèi)的引導(dǎo)，全向反射器本身并不是嚴(yán)格需要的，但是它的存在卻與沿光紋的大、偏振依賴間隙的狀況有著緊密的聯(lián)系。
對(duì)于“TE”和“TM”偏振，布拉格反射器具有不同的帶隙，該“TE”和“TM”偏振分別指的是完全平行于界面的場(chǎng)和具有法向分量的場(chǎng)的。兩種偏振都示出在圖3中。嚴(yán)格的講，這對(duì)應(yīng)于僅標(biāo)記為m＝0的金屬波導(dǎo)TE和TM；所有的非零m模都具有某個(gè)非零Er分量。
包括金屬波導(dǎo)、布拉格光纖和傳統(tǒng)折射率引導(dǎo)光纖的任何圓柱波導(dǎo)所承載的模都能夠用轉(zhuǎn)換矩陣法進(jìn)行計(jì)算，在這種算法中，在折射率nj的環(huán)形區(qū)內(nèi)，給定(m，ω，β)的縱向場(chǎng)(E{z}和H{z})用貝塞爾函數(shù)Jm(kjr)和Ym(kjr)來展開，kj=n2jω2/c2-β2]]>。在每個(gè)界面處，系數(shù)用符合邊界條件的4×4轉(zhuǎn)換矩陣來表達(dá)。所有這些轉(zhuǎn)換矩陣的乘積產(chǎn)生一個(gè)單個(gè)矩陣，它將芯內(nèi)的場(chǎng)與最外包層內(nèi)的場(chǎng)聯(lián)系起來。然后，通過運(yùn)用適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，就可以得到各種模的βn波矢，如下面進(jìn)一步所討論的。
現(xiàn)在，首先討論存在于一維布拉格反射器帶隙內(nèi)的模。這些模隨著包層(即限制區(qū))的r按指數(shù)規(guī)律進(jìn)行衰減，因此在無限數(shù)目包層的極限情況下這些模實(shí)際上是導(dǎo)模(下面有進(jìn)一步認(rèn)為是有限層的情形)。這些模的大多數(shù)處于ω＝cβ光紋之上，從而在中空芯內(nèi)以與金屬波導(dǎo)模相同的方式進(jìn)行傳播。但對(duì)于處于該光紋之下以及處于帶隙內(nèi)部的模，這也是可能的，在這種情形下，這些模是在芯/包層界面周圍處被局部化的表面態(tài)。
在圖4中，示出對(duì)具有芯半徑R＝2a和上述平面反射器參數(shù)的布拉格光纖所計(jì)算的第一耦合導(dǎo)模。圖4中顏色淺的線是TE和HE模，而顏色黑的線是TM模和EH模，粗黑線是光紋(ω＝cβ)。圖4中的黑色實(shí)心區(qū)域代表在多層包層內(nèi)傳播模的連續(xù)區(qū)域。這些導(dǎo)模處于幾乎與圖3中(右圖)金屬波導(dǎo)導(dǎo)模相同的頻率，且一維帶隙重疊(superimposed)。在介質(zhì)波導(dǎo)內(nèi)，這些僅是m＝0的完全TE和TM，但對(duì)于非零的m，這些模是類TE和類TM的，分別被稱作HE和EH。此外，當(dāng)一個(gè)模進(jìn)入第二帶隙時(shí)，增加一個(gè)撇上標(biāo)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，布拉格光纖內(nèi)的導(dǎo)模具有與金屬波導(dǎo)相同的正交關(guān)系，從而可以斷定它們各自的場(chǎng)分布圖也幾乎相同。
大芯布拉格光纖上述的計(jì)算得到半徑R＝2a的布拉格光纖的模。這種小半徑具有僅承載幾個(gè)模的優(yōu)點(diǎn)，這些模的全部很容易繪制和理解，而且具有單模的頻率范圍。然而，對(duì)金屬波導(dǎo)的類推表明，對(duì)于光纖工作這并不是最理想的狀況。
在金屬波導(dǎo)中，最低損耗的模是TE01，其歐姆損耗隨1/R3而減小。而且，TE01和其它模之間的微分損耗產(chǎn)生一種模濾波效應(yīng)，這種效應(yīng)使這些波導(dǎo)能以有效的單模方式進(jìn)行工作。另一方面，對(duì)于大芯半徑(高頻)，通過由散射到其它緊密隔開的模、尤其是由于彎曲而散射到簡并的TM11模，損耗變得受支配。
類似的結(jié)果適用于OmniGuide光纖最低損耗的模是TE01，其損耗的多數(shù)隨1/R3而下降。同金屬波導(dǎo)一樣，與具有很小材料差別(material contrast)的傳統(tǒng)折射率引導(dǎo)光纖不同，我們基于芯內(nèi)限制程度論證出一種強(qiáng)的模濾波效應(yīng)。同樣如前所述，模間散射隨R的增加而加劇。
基于這些考慮，并如下面所表明的，我們發(fā)現(xiàn)在大約5a至100a(或者7a至約70a，或者10a至約50a)范圍內(nèi)的芯半徑能產(chǎn)生理想的結(jié)果。對(duì)于處于由該波導(dǎo)所引導(dǎo)頻率中間的中心波長λ，上述范圍可以大致表示為具有類似子區(qū)間的2λ＜R＜40λ。
在接下來的耦合部分中，我們聚焦于一個(gè)布拉格光纖的實(shí)施例，該布拉格光纖具有中空的芯半徑R＝30a并具有17層的限制區(qū)。該17個(gè)層開始于折射率為4.6的高折射率層，并交替折射率為1.6的低折射率層。高折射率層和低折射率層的厚度分別是0.22a和0.78a。TE01耗散損耗點(diǎn)的最低點(diǎn)(下面會(huì)進(jìn)一步討論)處于頻率ω≈0.28·2πc/a處，因此如果使其對(duì)應(yīng)于λ＝1.55微米的電信標(biāo)準(zhǔn)，我們?cè)O(shè)a＝0.434微米。等效的是，R＝13.02＝8.4λ。
為了選擇限制層的層厚度，采用一種近似的四分之一波條件。眾所周知，對(duì)于法向入射，最大的帶隙被獲得用于“四分之一波”疊層，其中每層都具有相等的光學(xué)厚度λ/4或者等同的dhi/dlo＝nlo/nhi，其中d和n分別指的是高折射率和低折射率層的厚度和折射率。但法向入射對(duì)應(yīng)于β＝0，而對(duì)于圓柱形波導(dǎo)，理想的模一般位于光紋ω＝cβ附近(在大R的極限情況下，最低階?；旧鲜茄豘軸即波導(dǎo)軸傳播的平面波)。在這種情形下，這種四分之一波條件變成dhidlo=nlo2-1nhi2-1---(4)]]>嚴(yán)格的講，方程(4)并不是完全最佳的，這是因?yàn)檫@種四分之一波條件受限于該圓柱幾何體，它可能需要每層的光學(xué)厚度都隨其極坐標(biāo)而平穩(wěn)地改變。盡管如此，我們發(fā)現(xiàn)方程(4)提供一種最優(yōu)化許多期望特性的極好準(zhǔn)則，尤其是對(duì)于比中間帶隙波長更大的芯半徑。
正如R＝2a情形那樣，該R＝30a布拉格光纖的導(dǎo)?？梢酝ㄟ^類推相等半徑金屬波導(dǎo)的模來標(biāo)記。對(duì)于ω＝0.28(2πc/a)(對(duì)于兩種模，分別對(duì)應(yīng)于β＝0.27926(2πc/a)和β＝0.27955(2πc/a))，布拉格光纖內(nèi)的這兩種模-最低損耗TE01和線性偏振EH11(在金屬波導(dǎo)中類似于模TM11)的橫向電場(chǎng)輪廓示出在圖5中。TE01模是圓形對(duì)稱的而且是“方位角”偏振 。從而，不像雙倍簡并的EH11模(兩種正交偏振)，它不可能被光纖不完整性分成兩種不同速率的模，從而不受偏振模色散(PMD)的影響。我們注意到布拉格光纖內(nèi)的模標(biāo)記比金屬波導(dǎo)內(nèi)的模標(biāo)記更加復(fù)雜，這是因?yàn)橛袝r(shí)一個(gè)模會(huì)與光紋相交，而變成芯/包層界面周圍局部化的表面態(tài)。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，另一個(gè)模上移而替代它；例如，TM01模在ω＝0.27(2πc/a)處相交光紋，同時(shí)TM02模連續(xù)呈現(xiàn)TM01的芯場(chǎng)分布圖。當(dāng)未確定時(shí)，依據(jù)在r＝0處是否被H2或E2支配，分別將一個(gè)模標(biāo)記為HE或EH，而且依照光紋之上的順序來對(duì)芯模編號(hào)。
芯尺寸的比例定律因?yàn)榻橘|(zhì)限制反射器的強(qiáng)反射性，所以許多模性質(zhì)都很大程度上取決于芯的幾何尺寸R，其中這些模被限制在芯內(nèi)。從而，得出所計(jì)算不同量的比例關(guān)系，而且在這一部分中，通過介紹場(chǎng)和模的基本比例(scaling)來給出這些推導(dǎo)的基本原理。這些比例關(guān)系基本上不依賴于像所用的精確折射率差等這些細(xì)節(jié)，只要它足夠大，以保持金屬類推，且能夠提供對(duì)布拉格光纖結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)和折衷的寬泛理解。
具體的講，對(duì)于光纖的TE01(尤其是TE01)模，我們集中于抑制包層現(xiàn)象。通過類比中空金屬波導(dǎo)，TE01模的一個(gè)關(guān)鍵性質(zhì)是在接近r＝R的電場(chǎng)內(nèi)，這些模具有一個(gè)波節(jié)。從而，它遵從包層內(nèi)電場(chǎng)的振幅與R處E的斜率成比例這一關(guān)系。然而，芯內(nèi)E的形式只不過是貝塞爾函數(shù)J1(ξr/R)，其中ξ(ω)大致是J1的第1階零(1-th zero)。從而，R處的斜率是(J0(ξ)-J2(ξ))(ξ/2R)。而且，對(duì)于四分之一疊層，E的值在鄰近每個(gè)高折射率層至低折射率層的界面處達(dá)到最大。因此，不包括任何歸一化的J1振幅(即E～1)，我們發(fā)現(xiàn)包層中的非歸一化E定標(biāo)為dhi/R。另外，一般地，必須將場(chǎng)的功率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化這就意味著用與模面積的平方根成比例的額外因子來劃分電場(chǎng)矢量E，該模場(chǎng)面積又與R成比例，從而 而且，包層中場(chǎng)的面積是周長(與R成比例)乘以某個(gè)常數(shù)(穿透深度)，該常數(shù)依賴于帶隙的尺寸。
將其與方程5結(jié)合，得出 由此，得出許多其它的比例關(guān)系。相反，對(duì)于具有Er分量的TM或混合偏振模，包層中未歸一化的場(chǎng)振幅隨R的變化而大體保持恒定，從而包層中部分能量密度僅與1/R成比例，因此包層對(duì)其具有更大的影響。
借助于通常的相位空間理論，芯內(nèi)模的總數(shù)必定與面積R2成比例。而且，在金屬波導(dǎo)中，色散關(guān)系看起來像βn=ω2/c2-ξn2/R2,]]>其中ξn是貝塞爾函數(shù)的根或極值。因此，遠(yuǎn)離中止(R＞＞ξnc/ω)，得出 不幸的是，在布拉格光纖中Δβ是更加復(fù)雜的，這是由于有限場(chǎng)對(duì)包層的穿透和向表面態(tài)的轉(zhuǎn)變以及先前討論的隨后的對(duì)模的重新標(biāo)記。例如，考慮EH11模的情形，該EH11模在金屬極限情況中與TE01模簡并(degenerate)。但在布拉格光纖中，這種簡并被場(chǎng)穿透進(jìn)包層而破壞。這種簡并破壞也可用從介質(zhì)多層反射器反射的TE/TM偏振波的相位偏移來理解，其產(chǎn)生很小的偏移Δβ借助于微擾理論，Δβ與包層中EH11的量成比例，其中EH11的量與R成反比例
然而，對(duì)于λ＝1.55微米，數(shù)字地測(cè)試該比例關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于R大于或等于約40a，該間隔最終與1/R2成比例。因此，結(jié)果表明，“基本”HE11模與光紋交叉以變成表面態(tài)，而EH11連續(xù)地轉(zhuǎn)變，更類似于HE11，從而最終定標(biāo)如同方程7。
泄漏模和輻射損耗在前面的討論中，我們忽略了看起來很重要的一點(diǎn)事實(shí)上，限制區(qū)內(nèi)僅僅只有有限數(shù)目的包層。因?yàn)檫@個(gè)原因，以及所關(guān)心的模位于最外區(qū)域的光紋之上的事實(shí)，場(chǎng)能量會(huì)在近似于量子力學(xué)的“隧穿效應(yīng)”的過程中緩慢地泄漏。然而，這種輻射損耗隨包層的數(shù)目按指數(shù)規(guī)律減小，在下面我們會(huì)清楚地用數(shù)量表示其微小。我們發(fā)現(xiàn)僅需要很小數(shù)目的層來獲得低于0.1dB/km的泄漏率。而且，這種輻射損耗在模間是顯著不同的，從而引起模濾波效應(yīng)，該模濾波效應(yīng)允許大芯布拉格光纖以有效的單模方式進(jìn)行工作。
在無限個(gè)包層的極限情況下，由于帶隙，OmniGuide芯內(nèi)的這些模是真正的限制模，具有不連續(xù)的實(shí)本征值βn。對(duì)于有限的多個(gè)層，模不再真正被束縛(位于最外光紋之上)，從而導(dǎo)致具有無限展寬本征態(tài)的連續(xù)β值。前面的限制模變得泄漏諧振集中于具有寬度Δβ的βn的實(shí)-β本征模相重疊，其中寬度Δβ與輻射衰變率αn成比例。這類諧振可直接借助于物理的(physical)實(shí)-β連續(xù)集(continuum)來研究，但一種有效可替代的方法是泄漏模技術(shù)，它采用一種復(fù)平面內(nèi)從實(shí)β到 的概念解析延拓，以滿足零引入量的邊界條件。從而，能量衰減率αn由 給出，其中Im表示虛部。
對(duì)于布拉格光纖，這種泄漏模方法如下。轉(zhuǎn)換矩陣方程式允許計(jì)算2×2矩陣Mm±(ω，β)，該矩陣將初始的TE和TM振幅與最外區(qū)內(nèi)出射(+)或入射(-)TE和TM柱面波(Hankel函數(shù))的振幅聯(lián)系起來，對(duì)于給定角動(dòng)量折射率m作為ω和β的函數(shù)。對(duì)于泄漏模，希望運(yùn)用零入射波的邊界條件，使得無限遠(yuǎn)處沒有任何源；無論何時(shí)具有零本征值Mm-都存在這個(gè)解。因此，采用行列式fm(ω,β~)=det[Mm-(ω,β~)]---(9)]]>從而泄漏模由fm(ω,β~)=0]]>確定。對(duì)于給定ω，一旦得到 ，則 相應(yīng)的本征向量就得到所需的混合偏振振幅。在有限多個(gè)層的情況下，fm的唯一實(shí)根位于最外區(qū)的光紋之下。(我們注意到在最外區(qū)的光紋之下，替代的入射波Hankel函數(shù)變成按指數(shù)增長的函數(shù)，但其系數(shù)仍然必定為零。)在該光紋之上，入射和出射通量對(duì)實(shí)部β是相等的，對(duì)應(yīng)于穩(wěn)態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)波型。該光紋之上 的較小虛部得出能量衰減率αn=2Im{β~n}.]]>對(duì)于所有模，由于布拉格帶隙中場(chǎng)的指數(shù)衰減，輻射衰減率αn隨包層數(shù)的增長而按指數(shù)規(guī)律的減小，從而最終減小至其它損耗(例如吸收)占優(yōu)勢(shì)的點(diǎn)。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，在λ＝1.55微米處，TE損耗每雙包層層減小大約10的因子，TM損耗每包層雙層減小5的因子。因?yàn)檩^小的TM帶隙，混合偏振(非零m)模的損耗最終被其較小限制的TM分量所支配。在圖6中，示出對(duì)于用參數(shù)表示的17層、R＝30a結(jié)構(gòu)，所計(jì)算的輻射泄漏率αn，對(duì)應(yīng)于最低損耗TE01模、最低損耗TE02模和線性偏振EH11模，以代表混合偏振模。類似于隨后討論的吸收，這些微分損耗生成一種模濾波效應(yīng)，該效應(yīng)允許TE01模以有效單模的方式進(jìn)行工作，即使是對(duì)于大芯布拉格光纖。從圖6可見，在僅有17個(gè)包層的情況縣，TE01模具有極低于0.01dB/km的泄漏率，EH11具有數(shù)米的衰減長度。由于這些很低的損耗，對(duì)于多數(shù)的分析，可以將這些模作為真正的邊界來對(duì)待(例如色散關(guān)系和微擾理論)，其泄漏率至多作為一個(gè)獨(dú)立的損耗術(shù)語來包括。
輻射損耗與包層中的場(chǎng)振幅 成比例，對(duì)于TE01，從方程5可知該場(chǎng)振幅好像是1/R4，乘以表面面積(與R成比例)。因此 這與中空金屬波導(dǎo)中TE01歐姆損耗的定標(biāo)相同。相反，因?yàn)猷徑吔缛鄙俨ü?jié)，所以TM和混合偏振輻射損耗僅與1/R成比例。
群速度色散給定色散關(guān)系ω(β)，一個(gè)重要的量是群速度色散D(脈沖展寬處的比率)，規(guī)范地定義為D≡-ω22πcd2βdω2---(11)]]>單位是ps/(nm.km)脈沖展寬(ps)每傳播km每Δλ的nm。色散D和群速度v＝dω/dβ由方程9的函數(shù)f精確地計(jì)算出，由f(ω，β)＝0明確地確定色散關(guān)系。
我們也考慮包層引入的材料色散(n(ω)的非零變量)，但是發(fā)現(xiàn)該材料色散可以忽略不計(jì)(這是由于只有很小的場(chǎng)滲透進(jìn)包層)。例如，假設(shè)包層在1.55微米處具有與石英相同的材料色散，則在大部分的帶寬上材料色散的貢獻(xiàn)低于0.1ps/(nm.km)。保留波導(dǎo)色散，該波導(dǎo)色散來源于芯的幾何形狀以及包層的可變穿透性。對(duì)于17層布拉格光纖(實(shí)線)和相同半徑中空金屬波導(dǎo)(點(diǎn)線和環(huán))的TE01模，作為波長函數(shù)的合成色散描述在圖7中。
正如在下面部分討論的，由于沒有非線性效應(yīng)，因此布拉格光纖中色散的實(shí)際意義顯著不同于一般的光纖。因?yàn)樯⒉辉倥c非線性作用，所以原則上在任何距離的傳播后色散都可被完全補(bǔ)償，從而允許將所有的色散補(bǔ)償置于光纖鏈路的末端處，而且能夠容許更高的色散。相反，在零色散點(diǎn)或在接近零色散點(diǎn)處的工作將不再加劇四波混頻噪音。
另一個(gè)重要的考慮是相對(duì)色散斜率(PDS)，如由(dD/dλ)/D測(cè)量；理想地，該量被匹配在任何色散補(bǔ)償系統(tǒng)中。對(duì)于上述的17層布拉格光纖，RDS大約是0.0007nm-1。這比當(dāng)前的TrueWave-RSTM(0.010nm-1)和LEADTM(0.021nm-1)光纖小15至30倍，而且在色散補(bǔ)償系統(tǒng)中比較容易獲得更小的斜率。
吸收和非線性的抑制在這一部分中，我們計(jì)算布拉格光纖包層材料中吸收損耗和非線性的影響。我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于TE01模，這些效應(yīng)可被穩(wěn)定的抑制，從而允許極高損耗的材料和非線性材料被使用，顯著放寬對(duì)高折射率材料的選擇。而且，我們發(fā)現(xiàn)，即使是石英光纖的性質(zhì)，也存在著卓越的潛能。
吸收和非線性對(duì)應(yīng)于材料介質(zhì)常數(shù)的微小偏移Δε，因此可以用微擾理論來處理。僅使用未微擾的模(借助于轉(zhuǎn)換矩陣如前所述的計(jì)算)，這種普通技術(shù)允許來計(jì)算由很小微擾引起的偏移Δβ。對(duì)于吸收損耗(也可包括瑞利散射)，Δε是加在介質(zhì)常數(shù)ε上很小的虛部，從而給出(材料依賴)耗散率。采用一階微擾解析，通過假定芯是無損耗的，而且高折射率層和低折射率層具有相同的材料耗散率α0(可用dB/m來表示)，計(jì)算出17層布拉格光纖實(shí)例中TE01、TE02和EH11模的損耗。此外，用α0除計(jì)算出的耗散率α，得到各個(gè)模的無量綱、材料損耗獨(dú)立吸收抑制系數(shù)。對(duì)帶隙內(nèi)的每個(gè)頻率都進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果描繪在圖8中。正如可以看到的，對(duì)于TE01，包層損耗被大部分帶寬上多于四階的量級(jí)抑制，這一結(jié)果是可以基于圖6的比例定律預(yù)測(cè)到的。此外，TE01的損耗顯著小于其它模的損耗，從而產(chǎn)生一種允許類似單模工作的模濾波效應(yīng)。
現(xiàn)在考慮布拉格光纖中的克爾(Kerr)非線性。這種非限定引起材料的折射率n作為電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)變化n,=n+n2|E→|2]]>，其中n2是材料的“非線性折射率系數(shù)”。對(duì)于第一階，介質(zhì)常數(shù)所得到的微擾可以表示為Δϵ=2nn2|E→|2.]]>克爾非線性引起光纖系統(tǒng)中的幾個(gè)問題自/交叉相位調(diào)制(SPM/XPM)，其中在一個(gè)頻率處的能量在同一/另一頻率處偏移β；和四波混頻(FWM)，其中在一個(gè)頻率處的能量泄漏進(jìn)另一個(gè)頻率內(nèi)。SPM和XPM與色散相互作用，從而限制色散補(bǔ)償方案，F(xiàn)WM引起信道間的噪音/串?dāng)_。在這兒，我們對(duì)計(jì)算這些效應(yīng)實(shí)際上并不關(guān)心，我們關(guān)心的是確定可以忽略的界限。
光纖中的非線性強(qiáng)度由非線性長度規(guī)LNL給出，該非線性長度規(guī)定義為SPM相位偏移Δβ的倒數(shù)；它是SPM和XPM變得很顯著處的長度規(guī)，同時(shí)也表現(xiàn)為FWM噪音中的比例系數(shù)。LNL與模功率P成反比例(至第一階)，從而將非線性強(qiáng)度確定為γ≡1/PLNL＝Δβ/P，它是一個(gè)與波導(dǎo)中非線性效應(yīng)的強(qiáng)度成比例的功率獨(dú)立量。假定每個(gè)包層都具有相同值n2，采用一階微擾理論來計(jì)算帶隙上該17層布拉格光纖的TE01模。用γ0除這些值γ，其中γ0是當(dāng)假定芯和包層都具有非線性n2時(shí)，對(duì)γ的計(jì)算值。所得值提供一個(gè)無量綱非線性抑制因子，描繪在圖10中。結(jié)果表明，在大部分帶寬上，包層的非線性被多于八階的量級(jí)抑制。從而，大芯布拉格光纖的非線性被空氣的非線性而不是包層的非線性所支配(dominate)，即使是對(duì)比石英非線性高數(shù)千倍的包層材料。因?yàn)榭諝饩哂械目藸柍?shù)比石英低將近1000倍，而且該17層光纖中的芯面積比一般石英光纖的有效面積大將近10倍，所以這種布拉格光纖具有的非線性比傳統(tǒng)石英光纖要低將近10000倍。
對(duì)于光纖工作，這種很低的非線性顯著地展示出新的區(qū)域例如，高功率、密集間隔的信道和/或低/零色散，而不考慮FWM。特別是，F(xiàn)WM噪音與γ2/(Δβ2+α2)成比例，從而即使當(dāng)信道間隔非常小(Δβ接近于零)，0.01dB/km級(jí)的小輻射/吸收損耗α也仍足以將FWM最小化，當(dāng)γ在此實(shí)際上很小時(shí)。
圖8和9的結(jié)果直接遵循作為芯半徑R函數(shù)的比例定律。具體的講，第一階微擾結(jié)果(result)涉及與包層中 分?jǐn)?shù)成比例的被積函數(shù)，如方程6所示，它與1/R3成比例，從而得到 該結(jié)果是熟悉的，因?yàn)樗c中空金屬波導(dǎo)中歐姆耗散損耗的定標(biāo)相同。通過類似的討論可以得到非線性強(qiáng)度γ的定標(biāo)。但是，此處二存在一個(gè)來自非線性微擾本身的附加因子 ，它對(duì)應(yīng)于從方程5定標(biāo)的1/R4。從而，該非線性強(qiáng)度γ與1/R7成比例。另一方面，當(dāng)添加非線性時(shí)，非線性強(qiáng)度γ0。如同在普通光纖中那樣隨面積R2而反向地變化，從而 因?yàn)檫@些快速地1/R3和1/R5的定標(biāo)，所以對(duì)于大芯布拉格光纖內(nèi)的TE01?？梢岳喂痰匾种瓢鼘游蘸头蔷€性。為了清楚地證明這些比例定律，我們?cè)趫D10中繪制了作為R函數(shù)的TE01模的吸收和非線性抑制系數(shù)，疊加預(yù)測(cè)的比例定律。中空的方塊/環(huán)表示計(jì)算值，實(shí)線表示從30a值開始運(yùn)用該比例定律預(yù)測(cè)的值。
折射率差的比例定律盡管前面大多數(shù)的計(jì)算假定折射率比是4.6/1.6，但是只要限制保持穩(wěn)固，對(duì)于寬范圍的折射率都可保持相同性質(zhì)上的結(jié)果。折射率差自身表明了進(jìn)入包層的場(chǎng)的衰減率，它確定典型的穿透深度dp，而且當(dāng)dp＜＜R時(shí)，與金屬波導(dǎo)的類比仍舊合適。下面，我們推導(dǎo)出比例關(guān)系來預(yù)測(cè)布拉格光纖的性質(zhì)如何隨包層折射率而變(假定dp＜＜R)。
具體的講，在每個(gè)雙包層的情形下，場(chǎng)隨某個(gè)衰減因子k(ω，β)而減小。對(duì)于鄰近光紋上的模，根據(jù)方程4采用“四分之一波”雙層，并且定義n~=n2-1,]]>則TE/TM場(chǎng)的中間帶隙(mid-gap)κ是κte≅n~lon~hi---(14)]]>κtm≅nlo2n~lonhi2n~hi>κte---(15)]]>然后，穿透深度dp與a/(1-κ2)成比例。采用先前方程6的比例定律并且定義fhi=dhi/a=n~lo/(n~lo+n~hi),]]>可以進(jìn)一步概括方程6 類似地，方程12和13可以進(jìn)一步概括為，其中同樣定義n‾=(nht-nlo)fhi+nlo:]]> 對(duì)于TE和TM模，為獲得給定輻射泄漏而需要的包層數(shù)分別與log(1/κte)或log(1/κtm)成反比例。因此，例如，如果采用1.459/1.450的折射率，則正如摻雜石英層所共有的，大約需要2000個(gè)包層來獲得圖6所示相同的TE輻射泄漏率。
帶寬也隨折射率差而變。其中一個(gè)受限于沿光紋的TM間隙的尺寸，對(duì)于方程4的四分之一波疊層ΔωTMω0=4πsin-1(nhi2n‾lo-nlo2n‾hinhi2n‾lo+nlo2n‾hi)---(19)]]>其中ω0是中間帶隙的頻率ω0=n‾lo+n‾hi4n‾lon‾hi·2πca---(20)]]>遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)此處描述的光子晶體波導(dǎo)可用在光學(xué)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中。圖11示出一種光學(xué)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)1100的示意圖，包括源節(jié)點(diǎn)1110和探測(cè)節(jié)點(diǎn)1120，兩者通過光傳輸線1130來彼此耦合。該光傳輸線可以包括一段或多段傳輸光纖1132和一段或多段色散補(bǔ)償光纖1134。源節(jié)點(diǎn)1110可以是沿光傳輸線引導(dǎo)光信號(hào)的原始源，或者可以是將光信號(hào)再引導(dǎo)至傳輸線1130、并將光信號(hào)光學(xué)放大而且/或者以電學(xué)方式探測(cè)光信號(hào)以及光學(xué)再生光信號(hào)的中間節(jié)點(diǎn)。而且，源節(jié)點(diǎn)1110可以包括用來多路復(fù)用或解復(fù)用處于不同波長的多個(gè)光信號(hào)的部件。類似地，探測(cè)器節(jié)點(diǎn)1120可以是沿傳輸線傳輸光信號(hào)的目的地，或者可以是再引導(dǎo)、光學(xué)放大和/或電學(xué)探測(cè)和光學(xué)再生光信號(hào)的中間節(jié)點(diǎn)。另外，探測(cè)器節(jié)點(diǎn)1120還可包括用來多路復(fù)用或解復(fù)用處于不同波長的多個(gè)光信號(hào)的部件。色散補(bǔ)償光纖可以被設(shè)置來預(yù)補(bǔ)償、后補(bǔ)償或在線補(bǔ)償光信號(hào)中由傳輸光纖引起的光信號(hào)中的色散。此外，沿光傳輸線傳輸?shù)墓庑盘?hào)可以是包括對(duì)應(yīng)波長上的多個(gè)信號(hào)的WDM信號(hào)。用于此系統(tǒng)的合適波長包括處于約1.2微米至約1.7微米范圍內(nèi)的波長，對(duì)應(yīng)于當(dāng)前使用的許多長距離系統(tǒng)，以及約0.7微米至約0.9微米范圍的波長，對(duì)應(yīng)于當(dāng)前被考慮的一些地鐵系統(tǒng)。
因?yàn)槠湫〉膿p耗和非線性，此處描述的大芯光子晶體光纖可作為系統(tǒng)1100中的傳輸光纖來使用。因?yàn)閾p耗很小，所以隨著周期性放大的需要更小，傳輸線的長度可以更長。例如，損耗可以小于1dB/km，小于0.1dB/km甚至小于0.01dB/km。而且，因?yàn)镕WM被縮減，光纖中的WDM信道間隔可以做得更小。此外，因?yàn)榉蔷€性長度規(guī)(lengthscale)更小，所以大量的色散可用色散補(bǔ)償光纖1134來補(bǔ)償。
耦合問題最后，簡單地說明此處描述的大芯光子晶體光纖和連接在相應(yīng)端的相鄰光纖和/或光學(xué)系統(tǒng)之間的耦合。一般地，彼此連接的光纖各個(gè)模之間的耦合效率與第一光纖內(nèi)的模和第二光纖內(nèi)的?？臻g交疊的程度成比例。在此處描述的光子晶體光纖中，最低損耗的模一般與TE01模相關(guān)連。相應(yīng)地，對(duì)于光子晶體光纖具有很長長度的應(yīng)用，以TE01模進(jìn)行工作是優(yōu)選的。該TE01模具有方位角對(duì)稱，且具有在距芯中心一定距離處最大化的電場(chǎng)分布。另一方面，折射率引導(dǎo)的石英光纖通常以雙簡并HE11模(可對(duì)應(yīng)于例如芯中心處的線性偏振光)進(jìn)行工作。這種?？刹⒉慌cTE01模充分交疊，該TE01模具有方位角對(duì)稱且在距芯中心一定距離處具有最大化的電場(chǎng)分布。
為了便于耦合，任一光纖都可包括一個(gè)模耦合區(qū)，以最優(yōu)化第一光纖內(nèi)的第一模和第二光纖內(nèi)的第二模之間的耦合。例如，為了將來自此處描述的光子晶體光纖的m＝1工作模耦合至石英光纖的HE11模，該石英光纖可以包括一個(gè)模耦合區(qū)，其折射率橫截面隨軸向位置變化，以將該工作模平穩(wěn)的耦合至HE11模。在一個(gè)實(shí)施例中，耦合區(qū)可以具有中空的環(huán)形橫截面，其中在該環(huán)形橫截面內(nèi)折射率地導(dǎo)引光，并且隨后沿軸向填充形成傳統(tǒng)的光纖。環(huán)的直徑和厚度可被選擇以最優(yōu)化來自工作模的耦合，所述工作模的場(chǎng)分布在距芯中心的某個(gè)距離處最大化。在另一個(gè)實(shí)施例中，耦合區(qū)內(nèi)石英光纖的橫截面被摻雜雜質(zhì)以最優(yōu)化耦合，例如這種摻雜可形成環(huán)形分布。該摻雜分布在耦合區(qū)的軸向上逐漸被異相。此外，在其它的實(shí)施例中，它可以是包含有該耦合區(qū)的光子晶體光纖，且在折射率橫截面上具有一些軸向變化。
上面已經(jīng)描述了本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下，可以作出各種改進(jìn)。從而，其它的實(shí)施例都落入下面權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種全介質(zhì)波導(dǎo)，包括沿波導(dǎo)軸延伸的介質(zhì)芯區(qū)；和在所述波導(dǎo)軸周圍環(huán)繞所述芯的介質(zhì)限制區(qū)，所述限制區(qū)包括在所述波導(dǎo)軸周圍環(huán)繞所述芯的至少兩種不同介質(zhì)材料的若干交替層，其中，在工作期間，所述限制區(qū)導(dǎo)引處于至少第一頻率范圍內(nèi)的EM輻射沿所述芯中的波導(dǎo)軸傳播，其中對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率，所述芯具有的平均折射率小于1.3，其中所述芯具有的直徑在4λ至80λ的范圍內(nèi)，λ是對(duì)應(yīng)于所述第一頻率范圍內(nèi)中心頻率的波長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中至少一些所述交替介質(zhì)層的折射率和厚度滿足下述等式dhidlo=nlo2-1nhi2-1]]>其中dhi和dlo分別是相鄰較高折射率層和較低折射率層的厚度，nhi和nlo分別是相鄰較高折射率層和較低折射率層的折射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中所述芯的直徑在約10微米至170微米的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中所述波導(dǎo)承載一個(gè)模，其中對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率，該傳播的EM輻射的平均能量的至少99％位于所述芯內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中所述第一頻率范圍的帶寬與其中心頻率的比率至少是10％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率，所述限制區(qū)以低于1.0dB/km的輻射損耗導(dǎo)引至少一個(gè)模沿所述波導(dǎo)軸傳播。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率，所述限制區(qū)以低于0.1dB/km的輻射損耗導(dǎo)引至少一個(gè)模沿所述波導(dǎo)軸傳播。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中所述芯包括氣體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中所述介質(zhì)限制區(qū)中的兩種不同介質(zhì)材料的折射率的比率大于1.5。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中所述介質(zhì)限制區(qū)足以引起EM輻射，該EM輻射在第一頻率范圍內(nèi)從所述芯入射到所述限制區(qū)上并具有任意偏振，以便對(duì)于0°至至少80°范圍的入射角、具有對(duì)于平面幾何體高于95％的反射率。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中所述不同介質(zhì)材料中較低折射率介質(zhì)材料包括聚合物或玻璃。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中所述不同介質(zhì)材料中較高折射率介質(zhì)材料包括鍺、碲或硫?qū)俨ＡА?br> 13.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中所述芯的直徑在8λ至80λ的范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中所述芯的直徑在4λ至60λ的范圍內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中所述芯的直徑在5λ至6λ的范圍內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中所述芯的直徑在6λ至40λ的范圍內(nèi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中所述芯的直徑在8λ至40λ的范圍內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中所述介質(zhì)限制區(qū)中兩種介質(zhì)材料中的較高折射率介質(zhì)材料的折射率與這兩種介質(zhì)材料中的較低折射率介質(zhì)材料的折射率的比率大于1.5。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中在工作期間，所述限制區(qū)導(dǎo)引至少第一頻率范圍內(nèi)的EM輻射沿著所述芯中的波導(dǎo)軸傳播，以便對(duì)于該第一頻率范圍內(nèi)的頻率具有低于1.0dB/km的輻射損耗；所述芯包括氣體，以及所述介質(zhì)限制區(qū)中兩種介質(zhì)材料中對(duì)于該第一頻率范圍內(nèi)中心頻率的較高折射率介質(zhì)材料的折射率與所述兩種介質(zhì)材料中的較低折射率介質(zhì)材料的折射率的比率大于1.5。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的波導(dǎo)，其中所述不同介質(zhì)材料中的較低折射率介質(zhì)材料包括聚合物，所述介質(zhì)材料中的較高折射率介質(zhì)材料包括硫?qū)俨ＡА?br> 21.一種全介質(zhì)波導(dǎo)，包括沿波導(dǎo)軸延伸的介質(zhì)芯區(qū)；和在所述波導(dǎo)軸周圍環(huán)繞所述芯的介質(zhì)限制區(qū)，所述限制區(qū)包括在所述波導(dǎo)軸周圍環(huán)繞所述芯的至少兩種不同介質(zhì)材料的若干交替層，其中，在工作期間，所述限制區(qū)導(dǎo)引處于至少第一頻率范圍內(nèi)的EM輻射沿所述芯中的波導(dǎo)軸傳播，其中對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率，所述芯具有的平均折射率小于1.3，其中所述芯具有的直徑在4λ至80λ的范圍內(nèi)，λ是對(duì)應(yīng)于所述第一頻率范圍內(nèi)中心頻率的波長，及其中所述不同介質(zhì)材料中的較低折射率介質(zhì)材料包括聚合物或玻璃，所述介質(zhì)材料中的較高折射率介質(zhì)材料包括硫?qū)俨ＡА?br> 22.根據(jù)權(quán)利要求21的波導(dǎo)，其中所述不同介質(zhì)材料中的較低折射率介質(zhì)材料包括聚合物。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的波導(dǎo)，其中在工作期間，所述限制區(qū)導(dǎo)引至少第一頻率范圍內(nèi)的EM輻射沿著所述芯中的波導(dǎo)軸傳播，以便對(duì)于該第一頻率范圍內(nèi)的頻率具有低于1.0dB/km的輻射損耗；所述芯包括氣體，以及所述介質(zhì)限制區(qū)中兩種介質(zhì)材料中對(duì)于該第一頻率范圍內(nèi)中心頻率的較高折射率介質(zhì)材料的折射率與所述兩種介質(zhì)材料中的較低折射率介質(zhì)材料的折射率的比率大于1.5。
24.一種波導(dǎo)，包括沿波導(dǎo)軸延伸的介質(zhì)芯區(qū)；和在所述波導(dǎo)軸周圍環(huán)繞所述芯的介質(zhì)限制區(qū)，所述限制區(qū)包括在所述波導(dǎo)軸周圍環(huán)繞所述芯的至少兩種不同介質(zhì)材料的若干交替層，其中，在工作期間，所述限制區(qū)導(dǎo)引處于至少第一頻率范圍內(nèi)的EM輻射沿所述芯中的波導(dǎo)軸傳播，其中對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率，所述芯具有的平均折射率小于1.3，其中至少一些所述交替介質(zhì)層的折射率和厚度滿足下述等式dhidlo=nlo2-1nhi2-1]]>其中dhi和dlo分別是相鄰較高折射率層和較低折射率層的厚度，nhi和nlo分別是相鄰較高折射率層和較低折射率層的折射率。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的波導(dǎo)，其中所述芯具有的直徑在4λ至80λ的范圍內(nèi)，λ是對(duì)應(yīng)于所述第一頻率范圍內(nèi)中心頻率的波長。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的波導(dǎo)，其中所述不同介質(zhì)材料中的較低折射率介質(zhì)材料包括聚合物或玻璃，所述介質(zhì)材料中的較高折射率介質(zhì)材料包括硫?qū)俨ＡА?br> 27.根據(jù)權(quán)利要求26的波導(dǎo)，其中所述不同介質(zhì)材料中的較低折射率介質(zhì)材料包括聚合物。
28.根據(jù)權(quán)利要求24的波導(dǎo)，其中在工作期間，所述限制區(qū)導(dǎo)引至少第一頻率范圍內(nèi)的EM輻射沿著所述芯中的波導(dǎo)軸傳播，以便對(duì)于該第一頻率范圍內(nèi)的頻率具有低于1.0dB/km的輻射損耗；所述芯包括氣體，以及所述介質(zhì)限制區(qū)中兩種介質(zhì)材料中對(duì)于該第一頻率范圍內(nèi)中心頻率的較高折射率介質(zhì)材料的折射率與所述兩種介質(zhì)材料中的較低折射率介質(zhì)材料的折射率的比率大于1.5。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的波導(dǎo)，其中所述芯具有的直徑在4λ至80λ的范圍內(nèi)，λ是對(duì)應(yīng)于所述第一頻率范圍內(nèi)中心頻率的波長。
30.根據(jù)權(quán)利要求24的波導(dǎo)，其中所述芯的直徑在10微米至170微米的范圍內(nèi)。
31.根據(jù)權(quán)利要求24的波導(dǎo)，其中所述波導(dǎo)承載一個(gè)模，其中對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率，該傳播的EM輻射的平均能量的至少99％位于所述芯內(nèi)。
32.根據(jù)權(quán)利要求24的波導(dǎo)，其中所述第一頻率范圍的帶寬與其中心頻率的比率至少是10％。
33.根據(jù)權(quán)利要求24的波導(dǎo)，其中對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率，所述限制區(qū)以低于1.0dB/km的輻射損耗導(dǎo)引至少一個(gè)模沿所述波導(dǎo)軸傳播。
34.根據(jù)權(quán)利要求24的波導(dǎo)，其中對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率，所述限制區(qū)以低于0.1dB/km的輻射損耗導(dǎo)引至少一個(gè)模沿所述波導(dǎo)軸傳播。
35.根據(jù)權(quán)利要求24的波導(dǎo)，其中所述介質(zhì)限制區(qū)足以引起EM輻射，該EM輻射在第一頻率范圍內(nèi)從所述芯入射到所述限制區(qū)上并具有任意偏振，以便對(duì)于0°至至少80°范圍的入射角、具有對(duì)于平面幾何體高于95％的反射率。
全文摘要
一種光波導(dǎo)，包括沿波導(dǎo)軸延伸的介質(zhì)芯區(qū)；和在所述波導(dǎo)軸周圍環(huán)繞所述芯的介質(zhì)限制區(qū)，所述限制區(qū)包括一種具有光子帶隙的光子晶體結(jié)構(gòu)，其中在工作期間，所述限制區(qū)導(dǎo)引處于至少第一頻率范圍內(nèi)的EM輻射沿所述波導(dǎo)軸傳播，對(duì)于所述第一頻率范圍內(nèi)的頻率，該芯具有的平均折射率小于約1.3，該芯具有的直徑在約4λ至80λ的范圍內(nèi)，λ是對(duì)應(yīng)于所述第一頻率范圍內(nèi)中心頻率的波長。
文檔編號(hào)G02B6/02GK1963573SQ20061009278
公開日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2002年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月25日
發(fā)明者史蒂文·G·約翰遜, 米哈伊·伊巴內(nèi)斯庫, 奧里·韋斯伯格, 約爾·芬克, 約翰·D·約安諾伯洛斯, 馬克西姆·斯科羅博加季, 托克爾·恩格尼斯, 馬林·索利亞齊奇, 史蒂文·A·雅各布斯 申請(qǐng)人:全波導(dǎo)公司