專利名稱：光子晶體光纖及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光子晶體光纖(photonic crystal fibre)，一種制造光子晶體光纖的方法和沿光子晶體光纖傳輸光的方法。
光纖用于從一處向另一處傳輸光。通常，光纖是用多于一種的材料制成的。第一種材料用于形成公知作為光纖芯部的光纖中心傳送光線的部分，而第二種材料圍繞著第一種材料并形成公知作為包層的光纖部分。通過(guò)芯部/包層界面處的全內(nèi)反射，可以將光截留在芯部之內(nèi)。除了與材料本身相關(guān)的固有吸收和散射損耗之外，全內(nèi)反射一般不會(huì)造成損耗。傳統(tǒng)的和市售的低損耗光纖典型地具有全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)；但是波導(dǎo)機(jī)理(我們稱之為“折射率光導(dǎo)”所帶來(lái)的一個(gè)限制是為了獲得全內(nèi)反射，形成芯部材料的折射率必須比形成包層材料的折射率高。即使包層是空氣(折射率大約是1)，為使光纖有用，芯部材料仍需為固體材料。實(shí)際上，使用空氣作包層通常是不可取的，因?yàn)榭諝獠荒芙o波導(dǎo)芯部提供足夠的機(jī)械或光學(xué)保護(hù)。因此傳統(tǒng)的光纖是由被固態(tài)包層圍繞著的固態(tài)或液態(tài)芯部材料組成的。
已證實(shí)一種與傳統(tǒng)光纖結(jié)構(gòu)有很大不同的光纖波導(dǎo)，其中使用一種微觀的結(jié)構(gòu)材料形成光纖芯部和包層。形態(tài)微觀結(jié)構(gòu)引入到光纖改變了光纖的局部光學(xué)性能，該微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)一般是以沿著光纖長(zhǎng)度方向排列的小孔的陣列形式，可以設(shè)計(jì)和制造出具有不同尋常性能的復(fù)雜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這種光纖是光子晶體光纖的一個(gè)實(shí)例。
在一種類型的光子晶體光纖中，在其橫截面中具有周期性排列的空氣孔、而在其中心失去空氣孔(晶體結(jié)構(gòu)中的一個(gè)“缺陷”)的光纖形成低損耗的全二氧化硅光學(xué)波導(dǎo)，該波導(dǎo)對(duì)于二氧化硅透射窗口內(nèi)的所有波長(zhǎng)保持單模。在該情況下，其波導(dǎo)機(jī)理與傳統(tǒng)光纖的波導(dǎo)機(jī)理非常相關(guān)，并且是來(lái)自比純二氧化硅表觀折射率更低的材料的全內(nèi)反射的一種形式。
在具有周期性排列空氣孔的光子晶體光纖中還顯示了另一種形式的波導(dǎo)。如果設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓庾泳w顯示出“光子帶隙(photonic bandgap)”，則光線被截留在位于光子晶體點(diǎn)陣內(nèi)的附加空氣孔(即，一種“低折射率點(diǎn)陣缺陷”)附近。光子帶隙是一種參數(shù)范圍，例如為頻率或波矢量范圍，由此通常預(yù)計(jì)光在包層材料中傳輸，但由于微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)導(dǎo)致光在其中傳輸時(shí)沒有傳輸模式。迄今為止(參見，例如J.C.Knight，J.Broeng，T.A.Birks和P.St.J.Russell，“PhotonicBand Gap Guidance in Optical Fibres”，Science 282 1476(1998))已證實(shí)在這種類型的光纖中，沿光纖傳輸?shù)墓獗唤亓粼谄淇諝饪壮史涓C狀陣列的光纖內(nèi)部的低折射率缺陷附近，但光仍然被限定在微觀結(jié)構(gòu)材料的高折射率相中。由于光在空氣中易消失，所觀測(cè)到的導(dǎo)模集中在位于芯部的圍繞著附加空氣孔的二氧化硅中。
已顯示了一種通過(guò)玻璃毛細(xì)管形式的中空光纖進(jìn)行光導(dǎo)的設(shè)備，但是這種設(shè)備固有地非常容易泄漏。
我們研究的一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)是制作一種帶隙光導(dǎo)光纖，其中光被截留在空氣孔內(nèi)，或被截留在其它具有較低折射率的區(qū)域中，并在沒有顯著泄漏的情況下，在具有較低折射率的區(qū)域中制導(dǎo)。在這種按排方式中可以最大程度地避免由光纖包層材料造成的損耗。但是直到現(xiàn)在才證實(shí)該目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)。
依據(jù)本發(fā)明，提供了一種如下的光子晶體光纖，其包括一個(gè)基本上均勻的，具有較低折射率的區(qū)域，該區(qū)域基本上被包含多個(gè)較高折射率區(qū)域的并且基本上是周期性的包層所包圍，其特征在于低折射率的區(qū)域具有比包層的單個(gè)最短周期要長(zhǎng)的最長(zhǎng)的橫向尺寸，由此包層材料的光子帶隙使得光基本被限定在低折射率區(qū)域中，并且光在受到限定的同時(shí)還可沿著光纖導(dǎo)向。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用相對(duì)較大的較低折射率的區(qū)域可以成功地在較低折射率區(qū)域進(jìn)行光導(dǎo)，并且我們已經(jīng)制作出這樣一種光纖，其中光在中空的芯部制導(dǎo)，且基本上沒有泄漏。應(yīng)當(dāng)理解“較低”折射率區(qū)域所具有的折射率比具有較高折射率區(qū)域的折射率在量值上較小。
這種光纖比其它光纖優(yōu)越，例如，其性能受傳輸?shù)墓馀c光纖所包含的材料之間的相互作用(吸收性能或非線性)的限制可以小得多。某些光可以很大程度地穿透更高折射率的材料，但是大部分光被限定在較低折射率區(qū)域中，例如有可以是空氣孔中。依據(jù)本發(fā)明的光纖可以用在電信，環(huán)境檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，高功率激光的傳輸，長(zhǎng)波長(zhǎng)傳輸和其他光學(xué)設(shè)備中。
光纖功率的處理能力受到制造它所用的材料的非線性過(guò)程的限制。如果在光集中于空氣中的光纖中，光功率僅有小部分在玻璃中，則功率載荷容量比傳統(tǒng)的光纖要大得多。
即使可能是被二氧化硅玻璃強(qiáng)烈吸收的、如二氧化碳激光器發(fā)出的光的情況下，超高功率單模傳輸是這種光纖的一種可能的應(yīng)用。高功率激光輸運(yùn)是另一種應(yīng)用，其也是利用該光纖比傳統(tǒng)光纖傳輸更高的功率的能力；例如從大規(guī)格激光器給機(jī)頭施加100W到1KW的功率是一種循環(huán)需要。高功率激光展示著廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，例如應(yīng)用在高速打印，材料的激光加工和可能的外科手術(shù)中；光纖激光器是高效的，每kg提供一種高功率。由于小型化和其所產(chǎn)生的高質(zhì)量光束，使得它們?cè)谒蓄愋偷谋銛y激光設(shè)備中這些光纖都非常引人注意。
本發(fā)明光纖的另一種應(yīng)用是用在電信中。光纖能傳送高功率的能力使得更多的光發(fā)射到通信鏈路的一部分中。因此該鏈路可以更長(zhǎng)，而不會(huì)發(fā)生光衰減到信號(hào)很小難以檢測(cè)的情況。具有這種增益的光纖(通過(guò)餌摻雜)可以用作高功率放大器，作為這種鏈路的轉(zhuǎn)發(fā)器。
另一種應(yīng)用可以是原子光導(dǎo)，其中單獨(dú)的原子被強(qiáng)大的光束“載帶”著，沿著中空的芯部傳輸，而不會(huì)撞擊到側(cè)壁。
具有單橫模、穿過(guò)氣體的光的超長(zhǎng)路徑長(zhǎng)度顯示出在高分辨率光譜儀和傳感應(yīng)用中有更大機(jī)會(huì)。
由于外部環(huán)境和光纖模式(fibre mode)之間的折射率的不連續(xù)性可以很小，在光纖中的菲涅耳反射可以非常小，在需要光從光纖中引出后經(jīng)調(diào)制和放大又會(huì)重新注入的光纖器件中這種菲涅耳反射是一個(gè)問(wèn)題。這表明了可首次實(shí)現(xiàn)具有近乎零插入損耗的體光學(xué)器件。相反，傳統(tǒng)光纖和空氣之間的折射率階度總是造成一部分光在光纖端面發(fā)生反射。這樣不僅會(huì)造成光損耗，而且這些不需要的反射會(huì)嚴(yán)重地影響激光源，使其不穩(wěn)定，這些折射光會(huì)重新進(jìn)入，并造成光學(xué)放大，作為激光一樣振蕩(一種非常不理想的狀況)。
由于光纖包層的光子帶隙材料在某些方面的行為類似于全反射，因此在低折射率區(qū)域中的光導(dǎo)是可行的，在某些情況下理想的金屬，但不象真金屬，這種準(zhǔn)金屬在光頻率方面顯示出非常低的損耗。光子帶隙材料在顯示出全二維光子帶隙時(shí)，其行為類似金屬；即當(dāng)光以一種特定的沿著光纖的波矢量分量和一種特定的頻率傳輸時(shí)，其從所有方位角可看到具有帶隙的材料。僅有某些波長(zhǎng)帶被限定在光纖中并被沿光纖導(dǎo)向，而這些波長(zhǎng)帶相應(yīng)于光子晶體包層中所存在的全二維帶隙。
沿著波導(dǎo)的光矢量分量，公知的作為傳輸常數(shù)β，決定了光是否在波導(dǎo)的任一部分內(nèi)傳輸或消失。如果β＜kn，則光以與軸呈θ角的角度在折射率為n的材料中傳輸，其中β＝kn cosθ，k為真空波常數(shù)。如果β＞kn，則θ是虛數(shù)，光消失。具有大于包層折射率n2的折射率n1的芯部的傳統(tǒng)的全內(nèi)反射，保證了β的存在范圍，在該范圍光在芯部傳輸，在包層消失。
相反，如果多層電介質(zhì)堆層具有給定光頻率的對(duì)于范圍為β的光子帶隙，則光可被限定在具有任意折射率的芯部的兩個(gè)多層電介質(zhì)堆層之間。我們確定出了兩個(gè)不同的光子帶隙導(dǎo)向狀態(tài)。在第一個(gè)狀態(tài)，光在具有高折射率n1的層中傳輸，但是在具有低折射率n2的層中消失。高折射率層起著獨(dú)立的全內(nèi)反射波導(dǎo)的作用，在特定數(shù)值β＝βm處支持限制模。只要β在各βm附近打開的傳輸頻帶內(nèi)，則在相鄰高折射率層之間的共振隧道效應(yīng)允許穿過(guò)其間的光泄漏。傳輸頻帶的寬度取決于層間耦合的強(qiáng)度。在傳輸頻帶之間存在帶隙；如果具有不同(可能更小)寬度的高折射率芯部層支持帶隙內(nèi)的具有β的模，則它與其它層沒有共振，且由隧道效應(yīng)造成的光泄漏也受抑。因此該模被光子帶隙導(dǎo)向的受抑隧道形式嚴(yán)格導(dǎo)向。
在第二光子帶隙導(dǎo)向狀態(tài)中，光可在所有層之中傳輸(β＜kn2)。作為多重散射和干涉的結(jié)果，帶隙發(fā)生在布拉格條件下。從而導(dǎo)致了布拉格形式的光子帶隙導(dǎo)向。
在兩種形式的光子帶隙導(dǎo)向中，由于光子帶隙條件僅取決于包層堆層的性能，所以與全反射制導(dǎo)相比，可更自由地選擇芯部的折射率，導(dǎo)?？梢砸阅Ｕ凵渎师?k存在，其堆層(受抑的隧道導(dǎo)向情況)的“平均”折射率低，或者甚至比堆層(布拉格導(dǎo)向情況)的最低折射率還要低，由此為全內(nèi)反射導(dǎo)向授予了非常大的設(shè)計(jì)自由，并且允許限定在中空的芯部。
基本上為周期性的包層可具有三角形點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。三角形點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可包括固體基體(matrix)中的空氣孔。
優(yōu)選具有較高折射率的區(qū)域基本上由二氧化硅組成。也可以使用除二氧化硅以外的材料，包括其它硅酸鹽玻璃和不同合成物的軟玻璃。在光纖的這部分中的空氣部分必須相對(duì)較大，以顯示出足夠?qū)挼膸丁Ｓ欣氖窃诎鼘又械目諝獠糠值捏w積占包層體積的至少15％，也可以多于30％。
盡管提供一個(gè)具有長(zhǎng)條橫截面形狀、較低折射率的區(qū)域是在本發(fā)明范圍內(nèi)，但一般優(yōu)選該區(qū)域大體為通常圓形橫截面。
應(yīng)當(dāng)理解該光纖可包括多于一個(gè)的低折射率區(qū)域。
優(yōu)選該低折射率區(qū)域包含一種氣體或真空；該低折射率區(qū)域可處于大氣壓(或更大壓強(qiáng))下，但也可以是低壓區(qū)域。該氣體優(yōu)選為空氣。將光基本上限定在低折射率區(qū)域中意味著光子晶體光纖可能夠以傳統(tǒng)光纖中不可能的功率和/或波長(zhǎng)傳輸光。
在以下所描述的本發(fā)明實(shí)例中，較低折射率區(qū)域的橫截面基本上是圓形的，且其直徑為包層最短周期的約2.5倍。但是也可以采用更大或更小的直徑。優(yōu)選地，較低折射率區(qū)域的最長(zhǎng)橫向尺寸比包層的單個(gè)最短周期至少長(zhǎng)1.5倍、優(yōu)選地至少2倍。
較低折射率區(qū)域的實(shí)際橫截面尺寸將取決于沿光纖制導(dǎo)的光的波長(zhǎng)(或多種波長(zhǎng))和包層的周期，在某些情況下還取決于較低折射率區(qū)域的折射率。在以下所描述的本發(fā)明實(shí)例中，較低折射率區(qū)域的橫截面基本上是圓形的，并具有約15微米的直徑。通常優(yōu)選的是較低折射率區(qū)域的最長(zhǎng)橫向尺寸至少為9微米，優(yōu)選地為至少12微米。
在導(dǎo)模中的光和可形成較低折射率波導(dǎo)芯部的流體之間可能形成強(qiáng)烈的相互作用，該相互作用對(duì)例如氣體傳感和監(jiān)測(cè)是有用的。較低折射率區(qū)域可包括一種具有非線性響應(yīng)的材料，由此在較低折射率區(qū)域中可通過(guò)非線性過(guò)程產(chǎn)生光或調(diào)制光。
一旦光纖尺寸固定，則可精確計(jì)算光纖的光學(xué)特性。周期性光纖包層的光子帶隙可延伸到寬的頻率范圍；但是在較低折射率區(qū)域中被制導(dǎo)的模一般僅在相對(duì)較窄的頻率范圍。光纖的窄帶性能表明光纖可用作光譜濾光器。
本發(fā)明的光子晶體光纖還可這樣定義足夠大的可支持至少一種被制導(dǎo)的橫模的較低折射率的區(qū)域。因此依據(jù)本發(fā)明所提供的一種光子晶體光纖，包括基本均勻的具有較低折射率的區(qū)域，該區(qū)域基本上被包層包圍，該包層包括具有較高折射率的區(qū)域，并且基本上是周期性的，其特征在于具有較低折射率的區(qū)域足夠大可支持至少一種被制導(dǎo)的橫模。
優(yōu)選地，光子晶體光纖為單模光纖。
可設(shè)想多種結(jié)合本發(fā)明的光子晶體光纖的光學(xué)裝置。如上所述，這樣的裝置可包括，例如傳感器，該傳感器可檢測(cè)所述區(qū)域包括的較低折射率的氣體的性質(zhì)，或者該裝置可包括濾光器。其它可包括這樣一種光纖的光學(xué)裝置包括，例如光學(xué)放大器或激光器。
光纖廣泛應(yīng)用在電信工業(yè)中。電信系統(tǒng)可包括本發(fā)明的光纖，且這樣的電信系統(tǒng)可包含在電信網(wǎng)絡(luò)中。
本發(fā)明還提供一種制作光纖的方法，包括以下步驟(a)形成一個(gè)棒狀物(cane)堆層，該堆層包括至少一個(gè)限定該堆層中的腔的截短棒狀物；(b)然后將該堆層拉長(zhǎng)成具有細(xì)長(zhǎng)腔的光纖。
這種方法是以前所公開的光子晶體光纖制作方法的更改，在已知方法中沒有位于堆層中的截短棒狀物。但是，如果從該堆層的中間移去棒狀物，且尤其是移去相互相鄰的兩個(gè)或多個(gè)棒狀物，最終性能將不再穩(wěn)定也不再是自承式的。即使僅移去一根棒狀物，也可能產(chǎn)生問(wèn)題。在本發(fā)明的方法中，具有最終孔所需形狀和尺寸的多個(gè)棒狀物長(zhǎng)度，或多束棒狀物長(zhǎng)度被嵌在堆層的棒狀物中，并位于該堆層的相對(duì)的端部。這些被嵌入棒狀物長(zhǎng)度不會(huì)使得它們?cè)诙褜拥闹虚g相遇。相反，在預(yù)制件的端部之間留有一個(gè)具有所需的大空氣孔的長(zhǎng)度(大約為15厘米)，其被兩端部以穩(wěn)定的方式支承。在(整個(gè))預(yù)制件被拉制成光纖(在一個(gè)或多個(gè)階段)后，僅保留來(lái)自預(yù)制件的中心部分的光纖。
本發(fā)明的方法對(duì)構(gòu)造多種光纖結(jié)構(gòu)是有用的，如果不用本發(fā)明的方法則會(huì)難以進(jìn)行只制造。因此該方法不僅僅限定于制作根據(jù)本發(fā)明的光子晶體光纖的方法。
應(yīng)當(dāng)理解的是該方法可包括形成這樣一種棒狀物的堆層，其在該堆層中限定了多于一個(gè)的腔。通過(guò)該方式可形成具有多于一個(gè)拉長(zhǎng)的腔的光纖。
優(yōu)選地，該腔的橫向尺寸大于任何棒狀物的相應(yīng)的橫向尺寸。該腔的橫向尺寸可大于任意兩個(gè)棒狀物相應(yīng)的尺寸之和。
優(yōu)選地，棒狀物堆層包括可形成三角形陣列的毛細(xì)管棒狀物。這些毛細(xì)管可填充有空氣或除空氣之外的材料；并且可部分或完全被抽空。該腔的橫截面積可基本上等于或大于四個(gè)一束、更優(yōu)選地七個(gè)一束的棒束的橫截面積。
本發(fā)明還提供一種沿光子晶體光纖傳輸光的方法，所述光纖為以上所定義的光纖。
以下將參考附圖通過(guò)實(shí)施例描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，其中

圖1是光纖的橫截面示意圖；圖2顯示了適于制作圖1所示光纖的預(yù)制件的一部分；圖3是圖1所示類型的實(shí)際光纖的掃描電子顯微鏡照片；圖4顯示記錄的來(lái)自由圖3所示光纖的發(fā)射光譜；圖5顯示記錄的來(lái)自由圖3所示光纖另一發(fā)射光譜，該例子中的光譜僅記錄了紅色光譜區(qū)域；光可在如圖1所示光纖波導(dǎo)的孔中以“空氣?！毙问奖恢茖?dǎo)。該光纖包含熔合了的、細(xì)長(zhǎng)管1的三角形陣列形成的包層，該細(xì)長(zhǎng)管1是由二氧化硅毛細(xì)管拉伸而成的，并含有縱向空氣孔2。毛細(xì)管的橫截面是圓形的，使得在細(xì)長(zhǎng)管1之間形成管間孔3。該光纖還包括位于其中心以大空氣孔4形式的芯部。如下所述，在該實(shí)例中通過(guò)從光纖預(yù)制件的部分中略去一束7個(gè)毛細(xì)管形成空氣孔4，由此空氣孔的尺寸是包層材料的7個(gè)單位單元的尺寸；因此空氣孔4比熔合的細(xì)長(zhǎng)管1中的孔2大得多，而且比管間孔3更要大得多。已發(fā)現(xiàn)僅略去一個(gè)棒狀物所形成的光纖將不能在空氣孔中導(dǎo)引模。
考慮以下問(wèn)題是有用的，即為什么在具有類似的包層參數(shù)、而帶有通過(guò)略去僅一個(gè)毛細(xì)管所形成的缺陷的光子晶體光纖沒有被發(fā)現(xiàn)可支持的導(dǎo)模。傳統(tǒng)光纖能夠支持的導(dǎo)模數(shù)目是由芯部-包層折射率差和芯部的尺寸確定的。其基本上遵循相位空間論點(diǎn)，與固態(tài)物理學(xué)中公知的狀態(tài)密度的計(jì)算非常類似，因此引出了這樣的結(jié)果，在傳統(tǒng)光纖中空間模的近似數(shù)是Nconv=rco2k2(n12-n22)4----(1)]]>其中rco是芯部半徑，n1和n2是芯部和包層的折射率，k是真空波矢量(當(dāng)然每個(gè)空間模有兩個(gè)偏振態(tài))。在中空芯部的光子晶體光纖中，可從中空芯部中存在的空間模的近似數(shù)得到類似表達(dá)式NPBG=rco2(βH2-βL2)4]]>或rco2(k2n12-βL2)4----(2)]]>其中βH和βL是在固定光波長(zhǎng)處的光子帶隙的上下邊緣，如果光子帶隙的上邊緣超出了最大芯部波矢量，即k2n12＜βH2時(shí)，運(yùn)用第二個(gè)表達(dá)式。對(duì)于二氧化硅中空氣孔的典型三角形陣列，理論表明光子帶隙寬度△β＝βH-βL是其平均位置βav(βH+βL)/2的一小部分。例如對(duì)缺少一個(gè)棒狀物的棒堆層，在βavΛ＝9，△βΛ＝0.2，并取rco＝Λ/2(Λ是孔間距離)時(shí)，空間模的期望數(shù)目為0.23，因而不可能看見任何空氣導(dǎo)模。另一方面，如果移去7個(gè)層疊的棒狀物，則中空的芯部面積增加到7倍，芯部半徑增加到 倍，空間模的期望數(shù)目變?yōu)?.61。這說(shuō)明缺少7個(gè)棒狀物的中空的芯部將支持至少一種橫模(兩個(gè)偏振態(tài))，并有可能支持第二種橫模。這些預(yù)測(cè)與我們的觀測(cè)結(jié)果是一致的，即制成的具有單一棒狀物空氣孔光纖不支持空氣導(dǎo)模，而由制成的具有7個(gè)棒狀物孔的光纖支持一種或兩種導(dǎo)模。
選擇包層區(qū)域的間距(pitch)、點(diǎn)陣和填充百分率使其顯示出一種二維光子帶隙(參見，例如T.A.Birks，P.J.Roberts，P.St.J.Russell，D.M.Atkin和T.J.Shepherd，“Full 2-d photonicbandgaps in silica/air structures”，Electron.Lett.311941(1995))。在空氣孔4內(nèi)的光被包圍其的材料的光子帶隙所限制。因而光不會(huì)遠(yuǎn)離光纖的芯部傳輸，而被抑制沿著光纖光軸傳輸，由此光作為一種導(dǎo)模基本上被限定在芯部。
在以前公開的光子晶體光纖的制作方法中，其中至少有一些可以是毛細(xì)管的數(shù)百個(gè)棒狀物被層疊在一起，形成所需宏觀規(guī)模的晶體結(jié)構(gòu)。這些棒狀物一般具有毫米數(shù)量級(jí)的外部直徑。然后將整個(gè)堆層容納在一起，同時(shí)用光纖拉絲臺(tái)將其熔融、拉制成光纖。如果在其中間具有所需的大尺寸空氣孔，這種標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程將不會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定或自支承式的預(yù)制件。
在圖2中顯示的預(yù)制件的部分提供了一種解決上述問(wèn)題的方法。層疊棒狀物的兩個(gè)截短長(zhǎng)度6嵌在棒狀物5的堆層中。上述截短長(zhǎng)度6存在于預(yù)制件的兩端，但是它們不會(huì)在堆層的中間相遇。而是，它們限定了短腔7。否則會(huì)塌落到腔內(nèi)的最內(nèi)部的棒狀物5，被以穩(wěn)定的方式從兩個(gè)端部所支撐。穿過(guò)整個(gè)預(yù)制件和腔7的橫截面具有類似于圖1所示的形狀。以通常的方式將該預(yù)制件拉制成光纖(以一步或多個(gè)階段)。一旦光纖被拉伸，僅保留預(yù)制件中心部分所得的光纖。
用該技術(shù)制作圖3所示的光纖。可以看到在拉制過(guò)程中，孔4的結(jié)構(gòu)整體性被保留下來(lái)。通常，圖3所示光纖的點(diǎn)陣的高質(zhì)量是顯著的，且光纖的橫截面近似于圖1。可以看見一些缺陷9，但是這些缺陷的影響不足以損害到阻止光纖中的空氣模制導(dǎo)。
在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)例中，由331個(gè)二氧化硅毛細(xì)管制成光纖，其中每個(gè)毛細(xì)管的橫截面是圓形的，且外部直徑為0.8毫米，內(nèi)部直徑為0.7毫米。毛細(xì)管的排列方式如以上參考圖2所描述的，在該陣列的中心省略了在其長(zhǎng)度中間部分的7個(gè)毛細(xì)管，以限定一個(gè)長(zhǎng)度為15厘米的腔。用以上所述的方法將該預(yù)制件拉制成光纖；所得光纖的外部直徑為90微米，中心孔4的直徑為15微米。
通過(guò)垂直支住3厘米長(zhǎng)的試樣進(jìn)行初始特性化，從試樣下方用白光(使用鎢鹵素?zé)?照射，并用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)穿過(guò)其中的光。位于中心的空氣芯部填充有單凸彩色光，其橫向分布是平滑的，峰處于中心位置，在玻璃-空氣邊界處下降到非常低的強(qiáng)度。在周期性包層中存在顯著量的白光，與芯部截留的模相比，在周期性包層中顯示的無(wú)色是明顯的。依據(jù)整個(gè)光纖尺寸和所用的拉制條件，可以看見不同顏色的真空導(dǎo)模。有時(shí)用眼睛難以判斷出準(zhǔn)確的顏色，實(shí)際上有時(shí)顯示出的是不同顏色的混合色，例如紅和藍(lán)的混合色。為了用白光源進(jìn)行適當(dāng)激發(fā)，小部分試樣支持一種類似的有色雙凸模，我們把它歸于第二導(dǎo)模，該第二導(dǎo)模落在與第一導(dǎo)模相同的帶隙中。
通過(guò)用傳統(tǒng)的多模光纖將顯微鏡與光譜分析僅連接，測(cè)量通過(guò)光纖長(zhǎng)度空氣芯部的透射光譜。該依賴于空氣孔中的波導(dǎo)的光譜，證實(shí)了存在幾個(gè)界限分明的透射帶，該光譜覆蓋了整個(gè)可見光譜，并延伸至紅外區(qū)域。這些透射帶的每一個(gè)均相應(yīng)于全二維光子帶隙，并與光子晶體包層中更高階的布拉格條件相關(guān)。由于與波長(zhǎng)相比晶體的間距(pitch)較大，因此負(fù)責(zé)制導(dǎo)的光子帶隙是高階的。通過(guò)選擇已顯示支持合適波長(zhǎng)導(dǎo)模的光纖長(zhǎng)度，我們用激光源激勵(lì)這種模。在各個(gè)透射帶內(nèi)，在幾厘米長(zhǎng)的光纖長(zhǎng)度上的損耗較小或?yàn)榱?，而在這些透射帶之間損耗非常之大，與不存在高帶隙作用時(shí)所預(yù)料的一樣。該長(zhǎng)度受到光纖參數(shù)的起伏的限制，這導(dǎo)致導(dǎo)模的波長(zhǎng)沿著光纖的長(zhǎng)度變化。在其它不支持這種波長(zhǎng)的導(dǎo)模的光纖中，在僅傳輸一個(gè)厘米的一小部分后，激光完全泄漏到包層中。
在空氣中制導(dǎo)的激光在遠(yuǎn)場(chǎng)形成穩(wěn)定的、平滑變化的單凸模式。通過(guò)將光纖的一個(gè)光導(dǎo)長(zhǎng)度結(jié)合到Mach-Zehnder干涉僅的一個(gè)臂中，我們證實(shí)了通過(guò)光導(dǎo)芯部傳送的激光具有高度的空間相干性，在干涉僅輸出中給出高可見度的干涉條紋。如果在光纖芯部中激發(fā)出很多波導(dǎo)模，將不會(huì)發(fā)生這種情況。
已檢查了光纖的光透射光譜，并顯示在圖4和5中，在各圖中透射強(qiáng)度是相對(duì)于波長(zhǎng)繪制的。在圖4和5中顯示的光透射光譜證明了光纖在許多波長(zhǎng)處支持空氣模；在490納米，610納米和810納米附近有強(qiáng)透射峰。在圖4中還顯示出如下證據(jù)在440納米附近有紫外透射峰。應(yīng)當(dāng)注意透射傳輸通帶比傳統(tǒng)光纖的要窄。
在本發(fā)明參考附圖所描述的實(shí)例中，具有較低折射率的區(qū)域是空氣，光纖是由棒狀物堆層制成的，該堆層包括截短的棒狀物，以在該堆層中限定一個(gè)腔。在堆層的腔中部分充滿或完全充滿非空氣的材料和/或在堆層的腔中部分充滿或完全充滿折射率比形成包層所用棒狀物的折射率低的一個(gè)或多個(gè)棒狀物的方案在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
在該說(shuō)明書中提到“光”時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解術(shù)語(yǔ)“光”包括頻率在可見光之外的的電磁輻射。
權(quán)利要求
1.一種光子晶體光纖，其包括一個(gè)基本上均勻的、較低折射率的區(qū)域，該區(qū)域基本上被包含多個(gè)較高折射率區(qū)域的，并且基本上是周期性的包層所包圍，其特征在于較低折射率的區(qū)域具有一個(gè)比包層的單個(gè)的、最短的周期要長(zhǎng)的最長(zhǎng)的橫向尺寸，由此光基本上被包層材料的光子帶隙限定在低折射率區(qū)域中，并且光在受到此限定的同時(shí)還可沿著光纖制導(dǎo)。
2.如權(quán)利要求1所述的光子晶體光纖，其中較低折射率區(qū)域包含一種氣體或真空。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光子晶體光纖，其中基本上為周期性的包層材料具有三角形點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的光子晶體光纖，其中三角形點(diǎn)陣包括在固體基體中的空氣孔。
5.如上述任何權(quán)利要求所述的光子晶體光纖，其中具有更高折射率的區(qū)域基本上由二氧化硅組成。
6.如上述任何權(quán)利要求所述的光子晶體光纖，其中，包層中的空氣部分的體積占包層體積至少為15％。
7.如權(quán)利要求6所述的光子晶體光纖，其中較低折射率的區(qū)域包括空氣。
8.如上述任何權(quán)利要求所述的光子晶體光纖，其中具有較低折射率的區(qū)域是低壓區(qū)域。
9.如上述任何權(quán)利要求所述的光子晶體光纖，其中較低折射率的區(qū)域包括具有非線性光學(xué)響應(yīng)的材料，由此在較低折射率區(qū)域通過(guò)非線性過(guò)程可產(chǎn)生光。
10.一種光子晶體光纖，其包括一個(gè)基本上均勻的、較低折射率的區(qū)域，該區(qū)域基本上被包含多個(gè)較高折射率區(qū)域的并且基本上是周期性的包層所包圍，其特征在于較低折射率的區(qū)域大到足以支持至少一個(gè)橫模。
11.如權(quán)利要求10所述的光子晶體光纖，該光纖是一種單模光纖。
12.包括如任何上述權(quán)利要求所述的光子晶體光纖的一種光學(xué)裝置。
13.包括一個(gè)光譜濾光器的如權(quán)利要求12所述的光學(xué)裝置。
14.包括一個(gè)光學(xué)放大器的如權(quán)利要求12所述的光學(xué)裝置。
15.包括一個(gè)激光器的如權(quán)利要求12所述的光學(xué)裝置。
16.如權(quán)利要求12所述的光學(xué)裝置，其包括一個(gè)能夠檢測(cè)較低折射率區(qū)域中所含氣體的性質(zhì)的傳感器。
17.一種電信系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求1到11的任何權(quán)利要求所述的光子晶體光纖。
18.一種電信系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求12到16的任何權(quán)利要求所述的光子晶體光纖。
19.一種電信網(wǎng)絡(luò)，包括如權(quán)利要求17到18任何權(quán)利要求所述的一種電信系統(tǒng)。
20一種制作光子晶體光纖的方法，包括以下步驟(a)形成一個(gè)棒狀物的堆層，該堆層包括至少一個(gè)限定該堆層中腔的截短的棒狀物；(b)然后將該堆層拉制成具有細(xì)長(zhǎng)腔的光纖。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中光纖是如權(quán)利要求1到8或10到11所述的任何一種光纖。
22.如權(quán)利要求20或21所述的方法，其中所述腔具有比任何的棒狀物的相應(yīng)的橫向尺寸大的橫向尺寸。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述腔具有比任何兩個(gè)棒狀物的相應(yīng)的尺寸之和大的橫向尺寸。
24.如權(quán)利要求20到23的任何權(quán)利要求所述的方法，其中棒狀物堆層包括是毛細(xì)管的棒狀物。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中毛細(xì)管形成三角形陣列。
26.如權(quán)利要求24或25所述的方法，其中所述毛細(xì)管中填充的材料是除空氣之外的其它材料。
27.由權(quán)利要求20到26的任何的權(quán)利要求所述的方法制備的光子晶體光纖。
28.一種基本上如在此所描述的、參考附圖的制作光子晶體光纖的方法。
29.一種基本上如在此所描述的、參考附圖的光子晶體光纖。
30.一種沿著光子晶體光纖傳輸光的方法，該光纖是如 1到12的任何權(quán)利要求所述的一種光纖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖,它包括被包層包圍著的具有較低折射率的芯部(4),其中所述包層包括具有較高折射率的、并且基本上是周期性的區(qū)域,芯部(4)具有比包層的單個(gè)最短周期要長(zhǎng)的最長(zhǎng)橫向尺寸。在這種類型的光纖中,光被包層材料的光子帶隙基本限定在芯部區(qū)域。本發(fā)明還涉及一種制造該光纖的方法,包括如下步驟:形成一層疊的棒狀物(5),該層疊(5)包括至少一個(gè)用于限定孔(7)的截短的棒狀物(6),然后將該層疊(5)拉制成具有細(xì)長(zhǎng)腔的光纖。該光纖適于高功率用途,但同樣適于其它領(lǐng)域,例如光學(xué)放大、光譜濾光器、氣體傳感器、激光器和電信網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號(hào)H01S3/06GK1353824SQ00808310
公開日2002年6月12日 申請(qǐng)日期2000年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月1日
發(fā)明者P·S·魯塞爾, T·A·比爾克斯, J·C·奈特, B·J·曼甘 申請(qǐng)人:秦內(nèi)蒂克有限公司