CN101063728B

CN101063728B - 带隙微结构光纤中的横模抑制

Info

Publication number: CN101063728B
Application number: CN2007100863449A
Authority: CN
Inventors: 约翰·M·芬尼
Original assignee: Furukawa Electric North America Inc
Current assignee: Furukawa Electric North America Inc
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2027-03-13
Also published as: EP1845397A1; US20070242923A1; JP4772732B2; CN101063728A; DK1845397T3; US7356233B2; EP1845397B1; JP2007286622A

Abstract

一种光纤包括芯和包层区域，其构造为在该芯区域内导引光(或辐射)的传播。该包层区域包括周期性结构，该周期性结构构造为通过带隙禁闭产生光导引。为了抑制该芯区域内的高阶模式(HOM)，该包层区域包括至少一个扰动区域，该扰动区域构造为使得包层区域内的模式与该芯区域的HOM谐振。在本发明的优选实施例中，该扰动区域构造为使得该包层区域的基模与该芯区域的HOM谐振。

Description

带隙微结构光纤中的横模抑制

技术领域

本发明涉及微结构光纤，特别涉及在这种光纤中对预先选择的横模的抑制。

背景技术

微结构光纤(MOF)在被周期性折射率包层区域包围的芯区域(例如，空气芯)内导引光。说明性地，包层区域包括限定了空气孔周期阵列的基质(matrix)(或点阵)。当进行适当设计时，可以使MOF显示出带隙禁闭；也就是说，支持和导引光模式传播的波长范围受到不支持该传播的波长范围的约束。这种光纤通常称作带隙光纤，其典型地具有折射率比包层区域的折射率更低的芯区域。相反，也可以将MOF设计为表现出更传统的折射率导引，在这种情况下芯区域具有比包层区域更高的折射率。

在空气芯和其它带隙光纤中的改进已经证明了它们能够将标准光纤拉伸加工的许多材料及制造优点与标准光纤中不可能的独特性能结合在一起。由于空气芯光纤的非线性性比标准光纤小得多，引人注目地改变了传输链路的成本和性能，因此在数据传输中，空气芯光纤具有特别引人关注的潜力。然而，任何长距离传输光纤都必须与标准光纤的极低损耗相竞争。尽管迅速地改进，但是人们仍然认为空气芯光纤损耗已经逼近根本极限(fundamental limit)，并且仅能通过增大芯尺寸或发现改进的材料来进行进一步的改进。[参见P.J.Roberts等人的“Ultimate low loss of hollow-core photonic crystal fibres”，Opt.Express，V0l.13，p.236(2005)，通过引用将其合并于此。]因此，利用较大的芯尺寸是非常合乎需要的，但是较大的芯尺寸通常支持较高阶横模(HOM)，并因此引起了由这些模式所带来的众所周知的问题。

以下，术语“模式”既表示单个横模又表示多个横模。

因此，现有技术中保持了对既具有相对大的芯尺寸又抑制HOM的带隙MOF的需要。

发明内容

基于本发明的一个实施例，抑制带隙MOF的HOM的策略是基于芯模式和包层模式之间的折射率匹配耦合(谐振)。芯附近的适当包层特征使HOM中的光在芯和包层之间谐振耦合，而基模的光仍然很大程度上限制在芯内。这些包层特征(在另外的周期性包层中)显著地增大了HOM损耗，并且对基模禁闭基本上没有影响，这去除了较大芯、单模带隙MOF光纤发展中的重要障碍。

在更普遍的意义上，并且基于本发明的一个方面，光纤包含芯和包层区域，其构造为以第一芯模式在芯区域内导引光(或辐射)的传播。该包层区域包括构造为通过带隙禁闭导引光的周期结构。为了抑制至少一个第二芯模式，该包层区域包括至少一个扰动区域，该扰动区域构造为将扰动模式谐振耦合到该至少一个第二芯模式。

在优选实施例中，该芯和扰动区域还构造为避免任何实质数量的扰动模式的能量耦合回到该第二芯模式中。

在本发明进一步优选的实施例中，将该芯和扰动区域构造为将该扰动区域的基模谐振耦合到该芯区域的HOM，并在该芯区域内提供基模的传播。

附图说明

根据下面结合附图的更详细的描述，能够容易地理解本发明及其各种特征和优点，其中：

图1是基于本发明一个实施例的带隙MOF的示意性截面图。该截面图是垂直于该芯区域的传播轴截取的；

图2A是具有详细示于图2B中的芯和扰动区域的图1所示类型的带隙MOF的折射率与径向距离之间的关系的示意性曲线图。该芯区域的折射率用n_co标记。该芯和扰动区域由交叉阴影的带隙区域分离。在带隙区域中，光的传播被排除在该包层的周期性区域之外；

图2B是详细示出该芯和扰动区域的图1所描绘类型的带隙MOF的一部分的截面图；

图3示出了基于本发明的可替换实施例的带隙MOF的示意性截面图：(3A)基本上六边形的四个空气导引扰动区域围绕基本上圆形的中空芯区域对称设置(在正方形的四个角)；(3B)基本上六边形的三个未掺杂扰动区域围绕ARROW光纤的基本上圆形的掺杂芯区域对称设置(在三角形的三个角)；(3C)基本上矩形的四个加载了气体的中空扰动区域围绕基本上正方形的中空、加载了气体的芯区域对称设置(在正方形的四个角)；以及(3D)扰动区域的环同心地围绕径向带隙光纤的基本上圆形的芯区域；

图4是标准(现有技术)、空气芯、带隙MOF的示意性截面图(尽管内包层的外圆周表现为正方形，但是其典型地为圆形。)；

图5A和5B是基于本发明两个实施例的带隙MOF的示意性截面图，其中(5A)：两个象正方形的扰动区域对称地设置在芯区域的上方和下方，以及(5B)：两个象菱形的扰动区域对称地设置在芯区域的左侧和右侧(尽管内包层的外圆周表现为正方形，但是其典型地为圆形。)；并且图5C比较了图4所示类型的标准带隙MOF(虚线曲线)和图5B所示类型的抑制HOM的MOF(实线曲线)的HOM的光强度分布；

图6是对图5B的MOF 90计算的模式损耗与波长之间的关系的曲线；

图7是对各种芯模式计算的有效折射率与波长之间的关系的一组曲线图，其中(7A)针对图4所示类型的标准、空气芯MOF 70；(7B)示出图5A所示类型的扰动区域80.4的模式；以及(7C)示出图5B所示类型的扰动区域90.4的模式；

图8是模式损耗与波长之间的关系的一组曲线图，其中(8A)针对图4所示类型的标准、空气芯MOF 70；和(8B)针对图5A所示类型的带隙MOF 80；

图9是模式损耗与波长之间的关系的一组曲线图，其中(9A)针对图4所示类型的标准、空气芯MOF 70；和(9B)针对图5B所示类型的带隙MOF 90；

图10是基于本发明另一实施例利用带隙MOF的通信系统的示意性框图；

图11是基于本发明又一实施例利用带隙MOF的传感器系统的示意性框图；

图12是基于本发明再一实施例利用带隙MOF的光放大器的示意性框图。

具体实施方式

抑制HOM的一般原理

现在参考图1和2B，带隙MOF 10包括芯区域10.1、围绕芯区域10.1的内包层区域10.2、以及围绕内包层区域10.2的外包层区域10.3。将该芯和包层区域构造为沿该芯区域的纵向轴10.7支持并导引光(或辐射)的传播。为了有资格成为此处使用的术语“带隙光纤”，例如，通过形成孔10.5的阵列的实心基质或点阵10.6的方式，将内包层区域10.2构造为使其折射率产生周期性变化。芯区域10.1具有比内包层区域10.2的有效折射率更低的折射率。(尽管不是决定性的，但是外包层区域10.3典型地具有比内包层区域10.2更高的折射率。通过内包层区域10.2内的谐振反射条件(现有技术中也称作带隙条件)使芯区域10.1内传播的光被在其中导引。该条件也称作带隙禁闭。

基于本发明的一个方面，如图1和2B所示，内包层区域10.2包括扰动区域10.4，在该扰动区域10.4中，该折射率的周期性被破坏。将扰动区域10.4构造为使得其模式的至少一个与该芯区域10.1的至少一个HOM谐振耦合。如图2A所示，优选使芯区域10.1的HOM 12(说明性地描绘为一阶模式)与扰动区域10.4的基模14谐振，而芯区域的基模16不与扰动区域的任何模式谐振。术语“谐振”或“谐振耦合”表示芯区域内的模式的有效折射率(n_eff)基本上等于扰动区域内的模式的有效折射率。由此，芯区域的一阶模式12的n_eff12.1基本上等于扰动区域的基模14的n_eff14.1，这使得HOM 12内的能量能够从芯区域传递或耦合(箭头18)到扰动区域的基模14内，并从那里辐射进入外包层区域10.3内。(箭头20表示经过泄漏的包层模式的这种辐射，其通常是存在的。)这种谐振传递和辐射的过程有效地抑制了芯区域内的HOM 12。相反，芯区域的基模16的n_eff16.1并不与扰动区域内的任何模式的n_eff相对应。因此，基模16在芯区域内有效地传播，并且不发生其能量(箭头22)进入该扰动区域内的谐振传递。

芯模式和扰动模式具有基本上相等的折射率的条件意味着，例如，芯HOM折射率12.1和扰动基模折射率14.1之间的差异不至于使得这些模式之间的光的耦合被显著破坏。在本发明的优选实施例中，折射率12.1和14.1之间的差异比芯基模折射率16.1和扰动基模折射率14.1之间的差异小得多。

要被抑制的芯模式和谐振扰动模式之间的适当耦合还应当考虑抑制后者扰动模式耦合回到前者芯模式的要求中。为此目的，多个相关光纤尺寸开始起作用。定性地，我们考虑如下：(1)从芯区域中心到内包层区域外边缘的距离D₁。该距离控制了光能从芯区域向外包层区域内的未禁闭辐射的直接泄漏率。该泄漏率随着距离D₁的增加而减小；(2)从扰动区域中心到内包层外边缘的距离D₂。该距离控制了光能从扰动区域向外包层区域内的未禁闭辐射的直接泄漏率。该泄漏率随着距离D₂的增加而增加；(3)从芯区域到扰动区域的中心到中心距离D₃。该距离控制了谐振耦合的芯和扰动区域之间的光耦合。该尺寸可以被理解为控制芯和扰动模式之间的空间重叠。耦合随着距离D₃的增加而降低；以及(4)相对于芯区域的尺寸D_co的扰动区域的尺寸D_p。该相对尺寸(与芯和扰动区域的折射率一起)控制了耦合的芯和扰动模式之间的谐振度。

通常，应当将上述尺寸选择为使得不想要的芯模式能够通过扰动模式有效地泄漏。更具体地说，扰动区域的泄漏率应当大于从芯区域向外包层内的辐射的直接泄漏率。该条件意味着要求从扰动区域到外包层的距离应当小于从芯区域到该外包层区域的距离。另外，芯区域和扰动区域之间的耦合不应当大到使所需要的芯模式受到破坏。另一方面，芯区域和扰动区域之间的耦合不应当太小而使得不想要的芯模式不能充分地耦合到扰动模式而受到抑制。其次，扰动模式的泄漏率不应当大到使芯和扰动区域之间的耦合无效(即，不充分)。最后，扰动模式的泄漏率不应当小到使不想要的芯模式受到过小的损耗而不能有效地被抑制。

坚持这些设计原则确保了，例如，在芯区域10.1内，基模16有效地传播，而HOM 12被有效地抑制。HOM需要被抑制(或截止)的程度依赖于特定的应用。在许多应用中不需要全部或完全的抑制，这意味着相对低强度的HOM的持续存在是可以容忍的。在许多情况下，例如，通过降低总的插入损耗和降低信号模式中的噪声，抑制HOM提高了系统的性能。在本说明书的剩余部分，把基于本发明的MOF称作“抑制HOM的光纤”。

通过将多个不想要的芯模式谐振耦合到扰动区域的单个模式或者将其谐振耦合到一个或多个扰动区域的不同模式，也可以将前述谐振耦合(折射率匹配)的原理应用到多个不想要的芯模式的抑制，每个芯模式与单独的扰动模式相谐振。

可替换实施例

MOF的设计和制造在现有技术中是公知的。图2B中示出的圆形孔10.5的特定六边形硅石(silica)基质10.6仅是示例性的。芯和孔的其它几何形状以及其它基质也是可以适用的。可以使用除了硅石以外的其它材料。芯区域10.1和/或扰动区域10.5可以是中空的或者实心的；如果是中空的，那么它们可以填充有气体(例如，受污染的空气)或液体；如果是实心的，那么它们可以掺杂或不掺杂，但是该实心材料典型地具有与该基质不同的折射率。芯区域和扰动区域可以填充有不同的材料或相同的材料。另外，芯区域10.1可以集中在MOF 10的纵向轴上，如图1和3-5所示，或者其可以位于离开中心的位置(未示出)。包层区域的孔10.5可以是中空的或实心的；它们可以填充有液体或气体；它们可以包含比围绕该孔的基质材料更高或更低的折射率的材料。可以将芯、包层或扰动区域的中空区域抽空以去除不想要的材料。

在微观细节上，芯区域10.1和扰动区域10.4的实际形状是不规则的，并且具有由生产过程中被去掉的基质的部分产生的有圆齿的边界。然而，芯区域的内接、虚拟边界可以近似为已知的几何形状。例如，在图2B、5B中，芯区域10.1、90.1基本上为六边形，而扰动区域10.4、90.4具有内接菱形的形状；在图3A和3B中，芯区域30.1、40.1基本上为圆形，而扰动区域30.4、40.4基本上为六边形；在图3C中，芯区域50.1为正方形，而扰动区域50.4基本上为矩形；在图3D中，芯区域60.1基本上为圆形，而扰动区域60.4基本上为环状或圆环形；并且在图5A中，芯区域80.1基本上为六边形，而扰动区域80.4基本上为长方形(oblong)。

图3描绘了本HOM抑制方案中各种不同MOF几何形状的几个实施方式。由此，图3A示出了MOF 30的内包层，该MOF 30具有中空的填充了空气的基本上圆形的芯区域30.1和四个基本上六边形的扰动区域30.4，该四个基本上六边形的扰动区域30.4围绕该芯区域对称设置。图3B示出了ARROW MOF 40的基本上三角形的内包层，该ARROW MOF 40具有实心的基本上圆形的芯区域40.1和三个基本上六边形的扰动区域40.4，该三个基本上六边形的扰动区域40.4围绕该芯区域对称设置。说明性地，芯区域40.1是掺杂的，而扰动区域40.4不掺杂。图3C示出了MOF 50的正方形内包层，该MOF 50具有中空的基本上正方形的芯区域50.1和四个基本上矩形的扰动区域50.4，该四个基本上矩形的扰动区域50.4围绕该芯区域对称设置。芯区域50.1和扰动区域50.4说明性地填充有流体(例如，气体或液体)。最后，图3D示出了MOF 60的内包层，该MOF 60具有基本上圆形的芯区域和径向带隙结构(即，具有产生所需要的周期性折射率变化的不同折射率的材料的环状或圆环形区域)和环状或圆环形的扰动区域60.4。

尽管前面的讨论举例说明了通常具有各种规则形状的芯和扰动区域，但是它们也可以具有不规则的形状。另外，扰动区域的图案可以表现为某些对称(如图3A-3D和5A-5B)或不对称(如图1和2B)的外观。

如根据其最小截面尺寸所确定的那样，可以由下面的分析容易地理解芯和扰动区域的相对尺寸。如果芯和扰动区域填充有相同的或基本上一样的折射率材料，那么扰动区域应当具有小于芯区域的尺寸，并且典型地可以具有大致为芯尺寸的一半的最小尺寸。更具体地说，芯和扰动区域可以具有不同的有效折射率，在这种情况下，[使要被抑制的芯模式的有效折射率(n_eff，com)与泄漏的扰动模式(n_eff，p)相匹配的]谐振条件可以大致理解为：

n_eff，com＝n_eff，p (1)

n_eff，com＝n_co-(1/2)(C₁λ/2D_co)² (2)

n_eff，p＝n_p-(1/2)(C₂λ/2D_p)² (3)

n_co-(1/2)(C₁λ/2D_co)²＝n_p-(1/2)(C₂λ/2D_p)² (4)

其中，n_co和n_p分别是芯和扰动区域的折射率，λ是光的波长，D_co是芯区域的最小截面尺寸，D_p是扰动区域的最小截面尺寸。C₁和C₂基本上分别表示跨过芯区域的尺寸D_co和扰动区域的尺寸D_p的模式的横向振动的(阶单位(order unity)的)数量。典型地，C₁～2C₂＞C₂。因此，当n_co＝n_p时，方程(4)约化为

D_p/D_co～C₂/C₁～1/2＜1 (5)

这表明扰动区域的尺寸小于芯区域的尺寸。相反，用折射率大于或等于芯区域的折射率的材料填充扰动区域通常要求扰动区域小于芯区域。然而，扰动区域内的较低折射率可以使得扰动区域能够比方程(5)所规定的更大。

尽管方程(2)和(3)对于本发明所考虑的许多MOF设计是很好的近似，但是可以将对于波导设计所通用的其它经验、分析或数值方法用于求方程(1)的解，特别是对于不使用方程(2)和(3)的情况。

模拟结果

利用与Guo所描述的[参见Guo等人的“Loss and dispersionanalysis of microstructured fibers by finite-difference method”，Opt.Express，Vol.12，p.3341(2004)，通过引用将其合并于此。]非常相似的有限差分模式求解程序进行模拟。

为了以数值方式证明本发明的效力，假设在现有技术中实验和理论研究的最普通类型的空气芯MOF(即，图4的空气芯MOF 70)，然后基于上述的谐振模式策略并入扰动区域以抑制芯区域内的HOM(例如，分别在图5A和5B中的MOF 80和90)。由此，我的模拟对在内包层内具有和不具有抑制HOM的特征(扰动区域)、除此之外都相同的空气芯MOF设计进行比较。空气芯MOF设计表现出带隙，并在1.5μm波长范围内具有低损耗的空气芯导引模式。将扰动区域设计为具有相同波长范围上的空气导引模式，并实现了与芯区域的空气导引HOM的谐振。

将我的MOF设计为抑制芯和内包层区域内的表面模式。在这些区域的每一个内抑制表面模式是重要的，因为它们倾向于使频谱劣化。特别是，在形成芯和扰动区域时，要注意确保将每个顶点(在三个或更多个巢状孔的相交处的基质材料)完全去除。[参见，H.K.Kim等人的“Designing air-core photonic-bandgap fibers free of surfacemodes”，J.Quantum Electron.，Vol.40，No.5，p.551(2004)，通过引用将其合并于此。]可替换地，可以通过在内包层区域与芯和扰动区域的外周边之间形成基质材料的薄层来抑制表面模式。[参见，R.Amezcua-Correa等人的“Realistic designs of silica hollow-corephotonic bandgap fibers free of surface modes”，OFC，Paper No.OFC1，pp.1-3，2006年3月，Anaheim，CA，通过引用将其合并于此。]

图4示出了标准的、现有技术的空气芯MOF 70，其具有在硅石基质或点阵70.6内形成圆形孔70.5的规则周期性内包层(如前述Kim所使用的，d/Λ＝0.94，孔间距Λ＝2.5μm)。芯区域70.1通过将直径＝D_co＝9μm的基本上中心圆形区域内的所有硅石去除而形成[参见前述Kim]。图5A和5B证明了基于本发明的抑制HOM的MOF设计的两个说明性实施例。将额外的硅石从MOF 80(图5A)和MOF 90(图5B)的内包层区域去除；由此形成两个长方形扰动区域80.4(图5A)和两个菱形扰动区域90.4(图5B)，该长方形扰动区域80.4对称地设置在芯区域80.1的上方和下方，而该菱形扰动区域90.4对称地设置在芯区域90.1的左侧和右侧。在MOF 80中，从两个扰动区域80.4的每一个中去除十个构成基质的玻璃顶点(glass vertice)。在MOF 90中，从两个扰动区域90.4的每一个中去除八个玻璃顶点。选择特定的长方形和菱形形状是因为这种区域的基模具有与要被抑制的芯区域HOM非常接近的有效折射率。另外，扰动区域80.4、90.4的最小截面尺寸大致为对应的芯区域80.1、90.1的直径的一半(即，D_p＝4.5μm)，在每种情况下，这使得芯区域的HOM和扰动区域的基模之间能够发生谐振。另外，对于MOF 80和90均有D₁＝20.6μm，而对于MOF 80和90，分别有距离D₂＝7.6和8.75μm，并且距离D₃＝13.0和12.5μm。

利用图7A-7C的n_eff与波长之间的关系曲线证明利用图5A和5B的MOF设计的折射率匹配。在这些曲线的每一个中：(i)将在每个波长处的带隙用下方的垂直阴影区域7.1的顶部与上方的垂直阴影区域7.2的底部之间的距离表示；并且(ii)虚线曲线表示MOF的各种模式的n_eff的波长敏感度。由此，在表示标准MOF 70(图4)的特性的图7A中，曲线7.3表示芯区域的基模，而曲线7.4表示要被抑制的HOM，其用指向曲线7.4的箭头7.5指示。比较起来，在表示MOF80(图5A)的特性的图7B中，曲线7.6表示扰动区域80.4的基模，而在表示MOF 90(图5B)的特性的图7C中，曲线7.7表示扰动区域90.4的基模。重要的是，注意此处曲线7.4、7.6和7.7都具有近似相同的n_eff，因此，MOF 80、90的芯区域80.1、90.1的HOM的n_eff分别接近于与扰动区域80.4、90.4的基模的谐振。因此，芯区域的HOM可以通过任一类型的扰动区域来抑制，只要足够接近折射率匹配，如下面的禁闭损耗曲线所示。同样重要的是，有效折射率(n_eff)与波长(λ)之间的关系的曲线7.4、7.6和7.7在工作波长的范围内都具有基本上相同的斜率(dn_eff/dλ)。因此，可以在相对宽的波长范围(例如，1.4和1.6μm之间)上实现折射率匹配耦合和HOM抑制。

在模式禁闭损耗与波长之间的关系的曲线(图8A-8B)中可见对HOM抑制的确认。图8A示出了对标准现有技术的空气芯MOF 70(图4)计算的禁闭损耗，而图8B示出了在芯区域80.1(图5A)的上方和下方具有一对基本上长方形的扰动区域80.4的抑制HOM的MOF80的类似损耗。在图8A中，曲线8.1表示标准MOF 70(图4)的芯区域的基模，而曲线8.2表示同一芯区域的最低损耗HOM。同样地，在图8B中，曲线8.3表示抑制HOM的MOF 80(图5A)的芯区域的基模，而曲线8.4表示同一芯区域的最低损耗HOM。在两种情况下，基模(曲线8.1，8.3)都在1.4至1.55μm范围内具有最低损耗。图8A显示出对于该范围的大部分，标准MOF 70(曲线8.2)的最低HOM损耗几乎与基模一样低，这意味着HOM被很大程度上禁闭并且在标准MOF中潜在地是非常有问题的。与此相反，图8B显示出HOM对基模损耗的比率实质性地增加了。实际上，在宽的波长范围上，扰动区域80.4的引入同时降低了基模损耗并增加了HOM损耗。这些效果都是合乎需要的，但是在现有技术中典型的是实现一个只能以牺牲另一个为代价。

还利用MOF 90的设计进行类似的模拟，如下面结合图9所描述的那样，将具有芯区域直径＝D_co＝10μm(而不是9μm)的稍微不同的标准空气芯MOF 70(图4和9A)与在芯区域90.1(图5B和9B)的左侧和右侧具有一对菱形扰动区域90.4的抑制HOM的MOF 90进行比较。在图9A中，曲线9.1表示标准MOF 70(图4)的芯区域的基模，而曲线9.2表示同一芯区域的最低损耗HOM。同样地，在图9B 中，曲线9.3表示抑制HOM的MOF 90(图5A)的芯区域的基模，而曲线9.4表示同一芯区域的最低损耗HOM。在两种情况下，基模(曲线9.1，9.3)都在1.4至1.55μm范围内具有最低损耗。图9A显示出对于该范围的大部分，标准MOF 70(曲线9.2)的最低HOM损耗几乎与基模一样低，这意味着HOM被很大程度上禁闭，并且在标准MOF中潜在地是非常有问题的。与此相反，图9B显示出HOM对基模损耗的比率增加了。同样，该结果表示并入扰动区域90.4实质性地增加了相关HOM的损耗，同时稍微降低了基模的损耗。

除了抑制HOM，基于本发明的MOF设计实质性地增加了光纤的可用带宽。考虑图6，其将标准MOF 70(图4)和抑制HOM的MOF 90(图5B)的模式损耗与波长之间的关系进行对比。曲线6.1和6.2对应于标准MOF 70的基模和HOM模式，而曲线6.3和6.4对应于抑制HOM的MOF 90的基模和HOM模式。曲线6.1和6.3显示对于两个MOF，基模损耗基本上相同；但是曲线6.2和6.4显示，抑制HOM的MOF 90(曲线6.4)的HOM损耗比标准MOF 70(曲线6.2)的HOM损耗大得多。

注意，曲线6.4显示出由局域峰分开的双谷(double dip)，其可以如下解释。光纤具有许多HOM，但是在图6(以及图8-9)中仅仅绘出了每个波长处的最低损耗HOM。该双谷由两个不同的HOM引起，至少其中一个在芯区域内被抑制。在波长较长处，这些HOM中的一个具有最低损耗；而在较短波长处，另一个具有最低损耗。

进一步考虑说明性的系统需要小于10dB/km的基模损耗和大于200dB/km的HOM损耗，在这些条件下，与抑制HOM的MOF 90(图6；较宽的矩形6.6)91nm的可用带宽相比，标准MOF 70仅具有25nm的可用带宽(图6；窄的矩形6.5)。

MOF 70(图4)和90(图5B)的HOM的强度曲线示于图5C中。更具体地说，示出抑制HOM的MOF 90的模式在1.538μm处的强度曲线的图5C突出显示了造成HOM抑制的模式耦合机制。由此，对于标准MOF 70(图4)，图5C的虚线曲线显示出HOM被很大程度上禁闭在芯区域，并且极少通过包层泄露。与此相反，对于抑制HOM的MOF 90(图5B)，图5C的实线曲线在扰动区域处表现出小的峰值。这些峰值表示从芯区域耦合到内包层区域的谐振光，其随后发生辐射泄露。

应当理解，上述配置仅仅是能够设计为代表本发明的原理的应用的许多可能的特定实施例的说明。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以基于这些原理设计大量改变的其它配置。特别是，尽管上面描述了不同的光纤尺寸怎样影响禁闭损耗，并由此避免任何实质部分的光能从扰动区域耦合回到芯区域，但是本领域技术人员应当清楚，存在其它的方法达到同样的结果；例如，使用吸收、散射、光纤弯曲、模式耦合或增益。另外，这些技术可以单独或相互结合使用。

另外，本领域技术人员还应当清楚，可以将上述的MOF应用于各种应用，包括通信系统或非通信系统。说明性的通信系统100示于图10。此处，传输MOF 105将辐射/光源101耦合到应用装置103，如图10所示。说明性的非通信系统(例如，传感器系统130)示于图11中。此处，至少具有中空芯的MOF 135通过入口132载有流体。例如，该流体是含有污染物的气体。光源131通过光路137(其可以包括合适的公知耦合器、透镜等，未示出)耦合进入MOF 135，在那里被污染物吸收。污染物对光的吸收作为例如在与污染物相关的波长处的光强的改变而被检测器133感知。MOF 135内的流体可以以静态或动态(流动)保持在MOF 135内。在两种情况下，流体可以通过出口134流出光纤。

可替换地，我的MOF也可以用于光学设备，例如，在图11所示类型的掺杂稀土元素的光纤放大器(REDFA)110中。REDFA 110包括基于本发明的掺杂稀土元素的MOF 112，其与波分复用器(WDM)114和应用装置120光学耦合。WDM 114将光学输入信号源116和光学泵浦源118的输出顺次耦合到MOF 112上。输入信号源116产生第一波长光学信号，其通过传统的光纤122耦合到WDM 114 的输入，而泵浦源118产生第二波长泵浦信号，其通过传统的光纤124耦合到WDM 114的另一输入。如现有技术所公知的那样，泵浦信号在MOF 112中产生粒子数反转，其将来自输入源116的光学信号放大。被放大的信号沿MOF 112传播到应用装置120。后者可以包括无数种公知的装置或设备；例如，另一放大器、光学接收器、光学调制器、光学耦合器或分束器，或一个终端设备。其每一个都典型地经过标准尾纤连接器(未示出)耦合到MOF 112。

最后，我上面已经举例说明了我的带隙MOF可以包含增益材料(例如，添加到芯区域的稀土元素)，但是本领域技术人员应当清楚，也可以将它们设计为是双折射的或保持偏振的，或者具有可调带隙特性。

Claims

1.一种带隙微结构光纤，其包括：

具有纵向轴的芯区域，

围绕所述芯区域的包层区域，所述芯和包层区域构造为在所述芯区域的至少第一横模和第二横模内沿所述轴的方向支持和导引光的传播，所述第一横模是所述芯区域的基模，所述第二横模是所述芯区域的较高阶横模，

所述包层区域包括内包层区域，所述内包层区域的垂直于所述轴的截面具有构造为通过带隙禁闭导引所述光的折射率的周期性空间变化，并且

所述内包层区域包括扰乱其内部的所述折射率的周期性的至少一个扰动区域，其特征在于

所述至少一个扰动区域构造为将所述芯区域的所述第二横模谐振耦合到所述扰动区域的至少一个横模，并且

所述扰动区域构造成抑制所述第二横模。

2.根据权利要求1的光纤，其中所述芯区域的所述第二横模的有效折射率和所述至少一个扰动区域的所述横模的有效折射率基本上彼此相等。

3.根据权利要求1的光纤，其中所述内包层区域包括多个所述扰动区域，其中至少两个所述扰动区域对称地位于所述芯区域的相对侧。

4.根据权利要求3的光纤，其中每个所述扰动区域的垂直于所述轴的截面具有基本上长方形的形状。

5.根据权利要求3的光纤，其中每个所述扰动区域的垂直于所述轴的截面具有基本上菱形的形状。

6.根据权利要求3的光纤，其中每个所述扰动区域的垂直于所述轴的截面具有基本上六边形的形状。

7.根据权利要求1的光纤，其中所述至少一个扰动区域构造为将所述芯区域的高阶第二横模谐振耦合到所述至少一个扰动区域的基横模。

8.根据权利要求1的光纤，其中所述芯区域是中空的。

9.根据权利要求1的光纤，其中所述芯区域填充有流体。

10.根据权利要求9的光纤，其中所述流体为空气。

11.根据权利要求1的光纤，其中所述芯区域填充有固体。

12.根据权利要求11的光纤，其中所述固体包括掺杂物。

13.根据权利要求1的光纤，其中所述芯区域的垂直于所述轴的截面尺寸大于所述至少一个扰动区域的截面尺寸。

14.根据权利要求13的光纤，其中所述芯区域的垂直于所述轴的截面尺寸近似为与所述至少一个扰动区域的截面尺寸的两倍一样大。

15.根据权利要求3的光纤，其中所述多个扰动区域以所述轴为中心按环形布置。

16.根据权利要求1的光纤，其中所述芯区域和所述至少一个扰动区域构造为避免任何显著的光能从所述至少一个扰动区域流入所述芯区域。

17.根据权利要求16的光纤，其中包层区域包括围绕所述内包层区域的外包层区域，并且其中所述芯区域和所述至少一个扰动区域构造为使光能从所述至少一个扰动区域泄露进入所述外包层区域。

18.根据权利要求2的光纤，其中所述光纤构造为在一波长范围上工作，并且其中所述芯和扰动区域的所述谐振横模的有效折射率在所述范围内的多个波长处基本上相等。

19.根据权利要求2的光纤，其中所述光纤构造为在一波长范围上工作，并且其中对于所述芯和扰动区域的所述谐振模式，在所述范围内，有效折射率相对于波长的导数基本上彼此相等。

20.根据权利要求1的光纤，其中所述第二横模有多个。

21.一种传输系统，其包括：

光辐射源，

用于接收所述辐射的应用装置，以及

将辐射从所述源耦合到所述应用装置的光纤，所述光纤包括权利要求1所述的带隙光纤。

22.一种传感器系统，其包括：

光辐射源，

用于检测所述辐射的参数改变的应用装置，以及

将辐射从所述源耦合到所述应用装置的光纤，所述光纤包括权利要求1所述的带隙光纤，其中至少所述芯区域包含改变所述辐射的所述参数的流体，所述应用装置构造为检测所述改变了的参数。

23.一种光学放大器，其包括：

根据权利要求1的带隙光纤，在该带隙光纤中，所述芯区域包含用于响应于施加到其上的泵浦能量而使在其中传播的光信号放大的增益材料，

所述泵浦能量的源，以及

用于将所述泵浦能量和所述光信号耦合进入所述光纤的耦合器。

24.一种微结构光纤，其包括：

具有纵向轴的芯区域，

所述包层区域包括内包层区域和外包层区域，所述内包层区域的垂直于所述轴的截面具有构造为通过带隙禁闭导引所述光的折射率的周期性空间变化，并且

所述至少一个扰动区域构造为将所述芯区域的第二横模谐振耦合到所述扰动区域的至少一个横模，

其中所述芯区域和所述至少一个扰动区域构造为避免任何显著的光能从所述至少一个扰动区域流入所述芯区域，并且

其中所述芯区域和所述至少一个扰动区域构造为使光能从所述至少一个扰动区域泄露进入所述外包层区域。