CN101836143A - 空心芯光子晶体光纤 - Google Patents

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Abstract

一种具有工作波长的空心芯光子晶体光纤(HCPCF)，所述HCPCF包括：具有第一折射率的芯区域；包围所述芯区域并包括按照具有间距的横向结构排列的多个微毛细管的包层区域，所述结构的间距比所述工作波长大至少五倍，所述包层区域具有比所述第一折射率大的第二折射率。

Description

空心芯光子晶体光纤
本发明涉及一种具有大间距的空心芯光子晶体光纤(HCPCF)。“大间距”意味着光子结构的间距达到HCPCF工作的光波长的五倍或更大的尺寸量级。本发明还涉及一种具有包括相对薄的连接微毛细管壁的横向结构的HCPCF。本发明还涉及制造HCPCF的方法。
目前已知的HCPCF具有由二氧化硅微毛细管的包层包围的空心芯并产生光子带隙(PBG)，该光子带隙将特定光波长范围内的电磁波俘获在芯缺陷(core defect)中。HCPCF理论上围绕两个权衡因素设计：对目标波长下的大PBG的需要以及利用可用方法制造光纤的可行性。在所有已知的包层结构中，这两个因素之间的最佳折中是三角形格子HCPCF。
这样的三角形格子HCPCF的实例具有二氧化硅基底中的空气孔的三角形排列、超过90％的空气填充率和约等于工作波长(λ)两倍的间距(Λ)，该间距是包层结构中的空气孔中心之间的距离。例如，对于一个这样的HCPCF，以1550nm的红外线(IR)波长为中心的最大约300nm的宽带隙需要3-4μm的间距。
这种HCPCF的波导性能产生了诸如有效拉曼激光、气体激光器光纤设备、大功率光孤子传输和有效电磁波诱导透明度的应用。
然而，获得光谱的可见光或紫外线(UV)区域的光纤波导所要求的间距是IR的光纤波导的间距的1/2到1/4。这是因为PBG处于相对低的归一化频率kΛ≌12处，其中传播常数k＝2π/λ，间距与波导波长成线性比例。通常，对于任何已知的可见光或UV的光纤波导，间距必须小于2μm。
这样的HCPCF的制造带来了几个工程技术挑战。首先，使PBG的光学波长跨度最大化所需要的包层结构的空气填充率必须大于90％。这通常涉及在进行堆叠以产生所要求的结构期间蚀刻毛细管或者穿过间隙孔将玻璃杆插入在纤细的毛细管之间。第二，芯模与位于芯周围的界面模(interface mode)耦合，该耦合显著地影响波导。这就意味着在制造期间需要精确地设计和控制芯形状、厚度和尺寸。第三，在光纤拉制工艺期间难以精确控制所需的小间距。
由于所使用的制造技术(传统上，毛细管是被吹制的并且接着利用诸如气态氟化氢(HF)的气体进行蚀刻)，这些小间距三角形格子HCPCF也遇到了例如因为可能会出现不期望模态而使它们的光学性能不是最佳的问题。这些制造可见光和UVHCPCF传导和使传导的光与二氧化硅重叠所固有的问题把它们的损耗(光学衰减)限制到大约1dB/m。
除了制造困难之外，还存在阻止这样的三角形格子光纤用在需要宽带波导或可见光或UV波导应用中的其他缺点。这些包括光纤的固有的窄光学传输带宽、基模和界面模之间的重叠以及高的二氧化硅中光(light-in-silica)的比例。
在权利要求中对本发明进行阐述。
根据一个方面，提供了一种间距(“大”间距)比工作波长大五倍或更多倍的HCPCF。这样的HCPCF具有各种令人惊讶的光学性能。这种光纤波导机制消除了当前已知的HCPCF存在的一些局限性。该光纤具有处于高归一化频率(约20＜kΛ＜400)的传输区域。该光纤展示出了相对低损耗的宽传输区域，该宽传输区域可以比例如上述已知的三角形HCPCF的传输区域大二十倍。该光纤相对容易制造，并且展示出低的表面模耦合、高的芯中光(light-in-core)的比例和低的色散。
根据另一方面，提供了一种具有横向结构的HCPCF，该横向结构包括连接节点的细条(cane)包层壁的相对薄(小于间距Λ的5％并且优选地小于3％)部分，使得低折射率包层结构成分(例如空气)的物理尺寸接近间距的物理尺寸，同时高折射率包层结构成分(例如二氧化硅)的物理厚度仅仅是间距的3％或更少。因为使连接壁的厚度最小化意味着对于这种光纤出现更少的包层模，并且支撑模(supported mode)的特性意味着它们与芯模相互影响很少，所以这种HCPCF具有改进的光学特性。
这种光纤的光学特性通过以下事实进行解释：与例如已知的三角形HCPCF比较，这种光纤不是通过PBG传导，而是通过包层模和芯模之间耦合极其微弱的机制传导。因此，相应的光子结构不是具有带隙的那种，而是支持光子模的那种，这种光子模展示出芯模和包层模之间的横向光场的高度失谐。
根据进一步的方面，制造HCPCF时在制造期间的受控加压意味着在获得期望壁厚度的制造期间可以控制壁厚度。
另外地或可选地，利用液态HF基蚀刻剂对形成包层的细条的蚀刻还使壁厚度能够控制，这意味着可以控制所获得的壁厚度并且可以获得期望壁厚度。利用这种制造方法可以获得上述具有相对薄连接壁的HCPCF结构。
现在将参照所附附图对本发明的实例进行描述，其中：
图1A到1E分别是具有蜂窝形、可果美(kagome)(六芒星形)形、正方形和两种同心环排列的毛细管的实例的HCPCF的图；
图2A到2D分别是蜂窝状、可果美、正方形和同心环结构的有效折射率对归一化频率的光子态密度的分布图；
图3从左到右分别示出了利用单个单元、7个单元和19个单元芯缺陷制造的三个实例的可果美结构HCPCF的扫描电子显微镜(SEM)和光学显微照片图像；
图4是图3所示的实例的可果美HCPCF的物理尺寸的图表；
图5A示出了19单元缺陷光纤的传输和衰减光谱；
图5B示出了单个单元缺陷光纤的传输光谱；
图5C示出了单个单元缺陷光纤的测量的群延迟和多项式拟合以及色散；
图6(A、B和C)示出在700nm波长处测量的单个单元缺陷光纤的选择性激励模态的实验上映像的近场轮廓和(D)示出在A中所示的模态的强度横截面；
图7示出了利用施加到包层和芯的(A)0kPa、(B)20kPa和(C)50kPa的气体压力和相关的光谱制造的可果美光纤的包层的扫描电子显微镜图像；
图8是图8中所示的实例光纤的间距和柱体厚度的图表；
图9示出了实例HCPCF制造工艺的第一部分；以及
图10示出了实例HCPCF制造工艺的第二部分。
总体而言，第一公开的光纤是具有间距比工作波长大至少五倍的横向结构的HCPCF。HCPCF还可以被称为带隙光纤、空气导光型带隙光纤或者微结构光纤。这里所使用的术语HCPCF被理解成涵盖对于所属领域技术人员所熟知的所有这样可选的技术术语。HCPCF具有由二氧化硅微毛细管3的包层2包围的空心芯1(还参见图3)。“横向”意指垂直于波导方向的方向。波导方向是毛细管3中的孔6的长度方向。如图1中所示，光纤的间距是毛细管3中的孔6的中心之间的距离5。
图1B所示的实例的包层结构是六芒星形排列的可果美结构，其中在包层2的主体中，微毛细管3具有近似六边形的周界，并且在它们之间出现近似三角形空间4。该实例的光纤的间距在10μm和14μm之间。
这种实例的可果美光纤的传输带可以发生在20-400的归一化频率kΛ的范围。因此，具有至少10μm的间距使得能够传输约100nm-3000nm范围内的波长。对于具体结构，kΛ的上限通过芯导模和包层孔的导模之间的相位匹配来设定。对于可果美格子，在kΛ大于400时导波仍可以出现，但是具有较高的损耗。显示蜂窝状、可果美、正方形和同心环格子的光子态密度的图2A到2D示出了对应于最小间距的位于30到200之间的工作归一化频率kΛ，该最小间距比工作波长大大约五倍。对于图2C和2D中所示的同心环，壁厚度7可以小于例如间距6的尺寸的0.05，而间距6可以是例如6μm或更大。
以下将参照图3到6，对具有不同芯尺寸的可果美结构HCPCF的一些更多的具体实例进行描述。芯越大，出现的芯模的数量越多。
图3示出了三个实例的可果美结构HCPCF的扫描电子显微镜(SEM)(图中的上排图像)和光学显微照片(图中的下排图像)图像，每个HCPCF具有300μm的外径。图4概括了光纤的尺寸。图3a示出了其中单个单元产生芯1缺陷的光纤，即，在该结构中省掉了一根微毛细管。图3b示出了7单元的缺陷芯光纤，而图3c示出了19单元的缺陷芯光纤。在这些实例中，芯最小的单个单元缺陷光纤芯的直径为大约22μm。这在尺寸上与19单元的缺陷三角形格子HCPCF芯相当。19单元的缺陷光纤芯尺寸可达到大约65μm的直径。样本之间的间距和柱体厚度的小差异使得不同颜色被引导通过包层。
图5A示出了具有两个高传输区域的实例的19单元的光纤样本的传输光谱：一个在跨越250nm的可见光范围中，另一个在700nm大的IR中。在低传输区域(800nm-1025nm)还可以出现低级芯导。图5A还呈现了19单元的缺陷光纤的回切(cut-back)损耗测定，其具有对近IR带平均为0.75dB/m并达到0.3dB/m最小值的平坦衰减。对于大部分可见光带，损耗也在2dB/m以下，该损耗相对接近于在该光谱区域中导波的三角形格子HCPCF的损耗。
图5B示出了实例的单个单元光纤的传输光谱。虽然它不像19单元的光纤一样平坦，但它依然具有两个明显的高传输区域。值得注意的是，诸如在620nm处观察到的峰并不是因为与界面模的反交叉(anti-crossing)。实际上，这些光谱区域附近的可果美光纤的近场轮廓的观测表明：不存在耦合到二氧化硅环境中或者该光谱区域附近的任何其他高阶模的证据，反而表明峰是由两个靠近的间隔开的高传输带产生的。
图5C呈现了通过干涉测量法获得的90cm长的单个单元光纤的所测量的群延迟和色散。虽然除了在上述峰处之外，贯穿整个2ps/nm/km传输区域的平均值是三角形格子光纤的色散的1/25，但是色散具有光子带隙光纤的典型倾斜的、平坦的S形。传输光谱和色散特性的形状表明导波是由于芯导模和快速震荡包层模之间的抑制耦合。这可以从光纤传输对于弯曲的低敏感度和可以通过增加或减少可果美格子间距来红色或蓝色偏移传输带的事实得到支持。
图6示出了传输通过1m的工作中的单个单元缺陷光纤的700nm光的近场图案。该光纤仅仅支持由基模(A)和多个四次交叠衰变高阶模中的两个(B和C)组成的有限数量的模。另外，如在图5D中的辐射轮廓中所示，激励基模被非常好地限制在芯中。大部分模强度在芯边界内，其中在二氧化硅环境或者包层孔中没有检测到光，这表明在第一圈孔中消光比大于20dB，该消光比比三角形格子HCPCF的消光比小很多。该模轮廓接近于高斯形状，这表明基模是最主要的。700nm处测量的该基模的数值孔径是0.035。
申请人已经意识到，构成包层结构的连接柱体的相对于间距而言相对小的厚度值产生了一种情况：如图2中所示，支撑模一方面具有非常快的横向震荡，另一方面具有陡的色散曲线(有效折射率随着归一化频率变化)。这两个特征使与芯导模的相互影响最小化。因此，获得具有“大”间距的改进的光学性能的替代或附加的方法是具有“小”的连接壁厚度。
因此，理想地，HCPCF的结构仅仅由“节点”例如包层的横剖面的顶点限定。虽然对于限定该结构的实际目的，连接壁是需要的，但是细条3的连接壁在理想状态下完全不存在。壁不利地影响得到的HCPCF的光学性能，并且期望使毛细管壁尽可能地薄。这既可以应用到诸如间距比工作波长大超过五倍的第一公开光纤的光纤，也可以应用到具有相对较小间距的光纤。毛细管壁越薄，意味着出现的模越少，并且这些模的相互影响越少。此外，壁越薄，传输带越宽。因此，第二公开光纤具有这样一种结构：如图1中所示，光纤的由毛细管3构成的包层2的横剖面具有由柱体/壁连接的节点图案。这些节点可以具有200nm-1μm范围内的厚度。连接部分的厚度可以小于间距的3％，或者更特别地，小于间距的1％。
以下对一种提供该结构的制造方法进行描述。
图7和8示出了出于优化传输带的目的制造的三个可果美光纤的特性。所需的包层柱体8的变薄通过在光纤拉制工艺期间增加施加在包层2和芯1中的气体压力而获得，以下将进一步讨论。可以看出，光纤B和C与光纤A相比所获得的厚度减少导致传输带宽随着传输带向较短波长的偏移而显著增加。包层区域2的扩展还使得间距尺寸略微增加，但是因为低传输带的光谱位置受柱体宽度所决定的玻璃成分柱体的共振而驱动，所以光谱特征并不会变化到如传统上预期地那样较长的波长。光纤C具有变薄到大致可以把最低强度的柱体共振推到近600nm的柱体8。这样的厚度足以使光纤能够限制具有低泄漏损耗的达2500nm波长的光。
如图9和10中所示，实例的光纤通过堆积和拉制技术由薄的圆形毛细管3制成。毛细管通常由二氧化硅制成，并且可以是例如1m长，约1mm直径。毛细管的厚度可以小于其直径的4％。与传统的三角形格子HCPCF不同，不需要玻璃杆来填充空隙孔4。堆积毛细管3以给出预成品9。通过在堆积物的两侧堆积较短的毛细管3并在中间留下间隙而产生芯缺陷1。把预成品放入到管套10中以进行稳固并采用标准拉伸工艺来给出中间预成品11，其中毛细管也被称为细条。可以以例如每分钟大于等于50mm的速度以及大于等于400g的张力拉伸预成品。在该工艺期间，可以应用包层和/或芯和/或使堆积物和管套分离的区域的受控加压。为了保持间隙孔打开，拉制温度保持在1900℃以下。对于可果美格子，堆积的毛细管之间的接触点间的玻璃表面张力形成了可果美结构的六芒星形图案。
接着，将外管套(未示出)围绕中间预成品11放置以进行稳固，并且如图9中所示，在炉12中利用标准拉制工艺整体拉制成光纤13。拉制步骤可以用例如小于等于60kPa的包层压力和小于等于60kPa的包层压力进行。在光纤拉制工艺期间，可以通过单独地加压芯、包层和使外套管与包层分离的区域来保持结构的完整性。可以通过增加包层和芯压力使其超过50kPa而使结构的空气填充率增加到超过90％。例如对于可果美结构，为了保持三角形孔和结构的高空气填充率，在低温、高的预成品馈送速率和大的拉制张力下拉制光纤。虽然所属领域技术人员所了解的，下面的数值取决于使用的拉制设备(例如，塔、细条和套尺寸)，但是可以分别使用小于1950℃的温度、大于50mm/min的馈送速率和大于400g的拉制张力。对于大于10μm的间距，光纤的典型的外径是300μm。在拉制光纤时，这样的大结构使精确地控制光纤的尺寸能够可行。
可以通过如上所讨论的堆积和拉制毛细管简单地制造大间距的可果美、蜂窝状或正方形HCPCF，并且可以通过与堆积和拉制工艺类似的已知工艺制造同心环。对于所有这些情况，利用芯和包层孔的单独加压制造HCPCF意味着在提供期望壁厚度的制造期间可以控制壁厚度。
在光纤拉制之前，可以利用液态氟化氢(HF)或者适于二氧化硅蚀刻的任何其他液态HF基剂来蚀刻细条，以减小包层壁的厚度并因而增加空气填充率。可以把蚀刻剂泵入到细条中，其中控制蚀刻剂的浓度和/或蚀刻持续时间以减小包层壁的厚度。在蚀刻工艺之后，用水冲洗细条。有利地，这样的蚀刻用来提供如上所述的极其薄的壁和节点6。
为了获得薄的连接壁，在拉制毛细管以制备除了可果美结构之外的结构时，也可以使用这样的液态蚀刻。该蚀刻可以在用所属领域技术人员已知的标准工艺拉制中间预成品之前进行。
预处理和后处理细条可以通过减少形成包层的二氧化硅内的水和杂质的量而减少光学衰减。
给包层结构增加更多的环可以进一步降低由于减少导模的限制损耗而产生的损耗。
图3c所示的19单元缺陷芯的椭圆率归因于光纤拉制工艺期间使用的套管的初始椭圆度。这样的椭圆芯可以用于偏振保持实验。
基于大间距(大于目标波长的五倍)包层的HCPCF给出了多个光学特性，其包括具有相对低损耗和低色散的宽光学传输带、没有可检测的表面模以及光在芯中的高限制，所述宽光学传输带覆盖光谱的可见光和近红外线部分。这就意味着这种类型的光纤可以用于传导可见光和UV。其可以用到可见光区域中的使用原子蒸汽(例如，铯、钠和碘)的应用或者需要大空心芯(例如大于20μm)的任何应用。这种光纤的应用还包括气敏、量子光学和高次谐波产生。
超平坦色散特性和低的二氧化硅中光的比例(如单个单元光纤所示的)意味着这些光纤可以用在跨越大的光学带宽的气体介质的非线性光学中，例如，高次谐波产生或光孤子传输。
单个单元缺陷光纤可以选择性地耦合到具有超低色散和有限弯曲损耗的基模。因为较大的芯空气孔增加了气流，所以光纤的相对大的芯尺寸使气体填充工艺简单化，并降低了量子光学应用中的壁诱导的去相干。
比间距大超过大约5倍的芯(例如19单元的缺陷可果美光纤的芯)增加了气体进入芯内的容易程度并可以用于气敏应用。
除了给出期望的光学特性之外，因为以较大比例拉制细条，所以HCPCF的大间距使得制造起来比传统的HCPCF更加容易。
间距和缺陷尺寸并不限于这里所述的三个实例。毛细管可以是所属领域技术人员已知的适于PCF应用的任何标准的二氧化硅毛细管。所公开的HCPCF在操作上所需要的组件可以是任何已知的标准组件。
如上所述，光纤的可能适合的包层结构的实例是正方形格子、可果美结构、蜂窝状格子、三角形格子和同心环结构。这些可以具有例如大于10μm的间距，并且如上所讨论，可以具有非常薄的连接柱体。不同类型的格子可展示出可以出现波导的归一化频率的不同上限。对于具有不同包层格子结构但是相比间距而言具有非常薄连接的包层的高折射率成分的光纤，可以发现与以上讨论的可果美光纤的波导特性类似的波导特性，所述间距主要通过包层的低折射率成分(例如空气)的孔尺寸确定。只要该结构能够使包层模表现出抑制与芯模的耦合的快速横向震荡(相对于芯模的横向震荡而言)，就可以出现跨越宽传输带的相对低损耗的波导。
可以使用根据所述实例的HCPCF的应用实例是多倍频程(例如三倍频程)光谱梳产生(例如，从325nm到2300nm的跨度波长)，例如产生阿秒(微微秒)脉冲。HCPCF可以用在利用瞬时受激拉曼散射的超宽梳状光谱的产生，该拉曼散射可以用泵浦仅仅通过12ns脉冲宽度、1054nm波长和不超过40kW峰值功率的单束激光获得。这代表着比现有技术所要求的激光功率降低了六个数量级，并且实质上使驱动高阶受激拉曼散射(HSRS)的激光简单化，因而提供了一种避免已知的高次谐波产生(HHG)对转换效率和光谱位置限制的可选方法，从而开启了阿秒科学领域的很多可能性。

Claims (28)

1.一种具有工作波长的空心芯光子晶体光纤(HCPCF)，所述HCPCF包括：
具有第一折射率的芯区域；
包围所述芯区域并包括多个微毛细管的包层区域，所述多个微毛细管按照具有间距的横向结构排列，所述结构的间距比所述工作波长大至少五倍，所述包层区域具有比所述第一折射率大的第二折射率。
2.根据权利要求1所述的HCPCF，其中所述结构包括：多个节点，所述节点位于所述结构的顶点处并具有小于所述间距的10％的厚度；和多个微毛细管壁部分，所述微毛细管壁部分连接所述节点并且在横向方向上具有小于所述间距的5％的厚度。
3.一种HCPCF，包括：
具有第一折射率的芯区域；
包围所述芯区域并包括多个微毛细管的包层区域，所述多个微毛细管按照具有间距的横向结构排列，所述包层区域具有比所述第一折射率大的第二折射率；
其中所述结构包括：多个节点，所述节点位于所述结构的顶点处并具有小于所述间距的10％的厚度；和多个微毛细管壁部分，所述微毛细管壁部分连接所述节点并且在横向方向上具有小于所述间距的5％的厚度。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的HCPCF，其中所述结构具有至少10μm的间距。
5.根据权利要求2到4中任一项所述的HCPCF，其中所述节点具有200nm-1μm范围的厚度。
6.根据权利要求2到5中任一项所述的HCPCF，其中所述连接部分具有小于所述间距的3％的厚度。
7.根据权利要求6所述的HCPCF，其中所述连接部分具有小于所述间距的1％的厚度。
8.根据任一项前述权利要求所述的HCPCF，其中所述芯区域是由至少部分省掉了一根微毛细管而产生的缺陷。
9.根据权利要求1到7中任一项所述的HCPCF，其中所述芯区域是由至少部分省掉了七根微毛细管的而产生的缺陷。
10.根据权利要求1到7中任一项所述的HCPCF，其中所述芯区域是由至少部分省掉了十九根微毛细管而产生的缺陷。
11.根据任一项前述权利要求所述的HCPCF，其中所述HCPCF具有可果美结构。
12.根据任一项前述权利要求所述的HCPCF，其中所述结构的间距比所述工作波长大至少十倍。
13.一种用于产生高阶受激拉曼散射(HSRS)的系统，所述系统包括根据任一项前述权利要求所述的HCPCF。
14.一种制造HCPCF的方法，所述方法包括以下步骤：
堆积多个微毛细管以形成具有芯区域的预成品，其中通过至少部分省掉了至少一根微毛细管而形成所述芯区域；
利用受控加压来拉伸所述预成品，以形成中间预成品；
在压力下拉制所述中间预成品，以形成HCPCF包层。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：利用包括液态氟化氢(HF)的蚀刻剂蚀刻所述中间预成品的包层。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述蚀刻剂是液态HF。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的方法，其中控制HF浓度、蚀刻时间和流速中的至少之一以控制微毛细管壁厚度。
18.根据权利要求14到17中任一项所述的方法，其中将所述微毛细管壁厚度控制为小于3％间距。
19.根据权利要求14到18中任一项所述的方法，其中以小于等于60kPa的芯压力进行所述拉制步骤。
20.根据权利要求14到19中任一项所述的方法，其中以小于等于60kPa的包层压力进行所述拉制步骤。
21.根据权利要求14到20中任一项所述的方法，其中以每分钟大于等于50mm的速率拉伸所述预成品。
22.根据权利要求14到21中任一项所述的方法，其中以大于等于400g的张力拉伸所述预成品。
23.根据权利要求14到22中任一项所述的方法，其中在所述堆积步骤中至少部分省掉了七根微毛细管。
24.根据权利要求14到22中任一项所述的方法，其中在所述堆积步骤中至少部分省略掉了十九根微毛细管。
25.根据权利要求14到24中任一项所述的方法，其中所述HCPCF具有至少10μm的间距。
26.一种产生HSRS的方法，包括激励限制在根据权利要求1到12中的任一项所述的HCPCF中的气体的步骤。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述气体是氢或者氘。
28.一种基本上如这里参照附图所述的HCPCF、HSRS产生系统或方法。
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