CN1143147C - 单模光纤及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于传输光辐射的光纤，包括：由基本上透明的芯材料成的芯，芯折射率为n，长度为L，芯直径至少为5μm，和包围芯材料长度的包层区，包层区包括具有第一折射率的基本上透明的第一包层材料，第一包层材料沿着它的长度上掩埋有基本上呈周期阵列的孔，孔直径为d，分开的间距为Λ，所述孔具有小于第一折射率的第二折射率，其中上述d/Λ比值足够小，且对于固定的d/Λ，对于任何间距值Λ，光纤是与输入辐射波长无关的单模式。该光纤能够比传统光纤以单模方式传输更高功率的光辐射。本发明还涉及包括掺杂粗芯光子晶体光纤的光纤放大器和光纤激光器，以及使用该光纤传输光辐射的系统。

Description

单模光纤及其应用
技术领域
本发明涉及单模光纤，该单模光纤可以用于以实质上比使用传统方法可以达到的功率更高的功率传输光辐射。该光纤在高功率下受非线性影响和光学损坏的程度与传统光纤不同样。特别是，该光纤可以用作单模波导、用于单模光纤激光器或者单模光纤放大器中。
背景技术
光纤广泛用于从一点向另一点传输光，而且可以用于通信、成象和传感。传统上，典型光纤是长股透明材料，沿着它的长度上是均匀的，但是折射率沿着截面变化。例如，高折射率的中心区被低折射率的包层区包围。这样的光纤可以由熔融二氧化硅制成，纯二氧化硅包层包围芯，所述芯由故意加入杂质的二氧化硅制成，以便提高折射率。通过在芯和包层之间的界面上发生的全内反射过程，光被限制在芯内或附近。
通常，这种类型的光纤可以支持限制在芯内的一个以上的传播模式(即多模光纤)，这些模式沿着光纤以不同的相速度传播。然而，如果芯制成足够小，那么将只有一个传播模式基模限制在芯内(即单模光纤)。也就是说，当光纤的发射端的条件变化时，和当光纤本身经受干扰例如横向压力或者弯曲时，从光纤出射的光分布不变。通常，设计成传播波长为1500nm的单模光的光纤芯可能具有百分之几的锗掺杂剂，芯直径为9μm。
最近，已经研究出一种光子晶体光纤(PCF)，该光纤包括由透明材料制成的包层，在包层中沿着光纤长度上掩埋有孔阵列[J.C.Knight，etal.Opt.Lee，21(1996)p.1547.Errata：Opt.Lett.22(1997)p.484]。这些孔横向排列成周期性阵列，并填充折射率比包层区部分低的材料，该光纤的芯包括打断包层周期性的透明区。通常，芯和包层都由纯熔融二氧化硅制成，而且孔中填充空气。芯直径大约为5μm，整个光纤的平面-平面宽度大约为40μm，孔间距大约为2-3μm。如果光纤中空气孔的直径是孔之间距离或间距的足够小的一部分，光纤芯以单模方式传播光。
在远距离通信、激光功率传输和许多传感器应用领域中单模光纤优于多模光纤，这是由于如下事实，即被光纤运载的光信号只以一种模式传播，从而避免了多模光纤遇到的模间色散问题。而且，在给定波长保证单模光纤上的光强度分布单调、平滑、已知而且不变化。这与光怎样入射到光纤及光纤的任何干扰无关(例如随时间变化)。
在许多应用中最好光纤运载尽可能多的光功率，因为例如任何光纤都不可避免地衰减通过它的光。例如，对于给定的传感器灵敏度，可以通过增加输入到光纤的光辐射功率增加通信链路的长度。作为另一个例子，如果通过光纤而不是使用传统的光学系统传播光，在工业应用中有许多高功率激光器系统可以更简单地制造。然而，已知光纤在给定时间内运载的光量是有限的。
在传统光纤中，包括被低折射率包层区包围的芯区，如果光纤中的光强度超过阈值，制成光纤的材料将最终不可恢复地损坏。在低强度时，可能出现许多与强度有关的非线性光学过程，虽然这些过程不损坏光纤，然而可能降低甚至破坏光信号。
这些问题可以通过增加光纤芯的尺寸减轻，对于给定的功率，这样可以降低芯中的光强度，从而允许在达到非线性过程的阈值之前运载较大功率。然而，如果只增加芯直径，光纤将变成多模。这可以通过降低芯与包层之间的折射率差补偿。然而，最终将变得难以控制芯中掺杂的均匀性。而且，折射率差较小的光纤在弯曲时容易损失光。因此，为了增加单模光纤的功率容量而增加芯尺寸的程度受到限制。
一些非线性影响由于芯中存在掺杂剂而加重，这样使得材料更容易受这些影响。在高功率时，掺杂光纤更容易不可恢复地损坏。掺杂剂也使得光纤更容易被离子辐射损坏，这在核工业中是一个问题。这一问题已经通过用纯二氧化硅以外的材料制造芯解决。通过在包层中加入掺杂剂降低它的折射率，来保持全内反射，因为包层中传播的光比芯中少，因此可以传播较高功率。然而，这受到部分光在掺杂包层中传播这一事实的限制。
此外，在传统光纤中，有效地高功率激光耦合到光纤中成为问题，因为需要把光聚焦在小点上，因此光纤端面上的强度比较粗芯时的大。光纤端面上或附近的光损坏有时会限制可以发射到光纤中的光辐射功率[S.W.Allison et al.，Appl.Opt.24(1985)p.3140]。传统单模光纤中已经达到的最大连续波(cw)功率只有大约15W。
发明内容
本发明克服利用传统光纤传输高功率光辐射同时保持单模特性两者不相容的问题。特别是，光纤可以用作从一点到另一点传播光辐射的波导，或者可以用于光纤放大器或光纤激光器中。该光纤能够支持最大功率在100W-2kW范围内的光辐射单模传播。而且，如果芯不掺杂，与传统(掺杂)光纤相比该光纤在高强度下不容易不可恢复地损坏。光纤中的非线性光学过程的影响被降低，因此从光纤输出的高功率信号不被降低。该光纤还有一个优点，即高功率光辐射可以有效地耦合到光纤中，而不需要聚焦成小尺寸光束点。
根据本发明的一个方面，用于传输光辐射的光纤包括：由基本上透明的芯材料制成的芯，芯折射率为n，长度为L，芯直径至少为5μm，和包围芯材料长度的包层区，其中包层区包括具有第一折射率的第一基本上透明的包层材料，而且所述第一基本上透明的包层材料沿着它的长度上掩埋基本上呈周期阵列的孔，孔的直径为d，分离间距为Λ，其中所述孔具有小于第一折射率的第二折射率；且对于固定的d/Λ，对于任何间距值Λ，光纤是与输入辐射波长无关的单模式。以便孔直径d和间距Λ的尺寸配合，产生单模传播。
如果孔的直径为d，而且分离距离为Λ，对于基本上固定的d/Λ比值，光纤对于任何间距值Λ可以是与输入光辐射波长无关的单模式。本发明提供如下优点，即与利用传统光纤可以实现的扩展波长范围相比，对于该范围内的任何波长光纤可以制成单模。这是因为对于扩展波长范围内的任何波长，对于固定d/Λ比值光纤保持为单模。
最好，第一基本上透明的包层材料的折射率可以不低于芯折射率。在最佳实施例中，芯直径至少可以是10μm。在另一个最佳实施例中，芯直径至少可以是20μm。
在本发明的一个实施例中，至少可以缺少阵列中的一个孔使得它形成光纤的芯。孔可以设置成大体上呈六角形图案。
最好，第一基本上透明的包层材料的折射率可以不低于芯折射率。在最佳实施例中，芯直径至少可以是10μm。在另一个最佳实施例中，芯直径至少可以是20μm。
在本发明的一个实施例中，至少可以缺少阵列中的一个孔使得它形成光纤的芯。孔可以设置成大体上呈六角形图案。
孔可以是真空区或者可以填充第二包层材料。例如，第二包层材料可以是任何基本上透明的材料，可以是空气或其他气体(例如氢气或者烃)，可以是液体(例如水、任何其他透明的溶液或者染料溶液)，或者可以是固体(例如折射率与第一包层材料不同的玻璃材料)。
第一基本上透明的包层材料可以具有基本上均匀的第一折射率，而芯材料具有基本上均匀的芯折射率。芯材料和第一基本上透明的包层材料可以是同一种材料。例如，至少芯材料和第一基本上透明的包层材料之一可以是二氧化硅。最好，孔直径不小于光纤中将传播的光的波长。在本发明的最佳实施例中，孔之间的间距Λ不小于芯直径c的四分之一，而且不大于芯直径c的二分之一。
在本发明的一个实施例中，基本上透明的芯材料可以包括掺杂材料，例如诸如铒的稀土离子。
根据本发明的第二方面，用于放大信号辐射的光纤放大器包括：
一定长度这里所述的光纤，用于接收选择波长的信号辐射并沿着它的长度方向传输所述信号辐射，其中芯材料至少沿着它的部分长度包括掺杂材料，
辐射源，用于发射不同选择波长的泵浦光辐射，以便输入到所述长度的光纤中，使得在泵浦光辐射作用下所述掺杂芯材料部分放大信号辐射，以及
波长选择发射装置，用于选择发射泵浦光辐射进入所述长度的光纤，和用于从光纤放大器中选择输出放大的信号辐射。
例如，波长选择发射装置可以包括输入透镜和输出透镜，用于聚焦光辐射的；和二向色镜，用于选择反射泵浦光辐射进入光纤，和用于选择发射光纤放大器输出的放大的输入光辐射。或者，波长选择发射装置包括响应与波长相关的光纤定向耦合器。
掺杂材料可以包括稀土离子，例如铒离子。
根据本发明的另一个方面，用于输出激光辐射的光纤激光器包括：
这里所述的一定长度的光纤，用于沿着它的长度方向选择传输具有选择波长的激光辐射，其中芯材料的部分长度包括掺杂材料，
光辐射源，用于发射不同选择波长的泵浦光辐射，以便输入到所述长度的光纤中，使得在泵浦光辐射作用下所述掺杂芯材料放大激光辐射，
波长选择发射装置，用于选择发射泵浦光辐射进入所述长度的光纤，和用于从光纤激光器中选择输出放大的激光辐射，以及
反馈装置，用于选择反馈一部分放大的激光辐射，使得所述放大的激光辐射反复通过所述光纤长度，并进一步被放大。
掺杂材料可以包括稀土离子，例如铒离子。
在光纤激光器的一个实施例中，波长选择发射装置和反馈装置可以共同包括两个二向色镜，其中每个二向色镜位于沿着光纤的长度的不同位置上，而且其中的掺杂芯材料位于两个二向色镜的位置之间。
在光纤激光器的另一个实施例中，反馈装置和波长选择发射装置可以共同包括两个光纤光栅，形成在沿着光纤长度的两个不同位置上，使得掺杂芯材料位于两个光纤光栅的位置之间。
在本发明这方面的另一个实施例中，光纤激光器可以是环形谐振光纤激光器，其中反馈装置包括：
用于把从所述长度的光纤一端出射的光传播到所述长度光纤的另一端的装置。
根据本发明的另一方面，用于以单模传播方式传输光辐射的系统包括：
多个这里所述的一定长度的光纤，设置成串联方式，使得串联结构中每个长度的光纤接收来自前一个长度的光纤的输入光辐射，并且输出光辐射至串联结构中的下一个长度的光纤，而且每个长度被放大装置分开，所述放大装置用于放大来自所述长度光纤的光辐射输出以便把所述长度光纤传输的光辐射功率保持在预定功率之上。
在最佳实施例中，放大装置可以包括这里所述的光纤放大器。
现在将结合下面的附图仅以举例方式描述本发明。
附图说明
图1示出传统台阶折射率光纤的示意图；
图2a和2b示出光子晶体光纤的示意图；
图3描述了把辐射耦合至相对大的光子晶体光纤芯中的优点：
图4示出粗芯光子晶体光纤放大器；
图5示出可以用于图6所示的粗芯光子晶体光纤放大器中的波长选择耦合器装置；
图6和7示出包括粗芯光子晶体光纤的光纤激光器结构；
图8描述了可以用于制造粗芯光子晶体光纤的堆积和拉伸处理；
图9示出切开的本发明粗芯光子晶体光纤端面中心区的SEM图象；
图10示出图9所示光子晶体光纤输出端的近场图象；
图11示出光子晶体光纤端面上近场分布曲线；以及
图12示出光子晶体光纤的有效V值曲线。
具体实施方式
参考图1，传统的台阶折射率光纤1包括具有均匀折射率n1、半径为r的圆形芯2，圆形芯2被具有均匀折射率n2的包层材料3包围。对于波长为λ的光，台阶折射率光纤1支持的传播模式数目由V值决定，其中V由下式给出： V = 2 πr λ n 1 2 - n 2 2 公式1
只要V小于2.405，台阶折射率光纤就是单模的。因此，一般地传统的单模台阶折射率光纤操作成使得V略小于2.405。
注意：粗芯光子晶体光纤中多模传输的阈值水平V与传统单模台阶折射率光纤的阈值不同。实际中，粗芯光子晶体光纤中多模传输的阈值水平比传统单模台阶折射率光纤的值稍高。
在传统台阶折射率光纤中，如图1中所示的一样，如果沿着光纤传播的光强度超过阈值，制成光纤的材料最终将被不可恢复地损坏。对于较低光强度，可能出现许多非线性光学过程，可能降低甚至损害光信号。虽然通过增加光纤1的芯2的尺寸可以减轻这些问题，但是如果只增加芯半径光纤将变成多模。因此必须同时降低芯2和包层3之间的折射率差来补偿。
可以通过向材料中加入掺杂剂来控制芯2和包层3的折射率。然而，最终变得难以控制芯区2中的掺杂均匀性。而且，折射率差小的光纤在弯曲时容易损失光。这样限制了为增加光纤能够传播的辐射功率或光纤的功率容量而增加芯尺寸的程度。图2(a)示出本发明的光纤4，该光纤克服了有关传统光纤的功率容量问题。光纤4包括第一基本上透明材料5的包层，其中沿着光纤长度L掩埋有孔6的阵列。孔6设置成横向周期性阵列，而且可以填充折射率小于第一包层材料的第二材料。该第二材料可以是固体、液体或气体材料，或者这些孔可以是空的(即真空)。例如，芯材料7和第一包层材料5可以由纯熔融二氧化硅制成，孔6可以填充空气。
实质上光纤截面的中心是材料基本上透明的芯区7，该芯区破坏孔6阵列的周期性。例如，可以没有阵列中的中心孔，中心孔位置上和周围的第一包层材料区形成光纤4的芯7。光纤芯的直径为c，如图2(b)所示。为了描述，光纤芯直径c的取值将基本上等于一个邻近芯的孔中心与径向对称的另一个邻近芯的孔中心之间的距离。
孔阵列可以形成六角形图案(例如，如图2(a)所示)，但是也可以设想使用其他孔图案。
在传统光子晶体光纤中，光纤的外部宽度w是40μm量级，孔的中心-中心距离(间距Λ)大约为2μm。固态芯区的直径通常为4μm，小于传统单模光纤的芯直径(见图1)，例如当用于通信应用中时。然而，这样大小的光子晶体光纤通常只能传输功率在10-20W的辐射。因此，这样的光纤不适合于例如用于高功率激光系统中，高功率激光系统的输出功率至少为1kW。
根据本发明的一个方面，用于从一点向另一点传送辐射的单模光纤包括光子晶体光纤，如图3所示，其中芯7的直径至少为5μm，而且最好为至少10μm。光子晶体光纤的芯直径增大导致可以传输的功率量增大，根据光纤的特定应用，最好芯直径更大，例如在20-50μm范围内。为了本说明书的目的，中心芯7的直径至少为5μm的光子晶体光纤将称为“粗芯光子晶体光纤”。
而且，粗芯光子晶体光纤能够以单模方式传播辐射。因此，由于粗芯，光纤可以用于以单模方式传播比利用传统光纤能够方便实现的更高的辐射功率。
芯直径为50μm的粗芯光子晶体光纤能够用于支持功率大约为2kW的连续波光辐射。这对应于通过推断传统光纤所实现的最佳实验结果所取得的数值。在传统的二氧化硅台阶折射率光纤中，如图1所示，在发生永久损坏之前可以传输的最大连续辐射波强度是100MWcm-2[W.Luthy，Optical Engineering 34(1995)pp.2361-2364]。对于12μm的芯直径，这相当于理论最高功率只有大约100W。然而，实际上由于在辐射耦合至光纤内的过程中所产生的损耗显著降低了理论最大功率，事实上常规单模光纤能达到的连续波(cw)功率只有大约15W。
粗芯光子晶体光纤的另一个优点是可以更容易地实现把辐射耦合至光纤中。图3(a)和3(b)示出例如利用透镜或透镜装置9把激光辐射8输入到(a)具有相对小芯的传统光子晶体光纤和(b)粗芯光子晶体光纤的示意图。参考图3(b)，如果粗芯光子晶体光纤的芯7可与激光辐射光束的直径相比较，可能不需要透镜9就把辐射8输入到光纤中。
单模粗芯光子晶体光纤在用于工业中的高功率激光系统中有用，例如诸如那些用于激光机械加工应用的高功率激光系统，其中需要把高功率激光辐射传播到要加工的材料上。移动激光器来重新定向激光光束不方便而且不实用，所以使用传统的光学装置把激光辐射传播到需要的方向上。粗芯光子晶体光纤将能够传播高功率激光辐射而不需要复杂且笨重的光学装置。
粗芯光子晶体光纤也可以用于通信应用中。传统上，一定长度的传统光纤(如图1所示)用于把光辐射从一点传播到另一点。因为当辐射强度沿着光纤传播时被衰减，沿着光纤长度的不同点上使用光纤放大器装置或中继器，以便周期性地增强传输的辐射功率。这样的装置检测出现在部分光纤链路中的弱信号(即被减小的功率信号)，放大它并发送放大的信号至链路的下一部分。光纤能够支持的功率越大，在需要放大之前信号能够通过光纤传播的距离就越远。因此，光纤能够运载的最大功率决定中继器的间距。然而，光纤能够运载的最大功率受能够减小信号的与强度相关的非线性光学作用限制。对于给定的强度，较大的芯区允许增加功率。因此当仍然实现单模传播时可以使用的最大光纤芯区把中继器的间距限制为最小值。
对于给定的探测标准，标准光纤的中继器间距为30km[O.Audouin etal.，IEEE Photonics Technology Letters(1995)pp.1363-1365]。使用粗芯光子晶体光纤传输辐射，光纤芯直径大约为50μm，160km的中继器间距就足够了(假设粗芯光子晶体光纤中的功率衰减与传统光纤类似)。这样，利用粗芯光子晶体光纤可以实现更方便而且低耗费地长距离传输光信号。而且，粗芯光子晶体光纤允许光纤链路在一定距离上不需要中继器，而当使用传统技术时在所述距离上将需要中继器。
参考图4，粗芯光子晶体光纤也可以用于光纤放大器系统中。粗芯光子晶体放大器通常可能包括一定长度的光纤4，光纤4的芯(未示出)掺杂少量掺杂材料，例如铒。光纤放大器还包括波长选择耦合器(WSC)12和用于发射泵浦光辐射14的泵浦光辐射源13。泵浦光辐射14与输入辐射10相比波长短，并通过WSC 12被引入所述长度光纤4的一端。来自光辐射源11或前一长度光纤的输入信号光辐射10被从另一端输入到所述长度光纤4。
WSC 12的目的是插入一个波长的辐射(即泵浦波长)而不转换另一波长辐射的方向(即输入辐射波长)。因此，可以把泵浦光辐射14与信号光辐射10沿着同一光纤4输入，而不使任何信号光辐射10从光纤4中出来。泵浦光辐射14激励光纤4的芯中的掺杂离子，从而在输入辐射10的较长波长上产生增益。因此输入辐射10被放大。波长选择耦合器12选择传输长波长输入辐射，因此产生放大的输出信号16。该输出信号16可以通过一定长度光纤15输出。
通常，商业上可以买到的波长选择耦合器包括一定长度的输入和输出光纤，其中输入光纤是传统的掺杂光纤(如图1所示)。在图4所示的粗芯光子晶体光纤放大器中，系统中只包括粗芯光子晶体光纤可能更好，以便避免当通过信号WSC 12输入或输出时强度损失。
WSC 12可以是例如熔融耦合器的全光纤装置，或者可以是任何具有与波长有关的响应的光纤定向耦合器装置。另一方面，图5示出一个可以用作波长选择耦合器的光学装置17的例子。例如，光学装置可以分别包括输入透镜18a和输出透镜18b、和二向色镜19。二向色镜19倾斜以便把泵浦光辐射14反射向输入透镜18a，并透射输入信号辐射10。
在代表传统技术极限的光纤放大器系统中，包括芯直径为20μm的台阶折射率光纤(如图1所示)，并透射脉冲长度为1ns的脉冲辐射，达到100kW的峰值功率[P.Nouchi et al.，Proc.Conference on opticalfibre communication(1995)pp.260-261]。使用图4所示的光子晶体光纤放大器，其中光纤4的芯直径为大约50μm，脉冲辐射的脉冲为1ns，可以传输至少为600kW的峰值功率。
粗芯光子晶体光纤的另一个应用是用在光纤激光器中。虽然可能有许多其他结构的光纤激光器装置，其中可以使用粗芯光子晶体光纤，图6和7示出光纤激光器的两种可能结构。例如，粗芯光子晶体光纤可以用于环形谐振器光纤激光器，其中光纤的端部连接在一起使得激光辐射围绕着光纤“环”传输并被连续放大。
参考图6，能够输出高功率辐射的光纤激光器可以包括一定长度的粗芯光子晶体光纤4，芯区(未示出)具有少量掺杂材料，例如铒。光纤激光器还包括两个位于光纤4两端的二向色镜，一个输入镜22和一个输出镜23。来自泵浦光辐射源25(例如激光器)的辐射24通过输入镜22输入。这样通过激励光纤芯中的铒离子在掺杂光纤4中位于镜22和23之间的区域内产生增益。来自受激铒离子的自发辐射在光纤4中产生少量波长比泵浦光辐射24长的信号辐射(光纤中没有示出)。当该信号辐射通过镜22和23反射沿着光纤前后传播时被放大。
通常，二向色镜22可以设计成反射大约99％的信号辐射，同时透射泵辐射24，输出二向色镜23可以设计成反射大约80％的激光辐射。因此，每次信号辐射在输出镜23被反射，还有一部分将作为输出信号15出射。
因为光纤激光器可以光纤方式方便地提供激光辐射源，该光纤可以容易地耦合到后续长度光纤上，所以光纤激光器很有用。由于粗芯光子晶体光纤的高功率容量，可以实现比利用传统光纤更强的光纤激光器输出功率。
参考图7，光纤激光器的另一结构可以包括光纤光栅26，它具有二向色镜的功能(图8)。该结构的优点是它是全光纤装置。有许多种可以包括粗芯光子晶体光纤的光纤激光器结构，而且并不意味着光纤用于这样的装置限于所给出的两个例子。作为另一个例子，粗芯光子晶体光纤可以用于环形谐振器光纤激光器，从而粗芯光子晶体光纤的一端被连接到另一端，使得激光辐射连续围绕粗芯光子晶体光纤“环”传播并被连续放大。
通常，粗芯光子晶体光纤4可以由熔融二氧化硅棒通过反复堆积和拉伸处理制成[J.C.Knight et al.，Opt.Lett.21(1996)p.1547.Errata：Opt.Lett.22(1997)p.484]，如图8所示。图8(a)示出熔融二氧化硅圆柱形棒27，其中沿着棒27的长度中心钻孔6(图8(b))。在棒的外表面离孔固定距离处磨出六个平面，使得棒27的截面呈围绕中心孔6的六角形。然后利用光纤拉伸塔拉伸棒27成为细线28，并把细线28切割成需要长度。然后堆积细线28形成六角形细线阵列，如图8(c)所示，形成光纤4。位于阵列中心的细线的中心没有钻孔，形成光纤4的芯7。然后利用光纤拉伸塔把堆积完成的细线拉伸成最后的光纤。
也可以使用另一种制造技术，例如如果可以获得圆柱形二氧化硅毛细管，它们可以用作基本光纤元件(即毛细管已经具有细线28的形状)。这样将在前面所述的堆积和拉伸处理中省去钻孔和研磨的必要。
光纤4包括第一包层材料，该材料基本上透明而且能够拉伸成光纤(如图8(b)所示)。芯材料可以是任何基本上透明的材料，但不必要是与第一包层材料相同的材料。最好，第一包层材料的折射率不小于芯材料的折射率。
孔6可以是空的，例如真空，或者可以填充任何材料，第二包层材料的折射率小于第一包层材料的折射率，而且也能够拉伸成光纤，或者任何这样的材料，当被拉伸成小尺寸时这样的材料可以插入所述孔中。例如，孔中可以填充空气或另一种气体(例如氢气或烃)、固体材料(例如折射率与第一包层材料不同的各种玻璃材料)或液体(例如水、透明溶液或染料溶液)。孔中的第二包层材料不必一定是透明的。通过这里的描述可以清楚地看到，词语“孔”的意思并不限于第一包层材料中缺少的区域。
如果光纤中空气孔的直径是孔之间间距或间隔的足够小部分，光纤芯以单模方式传播光。最好，空气孔的直径不小于光纤中将传播的光的波长。孔之间的间隔最好不小于芯直径的四分之一而且不大于芯直径的二分之一。最通常的是孔之间的间隔可以是大约芯直径的二分之一。
第一包层材料和芯可以具有均匀折射率或者具有变化折射率。例如，除了缺少阵列中的中心孔以外，也可以缺少比其他孔或大或小的孔或者可以填充不同的材料。如同图6和7所示的光纤激光器装置中一样，芯7也可以掺杂掺杂剂材料，例如铒或其他稀土元素。
图9示出切开的PCF的端面中心区的SEM图象。缺少中心孔使得以最里边的6个孔为边界的芯直径为22μm。光纤截面为180μm，相对孔大小d/Λ为0.12。图10示出对于458nm波长的入射光图9所示的粗芯PCF的输出端的近视场图案。该图象在图案的中心饱和以便示出边缘的较弱特征。图案的周边邻近最里边的空气孔凹陷。
波长为458nm的光入射到光纤中，而且折射率匹配的液体施加到该结构中以便除去包层模式。当入射条件变化时观察输出。在近视场图案中没有激励出多模式，如图5所示，PCF的输出没有受影响。即使芯直径是入射光波长的50倍，光纤保持为单模。把该结果按比例变化到1550nm，芯直径为75μm的类似PCF光纤也将是单模的。
依据包层5在不同波长的有效折射率n2可以理解本发明的粗芯光子晶体光纤的这一特性。图11(a)和11(b)示出光子晶体光纤4的端面28上的近视场分布曲线，其中芯材料7和第一包层材料是二氧化硅，孔6填充空气。
参考图11(b)，在长波(例如1500nm)时，通过光纤4传播的光对孔阵列成象质量差(见图3(b))使得大部分光传播进入空气孔6。因此包层材料5例如二氧化硅和空气的有效折射率相对于纯二氧化硅的折射率n1(即芯7的折射率)下降。参考图11(a)，在短波(例如600nm)时，通过光纤4传播的光对孔6的阵列成象清晰，而且基本上防止光沿着它们传播。因此包围芯7的包层材料5的有效折射率n2比较接近于纯二氧化硅的折射率(即芯7的折射率)n1。
因此，再参考公式1，随着沿着光纤4传播的光波长减小，V值明显依赖于波长λ而增大。该增值至少部分被减小因子(n1 2-n2 2)1/2抵消，其中n1和n2分别是二氧化硅包层的有效折射率和纯二氧化硅(及芯7)的折射率。这样使得V值较少依赖于波长，从而使得能够扩展波长范围，该波长范围的V值低于该结构多模传播的阈值。
V值的波长相关性不仅降低，而且事实上在短波限度内完全消除。这一特性在图12中示出，该图示出随着孔间距Λ与波长λ之比的变化，光纤的有效折射率V值(Veff)曲线。每个曲线对应于孔6的直径d与间距Λ的给定比值。通过首先计算出包层5的有效折射率n1，然后通过公式1计算出Veff，计算出Veff-d/Λ曲线。该计算假设芯7的半径等于间距Λ。
图12示出对于每个比值d/Λ，随着比值Λ/λ趋向于无穷大V值以该值为上限。这一特性与传统的台阶折射率光纤的特性相反，传统台阶折射率光纤随着r/λ趋向于无穷大V值趋向于无穷大。因此与传统台阶折射率光纤不同，粗芯光子晶体光纤可以制造成使得对于任何结构尺寸都是单模的。因此只要比值d/Λ固定，其中d是孔6的直径，对于任何间距值Λ光纤都可以是单模的。
粗芯光子晶体光纤的特性使得它适用于几种应用中，包括用作高功率通信链路、高功率光纤放大器和高功率光纤激光器。光纤也可以用于传输大光功率以便工业上应用，例如激光加工，以及医疗上应用。

Claims (31)

1.一种用于传输光辐射的光纤，包括：
由基本上透明的芯材料成的芯，芯折射率为n，长度为L，芯直径至少为5μm，和
包围芯材料长度的包层区，其中包层区包括具有第一折射率的基本上透明的第一包层材料，而且其中基本上透明的第一包层材料沿着它的长度上掩埋有基本上呈周期阵列的孔，孔直径为d，分开的间距为Λ，所述孔具有小于第一折射率的第二折射率，
其中上述d/Λ比值足够小，使得输入到光纤中的光以单模传播模式在所述芯材料的长度中传播；且
对于固定的d/Λ，对于任何间距值Λ，光纤是与输入辐射波长无关的单模式。
2.如权利要求1所述的光纤，其中基本上透明的第一包层材料的折射率不低于芯折射率。
3.如权利要求1所述的光纤，其中芯直径至少是10μm。
4.如权利要求3所述的光纤，其中芯直径至少是20μm。
5.如权利要求1所述的光纤，其中至少可以缺少阵列中的一个孔使得它形成光纤的芯。
6.如权利要求1所述的光纤，其中第一基本上透明的包层材料具有基本上均匀的第一折射率。
7.如权利要求1所述的光纤，其中芯材料具有基本上均匀的芯折射率。
8.如权利要求1所述的光纤，其中芯材料和第一基本上透明的包层材料是同一种材料。
9.如权利要求1所述的光纤，其中至少芯材料和第一基本上透明的包层材料之一是二氧化硅。
10.如权利要求1所述的光纤，其中孔直径d不小于光纤中将传播的光的波长。
11.如权利要求1所述的光纤，其中孔之间的间距Λ不小于芯直径c的四分之一，而且不大于芯直径c的二分之一。
12.如权利要求1所述的光纤，其中孔是真空的。
13.如权利要求1所述的光纤，其中孔中填充第二包层材料。
14.如权利要求13所述的光纤，其中第二包层材料是空气。
15.如权利要求13所述的光纤，其中第二包层材料是液体。
16.如权利要求13所述的光纤，其中第二包层材料是基本上透明的材料。
17.如权利要求1所述的光纤，其中基本上透明的芯材料包括掺杂剂材料。
18.如权利要求1所述的光纤，其中孔设置成大体上呈六角形图案。
19.一种用于放大信号光辐射的光纤放大器，包括：
一定长度的如权利要求1-4任何一项所述的光纤，用于接收选择波长的信号光辐射并沿着它的长度方向传输所述输入辐射，其中芯材料至少沿着它的部分长度包括掺杂材料，
光辐射源，用于发射不同选择波长的泵浦光辐射，以便输入到所述长度的光纤中，使得在泵浦光辐射作用下所述掺杂芯材料部分放大信号辐射，以及
波长选择发射装置，用于选择发射泵浦光辐射进入所述长度的光纤，和用于从光纤放大器中选择输出放大的信号辐射。
20.如权利要求19所述的光纤放大器，其中波长选择发射装置包括：
输入透镜和输出透镜，用于聚焦光辐射；和
二向色镜，用于选择反射泵浦光辐射进入光纤，和用于选择发射放大的信号光辐射以便从光纤放大器输出。
21.如权利要求19所述的光纤放大器，其中波长选择发射装置包括响应与波长相关的光纤定向耦合器。
22.如权利要求19所述的光纤放大器，其中掺杂材料包括稀土离子。
23.如权利要求22所述的光纤放大器，其中稀土离子是铒离子。
24.一种用于输出激光辐射的光纤激光器，包括：
一定长度的如权利要求1-4任何一项所述的光纤，用于沿着它的长度方向选择传输具有选择波长的激光辐射，其中芯材料的至少部分长度包括掺杂材料，
辐射源，用于发射不同选择波长的泵浦光辐射，以便输入到所述长度的光纤中，使得在泵浦光辐射作用下所述掺杂芯材料放大激光辐射，
波长选择发射装置，用于选择发射泵浦光辐射进入所述长度的光纤，和用于从光纤激光器中选择输出放大的激光辐射，以及
反馈装置，用于选择反馈部分放大的激光辐射，使得所述放大的激光辐射反复通过所述光纤长度，并进一步被放大。
25.如权利要求24所述的光纤激光器，其中掺杂材料包括稀土离子。
26.如权利要求25所述的光纤激光器，其中稀土离子是铒离子。
27.如权利要求24所述的光纤激光器，其中波长选择发射装置和反馈装置共同包括两个二向色镜，其中每个二向色镜位于沿着光纤的长度的不同位置上，而且其中的掺杂芯材料位于两个二向色镜的位置之间。
28.如权利要求24所述的光纤激光器，其中反馈装置和波长选择发射装置共同包括两个光纤光栅，形成在沿着光纤长度的两个不同位置上，使得掺杂芯材料位于两个光纤光栅的之间。
29.如权利要求24所述的光纤激光器，其中反馈装置包括：
用于把从所述长度的具有掺杂芯材料的光纤一端出射的光传播到所述长度光纤的另一端的装置。
30.一种用于以单模传播方式传输光辐射的系统，包括：
多个一定长度的如权利要求1-4任何一项所述的光纤，设置成串联方式，使得串联中每个长度的光纤接收来自前一个长度的光纤的输入光辐射，并且输出光辐射至串联中的下一个长度的光纤，而且每个长度被放大装置分开，所述放大装置用于放大来自所述长度光纤的光辐射输出以便把所述长度光纤传输的光辐射功率保持在预定功率之上。
31.如权利要求30所述的系统，其中放大装置包括如权利要求19所述的光纤放大器。
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