CN1185513C - 光子晶体光纤及其生产方法和应用此晶体光纤的光学器件 - Google Patents

光子晶体光纤及其生产方法和应用此晶体光纤的光学器件 Download PDF

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Abstract

包含多个纵向孔(220)的光子晶体光纤，其中至少一些孔在光纤第一区域(200)中具有不同于它们在光纤第二区域(190)中的横截面面积，在制成光纤后第一区域已进行热处理，其中，由于热处理区域(200)中的孔(230)的横截面面积发生变化，在该区域(200)中的光纤的光学性质被改变。

Description

光子晶体光纤及其生产方法和应用此晶体光纤的光学器件
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤领域。
背景技术
光子晶体光纤是光纤的特殊形式。单模光纤被广泛用于诸如电信和感测的应用中。所述光纤完全由诸如玻璃的透明固块体材料典型制成，并且每个光纤沿着其长度典型具有相同的横截面结构。在横截面一部分(通常在中间)中的透明材料比其它部分具有较高的折射率，并形成纤芯，在其中光以全内反射的方式传播。我们把所述光纤称作标准光纤。
现在有许多成熟的工艺和设备用于处理和加工标准光纤；例如，切割器使用坚硬的刀口割断光纤，给出清洁的端面，熔接器使用热电弧在它们的端部将两根光纤接合在一起。一种逐渐熔细的方法，用于制造各种在光沿光纤传输时执行一些功能的光纤器件。在该方法中，光纤被局部加热直到变软，然后，拉长光纤以局部变窄加热区域中的光纤。沿光纤传输的光受处理区域的影响。在典型的逐渐变细的单模光纤中，光从纤芯传播开并占居更多的周围包层。如果光纤足够窄，光就从纤芯完全散开，然后被整个光纤外界面引导。通过浸入到气体火焰中，靠近电热器或暴露到强激光束中对光纤进行典型加热。
因为光波在切割处比未处理的光纤具有大的横截面，在锥形最窄处切割的锥形光纤可以作为光束扩展器。所述光束扩展器可帮助光进入到光纤中并从光纤中引出光。
其为锥形使得光在光纤外界面被局部引导的光纤可作为局部光探测器。在锥形区域中，光对包围光纤的介质非常敏感，而在其它地方光并不敏感因为它掩藏在中心的纤芯中。
两个或多个平行接触在一起的锥形光纤可作为光纤光束分离器(或定向耦合器)，其中在变窄的区域中，至少一根光纤中的一些光可传输到另一光纤中。
最近几年，已论证了一种被称作光子晶体光纤(PCF)的非标准类型光纤。该光纤典型由诸如熔融的石英玻璃的单一固态并充分透明的材料制成，在这种材料中，植入空气孔的周期排列，空气孔与光纤轴平行并延伸至光纤的全长。以规则排列中缺少单一空气孔的形式的缺陷形成折射率增加的区域，该区域充当波导光纤纤芯，在其中光以类似于标准光纤中全内反射引导的形式传播。引导光的另一机理是基于光子带隙效应而不是全内反射的。通过空气孔排列的合适设计可得到光子带隙引导。一些传播常数的光可被限制在纤芯中并在其中传播。
通过将宏观尺度上的玻璃细管和细丝堆积成所需的形状，然后在使其熔化在一起时将其固定在适当的位置，并且将其拉成光纤可制作光子晶体光纤。
PCF具有一些工艺上的显著性能；例如，它能支持波长范围非常宽的单模，它能够具有大的模式区域并因此可携带高的光能，它能够具有在1.55微米的电信波长的正常色散。由于典型用于制造它们的堆积和拉制方法，光子晶体光纤典型不是圆形对称。
通过使用类似于上述的标准光纤的处理和加工技术，PCF技术应用将变得容易。遗憾的是，其中一些技术不适合光子晶体光纤；例如，试图将两根光子晶体光纤熔接在一起，将在其内部产生空气使光纤爆炸性地膨胀，破坏连接在一起的光纤端部。
发明内容
本发明的目的在于提供类似于标准光纤的PCF光学器件。本发明的另一目的在于提供所述器件的生产方法。
根据本发明，提供一种光子晶体光纤，包括多个纵向孔，其特征在于该光纤包括在光纤制造后已进行热处理的其长度上的第一区域，使得至少一些孔在第一区域中具有的横断面面积不同于它们在光纤长度的第二区域中的横断面面积，其中由于在第一区域中的孔的横断面面积发生变化，在第一区域中的光纤的光学性质被改变。
“制成后”这几个字应理解为拉制光纤后的任何时间。
可被应用的热处理方法和上述的用于标准光纤逐渐熔细的方法典型相同。如同标准光纤，热处理可伴随有伸展，以将光纤变细。然而，和标准光纤相反，即使一点不拉长光纤，也可产生光学特性的改变；这是由于在表面张力的影响下热处理可使光纤中的一些或所有的孔部分或全部坍缩。在具有或不具有同时拉伸时可得到这种坍缩。此外，如果一些孔被加压，它们将膨胀而不是坍缩，原则上，孔的不同加压可被用于形成孔坍缩和膨胀的任意图形。对大多数应用来说，如同标准光纤的逐渐变细，未处理光纤和热处理区域中间的转变必须是充分平缓的，在转变过程中损失可接受的少量的光——所谓的绝热性标准。
至少一些孔可能在热处理区域已膨胀。
至少一些或全部的孔可能在热处理区域部分坍缩或全部坍缩。
孔坍缩和/或膨胀的分布形式可能不是圆形对称的。由于缺少圆形对称，可改变光纤的双折射。
在热处理区域中光纤可能已变窄。
光子晶体光纤可被包含在光学器件中。
光子晶体光纤可被包含在模场变换器中，排列模场变换器，使得在变换器中传播的导模具有被通过光子晶体光纤的热处理区域的传播而变化的场分布。PCF中导模的场分布的形状和大小依赖于空气孔的相对大小和相互间的间隔。已进行热处理以改变孔的大小(或将整个光纤变窄)的如此PCF可作为模场变换器。
光子晶体光纤可被包含在多模至单模变换器或波型(模式)滤波器中，其中对于光的至少一个波长，光纤未处理区域是多模，处理过的区域是单模。沿处理过的区域传播的光将强制变为单模，当它进入未处理的区域时将基本保持单模，该未处理的区域能支持其它模式；在理想光纤中，这些其它的模式将保持不被激励。
光子晶体光纤可被包含在光纤输入输出耦合器中，在其中光子晶体光纤在热处理区域被切割。如果在热处理区域切割光纤，所述器件可被用于增强在光纤端部的光的输入输出耦合。
排列光纤输入或输入耦合器，使得当一种模式在耦合器中传播时，在切割面的模式图样将基本匹配外部光学元件的模式。外部光学器件可以是二极管激光器。使模式成为椭圆形或矩形能更有效地使光从二极管激光器光源中射入到光纤。实际上，简单扩展模式尺寸将使光从其它光源更加容易地发射到光纤中。
光纤耦合器可以包含在光纤接头中，在其中光纤耦合器被连接到一个或多个其它光纤上。例如，通过熔化，通过一种黏合剂或通过邻接可有效进行光纤的连接。
包含在光纤接头里至少一根或多根光纤可从下列光纤中选出：切割的光子晶体光纤；如上述的光纤耦合器；标准光纤；或在热处理中通过拉伸然后被切割的锥形化标准光纤。控制孔的坍缩提供将几对PCF熔合在一起的方法。首先，如上述，在每根光纤一部分中麻烦故障的空气孔可通过完全坍缩而被消除。没有必要拉伸光纤。在孔坍缩的部分切割光纤，然后可被熔化接合，由于没有孔爆裂，模场能匹配。(如果光纤不是同一的，可拉伸它们中的一根或两根，使得它们的外径匹配。然后它们的模场是同一的。)作为另一种熔接法，使用常规方式中的黏合剂，可机械接合具有模场匹配的两根PCF。
被锥形化成光被外部界面引导的标准光纤具有和PCF相似的模场，该PCF的孔已完全坍缩，并且PCF已被拉伸到相同的最终直径。接合的损失将变得很低。
根据本发明可排列光子晶体光纤，使得在光子晶体光纤中传播的光同外部环境的相互作用在热处理过区域得到加强或抑制。所述的光子晶体光纤可包含在诸如模场变换器的光学器件中。这种相互作用方便于光纤外部环境的被测量的对象。例如，这种相互作用可能是和外部光学器件的相互作用。该光学器件可包括一根或多根其它光纤。至少一根或多根其它光纤是根据本发明的光子晶体光纤或标准光纤。由空气孔的坍缩所引起的模场的扩散将增加在光纤的外界面处的场的强度。界面处的光可自由地和光纤的周围环境相互作用。因此，通过空气孔的坍缩(或膨胀)可增强(或抑制)和外部环境的相互作用。如果光可以和环境中的特性(例如，外部折射率)相互作用，处理的光纤可作为环境传感器。如果将适当的光学元件放置在光纤附近，在与该元件的相互作用的基础上可组合光学装置。特别是，该光学元件可以以至少是一根其它光纤，该光纤可以是光子晶体光纤或标准光纤，并且可以以制作标准光纤中的熔接的方向耦合器类似的方法，在热处理过程中将其熔接到第一根光纤上。
通过热处理，该光学装置中的至少两根光纤已至少部分熔合在一起。
相似地，模场的变化可用于控制纤芯中的光和已被引入到光纤的其它部分的任何结构的相互作用。所述结构的例子为衍射光栅，掺杂区域(该区域可被光学泵浦以提供增益)，或实际上额外的引导纤芯。可基于所述相互作用的装置包括方向耦合器，光谱过滤器，传感器和激光器或光放大器。可排列根据本发明的光子晶体光纤，使得在光子晶体光纤中传播的光与在光纤其它地方引进的结构(故意地)的相互作用在热处理的区域得以加强或抑制。所述光子晶体光纤可包含在光学装置中。例如，被引进的结构可以是下列之一：光子晶体光纤中的至少一个其它纤芯区域；光栅；或掺杂材料的区域。
该光学装置可包含在另一光学装置中，诸如方向耦合器，光谱过滤器，光传感器，激光器或光放大器(该放大器可以又包含一方向耦合器)。
而且根据本发明，提供一种生产光子晶体光纤的方法，该方法包括：制造具有多个纵向孔的光子晶体光纤；其特征在于该方法进一步包括对光纤长度上的一个区域进行热处理，使得在热处理区域中的至少一些孔具有的横截面面积不同于它们在未进行热处理的光纤长度上的区域中的横截面面积，通过改变热处理区域中的孔的横截面面积，热处理区域中的光纤的光学性质被改变。
在热处理过程中至少一些孔可被增压。在热处理过程中所有的孔都可被增压。
热处理至少可导致光纤中的一些或所有孔在处理区域完全坍缩。
热处理可以不以圆对称的方式应用，使得孔的坍缩和/或膨胀的分布形式不是圆对称的结果。从而在热处理区域可改变光纤的双折射。PCF的偏振性能依赖于纤芯附近的结构。因此，空气孔大小和全部光纤直径的控制变化可用于改变光纤的双折射。
在热处理过程中通过拉伸光纤可局部变窄。
热处理可改变光纤中至少一些材料的物理和/或化学状态。
附图说明
仅以实施例的方法，根据附图描述本发明的实施方案，其中：
图1是通过标准光纤的横截面示意图。
图2a和2b是示出标准光纤热处理的示意图。
图3是通过现有技术的光子晶体光纤的横截面示意图。
图4是通过现有技术的另一光子晶体光纤的横截面示意图。
图5是用于执行光纤热处理的排列的示意图。
图6是示出热处理对光子晶体光纤影响的示意图。
图7是方向耦合器或光束分离器的示意图。
图8是通过光纤接头的纵截面示意图。
图9是通过多纤芯光纤的纵截面示意图。
图10(a)是未处理的光子晶体光纤的示意，图10(b)是已处理的以生产双折射的光子晶体光纤的示意图。
具体实施方式
诸如图1示出的标准光纤，它们最简单的形式基本上包含圆柱纤芯10和同心圆柱包层20。纤芯和包层由同种材料典型制成，通常为二氧化硅，但是纤芯和包层都掺杂其它的材料，以提高纤芯10的折射率并降低包层20的折射率。合适波长的光被束缚到纤芯10并且在那里通过纤芯-包层界面15处的全内反射而被传输。
为了产生具有不同于光纤其它部分光学性质的拉伸和变窄的区域，所熟知的有热处理和拉伸标准光纤这两种途径(图2a和2b)。在图2a中，光纤被夹钳30所固定，并在平行于纵轴40的方向上反向拉伸。热50被施加到光纤上。图2b示出了处理的效果：在光纤中间形成了细部60。大大减小了纤芯10的横截面面积，并且包层20显著变窄。在中间的细部60和光纤其它部分80之间存在过渡区70。
图3示出的典型光子晶体光纤包含具有孔100点阵的一束透明的块体材料90(例如二氧化硅)，这些孔沿着它的长度方向排列。这些孔排列在镶嵌的规则六边形的顶点和中心。这些孔有规则的周期，通过光纤中心附近的孔的缺少而打破该周期。围绕在缺失孔的格点周围的光纤区域110具有块块体材料90的折射率。光纤剩余部分的折射率归因于块体材料90和孔100中的空气的折射率。空气的折射率低于例如二氧化硅的折射率，因此，具有孔的材料的“有效折射率”低于围绕缺失孔的区域110的折射率。因此，光纤以类似于标准光纤全内反射的波导方式可近似地将光限制在区域110中。因此，区域110被称作光子晶体光纤的纤芯。
在光子晶体光纤的另一形式中，光子带隙引导将光限制在光纤“纤芯”中。在图4示出所述光纤的实施例中，在块体材料90中具有孔120的矩阵。这些孔排列在规则六边形的顶端(与图3相比，不在中心)。矩阵的规则性再一次被缺陷打破，但在示出的实施例中，该缺陷是在一个点阵六边形中心的额外的孔130，该六边形位于光纤中心的附近。围绕附加孔130周围的区域被再次称作光纤的纤芯。不管孔130(暂时)，光纤中的孔的周期性导致在光纤中传播的光的传播常数中存在带隙。孔130的增加有效地产生可支持不同于光纤其它部分支持的传播常数的区域。如果在孔130的区域中支持的一些传播常数落在光纤其它部分禁止的传播常数的带隙内，那么，具有这些传播常数的光将被限制在纤芯中并在其中传播。注意到由于孔130是低指数缺陷(其导致空气代替块体材料存在)，全内反射效应不是该波导的原因。
图5示出了适用于光子晶体光纤热处理的装置。光纤140被夹在台150上，该台处于固定的位置；不存在对光纤140故意的拉伸。安装具有加热臂170的加热台160，使得火焰180加热处于台150间的一部分光纤140。应当注意到许多其它加热机制使用于执行本发明，例如，用电加热器或二氧化碳激光器光束的加热。
图6示出了热处理对光子晶体光纤影响的实施例。存在热处理区域200，未处理区域190和过渡区210。在示出的实施例中，当和未处理区域190中的部分220相比时，可以看出热处理区域200中孔的部分230已部分地坍缩。因此，至少一些孔的每一个的横切面沿着孔的长度会发生变化。虽然在未处理区域190中的玻璃240的横截面面积将和处理区域200中的玻璃250的横截面面积完全相同，光纤的全部直径也有轻微的减小。
图7示出了可用本发明的光子晶体光纤制造的光学器件的结构，即方向耦合器或光束分离器。根据本发明对每根光子晶体光纤260，270中的区域280，290进行热处理。区域280，290熔合在一起，例如同时用热处理或通过进一步的热处理。由于孔的坍缩已减弱或破坏包层和纤芯之间的折射率差别，热处理区域280，290中的光延伸进入到光纤的包层区域。例如，在光纤260中传播的光将耦合进入光纤270，在此光纤在区域280，290中被熔合在一起。
图8示出了光子晶体光纤330和标准光纤420的接合。每根光纤被加热拉伸并被切割以产生锥形区域340，380。在光子晶体光纤330的锥形区域340中，基本上消除了孔300。在标准光纤420的锥形区域380中，纤芯410和包层400逐渐变细，同时保持它们各自的一致性。这两根光纤通过熔接头360结合在一起。
在缺陷纤芯区域310中传播的光模320扩散以充满锥形区域340的整个宽度。在该区域中的模350匹配于标准光纤420中锥形区域380的模370。远离锥形区域380，光是标准光纤420的通常模式390。
图9示出了多纤芯光子晶体光纤440。该图(和图6，8，10相同)只示出了几个孔；当然实际的光纤有许多孔。孔430围绕两个纤芯480，490；在光纤的未处理区域中这些纤芯在光学上相互不起作用。在热处理区域450中，孔430已部分坍缩。在该区域中，在任一纤芯480，490传播的光可以和在其它纤芯中传播的光相互作用。然后热处理区域450可当作局部方向耦合器。
通过热处理，孔500关于图10(a)的光纤纤芯510的六角对称性可通过孔520的选择坍缩而被打破，以产生图10(b)的两重旋转对称。通常，具有所述对称的光纤是双折射的，因此在热处理区域中可改变光纤的双折射。

Claims (59)

1.一种光子晶体光纤，包括多个纵向孔，其特征在于该光纤包括在光纤制造后已进行热处理的其长度上的第一区域，使得至少一些孔在第一区域中具有的横断面面积不同于它们在光纤长度的第二区域中的横断面面积，其中由于在第一区域中的孔的横断面面积发生变化，在第一区域中的光纤的光学性质被改变。
2.如权利要求1的光子晶体光纤，其中至少一些孔在热处理区域中已膨胀。
3.如权利要求2的光子晶体光纤，其中所有的孔在热处理区域中已膨胀。
4.如权利要求1的光子晶体光纤，其中至少一些孔在热处理区域中已部分坍缩。
5.如权利要求1的光子晶体光纤，其中至少一些孔在热处理区域中已完全坍缩。
6.如权利要求5的光子晶体光纤，其中所有的孔在热处理区域中已完全坍缩。
7.如权利要求1的光子晶体光纤，其中孔以非圆形对称的图案坍缩或膨胀，使得光纤的双折射在热处理区域中改变。
8.如权利要求1的光子晶体光纤，其中光纤在热处理区域中已变窄。
9.一种模场变换器，包括如权利要求1～8中任何一个的光子晶体光纤，由光子晶体光纤的热处理区域中孔的坍缩或膨胀所形成的图案，使得通过光子晶体光纤传播的导模将具有自己的场分布，该分布被通过热处理区域中的传播所改变。
10.一种多模到单模的变换器或模式滤波器，包括如权利要求1～8中任何一个的光子晶体光纤，其中由孔的坍缩或膨胀所形成的图案，使得对于光的至少一种波长来说，光纤的未热处理的第二区域是多模的，而热处理的第一区域是单模的。
11.一种光纤输入或输出耦合器，包括如权利要求1～8中任何一个的光子晶体光纤，其中光子晶体光纤在热处理区域中被切割以形成切割端面。
12.一种光学器件，包括根据权利要求11的光纤输入或输出耦合器以及另外的光学元件，由孔的坍缩或膨胀所形成的图案使得，当一个模式通过光学元件和光子晶体光纤传播时，光学元件和光子晶体光纤中的模式图案在切割端面将基本匹配。
13.根据权利要求12的光学器件，其中另外的光学元件是二极管激光器。
14.一种光纤接头，包括根据权利要求11的光纤输入或输出耦合器，其中光纤耦合器被连接到一根或多根其它光纤上。
15.根据权利要求14的光纤接头，其中光纤耦合器通过熔接而连接到一根或多根其它光纤上。
16.根据权利要求14的光纤接头，其中光纤耦合器通过黏合剂而连接到一根或多根其它光纤上。
17.根据权利要求14的光纤接头，其中光纤耦合器通过邻接而连接到一根或多根其它光纤上。
18.根据权利要求14的光纤接头，其中一根或多根其它光纤中的至少一根是切割的光子晶体光纤。
19.根据权利要求18的光纤接头，其中一根或多根其它光纤中的至少一根是根据权利要求11的光纤耦合器。
20.根据权利要求14的光纤接头，其中一根或多根其它光纤是标准光纤。
21.根据权利要求20的光纤接头，其中作为标准光纤的一个或多根其它光纤中的至少一根在热处理过程中通过拉伸而锥形化然后被切割。
22.一种光学器件，包括如权利要求1～8中任何一个的光子晶体光纤，其中由孔的坍缩或膨胀所形成的图案加强传播的光与光纤的外部环境在热处理区域中的相互作用，使得光纤外部环境的被测量对象的测量变得容易。
23.一种光学器件，包括如权利要求1～8中任何一个的光子晶体光纤，进一步包括另外的光学元件，其中由孔的坍缩或膨胀所形成的图案加强或抑制传播的光与另外的光学元件的相互作用。
24.根据权利要求1～8中任何一个的光学器件，包括一根或多根另外的光纤，其中由孔的膨胀或坍缩所形成的图案加强或抑制在光纤中传播的光与另外的光纤中的一根或多根在热处理区域中的相互作用。
25.根据权利要求24的光学器件，其中其它光纤中至少一根是标准光纤。
26.根据权利要求24的光学器件，其中，通过热处理，至少两根光纤已至少部分熔接在一起。
27.根据权利要求1～8中任何一个的光纤，进一步包括在光纤中其它地方引入的一种结构，其中由孔的坍缩或膨胀所形成的图案加强或抑制在光纤中传播的光与该结构在热处理区域中的相互作用。
28.一种方向耦合器，包括如权利要求27的光纤。
29.一种光谱过滤器，包括如权利要求27的光纤。
30.一种光传感器，包括如权利要求27的光纤。
31.一种激光器或光学放大器，包括如权利要求27的光纤。
32.一种激光器或光学放大器，包括根据权利要求28的方向耦合器。
33.根据权利要求1～8中任何一个的光纤，进一步包括至少一个其它纤芯区域，其中由孔的坍缩或膨胀所形成的图案加强或抑制在光纤中传播的光与该纤芯区域在热处理区域中的相互作用。
34.一种方向耦合器，包括如权利要求33的光纤。
35.一种光谱过滤器，包括如权利要求33的光纤。
36.一种光传感器，包括如权利要求33的光纤。
37.一种激光器或光学放大器，包括如权利要求33的光纤。
38.一种激光器或光学放大器，包括根据权利要求34的方向耦合器。
39.根据权利要求1～8中任何一个的光纤，进一步包括光栅，其中由孔的坍缩或膨胀所形成的图案加强或抑制在光纤中传播的光与该光栅在热处理区域中的相互作用。
40.一种方向耦合器，包括如权利要求39的光纤。
41.一种光谱过滤器，包括如权利要求39的光纤。
42.一种光传感器，包括如权利要求39的光纤。
43.一种激光器或光学放大器，包括如权利要求39的光纤。
44.一种激光器或光学放大器，包括根据权利要求40的方向耦合器。
45.根据权利要求1～8中任何一个的光纤，进一步包括掺杂材料的区域，其中由孔的坍缩或膨胀所形成的图案加强或抑制在光纤中传播的光与该掺杂材料的区域在热处理区域中的相互作用。
46.一种方向耦合器，包括如权利要求45的光纤。
47.一种光谱过滤器，包括如权利要求45的光纤。
48.一种光传感器，包括如权利要求45的光纤。
49.一种激光器或光学放大器，包括如权利要求45的光纤。
50.一种激光器或光学放大器，包括根据权利要求46的方向耦合器。
51.一种生产光子晶体光纤的方法，该方法包括：制造具有多个纵向孔的光子晶体光纤；其特征在于该方法进一步包括对光纤长度上的一个区域进行热处理，使得在热处理区域中的至少一些孔具有的横截面面积不同于它们在未进行热处理的光纤长度上的区域中的横截面面积，通过改变热处理区域中的孔的横截面面积，热处理区域中的光纤的光学性质被改变。
52.根据权利要求51的方法，其中至少一些孔在热处理过程中被增压。
53.根据权利要求52的方法，其中所有孔在热处理过程中被增压。
54.根据权利要求51的方法，其中热处理导致光纤中的至少一些孔在处理区域中至少部分坍缩。
55.根据权利要求51的方法，其中热处理导致光纤中的至少一些孔在处理区域中完全坍缩。
56.根据权利要求55的方法，其中热处理导致光纤中的所有孔在处理区域中完全坍缩。
57.根据权利要求51的方法，其中热处理以非圆形对称的方式施行，使得孔的坍缩或膨胀的图案不是圆形对称的结果，使得光纤的双折射在热处理区域中改变。
58.根据权利要求51的方法，其中光纤在热处理过程中通过拉伸而局部变窄。
59.根据权利要求51的方法，其中热处理改变光纤中至少一些材料的物理和/或化学状态。
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