CN1275057C - 具有特殊色散特性的双芯光子晶体光纤(pcf) - Google Patents

Abstract

一种用于传输光的光纤，所述光纤具有轴向和垂直于轴向的横截面，光纤包含：(1)第一芯区，包含折射率为N_co，1的第一纤芯材料；(2)微结构第一包层区，环绕第一芯区，所述第一包层区包含第一包层材料和许多相互分开的第一包层部件或元件，这些第一包层部件或元件沿光纤轴向伸长，置于第一包层材料中，第一包层材料的折射率为N_cl，1，每个第一包层部件或元件的折射率低于N_cl，1，从而所得的第一包层区几何折射率N_ge，cl，1低于N_cl，1；(3)第二芯区，环绕所述第一包层区，第二芯区包含折射率为N_co.2的第二纤芯材料，以及(4)第二包层区，环绕第二芯区，所述第二包层区具有折射率为N_cl，2的第二包层材料，其中第一纤芯材料、第一包层材料和第一包层部件、第二纤芯材料，以及第二包层材料如此选择N_co，1＞N_ge，cl，1，N_co，2＞N_ge，cl，1，以及N_co，2＞N_cl，2。

Description

具有特殊色散特性的双芯光子晶体光纤(PCF)

技术领域

本发明涉及关于下列两个方面提供了改善的微结构光纤的新设计：对于光纤通信系统来说是色散补偿(包括色散斜率补偿)，对于近红外波长的应用来说是非线性光纤。

背景技术

在过去的十年中，工作在光通信的1550nm波段的光纤放大器的发展形成了通常工作在波长间隔从1530nm到1610nm并且快速扩展的波分复用光通信系统的巨大发展的基础。这些放大器很大程度上消除了光通信链接的损耗限制，并且为工作在更大传输比特率(具有更大传输容量)的更长传输跨度铺平了道路。同时，光纤放大器的发展最初得到了这样的结果，就是通常设计来工作在1310nm波段的系统可以升级到1550nm波段，可具有显著的优点——只要能以有效的方法补偿这些系统的色散限制。

为了给出色散补偿的可能性及需要的图像，应当指出，当比特率提高至10Gbit/s时，色散将传输限制在大约50km，显然引发了对某种色散补偿的需要。正如Grüner-Nielsen et al.，ECOC’2000，pp.91-94所描述的，非零色散光纤(NZDF)因其低色散和低非线性恶化而看来会成为未来通信系统的选择。因为10Gbit/s比特率的NZDF在传输达到几百公里之前将不需要色散补偿。然而，在未来，当比特率提高到40Gbit/s，对于非位移光纤在传输大约5公里之后就需要色散补偿，而当使用NZDF时在传输大约30公里之后就需要色散补偿。

值得注意的是，今天，安装了几种不同类型具有各种色散特性的光传输光纤。然而，在所安装的光缆中，仍有很大一部分使用的是非位移单模光纤，即，零色散波长在1310nm处而在1550nm波长处具有17ps/km/nm的色散的光纤。今天大多数已成形的色散补偿方法是使用工作在单模区的色散补偿光纤(DCF)。对色散补偿光纤的使用是由Lin，Kogelnik，and Cohen，Optics Letters，Vol.5，pp.476-478，1980提出的。

最早的DCF是阶跃折射率光纤，通过提高纤芯折射率并减小纤芯直径将零色散波长移到了大于1550nm的波长(见Onishi et al.，Electronics Letters，Vol.30，pp.161-163，1994，以及Bjarklev et al.，Optics Letters，Vol.19，pp.62-64，1994)。这些相对简单的光纤设计使得可以在给定波长处控制色散值，但是它们一般没有给出同时控制色散斜率值的可能性。

可以这么讨论，可以对置于真空(低折射率包层)中极细的一根高折射率材料得到这种简单阶跃折射率光纤设计色散补偿特性的某个极限限制。在这一点上，它可相关参考在光纤光学领域中最近的发展，其中大部分兴趣集中在所谓的微结构光纤，也称作光子晶体光纤、光子带隙光纤、带空孔型光纤和有孔光纤中。这些光纤提供了在很多领域——例如光通信、传感器技术、光谱学和医学——中都很感兴趣的许多新特性(见例如，Broeng et al.，Optical Fiber Technology，Vol.5，pp.305-330，1999；Broeng et al.，Optics Communications，Vol.156，pp.240-244，1998；Broeng et al，Opitcs Letters，Vol.25，pp.96-98，2000；WO 99/64903；WO 99/64904；WO 00/60390；Birks et al.，Electronics Letters，Vol.31，pp.1941-1943，October 1995；Knight el al.，Journal of the Optical Society of America，A.，Vol.15，pp.748-752，March 1998；Knight et al.，Optical Materials Vol.11，pp.143-151，1999；US 5,802,236；Monro et al.，Journal of Lightwave Technology，Vool.17，pp.1093-1102，1999；Ferrando et al.，Optics Letters，Vol.24，pp.276-278，1999；WO 00/06506)。这些光纤的特征在于具有被背景材料中细的、平行的间隙/空孔所包围的纤芯。背景材料最常为单种材料，例如二氧化硅玻璃，间隙/空孔一般含有空气或者是真空的，但是它们也可填充有其它玻璃材料、聚合物、液体或气体。取决于应用，间隙/空孔可以是周期或随机分布的，或者它们也可以是按照结合了周期和非周期区的特殊设计的排列分布的(见例如，WO99/64903；WO 99/64904；WO 00/60390；US 5,802,236，Monro et al.，Optics Letters，Vol.25，pp.206-208，2000)。现在回到置于真空中的单根高折射率材料的图像，应当指出，Briks等人(在IEEEPhotonics Technology Letters，Vol.11，pp.674-676，1999中)讨论了，可以用空气中的二氧化硅棒模拟光子晶体光纤(PCF)的特性。这样的近似计算表明，PCF的色散可以超过-2000ps/km/nm——或者它们能够补偿(至+或-0.2％之内)100nm波长范围上相同长度的标准光纤35倍的色散。

正如已经提到的，阶跃折射率光纤的缺点在于它们不能进行色散和色散斜率的同时补偿，还有一个缺点就是需要很大的折射率差(通过高的共掺水平或将单棒置于空气中来获得)。高折射率差阶跃折射率光纤还必需具有很窄的纤芯尺寸，以便光纤是单模的。考虑到非线性，尤其对于工作在40Gb/s或更高的系统来说，这又是一个缺点。

在现在讨论了在标准光纤中和在光子晶体光纤中获得色散补偿最简单的方法之后，来看看标准技术DCF的进一步发展是很有用的。正如我们已经提到过的，简单的阶跃折射率设计关键局限之一在于缺少对色散和色散斜率的同时控制。可以认为这一局限简单说来是由于设计参数非常有限的数量(对于阶跃直射率光纤来说，只可以选择纤芯-包层折射率差和纤芯半径)。得到更多设计灵活性的途径可回溯至标准光纤技术发展的早期，在1980年代早期，已经研究了色散调整技术(见例如，Monerie，IEEE Journal of QuantumElectronics，Vol.18，pp.535-542，1982)，其中计算了双包层设计(也称作W光纤)。这种双包层型的光纤也具有光子晶体光纤技术所实现的同等价值，这些微结构也都进行了研究以用于色散补偿应用。最早的用于这种应用的微结构光纤由Digiovanni等人所公开，(见EP0 810 453和US 5,802,236)。Digiovanni等人讨论了具有分成两个区域的包层的微结构光纤与传统光纤相比是如何能够提供改善了的色散特性的。Digiovanni等人使用的微结构光纤具有内、外微结构包层区，其中内微结构包层区的有效折射率比外微结构包层区更小，他们用这样的光纤获得了大于-1500ps/nm/km的色散。

DiGiovanni等人公开的光纤包含单个芯区(优选地处于光纤中心)，在US 5,802,236中声明“通常，微结构包层部件应当这样布置，以使包层区不含有任何在x-y平面延伸足以作为第二个纤芯，即，承载传播辐射模，的矩阵区”。然而，本发明者认识到，如果设计这样的光纤，以使除了中心芯区中承载的模式之外，至少具有一个能承载一个或多个传播模的区域的微结构光纤，将是有利的。因此，宁愿要能够作为第二纤芯的这样一个区域(具有比中心纤芯更大的尺寸和高于(N₀+N_c)/2的有效折射率，其中N₀为纤芯折射率而N_c为包层有效折射率)。实际上，本发明者认识到，中心芯区中的模式与第二纤芯中的模式之间的耦合对于具有特殊色散特性的微结构光纤来说是非常有利的。更为重要的是应当注意，可使光纤在工作时仅在这些纤芯中的某一个——优选地为中心纤芯——中传导光。这一所需的机制也可描述为芯模的“交叉”避免，正如在本发明详细描述中后面阶段所要讨论的。

在这一点上，应当指出，强的色散补偿通常是通过使导波模有效折射率的光谱位移来获得的。这需要在亚波长尺度上控制折射率分布，最后的效果与光学模式作为波长的函数在空间上的重新分布密切相关。当导波模的这一空间重新分布发生在W光纤设计中时，导波模从高折射率纤芯位移导包层(为增大波长)。这一效应通常将色散波长作用与很靠近所要进行色散补偿的波长附近的强的泄漏损耗和宏弯损耗灵敏度紧密地联系在一起。因此，W设计的产品参数选择就极为狭窄，所以这种光纤设计与光功率的空间重新分布在纤芯的导波区中位移的设计相比变得更没有吸引力。这也是标准的光纤技术通常使用三包层设计来进行色散补偿(见例如，Vengsarkar et al.，OFC’93，San Jose，USA，Febr.21-26，1993，Post deadline paper PD13；Antos，and Smith，IEEE Journal of Lightwave Technology；vol.12，pp.1739-1745，1994；Vensarkar et al.，OFC’94，paper ThK2，pp.222-227，1994；Onishi et al.，ECOC’94，pp.681-684，1994；Akasaka et al.，OFC’96，paper ThA3，pp.201-202，1996)的原因。相对于阶跃折射率设计来说，这些设计具有一些优点——其中一种还是负色散斜率，提供了部分或完全的色散斜率补偿。

使用标准光纤技术，三包层设计是这样的：窄的高-δ纤芯(即，高掺杂以获得相对于纯二氧化硅来说大的折射率差)，周围环绕着强烈下降的包层，然后是上升的包层(我们在这里以这样的顺序提到不同的要素：从光纤横截面的中心开始沿半径方向向外)。第三包层通常由纯二氧化硅制成。应当指出，为了抑止高阶模波导(降低DCF的截止波长)，通常在上升的包层和最外包层之间加入另一层下降的包层。然而，为简单起见(并且因为其对于基模特性的影响通常是有限的)，通常不详细讨论这一第四包层。

在我们用更简单的标准光纤设计来讨论的同时，Fajardo等人在WO 00/16141中考虑了使用微结构——或PCF——技术的三包层等效设计。Fajardo等人描述了一种光波导，其中包层的密度从而其有效折射率沿光纤轴向以预选方式被改变。包层密度的轴向改变是因为空气或组分不同于基底包层玻璃的玻璃构成的包层体积的部分。Fajardo等人认为，包层折射率的轴向变化改变了信号模功率分布，从而改变了沿光纤长度的关键的波导光纤参数，例如色散的量级和符号、截止波长以及零色散波长。

使用标准光纤制造技术的色散补偿光纤(即，从掺杂二氧化硅制造的光纤)的一个缺点在于，有限的杂质浓度(由内部应力、材料沉积效率等给出)不能提供像其它竞争技术所能给出的那么大的(负)色散值。还有一个缺点就是标准的单模DCF通常比它们要补偿色散的传输光纤具有小得多的束斑尺寸值。束斑尺寸不匹配通常会导致显著的耦合损耗，和/或复杂的接合技术，包括中介光纤、材料扩散控制的特殊技术等。

当在终端一侧使用DCF来进行色散补偿时，DCF的缺点之一就在于增大了总的连接衰减。增加的衰减必须在放大器中用附加的增益来补偿，这降低了信噪比并增大了系统成本。为使这一问题最小化，DCF应具有尽可能高的负色散D_DCF和尽可能低的衰减α_DCF。因此，色散补偿光纤的质量因数(FOM)可定义为D_DCF/α_DCF。当前所用的DCF的典型FOM值为大约200ps/nm/dB，其中衰减为大约0.5dB/km而色散为大约-100ps/nm/km。因此，对于根据本发明的提供色散-400ps/nm/km或负得更多的光纤，损耗项比传统DCF更不受限制——或者说，对于相似的损耗水平来说，根据本发明的DCF可提供更高的FOM。对于根据本发明的提供色散为，例如-1000ps/nm/km或负得更多的色散补偿光纤，与传统DCF相比可获得光纤衰减高至5dB/km的改善FOM。

应当指出，使用标准光纤技术大规模生产的色散补偿光纤一般都设计成在波长1550nm处色散大约-100ps/km/nm，FOM在200ps/nm/dB量级(见例如，Gruner-Nielsen et al.ECOC’2000，Munich，pp.91-94)。然而，可得到负得更多的色散值，而同时还具有好的FOM值，作为Knudsen等人工作的一个例子，可以提到LEOS’2000年度会议的Paper TuZ2，pp.338-339。这一工作展示了1550nm处307ps/nm/dB的FOM的-190ps/km/nm的色散。

考虑到在使用特殊设计的光纤过程中色散补偿的背景，考查Thyagarajan et al.，IEEE Photonics Technology Letters，Vol.8，pp.1510-1512，1996所描述的色散补偿光纤也是有关的。在此文中，Thyagarajan等人预言了由两层同心纤芯组成的光纤非常大的负色散值(低至-5100ps/km/nm)。所需的色散补偿通过使用中心放置的高折射率纤芯(2-2.5％的相对折射率差)和环形纤芯来获得，它们独立选择，以使每层纤芯支持1550nm波长处的一个方位角对称的传播模。Thyagarajan等人描述的想法是，双芯光纤设计将支持两个方位角对称的模式(类似于定向耦合器的两个所谓的超模)，并且这些模式在1550nm处近乎相位匹配。接近于这一相位匹配波长，复合纤芯光纤的模折射率由于内芯和外芯的两个独立模式之间的强耦合而快速改变。由于两层纤芯之间之间强的折射率不对称，(复合结构)基模折射率波长变动的斜率存在快速改变，导致1550nm附近的大色散。已制造了这样的同心双芯型光纤，并且Auguste et al.，IEE Electronics Letters，Vol.36，pp.1689-1691，2000提出了波长1550nm处低至-1800ps/km/nm的色散结果。还是在这一工作中描述了该光纤的功能，两个超模——其中一个具有大的负色散而另一个具有大的正色散——之间的耦合，光只以具有负色散的超模传导通过光纤。也应指出，Auguste et al.，Optics Communications，Vol.178，pp.71-77，2000进一步描述了这种类型的光纤，其中研究了中心倾斜(dip)——通常出现在改进化学汽相沉积(MCVD)制作的光纤中——的影响并且发现这是很重要的。考虑到这些同心双芯光纤设计，指出下面这些是很重要的：光纤传播特性也可由使用光纤中的线性偏振(LP)模的更普通的模式描述来解释。如果我们从这个角度来看同心双芯设计，我们发现LP₀₁模(代表前面提到过的超模之一)显示出强的负色散。同时，LP₀₂模(代表前面提到过的超模中另一个)示出强的正色散，更重要的——光纤支持LP₀₂模的传导。更近地看看Thyagarajan等人提出的光纤设计，还可以发现该光纤结构还强烈地传导LP₁₁模。

标准光纤技术制作的同心双芯设计的一个缺点可能在于光纤强烈地传导几个模式。标准光纤技术制作的同心双芯设计的另一个缺点在于通常需要非常高的共掺浓度，因为它可能导致增大很多的光纤衰减，而且，要保持均匀且可重复的掺杂水平是困难的。后一项由Auguste等人指出(Optics Communications，Vol.178，pp.71-77，2000)，其中描述了MCVD制作的光纤中众所周知的中心折射率倾斜(dip)是如何会在色散峰的光谱位置中引入强偏差的(已报导了大于100nm的偏移)。标准技术的同心双芯光纤的又一个缺点在于掺杂玻璃技术中有限的折射率差使得必需使用更宽外半径的环形纤芯(Thyagarajan等人和Auguste等人提出的光纤最外层纤芯的半径将近20微米)。这对于1550nm以上的波长导致了强烈的空间延展基模场，这最终会导致显著的宏弯灵敏性。

在PCF中无需高的掺杂水平，因为可通过微结构来获得折射率差。因此，可降低参数灵敏性，可得到传导模和高阶模之间具有不同传导特性的光纤(有可能进行模式识别)。

通过更大范围的使用PCF的设计可能性，我们可解决弯曲损耗问题，同时得到更大的负色散。

本发明的一个目的在于为用于色散补偿应用(包括色散斜率补偿)的微结构光纤给出改善的设计和设计参数。这一改善涉及强色散、色散斜率的控制、低的弯曲损耗、大的模场直径、对参数波动的更低灵敏性——与现有技术相比允许更好的重复性，以及对二氧化硅的掺杂水平的更低要求。

Hasegawa等人已在EP 1 118 887 A2中描述了具有多包层的光子晶体光纤(PCF)。Hasegawa等人要求一种光纤，它包括芯区和不少于三层的依次环绕芯区的包层区，其中至少有一层包层区的平均折射率低于相邻两侧包层区的，至少一层包层区具有许多折射率低于构成该包层区的主要介质的附属介质区。

然而，本发明者认识到，设计至少具有一个可以支持一个或多个不同于中心芯区所支持的模式的传播模的区域的微结构光纤是有利的。

Hasegawa所描述的光纤的一个缺点在于它们不不具有用作纤芯本身支持一个传导模的区域，因为这会限制所能得到的色散的可能量级。

此外，本发明者还认识到，去掉一个有效折射率低于相邻两层包层区的包层区可能是有利的。实际上，本发明者认识到，使一个区域的有效折射率高于相邻两个包层——这样的区域此处称之为“第二纤芯”——是有利的。

Hasegawa等人所公开的光纤显示大约-200ps/km/nm的负色散，而本发明者所公开的微结构光纤提供超过-10000ps/nm/km的负色散。

在Hasegawa的专利申请中给出，外包层区的平均折射率n₃满足关系n₂＞n₃，其中n₂为第二内包层的折射率。Hasegawa等人通过在包层区3中插入低折射率部分来获得这一关系。这与本发明的许多优选实施方案相反，其中外包层由同质材料构成。

发明内容

在第一方面，本发明涉及具有轴向和垂至于所述轴向的横截面的光纤。

该光纤在预定波长附近具有负色散。该光纤的特征在于这许多区域：

1)第一芯区，基本位于光纤中心，第一芯区包含折射率N_co，1的第一纤芯材料。在本文中，“基本位于”意思是需要第一纤芯置于中心，但是生产方式会引入微小的结构偏差，从而第一芯区的中心和整个光纤的中心可能不会重合。而且，光纤截面的外侧形状可能不是圆形的，这使得光纤中心的定义更不严格。在非圆形外侧形状的情形中，中心确定为与光纤具有相同外侧形状的二维物体的重心。

2)第一包层区，环绕第一芯区，第一包层区包含多重互相分开的第一包层部件，沿轴向拉长，置于第一包层材料中，所述第一包层材料折射率为N_cl，1；

3)第二芯区，环绕第一包层区，第二芯区包含折射率Nco，2的第二纤芯材料，第二芯区的横截面基本是环形的。由于内包层和外纤芯之间的界面可能是至少一侧有微结构(内包层区)的截面，因此，界面无须看上去是光滑界面(例如，在具有同样背景折射率的两个区域的情形中)。因此，外芯区的形状无须看上去是一个光滑的环状——因而才措词说“基本环形”；

4)第二包层区，环绕第二芯区，第二包层区包含折射率N_cl，2的第二包层材料，第二包层区的横截面基本是环形的。在本文中，使用措词“基本环形”的原因与上面讨论的相同。

通常，预定波长在1.3μm至1.7μm范围内，例如从大约1.5μm到1.62μm。

在优选实施方案中，光纤第一芯区的折射率高于第二芯区。

在另一优选实施方案中，光纤第一芯区与第二芯区折射率相同。这使得例如可以在单种材料，例如纯二氧化硅，中制作光纤。

在优选实施方案中，光纤第一芯区折射率小于第二芯区。这使得例如具有非常大的模场直径。

在另一另一实施方案中，第一包层区的横截面基本是环形的。因为与上面所讨论的相同的原因而使用措词“基本”。

在另一优选实施方案中，光纤具有第一内接纤芯直径D_co，1，大于所述预定波长的3倍，例如大于预定波长的5倍，例如大于预定波长的7倍，例如大于预定波长的10倍。

在另一优选实施方案中，D_co，1处在4μm至25μm范围内，例如处在4.0μm至5.0μm范围内，例如处在5.0μm至6.5μm范围内，例如处在6.5μm至10.0μm范围内，例如处在10.0μm至25.0μm范围内。

在另一优选实施方案中，第一芯区具有变化的折射率分布，所述变化的折射率分布具有等于N_co，1的最大折射率，所述变化的折射率分布的特征在于α分布，其中α在0至100范围内，例如α等于2、3或更高。

在另一优选实施方案中，第二芯区为同质芯区。

在另一优选实施方案中，第二芯区为微结构的。这无需使用掺杂就增大了第二芯区所能获得的有效折射率范围。

在另一优选实施方案中，第二纤芯中的微结构部件相对于所述第一芯区的中心基本上成圆形对称。为了降低光纤中的偏振模色散(PMD)，这是优选的。

要求保护根据前述中任何一个的光纤，其中所述第二纤芯部件排列在环绕第一芯区的单层中，从而从第二纤芯部件到第一芯区中心的距离对于所有第二纤芯部件来说都基本相同。为了降低PMD，这是优选的；为了制造上更容易，这更是优选的。

在另一优选实施方案中，第二纤芯部件排列在环绕第一芯区的两层或更多层中。为了降低弯曲损耗，这是优选的。

在另一优选实施方案中，第二纤芯部件的数目等于或大于6，例如等于或大于18。为了调整第二芯区的有效折射率，大的数目是优选的。

在另一优选实施方案中，第二纤芯部件具有直径D_co，2，以及最邻近的第二纤芯部件之间中心到中心的间距Λ_co，2，D_co，2/Λ_co，2处在0.01至0.5的范围内，例如从0.1至0.2。通常，为了确保第二纤芯支持有限数量的模式的可能性，第二纤芯中的微结构部件应当相对较小。

在另一优选实施方案中，D_co，2处在0.1μm至5μm范围内。通常，这是提供最强色散的设计参数范围。

在另一优选实施方案中，λ/Λ_co，2处在0.2μm至20μm范围内。通常，这是提供最强色散的设计参数范围。

在另一优选实施方案中，第一包层部件相对于所述第一芯区的中心来说基本上成圆形对称。为了降低光纤中的PMD，这是优选的。

在另一优选实施方案中，第一包层部件排列在环绕所述第一芯区的单层中，从而从第一包层部件到所述第一芯区中心的距离对于所有第一包层部件来说都是基本相同的。为了降低光纤中的PMD，这是优选的。

在另一优选实施方案中，所述第一包层部件排列在环绕第一芯区的两层或更多层中。为了降低光纤中的弯曲损耗和/或提供更强的色散，这是优选的。

在另一优选实施方案中，所述第一包层部件的数目等于或大于3，例如等于或大于6，例如等于或大于8，例如等于或大于18。部件数目的这一范围使得能将光纤的双折射设计到一个较大程度。为了提供低PMD，可能需要更多数目的部件，例如通过更多的圆形对称部件排列。

在另一优选实施方案中，第一包层部件具有直径D_cl，1，以及最邻近的第一包层部件之间中心到中心的间距Λ_cl，1，D_cl，1/Λ_cl，1处在0.2至0.8的范围内，例如从0.4至0.6。为了提供将色散，需要相对较大的部件。因此，部件应足够大以提供两层纤芯之间的缓冲区。

在另一优选实施方案中，D_cl，1处在0.1μm至10μm范围内。通常这一范围给出为了获得波长1.55μm处的强色散的最有吸引力的设计参数范围。

在另一优选实施方案中，Λ_cl，1处在0.2μm至20μm范围内。通常，这一范围给出为了获得波长1.55μm处的强色散的最有吸引力的设计参数范围。

在另一优选实施方案中，D_cl，1/Λ_cl，1大于D_co，2/Λ_co，2。为了保证第一包层区用作两层纤芯之间的缓冲，这是优选的。

在另一优选实施方案中，第二包层区包含多重互相分开的第二包层部件，沿轴向拉长，置于所述第二包层材料中。这为配合光纤的色散特性提供了进一步的方法。

在另一优选实施方案中，第二包层部件具有直径D_cl，2，以及最邻近的第二包层部件之间中心到中心的间距□cl，2，D_cl，2/Λ_cl，2处在0.01至0.5的范围内，例如从0.1至0.2。经常优选地使这些部件与第二纤芯的部件可比。可优选地使第二纤芯仅为弱传导或者具有接近于或约等于工作波长的截止。这样，第二包层部件可优选地具有有限尺寸，以便不对第二纤芯提供强限制——或作为替代地不为第二纤芯中的许多模式提供限制。

在另一优选实施方案中，D_cl，2处在0.1μm至5μm范围内。根据上面提出的优选实施方案，这是优选地使第二包层部件在尺寸上与第二纤芯部件可比。类似地，进一步优选地使Λ_cl，2处在0.2μm至20μm范围内。

在另一优选实施方案中，Λ_cl，1大于Λ_cl，2。为了使第一和第二包层区具有相同的背景材料，但是两个区域的有效折射率在给定波长——例如预定波长——处不同，这是优选的。特定地，优选地使Λ_cl，1大于或等于3Λ_cl，2，因为这样的比例可以通过使用众所周知的制造微结构光纤的方法——例如使用毛细管堆叠的方法——容易地实现。

在另一优选实施方案中，Λ_cl，1基本等于Λ_cl，2。这可能是优选的，因为相同的间距(即，在包层包含周期性部件结构情形中的中心到中心的部件间距或网格周期)通常允许简单的制造，从而改善光纤的重复性。

在另一优选实施方案中，D_cl，1大于D_cl，2。为了第一包层区具有小于第二包层区的有效折射率，这是优选的。

在另一优选实施方案中，D_cl，1/Λ_cl，1和D_cl，2/Λ_cl，2基本相同。这可能是优选的，因为相似的孔洞和间距尺寸使得制造最简单，从而改善光纤的重复性。

在另一优选实施方案中，光纤包含一种或多种玻璃材料。

在另一优选实施方案中，光纤包含二氧化硅。

在另一优选实施方案中，光纤包含聚合物。

在另一优选实施方案中，第一包层部件、第二纤芯部件，和/或第二包层部件为包含真空、空气或另一种气体的空隙。

在另一优选实施方案中，光纤具有非圆形的外侧形状，例如非多边形，例如椭圆形。由于一系列原因，这可能是有利的——例如对于具有高双折射的光纤(例如对于处理接合问题)来说，或确保在某一优选方向上的弯曲。

在另一优选实施方案中，外侧形状在横截面中具有预定取向，预定取向由所述第一包层部件的位置决定。为了进一步确保某一预定方向上相对于在芯区中和/或周围的微结构中的实际方向的弯曲，这可能是优选的。而且对于偏振保持来说，色散补偿光纤是优选的。

在另一优选实施方案中，第一芯区在横截面上具有非圆形的外侧形状，例如椭圆形。为了在光纤中给出高的双折射，这是优选的。

在另一优选实施方案中，第一包层区在横截面上具有非圆形的内侧形状，例如椭圆形的内侧形状，在光纤中给出高的双折射。对于保偏色散补偿光纤应用来说，这是更优选的。

在另一优选实施方案中，光纤以单模传导预定波长的光。

在另一优选实施方案中，光纤以高阶模传导预定波长的光。这是优选的，因为高阶模可比基模提供更强的色散，包括强正色散的可能性。

在另一优选实施方案中，本发明覆盖了包含模块的产品，其中该模块用于光纤通信系统中的色散补偿，该模块包含根据本发明的光纤。

在第二方面，本发明涉及具有轴向和垂直于所述轴向的横截面的光纤。光纤在预定波长附近具有正色散。该光纤的特征在于这许多区域：

1)第一芯区，基本位于光纤中心，第一芯区包含折射率N_co，1的第一纤芯材料。在本文中，“基本位于”意思是需要第一纤芯置于中心，但是生产方式会引入微小的结构偏差，从而第一芯区的中心和整个光纤的中心可能不会重合。而且，光纤截面的外侧形状可能不是圆形的，这使得光纤中心的定义更不严格。在非圆形外侧形状的情形中，中心确定为与光纤具有相同外侧形状的二维物体的重心。

2)第一包层区，环绕第一芯区，第一包层区包含多重互相分开的第一包层部件，沿轴向拉长，置于第一包层材料中，所述第一包层材料折射率为N_cl，1；

3)第二芯区，环绕第一包层区，第二芯区包含折射率Nco，2的第二纤芯材料，第二芯区的横截面基本是环形的。由于内包层和外纤芯之间的界面可能是至少一侧有微结构(内包层区)的截面，因此，界面无须看上去是光滑界面(例如，在具有同样背景折射率的两个区域的情形中)。因此，外芯区的形状无须看上去是一个光滑的环状——因而才措词说“基本环形”；

4)第二包层区，环绕第二芯区，第二包层区包含折射率N_cl，2的第二包层材料，第二包层区的横截面基本是环形的。在本文中，使用措词“基本环形”的原因与上面讨论的相同。

在优选实施方案中，预定波长在1.3μm至1.7μm范围内，例如从大约1.5μm到1.62μm。

在另一优选实施方案中，光纤以高阶模传导预定波长的光。这是优选的，因为根据本发明，高阶模可显示出非常高的正色散或非常高的负色散。

在优选实施方案中，本发明覆盖了包含用于光纤通信系统中色散补偿的模块的产品(这是光纤通信系统或其部分)。该模块包含根据本发明的光纤。

在另一优选实施方案中，本发明覆盖了包含将光从传统单模光纤耦合到根据本发明的光纤中的模式转换器的产品。

最后，应当提到的是，本发明既覆盖由总内反射的改进方案传导光的光纤，也覆盖由光子带隙效应传导光的光纤。

术语和定义

对于微结构，一个可直接测量的量就是所谓的“填充分数”，也就是微结构中所放置部件的体积与微结构总体积之比。对于沿光纤轴向不发生变化的光纤来说，可通过例如使用本技术中已知的检查方法从光纤横截面的直接检查来确定填充分数。

在本申请中，我们区分“折射率”、“几何折射率”和“有效折射率”。折射率是同质材料的传统折射率——自然地，这也用来描述微结构介质中各种材料本身的折射率。一种结构的几何折射率为该结构通过几何加权的折射率。例如，由占结构40％的空气部件(空气部件本身的折射率＝1.0)和二氧化硅背景材料(二氧化硅背景材料的折射率≈1.45)组成的微结构的几何折射率为0.4×1.0+0.6×1.45＝1.27。确定给定微结构在给定波长处的有效折射率的程序对于熟练的技术人员来说是众所周知的(见例如，Joannopoulos et al.，“PhotonicCrystals”，Princeton University Press，1995，或者Broeng et al.，Optical Fiber Technology，Vol.5，pp.305-330，1999)。

通常，对于微结构有效折射率的精确确定来说，需要能够求解全矢量形式麦克斯维方程的数值方法。本发明使用了一种在文献中得到了很好的证明的方法(见前面Joannopoulos参考文献)。在长波长区，有效折射率大致等于材料各成分的折射率的加权平均值，也就是，在这一波长区，有效折射率近似于几何折射率。

附图说明

下面，通过优选实施方案的详细描述进一步公开了本发明，但这仅作为例子。以附图作为参考，其中：

图1a(现有技术)示意性示出传统阶跃折射率光纤的折射率分布。

图1b(现有技术)示意性示出等效折射率导引光子晶体光纤的横截面。

图2a(现有技术)示意性示出通常用于色散控制的传统W型光纤的折射率分布。

图2b(现有技术)示意性示出具有两种不同空气隙尺寸用于获得W型光纤的有效折射率分布的微结构光纤的横截面。

图3a(现有技术)示意性示出一种通常用于标准色散补偿光纤的传统三包层光纤的折射率分布。

图3b(现有技术)示意性示出具有三种不同空气隙尺寸用于获得三包层型的有效折射率分布的微结构光纤的横截面。

图4(现有技术)示出包含空气孔的微结构的有效折射率对于不同空气孔尺寸作为归一化波长的函数。

图5(现有技术)示意性示出用于色散补偿的微结构光纤的横截面，该光纤具有由环形内侧包层部分环绕的掺杂中心纤芯，内侧包层部分的空气孔比形成微结构外侧包层的空气孔更大；该光纤在纤芯中心处进一步包含高折射率部件。

图6(现有技术)示出图5所示的周期性外侧包层区的和假想蜂巢结构(代表中心光纤区)的有效模折射率作为归一化波长的函数。曲线分别属于具有不同空气孔尺寸的蜂巢结构。

图7示出周期性外侧包层区的和假想蜂巢结构(代表中心光纤区)的有效模折射率作为归一化波长的函数。不同曲线表示中心纤芯的不同掺杂水平，以及不同蜂巢空气孔尺寸。

图8(实施方案)示意性示出用于色散补偿的微结构光纤的横截面，该光纤具有由环形内侧包层部分环绕的掺杂中心纤芯，内侧包层部分的空气孔比用于形成微结构外侧包层的空气孔更大。在内侧和外侧包层区之间，在一个环形部分中获得了更高的有效折射率，其中(与外侧包层相比)没有空气孔。

图9示出根据本发明的光纤的模折射率模拟。

图10示出根据本发明的色散补偿光纤的色散模拟。

图11示出根据本发明的微结构光纤的基模场分布。

图12示意性示出根据本发明的光纤，其中外侧包层是同质的并且a)外侧纤芯包含高折射率部件或b)外侧纤芯包含环形高折射率区。

图13定性示出根据本发明的色散补偿光纤的工作，该光纤可能具有大的负色散和低的弯曲损耗。

图14示意性示出内侧包层中的低折射率部件和外侧纤芯中的高折射率部件的相对优选定位。

图15示意性示出根据本发明的光纤，其中外侧包层是同质的并且包含不同与内侧包层和外侧纤芯的背景材料的材料。通常，外侧包层材料的折射率低于内侧包层和外侧纤芯的背景材料。

图16示出根据本发明的另一光纤的模折射率模拟。

图17示出根据本发明的一系列光纤的色散模拟。

图18示出根据本发明设计用于工作在大约1550nm的一系列光纤的最强负色散的波长和相应孔间距的模拟。

图19示出根据本发明的一系列光纤的最强负色散值模拟。

图20示出根据本发明的一系列光纤的色散“倾斜(dip)”宽度模拟。

图21示出根据本发明的光纤的色散和相对色散斜率模拟。

图22示出根据本发明的另一光纤的色散和相对色散斜率模拟。

图23示出根据本发明的又一光纤的色散和相对色散斜率模拟。

图24示出根据本发明的另一光纤的工作。此图示出对根据本发明的光纤使用中心纤芯中高阶模来进行色散补偿应用的可能性。

图25示出根据本发明的另一光纤的示意性实施例。

图26示出根据本发明的光纤的工作，该光纤具有折射率与内侧包层区相同的外侧纤芯。

图27示出根据本发明的光纤的工作，该光纤与前一附图中的光纤可比，只是具有更大的外侧纤芯尺寸。

图28示出前一附图的光纤的色散和有效面积模拟。

图29示出根据本发明的光纤的色散和有效面积模拟，该光纤具有不与内侧包层接触的高折射率纤芯。

图30示出前两附图中光纤的有效面积的比较。

图31示出图28和29中的光纤的色散的比较。

图32示意性示出用于色散补偿的微结构光纤的横截面，该光纤的纤芯具有掺杂部件，纤芯由环形内侧包层部分环绕，内侧包层部分的空气孔比用于形成微结构外侧包层的空气孔排列更紧密。在内侧和外侧包层区之间，在一个环形部分中获得了更高的有效折射率，其中(与外侧包层相比)没有空气孔。

图33示意性示出用于色散补偿的微结构光纤的横截面，该光纤的纤芯具有掺杂部分，纤芯由环形内侧包层部分环绕，内侧包层部分的空气孔比用于形成微结构外侧包层的空气孔排列更紧密。与前一附图相比，在外侧纤芯区去掉了更多空气孔。

图34示意性示出根据本发明的微结构光纤的横截面，其中外侧纤芯包含高折射率部件。

图35示意性示出根据本发明的微结构光纤的横截面，其中外侧纤芯包含折射率高于外侧包层背景材料的单个环形部件。

图36示意性示出根据本发明的微结构光纤的横截面，其中通过在同心圆中安置空气孔来形成外侧包层。

图37示意性示出根据本发明的微结构光纤的横截面，其中通过在同心圆中安置空气孔来形成外侧包层，其中内侧包层由非圆形截面的空气孔形成。a)使用四个玻璃段来保持光纤中心部分的位置。b)使用三个玻璃段来保持光纤中心部分的位置。

图38示意性示出可用于实现根据本发明的光纤的微结构的有效折射率偏移，纤芯包含最大有效折射率低于光纤其余部分中任何材料的最高有效折射率的材料。

图39示意性示出根据本发明的微结构光子带隙光纤的横截面。使用了蜂巢结构包层，纤芯由另外的孔形成。掺杂区环绕中心孔。

图40示意性示出根据本发明的微结构光子带隙光纤的横截面。该光纤含有具有许多附加空气孔的圆环，这些空气孔用于增强PBG光纤的色散补偿特性，外侧纤芯含有小的低折射率部件。

图41示出根据本发明的光纤结构中带隙传导模的有效折射率。

图42示出根据本发明的光纤所能获得的反群速度色散模拟。

图43示出根据本发明的真实光纤的显微图。该附图进一步示出该光纤在波长大约为1550nm处的色散特性。

图44a-44c示出根据本发明的另一真实光纤的显微图。该附图进一步示出该光纤在波长大约为1550nm处的色散特性。

图45a-45c示出根据本发明的真实光纤的另一实施例。

图46a-46b给出根据本发明的光纤的示意性实施例。

图47a-47b给出一个类似的示意性实施例。

具体实施方式

在图1a中，示出了根据现有技术的标准阶跃折射率光纤的折射率分布。在这种光纤设计中，芯区101通常由狭窄的圆形部分形成，用锗强共掺以提供与周围包层区102相比更高的折射率。然而，应当指出，该光纤也可以用掺杂包层区(通常是掺F二氧化硅)环绕非掺杂(纯二氧化硅)纤芯来实现。该设计还包括置于空气(或真空)中或者是另一折射率与纤芯玻璃相比更低的材料中的细实心玻璃棒。在图1b中，示意性示出等效微结构光纤。在这一实现中，由包层104环绕非掺杂纤芯103，包层104通过在二氧化硅背景材料中放置空气孔105——或空隙——来形成。这一包层的实现提供了低于纤芯折射率的包层平均折射率。图1b中的相切虚线圆106表示芯区和包层区之间的一个分界——定义纤芯直径D_co为相切圆直径。

在图2a中，示出了现有技术的所谓W分布型光纤的折射率分布。这种折射率的特征在于纤芯201——通常由通过锗共掺提高的折射率来形成。纤芯周围环绕着下降的(通常通过氟共掺)包层区202，这一内侧包层区被外侧包层203环绕，后者通常在纯二氧化硅中实现。正如本发明的背景描述中所描述的，这些光纤通过光谱相关有效模折射率——与基模的光谱相关功率分布有关——来工作。

图2b(现有技术)示出等效于标准技术W分布光纤的微结构光纤的实施例。这里，纤芯由实心芯区204形成，环绕着置有空气孔206的内侧包层区205。由于内侧包层区的空气孔206具有大于外侧包层区207的空气孔208的横截面，内侧包层的有效折射率变得小于外侧包层的有效折射率。通常，这种W分布光纤将在获得显著负色散的波长附近显示出显著的宏弯损耗。

在图3a(现有技术)中，示用于色散补偿的三包层标准光纤(DCF)的折射率分布。这种类型的DCF具有狭窄的高掺杂纤芯301(通常使用锗作为提高折射率的杂质)，环绕着下降包层302(通常掺氟使折射率下降0.5％)。使用半径1-2μm量级的窄纤芯，光纤中心部分的这一锗掺杂通常会导致折射率上升2-3％。高掺杂纤芯是有利的，因为它使得能得到高的负色散，但是缺点在于增大了衰减(如Gruner-Nielsen et al.，ECOC’2000，pp.91-94所描述的)。下降包层降低了色散，并且对于在1550nm附近获得负色散斜率是必需的。常常引入折射率高于该包层的另一折射率环303来改善弯曲特性，但是折射率的增大一般不会超过0.5％，因为高折射率值将会使得光纤多模工作。光纤的最外层是纯二氧化硅包层304。

图3b(现有技术)示出一种微结构光纤的横向截面，该微结构光纤设计来应用与标准光纤技术类似(但是增强了)的特性。附图示出由实心材料形成的纤芯305。纤芯由内侧包层306环绕，内侧包层306中放置了具有相对较大横截面307的空气孔来形成有效折射率下降的包层。此外，内侧包层由第二区域308环绕，第二区域308中放置了小的空气孔309来形成与内侧包层区306相比更高的有效折射率。最后，波导由最外包层310构成，其中放置了中等尺寸(与内侧区域相比)的空气孔311。

应当指出，在整个描述中，我们将假设基本材料为二氧化硅或掺杂二氧化硅，因为这是制造光纤最常用的材料。然而，本发明背后的原理和思想并不局限于这些材料组合，对于将来探索了光纤技术新的光谱范围的应用，可能使用不同材料成分——例如(但不局限于)不同化合物玻璃(例如硫族元素化合物)、聚合物和/或低熔点玻璃——是更有利的。

微结构光纤通常根据其导波的物理机制分成两种类型：折射率导引微机构光纤的特征在于折射率高于周围包层区的纤芯(正如传统光纤)，而光子带隙微结构光纤的特征在于折射率有效地低于周围具有周期性分布部件的包层区的纤芯(见Broeng et al，Optical FiberTechnology，Vol.5，pp.305-330，1999中对这两组的分类的陈述)。虽然这两种微结构光纤中引起波导的物理机制不同，但是本发明者所公开的改善对这两种微结构光纤都涉及。

在图4(现有技术)中，绘出了周期性结构的空间填充模的有效折射率β/k是如何随归一化波长λ/Λ改变的。这里λ为光的自由空间波长，Λ为最近相邻两个空气孔中心之间的距离，β为传播常数，k为自由空间波数，这些都是熟练的技术人员所熟知的。周期性结构由按三角点阵置于二氧化硅(二氧化硅的折射率大约取为1.45)背景上的圆形空气孔(计算中将空气的折射率取为1.0)构成。示出了三条曲线：顶上的一条曲线401代表空气孔按三角点阵放置(也称作密排排列)且直径d为0.2Λ——Λ为点阵周期(对于三角点阵来说等于空气孔中心到中心的距离)——时的周期结构。曲线402代表一种类似结构，但是d＝0.3Λ，而最底下的一条曲线403代表一种类似结构，但是d＝0.5Λ。应当注意，当波长λ与结构尺寸(由Λ表征)相比较大时，有效折射率较低且对波长的依赖不强。从现有技术可知如果需要强色散补偿的话，包层的低折射率是有利的。

如果要使用具有周围环绕周期性包层区的二氧化硅芯区的光子晶体光纤(PCF)(例如有效折射率如图4中所计算的那些)作为色散补偿光纤，那么就得假设要使用间距与波长相比较小的内包层区，因为根据图4中所示的周期性结构的有效折射率曲线，这给出了最低的包层折射率。

此外，由于根据图4的包层有效折射率在使用大的空气填充分数时最低，所以得假设应当使用具有大的空气填充分数的包层结构来获得最大的色散补偿。这与Birks等人在IEEE Photonics TechnologyLetters，Vol.11，pp.674-76，1999和Optical Fiber CommunicationConference，FG2-1，pp.108-10.1999，以及DiGiovanni等人在US5,802,236中所说的吻合。在Birks的文章，假设包层折射率为一(这当然小于任何真实微结构包层的实际折射率)，而纤芯设为直径非常小(0.4-1.2μm)的圆形玻璃棒。

根据本发明，用于色散补偿目的的PCF由此可以制成横截面类似于图1b所示意性示出的那种。如果包层的空气填充分数较大，那么在包层孔间距离与波长相比较小时群速度色散通常具有最小值。这与纤芯直径相符，纤芯直径与波长相比也较小，这些和Birks等人的发现相一致。应当注意，小的纤芯尺寸会有许多问题：因为与要耦合的标准光纤之间弱的模式重叠，此时使用标准接合技术将光耦合到光纤中总会有显著的耦合损耗。这对于熟练的技术人员来说是熟知的。进一步，小的纤芯尺寸在未来的高比特率系统中会引起非线性效应。这对于熟练的技术人员来说也是熟知的。然而，使用图1b示出的示意性设计所能得到的群速度色散值是非常有吸引力的：根据Birks等人，群速度色散可低至-2000ps/nm/km。

具有类似于图1b所示的横截面并且群速度色散低于-400ps/nm/km的微结构光纤的缺点之一在于光纤具有大约1μm或小于这个值的小纤芯尺寸，因而其与标准光纤之间的耦合系数很低。

具有类似于图1b所示的横截面并且群速度色散低于-400ps/nm/km的微结构光纤的又一缺点之一在于光纤具有小的有效模式面积，因而，在未来高比特率传输系统中会遭受非线性效应的损坏。因而，这样的光纤将会对未来上Gbit的系统所传输的比特率具有有害影响。

本发明者意识到存在许多设计这样的微结构光纤的方法，这种光纤具有大的负群速度色散但同时避免到目前为止为色散补偿光纤所提出的设计所固有的大折射率差导致的小纤芯尺寸。为了理解基本思想，重新考虑图4的模折射率。如果可以设计一种光纤，它的纤芯折射率随着频率的增大迅速升高到包层折射率之上，那么将得到在类似于图4所示的折射率曲线的折射率曲线中向上弯曲的模折射率。根据群速度色散公式，这相应于大的负群速度色散GVD：

$\mathrm{GVD}=-\frac{\mathrm{\λ}}{c}\frac{d^{2}n}{{\mathrm{d\λ}}^2}$

这一方法唯一一个明显的问题就是图4中所示的折射率曲线看上去永远不会相交。然而，图4所示的折射率曲线对应于特定的一类周期性结构。对于现有技术的微结构光纤，该问题已经解决了：通过加大内侧包层空气孔——例如图2b所示意性示出的——场不会在具有大波长处超过包层折射率的模折射率的芯区中传导。在某些波长处，基包层模的模折射率上升非常快，在有限的波长范围内产生大的负群速度色散。这是因为在短波长处，基模定位在中心芯区中，导致模折射率快速上升，同时该模开始传导。不幸地，模折射率的这一快速上升发生在芯区与标准光纤的芯区相比相对较小时，从而给出了与图1a所绘基本光纤设计相同的非线性效应和弱的耦合的问题。

然而，本发明者意识到，通过掺杂中心芯区，使其折射率高于包层区背景材料的折射率，就可获得大的负群速度色散，同时芯区大于现有技术光纤的芯区。这样的设计示意性示于图5中，其中示出了芯区500的更高的折射率、内侧包层空气孔501、外侧包层空气孔502和折射率低于500的背景材料503。应当注意，掺杂纤芯不与内侧包层部件501接触。正如后面将关于图31更详细讨论的，本发明者意识到这为降低与低折射率部件的模场重叠从而降低与低折射率部件以及它们和光纤背景材料的界面有关的潜在损耗机制(例如吸收和散射)提供了有利的设计方向。

在图6(现有技术)中示出了周期性结构的许多模折射率，其中示出了为何可通过图5中所示的光纤设计来获得有效的色散补偿。最顶上的曲线601重复了图4的曲线401的有效折射率——这一曲线称为外侧包层折射率，因为它被认为是代表图5所示的微结构光纤的外侧包层结构的(502和503)。例图还示出假想蜂巢周期性结构的有效折射率，其中背景的折射率为1.46。在某种意义上，这些蜂巢结构可看成是中心芯区及其周围内侧包层结构的6个孔洞的周期形式——见例如，Riishede et al.Proc.27^th Eur.Conf.On Opt.Comm(ECOC’01)，pp.Th.A.1.5，2001。示出了三条曲线：曲线602相应于孔洞直径d为孔间距Λ(中心到中心)的50％的蜂巢结构，603相应于d＝0.6Λ，而604相应于d＝0.7Λ。本发明者意识到，任何严格导引的模式都必须具有高于有效包层折射率但是低于芯区有效折射率的有效折射率(从蜂巢折射率估算)。在某些波长处(对于这一实施例的设计参数来说，λ/Λ在0.5-0.6左右)，从图6看出蜂巢折射率升到外侧包层折射率之上。这是由中心芯区与包层区背景折射率相比更高的折射率造成的。因此，中心纤芯只传导波长短于蜂巢折射率和包层折射率相交处的波长(图6的交点左边)的光。如前所述，传导与要定位在芯区的基模有关，从而当包层折射率迅速上升到纤芯折射率之上时给出大的负群速度色散——此时基模的模场分布将从中心纤芯移开。然而，通过掺杂中心纤芯，我们可在外侧包层区中使用小的孔洞——或者完全不用它们——却仍然获得交叉波长。实际上，如果芯区具有一个折射率高于外侧包层区折射率的区域的话，交叉波长总是存在。

可以改变孔洞尺寸并获得不同的交点。图6还示出，加大内侧包层空气孔将交点往左移。这是一个有利条件，因为对于固定的工作波长λ，这相应于更大的结构尺寸Λ，从而，更大的芯区。举例说，602与601相交于λ/Λ＝0.57处，603与601相交于λ/Λ＝0.46处而604与601相交于λ/Λ＝0.44处。悬着λ＝1.55μm作为工作波长，这相应于，对602来说Λ＝2.72μm，对603来说Λ＝3.37μm而对604来说Λ＝3.52。因而可相对自由地通过简单调整内侧包层孔洞尺寸来调整相应于大的群速度色散的纤芯尺寸。上面提到的Λ值相应于内切纤芯直径在下面之间：对于602来说是4.1μm，对于603来说是4.7μm，对于604来说是4.6μm。

然而，还存在其它将纤芯尺寸调整至所需值的可能。在图7重，重复包层折射率601如701，重复内包层孔直径为孔间距60％的光纤的蜂巢折射率603如703。在703中折射率为1.46的芯区的直径等于孔间距。在图7中还示出了改变中心芯区的掺杂浓度的戏剧效果：如果具有增大的折射率的区域的折射率升高到1.47(曲线702)而保持掺杂区域的直径(相对于孔间距)，则交点将显著地右移(从λ/Λ＝0.46到λ/Λ＝0.72)。这可以通过将掺杂区域的直径降低到孔间距的50％来抵消，如704所示。对于1.55μm的波长，在它们与曲线701的各自交点处，曲线702相应于Λ＝2.15μm，曲线703相应于Λ＝3.37μm，曲线704相应于Λ＝3.52μm。

因此，存在很多用这一设计调整纤芯尺寸(从而调整模场直径)的可能。这些可能包括：

1)包层折射率值。对于给定的纤芯设计，包层折射率越高，纤芯越大。本发明者意识到，当外侧包层为同质材料(例如纯的熔融二氧化硅或例如掺有氟的二氧化硅玻璃)时获得最大的芯区。

2)内侧包层空气孔的尺寸。

3)掺杂纤芯的折射率和折射率分布的最大值。通常，中心纤芯和外侧包层背景材料的更大折射率台阶导致更小的纤芯尺寸，如图7所示。

4)芯区的高掺杂中心部分的直径。通常，更小的直径导致更大的Λ，从而更大的纤芯面积，以及更大的模场直径，如图7所示。

所应使用的参数的实际组合取决于微结构光纤的特定应用。对于色散和色散斜率补偿应用，通常对相对较大的芯区感兴趣，以消除非线性产生的退化效应。因此，本发明应用于纤芯直径比要进行色散补偿的光的自由空间波长大三倍的光纤。对于标准用途(在所谓通信窗口中的色散补偿)这意味着本发明的光纤的纤芯直径应当大于4.0μm。另一方面，对于具有小纤芯尺寸——例如直径小于4μm——的光纤，本发明所概述的设计思想也可用于在波长1550nm附近将色散调整至零或接近于零。因此，本发明还覆盖了用于非线性应用的光纤。

本发明并不将其本身限制于具有图5所示的主要设计的结构。众所周知，具有下降包层区的色散补偿光纤会有大的弯曲损耗。通常的结果是，弯曲损耗在使用更大芯区的时候增大了。由于本发明在主要的方面涉及大芯区，那么设计光纤以抑制弯曲损耗是有利的。本发明者意识到，利用图8所示意性示出的设计类型，这确实是可能的。芯区800、包含低折射率部件801的内侧包层区，以及外侧包层区803和804都类似于图5所示的那些。然而，在位置802处去掉了一些最内侧的包层空气孔。

这有效地产生了可被称作上升外侧包层区的区域(类似于图3所示并标为308的)，或者作为选择，如果沿着Thyagarajan等人在IEEE Photonics Technology Letters，Vol.8，no.11，November 1996，pp.1510-12中所提出的思想，可称之为外侧芯区802。然而，注意到与Thyagarajan等人的方法相比，微结构光纤不需要高的掺杂水平，而高的掺杂水平是很难控制的，并且我们甚至可以使用大得多的有效折射率差。

由于在某种意义上可以将内侧纤芯800和内侧包层801看作一个纤芯(理论上这么使用，在图6中让蜂巢折射率代表纤芯折射率)，我们大致知道中心芯区有效导模折射率的斜率。参看图6，我们意识到，如果这一模式的斜率在数值上较大，同时主要在外侧纤芯中传导的模式的斜率在数值上较小，那么就可以产生强的负群速度色散。

在例如图3a所示的设计中，负群速度色散严格取决于设计类型。如果303不能看作可以支持导模的话，那么只能产生普通的色散(通常的结果都会小于标定地300ps/nm/km)。另一方面，如果303代表外侧纤芯，则会产生强的色散(甚至能负得超过-5000ps/nm/km)。应当理解，使用短语“代表外侧纤芯”意味着纤芯可支持导模，但并非必需的——例如，如果没有光从光纤的输入端耦合进纤芯的话。另一方面，利用例如图8所示的设计，在两种情形中色散的数值都可以较大(实际上在例如图5所示的这样的结构中可以一样大)。这是因为纤芯折射率在与包层折射率相交时可具有大的负斜率，如图6所示。

因此，一个附加的功能就是像图8所示的微结构光纤的群速度色散的数值并不严格依赖于外侧纤芯是否在区域802中传导独立的模式——它仍然会影响中心纤芯800中的导模。使外侧纤芯能够支持一个模式依然是有利的。这是因为在强色散的波长区这将把基模的有效折射率提高导有效包层折射率之上，从而降低弯曲损耗。

图9示出具有图8中示意性示出的设计的微结构光纤的工作。曲线901示出有效纤芯折射率作为归一化波长的函数，曲线903示出有效包层折射率作为归一化波长的函数，而曲线902示出基模的有效模折射率作为归一化波长的函数。对于这一光纤，内侧纤芯800的高掺杂中心部分的折射率为1.46。800的直径等于孔间距Λ。光纤剩余部分的背景材料804的折射率为1.45。内侧包层空气孔的直径为0.6Λ。外侧包层空气孔的直径为0.2Λ。去掉了六个最内侧的外侧包层孔以按图8所示的方式产生外侧芯区802。

参看图9，可见基模的模折射率902在长归一化波长处是如何具有类似于包层的模折射率903的斜率的。在归一化波长0.45附近，基模902的斜率发生改变，趋近纤芯折射率901的斜率。这在902上给出了强的向上的曲率，相应于基模902数值上大的负群速度色散。在光纤表现出强的负色散的这一波长区，中心和外侧纤芯可支持具有大致类似的有效折射率的模式。

对于像上面图9所描述的那样的光纤，在图10中示出了真实的群速度色散。图10对应的光纤Λ＝3.45μm。这相应于折射率＝1.46且直径＝3.45μm的中心纤芯800。中心包层空气孔的直径为2.07μm(给出4.8μm的内切直径)，而外侧包层空气孔的直径为0.69μm。背景折射率为1.45。

与有效折射率变化902一致，图10示出低于-1600ps/nm/km的强的负群速度色散，GVD。具有更高掺杂水平的设计甚至显示出数值上更大的负群速度色散(低至-10000ps/nm/km)。还应当注意波长短于1.55μm处群速度色散的大的负斜率。这么大的一个负色散斜率使得这些光纤很适用于色散斜率补偿方案。在某些实例中，这些色散补偿光纤的斜率甚至会太大了。然而，具有更小斜率(相对于GVD值)的系统可通过将具有不同GVD特性的光纤串连来得到。因此，这些光纤的优点在于它们不仅可用来补偿实际上任何具有正群速度色散的系统的色散，还可用来补偿色散斜率。

为了显示根据本发明的色散补偿光纤设计的良好模式限制，图11示出在波长1550nm处计算的基模的模场分布。光纤参数根据与图10所示的群速度色散一起给出的描述来选择。场看起来避开了内侧包层区中的空气孔，就低损耗的角度来看，这是有利的——正如前面所讨论的那样。这主要归因于具有不与内侧包层区接触的高折射率部件的芯区。

在本发明的优选实施方案中，外侧纤芯含有折射率大于外侧包层背景折射率的材料。外侧纤芯中有许多高折射率部件的光纤的实施例示于图12中。为了降低制造难度，进一步优选地在外侧包层中不使用低折射率部件。因此，图12中的光纤由下面几部分组成：第一高折射率型芯区1200，单层环绕纤芯的低折射率部件1201，单层环绕芯区1200和低折射率部件1201的高折射率部件1202。在芯区之外只有单种背景材料1203——这一背景材料对于内侧包层区、外侧芯区和外侧包层区来说都是类似的。由于部件1202与背景材料相比更高的折射率以及低折射率部件1201，高折射率部件总体本身可用作能支持传播模的纤芯。外侧纤芯也可由高折射率材料的环形区1204形成。两个芯区(中心芯区1200和高折射率部件1202总体或环形区1204)从而能够分别支持它们不同的芯模。这些芯模将再绝大多数波长处去耦而仅在相对较短的波长范围内互相耦合。在这一短波长范围内，光纤中的模式分布将发生戏剧性改变，光纤将表现出强的色散。这一类型光纤的定性工作示意性示于图13中。作为波长的函数，图13a示意性示出在只包含中心芯区1200的光纤中传导的模式以及在只包含外侧纤芯1201的光纤中传导的模式(这一外侧芯模由高折射率部件1203的总体或环形区1204来支持)的有效折射率。可见两条模式曲线在归一化波长λ_coupling/Λ处相交。在这一波长附近，对于包含这两个纤芯的合成光纤来说，这两个纤芯将互相强烈地耦合。在耦合波长处，对于具有例如图12所示的设计的光纤来说，两个纤芯所支持的模式的有效折射率将有上升简并——或者说发生了所谓的无效交叉。照这样，光纤能够传导相应于曲线1303的基模中的光，它在波长λ_coupling/Λ附近表现出强的负色散。曲线1304表明，该光纤可支持第二个模式，但是光纤在模式1304中承载任何真实能量以在模式1303中表现出负色散是不必要的。图13b的光纤将在短于最强耦合波长(大致等于图13中所示的耦合波长)的波长处在中心纤芯中传导光，并且该光纤在这里将表现出具有负色散斜率的负色散——这是色散补偿光纤通常优选工作的范围。图13中的波长轴已经关于间距(例如两个相邻低折射率部件1201之间的中心到中心间隔)做了归一化，以表明耦合波长可通过改变间距来进行改变。该附图还显示折射率大约1.444——相应于用作背景材料1203的纯二氧化硅——的同质包层的折射率。纤芯1200的折射率以及与背景材料1203相比的高折射率部件1202的更高的折射率导致耦合波长出现在两种芯模的折射率都在包层折射率之上的区域中。这样，将能获得耦合——从而强色散——同时光纤对弯曲损耗不敏感。值得注意的是，两种芯模的模折射率在长波长处都要低于包层折射率。这是因为折射率显著低于包层折射率的低折射率部件1201。然而，对于低于包层折射率的模折射率——例如传统单种材料的光子晶体光纤情形——能够很好地传导芯模，但是这种情形中，模式会有泄漏损耗。对于单种材料的光子晶体光纤来说，通常可通过下面的方法来减少这些泄漏损耗：在支持传播模的芯区周围布置数量足够的低折射率部件，外侧包层可以是微结构的，就像图8中的光纤那样。对于同质外侧包层区，可通过使用折射率高于背景材料1203的部件1202来消除耦合波长处潜在的泄漏损耗问题。两个芯区具有不同的最大折射率，并且具有较低最大折射率的芯区比另一芯区具有更大的特殊延展是有利的。作为实施例，内侧或中心芯区(称作第一纤芯)可具有1.47的最大折射率，而外侧芯区(称作第二纤芯)可具有1.465的最大折射率。然后可将第一纤芯设计成两个芯区中具有最小横截面积，由此在第一纤芯中传导的模式的折射率曲线将比第二纤芯所支持的模式的折射率曲线具有更陡峭的斜率。

负群速度色散的大小取决于各种因素。两个模式之间耦合的强度可由场的重叠来量化。在λ_coupling/Λ(两个未耦合模式相交处)处，两个模式的分裂将比例于耦合强度。耦合强度常常只具有弱的波长依赖性，在那样的情形中，耦合能有效改变模式的波长范围强烈依赖于两个模式曲线的斜率。当耦合模式曲线的斜率尽可能不同时，有效波长范围将较小，模式(具有弯曲特性)将获得最小的可能弯曲曲率，即，当斜率尽可能不同时，将表现出数值上较大的群速度色散。

本发明者意识到，具有耦合纤芯设计的微结构光纤在非线性应用上也是有利的，此时要求光纤具有小的纤芯并且色散在宽的范围内(举例来说在1550nm附近)——例如在波长从1300nm到1700nm范围内(这依然处在负波导色散区内)——接近于零。参看图13，可见将耦合波长移至更小的波长/间距值以降低给定波长处的光纤尺寸是有利的。这样，优选地使两个芯区的最大折射率互相接近并且两个芯区的面积相差不太大。作为选择，优选地使外侧芯区的有效折射率接近于包层的(有效)折射率。

根据本发明，对于像图12中示意性示出的那些光纤优选地有许多特征：

芯区1200具有最大折射率N_co，1。通常，将使用掺锗和/或其它掺杂材料的二氧化硅来形成纤芯。优选地可以有各种纤芯折射率分布，但是通常优选接近于阶跃折射率分布的分布。这样，通常在波长1550nm附近，N_co，1大于1.444，例如优选地大于1.46，例如优选地大于1.47。

背景材料1204具有低于N_co，1的折射率N_cl，2。通常，背景材料为纯二氧化硅，在波长1550nm附近具有大约1.444的折射率，但是也可优选掺杂了一种掺杂材料以使折射率N_cl，1低于1.444的二氧化硅，例如掺氟二氧化硅玻璃。

低折射率部件1201具有折射率N_cl，1，直径d_cl，1以及两个相邻低折射率部件的中心到中心间隔Λ_cl，1。通常，这些低折射率部件为孔洞，从而N_cl，1在1.0附近，但是也可优选由低掺杂的二氧化硅来形成低折射率部件。对于色散补偿应用，通常低折射率部件的直径d_cl，1将处在大约0.5Λ_cl，1至0.9Λ_cl，1的范围内，而对于非线性光纤应用，通常d_cl，1将处在大约0.2Λ_cl，1至0.5Λ_cl，1的范围内。为了降低退化效应，例如偏振模色散PMD，通常优选地使所有低折射率部件都一样并且间距相等。本发明的低折射率部件的数目可以不是6，并且可以有不止一个低折射率部件“环”围绕芯区1200。

高折射率部件1202具有折射率N_co，2，直径d_co，2以及两个相邻高折射率部件的中心到中心间隔Λ_co，2。通常，这些高折射率部件包含掺杂二氧化硅玻璃，从而N_co，2在波长1550nm附近大于1.444，但是也可优选由纯的或低掺杂的二氧化硅形成的高折射率部件。低于色散补偿应用，通常高折射率部件的N_co，2在波长1550nm附近将处在1.444至1.460的范围内，直径d_co，2处在大约0.1Λ_co，2至0.9Λ_co，2的范围内，而对于非线性光纤应用，通常d_co，2将处在相同的范围内。此外，为了使高折射率部件总体只支持单模，常常优选地使高折射率部件的尺寸小于低折射率部件1201的尺寸。本发明者还发现这样做是有利的：使高折射率部件的折射率分布尽可能接近于阶跃折射率分布以便耦合能尽可能显著——从而色散尽可能强。为了降低退化效应，例如偏振模色散PMD，常常优选地使所有高折射率部件都一样并且间距相等。作为选择，外侧纤芯中的高折射率部件总体可用同质高折射率环形区1204代替。这样的环形区——或者外侧纤芯区的全部或者其部分——可具有与高折射率部件总体相同的功能。对于光纤来说，环形区的宽度、最大折射率和折射率分布是关键参数。本发明的高折射率件的数目可以不是6，并且可以有不止一个低折射率部件“环”围绕芯区1200。

为了优化第一芯区1200和第二芯区(由高折射率部件1202形成)所支持的模式之间的耦合，常常优选地这样安置高折射率部件以使从芯区1200穿过两个低折射率部件之间的光最强烈地经历高折射率部件。为了将此量化，可优选地使连接高折射率部件的中心而形成的第一多边形1400与连接低折射率部件的中心而形成的第二多边形1401同心，但是相对旋转了一个角度0.5(N₁/360°)，其中N₁为低折射率部件的数目。从而，对于具有6个低折射率部件的光纤(如图14)，第一多边形1400相对于第二多边形1401旋转了30度，两个多边形都是一致的。作为选择，第二多边形可以与第一多边形取向相同。如图15中所示意性示出的，也可优选地使外侧包层区1501包含与内侧包层和/或外侧纤芯不同的材料——或者折射率不同的材料。

重要的是要注意，上述为色散和色散斜率补偿以及非线性应用提供微结构光纤的设计思想与Digiovanni等人在US 5 802 236中提出的思想极不相同，在他们的想法中，能够支持传播模的第二芯区被认为是不利的。

为了更详细地示出根据本发明的光纤的工作和某些可能性，下面应当考虑如图12a所示的各种光纤设计参数。

图16示出根据本发明的光纤的模拟，该光纤具有如图12所示意性示出的设计。该光纤具有如下的设计参数：第一纤芯具有最大折射率1.471(相当于与λ＝1550nm处折射率1.444的纯二氧化硅相比折射率改变1.892％)且背景材料折射率1.444(纯二氧化硅)的阶跃折射率分布。内侧包层区包含折射率1.444的背景材料和六个直径0.5Λ的孔洞，其中Λ为最近两个孔洞之间的中心到中心间隔。第二芯区包含折射率1.444的背景材料和六个折射率1.459(相当于与纯二氧化硅相比折射率提高了1.055％)的高折射率部件。外侧包层区是同质的，包含折射率1.444的纯二氧化硅。虽然在此情形中外侧包层区是同质的，但是为了例如降低弯曲损耗，它可包含各种子区。从图16可见，光纤支持在归一化波长λ/Λ大约为0.36处具有强的色散特性的基模1600。曲线1601代表可被第二纤芯支持的模式的有效折射率，而曲线1602代表外侧包层区的有效折射率。应当指出，这里选择使用归一化因子Λ。对于λ＝1550nm附近的负色散工作，图16中的光纤的Λ在4.3μm附近。这给出的纤芯尺寸显著大于先前所讨论的DiGiovanni等人和Birks等人公开的纤芯尺寸。此外，正如下面索要论证的，根据本发明的光纤所能表现出的负色散可显著大于上面提到的DiGiovanni和Birks参考所公开的光纤。

对于根据本发明用于给定规格的加工光纤，可调整很大范围的参数。下面的附图示出如何通过调整设计参数来调整各种光纤特性(例如色散、RDS和纤芯尺寸)的实施例。

本发明者发现，负色散强烈依赖于内侧包层部件的尺寸。图17示出图16所示光纤的色散特性模拟，但是Λ的范围从4.08μm到4.46μm，内侧部件为尺寸从d/Λ为大约0.30到0.65的孔洞。由图可见，色散具有“倾斜(dip)”特征，具有色散最小(最强色散)和一定宽度。值得注意的是改变内侧包层部件的尺寸对最小色散值以及“倾斜(dip)”的宽度有强的影响，而最强负色散的波长只有微小改变。由图可见显著超过现有技术的色散补偿光纤的负色散是可能的。

图18示出最强色散的归一化波长λ^*/Λ作为内侧包层部件尺寸的函数(实线)。附图示出，通过将部件尺寸d/Λ从大约0.25调整到0.70，λ^*/Λ可从大约0.34变化到0.385。对于在1550nm波长附近出现的最强色散，这相应于Λ从大约4.03μm改变到4.50μm(虚线)，d的范围从大约1.0μm到3.2μm。这些Λ值给出了纤芯1200和空气孔1201中的高折射率部件之间相对较大的间距。从光纤中心到空气孔1201中心的距离近似于Λ，因此，前述间隔由s₁＝Λ-d-d_co，1给出。随着d/Λ从0.25变到0.70以及d_co，1从0.5Λ变到0.8Λ，间距s1变化多至1.2μm。对于本发明中的其它设计，从根据本发明的光纤的各种实施例可以推断出，该间距可以更大。非零间距s1在降低与空气孔有关的潜在损耗方面提供了重要的技术优势——后面将进一步详细讨论。根据本发明的光纤的另一重要特征在于第一纤芯1200和第二纤芯(高折射率部件总体1202或环形元件1204)之间相对较大的间距。这一间距通常大于Λ，例如从本申请的各种实施例中明显可见大于4.0μm。作为选择，这一优势在第二纤芯的相对较大的直径(该直径定义为横截面中从光纤的到第二芯区中心(例如某一第二纤芯部件802、1202的中心或环形区1204的中心)的径向距离)。从根据本发明的光纤的各种实施例可见，例如，如附图中各种实施方案所示，这一直径通常在10μm到20μm范围内。对于工作在高阶模的光纤——正如后面将要讨论的——来说会需要更大的直径。注意下面这点是很重要的：上述间距和直径显著大于Fajardo等人在WO 01/98819中公开的光纤的间距和直径。上述部件在分立两个纤芯以便更简单的内耦合(in-coupling)(包括接合)方面有优势，从而光可以基本上只耦合进第一芯区。对于与标准传输光纤(需要补偿色散)的接合，第二纤芯的直径大于传输光纤的纤芯直径是有利的。典型传输光纤的直径大约为8μm，为了避免在光纤接合处耦合进第二纤芯，使第二纤芯的直径大于8μm(优选地大于10μm)是有利的，从而当双芯光纤的第一纤芯的中心与传输光纤的纤芯的中心对准时，可限制或忽略第二纤芯与传输光纤纤芯的重叠。此外，为了降低内耦合(in-coupling)损耗，需要使第一纤芯——重要地是第一纤芯的高折射率部件——的尺寸接近传输光纤或插入传输光纤和色散补偿光纤之间用于提供模式匹配的媒介光纤的纤芯尺寸。在现有技术中，常常在传输光纤和色散补偿光纤之间插入纤芯尺寸小于传输光纤的媒介光纤以匹配纤芯尺寸。通常，媒介光纤可匹配纤芯从大约8-9μm的直径到低至4μm的纤芯。这样，需要实现第一纤芯直径大约4μm到8μm并且第二纤芯直径大于9μm的双芯色散补偿光纤。从本申请可见，这样的特征对于根据本发明的许多光纤来说是特有的。

对于此处公开的光纤，除了易化的内耦合(in-coupling)之外，正如整个申请所讨论的，相对较大的尺寸给出了一些重要的技术优势——包括为降低非线性效应的相对较大的MFD；更低的PMD，因为对于尺寸较大并且部件对称排列的微结构光纤来说常会有更低的双折射；更低的损耗，因为对于第一纤芯中传导的光来说，更大的尺寸给出了第一包层区的空气孔中更低的场强。对于根据本发明的光纤来说，在获得更强色散的同时，还可获得这些技术优势中的一个或多个。

图19示出根据本发明的内侧包层部件尺寸从d/Λ大约0.25变化到0.70的光纤最小色散(最强负色散)值的模拟(归一化色散由实线——右侧轴表示)。对于1550nm附近的工作，有可能将色散从-400ps/nm/km改变到超过-10000ps/nm/km(虚线，左侧轴)。如前所述，这样的色散特性显著强于任何现有技术的光纤。

由图17可见，负色散“倾斜(dip)”的宽度强烈依赖于内侧部件的尺寸。通常，更大的内侧部件尺寸导致更强的色散，但是更窄的“倾斜(dip)”。在图20中，色散“倾斜(dip)”的宽度λ模拟为内侧包层部件尺寸(对于在λ＝1550nm的工作，归一化宽度□λ/Λ由实线(右侧轴)示出，绝对宽度□□由虚线(左侧轴)示出)。宽度由色散数值的半高全宽(FWHM)来确定。由图可见，对于超过30nm的FWHM值，应当将光纤设计成部件尺寸d/Λ为大约0.45或更低。

图21示出根据本发明的具有d/Λ＝0.4和Λ＝4.214μm的另一光纤的RDS值和色散的计算。由图可见，光纤在波长1550nm处表现出超过-500ps/nm/km的强负色散以及大约0.03nm^-1的高RDS值。这样的光纤很适合于色散和色散斜率补偿。图22和23示出具有d/Λ＝0.5和d/Λ＝0.6的光纤的类似结果。

图24示出根据本发明的光纤的另一实施例。在该附图中，外侧纤芯为同质材料。附图示出该光纤的工作，类似于图12讨论过的光纤。注意下面这些是重要的：该光纤在λ/a大约0.28处表现出基模2400的突然截止，也在λ/a大约0.1处表现出高阶模的突然截止，其中a为纤芯中高折射率部件的半径(一阶模由曲线2403示出)。本发明所公开的其它类型的光纤也有这种行为的特征。截止在λ/a＝0.1附近的高阶模相应于第一纤芯所支持的LP11模。这一模式将在λ/a＝0.1附近表现出强烈的负色散，可用于色散补偿应用。这样，对于在给定波长的工作，结构尺寸应当为高阶模工作放大大约0.28/0.10＝2.8倍。λ/a为0.1附近的工作对于工作在波长1550nm附近相应于大约15μm的值。与前面讨论的工作在基模的纤芯尺寸相比，这一结果是大得多的纤芯尺寸。此外，由于可以看出与基模相比，高阶模的截止甚至更陡峭——可获得更强的负色散。

对于单模色散补偿光纤，λ＝1.55μm规定了大约5.5μm的a值，对于高阶模色散补偿光纤，规定了大约15μm的a值。本发明还涉及本发明所公开的其它光纤设计的高阶模色散补偿光纤——对于从单模色散补偿设计到高阶模色散补偿的转换，尺寸必需自然缩放，设计参数之间的关系也可改变。

图25示出根据本发明的色散补偿光纤的另一示意性实施例。该光纤的特征在于光纤中心的第一芯区2500、包含低折射率部件2501和背景材料2502的内侧包层区(第一包层区)，第二芯区2503以及外侧包层区2504(第二包层区)。第一纤芯2500具有匹配了的尺寸，从而纤芯与内侧包层2501中的部件接触——Fajardo等人在WO01/98819中也讨论了这类纤芯。第一纤芯2500的特征在于高于部件2501的折射率以及内侧包层背景材料2502的折射率的折射率。第二纤芯2503可以是同质的(如图25所示)，也可以含有许多微结构部件(如前面图13中的实施例所讨论的)。第二纤芯包含与内侧包层区的有效折射率相比折射率更高、与第一纤芯的最大折射率相比折射率更低的材料。在优选实施方案中，内侧包层区2502的背景材料与第二纤芯2503的折射率一致。在此情形中，2502和2503的材料可一致，例如纯二氧化硅或包含一种或多种提升折射率的杂质，例如Ge。

色散补偿光纤的一个重要问题就是他们的弯曲损耗。本发明者分析了许多根据本发明的光纤并且发现涉及第二纤芯横截面尺寸(在高折射率部件总体形成第二纤芯的情况下为第二纤芯中高折射率部件的总面积)的重要设计参数。这一参数对于降低光纤的弯曲损耗来说是重要的，用图26和27来说明。首先看图26，光纤的特征在于折射率1.461的第一纤芯，内侧包层区包含六个直径d的空气孔。内侧包层区的背景材料与外侧纤芯的材料类似，折射率为1.444(纯二氧化硅)。外侧包层包含折射率1.437的二氧化硅，这可以通过在二氧化硅中，例如，掺F来实现。图26中的光纤的内侧包层区的外径标为R，第二纤芯的外径标为R₁。对于该光纤有R₁/R＝2和d/R＝0.37。在图26中示出光纤工作的模拟。附图示出光纤各种模式的有效折射率作为归一化波长λ/2R的函数。曲线2600代表在芯区中传导的基模，曲线2601代表由光纤支持但不一定承载任何能量的高阶模，曲线2602代表外侧包层区的折射率。附图示出，曲线2600在归一化波长0.9附近具有强烈色散的行为。由曲线2600的“弯曲”可显见该色散行为。这示出该光纤在归一化波长0.9附近表现出强的负色散——因而该光纤理论上可用于色散补偿设计。然而，对于这一光纤要考虑一个重要的问题。这一问题涉及曲线2600和2602之间的折射率差。在强色散行为的波长区这两条曲线具有相对较小的差别(对于这一特定实施例，在最强色散的波长处，这一差别为大约0.001或更小)。这一小差别具有负效果，就是，相应于曲线2600的模式将不会强烈地限制在强色散区，会产生强的弯曲损耗。

本发明者以使到，可通过第二纤芯的仔细设计——更特定地，通过增大这一区域的横截面积——或等效地其宽度——来解决潜在的弯曲损耗问题。如图27所示，本发明者发现，对于R₁/R在2以上——例如4左右——的，曲线2700(与图26中的2600相比)的强色散行为可以显著提升到外侧包层2702的折射率之上——从而降低光纤的弯曲损耗。这样，使第二纤芯包层区的外直径比内侧包层区的外直径大两倍以上——优选地大4倍左右——是有利的。自然，正如熟练的技术人员将理解的，强色散区的准确位置取决于许多设计参数，包括组成光纤的各种材料的折射率，以及光纤中各种结构和区域的形态(除了别的以外，有尺寸、形状和排列)。

下面考虑图27b的光纤所能获得的色散，图28示出归一化色散(实线)，其中使用因子2R来进行归一化。图28还示出基模的有效模式面积(虚线)。由图可见，随着负色散区的达到，有效面积强烈增大(应当注意的是光纤应当工作在色散倾斜(dip)的短波长侧)。有效面积的大大增加归因于要在长于最小色散波长的波长处耦合进第二纤芯的基模。

现在值得将图28中的光纤和前面研究的纤芯不与内侧包层部件接触的光纤之一进行比较。图29a示出具有图12a所示设计的光纤的基模的色散和有效面积。在图29a中，使用了归一化因子Λ(内侧包层区中中心到中心孔间距)。为了更直接地用设计参数的绝对值来进行比较，图28b和29b的两根光纤可设计用于λ＝1550nm附近的色散补偿。图30示出图28的光纤的基模的有效面积(虚线3001)和图29b的光纤的基模的有效面积(实线3000)。由图可见，在1550nm左右波长处，两根光纤都表现出超过15μm²的有效面积，实际上两根光纤都可表现出超过20μm²的有效面积。虽然这与传统色散补偿光纤可相比，它还是显著大于前面讨论的Digiovanni等人和Birks等人的参考中所公开的光纤。下面考虑根据本发明的光纤的色散，图31示出，两根光纤在1550nm附近都可表现出显著大于使用传统色散补偿光纤或Hasegawa等人在EP 1 118 887中公开的光纤所能获得的负色散。这样，本发明给出了有效面积与传统色散补偿光纤可比但是具有大得多的负色散的新色散补偿光纤。

为了进一步比较高折射率纤芯与内侧部件接触的光纤和高折射率纤芯与内侧部件分离的光纤，图31示出在后一情形中可获得更强的色散。又一个重要的问题是负色散波长处纤芯中和纤芯周围的模场分布。参看图28a和29a，我们发现，对于图28b中的光纤负色散发生在λ/2R为大约0.8处，而对于图29中的光纤负色散发生在λ/Λ为大约0.36处。对于1550nm附近的工作，这使得2R大约1.9μm且Λ大约4.3μm。这样，与图28中的光纤的内侧包层部件相比，图29b中的光纤的内侧包层部件将定位在偏离光纤中心很多的地方。由于两根光纤在波长1550nm附近有大致相似的有效面积(如图30所示)，与图28的光纤相比，对于图29b中的光纤来说，导模与内侧包层部件的场重叠将大大降低。通常，内侧包层部件为空气孔，需要限制空气孔中场的总量以降低空气孔引起的潜在损耗机制(例如，这可以是空气孔中OH含量导致的吸收损耗，或者空气孔表面粗糙度导致的散射损耗)。还是在降低PMD的情形中，尽可能使空气孔远离模场是有利的，因为空气孔和背景材料之间的高折射率差会导致显著的偏振效应。由于这些原因，可优选地使根据本发明第一纤芯包含高折射率部件的色散补偿光纤与内侧包层部件隔离。优选地，第一纤芯部件的直径大约为0.7Λ或更低。然而，在其它情形中，可优选地让模场和内侧包层部件之间尽可能大地重叠。例如，这可以是用于可调谐色散补偿光纤的情形，其中可用一种或另一种方法来改变内侧包层部件中的材料(例如通过使用非线性光学、声光或热处理动态改变内侧包层部件的折射率，其它机制可以是物理加压或光纤的弯曲)。这对于根据本发明在内侧包层部件中包含聚合物的色散补偿光纤来说尤其令人关注。

对于获得前文所描述的所需的色散补偿效应来说，存在许多可能性。下面，将给出根据本发明的光纤的许多进一步的实施例。

在图32中示意性示出所要得到的光纤的优选实施方案。这里用于色散补偿的微结构光纤的横截面具有被环形内侧包层部分环绕的掺杂中心纤芯3201，内侧包层部分所含有的空气孔3202之间的间距比用于形成微结构外侧包层3203的空气孔小得多。在内侧和外侧包层区之间，在环形部分3204——其中去掉了空气孔(与外侧包层的中的空气填充分数相比)——得到了更高的有效折射率。应当指出，更小的孔间距能降低有效折射率，但是从大规模生产的角度来看，本设计类型更简单，因为它表明可如何通过控制空气孔间距和控制它们的尺寸来得到类似的效应。

在图33中示意性示出了根据本发明的光纤的优选实施方案的再一实施例。在这一实施方案中，通过用含有与形成微结构外侧包层3303的空气孔相比排列更紧密的空气孔3302的环形内侧包层部分来环绕掺杂中心纤芯3301，实现了用于色散补偿的微结构光纤的横截面。这与图32中所示的实施例一致。然而，与前面的实施例相比，从外侧纤芯区3303中去掉了更多的空气孔，从而可得到更高的有效折射率。将图32与图33相比，我们可如下阐明这些差别。图32中的光纤结构具有有微结构部分形成的外侧环形纤芯部分(其中空气孔间距大于外侧包层的空气孔间距)，而图33所示的结构具有由实心材料形成的外侧芯区。应当指出，这些实施例只表明了某些设计可能，而根据本发明指定的参数的优化设计包括不仅是空气孔的尺寸和间距还有可能使用的背景掺杂例如使用高折射率部件或中心与光纤中心重合的环形元件——正如前面讨论的。外侧芯区可以，例如包含许多实心高折射率部件3400，如图34所示——或者折射率高于外侧包层背景材料折射率的同质环形区3500，如图35所示。

在到现在为止所提出的本发明的实施例中，所示出的微结构外侧光纤为置于背景材料中的密堆积空气孔。应当着重指出的是，可使用其它空气孔分布来获得所需的光学特性。这种空气孔布局的实施例可以是矩形的、蜂巢形的或Kagome结构。然而，还存在其它可能性，图36中示意性示出一个优选实施方案，其中示出了根据本发明的微结构光纤的横截面。在这一优选实施方案中，外侧包层由置于同心圆环中的空气孔3604形成。光纤具有掺杂中心纤芯3601，被含有同心放置的空气孔3602的环形内侧包层部分环绕。在内侧和外侧包层之间，示出了第二芯区3603。注意到在这一特定实施例中，第二芯区由同质材料(例如纯二氧化硅或掺锗、氟和/或其它材料的二氧化硅)形成，但是也可通过包含低和/或高折射率部件的微结构部分来实现。

用于调整有效折射率的空气孔的横截面并不一定要是圆形的。在图37中，示意性示出了根据本发明的光纤的优选实施方案。图37a示出根据本发明的微结构光纤的横截面，其中外侧包层由置于同心圆中的空气孔3704形成，内侧包层由横截面非圆形的空气孔3702形成。与前面所讨论的本发明的实施方案一样，光纤具有被环形内侧包层部分环绕的掺杂中心纤芯3701。在内侧和外侧包层之间，示出了第二芯区3703。图37b示出了再一优选实施方案，它具有被含有非圆形空气孔3706的环形内侧包层部分环绕的掺杂中心纤芯3705。在内侧包层和外侧包层3708之间，示出了第二芯区3707。

为了进一步显示标准光纤和微结构光纤之间的这一差别，我们继续示出在一种设计中具有大的负色散模式的可能性，而这在使用微结构光纤和标准光纤——如图1-3所示的那些——之间的标准折射率模拟时会被认为是不可能的。我们使用像图8所示那样的中心纤芯设计，然而，我们假设掺杂材料确实产生了折射率低于二氧化硅折射率的材料(可通过例如掺氟来获得这一效应)。环绕内侧包层的是外侧二氧化硅纤芯，而外侧包层为具有小间距的微结构包层。根据芯区的标准观点(例如图1-3中所示的)，从而我们得到了折射率低于外侧纤芯折射率的内侧纤芯。根据这一观点，与Thyagarajan等人在IEEE Photonics Technology Letters，Vol.8，pp.1510-12中提出的设计相比，基模和二阶模将交换位置(在短波处基模将处于外侧纤芯中，而在长波处，基模将处于内侧纤芯中)。这对于光纤性能来说是有害的，这就是为什么Thyagarajan等人提出在中心纤芯中引入更高折射率的原因。

然而，本发明者意识到，也可优选地使中心芯区不包含光纤的最高折射率材料。图38示出有效纤芯折射率3802(为相应于内侧纤芯和内侧包层的蜂巢折射率)和包层折射率3801。可见纤芯折射率3802与包层折射率3801相交而3802具有大的负斜率。这将使得得到具有所需色散特性的基模成为可能，只要外侧纤芯的二氧化硅区足够小能保证外侧纤芯的有效模式折射率接近外侧包层有效折射率。注意，不管芯区低折射率、内侧包层大孔洞，外侧包层区中与内侧包层区中的孔间距相比小的孔间距(内侧包层区中的孔间距是外侧包层中的孔间距的三倍)使得纤芯和包层折射率的这一交叉成为可能。

现在我们来看本发明的一个不同方面。具有周期性改变的折射率的微结构包层结构具有表现出光子带隙的潜力。这是包层区中不允许光传输的频率区(见例如，Barkou et al.，Optical FiberCommunication Conference，FG5-1，pp.117-119，1999)。因此，通过使用周期性改变的折射率，有可能获得在低折射率芯区中的光的传导。理论上(Broeng et.al.，Optics Letters，Vol.25，pp.96-98，2000)和实验上(Cregan et.al.，Science，Vol.285，pp.1539-1539，1999)都显示，这甚至能允许光在中空纤芯中的传导，这个结果用标准光纤理论是无法解释的。另一方面，标准光纤总是要求芯区具有更高的折射率，而包层区具有更低的折射率。

本发明者意识到，还可以得到具有负的群速度色散的传导基模，起有效模折射率低于包层区的有效折射率。强调以下这点是重要的：根据标准光纤技术这样的模式是无法传导的。

由光子带隙光纤理论可知，只有当导模的传播常数在特定波长处落在光子带隙中时，才能传导模折射率低于包层有效折射率的模式。不知道的(不那么明显的)是有可能制作一种光子带隙光纤设计，其中存在具有数值很大的群速度色散的基模。本发明者意识到一个方法来获得这一设计。

与上述设计一样，我们需要双同心纤芯布置来获得这样的基模。而且在长波长处基模应当主要在外侧芯区中传导，在更短波长处，在内侧芯区中传导。与上述光纤一样，只有当两个潜在模式之间的相位匹配发生时作为波长的函数的模折射率的斜率在两个模式之间差别很大，基模才会表现出大的负群速度色散。这与前述光纤的情形类似。然而，光子带隙光纤中可获得这一特征的纤芯设计与此很不相同。

考虑图39中示意性示出的设计。外侧包层由置于周期性格子(在示出的实施例中为蜂巢状格子)上的空气孔3904构成。孔洞分布在背景介电材料3903——例如二氧化硅——中。放大的空气孔3902相应于前述设计中的内侧包层。它们用于降低长波长处中心芯区的有效折射率从而在长波长处中心芯区中不存在导模。在更短的波长处，模式变得在光子带隙中传导。这甚至在没有中心孔3900和高折射率环3901的情况下也会出现。3900和3901的作用将在后面解释。

在图40所示的设计中，包括了外侧低折射率芯区。它是通过在六个最内侧蜂巢中加入空气孔4005而形成的。注意到这在标准光纤中不用作纤芯，因为我们已经有效地降低了外侧芯区的有效折射率。在图40中，外侧包层空气孔4004、背景材料4003、内侧包层空气孔4002、高折射率环4001和中心空气孔4000相应于图39中所示的那些。

图41中示出了具有图40所示的原理设计的光纤中所能获得的某些有效折射率。外侧包层的有效折射率4100处在最顶上，相应于这样的事实：在基模表现出数值上较大的负群速度色散的波长处，在微结构光纤中不存在折射率导引模式(在更短的波长处存在折射率导引模式，然而为清楚起见，这些没有示出)。在4100之下为光子带隙边4101和4102。任何不是折射率导引模式的导模必需具有处于这两个光子带隙边之间的模折射率，因为这些定义了不能在包层中传播的间隔。

如图39所示的那样的微结构光纤将具有如4105所示的模折射率。中心空气孔4000和与外侧包层背景折射率相比折射率更高的环4001的作用在于获得尽可能陡峭地跨越由4101和4102限定边界的光子带隙的模折射率4105。注意到该模折射率在短波长处进入光子带隙4101的顶部然后随着波长增加下降穿过带隙。

另一方面，仅具有附加的空气孔4005所产生的外侧芯区的光纤将具有表现为4106的模折射率。注意到这一模折射率在短波长处进入光子带隙4102的底部然后随着波长增大上升通过带隙。因而这两种类型的纤芯引起以很不相同的方式穿过光子带隙的模式。因而当这两个模式具有相等的模折射率时(当它们相位匹配时)，它们作为波长函数的模折射率的斜率很不相同。

如图26所示，将这两种纤芯组合，产生了类似于关于折射率导引设计的避免了交叉的工作。基模具有有效折射率4103，而二阶模(无需承载任何能量)具有有效折射率4104。4103的曲率相应于数值上大的负群速度色散，而4104的曲率相应于数值上大的正群速度色散。注意到这两个模式4103和4104的斜率在不同于具有数值上大的群速度色散的波长的波长处趋向于两个纤芯模式4105和4106。在具有数值上大的群速度色散的波长区，随着波长增大，模式4103的能量从内侧芯区4001转移到外侧芯区4005。相应地，随着波长增大，模式4104的能量从外侧芯区4005转移到内侧芯区4001。

发明者意识到，与用于群速度色散的折射率导引光纤设计相比，像图40所示的那样的设计存在许多优点。一个优点在于4102的负斜率大于4106的负斜率。当基模表现出大的负群速度色散时，这用于在基模4103的模折射率接近光子带隙底部的情况下抑制模式4104。

又一个优点在于可设计具有类似于图40所示的那样的设计的光纤，从而模式4104的正群速度色散出现在4104的模折射率靠近上光子带隙边4101的波长处。这可用于抑制基模4103，从而可利用4104的正群速度色散。

因而一个优点在于可将具有图40所示设计的微结构光纤设计成表现出大的正群速度色散。随着具有负群速度色散的光纤系统变得越来越普遍，为了例如减小光纤系统中的自相位调制，这一优点变得越来越重要。

本发明者意识到，将利用光子带隙效应传导光的光纤用于色散补偿用途是有利的。这对于熟练的技术人员来说可能是令人吃惊的，因为利用光子带隙效应传导光的光纤通常具有正色散。然而，使用双同心纤芯布置，有可能使基超模具有负群速度色散。本发明者意识到，利用光子带隙效应传导光的双同心纤芯光纤能够具有比现有技术所能得到的群速度色散更大的群速度色散数值。

如图41所指出的，群速度色散的较大值出现在4105和4106相交的波长附近。当省略外侧纤芯4005时，曲线4105可看作中心纤芯4001中的导模的模折射率，且当省略中心纤芯4001时，4106可相应地看作外侧纤芯4005中的导模的模折射率。

使用用于群速度色散的双同心纤芯，所能获得的群速度色散总量直接与具有相应于4105和4106的导模的群速度之间的差别相关。对于给定的模折射率β/k，当相应于4105的群速度最小化而相应于4106的群速度最大化时，这一差别达到最大。

为了研究二氧化硅-空气光纤中导模所能获得的群速度，可应用熟练的技术人员已知并理解的公式。

$v_g=c\frac{\mathrm{\β}}{k}\frac{\underset{\mathrm{\Π}}{\∫}E\×H*\·\mathrm{zdA}}{\underset{\mathrm{\Π}}{\∫}{n}^{2}E\×H*\·\mathrm{zdA}}$

其中v_g为群速度，c为真空光速，β/k为模折射率，E为电场，H^*为共轭磁场，n为材料在给定位置处的折射率，II为存在模式的横截面，z为光纤长度方向。作为实施例，假设光纤由n＝1(空气)和n＝1.45(二氧化硅)的材料组成，我们可以将这一公式改写为：

该公式示出，导模的群速度依赖于模折射率β/k，以及在二氧化硅中传播的模式功率——相对于在空气中传播的模式功率——的总量。更特定地，存在于二氧化硅 中的模式功率 $p=\underset{\mathrm{\Π}}{\∫}E\×H*\·\mathrm{zdA}$ 的相对总量f_silica可用于对导模在给定模折射率处计算群速度，从而：

从这一公式可见具有二氧化硅/空气中可能的最低群速度的导模将在二氧化硅中传播所有功率。这样的模式将具有群速度

可能的最大群速度相应于场尽可能在空气中传播的模式。当模式折射率小于1时，这相应于所有功率在空气中传播的模式。这样的模式具有群速度V_g＝cβ/k，其中β/k≤1。当模折射率大于1时最大群速度等于模式的相速度，从而：V_g＝c/(β/k)，其中β/k≥1。

导模的群速度色散GVD可写为：

$\mathrm{GVD}=\frac{d\left(\frac{1}{v_g}\right)}{\mathrm{d\λ}}$

其中λ为模式的自由空间波长。因而对于给定的模折射率能够获得的群速度总量可通过示出群速度倒数1/v_g作为模折射率β/k的函数来定性估算。这样的曲线示于图42中，其中4201示出只在二氧化硅中传播的模式的群速度的倒数，4202示出以尽可能最大的群速度传播的模式。4203是从4201中减去4202得到的，因而示出每千米光纤长度上慢4201和快4202模式之间的传播时间差(单位皮秒，ps)。曲线4203清楚地指出随着模折射率β/k的降低，传播时间差迅速增加。由于传播时间差也是使用耦合芯区所能获得的最大群速度GVD的度量，所以曲线4203也指出，为了色散补偿目的，使用低的模折射率β/k是有利的。由于通过使用光子带隙技术这是有可能的，因而曲线4203示出，使用利用光子带隙效应传导光的光纤来进行群速度色散是有利的。因此本发明还覆盖具有表现出光子带隙的包层结构的光子晶体光纤。

注意下面这些也是重要的：本发明可用于光纤应用，其中根据本发明的光纤以高阶模传导光。高阶模的色散甚至可比基模的色散更强。除了负色散之外，作为特殊情况，根据本发明的光纤中的高阶模可表现出很高的正色散。这种以高阶模传导光并且具有大的正色散的光纤可用来作为在传输长度上具有负色散的光纤通信系统的色散补偿配置。这样，本发明还覆盖以高阶模传导光的色散补偿光纤。特定地，本发明以具有大的正色散的高阶模传导光的色散补偿光纤。通常，必需在利用以高阶模传导光的色散补偿光纤的系统中使用模式转换器。最后，应当提到的是，对于单模色散补偿和高阶模色散补偿，色散补偿光纤通常都是封装在模块中，本发明还覆盖结合了本发明所公开的光纤的模块。

为了制作根据本发明的光纤，可使用已知的堆叠和拉制毛细管和棒的技术——参见，例如，US 5,802,236。图43示出某一预制件的横截面的示意性实施例，该预制件可用于制作具有图12a所示意性示出的设计的光纤。该预制件包含中心具有高折射率材料的中心棒4300。该棒可具有各种折射率分布——例如阶跃折射率分布或抛物线形折射率分布——优选地使用MCVD技术来制作。对于这一实施例，环绕中心棒的是六个毛细管4301。毛细管被许多棒——包括包含高折射率材料的棒4302——所环绕。棒和管的堆叠可放入更大的额外包层管4304中以得到最终的预制件。这一预制件可在例如US5,802,236所描述的一个或多个步骤中拉成光纤。

为了在第一和第二包层中实现孔洞的不同尺寸，在光纤拉制工艺的一个和多个步骤过程中对两个不同区域中的管施加不同压力会是有利的。这样，例如，向确定更大孔洞的管施加更高的压力，向确定更小孔洞的管施加更低的压力会是有利的。取决于光纤的材料，拉制温度和速度会有很大变化，需要实验来确定最佳拉制条件，包括压力。作为选择，预制件中可堆叠有不同尺寸——例如不同内直径——的管。如果预制件在相对较低的温度——例如大约1850℃-1900℃——下拉制，预制件就可拉制成光纤以使管不会破裂。从而具有更小内直径的管将导致更小尺寸的孔洞。在提供孔洞尺寸的附加控制方面，管的压力控制会是有利的。可使用各种施加压力的方式。例如，有可能用两个步骤来拉制光纤，其中第一步中，在温度大约1900℃至2000℃的光纤拉制塔中大致的过程中，管的两端保持开启，预制件大致线性地缩放成长条。预制件的尺寸可以是大约1-50mm而长条的尺寸大约为1-5mm。在第二步中，可将长条拉制成光纤，其中一个或多个区域与压力控制室相连从而可控制最终光纤中的孔洞尺寸。例如，Russell等人在WO 00/49436中描述了使用压力控制实现微结构光纤的一个途径。

图44示出根据本发明制作的具有如图12a示意性示出的设计的光纤的显微图(从顶部和底部用白光照明)。光纤的Λ大约为4μm，被设计成在1550nm附近表现出负色散。附图还示出该光纤测量到的色散特性(下图)。可见该光纤在1550nm附近表现出大约-1000ps/nm/km的色散——正是色散补偿应用所想要的。该光纤还具有具有相对色散斜率(RDS)的强负色散斜率——正是WDM系统中色散补偿所需要的。色散特性是对于限定在光纤中心(或第一)纤芯中的模式测量的。1550nm处的模场直径为大约4mm，给出大于15μm²的有效面积。这样，实验结果肯定了图16-23提出的模拟结果。纤芯包含与内侧包层部件分离的高折射率部件。纤芯部件具有最大折射率大约1.47的折射率分布，其直径大约是内侧包层部件中心到中心间距的0.7倍。光纤在外侧(或第二)纤芯中具有六个高折射率部件，每个都具有最大折射率1.46左右的折射率分布。六个第二纤芯部件具有类似于第一纤芯部件的直径。在主要用于显示内侧包层部件的尺寸及其位置的从顶部照明的显微图(右上图)中，不能直接看到第一和第二纤芯中的部件。然而，通过从底部照明光纤并且将白光耦合到第一和第二纤芯中，可更清楚地看见两个纤芯的高折射率部件(左上图)。应当简要提到的是，对于近红外波长处色散补偿光纤的工作来说，对于可见光范围内的光，两个芯区的模折射率是很不相同的(依照这个以及根据本发明的光纤的描述)，在可见光处纤芯变得大部分去耦，其中与负色散的波长(前面讨论的耦合波长区附近的波长)相比，光将更紧密地限制在高折射率部件中。

图45示出根据本发明的真实光纤的另一实施例。与图44的光纤相比，内侧包层部件具有更小的尺寸并且色散特性表现出更小的负最小值但是更宽的色散“倾斜(dip)”。这一结果与前面提出的模拟结果也一致。图45所提出的光纤具有频谱较宽的负色散特性和相对较大的RDS，从而使得该光纤对于工作在1550nm附近的WDM系统的色散补偿来说有吸引力。

图46给出根据本发明的光纤的示意性实施例，其中示出了第一纤芯4600和第二纤芯4602之间的间隔。该间隔由距离d_1-2来表征。第一包层区包含低折射率部件4501而第二包层4602是同质的。附图进一步示出光纤横截面中沿某一半径方向的折射率分布。该折射率分布示出了纤芯4600是如何不与低折射率部件4601接触而是被区域4604分隔开的。在优选实施方案中，这一区域包含纯二氧化硅的背景材料。该折射率分布进一步示出从第二芯区中心到第一芯区中心的径向距离d_1-2。这一距离的两倍也称作第二纤芯的直径。图47与图46类似，但是其中的光纤的第二纤芯由高折射率部件总体(4700)形成。将第一纤芯和低折射率元件分开具有一些优点——如结合图31所讨论的，而使用相对较大的第二纤芯直径具有一些优点——如结合图18所讨论的。虽然图46和47示出类似于抛物线的第一和第二纤芯折射率分布，但是根据本发明，还可以使用其它很多种分布。

Claims (197)

1.一种光纤，用于传输光，所述光纤具有一个轴向和垂直于该轴向的横截面，所述光纤包含：

(1)第一芯区，包含折射率为N_co，1的第一纤芯材料，

(2)微结构第一包层区，环绕第一芯区，所述第一包层区包含第一包层材料和许多相互分开的第一包层部件或元件，这些第一包层部件或元件沿光纤轴向伸长，置于第一包层材料中，所述第一包层材料的折射率为N_cl，1，每个第一包层部件或元件的折射率低于N_cl，1，从而所得的第一包层区几何折射率N_ge，cl，1与N_cl，1相比降低，

(3)第二芯区，环绕所述第一包层区，第二芯区包含折射率为N_co，2的第二纤芯材料，以及

(4)第二包层区，环绕第二芯区，所述第二包层区具有折射率为N_cl，2的第二包层材料，其中第一纤芯材料、第一包层材料和第一包层部件、第二纤芯材料，以及第二包层材料如此选择和配置，使得：

N_co，1＞N_ge，cl，1，N_co，2＞N_ge，cl，1，且N_co，2＞N_cl，2。

2.根据权利要求1的光纤，其中第二包层区为同质的。

3.根据权利要求1的光纤，其中第二芯区为微结构的，具有许多相互分开的第二纤芯部件或元件，这些第二纤芯部件或元件沿光纤轴向伸长，置于第二纤芯材料中，每个所述第二纤芯部件或元件的折射率N_co，2大于第二纤芯材料的折射率N_{co，back，2}，从而所得的第二芯区几何折射率N_ge，co，2高于N_{co，back，2}。

4.根据权利要求1的光纤，其中N_cl，2等于或低于N_{co，back，2}。

5.根据权利要求1的光纤，其中N_cl，2等于或低于N_cl，1。

6.根据权利要求1的光纤，其中第二包层区为微结构的，具有许多相互分开的第二包层部件或元件，这些第二包层部件或元件沿光纤轴向伸长，置于第二包层材料中，每个所述第二包层部件或元件的折射率低于N_cl，2，从而所得的第二包层区的几何折射率N_ge，cl，2与N_cl，2相比降低。

7.根据权利要求1的光纤，其中第一芯区为实心芯区。

8.根据权利要求1的光纤，其中N_co，1大于N_co，2。

9.根据权利要求1的光纤，其中N_co，1等于N_co，2。

10.根据权利要求1的光纤，其中N_co，1低于N_co，2。

11.根据权利要求1的光纤，其中第二芯区为同质芯区。

12.根据权利要求1的光纤，其中第二芯区为微结构的，具有许多相互分开的第二纤芯部件或元件，这些第二纤芯部件或元件沿光纤轴向伸长，置于第二纤芯材料中，每个所述第二纤芯部件或元件的折射率低于N_co，2，从而所得的第二芯区几何折射率N_ge，co，2与N_co，2相比降低，其中

N_ge，co，2＞N_ge，c1，1，且N_ge，co，2＞N_ge，c1，2。

13.根据权利要求3-12中任何一个的光纤，其中第二芯区进一步包含低折射率第二纤芯部件。

14.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中第一包层部件或元件相对于光纤中心等距放置。

15.根据权利要求14的光纤，其中第一包层部件或元件具有相似的尺寸。

16.根据权利要求3-10、12中任何一个的光纤，其中第二纤芯部件或元件相对于光纤中心等距放置。

17.根据权利要求16的光纤，其中第二纤芯部件具有相似的尺寸。

18.根据权利要求14的光纤，其中第二纤芯部件的尺寸大于或等于第一包层部件的尺寸。

19.根据权利要求14的光纤，其中第二纤芯部件的尺寸小于或大于第一包层部件的尺寸。

20.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中该光纤包含二氧化硅玻璃并且N_co，2等于或大于1.444。

21.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中第一包层部件的数目在6到18的范围内。

22.根据权利要求3-10、12中任何一个的光纤，其中第二纤芯部件的数目在6到18的范围内。

23.根据权利要求22的光纤，其中第二纤芯部件的特征在于相邻两个第二纤芯部件之间有代表性的中心到中心距离Λ_co，2。

24.根据权利要求23的光纤，其中第二纤芯部件的特征在于横截面尺寸在0.2Λ_co，2到0.9Λ_co，2的范围内。

25.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中N_co，1在1.45到1.49的范围内，N_cl，1在1.43到1.45的范围内，N_co，2在1.44到1.47的范围内，N_cl，2在1.43到1.45的范围内。

26.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中第一芯区为微结构的，具有一个或多个相互分开的第一纤芯部件或元件，这些第一纤芯部件或元件沿光纤轴向伸长，置于第一纤芯材料中，每个所述第一纤芯部件或元件的折射率低于N_co，1，从而所得的第一芯区几何折射率N_ge，co，1与N_co，1相比降低，其中

N_ge，co，1＞N_ge，c1，1。

27.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中第一芯区为微结构的，具有一个或多个相互分开的第一纤芯部件或元件，这些第一纤芯部件或元件沿光纤轴向伸长，置于第一纤芯材料中，每个所述第一纤芯部件或元件的折射率高于N_co，1，从而所得的第一芯区几何折射率N_ge，co，1高于N_co，1。

28.根据权利要求27的光纤，其中该光纤包含一个第一纤芯部件或元件。

29.根据权利要求28的光纤，其中第一纤芯部件或元件不与第一包层部件或元件接触。

30.根据权利要求28或29的光纤，其中第一纤芯部件或元件的直径在2lμm到4μm的范围内。

31.根据权利要求30的光纤，其中第一纤芯部件或元件的直径在2.5μm到3.0μm的范围内。

32.根据权利要求28或29的光纤，其中第一纤芯部件或元件的直径是两个相邻第一包层部件或元件之间中心到中心距离的0.5到0.8倍。

33.根据权利要求28或29的光纤，其中第一芯区的背景材料与第一包层背景材料一致。

34.根据权利要求26的光纤，其中N_ge，co，1大于N_ge，co，2。

35.根据权利要求26的光纤，其中N_ge，co，1等于N_ge，co，2。

36.根据权利要求26的光纤，其中N_ge，co，1小于N_ge，co，2。

37.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中第一纤芯材料为第一芯区的背景材料，第一包层材料为第一包层区的背景材料，第二纤芯材料为第二芯区的背景材料，和/或第二包层材料为第二包层区的背景材料。

38.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中第一包层区的横截面是环形的。

39.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中第二芯区的横截面是环形的。

40.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中第二包层区的横截面是环形的。

41.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中光纤尺寸适合传输或传导一个或多个预定波长的光。

42.根据权利要求41的光纤，其中所述预定波长中的一个在1.3μm到1.7μm的范围内。

43.根据权利要求42的光纤，其中所述预定波长中的一个在1.5μm到1.62μm的范围内。

44.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中所述第一芯区的内切纤芯直径D_co，1大于预定波长的3倍。

45.根据权利要求44的光纤，其中所述第一芯区的内切纤芯直径D_co，1大于5倍预定波长。

46.根据权利要求45的光纤，其中所述第一芯区的内切纤芯直径D_co，1大于7倍预定波长。

47.根据权利要求46的光纤，其中所述第一芯区的内切纤芯直径D_co，1大于10倍预定波长。

48.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中所述第一芯区的第一内切纤芯直径D_co，1在4μm到25μm的范围内。

49.根据权利要求48的光纤，其中所述第一芯区的第一内切纤芯直径D_co，1在4.0μm到5.0μm的范围内。

50.根据权利要求48的光纤，其中所述第一芯区的第一内切纤芯直径D_co，1在5.0μm到6.5μm的范围内。

51.根据权利要求48的光纤，其中所述第一芯区的第一内切纤芯直径D_co，1在6.5μm到10.0μm的范围内。

52.根据权利要求48的光纤，其中所述第一芯区的第一内切纤芯直径D_co，1在10.0μm到25.0μm的范围内。

53.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中所述第一芯区具有变化的折射率分布，该变化的折射率分布具有等于N_co，1的最高折射率，该变化的折射率分布的特征在于α分布，其中α在0-100的范围内。

54.根据权利要求53的光纤，其中α等于2或更高。

55.根据权利要求53的光纤，其中α等于3或更高。

56.根据权利要求3-10、12中任何一个的光纤，其中所述第二纤芯部件相对于第一芯区中心成环形对称布置。

57.根据权利要求3-10、12中任何一个的光纤，其中所述第二纤芯部件布置在环绕第一芯区的一个单层中，从而对于所有第二纤芯部件来说，从第二纤芯部件到第一芯区中心的距离相等。

58.根据权利要求3-10、12中任何一个的光纤，其中所述第二纤芯部件布置在环绕第一芯区的两层或多层中。

59.根据权利要求3-10、12中任何一个的光纤，其中Λ_co，2在0.2μm到20μm的范围内。

60.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中所述第一包层部件相对于第一芯区中心成环形对称布置。

61.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中所述第一包层部件布置在环绕第一芯区的单层中，从而对于所有第一包层部件来说，从第一包层部件到第一芯区中心的距离相等。

62.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中所述第一包层部件布置在环绕第一芯区的两层或多层中。

63.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中所述第一包层的数目等于或大于3。

64.根据权利要求63的光纤，其中所述第一包层的数目等于或大于6。

65.根据权利要求63的光纤，其中所述第一包层的数目等于或大于8。

66.根据权利要求63的光纤，其中所述第一包层的数等于或大于18。

67.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中所述第一包层部件具有直径D_cl，1以及最近邻第一包层部件之间的中心到中心间距Λ_cl，1，并且D_cl，1/Λ_cl，1在0.2到0.8的范围内。

68.根据权利要求67的光纤，其中D_cl，1/Λ_cl，1从0.4到0.6。

69.根据权利要求67的光纤，其中D_cl，1在0.1μm到10μm的范围内。

70.根据权利要求67的光纤，其中Λ_cl，1在0.2μm到20μm的范围内。

71.根据权利要求70的光纤，其中Λ_cl，1从3.0μm到5.0μm。

72.根据权利要求3-12中任何一个的光纤，其中所述第二包层部件具有直径D_cl，2以及最近邻第二包层部件之间的中心到中心间距Λ_cl，2，并且D_cl，2/Λ_cl，2在0.01到0.5的范围内。

73.根据权利要求72的光纤，其中D_cl，2/Λ_cl，2从0.1到0.2。

74.根据权利要求72的光纤，其中D_cl，2在0.1μm到5μm的范围内

75.根据权利要求72的光纤，其中Λ_cl，2在0.2μm到20μm的范围内。

76.根据权利要求56的光纤，其中Λ_cl，1大于Λ_cl，2。

77.根据权利要求76的光纤，其中Λ_cl，1大于或等于3Λ_cl，2。

78.根据权利要求56的光纤，其中Λ_cl，1等于Λ_cl，2。

79.根据权利要求56的光纤，其中D_cl，1大于D_cl，2。

80.根据权利要求56的光纤，其中D_cl，1/Λ_cl，1与D_cl，2/Λ_cl，2相等。

81.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中所述光纤包含一种或多种玻璃材料。

82.根据权利要求81的光纤，其中所述光纤包含二氧化硅。

83.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中所述光纤包含聚合物。

84.根据权利要求81的光纤，其中所述第一包层部件、第二纤芯部件，和/或第二包层部件为包含真空、空气或其它气体的孔洞。

85.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中所述光纤具有非圆形外侧包层。

86.根据权利要求85的光纤，其中所述光纤具有非多边形包层。

87.根据权利要求85的光纤，其中所述光纤具有椭圆形侧包层。

88.根据权利要求85的光纤，其中所述外形在横截面中具有预定取向，预定取向由第一包层部件的位置来确定。

89.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中所述第一芯区具有非圆形横截面，在光纤中给出高的双折射。

90.根据权利要求89的光纤，其中所述第一芯区具有椭圆形，在光纤中给出高的双折射。

91.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中所述第一包层区在横截面中具有非圆形内侧形状，在光纤中给出高的双折射。

92.根据权利要求91的光纤，其中所述第一包层区在横截面中具有椭圆形内侧形状，在光纤中给出高的双折射。

93.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中所述光纤以单模传导预定波长的光。

94.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中所述光纤以高阶模传导预定波长的光。

95.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中第二纤芯的直径大于10μm。

96.根据权利要求95的光纤，其中第二纤芯的直径在10μm到15μm的范围内。

97.根据权利要求95的光纤，其中第二纤芯的直径在15μm到20μm的范围内。

98.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中第一纤芯的直径大于3μm。

99.根据权利要求98的光纤，其中第一纤芯的直径在4μm到8μm的范围内。

100.根据权利要求99的光纤，其中第一纤芯的直径在4μm到6μm的范围内。

101.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中第一纤芯和第二纤芯相隔至少3μm的距离。

102.根据权利要求101的光纤，其中第一纤芯和第二纤芯相隔至少4μm的距离。

103.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中第一纤芯与第一包层的低折射率部件之间具有非零距离。

104.根据权利要求103的光纤，其中第一纤芯与第一包层的低折射率部件之间具有大于0.5μm的距离。

105.根据权利要求103的光纤，其中第一纤芯与第一包层的低折射率部件之间具有大于1.0μm的距离。

106.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中光在第一纤芯中传播。

107.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中光耦合进第一纤芯。

108.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中第二纤芯的面积大于第一纤芯。

109.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中第二纤芯的有效折射率n_co2，eff大于(n_co，1，eff+n_cl，2，eff)/2或大于(n_co，1，eff+n_cl，1，eff)/2，其中n_co，1，eff为第一芯区的有效折射率，n_cl，1，eff为第一包层区的有效折射率，而n_cl，2，eff为第二包层区的有效折射率。

110.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中第二纤芯的平均或几何折射率n_co2，g大于(n_co，1，g+n_cl，2，g)/2或大于(n_co，1，g+n_cl，1，g)/2，其中n_co，1，g为第一芯区的平均或几何折射率，n_cl，1，g为第一包层区的平均或几何折射率，而n_cl，2，g为第二包层区的平均或几何折射率。

111.根据权利要求1-12中任何一个的光纤，其中所述光纤的尺寸适合以单模在第一芯区中传导第一波长λ₁的光，λ₁在1500到1640nm的范围内，该光纤在λ₁处表现出负色散。

112.根据权利要求111的光纤，其中该光纤的尺寸适合在第二芯区中传导波长短于截止波长λ_c的光，其中λ_c比λ₁短了超过30nm。

113.一种包含模块的产品，所述模块用于光通信系统中的色散补偿，所述模块包含根据权利要求1-12中任何一个的光纤。

114.一种光纤，用于传输光，所述光纤具有一个轴向和垂直于该轴向的横截面，该光纤包含：

(1)第一芯区，包含折射率为N_co，1的第一纤芯材料，以及至少一个折射率低于N_co，1的第一纤芯部件，从而所得的第一芯区几何折射率N_ge，co，1与N_co，1相比降低，

(2)微结构第一包层区，所述第一包层区环绕第一芯区，第一包层区包含第一包层材料和许多相互分开的第一包层部件，这些第一包层部件沿光纤轴向伸长，置于第一包层材料中，第一包层材料的折射率为N_cl，1，每个第一包层部件的折射率低于N_cl，1，从而所得的第一包层区几何折射率N_ge，cl，1与N_cl，1相比降低，

(3)第二芯区，所述第二芯区环绕所述第一包层区，第二芯区包含折射率为N_co，2的第二纤芯材料，以及

(4)微结构第二包层区，所述第二包层区环绕第二芯区，第二包层区包含第二包层材料和许多相互分开的第二包层部件，这些第二包层部件沿光纤轴向伸长，置于第二包层材料中，所述第二包层材料的折射率为N_cl，2，每个第二包层部件的折射率低于N_cl，2，从而所得的第二包层区几何折射率N_ge，cl，2与N_cl，2相比降低，其中

第一纤芯材料、第一包层材料和第一包层部件、第二纤芯材料，以及第二包层材料和第二包层部件如此选择和配置，使得：

N_co，1＞N_ge，cl，1，N_co，2＞N_ge，cl，1，N_co，2＞N_ge，cl，2，N_ge，co，1＜N_ge，cl，2，

并且第二包层部件被设置成使得第二包层区表现出光子带隙效应。

115.根据权利要求114的光纤，其中所述第二包层部件布置成一个二维周期结构。

116.根据权利要求114的光纤，其中所述第二包层部件布置成径向周期结构。

117.根据权利要求114-116中任何一个的光纤，其中第二纤芯的直径大于10μm。

118.根据权利要求117的光纤，其中第二纤芯的直径在10μm到15μm的范围内。

119.根据权利要求117的光纤，其中第二纤芯的直径在15μm到20μm的范围内。

120.根据权利要求114-116中任何一个的光纤，其中第一纤芯的直径大于3μm。

121.根据权利要求120的光纤，其中第一纤芯的直径在4μm到8μm的范围内。

122.根据权利要求120的光纤，其中第一纤芯的直径在4μm到6μm的范围内。

123.根据权利要求114-116中任何一个的光纤，其中第一纤芯和第二纤芯相隔至少3μm的距离。

124.根据权利要求123的光纤，其中第一纤芯和第二纤芯相隔至少4μm的距离。

125.根据权利要求114-116中任何一个的光纤，其中第一纤芯与第一包层的低折射率部件之间具有非零距离。

126.根据权利要求125的光纤，其中第一纤芯与第一包层的低折射率部件之间具有大于0.5μm的距离。

127.根据权利要求125的光纤，其中第一纤芯与第一包层的低折射率部件之间具有大于1.0μm的距离。

128.根据权利要求114-116中任何一个的光纤，其中光在第一纤芯中传播。

129.根据权利要求114-116中任何一个的光纤，其中光耦合进第一纤芯中。

130.根据权利要求114-116中任何一个的光纤，其中第二纤芯的面积大于第一纤芯。

131.根据权利要求114-116中任何一个的光纤，其中第二纤芯的有效折射率n_co2，eff大于(n_co，1，eff+n_cl，2，eff)/2或大于(n_co，1，eff+n_cl，1，eff)/2，其中n_co，1，eff为第一芯区的有效折射率，n_cl，1，eff为第一包层区的有效折射率，而n_cl，2，eff为第二包层区的有效折射率。

132.根据权利要求114-116中任何一个的光纤，其中第二纤芯的平均或几何折射率n_co2，g大于(n_co，1，g+n_cl，2，g)/2或大于(n_co，1，g+n_cl，1，g)/2，其中n_co，1，g为第一芯区的平均或几何折射率，n_cl，1，g为第一包层区的平均或几何折射率，而n_cl，2，g为第二包层区的平均或几何折射率。

133.根据权利要求114-116中任何一个的光纤，其中所述光纤的尺寸适合以单模在第一芯区中传导第一波长λ₁的光，λ₁在1500到1640nm的范围内，该光纤在λ₁处表现出负色散。

134.根据权利要求133的光纤，其中该光纤的尺寸适合在第二芯区中传导波长短于截止波长λ_c的光，其中λ_c比λ₁短了超过30nm。

135.一种包含模块的产品，所述模块用于光通信系统中的色散补偿，该模块包含根据权利要求114-116中任何一个的光纤。

136.一种光纤，用于传输或传导光，所述光纤具有一个轴向和垂直于该轴向的横截面，该光纤包含：

(1)第一芯区，包含折射率为N_co，1的第一纤芯材料，

(2)微结构第一包层区，环绕第一芯区，所述第一包层区包含第一包层材料和许多相互分开的第一包层部件或元件，这些第一包层部件或元件沿光纤轴向伸长，置于第一包层材料中，所述第一包层材料的折射率为N_cl，1，每个第一包层部件或元件的折射率低于N_cl，1，从而所得的第一包层区几何折射率N_ge，cl，1与N_cl，1相比降低。

(3)第二芯区，环绕所述第一包层区，所述第二芯区包含折射率为N_co，2的第二纤芯材料，以及

(4)微结构第二包层区，环绕第二芯区，所述第二包层区包含第二包层材料和许多相互分开的第二包层部件或元件，这些第二包层部件或元件沿光纤轴向伸长，置于第二包层材料中，所述第二包层材料的折射率为N_cl，2，每个第二包层部件或元件的折射率低于N_cl，2，从而所得的第二包层区几何折射率N_ge，cl，2与N_cl，2相比降低，其中

第一纤芯材料、第一包层材料和第一包层部件或元件、第二纤芯材料，以及第二包层材料和第二包层部件或元件如此选择和配置，使得：

N_co，1＞N_ge，cl，1，N_co，2＞N_ge，cl，1，且N_co，2＞N_ge，cl，2。

137.根据权利要求136的光纤，其中所述第一包层部件具有直径D_cl，1以及最近邻第一包层部件之间的中心到中心间距Λ_cl，1，并且D_cl，1/Λ_cl，1在0.2到0.8的范围内。

138.根据权利要求137的光纤，其中D_cl，1/Λ_cl，1在0.4到0.6的范围内。

139.一种光纤，具有一个轴向和垂直于该轴向的横截面，该光纤在预定波长附近具有负色散，并且用于色散补偿；

其特征在于；所述光纤包含：

(1)第一芯区，位于光纤中心，第一芯区包含折射率为N_co，1的第一纤芯材料；

(2)第一包层区，环绕第一芯区，该第一包层区包含许多互相分开的第一包层部件，这些包层部件沿轴向伸长，置于第一包层材料中，所述第一包层材料具有折射率N_cl，1；

(3)第二芯区，环绕第一包层区，该第二芯区包含折射率为N_co，2的第二纤芯材料，第二芯区的横截面为环形；

(4)第二包层区，环绕第二芯区，该第二包层区包含折射率为N_cl，2的第二包层材料，第二包层区的横截面为环形。

140.根据权利要求139的光纤，其中所述预定波长在1.3μm到1.7μm的范围内。

141.根据权利要求140的光纤，其中所述预定波长在1.5μm到1.62μm的范围内。

142.根据权利要求140的光纤，其中N_co，1大于N_co，2。

143.根据权利要求140的光纤，其中N_co，1等于N_co，2。

144.根据权利要求140的光纤，其中N_co，1小于N_co，2。

145.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中所述第一包层区的横截面为环形。

146.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中所述第一芯区的内切纤芯直径D_co，1大于预定波长的3倍。

147.根据权利要求146的光纤，其中所述第一芯区的内切纤芯直径D_co，1大于5倍预定波长。

148.根据权利要求147的光纤，其中所述第一芯区的内切纤芯直径D_co，1大于7倍预定波长。

149.根据权利要求148的光纤，其中所述第一芯区的内切纤芯直径D_co，1大于10倍预定波长。

150.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中D_co，1在4μm到25μm的范围内。

151.根据权利要求150的光纤，其中D_co，1在4.0μm到5.0μm的范围内。

152.根据权利要求150的光纤，其中D_co，1在5.0μm到6.5μm的范围内。

153.根据权利要求150的光纤，其中D_co，1在6.5μm到10.0μm的范围内。

154.根据权利要求150的光纤，其中D_co，1在10.0μm到25.0μm的范围内。

155.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中所述第二芯区为同质区。

156.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中所述第二芯区包含许多互相分开的第二纤芯部件，这些纤芯部件沿轴向伸长，置于第二纤芯材料中。

157.根据权利要求156的光纤，其中所述第二纤芯部件具有直径D_co，2以及最近邻第二纤芯部件之间的中心到中心间距Λ_co，2，并且D_co，2/Λ_co，2在0.01到0.5的范围内。

158.根据权利要求157的光纤，其中所述第二纤芯部件具有直径D_co，2以及最近邻第二纤芯部件之间的中心到中心间距Λ_co，2，并且D_co，2/Λ_co，2在0.1到0.2的范围内。

159.根据权利要求157的光纤，其中D_co，2在0.1μm到5μm的范围内。

160.根据权利要求157的光纤，其中Λ_co，2在0.2μm到20μm的范围内。

161.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中所述第一包层部件相对于第一芯区中心成环形对称布置。

162.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中所述第一包层部件布置在环绕第一芯区的单层中，从而对于所有第一包层部件来说，从第一包层部件到第一芯区中心的距离相等。

163.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中所述第一包层部件布置在环绕第一芯区的两层或多层中。

164.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中所述第一包层部件具有直径D_cl，1以及最近邻第一包层部件之间的中心到中心间距Λ_cl，1，并D_cl，1/Λ_cl，1在0.2到0.8的范围内。

165.根据权利要求164的光纤，其中所述第一包层部件具有直径D_cl，1以及最近邻第一包层部件之间的中心到中心间距Λ_cl，1，并且D_cl，1/Λ_cl，1在0.4到0.6的范围内。

166.根据权利要求164的光纤，其中D_cl，1在0.1μm到10μm的范围内。

167.根据权利要求164的光纤，其中Λ_cl，1在0.2μm到20μm的范围内。

168.根据权利要求164的光纤，其中D_cl，1/Λ_cl，1大于D_co，2/Λ_co，2.

169.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中所述第二包层区包含许多互相分开的第二包层部件，这些包层部件沿轴向伸长，置于第二包层材料中。

170.根据权利要求169的光纤，其中所述第二包层部件具有直径D_cl，2以及最近邻第二包层部件之间的中心到中心间距Λ_cl，2，其中D_cl，2/Λ_cl，2在0.01到0.5的范围内。

171.根据权利要求170的光纤，其中所述第二包层部件具有直径D_cl，2以及最近邻第二包层部件之间的中心到中心间距Λ_cl，2，其中D_cl，2/Λ_cl，2在0.1到0.2的范围内。

172.根据权利要求170的光纤，其中D_cl，2在0.1μm到5μm的范围内。

173.根据权利要求170的光纤，其中Λ_cl，2在0.2μm到20μm的范围内。

174.根据权利要求170的光纤，其中Λ_cl，1等于Λ_cl，2。

175.根据权利要求170的光纤，其中D_cl，1大于D_cl，2。

176.根据权利要求170的光纤，其中D_cl，1/Λ_cl，1与D_cl，2/Λ_cl，2相等。

177.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中所述光纤以单模传导预定波长的光。

178.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中所述光纤以高阶模传导预定波长的光。

179.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中第二纤芯的直径大于10μm。

180.根据权利要求179的光纤，其中第二纤芯的直径在10μm到15μm的范围内。

181.根据权利要求179的光纤，其中第二纤芯的直径在15μm到20μm的范围内。

182.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中第一纤芯的直径大于3μm。

183.根据权利要182的光纤，其中第一纤芯的直径在4μm到8μm的范围内。

184.根据权利要求183的光纤，其中第一纤芯的直径在4μm到6μm的范围内。

185.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中第一纤芯和第二纤芯相隔至少3μm的距离。

186.根据权利要求185的光纤，其中第一纤芯和第二纤芯相隔至少4μm的距离。

187.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中第一纤芯与第一包层的低折射率部件之间具有非零距离。

188.根据权利要求187的光纤，其中第一纤芯与第一包层的低折射率部件之间具有大于0.5μm的距离。

189.根据权利要求187的光纤，其中第一纤芯与第一包层的低折射率部件之间具有大于1.0μm的距离。

190.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中光在第一纤芯中传播。

191.根据权利要求139-144中任何一个的光纤，其中所述光纤的尺寸适合以单模在第一芯区中传导第一波长λ₁的光，λ₁在1500到1640nm的范围内，该光纤在λ₁处表现出负色散。

192.一种包含模块的产品，所述模块用于光通信系统中的色散补偿，该模块包含根据权利要求139-144中任何一个的光纤。

193.一种光纤，具有一个轴向和垂直于该轴向的横截面，该光纤在预定波长附近具有正色散，其特征在于；所述光纤包含：

(1)第一芯区，位于光纤中心，第一芯区包含折射率为N_co，1的第一纤芯材料；

(2)第一包层区，环绕第一芯区，该第一包层区包含许多互相分开的第一包层部件，这些包层部件沿轴向伸长，置于第一包层材料中，所述第一包层材料具有折射率N_cl，1；

(3)第二芯区，环绕第一包层区，该第二芯区包含折射率为N_co，2的第二纤芯材料，第二芯区的横截面为环形；

(4)第二包层区，环绕第二芯区，该第二包层区包含折射率为N_cl，2的第二包层材料，第二包层区的横截面为环形。

194.一种光学传输线，至少包含：

(1)一定长度的标准传输光纤，至少在波长λ₁为1550nm处具有正色散和正色散斜率，以及

(2)一定长度的根据权利要求1-12、114-116、136-144和193中任一项的色散补偿光纤，

其中所述色散补偿具有色散数值在λ₁处大于500ps/nm/km的负色散。

195.根据权利要求194的光学传输线，其中色散补偿光纤是一定长度的缠绕在光纤模块上的色散补偿光纤。

196.根据权利要求194的光学传输线，其中色散补偿光纤具有大于0.01nm^-1的相对色散斜率。

197.根据权利要求196的光学传输线，其中色散补偿光纤具有大于0.02nm^-1的相对色散斜率。

Images