CN1331808A

CN1331808A - 光子晶体纤维

Info

Publication number: CN1331808A
Application number: CN99814716A
Authority: CN
Inventors: D·C·阿伦; N·F·博雷利; J·C·法哈多; R·M·菲亚科; D·W·霍托夫; J·A·韦斯特
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2002-01-16
Also published as: JP4637363B2; KR20010099882A; WO2000037974A1; AU2958700A; EP1147438A4; EP1147438A1; US6243522B1; JP2002533290A; CA2355678A1

Abstract

揭示了一种光纤预制棒,该预制棒是由多个包层棒(10)包围着一个或多个纤芯棒(14)而组成的一个组件。包层棒(10)具有中心部分(12)和包围层(22),其中中心部分的折射率低于包围层的折射率。由预制棒拉丝成的光纤具有一个两组份的包层。适当选择中心部分(12)和包围层可以提供无端单模的波导纤维。其它实施例包括含掺杂剂的光纤,其中掺杂剂可以提高光纤的感光性,或者可以在波导光纤中提供应力所致的双折射或非对称折射率所致的双折射。

Description

光子晶体纤维

发明背景

本申请要求1998年12月21日提交的美国临时专利申请60/113,087的优先权。

本发明涉及一种光纤。具体地说，通过在光纤包层中引入光子晶体类结构而在波导纤维中获得纤芯与包层折射率的反差。

文献中已记载了具有光子晶体包层的波导纤维。目前，光子晶体纤维(PCF)包括多孔包层，即包含一空穴阵列的包层，其中空穴阵列可以改变包层的有效折射率，从而改变诸如模场直径或总色散等波导纤维性能。光功率沿波导的分布(模功率分布)有效地决定了光学波导的性能。改变包层的有效折射率可以改变模功率分布，并由此改变波导纤维性能。

除了上述性能之外，截止波长也受包层结构的影响。多孔包层PCF的一个有利特点是，对包层中孔的大小及分布作特殊选择即可使光纤单模发送实质上任何波长的信号。也就是说，截止波长的波长间距较大，不受限制。这种PCF被称为“无端单模”。PCF的另一个好处是，在接近或低于非PCF波导纤维中掺杂量时，在纤芯与包层之间可以获得高反差折射率。

由于必须在预制棒中控制孔的体积和分布，所以多孔包层PCF很难制造。另外，在将预制棒拉丝成波导纤维大小的过程中，必须保持对PCF包层多孔性的控制。较高的拉丝速度可以降低产生成本，这意味着目前的PCF拉丝工艺增加了生产成本。拉丝步骤在非常高的温度下进行，并且成品光纤的直径很小，大约为125μm。因此，拉丝步骤必须在相对极端的条件下保持孔内压力与孔周围材料之粘力的精确平衡。

多孔包层PCF将很容易被OH^-污染，因为在OH^-去除步骤之后，光纤中至少有一部分光传送区具有一个相对较大的表面区域对空气敞开。OH^-去除步骤是本领域已知的，它通常包括用诸如氯气等活性气体处理受热的预制棒。图1中的曲线2示出了受OH^-污染的一个例子。在800nm至1600nm波长范围内，总衰减很高，大于约20dB/km。除了在1250nm处有一个OH^-吸收峰4之外，局部极大值6和8表征从大约1390nm至1450nm的宽OH^-最大值，此两个极大值也高得不可接收，并且除了可能在非常短的长度应用中有用之外基本上使波导无用。

但是，无端单模的性能足以吸引人们去解决PCF的制造问题。为PCF开发可靠且可再生产工艺的另一个动力是，有可能获得例如可以在色散补偿光纤中使用的、不寻常的色散特性。色散补偿光纤补偿现有通信链路中的色散，从而允许链路在不同的波长上工作。PCF的另一个好处是，可以用在纤芯和包层之间可获得的较高的有效折射率反差来提供较大的有效面积，从而缓解对发射信号完整性的非线性影响。

本文揭示并描述的波导纤维和波导纤维预制棒可以降低不令人满意的OH^-污染，并有效地克服现有技术中存在的问题。

定义

-两组份或多组份玻璃体的有效折射率，其中玻璃体例如可以是PCF预制棒和从中拉丝得到的PCF中的包层，玻璃体具有由第一玻璃构成的基质，且包含由第二玻璃制成的许多棒，有效折射率定义为：

n_{eff}^{2} = [(1 - f) n_{matrix}^{2} + {fn}_{rod}] - \frac{&Integral; {| &dtri; Ψ |}^{2} dA}{k^{2} &Integral; {| Ψ |}^{2} dA}

其中ψ是标量波动方程的解，k是波矢量，f是棒中场的百分数，而n_matrix和n_rod分别是包层之基质玻璃和棒玻璃的折射率。

-光沿z方向传播的标量波动方程是：²ψ/x²＋²ψ/y²＋[(kn₁)²-β²］ψ＝0，其中β是传播常数，k是波数，而n₁是纤芯折射率。

-有效V数是V_eff＝2πL/λ(n_matrix ²-n_eff ²)^1/2，其中L是棒图形的间距，λ是波长。

发明内容

本文揭示并描述的PCF在包层中没有气孔。本光纤的包层包括一种基质材料和至少一个附加材料。基质材料和至少一种附加材料都具有一折射率，并且各自的折射率不同。附加材料嵌在基质材料中，嵌入材料的体积和间距经调整，可以提供具有单模工作波长的波导纤维，波长范围很大，不受限制。即，该波导是无端单模。

由于基质材料和至少一种附加材料必须在预选的波长范围内传播光，所以玻璃材料是良好的选择。玻璃的折射率可以通过使用合适的掺杂剂材料来提高或降低。

因此，波导纤维预制棒和从中拉丝得到的光纤满足PCF光纤的需要，其中PCF具有均匀和再现性能，尤其在低光谱衰减和几何控制方面。

本发明的第一方面是一种光纤预制棒，它具有被包层包围着的纤芯体，其中包层由多个包层棒构成。每个包层棒都具有一中心部分和包围着中心部分的一个层。包层棒中心部分的折射率与包围层的折射率相差一预选的量。此折射率的差连同中心部分和包围层的相对尺寸决定了包层的有效折射率，并由此影响光纤性能，例如，模场直径、截止波长、零色散波长和有效面积。包层的有效折射率必须低于纤芯体的折射率，以便组件最终变成一光导结构。包层棒的直径经选择，提供最终没有孔的光导结构。预制棒中包层棒的最大截面尺寸在大约1.5mm至3.0mm的范围内，这在将预制棒拉丝成目标光纤尺寸后提供了无孔的PCF。

通过将包层棒和纤芯体组成的组件插入诸如玻璃管等保持件中，将包层棒和纤芯体保持在一起。本发明的一个实施例使用一玻璃管，并且其折射率低于中包层棒中心部分或包围层的折射率。另一个例子是，用玻璃粉将预制棒的各部件焊接在一起或者对各相邻部件加热使它们彼此粘结，从而束扎所述组件。可以用光学透明粘结剂代替玻璃粉。另一种方法是夹住预制棒组件的端部，使其适当对准，并且在组件上沉积一层玻璃微粉体。主要依赖于微粉体密度或粘聚强度，烧结微粉体，在拉丝预制棒之前或期间形成玻璃。

纤芯体可以是实心的、棒状玻璃体。另一种情况是，纤芯体本身由一组单体棒组成。这些形成纤芯体的单体棒可以大体具有相同的组份，或者单体棒中有一个或多个预选数量的棒具有不同的组份。单体棒的组份选择为光纤提供了某些光学特性。例如，可以用一组上掺杂(up-doped)石英棒，形成纤芯体的中心部分。将第二组纯石英棒作为第一层安排在纤芯体上掺杂中心部分的周围，并用第三组上掺杂石英棒形成环绕第一层的层。此等由形成纤芯体的单体棒组成的结构在将预制棒拉丝成波导纤维尺寸后，形成一光纤，光纤纤芯具有分层折射率分布曲线。具有分层折射率分布曲线的纤芯体也可以用一分立的工艺来制作，诸如本领域技术人员所熟知的外部或内部汽相沉积工艺，然后将如此制作的纤芯体插入预制棒组件中。

类似地，在另一个实施例中，可以将纤芯体构造成提供一渐变折射率，即折射率的变化符合一函数，该函数使折射率与径向位置相联系。

该预制棒结构实质上可以提供了无数替代结构。形成纤芯体的单体棒的组份和布置是可以改变的。所以形成包层的包层棒的组份和布置也是可以改变的。于是，纤芯体和包层的不同组合提供了具有各种预制棒结构的预制棒组件，这些预制棒结构将产生相应的具有不同功能特性的波导纤维。以下是对有用棒结构仅有的重大限制。包层的有效折射率必须低于至少一部分纤芯的有效折射率，以便该结构可以传导光。另外，掺杂剂的重量百分率必须与低衰减波导纤维一致或不相上下。还有，纤芯体和包层的折射率分布曲线由诸棒的组份和堆叠图形决定，对分布曲线进行选择，以便提供具有所需特性的光纤，所述特性诸如大有效面积、低色散或色散斜率，和适当设置的截止波长或零色散波长。最后，还希望纤芯体和包层的折射率反差在实用限制范围内具有较大的值，以便尽可能减小光纤的弯曲灵敏性。

在预制棒和光纤的其它实施例中，将形成包层的包层棒制作成实质上具有任何截面形状，诸如圆形、椭圆形、三角形、平行四边形或多边形。不同的包层棒形状在包层中提供包层棒中心部分和包层棒包围层的不同分布，从而影响有效折射率。也就是说，包层的有效折射率依赖于包层棒中心部分和包围层之材料的相对体积和分布。一个特定的实施例具有全部圆形截面的包层棒，并且包层棒具有圆形的中心区。在该例中，包层棒中心部分的直径与包层棒外直径的比最好在大约0.1至0.4的范围内，以便所提供的预制棒可以拉丝成无端单模波导纤维。但是，期望在少量模或多模结构中使用PCF，以便包层棒中心部分直径与包层棒总体直径的有用比可以提供这样的有用波导结构，其比值范围可以达到0.9或更高。圆形包层棒的实施例可以安排成许多不同的图形，诸如六边形紧密填装结构、体心立方结构、或随机结构。随机结构可以通过将随机放置具有常数折射率或渐变折射率的隔离棒来实现。

另外，可以将包层棒安排成一个非对称的图形，诸如可以在保偏波导纤维找到的图形。还可以进一步将安排成非对称、随机或周期性图形的棒组分组，形成一个更大的独立图形，该图形可以是非对称的、随机的或周期性的。也可以制造反射镜或旋转对称图形。

因此，在本发明的一个实施例中，选择形成纤芯体的单体棒或形成包围包层的包层棒，以便提供可以从中拉丝得到保偏光纤的预制棒。例如，如此选择由纤芯体单体棒组成的组件，使得纤芯区的最终形状(即纤芯体的拉丝后形状)是椭圆的。关于形成纤芯体的单体棒或形成包围包层的包层棒，有许多不同的布置，它们同样可以提供具有预选双折射特性的预制棒，由该预制棒可以拉丝得到具有所需双折射的波导纤维。

通过改变纤芯体或形成纤芯体的单体棒的截面形状可以获得各种预制棒实施例的变异，这些不同的实施例具有不同截面的包层棒特征。纤芯体或形成纤芯体的单体棒可以采用上述有关包层棒的任何形状。

在一个预制棒实施例中，纤芯体是具有圆形截面的单个棒(用于包含圆形包层棒的预制棒)，纤芯体直径的较佳范围为大约1.5mm至3mm。在另一个实施例中，纤芯体和包层中的包层棒都具有圆形截面，纤芯体直径约等于包层中包层棒的直径。

预制棒组件中可能存在空隙，通过填充一些或所有空隙还可以有选择地改变预制棒的特性，并因此改变从中拉丝得到的光纤的特性。玻璃棒或者粒状或粉状的玻璃成形材料可以用于此目的。

在另一个预制棒实施例中，包层棒可以包括一种提高玻璃感光性的材料，于是通过辐射很容易改变由该预制棒拉丝得到的光纤的性能。合适的材料有锗、锑或硼。

因此，组装后的预制棒在光纤性能本身、如何改变这些性能及何时改变这些性能方面具有很大的适应性。

此适应性的另一个例子是，包层棒包含一种掺杂剂材料，该掺杂剂的重量百分率足以引导应力双折射。所产生的应力可以存在于纤芯体和包层棒层之间的界面上，或者存在于每个包层棒之中心部分与包围部分的界面上。认为在基于石英的玻璃中掺杂重量百分率在大约30％到50％范围内的二氧化锗可以有效产生所希望的应力双折射。还认为在基于石英的玻璃中掺杂重量百分率在大约10％至20％范围内的氧化硼是有效的。依照包层棒的布置，所得的PCF可以保持现有的偏振状态，或者可以通过偏振模混合方式降低诸如偏振模色散等效应。

由包括本文所述代表性实施例的预制棒拉丝得到的波导纤维将具有一包层，该包层包括一基质玻璃，玻璃柱嵌入基质玻璃中，其中柱的折射率低于基质玻璃的折射率。很容易理解，基质玻璃对应于包层棒的包围层，而柱对应于包层棒的中心部分。

波导纤维的纤芯部分可以具有阶跃型折射率(因使用均匀组份的单个纤芯棒所致)或者分层折射率分布曲线设计。该分层折射率可以合并到预制棒组件所用的单个纤芯棒中。也可以用多个纤芯棒构成预制棒组件的纤芯体，从而形成分层折射率。

嵌在波导包层中的玻璃柱可以形成几何形状统一、随机、非对称或周期性的阵列。在折射率较高的基质玻璃中嵌入周期性阵列的石英玻璃柱，间距(即柱心之间的间隔)可以在大约0.4μm至40μm的范围内。可以选择一种非对称产生上述的双折射。

在波导纤维的一个实施例中，选择柱和基质玻璃之间的相对折射率差以及玻璃柱的形状和相对尺寸，以便在一较宽的、实质上无限的波长范围上提供单模操作。这是以上描述并定义的无端单模条件。玻璃材料的光透明范围是通信领域中特别感兴趣的。整个可用的范围跨过大约200nm至1700nm，但是目前最感兴趣的两个工作窗口是：中心位于约1300nm的第一窗口，和中心位于大约1550nm的第二窗口。

在波导纤维的一个实施例中，柱具有圆形截面，直径在大约1μm至35μm的范围内。

附图概述

图1是现有光纤的光谱衰减图；

图2是曲线图，示出了在本发明关于柱直径与间距之比的几种选择下，有效V数与波长倒数的关系。

图3A是截面图，示出了本发明的一根预制棒；

图3B是本发明预制棒或由此拉丝得到的光纤的侧视图；

图4示出了预制棒或光纤中直径和间距的定义；

图5示出了纤芯或包层棒的其它棒形状；

图6示出了纤芯具有三个分层的一种纤芯分层设计；

图7A示出了六边形紧密装填的包层棒；

图7B示出了体心立方包层棒；

图8示出了对预制棒结构实施的一种约简，其纤芯体由单个均匀的棒组成，棒的周围围绕了一层圆形包层棒；和

图9是底视图，示出了用图8预制棒拉丝得到的波导纤维。

本发明的详细描述

本文中揭示并描述的非多孔包层PCF之光导原理是由含两种或多种组份材料的包层的性能所致。在这种包层中，可以定义一有效折射率，它是各组份材料之折射率的并合。有效折射率对包层各组份折射率的依赖关系可以用组份材料体积与总包层体积的比来表征。

包层有效折射率的值和纤芯体的折射率决定了光功率在纤芯体和靠近纤芯体的包层部分上是如何分布的。

如本领域熟练技术人员所已知的，光功率在波导中的分布实质上决定了波导所有的光学性能。

PCF的包层由围绕纤芯体的包层棒构成，形成一预制棒，预制棒是这些棒的总装。该组件随后可拉丝成PCF。由于使用了子部件、包层棒，或者用于构成纤芯体的单体棒，可以允许在PCF的参数设置方面有很大的灵活性。

在本文讨论的PCF中，诸如图8标号58表示的包层提供了一有效折射率，因为包层58具有两个折射率不同的部件。

图3A示出了第一实施例预制棒18的截面图。在该例中，包层棒10具有中心部分12，中心部分12的折射率低于包围层22的折射率。包层棒10具有圆形截面，并且彼此基本相同。包层棒10围绕纤芯体14放置，形成一个包括包层棒和纤芯体的组件。图示于纤芯体14内的棒16表示纤芯体可以选择由更小的子单元，即单体棒组成。在图示的例子中，用管子18保持组件中各部件10和14的相对定位。还可以用几个本领域所知的夹具、卡盘、包装用具或其它保持装置束扎该组件。另外，可以用玻璃粉将各部件焊接在一起。还可以在将组件加热到可以使各部件彼此粘合的温度时使各部件临时束扎在一起。一系列的点和小圆圈20表示可选择使用玻璃填充棒或粒状玻璃成形粒子填充组件中的空隙。

图3B示出了预制棒或波导18的侧视图，该图说明了预制棒和从中拉丝得到的波导两者。图中，纤芯体14和代表性的包层棒从预制棒或纤维24的一端延伸到另一端。尽管纤芯体14必须从头到尾在纤维或预制棒中延伸，以使该结构起波导的作用，但包层棒12可以不连续，只要包层的有效折射率沿预制棒或波导的大体全长度低于纤芯体的至少一部分。

图4的两根包层棒说明了包层棒阵列之柱直径和间距的定义。柱直径28示作柱体12边至边的大小。间距26是包层棒14之中心部分上对应点之间的线性距离。这些定义适用于预制棒组件包层和波导纤维包层两者。

图5示出了包层棒的另一些实施例。图中示出了许多有用形状中的三种形状，它们是三角形30、六角形32和矩形34。在每个实施例中，包层棒的中心部分都是圆形区域12。但是，应该理解，中心部分的形状是可以改变的，因为这样做方便，或者由此可以获得所需的PCF性能。图5的形状还可以代表其它纤芯体的形状。这种形状改变试图提供特殊的模功率分布，而模功率分布将进而决定PCF波导的关键功能特性。

图6示出了纤芯体的另一个实施例。在该例中，纤芯棒是一分层纤芯设计，它具有中心分层36、第一环形分层38和第二环形分层40。对各分层36、38和40之形状、半径和相对折射率的选择决定了含分层纤芯的波导的功能特性。已有若干出版物和专利讨论了分层纤芯的原理和性能，例如Smith先生的美国专利5,748,824，该专利通过引用包括在此，并且以后将不再讨论这方面的内容。

在包层棒为圆柱形的实施例中，如果将包层棒排列成预选图形，那么还可以提供不同的波导功能，图7A和图7B示出了两种排列图形。图7A所示的组件42是六角形堆叠图形，而图7B所示的组件44是体心立方图形。不失清楚性，后一种图形也可称为面心立方结构。

已通过进一步的计算模拟研究了圆柱形包层棒实施例，计算了关键的波导纤维性能。图2将如此计算得到的性能图示为曲线46、48、50和52。以下对这些曲线作进一步讨论。例1

参照图8，将包层棒49和纤芯棒50插入管子46中，构成预制棒52。在纤芯棒50的周围，将包层棒49放置成周期性的阵列。纤芯棒和包层棒的外直径大约为2.4mm。包层棒中心部分的直径54大约为0.95mm。周期性阵列的间距56大约为2.4mm。预制棒的外侧直径大约为50mm。

包层棒包括石英纤芯部分58和包层60，其中包层60由含二氧化钛的石英构成，并且Δ％大约为1％，

Δ％＝100×(n₁-n₂)/n₁。

折射率n₁是具有该Δ％值的玻璃区的折射率，n₂是参考折射率，通常取作基质玻璃(在本例中，为石英)的折射率。

如图9所示，预制棒被拉丝成PCF波导。图9是光纤端部的照片。例2

假设包层棒包围层的相对折射率为2％，模拟PCF波导24，其中波导24具有图3A所示的圆柱形包层棒22或图8所示的包层棒49，以及圆柱形包层棒中心部分12或58。一种结构的相对折射率百分数定义为Δ％＝(n₁-n₂)/n₁，其中n₁是讨论中玻璃区的最大折射率，而n₂是参考折射率，在本例中取为石英的折射率。当把使用这些包层棒的预制棒拉丝成波导光纤时，包层的包围玻璃层变成光纤包层的基质玻璃，而包层棒的中心部分变成嵌在基质中的玻璃柱。在本例中，玻璃柱选石英。

将包层棒装配在纤芯体的周围，形成一个间距为L的周围性阵列，例如图8中的标号56。玻璃柱的直径为d。对从预制棒拉丝得到的光纤进行测量，对测量得到的几个d/L值计算V_eff，V_eff表示波导可以支持的模的数量。

图2的曲线图将V_eff示为光波长倒数的函数，光波长的倒数用阵列间距L/λ标称。曲线46和48示出了d/L比为0.2和0.4的情况，随着波长的减小，相关的V数分别到达大约2.5和4。因为例示波导纤维的第二模在大约V＝4处截止，所以曲线46和48表示该波导基本上在所有波长上都为单模。这是无端单模条件。此波导纤维之几何形状的合理性在于，在1550nm工作波长处，间距为几个微米，大约为1.5μm至39μm。柱直径跟随此间距，并在1550nm波长处大约在1.4μm至36μm的范围内。当d/L的比增加到0.6、0.8和0.9时，V_eff的依赖关系发生变化，如曲线50、52和54所示。波导为单模的波长范围缩小，致使比值选择与波导纤维性能发生权衡。例如，假设间距为10μm，柱直径为9μm，第二模的截止大约为4μm，此假设比电信系统的较佳工作范围更好。

但是，在间距为10μm的情况下，大约6μm的柱直径在1530nm至1570nm的范围上提供单模工作。用图2来说，给定10μm间距和工作波长范围，那么一种可能是设计符合曲线50的包层。为了达到无端单模条件，设计可以跟随曲线48，这要求柱直径为4μm。

此例说明非多孔PCF波导光纤在无端单模结构中的实用性。应该理解，预制棒和从中拉丝得到的PCF不限于无端单模结构。

不再需要在拉丝步骤期间对预制棒进行压力控制，从所需的控制机构来说，压力控制是一项非常复杂的工作。

将原则性的PCF控制步骤转移到工艺中更早且不太复杂的步骤中，即制造包层棒的步骤中。

因此，控制步骤发生在工艺中控制更早且成本更低的某个阶段。

如本领域所知，波导结构中的光传播由Maxwell方程控制。在本例中，这些方程可以写成包含波导材料的介电性能，以及包层结构，包层结构包括包层棒的尺寸和放置。

以下讨论说明本文揭示并描述的波导纤维和预制棒具有由Maxwell方程(ME)导出的性能。

对本PCF运用ME所得到的V数决定了波导将传输一定数量模的波长范围。特别感兴趣的是这样的V数，在该V数以下波导可以传输单模。

根据本文描述的波导结构，有效V数定义为V_eff＝2πL/λ(n_matrix ²-n_eff ²)^1/2，其中L是包层中所含柱子的间距，而λ是传播光的波长。为了找出波导变成无端单模时的V_eff，对非常大的柱间距传播波长的比值绘V_eff曲线。也就是说，当L/λ→∞时，找出V_eff的极限。如果当L/λ变大时，V_eff的极限是一常数，那么V_eff与传播的光波长无关。V_eff变得与传播光波长无关的现象是无端单模光纤的定义特性。此效应源自V_eff对场ψ的依赖关系，并且不能通过简单地断言场功率正移入或移出包层柱子部分或基质部分来解释。

以下是另一种定义合适的、用于提供无端单模条件的V_eff的方法。具有两个或多个部件玻璃体(诸如，预制棒中的包层和从中拉丝得到的波导中的包层)的有效折射率定义为空间填充光基模(fundamental space-filling light mode)的传播常数除以真空波数，或者n_eff＝β_FSM/k。传播常数β从ME的解中求出，k为1/λ，其中λ是传播光的波长。假设包层的最外部分不运输光，对ME求解。如果从纤维中去除纤芯体，那么空间填充基模(FSM)是PCF的基模。因此，β_FSM是包层中允许的最大传播常数β。也可以定义有效波导V数为V_eff＝(2πL/λ)(n₀ ²-n_eff ²)^1/2。这里L是间距，λ是波长，n₀是纤芯折射率，而n_eff是以上定义的PCF包层的有效折射率。如图2所示，对于低于某个阈值的V_eff，光纤保持单模。根据ME的全解可以计算n_eff和V_eff，这里是对正在考虑的特定PCF几何状态求解。图2示出了这些计算的结果。为了简化计算(用计算机完成)，可以对n_eff和V_eff取近似，并用以下描述的标量波动方程分析其有限的性能。在图2中可以看出，V_eff对L/λ的曲线在较短的波长(较大的L/λ)处变得平坦，并且对所有波长可以保持在大约4.1的截止值以下。

因此，可以提出以下理由。在较短的波长极限，FSM几乎不能穿透折射率较低的包层部分。因为场只在折射率较高的包层部分(例如，二氧化锗/石英)中不为零，所以将场有效地限制在折射率为常数的包层区中。因此，场的数字表示是标准坐标的一个通用函数，它与波长或PCF柱的折射率无关，但依赖于包层结构的间距(中心距)。

场的数学表达式具有以下形式，

ψ＝G(x/L，y/L)。当此函数被替代成以下标量波动方程时

²ψ/x²＋²ψ/y²＋[(kn₀)²-β²]ψ＝0，可以找出n_eff ²＝n₀ ²-g²/(k²L²)，其中g由波动方程的解给出。因此，V_eff＝g＝短波长极限时的常数，致使波导在短波长极限时仍为单模。

此推理用于支持本文所揭示和描述的PCF的功能。对该现象的合理解释基于声学物理原理。应该理解，对有效V数及有效折射率的任何解释的有效性不会影响本文描述的发明的范围和有效性。

尽管在此揭示和描述了本发明的各种实施例，但本发明仅由后附的权利要求书限定。

Claims

1.一种光纤预制棒，其特征在于，包括：

纤芯体，它具有一纵轴；

多个包层棒，每个包层棒具有一纵轴，并且包括一中心部分和包围着中心部分的一个层；

中心部分的折射率与包围中心部分的所述层的折射率相差一预选的量，并且包层棒的直径是预选的；并且

多个包层棒绕纤芯体保持在适当位置，形成一个在纤芯体周围包围一层包层棒的组件。

2.如权利要求1所述的光纤预制棒，其特征在于，包层棒中心部分与包层棒包围层之折射率的差为包层棒构成的所述层提供了一个有效折射率，该有效折射率小于纤芯体的有效折射率。

3.如权利要求1所述的光纤预制棒，其特征在于，用一根包围着组件的玻璃管将包层棒保持在适当位置。

4.如权利要求3所述的光纤预制棒，其特征在于，玻璃管的折射率小于包层棒中心部分及包围该包层棒中心部分的包层棒层两者的折射率。

5.如权利要求1所述的光纤预制棒，其特征在于，每个包层棒的截面都垂直于其纵轴，最大截面尺寸在1.5mm至3.0mm的范围内，并且截面形状选自以下形状组成的组：圆形、椭圆形、三角形、平行四边形和多边形。

6.如权利要求5所述的光纤预制棒，其特征在于，每个包层棒的截面都是圆形，并且每个包层棒的中心部分具有第一直径，每个包层棒的包围层具有第二直径，第一直径与第二直径的比在大约0.1至0.4的范围内。

7.如权利要求6所述的光纤预制棒，其特征在于，由包层棒构成的层被安排成六边形紧密填装的结构。

8.如权利要求6所述的光纤预制棒，其特征在于，由包层棒构成的层被安排成体心立方结构。

9.如权利要求5所述的光纤预制棒，其特征在于，纤芯体是单个棒，其截面垂直于纵轴，截面形状选自以下形状组成的组：圆形、椭圆形、三角形、平行四边形和多边形。

10.如权利要求9所述的光纤预制棒，其特征在于，单个纤芯棒的截面是圆形，其直径在大约2mm至3mm的范围内。

11.如权利要求1所述的光纤预制棒，其特征在于，多个包层棒被定位使得其纵轴基本上平行于纤芯体的纵轴，并且包层棒的位置随机安排。

12.如权利要求1所述的光纤预制棒，其特征在于，多个包层棒被定位使得其纵轴基本上平行于纤芯体的纵轴，并且包层棒的位置周期性安排。

13.如权利要求1所述的光纤预制棒，其特征在于，还包括一些具有均匀组份的棒。

14.如权利要求13所述的光纤预制棒，其特征在于，均匀组份的棒被放置在多个包层棒中间，形成预选的包层棒图形。

15.如权利要求14所述的光纤预制棒，其特征在于，预选的包层棒图形选自以下图形组成的组：反射镜对称图形、旋转对称图形、重复不对称图形和随机图形。

16.如权利要求14所述的光纤预制棒，其特征在于，包层棒图形形成一个非对称图形，由该图形可以拉出保偏光纤。

17.如权利要求1所述的光纤预制棒，其特征在于，所述组件在其纤芯体和包层棒中包含许多空穴。

18.如权利要求17所述的光纤预制棒，其特征在于，空穴中至少有一些被玻璃棒或玻璃成形颗粒材料填充。

19.如权利要求1所述的光纤预制棒，其特征在于，包层棒的中心部分或包围着中心部分的层是基于石英的玻璃，该玻璃包含一种可以增加包层感光性的材料。

20.如权利要求19所述的光纤预制棒，其特征在于，增加感光性的材料选自以下材料组成的组：锗、锑和硼。

21.如权利要求1所述的光纤预制棒，其特征在于，包层棒的中心部分或包围着中心部分的层是基于石英的玻璃，该玻璃包含足够量的掺杂剂材料，用以改变中心部分相对包围层玻璃的热膨胀系数，掺杂剂含量可以在包层棒中产生应力双折射，以提供可拉丝得到保偏光纤的预制棒。

22.如权利要求21所述的光纤预制棒，其特征在于，包层棒中包围着中心部分的层是基于石英的玻璃，该玻璃所含掺杂剂二氧化锗的重量百分数在30％至50％的范围内。

23.如权利要求21所述的光纤预制棒，其特征在于，包层棒的中心部分是基于石英的玻璃，其所含掺杂剂硼的重量百分数在10％至20％的范围内。

24.如权利要求21所述的光纤预制棒，其特征在于，包层棒中包围着中心部分的层是基于石英的玻璃，该玻璃掺杂了一种材料，材料选自由二氧化锗和二氧化钛组成的组。

25.如权利要求1所述的光纤预制棒，其特征在于，包层棒中心部分是基于石英的玻璃，该玻璃掺杂了一种材料，材料选自由氟和硼组成的组。

26.如权利要求1所述的光纤预制棒，其特征在于，纤芯体的折射率渐变。

27.一种由权利要求1-26所述的任何一种预制棒拉丝得到的光纤。

28.一种光纤，其特征在于，包括：

纤芯区，其组成材料具有一折射率；和

包层，它包围并接触纤芯区，其中包层包括一种基质材料和一种形成多个柱的材料，柱材料具有第一折射率并且作为一个柱阵列嵌入基质材料中，基质材料具有第二折射率；

其中，柱材料的折射率与基质材料的折射率相差一定量，致使纤芯区材料中至少有一部分的折射率大于包层的有效折射率。

29.如权利要求28所述的光纤，其特征在于，阵列中的多个柱对光纤从头到尾是连续的，并且每个柱都具有一个纵轴，该纵轴基本上与光纤的长度方向平行，并且柱阵列是随机的。

30.如权利要求28所述的光纤，其特征在于，阵列中的多个柱对光纤从头到尾是连续的，并且每个柱都具有一个纵轴，该纵轴基本上与光纤的长度方向平行，并且柱阵列是周期性的。

31.如权利要求30所述的光纤，其特征在于，周期性柱阵列的间距在大约0.4μm至40μm的范围内。

32.如权利要求31所述的光纤，其特征在于，垂直光纤长度方向取得的纤芯区的截面是一个圆，该圆的直径经选择使得光纤在一预选的波长范围内传播单模。

33.如权利要求32所述的光纤，其特征在于，波长范围大约为200nm至1700nm。

34.如权利要求28所述的光纤，其特征在于，多个柱中每个柱的直径在1μm至35μm的范围内。

35.如权利要求28所述的光纤，其特征在于，纤芯区的材料与基质玻璃材料相同。