CN1447929A - 带孔的光纤 - Google Patents

Abstract

一种光纤结构，包括安排在一带孔的外部支持结构中的带孔光纤(20)，该支持结构是由包容在一薄壁外套(24)中的带孔管(22)制成的。该带孔光纤可以具有一由带孔的包层环绕的实心芯，且该包层包括该多圈孔。根据这一发明，有可能较为容易地利用现有光纤制造技术来生产耐用的、带敷层和包套的并具有微米尺寸的微结构芯特性的光纤。这一改进是外侧带孔结构的结果，它减少了支持结构的热质量并使它有可能在光纤制造过程中可靠和可控地保持小孔特性。

Description

带孔的光纤

发明背景

本发明涉及带孔的光纤(holey fiber)和制造带孔光纤及带孔光纤予成型件的方法。

带孔光纤是一种光纤，它的光学制约机理及性质是受沿着光纤长度方向延伸的空腔所限定的空气孔阵列影响的。光能够以两种不同的机理在带孔光纤内被导引。第一，利用空气孔的周期性安排，能够通过光子带隙效应得到引导[1]。第二，能够从体平均折射率效应得到引导。这第二种引导机理并不依赖于空气孔的周期性[2]。

通常，带孔的光纤具有由带孔的包层区所围绕的实心芯(附图中的图1A)或空心芯(附图中的图1B)。图示的带孔光纤具有一带孔的结构，其特征是孔径为d，孔间距离即节距为Λ。

带孔的光纤结构是这样制成的：将多根圆管形毛细管以六边形紧密压紧的阵列，堆积在一形成含有该毛细管的外套或外壳的较大的圆管内。为了形成实心芯的带孔光纤，如图1所示，要从该堆中取走圆管形毛细管之一而用同样外径的实心棒代替。为了形成如图1B所示的空心芯的带孔光纤，要从该堆的中心部分取走若干毛细管。这个光纤堆然后通过封装步骤拉制成予制件，随后再放入光纤拉制塔中并拉制成光纤。所完成的带孔光纤结构因此具有这样的特征：由带孔的包层所围绕的内芯(实心的或空心的)。带孔光纤的制造在文献[3][4]中有进一步的讨论。

为了实现供多种应用的带孔光纤，最好是制造具有较小特征尺寸的带孔光纤，例如孔间距离，即节距A约为1-2微米。具有如此小孔的特征尺寸的光纤有许多有趣而独特的性质，诸如在短波长下的异常散射，高的光学非线性以及在空气中具有大的瞬时场的可能性。

为了满足小节距的需要，有必要构造一种具有相对较小毛细管的予制件结构。由于毛细管的小尺寸，需要数以百计的毛细管元件来提供在予制件封装和光纤拉制的制造阶段能方便地加工的足够大的结构。此外，从实际出发，制成的光纤需要具有约为80微米或更大的外径。但是，为了满足这些需要所要求的大量微小的毛细管对制造提出了困难并且还导致不耐用的光纤。

一种改进方法是将毛细管堆在一外套中，它具有如附图中图2所示的相对较厚的壁，该图表示一厚壁的石英外套1，它限定一内部圆柱形空间，其中放置了两圈石英包层毛细管2，这些毛细管是围绕放置在中心的实心石英芯4同心设置的。在所示的例子中，外套1的内部空间额外地套装一个耐热玻璃管3。包括在图中顶部的尺寸是以毫米为单位的示范性予制件的尺寸，而在图中底部的尺寸是以微米为单位的目标光纤的尺寸。使用厚壁外套具有这样的优点，它允许所需毛细管的数量可大幅度减少。

厚壁外套的方法已被其它集团论证。但是，至少根据本发明人的经验，它已被证明，当使用这样的厚壁外套结构时在制造过程中的光纤拉制阶段，要可靠地并且可控地保持小孔特点是很难的。据信，这个问题可归因于在厚壁结构中相对较小的空气与玻璃之比，以及在光纤拉制过程中当予制件在拉制塔炉中熔融时外套玻璃的相对较大的热质量(thermal mass)。

因此，本发明的目的是提供一种用于制造具有相对较小特征尺寸的带孔光纤的改进方法。

发明概述

按照本发明的第一方面，提供一种光纤结构，它包括安排在一带孔的外部支持结构中的带孔光纤。

该带孔的外部支持结构优选具有比该带孔光纤至少大5或10倍的横向特征尺寸。

该带孔光纤可以有一由带孔的包层所围绕的实心或空心的芯，该包层可以包含多个空腔，它们安排在多个同心地围绕芯的圆环例如2-6或更多个圆环中。

该带孔的外部支持结构方便地是由管状结构的安排构成的，每一管状结构大体上和带孔光纤有相同的横向尺寸。该横向尺寸优选是该带孔光纤横向尺寸的五分之一到5倍之间，最好是该带孔光纤横向尺寸的一半到两倍之间。该带孔的外部支持结构可以方便地另外包含一个围绕该管状结构的外套。

实施本发明的光纤结构拥有一微结构的横截面，其中在带孔光纤本身中的微结构是在该带孔光纤所引导的光的波长的量级上，但是在支持该带孔光纤的外部带孔结构内是在明显地更粗大的量级上(例如波长的5倍、10倍或更大的倍数)。

利用本发明可以使用已有的光纤制造技术较为方便地生产耐用的、带涂层和外套且带有微结构芯特征的光纤。

按照本发明的第二方面，提供一种光纤予制件，其包括：(a)一芯棒；(b)围绕该芯棒安排的多个包层毛细管；(c)含有包层毛细管的内套(an inner jacket)；以及(d)围绕该内套安排的多个支持毛细管。该予制件还可包括含有支持毛细管的外套(an outer jacket)。

按照本发明的第三方面，提供一种制造带孔光纤予制件的方法，其包括：(a)将一芯棒和多根包层毛细管安排在第一包套(a first jacket)内；(b)将第一包套和多根支持毛细管安排在第二包套(a second jacket)内以形成一管形组件；以及(c)缩小该管形组件以成为予制件。该支持毛细管可以安排在外部包套内。

按照本发明的第四方面，提供一种制造带孔光纤的方法，包括：(a)按照第三方面的方法制造带孔光纤的予制件；以及(b)由该予制件拉制光纤。该支持毛细管可以安排在外部包套内。

按照本发明的第五方面，提供一种沿着带孔光纤结构引导光的方法，该结构包括安排在一带孔的外部支持结构中的带孔光纤，该光具有通过带孔光纤跨越横截平面的模式场，其中该模式场被主要限制在该带孔光纤内。换句话说，该结构是这样设计的，即该带孔的外部支持结构并不以任何明显方式对包含在其中的带孔光纤的光导性质起作用。优选地是，该模式场延伸到带孔光纤之外而进入带孔外部支持结构的功率要小于光功率的10％、5％、2％、1％、0.5％及0.01％之一。

附图简介

为了更好地理解本发明和表明它怎样才能实现，现在将参考作为实例的附图，其中：

图1A是一实心芯的带孔光纤的示意截面；

图1B是空心芯的带孔光纤的示意截面；

图2是按照现有技术方法的带孔光纤予制件的示意图；

图3是按照本发明实施例的带孔光纤予制件的端视图；

图4是按照本发明一实例的带孔光纤结构的横截面；

图5是图4带孔光纤结构的带孔光纤区域的扩大视图；以及

图6是按照本发明另一实例的带孔光纤结构的带孔光纤区域的横截面。

详细说明

为了避免在相对较细的微结构内料(inner cane)上施加一较厚壁且有较大热质量的包套所遇到的问题，在下面所述的实施例中采用了一种途径，它可以看成是将图2中现有技术途径的厚壁外套用一外部薄壁包套和一内部较大毛细管的堆的组合所取代。于是，含有芯和带孔包层的微结构内料被较大尺寸的毛细管所支持。

图3是按照这一途径的带孔光纤予制件的端视图。该予制件包括一内料14，它含有在光纤拉制后将形成带孔光纤的元件。中心区域包括一由多个安排在芯棒周围的小毛细管所环绕的实心芯棒，它们最终会形成光纤的带孔的包层，不过从这个图中并不能清楚地显示。实心芯棒和毛细管被包容在一内套中，该内套形成该内料的外表面。这些小的包层毛细管被安排在同心环绕该芯棒的一个或多个圆环中。对于大多数带孔光纤的应用通常至少需要两圈包层毛细管。实际上，二是一个优选的圈数，因为它代表为在许多应用中提供所需光学性质的最小的圆环数。圆环数可以更多，例如三、四、五、六或更多，但是应该记住，很大数量的毛细管会出现制造上的困难，如在涉及已有技术在上面所叙述的那样。

内料14是由安排在内料周围的多根较大尺寸的支持毛细管12所支持的。支持毛细管被包容在较细的外套10中。在另一实施例中可以取消外套而将支持毛细管在拉伸之前在顶上和底下融合在一起以便将它们保持在一起。如在图上所见到的，支持毛细管的外径大体上和内料14的外径相同，使得内料和支持毛细管能够安排在六边形紧密包封的阵列中。更为广泛的是，使支持毛细管的横向尺寸和内料具有相同的数量级是方便的。优选地是使支持毛细管的横向尺寸为内料横向尺寸的五分之一到五倍之间，尤其是在内套的一半到两倍之间。

毛细管可以用多种方法制造。一般情况下毛细管的开始点是大尺寸的管。大尺寸的管可以由以下方法制造：挤压，铣和钻，抛光，冲孔，自旋/旋转铸造，其它铸造法(例如嵌入铸造)，模压，直接粘接等等。然后使用光纤拉制塔将此管封装(can down)到予制件组件所需的尺寸。

在这一予制件设计中，与已有技术中所用的厚壁外套相比，用于形成(buk out)带孔光纤中心区域的支持结构的热质量可明显地减少。因此这样就比较容易地拉伸予制件并在中心带孔光纤区域的附近保持所需的微结构形式。

然后该完成的予制件已准备好用于光纤拉伸的下一主要阶段。为了拉伸，予制件放置在光纤拉伸塔中。光纤的拉伸是通过对石英或别的玻璃进行受控的加热及/或冷却使其粘度处于约10⁶泊的范围内。当光纤被拉伸时监控它的直径和张力是有用的，并将这样所获取的数据用于自动反馈环内以控制予制件的馈送速度、光纤拉伸速度及/或其它与炉子有关的参数，以便产生均匀的光纤直径。

用于将予制件拉制成光纤形式所使用的拉伸塔的主要部件是热源，它可以是石墨电阻加热器或射频(RF)炉。

控制光纤拉伸温度因而也就是玻璃的粘度是关键的，以便满足两项判据。首先，光纤拉伸温度必须使玻璃软化以提供一种粘度，此时玻璃能够变形并拉制成纤维而不会形成结晶。第二，玻璃的软化必须不是这样的剧烈，以致关键的内部结构即小孔将塌陷并熔融在一起。在炉子的热区的上面和下面要提供冷却。冷却使在热区以外的玻璃保持在它的结晶温度之下。

图4是按照本发明一实例的带孔光纤结构的横截面，它由通常在图3中所显示的那种予制件拉伸而成。

很明显，该予制件的基本结构在拉伸的带孔光纤结构中被保存下来。这就是说，所拉伸的带孔光纤结构包括安排在一带孔外部支持结构中的带孔光纤20。此带孔的外部支持结构包括由外径大体上等于250微米的较为薄壁的外套24所横向包围的管形结构22这样一种安排。外部的尺寸优选至少为80微米。外部尺寸的优选范围是80微米到1-5mm之间。带孔光纤在结构中心的内部结构在图4中刚刚能看见，但在图5的放大视图中可以更清楚地看到。

图5是图4所示带孔光纤结构中心区域的放大视图。此带孔光纤包括一实心芯32，它被包层30所围绕，且包层30包括大体上环绕该芯同心安排的一些孔环。应该理解由于拉伸过程的实际情况这些孔不会形成环绕该芯的完美的圆。所以同心这个词在本文件中不应以任何几何上的严密性来理解。包层则又被予制件的外套的剩余物28所围绕。在本发明的其它实施例中，芯可以是空心而非实心的，例如用于光子晶体光纤(photonic crystal fibre)。

和图5的带孔光纤一样，已经拉制了不同尺寸的一系列其它类似的毛细管支持的带孔光纤。作为对比，本发明人想要按照参考图2在上面所叙述的已有技术途径来生产具有较厚外套的光纤的企图则趋向于导致芯失去结构整体性的结果。

在带孔光纤为一方和支持管子为另一方之间的侧向特征尺寸的巨大变化是很明显的。支持毛细管的外径优选地至少要比带孔光纤20的外径大5或10倍。

在图4中可以看出，带孔光纤20的外径比支持毛细管22的外径略小一些。通常这两个横向尺寸是可比的。具体说，优选的是，管形支持结构22的横向尺寸是带孔光纤横向尺寸的五分之一到五倍之间，尤其是带孔光纤的一半到两倍之间。

图6是按照本发明的另一带孔光纤结构的中心区域的横截面。在这一例子中，在予制件中使用了大量的包层毛细管来形成包层中大量的总体上是同心的许多孔的环。图6例子的其它方面可从前面的说明来理解。

虽然在上述各例中使用管子作为带孔光纤予制件的基础，但应理解，其它形状也可用在带孔支持结构或该结构的带孔包层部分中。只要带孔的外部支持结构和带孔的包层有足够数量的间隙或空腔以提供所需性质就够了。还应该理解，在支持结构中有孔的安排对光纤的光学性质通常没有什么影响，因为光纤的波导模式在带孔包层以外通常没有明显的功率。可以使用周期性的或非周期性的安排。还应该理解，包层中的孔洞并不一定要周期性的，除非光纤要具有光子晶体效应的。

按照本发明的带孔光纤结构在许多原先提议对带孔光纤感兴趣的领域可以找到应用。

一种应用是传感，曾经建议，在光纤的空腔中存在一种流体，即气体或液体。于是，流体的性质可根据它对该光学模式部分的效应而被感知，该光学模式部分通常是瞬时波部分，这种波在带孔的包层区内传播。

另一种建议的对带孔光纤的应用是低损耗电信光纤。由于相对光纤的玻璃区域而言与孔相关的损耗较小，故在带孔光纤中的传播损耗得以降低。更为基本的是，带光子带隙的带孔光纤可以通过光子晶体效应来降低损耗。

某些特定的感兴趣的应用是：

1)传送高功率光束(低光学非线性光纤)；

2)传输系统用的低损耗光纤；

3)光学传感器(气体检测，液体组成，医药)；

4)原子光学；

5)微粒子的光学处理；

6)粒子分离(通过质量，感应的可极化性，电偶极子矩)；

7)喇曼激光；

8)非线性光学器件；

9)激光器对特定的气体吸收谱线的核对位置(referencing)；

10)计量学；以及

11)传输系统中的色射补偿(实施本发明的带孔光纤结构可以做成呈现高色散)。

参考文献

1.T A Birks et al：Electrolnic Letters，Vol.31，pages 1941-1943(1995)

2.US 5,802,236：DiGiovanni et al：Lucent Technologies Inc.

3.P J Bennett et al：Optics Letters，vol.24，pages 1203-1205(1999)

4.P J Bennett et al：CLEO’99，CWF64，page 293

Claims (24)

1.一种光纤结构，包括安排在一带孔的外部支持结构中的带孔光纤。

2.按照权利要求1的光纤结构，其中该带孔的外部支持结构具有比带孔光纤的横向特征尺寸大至少五倍的横向特征尺寸。

3.按照权利要求1的光纤结构，其中该带孔的外部支持结构具有比带孔光纤的横向特征尺寸大至少十倍的横向特征尺寸。

4.按照前述任一权利要求的光纤结构，其中该带孔光纤包括一实心或空心芯，它由一带孔的包层环绕。

5.按照权利要求4的光纤结构，其中该带孔的包层包括多个空腔，它们被安排在围绕该芯同心的多个圆环中。

6.按照权利要求5的光纤结构，其中圆环的数量为2。

7.按照权利要求5的光纤结构，其中圆环的数量为3、4、5或6。

8.按照前述任一权利要求的光纤结构，其中该带孔光纤包含在一管状结构中，且其中带孔的外部支持结构包括环绕该管状结构安排的多个管状结构。

9.按照权利要求8的光纤结构，其中该管状结构具有的横向尺寸是带孔光纤横向尺寸的五分之一到五倍之间。

10.按照权利要求8的光纤结构，其中该管状结构具有的横向尺寸是带孔光纤横向尺寸的一半到两倍之间。

11.按照前述任一权利要求的光纤结构，其中该带孔的外部支持结构还包括一围绕该管状结构安排的外套。

12.一种光纤予制件，包括：

(a)一芯棒；

(b)环绕该芯棒安排的多根包层毛细管；

(c)一含有该包层毛细管的内套；以及

(d)一环绕该内套安排的多根支持毛细管。

13.按照权利要求12的光纤予制件，还包括一含有该支持毛细管的外套。

14.按照权利要求12或13的光纤予制件，其中该支持毛细管具有的横向尺寸为内套的横向尺寸的五分之一到五倍之间。

15.按照权利要求12或13的光纤予制件，其中该支持毛细管具有的横向尺寸为内套的横向尺寸的一半到两倍之间。

16.按照权利要求12到15中任一项的光纤予制件，其中该芯棒是中空的。

17.按照权利要求12到16中任一项的光纤予制件，其中该芯棒是实心的。

18.按照权利要求12到17中任一项的光纤予制件，其中该包层毛细管被安排在多个同心环绕芯棒的圆环中。

19.按照权利要求18的光纤予制件，其中圆环的数量为2。

20.按照权利要求18的光纤予制件，其中圆环的数量为3、4、5或6。

21.一种制造带孔光纤预成形件的方法，包括：

(a)将一芯棒和多个包层毛细管安装在第一包套内；

(b)安排第一包套及多根支持毛细管以形成一管状组件；以及

(c)将该管状组件缩小成予制件。

22.一种制造带孔光纤的方法，包括：

(a)按照权利要求21的方法制造带孔光纤的予制件；以及

(b)由该予制件拉制带孔光纤。

23.按照权利要求21或22的方法，其中该支持毛细管被安排在第二包套内。

24.一种沿着带孔光纤结构导引光的方法，该结构包括安排在一多孔的外部支持结构中的带孔光纤，该光具有跨越穿过带孔光纤横截平面的模式场，其中该模式场被限制在带孔光纤内，使得延伸到带孔光纤以外而进入外部支持结构中的光功率小于10％、5％、2％、1％、0.5％和0.01％之一。

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