CN1573379A - 光子晶体光纤预型件和使用该预型件制造的光子晶体光纤 - Google Patents

光子晶体光纤预型件和使用该预型件制造的光子晶体光纤 Download PDF

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Abstract

一种光子晶体光纤(PCF)预型件，从该预型件可以制成光子晶体光纤，所述预型件包括：杆形基底，多个孔以光晶格结构纵向形成穿过所述基底；多个具有至少两个不同折射率的纵向材料层。所述材料层分别设置在所述孔中。所述光子晶体光纤预型件的折射率分布由所述材料层的设置控制。因此，可以容易地制造具有很低光学损耗、很低光学非线性和很好传输特性的光纤，并且可以获得具有根据所述晶格结构而不同的各种特性的光纤。

Description

光子晶体光纤预型件和使用该预型件制造的光子晶体光纤
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤(PCF)预型件和使用该预型件制造的光子晶体光纤。
背景技术
光子晶体光纤是一种特殊的光纤。普通单模光纤由芯线材料制成，所述芯线材料包括玻璃和锗或者磷。另一方面，光子晶体光纤由单一、固体和大体透明的材料1(例如石英玻璃)和沿所述光纤周期性间隔的气孔2制成，如图1所示。石英玻璃材料1与周期性间隔的气孔2之间的介电常数差异形成光子带隙(photonic band gap)，所述光子带隙与半导体的光子带隙一样用于阻止光线沿特定方向移动。换言之，只有当光线满足其能够通过的条件时，光线才能通过光子带隙。
光子晶体光纤具有许多重要的技术特性。例如，光子晶体光纤可以在很宽范围的波长上支持单模，并且能够提供大的模式区域。因此，光子晶体光纤能够在1.55m的电信波长中传输强光能并提供强相位分散。另外，光子晶体光纤越来越多地用作控制非线性或偏振的器件。根据光子晶体光纤的这些功能的最近的报告，人们预期在不久的将来将广泛地应用在光纤通信和与光纤通信相关的行业中。
光子晶体光纤必须从光子晶体光纤预型件制造，所述预型件被拉制成具有有效长的长度并保持其原始形状的光子晶体光纤。通常，光子晶体光纤预型件可以具有图2a和图3a示意性地示出的形状。
图2a所示光子晶体光纤预型件由圆形石英玻璃杆10和多个圆形气孔11制成，气孔11以光晶格结构纵向形成穿过圆形石英玻璃杆10。具有上述结构的光子晶体光纤预型件的折射率如图2b所示分布。
但是，传统的光晶格结构限制了光子晶体光纤预型件的设计。另外，所述气孔在被拉入所需光子晶体光纤时会发生变形。结果，所述光子晶体光纤不能根据最初希望的设计进行制造。并且，构成光子晶体光纤的芯线的材料在其特性上受到限制。
发明内容
本发明着眼于上述问题而提出，其在一个方面上提供了一种光子晶体光纤预型件以及使用该预型件制造的光子晶体光纤，所述预型件易于制造并容易实现光纤设计。
另一个方面，本发明提供了一种光子晶体光纤预型件以及使用该预型件制造的光子晶体光纤，该预型件能够在很宽范围的波长上支持单模，并且能够通过其晶格结构的简单设计而改善其传输模式和其损耗特性。
另一个方面，本发明实现为一种光子晶体光纤预型件，其包括：杆形基底，多个孔以光晶格结构纵向形成穿过所述基底；多个具有至少两个不同折射率的纵向材料件或材料“层”。所述材料层设置在所述孔中，其中所述光子晶体光纤预型件的折射率分布受到材料层设置的控制。
每个材料层优选形成为杆形，并且所述杆插入相应的孔中。
更优选地，所述材料层的折射率从预型件的中心至预型件的外围逐渐地单调减小。
根据本发明的另外方面，光子晶体光纤预型件包括：圆柱形基底；以及多个具有至少两个不同折射率的材料层。所述多个材料层以光晶格结构设置在圆柱形基底中。光子晶体光纤预型件的折射率分布受到所述材料层设置的控制。
优选地，每个所述材料层形成为圆柱形，其具有比圆柱形基底小的直径。
根据本发明的另外方面，光子晶体光纤预型件包括：外部圆柱形基底，第一孔纵向形成穿过所述外部圆柱形基底；和装配在所述外部圆柱形基底中的内部杆形基底。所述内部杆形基底具有纵向形成穿过其中的第二孔，所述第一孔和第二孔以光晶格结构设置。所述预型件的特征在于还具有至少两个不同折射率的材料层，所述材料层设置在第一和第二孔中。光子晶体光纤预型件的折射率分布受到所述材料层设置的控制。
在本发明的再一方面中，光子晶体光纤包括：杆形基底，孔以光晶格结构纵向形成穿过所述基底；和具有至少两个不同折射率的材料层。所述材料层分别填充在所述孔中。光子晶体光纤的折射率分布受到所述材料层设置的控制。
附图说明
下面通过参附图详细描述优选实施例，本发明的上述方面和其它特性将变得更加明显，附图中相同附图标记代表相同元件。
图1是普通光子晶体光纤的截面示意图；
图2a是传统光子晶体光纤预型件的截面图，图2b是说明了图2a所示传统光子晶体光纤预型件的折射率分布的曲线图；
图3是根据本发明第一优选实施例的光子晶体光纤预型件的截面图；
图4是说明沿图3的A-A′线的光子晶体光纤预型件折射率分布的曲线图；
图5是根据本发明第二优选实施例的光子晶体光纤预型件的透视图；
图6是根据本发明第三优选实施例的光子晶体光纤预型件的截面图；
图7是说明沿图6的B-B′线的光子晶体光纤预型件折射率分布的曲线。
具体实施方式
以下将参照附图详细说明本发明的优选实施例。为了清楚和简洁起见，文中包含的已知功能和结构的详细说明将予以省略。
图3通过说明性和非限制性实例用截面图说明了根据本发明第一优选实施例的光子晶体光纤预型件100。
光子晶体光纤预型件100由杆形基底110制成，多个孔以光晶格结构纵向形成穿过基底110。每个所述孔具有圆形截面，并且每个孔的直径小于杆形基底110的直径。所述孔均匀地相互分开以形成六边形图案，并且分别充满具有至少两种不同折射率的材料120、130和140。光子晶体光纤预型件100的折射率分布由填充在以光晶格结构设置的孔中材料的折射率确定。
在本发明的这个实施例中，杆形基底110由纯二氧化硅制成，并且所述孔充满材料120、130和140，材料120、130和140对于纯二氧化硅分别具有-1％、0.3％和1％的相对折射率。
图4说明了沿图3的A-A′线的根据本发明第一优选实施例的光子晶体光纤预型件折射率分布的曲线图。图4的水平轴表示光子晶体光纤预型件的半径，图4的垂直轴表示光子晶体光纤预型件的折射率。填充在孔中的纵向材料件或者材料层按照这种方式设置，即折射率从光子晶体光纤预型件的中心向光子晶体光纤预型件的外围逐渐单调减小。对应地，光子晶体光纤预型件的折射率也从光子晶体光纤预型件的中心向光子晶体光纤预型件的外围逐渐单调减小，如图4所示。然而需要指出，当填充在孔中的材料层按照这种方式设置，即折射率从光子晶体光纤预型件的中心向光子晶体光纤预型件的外围逐渐单调增加时，光子晶体光纤预型件的折射率也可以从光子晶体光纤预型件的中心向光子晶体光纤预型件的外围逐渐单调增加。另外，可以按照这种方式控制光子晶体光纤预型件的折射率，即通过设置填充在孔中的材料层的折射率单调增加随后单调减少，反之亦然，以控制光子晶体光纤预型件的折射率单调增加随后单调减少，反之亦然。
图5是根据本发明第二优选实施例的光子晶体光纤预型件200的透视图。光子晶体光纤预型件200由杆形基底210制成，多个孔以光晶格结构纵向形成穿过基底210，并且具有多个杆220、230和240，构成杆220、230和240的材料分别具有至少两个不同折射率。杆220、230和240分别插入至所述孔中。光子晶体光纤预型件200的折射率分布由插入杆形基底210的孔中的杆220、230和240的折射率确定。
根据本发明的第三实施例，图6以截面图形式显示的光子晶体光纤预型件300的特征是具有不同折射率的两个基底。特别地，光子晶体光纤预型件300包括：外部圆柱形基底310，基底310具有对于纯二氧化硅需求百分比的相对折射率；和装配在外部圆柱形基底310中的内部杆形基底320。内部杆形基底320由纯二氧化硅制成。
外部圆柱形基底310具有纵向形成穿过其中的孔，每个所述孔具有圆形横截面。类似地，每个内部杆形基底320中的孔也具有圆形横截面。在基底310、320的孔中都插入了具有至少两种不同折射率的杆311、321、322或具有至少两种不同折射率的材料，两种孔都以光晶格结构设置。光子晶体光纤预型件300的折射率分布由外部基底310的折射率和形成在外部基底310、内部基底320中的杆311、321、322的折射率的结合确定。
外部圆柱形基底310由对于纯二氧化硅具有0.5％的相对折射率的材料制成，并且外部圆柱形基底310的孔充满对于纯二氧化硅具有1.5％的相对折射率的材料311。内部杆形基底320由纯二氧化硅制成，内部杆形基底320的孔填充有分别对于纯二氧化硅具有-0.5％的相对折射率的材料321和对于纯二氧化硅具有1％的相对折射率的材料322。
图7说明了沿图6的B-B′线的根据本发明第三实施例的光子晶体光纤预型件折射率分布。图7的水平轴表示光子晶体光纤预型件的半径，图7的垂直轴表示光子晶体光纤预型件的折射率。从图7中可以看出，光子晶体光纤预型件的折射率分布由形成在内部和外部基底中的孔中填充的材料的折射率确定。
由具有根据本发明第一至第三实施例的上述结构的光子晶体光纤预型件制造出的光子晶体光纤基本上具有与相应光子晶体光纤预型件相同的结构。将光子晶体光纤预型件拉制成所需光子晶体光纤的方法是众所周知的，因此省略相关说明。
从上所述，本发明提供了一种光子晶体光纤预型件，其包括具有至少两种不同折射率并以光晶格结构设置的材料层，其中光子晶体光纤预型件的折射率分布由所述材料层的设置控制。本发明还提供了一种由所述光子晶体光纤预型件制造的光子晶体光纤。因此，可以容易地制造具有很低光学损耗、很低光学非线性和很好传输特性的光纤，并且可以获得具有根据所述晶格结构而不同的各种特性的光纤。
尽管上面为了示例和说明的目的描述了优选实施例，但不应当认为本发明限于上述说明，而是应当认为本发明包括任何修改、变化和替换并且本发明仅仅由权利要求限定。

Claims (37)

1.一种光子晶体光纤预型件，包括：
杆形基底，多个孔以光晶格结构纵向形成穿过所述基底；
多个具有至少两个不同折射率的纵向材料件，所述材料件设置在所述孔中，
其中所述光子晶体光纤预型件的折射率分布由所述材料件的设置控制。
2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤预型件，其特征在于，所述材料件形成为杆形，所述杆插入相应的孔中。
3.根据权利要求1所述的光子晶体光纤预型件，其特征在于，每个所述孔和材料件形成为圆柱形，所述材料件插入相应的孔中。
4.根据权利要求1所述的光子晶体光纤预型件，其特征在于，所述材料件的折射率从所述预型件的中心至所述预型件的外围单调减小。
5.根据权利要求1所述的光子晶体光纤预型件，其特征在于，所述材料件的折射率从所述预型件的中心至所述预型件的外围单调增加。
6.根据权利要求1所述的光子晶体光纤预型件，其特征在于，所述材料件的折射率从所述预型件的中心至所述预型件的外围单调减小随后单调增加，或者单调增加随后单调减小。
7.根据权利要求1所述的光子晶体光纤预型件，其特征在于，所述基底由含有纯二氧化硅的材料制成。
8.根据权利要求1所述的光子晶体光纤预型件，其特征在于，所述基底由含有二氧化硅和具有预定折射率的掺杂质的材料制成。
9.根据权利要求7所述的光子晶体光纤预型件，其特征在于，每个材料件对于纯二氧化硅的相对折射率是预定百分数。
10.一种光子晶体光纤预型件，包括：
圆柱形基底；和
多个具有至少两个不同折射率的纵向材料件，所述材料件以光晶格结构设置在所述圆柱形基底中，
其中所述光子晶体光纤预型件的折射率分布由所述材料件的设置控制。
11.根据权利要求10所述的光子晶体光纤预型件，其特征在于，每个所述材料件形成为杆形。
12.根据权利要求10所述的光子晶体光纤预型件，其特征在于，每个所述材料件形成为圆柱形，所述圆柱的直径比圆柱形基底的直径小。
13.根据权利要求10所述的光子晶体光纤预型件，其特征在于，所述材料件的折射率从所述预型件的中心至所述预型件的外围单调减小。
14.根据权利要求10所述的光子晶体光纤预型件，其特征在于，所述材料件的折射率从所述预型件的中心至所述预型件的外围单调增加。
15.根据权利要求10所述的光子晶体光纤预型件，其特征在于，所述材料件的折射率从所述预型件的中心至所述预型件的外围单调减小随后单调增加，或者单调增加随后单调减小。
16.一种光子晶体光纤预型件，包括：
外部圆柱形基底，多个第一孔纵向形成穿过所述外部圆柱形基底；
装配在所述外部圆柱形基底中的内部杆形基底，所述内部杆形基底具有多个纵向形成穿过其中的第二孔，所述第一孔和第二孔以光晶格结构设置；和
具有至少两个不同折射率的多个纵向材料件，所述材料件设置在第一和第二孔中，
其中所述光子晶体光纤预型件的折射率分布由所述材料件的设置控制。
17.根据权利要求16所述的光子晶体光纤预型件，其特征在于，每个所述材料件形成为杆形。
18.根据权利要求16所述的光子晶体光纤预型件，其特征在于，每个所述材料件形成为杆形，所述杆插入相应的孔中。
19.根据权利要求16所述的光子晶体光纤预型件，其特征在于，其中每个所述基底具有各自的直径，并且每个所述材料件形成为圆柱形，所述圆柱如果放置在内部基底中，则圆柱的直径小于内部基底的直径，否则圆柱的直径小于外部基底直径减去内部基底直径。
20.一种光子晶体光纤，包括：
杆形基底，多个孔以光晶格结构纵向形成穿过所述杆形基底；和
具有至少两个不同折射率的多个材料件，所述材料件填充在所述孔中，
其中所述光子晶体光纤预型件的折射率分布由所述材料件的设置控制。
21.根据权利要求20所述的光纤，其特征在于，每个所述材料件形成为杆形。
22.根据权利要求20所述的光纤，其特征在于，每个所述材料件形成为圆柱形。
23.根据权利要求20所述的光纤，其特征在于，所述材料件的折射率从所述预型件的中心至所述预型件的外围单调减小。
24.根据权利要求20所述的光纤，其特征在于，所述材料件的折射率从所述预型件的中心至所述预型件的外围单调增加。
25.根据权利要求20所述的光纤，其特征在于，所述材料件的折射率从所述预型件的中心至所述预型件的外围单调减小随后单调增加，或者单调增加随后单调减小。
26.根据权利要求20所述的光纤，其特征在于，所述基底由含有纯二氧化硅的材料制成。
27.根据权利要求20所述的光纤，其特征在于，所述基底由含有二氧化硅和具有预定折射率的掺杂质的材料制成。
28.根据权利要求26所述的光纤，其特征在于，每个材料件对于纯二氧化硅的相对折射率是预定百分数。
29.一种光子晶体光纤，包括：
圆柱形基底；和
具有至少两个不同折射率的多个纵向材料件，所述材料件以光晶格结构设置在圆柱形基底中，
其中所述光子晶体光纤预型件的折射率分布由所述材料件的设置控制。
30.根据权利要求29所述的光纤，其特征在于，每个所述材料件形成为杆形。
31.根据权利要求29所述的光纤，其特征在于，每个所述材料件形成为圆柱形，所述圆柱的直径比圆柱形基底的直径小。
32.根据权利要求29所述的光纤，其特征在于，所述材料件的折射率从所述预型件的中心至所述预型件的外围单调减小。
33.根据权利要求29所述的光纤，其特征在于，所述材料件的折射率从所述预型件的中心至所述预型件的外围单调增加。
34.根据权利要求29所述的光纤，其特征在于，所述材料件的折射率从所述预型件的中心至所述预型件的外围单调减小随后单调增加，或者单调增加随后单调减小。
35.一种光子晶体光纤，包括：
外部圆柱形基底，多个第一孔纵向形成穿过所述外部圆柱形基底；
装配在所述外部圆柱形基底中的内部杆形基底，所述内部杆形基底具有多个纵向形成穿过其中的第二孔，所述第一孔和第二孔以光晶格结构设置；和
具有至少两个不同折射率的多个纵向材料件，所述材料件设置在第一和第二孔中，
其中所述光子晶体光纤预型件的折射率分布由所述材料件的设置控制。
36.根据权利要求35所述的光纤，其特征在于，每个所述材料件形成为杆形。
37.根据权利要求35所述的光纤，其特征在于，其中每个所述基底具有各自的直径，并且每个所述材料件形成为圆柱形，所述圆柱如果放置在内部基底中，则圆柱的直径小于内部基底的直径，否则圆柱的直径小于外部基底直径减去内部基底直径。
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