TW201901206A - 空芯光子晶體光纖及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一空芯光子晶體光纖(HC-PCF)(10)，用於沿著該空芯光子晶體光纖 (10)的一模式導引區段(11)導引一光場(1)的至少一模式，其包括一外夾套(12)、一內包層(13)以及一中空芯材(14)，該等元件沿著該空芯光子晶體光纖 (10)延伸，其中，該內包層(13)係排列於該外夾套(12)的一內表面且包括圍繞該中空芯材(14)的抗共振結構(15)，且該中空芯材(14)具有一模式導引芯材直徑(d)，沿著該空芯光子晶體光纖 (10)的該模式導引區段被提供，且其中該空芯光子晶體光纖 (10)的至少一光纖末端(16)具有一光場耦合區段(17)，其中該中空芯材(14)沿著一軸向耦合區段長度呈錐拔狀，自在該至少一光纖末端(16)的光纖末端芯材直徑(D)到該模式導引芯材直徑(d)。而且，使用及製造該空芯光子晶體光纖的方法被記載。
Description
本發明係有關於一種空芯光子晶體光纖(hollow-core photonic crystal fiber (HC-PCF))，特別是有關於一種無頻隙式的空芯光子晶體光纖(或空芯抗共振反射光纖，HC-AF)，特別是具有一軸向中空芯材及一內包層區域的空芯光子晶體光纖，該內包層區域包括圍繞該核芯的抗共振結構的排列，且該空芯光子晶體光纖用於導引一光場的至少一種模式。而且，本發明有關於使用該空芯光子晶體光纖及製造該空芯光子晶體光纖的方法。本發明可應用於例如光學量測、光譜、科學研究及光導引的技術領域。
在本說明書中，以下的先前技術被參考以表示本發明的技術背景。
[1] P. Uebel et al. in "Opt. Lett." 41, 1961-1964 (2016)；
[2] F. Benabid et al. in "Science" 298, 399-402 (2002)；
[3] WO 2015/185761 A1；
[4] P. St. J. Russell et al. in "Nature Photonics" 8, 278-286 (2014)；以及
[5] EP 1 153 324 B2。
被填充氣體的空芯光子晶體光纖是一種技術平台，其用於在例如量測及光譜上具有應用潛力的新一代的高亮度光源。圖8(先前技術)示意地表示了這一種基於在一填充氣體的空芯光子晶體光纖10’中的非線性光學的光源100’。該空芯光子晶體光纖10’包括一外夾套12’、一內包層13’以及一中空芯材14’(參閱位於圖8頂部的空芯光子晶體光纖10’的縱長剖面)。該內包層13’包括抗共振結構15’，如沿著空芯光子晶體光纖10’軸向延伸的管狀毛細管的單環狀排列且圍繞中空芯材14’，如圖9(先前技術)的截面掃描電子顯微 (SEM) 影像及例如參考文獻[1]所揭露者。其他的光纖結構可能是更複雜，例如籠紋形態或鳥巢結構(參考文獻[2]、[3])。
來自泵源20’的一脈衝光場1’係在入耦合端(incoupling end)被發射而進入空芯光子晶體光纖10’的中空芯材14’且激發出橫向震盪模式，該橫向震盪模式被朝向出耦合端(outcoupling end)導引。該空芯光子晶體光纖10’被放置於一氣體單元30’， 氣體單元30’提供了一個在典型的壓力達到數十巴的被控制的氣體環境(例如鈍氣或拉曼活性氣體)且具有用來傳送光線的透明視窗31’。在空芯光子晶體光纖10’的波導散射以及氣體的非線性之間的交互作用導致脈衝光場1’的巨大改變，其包括例如脈衝壓縮及頻譜增寬(參考文獻[4])及/或其他的光學非線性效果。
當圖8的光源100’的操作已經在實驗中被證實時 ，以下的整體性缺點被發現。發明人所作的壽命測試顯示在幫浦劑量已經來到數十瓦小時的曝光時，平均輸出功率大幅地下降，相當地限制了以空芯光子晶體光纖為基礎的光源100’在實際的應用。更進一步的缺點是在開始進行空芯光子晶體光纖10’的非線性操作時，此習知的空芯光子晶體光纖可能具有被限制的發射效率。
本發明的目的在於提供一種改良的空芯光子晶體光纖及其製造方法，其可避免習知技術的缺點。特別是，空芯光子晶體光纖適用於線性或非線性操作，且具有壽命增加及/或光功率增加及/或發射效率改善的優點。而且，該空芯光子晶體光纖將以不複雜的製程被製造。
這些目的係對應地被分別包含獨立請求項所載的特徵的空芯光子晶體光纖及其製造方法來達成，本發明的較佳實施例及應用則載於附屬請求項中。
根據本發明的一第一共通概念，上述目的係由一空芯光子晶體光纖達成，空芯光子晶體光纖包括一外夾套、一內包層以及一中空芯材，其沿著空芯光子晶體光纖的軸向長度延伸。由內包層圍繞的中空芯材提供了空芯光子晶體光纖的模式導引區段，用來導引至少一在入耦合端耦合至空芯光子晶體光纖的光場(泵場)的模式，例如，基本橫向傳遞模式。該外夾套係由固體材料製成，且該內包層是由該外夾套的內表面支持。該內包層包括抗共振結構，其沿著空芯光子晶體光纖的軸向長度延伸且限制該中空芯材。沿著空芯光子晶體光纖的模式導引區段，該中空芯材具有一模式導引芯材直徑(d)。該模式導引芯直徑是所述的中空芯材內間隙的圓形截面直徑，據此，該模式導引區段適配於導引一具有某個中央波長的光場，即該光場的該中央波長與對應的聚焦特性具有交互關係，特別是模式導引芯材直徑。
根據本發明，空芯光子晶體光纖的至少一光纖端具有一光場耦合區段，在該光場耦合區段中，該中空芯材呈錐拔狀，該錐拔狀係沿著軸向耦合區段長度從在該至少一光纖端芯材直徑(D)漸減至模式導引芯材直徑(d)。該光纖端芯材直徑是在光纖端開口的該中空芯材的內部間隙的截面尺寸，且其大於模式導引芯材直徑。
發明人發現習知的空芯光子晶體光纖在輸出功率的損耗是光纖輸入面(光纖端的開口) 劣化的結果，特別是當使用高功率泵場時。習知的空芯光子晶體光纖的橫向結構典型上沿著光纖長度是不變的。在以泵能量(例如數瓦小時)做低度曝光的非線性實驗的過程中，輸入側的結構是保持不變的，即沒有顯著的差異可以在掃描電子顯微影像中被觀察到。然而，發明人所做的壽命測試顯現出在泵劑量已經達到數十瓦小時的曝光量時，光纖輸入面的強烈劣化。劣化限制了光場的耦合效率，使得空芯光子晶體光纖的輸出功率也因而被限制。該輸入面的劣化是肇因於在玻璃-氣體邊界的場增強(field enhancement)以及由泵場與習知的空芯光子晶體光纖的內包層強烈且瞬間的重疊所導致的電漿基底的侵蝕。
相反地，在本發明的空芯光子晶體光纖的至少一光纖端的該光場耦合區段提供了與習知的空芯光子晶體光纖相比的另一種結構，習知的空芯光子晶體光纖被製造成在光纖端具有定值的內直徑。本發明的空芯光子晶體光纖，從泵場與例如以玻璃製成的內包層之間在光纖端的零或可忽略的場重疊到在模式導引區段的模式重疊產生平順的轉換，其導致被降低的場增強以及被抑制的以電漿為基礎的侵蝕。零或可忽略的場重疊意味著達到內包層的泵場部分的強度是零或低於造成內包層被侵蝕的臨界強度。有利的是，本發明的空芯光子晶體光纖並沒有被觀察到有劣化的情況，即使在泵劑量高於1000瓦小時，且空芯光子晶體光纖的壽命因而增加。除了壽命增加，發射效率與習知的空芯光子晶體光纖相比被發現增加若干百分比。
根據本發明的第二共通概念，該以上的目的係藉由使用根據本發明的該第一概念的空芯光子晶體光纖的方法得以解決。該輸入的光場參數被選出，特別是該強度、中心波長、聚焦幾何特性以及光束直徑，該空芯光子晶體光纖被形成一形狀尺寸使得該空芯光子晶體光纖可以被操作而在至少一光纖端沒有劣化發生。根據一第一應用例(非線性操作)，本發明的空芯光子晶體光纖係用於使一光場用於光學非線性過程，特別是使頻譜加寬及/或脈波壓縮。較佳的是，一用於產生寬頻輸出脈波光源(特別是包含光譜範圍從深紫外光(UV)到近紅外光(IR))被提供，其包括一泵源以及該空芯光子晶體光纖。包括本發明的空芯光子晶體光纖的該光源被認為是本發明的另一獨立的標的。
根據一第二較佳應用例(線性操作)，該空芯光子晶體光纖是用於將光場導引至一應用位置，例如用於材料加工。
根據本發明的第三共通概念，該以上的目的係藉由製造根據本發明的該第一概念的空芯光子晶體光纖的方法得以解決。該製造方法包括該等步驟：提供一空芯光子晶體光纖，其包括該外夾套、該內包層以及該中空芯材，且形成一內夾套，其藉由熱處理形成錐拔狀，用以在至少一光纖端提供該光場耦合區段。有利的是，本發明的空芯光子晶體光纖係藉由局部地加熱光纖至該光纖材料的該軟化溫度而被製造，光纖材料較佳地為玻璃。由於表面張力，該內夾套的結構，例如毛細管，其傾向於崩壞，而較佳地該空芯光子晶體光纖的該外直徑幾乎保持不變。
根據本發明的一較佳實施例，該抗共振結構具有一截面尺寸，該截面尺寸在光場耦合區段從光纖末端開口朝向模式導引區段逐漸增加。有利的是，空芯光子晶體光纖的該實施例在光場耦合區段具有內包層的改良結構，而空芯光子晶體光纖的外直徑沿著光場耦合區段是定值，如此使得外夾套的改變被避免，且例如空芯光子晶體光纖與保持載具的耦合是不受影響。
根據本發明的另一較佳實施例，光場耦合區段的光纖末端核心直徑以及軸向耦合區段長度被選擇，使得用於被聚焦於中空芯材而被空芯光子晶體光纖導引的內包層與光場的場重疊，在光纖末端開口處是被排除或可忽略。有利的是，這提供了在模式導引區段，順利地轉換至內包層與光場的場重疊。較佳的是，一泵源以及一光學設定係建構成用於產生光耦合至空芯光子晶體光纖的模式導引區段的最大耦合效率。
有利的是，光場耦合區段的特徵可藉由至少一參數來表示，該至少一參數包括軸向耦合區段長度以及軸向轉換長度。該軸向耦合區段長度是光場耦合區段的整體長度。該光場耦合區段較佳的是由軸向轉換長度來表示，其為一光纖長度，在該光纖長度上，該光纖核芯直徑尺寸在光場耦合區段從光纖末端芯材直徑(D)降低至(0.5×(D+d))。
軸向轉換長度較佳地具有一下限及/或一上限，該下限至少是模式導引芯材直徑(d)的0.5倍，該上限最多是一轉換尺寸(π(D2
d2
-d4
)0.5
/(4λ))的0.5倍，其中λ是泵光場的中心波長。這些軸向轉換長度的上下限具有優點，從光纖末端芯材直徑到模式導引芯材直徑具有最小化卻有效率的轉換。由於存在該上限，該光場耦合區段特別是與習知的上方錐拔狀的光纖(例如於技術背景[5]所述)，其被設計成用於自由空間光束至導引模式的絕熱轉換。特別是較佳地，該軸向轉換長度是至少10微米且/或至多1000微米。
該軸向耦合區段長度較佳地具有至少是該模式導引芯材直徑(d)的一下限及/或最多是該轉換尺寸(π(D2
d2
-d4
)0.5
/(4λ))的一上限。若光場耦合區段的軸向耦合區段長度是最小20微米及/或最大5000微米，得到對於本發明的實際應用特別優點。
較佳地，該光場耦合區段係建構成使得內包層沒有尖銳(階梯或葉片形狀)的邊緣被曝露於該輸入泵場中。有利的是，在內包層的邊緣的場增強被避免。然而，不需要移除該抗共振結構的任何尖銳邊緣，特別是當他們從具有臨界光場強度的區域被移出時。
根據本發明的另一較佳實施例，該內包層延伸至該至少一光纖端的開口。較佳的是，該內包層並未延伸至該至少一光纖端的該開口。有利的是，得到該光場耦合區段的精巧尺寸。另外，該內包層並非延伸至在該至少一光纖末端的該開口。換言之，該內包層可具有從該至少一光纖末端的開口起的軸向距離。有利的是，這使得內包層的厚度在空芯光子晶體光纖內降低至0。
抑制光纖端劣化的優點不只是在空芯光子晶體光纖的入耦合光纖端，也在空芯光子晶體光纖的出耦合端。因此，根據本發明，光場耦合區段可被提供於入耦合光纖端與出耦合光纖端的至少其中之一，例如在兩端都提供。較佳的是，光場耦合區段排除在空芯光子晶體光纖的入耦合端被提供，使得空芯光子晶體光纖的製造得以簡化而有優點。
根據空芯光子晶體光纖製造方法的一較佳變形例，空芯光子晶體光纖的在至少一光纖區段的一段長度被熱處理，該光纖區段位於離該空芯光子晶體光纖的末端有一段距離。由於該熱處理，該內夾套的錐拔係沿著該空芯光子晶體光纖的該段長度被形成。接著，該空芯光子晶體光纖在該至少一被熱處理的光纖區段被切割，例如在該空芯光子晶體光纖的該中心，且藉由自該至少一被熱處理的光纖區段到一預設的光纖長度具有一距離，在該至少一光纖端形成光場耦合區段。藉由在入耦合端較佳地提供光場耦合區段，該入耦合端藉由在轉換區域仔細地被切開以產生高品質的端面。根據空芯光子晶體光纖製造方法的另一變形例，該空芯光子晶體光纖被切割成一預設的光纖長度，且至少切割後的空芯光子晶體光纖的至少一光纖端受到熱處理以在該至少一光纖端形成光場耦合區段。
適當的熱處理條件，可藉由內包層對加熱所產生的熱變形的試驗或數值模擬被發現，例如藉由表面張力。特別是熱處理條件包括處理溫度以及沿著用於形成錐拔狀的處理範圍的溫度分布。
較佳的，該熱處理包含對該空芯光子晶體光纖的至少一光纖區段或至少一光纖端的加熱，例如由雷射輻射、電弧放電、或由外部的電阻加熱器，使得內包層的共振結構被軟化，且光場耦合區段藉由在已軟化的抗共震結構中的表面張力效應所形成。同時對比於該抗共震結構，壁厚因而增加。此外，真空可被施加於該空芯光子晶體光纖，特別是該內包層及該光場耦合區段的抗共震結構係由在已軟化的抗共震結構中的表面張力以及施加真空的複合效果所形成。此外，一內壓力可被施加於該模式導引芯材，使得該光場耦合區段由在已軟化的抗共震結構中的表面張力以及施加壓力的複合效果所形成。
本發明的更詳細的結構以及優點在以下的段落配合所附圖式做說明。
本發明的較佳實施例的特徵在以下的段落中參照在空芯光子晶體光纖的輸入光纖端的光場耦合區段做說明。本發明可對應地以輸出光纖端的光場耦合區段或空芯光子晶體光纖的兩端做補充說明。以一空芯光子晶體光纖為例做說明，其中該內包層係由管狀毛細管的單環狀排列所形成。本發明可對應地由其他的抗共振結構做補充說明，如籠紋型態或鳥巢結構。
圖1與圖2表示本發明的較佳實施例的空芯光子晶體光纖10的放大截面示意圖。圖2繪示出高斯光束(輸入光場1)被匯聚且耦合至空芯光子晶體光纖10(僅以輸入光纖端表示)。對於實際應用而言，空芯光子晶體光纖10具有比圖1與圖2所示的更長的軸向延伸，其視空芯光子晶體光纖10的功能而定，且由一範圍選擇出，例如1公分至5公尺的範圍或者更廣的範圍。
該空芯光子晶體光纖10包括一外夾套12、一內包層13以及一中空芯材14，外夾套12係由厚度為例如30微米且內直徑Δ為例如60微米的例如石英玻璃製成，內包層13包括數個抗共振結構15，中空芯材14被提供在抗共振結構之間的空間。該抗震結構包括例如像圖9的先前技術所繪示的五個毛細管的單一環狀排列。該等毛細管係由厚度為例如0.1微米至1微米或更厚的石英玻璃製成。內包層13係由外夾套12的內表面所支持。空芯光子晶體光纖10包括一模式導引區段11，其中該中空芯材14具有一模式導引芯材直徑d，例如30微米。
一光場耦合區段17被提供在該空芯光子晶體光纖10的輸入光纖端16，該光場耦合區段17具有一軸向耦合區段長度L，沿著該軸向耦合區段長度L，該空芯光子晶體光纖10的內直徑從光纖末端芯材直徑D縮減至模式導引芯材直徑d。以空芯光子晶體光纖10具有模式導引芯材直徑是30微米為例，該軸向耦合區段長度較佳是等於或小於300微米。對於較大的式導引芯材直徑，例如大於或等於50微米，該軸向耦合區段長度可以是至少1毫米，特別是數毫米。該內包層13的毛細管15形成了從部分地崩潰的光纖結構(圖3B)到其尚未處理的光纖結構(圖9)中的尺寸做順利的轉換。
該光場耦合區段17的理論上的最大軸向耦合區段長度L可由該高斯雷射光束(輸入光場1)的聚焦特性得到如下。該已匯聚的雷射光束可由其光束直徑w(z)(z：空芯光子晶體光纖10的光束行進方向及軸方向，參閱圖2中z＜0的區域)、其中心波長λ以及其焦直徑w0
=w(0)表示其特徵。w(z)可經由以下的公式計算得到：
w
(z
)=w 0
(1+(z
/z R
)2
)0.5
其中，z R
=πw 0 2
/(4λ
)為瑞利長度(Rayleigh length)
為了降低在光纖端的光重疊，該光場耦合區段的該軸向耦合區段長度L以及光纖末端芯材直徑D必須被選擇使得w(-L)＜D，即
D＞w
(-L
)≈d
(1+(L
/z R
)2
)0.5
≈d
(1+(4Lλ
/(πd 2
))2
)0.5
其中d
≈w 0
。解此方程式得到L為：
L
＜π(D 2 d 2
-d 4
)0.5
/(4λ)
該長度限制係較佳地以對於朝向光纖末端之區段的長度限制被延伸，且在該處該初始芯材直徑D被降低至0.5×(D+d)，即整體降低量的50%。較佳地，此長度(所謂軸向轉換長度)係短於π(D 2 d 2
-d 4
)0.5
/(4λ)的0.5倍。
圖3表示本發明的空芯光子晶體光纖的實際例子的影像。圖3A為輸入光纖端16的光學顯微圖，其中在光場耦合區段具有大約250微米的長度。圖3B為輸入面連同外夾套12及抗共振結構15的掃描電子顯微圖像。本發明的根本的優點是以圖3B表示。該抗共振結構15是在壽命測試(也請參閱圖4與圖5)後被顯示，且沒有劣化的可視表徵。
習知的空芯光子晶體光纖的功率引起的劣化以及本發明的空芯光子晶體光纖有利地具有較長壽命係另外被繪示於圖4及圖5。圖4A與4B表示習知的空芯光子晶體光纖地輸入側的掃描電子顯微圖像，其已在一泵光場曝光了超過100瓦小時。發明人已發現所述的包層結構的劣化是由於電漿增強的侵蝕所導致的，其中該電漿是由在光纖輸入側的尖銳的氣體-玻璃介面所產生的場增強來形成。由於劣化的結果，習知的空芯光子晶體光纖的平均輸出功率在曝光數十瓦小時後強烈地減少(參閱圖5，虛線的曲線B)。在一非線性實驗中測試本發明的空芯光子晶體光纖，得到壽命具有顯著的改善(參閱圖5，實線曲線A)。根據圖5，曝光超過1000瓦小時是可行的，並具有數千瓦小時的外插值。
寬頻、 高亮度的光源100的一實施例被繪示於圖6，其包括本發明的空芯光子晶體光纖。此種的光源100係較佳地被使用於長壽命是被高度要求的應用中，如光學量測(例如用於半導體產業)、紫外光顯微鏡學或光譜學。
光源100包括一泵源20、一可選擇的穩定單元21、放置空芯光子晶體光纖的氣體單元30以及可選擇的附加輸出光學裝置22。泵源20為脈衝雷射，其產生脈衝光場1，例如以微焦耳等級能量以及次皮秒脈衝時距，特別是以中央波長1030nm的10微焦耳能量及300fs的脈衝時距。該穩定單元21被提供來穩定自泵源20輸出的脈衝的空間位置。該泵脈衝被發射進入填充氣體的本發明的空芯光子晶體光纖10。該氣體單元包括例如壓力為30bar的氬氣。該等脈衝在空芯光子晶體光纖10中受到頻譜增寬且該寬頻譜輸出2係配合該輸出光學裝置22並傳送至一應用裝置。此種光源的光譜例3被表示於圖7中，其波長範圍為240nm至1700nm。圖7表示該輸出光束2的被量測的光束截面(1/e2
直徑在波長570nm處為3.9nm)，其顯示出非常高品質的光束。
另外，空芯光子晶體光纖10可用於線性的光傳送，例如從雷射源產生連續或脈衝雷射光，用於對一應用位置，例如一工件，進行材料加工。
該空芯光子晶體光纖10，例如根據圖1，係藉由一熔融切割器以加熱時間300毫秒加熱至玻璃的相變溫度，例如1200o
C(用於熔融的矽)來加熱一空芯光子晶體光纖的一光纖區段而被製造。該光纖區段具有一長度，例如500微米。該錐拔狀係藉由降低從該被加熱的光纖區段的中心至末端的溫度或者是僅藉由該光纖區段的中心加熱產生的溫度場而被形成。接著，該光纖區段在冷卻後被切割。
上述說明、該等圖式以及申請專利範圍中所揭露的本發明的特徵可以個別地、以組合的方式或以次組合的方式用來以不同的實施例來補充說明本發明。
1’‧‧‧脈衝光場
2‧‧‧寬頻譜輸出
3‧‧‧光譜例
10‧‧‧空芯光子晶體光纖
10’‧‧‧空芯光子晶體光纖
11‧‧‧模式導引區段
12‧‧‧外夾套
12’‧‧‧外夾套
13‧‧‧內包層
13’‧‧‧內包層
14‧‧‧中空芯材
14’‧‧‧中空芯材
15‧‧‧抗共振結構
15’‧‧‧抗共振結構
16‧‧‧輸入光纖端
17‧‧‧光場耦合區段
20‧‧‧泵源
20’‧‧‧泵源
21‧‧‧穩定單元
22‧‧‧附加輸出光學裝置
30‧‧‧氣體單元
30’‧‧‧氣體單元
31’‧‧‧透明視窗
100‧‧‧光源
100’‧‧‧光源
D‧‧‧光纖末端芯材直徑
L‧‧‧軸向耦合區段長度
d‧‧‧模式導引芯材直徑
w‧‧‧光束直徑
z‧‧‧空芯光子晶體光纖的光束行進方向及軸方向
Δ‧‧‧內直徑
λ‧‧‧中心波長
圖1為本發明的空芯光子晶體光纖的較佳實施例的剖面示意圖。 圖2為本發明的空芯光子晶體光纖的另一較佳實施例的剖面示意圖，其繪示出泵光場。 圖3為本發明的一光纖末端的影像，其包括一光學微圖像(A)以及一掃描電子顯微圖像(B)。 圖4為劣化的習知空芯光子晶體光纖的輸入側的掃描電子顯微圖像。 圖5為量測空芯光子晶體光纖的輸出功率的實驗結果，本發明的空芯光子晶體光纖(曲線A)以及習知的空芯光子晶體光纖(曲線B)。 圖6為包含本發明的空芯光子晶體光纖的光源裝置的示意圖。 圖7為本發明的空芯光子晶體光纖的量測到的輸出光譜。 圖8與圖9分別為包含習知的空芯光子晶體光纖的光源的示意圖以及一習知的空芯光子晶體光纖的輸入端的掃描電子顯微影像。
Claims (18)
- 一種空芯光子晶體光纖(HC-PCF)(10)，用於沿著該空芯光子晶體光纖(10)的一模式導引區段(11)導引一光場(1)的至少一模式，該空芯光子晶體光纖(10)包括： 一外夾套(12)、一內包層(13)以及一中空芯材(14)，該外夾套(12)、該內包層(13)以及該中空芯材(14)沿著該空芯光子晶體光纖(10)延伸，其中， 該內包層(13)係排列於該外夾套(12)的一內部表面且包括圍繞該中空芯材(14)的抗共振結構(15)，且 該中空芯材(14)具有一模式導引芯材直徑(d)，沿著該空芯光子晶體光纖(10)的該模式導引區段(11)被提供， 其特徵在於： 該空芯光子晶體光纖(10)的至少一光纖末端(16)具有一光場耦合區段(17)，在該光場耦合區段(17)中，該中空芯材(14)在一軸向耦合區段長度上呈錐拔狀，從該至少一光纖末端(16)的一光纖末端芯材直徑(D)減小到該模式導引芯材直徑(d)。
- 如申請專利範圍第1項所述之空芯光子晶體光纖，其中該抗共振結構(15)具有一截面尺寸，該截面尺寸於該光場耦合區段(17)朝向該模式導引區段逐漸增加。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之空芯光子晶體光纖(10)，其中該光纖末端芯材直徑(D)以及該軸向耦合區段長度被選擇，使得該內包層(13)與希望被聚焦至該中空芯材(14)而由該空芯光子晶體光纖(10)所導引的該光場的重疊在該光纖末端被排除或可忽略。
- 如申請專利範圍第1、2或3項所述之空芯光子晶體光纖(10)，其中，該光纖芯材直徑尺寸沿一軸向轉換長度在該光場耦合區段(17)從該光纖末端芯材直徑(D)減少至(0.5(D+d))，該軸向轉換長度係至少為模式導引芯材直徑(d)的0.5倍且/或最多為一轉換尺寸(π(D 2 d 2 -d 4 )0.5 /(4λ))的0.5倍，其中λ為該光場的中心波長。
- 如申請專利範圍第4項所述之空芯光子晶體光纖(10)，其中該軸向轉換長度係至少10微米且/或最多1000微米。
- 如申請專利範圍第1、2、3、4或5項所述之空芯光子晶體光纖(10)，其中該光場耦合區段(17)的該軸向耦合區段長度係最小為該模式導引芯材直徑(d)且/或最大為一轉換尺寸(π(D 2 d 2 -d 4 )0.5 /(4λ)) ，其中λ為該光場的中心波長。
- 如申請專利範圍第6項所述之空芯光子晶體光纖(10)，其中該光場耦合區段(17)的該軸向耦合區段長度係至少20微米且/或最多5000微米。
- 如申請專利範圍第1至7項中任一項所述之空芯光子晶體光纖(10)，其中該抗共振結構(15)具有圓形的末端，該末端係朝向該至少一光纖末端(16)。
- 如申請專利範圍第1至8項中任一項所述之空芯光子晶體光纖(10)，其中該內包層(13)延伸至該至少一光纖末端(16)的該開口。
- 如申請專利範圍第1至8項中任一項所述之空芯光子晶體光纖(10)，其中該內包層(13)未延伸至該至少一光纖末端(16)的該開口。
- 如申請專利範圍第1至10項中任一項所述之空芯光子晶體光纖(10)，其中該光場耦合區段(17)僅在該空芯光子晶體光纖(10)的一入耦合端被提供。
- 一種使用如申請專利範圍第1至11項中任一項所述之空芯光子晶體光纖(10)的方法，其中該空芯光子晶體光纖(10)係用於使一光場應用於一光學性非線性製程，特別是頻譜增寬(spectral broadening)；或 該空芯光子晶體光纖(10)係用於傳遞一光場至一應用位置。
- 一種製造如申請專利範圍第1至11項中任一項所述之空芯光子晶體光纖(10)的方法，其包括以下步驟： 提供一空芯光子晶體光纖(10)，該空芯光子晶體光纖(10)包括該外夾套(12)以及該內包層(13)；以及 藉由該空芯光子晶體光纖(10)的熱處理以形成該光場耦合區段(17)。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，其更包括以下步驟： 使該空芯光子晶體光纖(10)的至少一光纖區段受到該熱處理；以及 在該至少一被熱處理的光纖區段處切割該空芯光子晶體光纖(10)，且以該被熱處理的光纖區段的一距離至一預設的光纖長度，用來在至少一光纖端(16)形成該光場耦合區段(17)。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，其更包括以下步驟： 切割該空芯光子晶體光纖(10)至一預設的光纖長度；以及 使該被切割的空芯光子晶體光纖(10)的至少一光纖端(16)受到熱處理，以在該至少一光纖端(16)形成該光場耦合區段(17)。
- 如申請專利範圍第14或15項所述之方法，其中該熱處理包括該空芯光子晶體光纖(10)的加熱使得該內包層(13)的該共振結構被軟化，且該光場耦合區段(17)係藉由表面張力在被軟化的抗共振結構(15)的效應來形成。
- 如申請專利範圍第14或15項所述之方法，其中該熱處理包括該空芯光子晶體光纖(10)的加熱使得該內包層(13)的該共振結構被軟化，且該光場耦合區段(17)係藉由表面張力在被軟化的抗共振結構(15)及在至少一抗共振結構(15)施加真空的複合效應來形成。
- 如申請專利範圍第14、15或17項所述之方法，其中該熱處理包括該空芯光子晶體光纖(10)的加熱使得該內包層(13)的該共振結構被軟化，且藉由表面張力在被軟化的抗共振結構(15)及在該模式導引芯材(14)施加壓力的複合效應來形成該光場耦合區段(17)。
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