專利名稱：：具有中空芯的光子帶隙光纖的制作方法具有中空芯的光子帶隙光纖相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)是于2004年9月10日提出的美國(guó)專利申請(qǐng)第10/938,755號(hào)的部分繼續(xù)申請(qǐng)，該專利申請(qǐng)?jiān)诖吮蝗恳胱鳛閰⒖肌１旧暾?qǐng)也根據(jù)35U.S.C§119(e)要求于2004年5月8日提出的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第60/569,271號(hào)的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，該專利在此被全部引入作為參考。
背景技術(shù)：
：發(fā)明領(lǐng)域本申請(qǐng)屬于用于傳播光的光導(dǎo)纖維或光纖領(lǐng)域，更具體而言，屬于光子帶隙纖維領(lǐng)域，該光子帶隙纖維具有中空芯或者折射率低于包層材料的芯。相關(guān)技術(shù)描述光子帶隙光纖(PBFs)近年來(lái)引起人們的極大興趣，原因在于它們具有優(yōu)于常規(guī)光纖的獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。具體而言，在空氣-芯PBF中的傳播損失并不受芯材料或物質(zhì)的限制，并且預(yù)期傳播損失可以是非常低的。在空氣-芯PBF中的非線性效應(yīng)非常小，在某些PBFs中，芯可以被填充以液體或氣體，以產(chǎn)生預(yù)期的光-物質(zhì)相互作用。最近已經(jīng)顯示有由這些優(yōu)勢(shì)所實(shí)現(xiàn)的很多新應(yīng)用。這樣的應(yīng)用例如在BurakTemelkuranetal.，,ve/ewgf/2-sca/aWeW/ow豐/ca//Zmsw"http:///a，/Aofo"/c6aw/ga;wybrC(92/oser^mym/肌.o"，Nature,Vol.420,12December2002，pages650-653;DimitriG.Ouzounovetal.,Z)一ers/ow朋t//w"〃"ear戶/zotom'c6a"d-ga//6e^，ProceedingsofConferenceonLaserandElectro-Optics(CLEO)2003,Baltimore,USA,1-6June2003，paperCThV5，2pages;M.J.Rennetal.，丄oser陽(yáng)Gwz'fife(ij/ows//o〃ow-Core(9/Cfl/W6era，PhysicalReviewLetters,Vol.75,No.18,30October1995,pages3253-3256;F.Benabidetal.,戶。Wc/e/ev/加/owaw/gw油wce/zo〃,-corep/zotow'cc，to/y6er,OpticsExpress,Vol.10,No.21，21October2002,pages1195-1203;禾口Kaz腦riSuzukietal"f//raZraa<i6awd/妙fgewera"ow<a聽(tīng)W附ocfe/j/zo/cw'c6a"(ig^vwY/z朋m>core,ProceedingsofConferenceonLaserandElectro-Optics(CLEO)2001.paperWIPD1-11，pages24-25中進(jìn)行了描述，它們?cè)诖吮灰胱鳛閰⒖肌?duì)PBFs的基模的選擇性能的計(jì)算也已經(jīng)在例如R.F.Creganetal.:/SV"g/e-A/o6fe尸/7c^0w/c5a"c/(7a/Gwz'cbwceq/"Zig/2Z/"/i/r，Sci6nc6.Vol.285，3September1999，pages1537-1539;JesBroengetal"Jw"/戸》o/a/,gw/Wwg—otow'cZawc/ga/,eM，OpticsLetters,Vol.25，No.2，January15，2000，pages96-98;禾口JesBroengetal.,PhotonicCrystalFibers:^臉wC/owo/,vegw'血，OpticalFiberTechnology,Vol.5，1999，pages305-330中被報(bào)告，它們?cè)诖吮灰胱鳛閰⒖肌Ｔ诔Ｒ?guī)光纖中不存在的表面模(Surfacemodes)是形成于在空氣芯與光子晶體包層之間的邊界處的缺陷模式(defectmodes)。當(dāng)無(wú)限光子晶體(infinitephotoniccrystal)被突然中斷時(shí)，表面模可以發(fā)生，這例如是在有限維的晶體的邊緣處發(fā)生的。中斷引入了一組新的邊界條件，這導(dǎo)致滿足這些條件且局限在該中斷處的表面模產(chǎn)生。例如，參見(jiàn)F.Ramos-Mendietaetal"Sw^/bcee/ec&畫(huà)ag"Wc而浴/"p/fl"e，PhysicalReviewB.Vol.59，No.23，15June1999，pages15112-15120，其在此被引入作為參考。在光子晶體中，表面模的存在極大地取決于中斷或終端(termination)的位置。例如，參見(jiàn)，A.Yarivetal.，C^&ca/ff。ves/"Q7加/《7Vopaga".owCo"的/o/i^<i/a"c",JohnWiley&Sons,NewYork,1984，pages209-214,特別是210頁(yè)；禾卩J.D.Joannopoulosetal.,尸/zc^畫(huà).cC，油.'MW/"g/7ow。/7妙/，PrincetonUniversityPress,Princeton,NewJersey,1995，pages54-77，特別是73頁(yè)，它們?cè)诖吮还璴入作為參考；同樣，例如參見(jiàn)上面所引用的F.Ramos-Mendietaetal.,0/Ae;xw/"0wo/Aewr/acep/awe。例如，在由介質(zhì)棒在空氣中制成的光子晶體中，表面模僅僅在中斷切割通過(guò)棒時(shí)被誘發(fā)。僅僅切割通過(guò)空氣的中斷太弱而不能誘發(fā)表面模。例如參見(jiàn)上面所引用的J.D.Joannopoulosetal.，尸/70to"/cCV，a/s:MoWwg//ze_/7ow。/7妙f。除非適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行設(shè)計(jì)，光纖將支持許多表面模。最近的證明已經(jīng)顯示，表面模在空氣-芯PBFs中起著特別重要的作用，并且安裝證據(jù)(mountingevidence)表明，通過(guò)對(duì)傳播損失起作用，表面模對(duì)空氣-芯光子帶隙光纖產(chǎn)生嚴(yán)格的限制。例如參見(jiàn)K.Saitohetal.，^y-co"http://otom'c6fl"d-g^Ae/m/fl"o/sw/^rce歸cfes，OpticsExpress,Vol.12，No.3,February2004，pages394-400;DouglasC.Allanetal"6"—cemoofesfl/ci/oma/r-core//70tow'c6a"c^-ga;,ers，in尸/zotom'cC，to/sMa/en'a/sZ)ev/ces,A.Adibietal.,(eds.)，ProceedingsofSPIE,Vol.5000，2003，pages161-174;WahTungLauetal.，C腦""g/a，Z""tiw/淑//"ec/se附&必'"gfife/e"".c胸vegw/c/es//w加/cc，to/AppliedPhysicsLetters,Vol.81，No.21，18November2002，pages3915-3917;DirkMCllleretal.，Afezswre膨"f0/尸/zotow'cS朋fif-ga/F/6er7hwww/5^s7.ow々ow7.0to3.0//w7m/a"q/"Sw/^ceMoofeCowp/z>7g，ProceedingsofConferenceonLaserandElectro-Optics(CLEO)2003,Baltimore,USA,1-6June2003,paperQTuL2，2pages;HyangKyunKimetal.，a/r-core//;otom'c-6fl"c/ga;jw/^fcemocfey，IEEEJournalofQuantumElectronics.Vol.40,No.5,May2004，pages551-556;禾口MichelJ.F.Digonnetetal"57wp/egeowefn'ccWen'owtoOpticsExpress,Vol.12,No.9,May2004，pages1864-1872，這些在此被引入作為參考。例如也參見(jiàn)上面所引用的J.D./oa""opow/os"a/.，戶/zo/蘭'cCoAsto/s:MW"gy/oiv0//妙/，"7eda6ove;上面所引用的A.Yarivetal"Qpf/ca/恥額C，to/5v/Vo尸"g加'o"a"c/Co"fra/q/"iaflfef/ow;禾口上面所弓l用的F.Ramos-Mendietaetal"Sw/^^ce與表面模形成對(duì)比，沒(méi)有石英芯(silicacore)環(huán)的空氣-芯PDF纖芯模(例如基礎(chǔ)纖芯模)是模強(qiáng)度的峰位于芯中的纖芯模。在大多數(shù)情況下，大部分的能量也將被包含在空氣芯中。表面模的傳播常量(propagationconstant)經(jīng)常接近或者甚至可以等于基礎(chǔ)纖芯模的傳播常量。例如參見(jiàn)K.Saitohetal"A>-core尸/zotom'c6朋c-gap/7ez'm/a"o/sw/^2ce附ot/es，DouglasC.Allanetal.,iSw/^cewocfe/ow/"m>-core//^ow'cZ朋t/-g印,"尸/zotow/cCVj加/jMato^/afcZ)eWc&s，以及DirkMCllleretal.，MeayMremewfq/"尸/7otom.c5awd-g邵F/6er些都在上面被引用?；A(chǔ)纖芯模一般通過(guò)共振耦合機(jī)構(gòu)或近共振耦合機(jī)構(gòu)而十分強(qiáng)烈地與這些表面模的一種或多種耦合。例如，此類(lèi)耦合可能是由光纖指數(shù)或折射率(index)輪廓或剖面上的隨機(jī)(例如空間的)擾動(dòng)而引起的。由于表面模在光纖的介質(zhì)中的高能密度，它們本身是有損耗的，所以這樣的耦合是傳播損失的來(lái)源。此外，因?yàn)楸砻婺？缭秸麄€(gè)帶隙發(fā)生，沒(méi)有可用的光譜部分不受這種損失機(jī)理的影響。最近的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)說(shuō)明，表面模是由康寧公司(Coming)制造的13-dB/km空氣-芯PBF中的透射帶寬減少的原因。例如參見(jiàn)N.Venkataramanetal.,丄ow/om(73必/A7wJaz>corep/zoto"/cgap,"，ProceedingsofEuropeanConferenceonOpticalCommunication,ECOC2002，Copenhagen,Denmark,PostDeadlineSession1，PostDeadlinePaperPD.l.1，September12，2002;禾卩CM.Smith,etal"Zow-Zaw/zo〃ow-cores/〃co/a/r/7A她"/c6"狎,e，Nature,Vol.424，No.6949，7August2003,pages657-659，其在此被引入作為參考。該效應(yīng)據(jù)認(rèn)為是該空氣-芯光子帶隙光纖中的剩余損失(大約13dB/km)的來(lái)源。例如參見(jiàn)上面引用的DouglasC.Allanetal.，P/zotow'cOjWa/siW^eWafeo"dZ)eWc&y。因此，理解表面模的物理起源以及識(shí)別跨越整個(gè)帶隙沒(méi)有此類(lèi)表面模的光纖構(gòu)造在有關(guān)低損失PBFs的現(xiàn)行研究中很重要。
發(fā)明內(nèi)容在某些實(shí)施方式中，光子帶隙光纖包括光子晶格，該光子晶格包含第一種材料，所述第一種材料具有第一折射率和在其中形成的第二種材料的圖案。所述第二種材料或物質(zhì)具有比所述第一折射率低的第二折射率。該光子晶格具有支持最高頻率體模式(bulkmode)的強(qiáng)度波瓣的多個(gè)第一區(qū)域，以及具有不支持最高頻率體模式(bulkmode)的強(qiáng)度波瓣的多個(gè)第二區(qū)域。該光子帶隙光纖還包括在光子晶格中形成的中心芯。該光子帶隙光纖還包括具有外圓周的芯環(huán)。該芯環(huán)圍繞所述中心芯，其中所述芯環(huán)的外圓周僅僅通過(guò)光子晶格的第二區(qū)。在某些實(shí)施方式中，光子帶隙光纖包括光子晶格，光子晶格包括具有第一折射率和在其中形成的周期性的區(qū)域圖案的介質(zhì)材料。每一個(gè)區(qū)域具有基本圓形的截面，并且具有比所述第一折射率低的第二折射率。每一個(gè)區(qū)域與鄰近的區(qū)域分隔幵來(lái)。彼此鄰近的三個(gè)區(qū)域的每一組限定了介質(zhì)材料的一部分，該部分具有截面，其尺寸為包圍內(nèi)切圓，該內(nèi)切圓具有與所述三個(gè)鄰近區(qū)域相切的圓周。該光子帶隙光纖還包括在光子晶格中形成的芯。該光子帶隙光纖還包括具有外圓周的芯環(huán)。該芯環(huán)圍繞所述芯，其中所述芯環(huán)的外圓周不通過(guò)任何一個(gè)內(nèi)切圓。在某些實(shí)施方式中，光子帶隙光纖包括光子晶格，該光子晶格包含具有第一折射率和形成的周期性的區(qū)域的圖案的介質(zhì)材料。每一個(gè)區(qū)域具有基本圓形的截面。每一個(gè)區(qū)域具有比所述第一折射率低的第二折射率。該光子帶隙光纖還包括在光子晶格中形成的中心芯。該光子帶隙光纖還包括具有一般為圓形的截面和外半徑的芯環(huán)。該芯環(huán)圍繞所述中心芯，其中所述芯環(huán)誘發(fā)環(huán)表面模，環(huán)表面模具有基本與光纖的基模色散曲線去耦合的色散曲線。在某些實(shí)施方式中，光子帶隙光纖包括光子晶格，該光子晶格包含具有第一折射率和在其中形成的周期性的區(qū)域圖案的介質(zhì)材料。每一個(gè)區(qū)域具有基本圓形的截面，并且具有比所述第一折射率低的第二折射率。該光子帶隙光纖還包括在光子晶格中形成的中心芯。該光子帶隙光纖還包括具有一般為圓形的截面和厚度的芯環(huán)。該芯環(huán)圍繞所述中心芯，其中芯環(huán)的厚度足夠小，以便支持最多一個(gè)環(huán)誘發(fā)的表面模。在某些實(shí)施方式中，提供了設(shè)計(jì)光子帶隙光纖的方法。該光子帶隙光纖包括具有在其中形成的區(qū)域圖案的材料，以形成圍繞芯的光子晶格。該材料具有第一折射率，并且區(qū)域圖案具有比所述第一折射率低的第二折射率。該方法包括在光子晶格中設(shè)計(jì)基本圓形的芯環(huán)。該芯環(huán)圍繞芯且具有外半徑、內(nèi)半徑以及介于外半徑和內(nèi)半徑之間的厚度。外半徑、內(nèi)半徑和厚度中的至少一個(gè)被選擇用于減少光子帶隙光纖的損失。在某些實(shí)施方式中，提供了設(shè)計(jì)光子帶隙光纖的方法。該光子帶隙光纖包括具有在其中形成的區(qū)域圖案的材料，以形成圍繞芯的光子晶格。該材料具有第一折射率，并且區(qū)域圖案具有比所述第一折射率低的第二折射率。該方法包括在光子晶格中設(shè)計(jì)基本圓形的芯環(huán)。該芯環(huán)圍繞芯且具有外半徑、內(nèi)半徑以及介于外半徑和內(nèi)半徑之間的厚度。外半徑、內(nèi)半徑和厚度中的至少一個(gè)被選擇用以減少環(huán)誘發(fā)的表面模的數(shù)目或數(shù)量。附圖簡(jiǎn)述圖1圖解說(shuō)明說(shuō)明了芯半徑為1.15A和孔半徑P為大約0.47八的示例性三角形圖案空氣-芯光子帶隙光纖(PBF)的部分截面。圖2圖解說(shuō)明說(shuō)明了圖1的部分截面的放大圖，用于對(duì)空氣孔之間的空間關(guān)系、相鄰空氣孔之間的片段(膜)以及在片段的相交處的紋理(角落)提供另外的細(xì)節(jié)。圖3圖解說(shuō)明了表示圖1的空氣-芯PBF的典型表面模的等強(qiáng)度線的等高線或輪廓線。圖4圖解說(shuō)明了表示圖1的空氣-芯PBF的基芯模的等強(qiáng)度線的等高線或輪廓線。圖5圖解說(shuō)明了表示圖1的三角形圖案空氣-芯PBF的典型體模式的等強(qiáng)度線的等高線或輪廓線，但是未去除形成空氣芯106的中心結(jié)構(gòu)。圖6圖解說(shuō)明了圖1的空氣-芯光子帶隙光纖(PBF)的缺陷模式的色散曲線，該光子帶隙光纖具有三角形圖案的孔，該孔具有周期為A(即孔與孔間隔)的光子晶體結(jié)構(gòu)以及大約為0.47A的孔半徑p，其圍繞著具有大約1.15A的半徑i的空氣芯，其中陰影(相交陰影線)區(qū)域表示晶體的光子帶隙。圖7圖解說(shuō)明了具有大約1.8A的芯半徑R的空氣-芯PBF的缺陷模式的色散曲線。圖8圖解說(shuō)明了部分截面，該截面顯示了PBF的孔圖案和空氣-芯形狀，圖7的色散曲線是從該P(yáng)BF獲得的。圖9圖解說(shuō)明了在歸一化頻率coA/2tcc=1.7下纖芯模(鉆石形)和表面模(三角形)的數(shù)量與空氣-芯半徑關(guān)系的曲線圖。圖IOA、10B和10C圖解說(shuō)明了芯半徑分別為0.9A、1.2A禾口2.1A的芯形狀，從中得到圖9中的信息。圖11圖解說(shuō)明了僅僅支持纖芯模(未畫(huà)陰影的環(huán))以及支持芯和表面模(陰影環(huán))的空氣-芯半徑范圍的圖示。圖12圖解說(shuō)明了圖1的三角形圖案空氣-芯PBF的部分截面，半徑為R,的芯在光子晶格中形成，其中，芯的表面與光子晶格的角落相交，并且其中表面模被支持。圖13圖解說(shuō)明了圖1的三角形圖案空氣-芯PBF的部分截面，半徑為R2的芯在光子晶格中形成，其中，芯的表面不與光子晶格的角落相交，并且其中表面模不被支持。圖14圖解說(shuō)明了在半徑為R的圓上作為R的函數(shù)的最高頻率體模式的最大強(qiáng)度的圖(虛線圖)，該圖覆蓋在來(lái)自圖9的作為R的函數(shù)的表面模的最大數(shù)量的圖(實(shí)線圖)上。圖15A和15B圖解說(shuō)明了在r點(diǎn)處在帶隙之下兩種最高頻雙簡(jiǎn)并體模式的強(qiáng)度等高線圖，其中R,是支持纖芯模和表面模的芯半徑的實(shí)例，而R2是僅僅支持纖芯模的芯半徑的實(shí)例。圖16圖解說(shuō)明了三角形圖案空氣芯PBF的部分截面的圖示，其中在每一個(gè)介質(zhì)角落處的黑色圓表示介質(zhì)棒，其中未畫(huà)陰影的環(huán)表示芯的表面不與介質(zhì)棒相交的芯半徑的帶。圖17圖解說(shuō)明了表面模數(shù)量的數(shù)值模擬結(jié)果的圖(虛線)，和圖解說(shuō)明了使用圖16的幾何模型并計(jì)算與芯的表面相交的棒的數(shù)量而預(yù)測(cè)的表面模數(shù)量的圖(實(shí)線)，其中在每個(gè)圖中的表面模的數(shù)量是參考?xì)w一化芯半徑R/A而繪制的。圖18圖解說(shuō)明了歸一化芯半徑R/A對(duì)歸一化孔半徑p/八的圖，以顯示光纖空氣填充比率對(duì)表面模的發(fā)生的影響。圖19示意說(shuō)明了具有非圓形(例如六角形的)芯形狀和無(wú)表面模的可選的光子帶隙光纖的截面圖。圖20A和20B顯示對(duì)于兩種商業(yè)可得的光子帶隙光纖的纖芯模和表面模的有效折射率的比較。圖21A圖解說(shuō)明了示例性空氣-芯光子帶隙光纖的截面，該光子帶隙光纖具有R^0.9A的中心芯半徑，以使得芯不支持表面模。圖21B圖解說(shuō)明了類(lèi)似于圖21A的示例性光纖的截面圖，其也具有11=0.9八的中心芯半徑，但是在芯周?chē)哂斜《趸杌蚴h(huán)。圖22圖解說(shuō)明了空氣-芯光子帶隙光纖的一般預(yù)制件(genericpreform)的截面圖，其中該預(yù)制件包括一堆石英管，其中的7個(gè)中心管被去除而形成光纖的單模芯。圖23A圖解說(shuō)明了圖21A的空氣-芯光纖的計(jì)算的圖表，該光纖在中心芯周?chē)鷽](méi)有薄石英環(huán)。圖23B圖解說(shuō)明了圖21B的空氣-芯光纖的計(jì)算的圖表，該光纖在中心芯周?chē)哂斜∈h(huán)。圖24A圖解說(shuō)明了在KzA/2兀=1.7時(shí)計(jì)算的圖21A的空氣-芯光纖(在芯的周?chē)鷽](méi)有環(huán))的基礎(chǔ)纖芯模的強(qiáng)度等高線，其中在等高線上的相對(duì)強(qiáng)度以0.1的增量從0.1至0.9變化。圖24B圖解說(shuō)明了在KzA/27t=1.7時(shí)計(jì)算的圖21B的空氣-芯光纖(在芯的周?chē)协h(huán))的基礎(chǔ)纖芯模的強(qiáng)度等高線，其中在等高線上的相對(duì)強(qiáng)度以0.1的增量從0.1至0.9變化。圖25A和25B圖解說(shuō)明了圖21B的光纖的兩種示例性表面模的強(qiáng)度等高線，以說(shuō)明在芯周?chē)谋∈h(huán)的影響。圖26A圖解說(shuō)明了空氣-芯光子帶隙光纖的截面，其具有在芯周?chē)鷽](méi)有環(huán)的中心空氣-芯，該空氣-芯具有R-1.13A的半徑，以使芯支持表面模。圖26B圖解說(shuō)明了空氣-芯光子帶隙光纖的截面圖，其具有在芯周?chē)哂斜∈h(huán)的中心空氣-芯，該空氣-芯也具有R=1.13A的半徑。圖27A圖解說(shuō)明了圖26A的空氣-芯光纖(在芯周?chē)鷽](méi)有環(huán))的計(jì)算的w-/t圖表。圖27B圖解說(shuō)明了圖26B的在芯周?chē)哂斜∈h(huán)的空氣-芯光纖的計(jì)算的wj圖表。圖28圖解說(shuō)明了由薄板中斷的用于模擬非常薄的PBF芯環(huán)的光子晶體的截面圖。示例性實(shí)施方式的詳述本文所公開(kāi)的某些實(shí)施方式是基于在對(duì)PBFs的纖芯模和表面模的性質(zhì)的研究中使用數(shù)值模擬而獲取的信息。研究集中在最常見(jiàn)的PBF幾何學(xué)，即通過(guò)引入空氣缺陷而獲取在包層和圓形芯中具有周期性的、三角形圖案的圓柱形空氣-孔的光纖。此類(lèi)光纖例如在上面所引用的R.F.Creganetal"57wg/e-Mo<ie尸/zotow'cS朋dGa尸Gw油wceo/Zig/^爿!>;JesBroengetal.,o/p//otow/c6a"dgapy6ens;禾口JesBroengetal.，尸/zotom'cCV7sto/W6e^y:c/owop"ca/wavegwV/w,(9/"ca/FAerrec/z"o/ogy中得以描述。這些結(jié)果也可以適用于廣泛的空氣-孔圖案(即六邊形圖案、正方形圖案等)、孔形狀、芯形狀和芯環(huán)形狀。這些結(jié)果也可以適用于其他光子帶隙光纖，即具有類(lèi)似幾何學(xué)的光纖，其基于相同的光子帶隙原理操作，但是具有并非必需用空氣填充的芯(例如用另一種氣體、真空、液體或固體填充的芯)，具有并非必需用空氣填充的包層孔(例如用另一種氣體、真空、液體或固體填充的包層孔)，以及具有并非必需由石英制成的芯環(huán)或包層的固體部分(例如另一種固體或多種固體)。如此處所用，未用固體或液體填充的孔或芯在此被稱為是中空的。應(yīng)當(dāng)理解，制造芯、包層孔(claddingholes)和包層的固體部分的材料的各自的折射率在某些實(shí)施方式中被選擇為使得光纖結(jié)構(gòu)通過(guò)光子帶隙效應(yīng)支持導(dǎo)模。這意味著，芯的折射率和孔的折射率要低于包層的固體部分的折射率，并且意味著在這折射率之間的差異足夠大，以支持導(dǎo)模。對(duì)于空氣-芯光纖或其芯具有比包層的固體部分低的折射率的光纖，在本文中提出了新的幾何學(xué)。在某些實(shí)施方式中，這些幾何學(xué)具有系列芯特征尺寸(例如當(dāng)芯是圓形時(shí)的芯半徑)，對(duì)于這些特征尺寸而言，由于表面模，光纖芯已經(jīng)降低了傳播損失。具體而言，對(duì)于具有圓芯、其芯半徑介于大約0.7A與大約1.05A之間的某些實(shí)施方式而言，其中八是三角形圖案的孔與孔間隔，芯支持單模而不支持任何表面模。表面模的缺乏或減少表明按照本文所述的某些實(shí)施方式的光纖表現(xiàn)出比現(xiàn)有的光纖低得多的損失。如在下面進(jìn)一步顯示，表面模在缺陷結(jié)構(gòu)中的存在可以被容易地預(yù)測(cè)，根據(jù)對(duì)體模式的單獨(dú)研究，或甚至更簡(jiǎn)單地通過(guò)直接的幾何學(xué)論據(jù)。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)確實(shí)是周期性的，所以按照本文所述的方法預(yù)測(cè)表面模的存在比全分析缺陷模式要更快且復(fù)雜性更低。沒(méi)有芯環(huán)的光子帶隙光纖在某些實(shí)施方式中，在此所公開(kāi)的方法可以被用于預(yù)測(cè)特定光纖幾何學(xué)是否支持表面模，因此可以設(shè)計(jì)和制造不支持表面?；蛘邇H僅支持減少數(shù)量的表面模的光纖。具體而言，在某些實(shí)施方式中，通過(guò)選擇芯半徑或其他特征尺寸，使得芯的邊緣不切割通過(guò)任何內(nèi)切于PBF晶格的紋理(vein)(例如固體相交區(qū)域)中的圓，可以避免或減少表面模的存在。該技術(shù)應(yīng)用于廣泛的幾何學(xué)和孔尺寸。為了避免或減少表面模，本文所述技術(shù)的某些實(shí)施方式被用于設(shè)計(jì)芯形狀，使得芯不與PBF晶格的任何紋理相交(例如，芯僅僅與連接PBF晶格的片段相交)。通過(guò)遵循此通用判據(jù)，PBFs可以被設(shè)計(jì)為沒(méi)有表面模。本文所述的實(shí)施方式基于光子帶隙光纖(PBF)，其具有包層光子晶體區(qū)域，該區(qū)域包括三角形晶格，該晶格含有在石英或其他固體中的用氣體(例如空氣)填充的多個(gè)圓形孔，其中孔通過(guò)周期八被分隔開(kāi)。例如參見(jiàn)上面引用的R.F.Creganetal.,5V"g/e-Moofe尸/zoto"/cSaw"GapGWdawceo/Zig/zf/"i;上面弓l用的JesBroengetal.,o/az>-gwW"gp/zotow'c6a"c/ga/以及上面弓l用的JesBroengetal"尸/zotom.c0少血/F/6ery:爿iVevvC7owo/OWca/船vegwWas。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這樣的光纖這里被稱為空氣-孔光纖(air-holefibers);然而，如上面所討論，下面的討論和結(jié)果也適用于這樣的光子帶隙光纖其具有用除空氣之外的其他材料或物質(zhì)(例如另一種氣體、真空、液體或固體)填充的芯和/或所有或一些包層孔，以及具有由非石英材料(例如不同的固體或多種固體)制成的包層的固體部分。此外，結(jié)果也適用于其他圖案的孔(例如六邊形圖案、正方形圖案等)。在圖1中圖解說(shuō)明了示例性三角形圖案空氣-芯PBF100的部分截面圖。如圖解說(shuō)明，光纖100包括固體介質(zhì)晶格102，其包含圍繞空氣芯106的多個(gè)空氣孔104。三個(gè)示例性相鄰孔104更詳細(xì)地顯示在圖2中。介于任何三個(gè)相鄰孔104之間的固體晶格102的部分被稱為紋理(vein)(或角落)110，而連接兩個(gè)相鄰紋理的較薄的區(qū)(即介于任何兩個(gè)相鄰孔之間的區(qū)域)被稱為片段(或膜)112。在圖解說(shuō)明的實(shí)施方式中，每一個(gè)空氣孔104具有半徑p。相鄰空氣孔104的中心與中心間隔被稱為光子晶體的周期A。如在下面將要進(jìn)行的更詳細(xì)的討論，每一個(gè)紋理110可以近似半徑為a的內(nèi)切圓114，其中內(nèi)切圓114的圓周與包圍紋理110的三個(gè)孔104的圓周相切。簡(jiǎn)單的幾何計(jì)算容易地顯示，內(nèi)切圓114的半徑a與空氣孔104的半徑p和周期A的關(guān)系如下如在圖1中圖示，通過(guò)在光纖的中心處引入半徑為R的較大的圓柱形空氣孔，有利地產(chǎn)生PBF100的空氣-芯106。作為虛線圓再現(xiàn)在圖1中的該圓柱體的位置在此被稱為芯106的邊。半徑R在此被稱為空氣-芯106的特征尺寸。在圖1中圖示的圓芯的實(shí)施例中，半徑R是圓芯的半徑。下面的討論適用于具有其他形狀和特征尺寸(例如從中心到多邊形芯的最近邊界的最短距離)的芯。在圖1和2的PBF100中，半徑R被選擇為1.15八，每一個(gè)空氣孔104的半徑p被選擇為0.47八。例如，有利地選擇半徑為1.15A的空氣-芯106，因?yàn)樾景霃綄?duì)應(yīng)于在實(shí)踐中所形成的芯，該實(shí)踐是通過(guò)從PBF預(yù)制件的中心去除7個(gè)圓柱體(例如，有效地去除位于7個(gè)圓柱體之間的玻璃結(jié)構(gòu))。這樣的構(gòu)造例如在J.A.Westetal,,尸/zoto"/c揚(yáng)ew，Proceedingsof27thEuropeanConferenceonOpticalCommunications(ECOC，Ol—Amsterdam),Amsterdam,TheNetherlands,September30——October4,2001paperThA2.2，pages582-585中得以描述，其在此被引入作為參考。半徑R的其他值(例如介于大約0.7A與大約1.2A之間)和半徑p的其他值(例如介于大約0.49A與0.5A之間)也可用于在此所述的實(shí)施方式。如上所討論，表面模是在芯106與光子晶體包層102之間的邊界處所形成的缺陷模式。圖1和2的三角形圖案空氣-芯PBF100的典型表面模圖解說(shuō)明在圖3中。圖1和2的典型基礎(chǔ)纖芯模圖解說(shuō)明在圖4中。在圖3和4中，等高線表示相等的強(qiáng)度線。在每一組中，最外面的強(qiáng)度線具有O.l的歸一化強(qiáng)度，而最里面的強(qiáng)度線具有0.9的歸一化強(qiáng)度，每一個(gè)居間強(qiáng)度線代表O.l的歸一化階梯增加。在沒(méi)有芯的情況下，PBF僅僅攜帶體模式。在圖5中圖解說(shuō)明了體模式的實(shí)例。圖5的體模式是針對(duì)在圖1中圖解說(shuō)明的相同的三角形圖案空氣-芯PBF100而計(jì)算的，但是未去除中央結(jié)構(gòu)而形成空氣芯106。如在圖3和4中，圖5中的等高線表示等強(qiáng)度線。在圖5中所圖解說(shuō)明的特定體模式包括一系列窄強(qiáng)度波瓣，其集中在光子晶體102的每一個(gè)較厚介質(zhì)角落110上。其他體模式也可以具有不同的波瓣分布(例如所有波瓣可以集中在膜U2上而非角落110上)。如上所討論，光纖將支持很多表面模，除非光纖被適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)為消除或減少表面模的數(shù)量。如上面進(jìn)一步所討論，表面模的傳播常量經(jīng)常接近或等于基礎(chǔ)纖芯模的傳播常量，因此，纖芯?？梢匀菀椎嘏c表面模耦合(例如通過(guò)在光纖相交部分的隨機(jī)擾動(dòng))，這導(dǎo)致基礎(chǔ)纖芯模的傳播損失增加。當(dāng)光纖不是單模時(shí)，對(duì)于除基模之外的其他纖芯模，該問(wèn)題也存在。通過(guò)改變空氣芯106的半徑R，可以系統(tǒng)地研究芯半徑對(duì)纖芯模的影響以及表面切斷(surfacetruncation)對(duì)表面模行為的影響。一個(gè)這樣的研究是基于在UniversityofMichiganAMDLinuxclusterofparallelAthlon2000MP處理器的上使用全矢量平面波展開(kāi)法(fUll-vectorialplane-waveexpansionmethod)進(jìn)行的模擬。示例性全矢量平面波展開(kāi)法例如在StevenG.Johnsonetal.,祝oc"詢"veOpticE取ess，Vol.8，No.3，29January2001,pages173-190進(jìn)行的描述，其在此被引入作為參考。本文所公開(kāi)的模擬使用了A/16的柵格分辨率(gridresolution)和具有8Ax8A超晶胞(supercell)尺寸。包層的固體部分被假定為石英，并且所有孔被假定是圓形的且充滿空氣。當(dāng)用16位平行處理器運(yùn)行模擬時(shí)，完全模擬給定光纖的所有纖芯模和表面模的電場(chǎng)分布和色散曲線一般需要7小時(shí)到10小時(shí)之間。對(duì)三角形圖案的模擬的結(jié)果顯示，適合空氣導(dǎo)向的光子帶隙僅僅對(duì)于大于大約0.43A的空氣-芯半徑存在。在某些實(shí)施方式中，在實(shí)踐中可以制造的最大的圓形空氣-芯半徑(例如，以便足夠的石英保留在介于相鄰空氣孔104之間的膜112中，以提供支持結(jié)構(gòu))比0.49A稍高。在本文所述的某些實(shí)施方式中，模擬了具有在這兩個(gè)極限值之間的空氣-孔半徑p的結(jié)構(gòu)，具體而言，p被選擇為近似0.5A。盡管本文所述的模擬是針對(duì)p==0.47A而進(jìn)行的，對(duì)于介于0.43A至0.5A之間的任何p值，已經(jīng)獲得類(lèi)似的結(jié)果，并且本文所述的定性結(jié)論對(duì)于在0.43A至0.5A范圍內(nèi)的任何空氣-孔尺寸是有效的。圖6圖解說(shuō)明了對(duì)于芯半徑為R=1.15A所產(chǎn)生的研究中的光纖幾何學(xué)的理論co-^圖表(例如參見(jiàn)圖1)。在圖6中，垂直軸線是被歸一化為2兀c/八(即AA)的光學(xué)角頻co=2tkA，其中X是光信號(hào)的自由空間波長(zhǎng)，c是光在真空中的速度，A是光子晶體結(jié)構(gòu)周期。因此，垂直軸線表示①A/2兀c二A從，其為無(wú)量綱的量。圖6中的水平軸線是沿光纖的軸線(z方向)的傳播常量&，其被歸一化為2;t/A(即A2A/2tu)。由圖1的模擬光纖100的無(wú)限結(jié)構(gòu)所支持的第一光子帶隙是由陰影(相交陰影線)區(qū)表示的。該第一光子帶隙的尺寸和形狀取決于空氣孔104的半徑p的值(其在圖示的模擬中等于0.47八)，但是帶隙幾乎不依賴于芯106的尺寸。在圖6中的虛線表示光線，在該光線以下，不管芯尺寸和芯形狀，沒(méi)有纖芯模可以存在。在虛線以上的陰影部分顯示，在模擬光纖100中，光可以在空氣芯中被導(dǎo)向的歸一化頻率在大約1.53至大約1.9之間變化。圖6中的實(shí)線表示纖芯模與表面模的色散關(guān)系。空氣芯實(shí)際上攜帶兩個(gè)基模。每個(gè)模接近被線性偏振，并且每個(gè)模的偏振正交于另一個(gè)模的偏振。這兩種模非常接近為簡(jiǎn)并的。換句話說(shuō)，在帶隙內(nèi)，這兩種模具有幾乎精確相同的色散曲線。在圖6中的最高的曲線實(shí)際包括兩個(gè)色散曲線，一條曲線代表這兩種基模的每一種；然而，這兩條曲線幾乎是相同的，以至于在該圖上不能區(qū)分它們。在圖4中繪制了這兩種基礎(chǔ)纖芯模之一在kzA/27i=1.7時(shí)的選擇模的相關(guān)強(qiáng)度輪廓曲線，而在圖3中繪制了示例性表面模在1^八/2兀=1.7時(shí)的選擇模的相關(guān)強(qiáng)度輪廓曲線。這些輪廓曲線表明，在帶隙內(nèi)部的最高頻模式是所述兩種基礎(chǔ)纖芯模。在帶隙中的所有其他模式是表面模，并具有它們位于芯-包層邊界處的強(qiáng)度，如在圖3中所示。對(duì)于纖芯模和表面模而言，與光纖的石英部分的空間重疊強(qiáng)度或程度(strength)是不同的。在空間重疊程度上的不同導(dǎo)致具有接近c(diǎn)的群速的纖芯模以及具有較低群速的表面模的產(chǎn)生，如在圖6中圖示。圖6還圖解說(shuō)明了纖芯模與表面模的另一個(gè)區(qū)別特征。具體而言，表面模的曲線總是跨越(cross)帶隙內(nèi)的光線。相反，纖芯模的曲線從不跨越帶隙內(nèi)的的光線。通過(guò)以0.1A階躍將芯半徑從0.6A變?yōu)?.2A,纖芯模和表面模的行為被研究證明為缺陷尺寸的函數(shù)。圖7圖解說(shuō)明了與用于產(chǎn)生圖6中的信息相同的光纖幾何學(xué)所產(chǎn)生的《-&圖，但是針對(duì)較大的芯半徑(R=1.8A)。如通過(guò)圖8中的部分光纖截面所圖示，例如，通過(guò)去除超過(guò)預(yù)制件的中心7個(gè)圓柱體的另外的晶格結(jié)構(gòu)，使芯106的表面與介于孔104之間的膜112相交，而不是與更厚的介質(zhì)角落110相交，形成較大的芯半徑。如預(yù)期的，對(duì)于圖8的實(shí)施方式而言，出現(xiàn)在圖7中的纖芯模的數(shù)量大于圖1的實(shí)施方式中的纖芯模的數(shù)量。另外，對(duì)于該較大半徑，所有模都是纖芯模。隨著頻率從帶隙的低頻截止(low-frequencycutoff)得以增大，最高次纖芯模首先以四個(gè)或更多模為一組出現(xiàn)(例如，在圖7中為四個(gè)模)。該特征取決于芯大小和模簡(jiǎn)并度。例如參見(jiàn)上面引用的JesBroengetal.,爿wa/;w;so/a/r-gw/(^'"g//zotom'"a"&a//^M。因?yàn)轭l率被進(jìn)一步增大，所以在大約1.7的歸一化頻率下，模的數(shù)量達(dá)到最大數(shù)量(在圖7中圖示的實(shí)施例中為14)。高于大約1.7的歸一化頻率時(shí)，在帶隙的高頻截止處，模的數(shù)量逐漸減少為兩個(gè)(兩個(gè)基模)。最大數(shù)量的纖芯模出現(xiàn)在光線與低頻帶邊相交的頻率或者附近頻率。在通過(guò)圖7中的繪圖所圖示的實(shí)施方式中，光線在其值為大約1.67的歸一化頻率(coA/27tc)下與低頻帶邊相交。注意在圖7中，很多曲線表示簡(jiǎn)并的且因此在圖中重疊的多重模。圖9圖解說(shuō)明了該最大數(shù)量的纖芯模(即在co八/2兀c=1.7下所繪制的模的數(shù)量)對(duì)R的依賴性。表面模的數(shù)量也被顯示在圖9中。另外，代表性半徑R二0.9A、R=1.2A禾I1R:2.1A的芯形狀分別被圖示在圖10A、圖10B和圖10C中。如上所述，用于產(chǎn)生圖9中的數(shù)據(jù)點(diǎn)的柵格分辨率為A/16。然而，為產(chǎn)生在1.1A和1.3A之間的更感興趣的芯半徑范圍內(nèi)的另外的點(diǎn)，在該范圍內(nèi)，柵格尺寸被減少至八/32。因此，在該范圍內(nèi)預(yù)測(cè)的表面模的絕對(duì)數(shù)目與圖表的剩余部分不按相同的方式比例縮放。這是不重要的，因?yàn)閷?duì)產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的主要意義是確定表面模區(qū)域的邊界。在PBFs和常規(guī)光纖中的基于全內(nèi)反射的纖芯模的行為具有驚人的相似性。如同LP。,模，基模是雙簡(jiǎn)并的(參見(jiàn)圖6和7)，幾乎是被線性偏振的，并且表現(xiàn)出類(lèi)高斯強(qiáng)度分布。例如參見(jiàn)上面引用的JesBroengetal.，」"a/戸So/a/r-gwW"g//zotom'c6a"d^a/,era。接下來(lái)的四個(gè)模也是簡(jiǎn)并的，并且這四個(gè)模的電場(chǎng)分布與常規(guī)光纖的HE21\HE21雙、TE。,和TM。,模的那些電場(chǎng)分布非常類(lèi)似。很多纖芯模，特別是最低次模，在偏振上表現(xiàn)出超過(guò)很多帶隙的二重簡(jiǎn)并度。因?yàn)樾景霃皆黾樱w芯模的數(shù)量以不連續(xù)的階躍增加(參見(jiàn)圖9)，從兩個(gè)(兩個(gè)基模)到六個(gè)(這兩個(gè)模加上述四個(gè)簡(jiǎn)并模)，然后是14個(gè)(因?yàn)榻酉聛?lái)的八個(gè)模在幾乎相同的半徑下達(dá)到截止)等。圖9還圖解說(shuō)明了模的另一個(gè)方面。具體而言，當(dāng)R落在某些邊界范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)現(xiàn)所有的模都為纖芯模。首先的三種邊界范圍是范圍l:從大約0.7A至大約1.1A;范圍2:從大約1.3八至大約1.4A;禾口范圍3:從大約1.7A至大約2.0A。圖7圖解說(shuō)明了其中R等于1.8八的情況，其為在范圍3中的無(wú)表面模PBF的一個(gè)特定實(shí)例。在圖11中示意圖解說(shuō)明了通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬而確定的無(wú)表面模范圍。在圖11中，圓的背景圖案表示無(wú)限光子晶體結(jié)構(gòu)，四個(gè)陰影(相交陰影線的)環(huán)形區(qū)表示支持表面模的芯半徑的范圍，而二個(gè)未畫(huà)陰影的環(huán)形區(qū)(標(biāo)記為帶1、帶2和帶3)表示沒(méi)有表面模的首先的三個(gè)范圍的半徑。注意對(duì)于0.5A以下的半徑(例如，圖11的中心的未畫(huà)陰影部分)，芯不支持由光子帶隙效應(yīng)導(dǎo)向的纖芯模。圖11僅僅是顯示在圖9中的無(wú)表面模的區(qū)域的不同方式。因此，在圖9中的不支持表面模的三個(gè)半徑范圍，如通過(guò)沿底部水平軸線落下的幵放三角形所示，被繪制為圖11中的三個(gè)白色環(huán)形(未畫(huà)陰影的)區(qū)域(帶1、2和3)。在白色帶之間的互補(bǔ)(陰影的)帶對(duì)應(yīng)于圖9中的半徑范圍，其中三角形在水平軸線的上面，因此表示支持表面模的半徑。在圖11中的第一個(gè)未畫(huà)陰影范圍中(例如從大約0.7A至大約1.1A的帶l)中，芯支持單模，并且在帶隙的全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)不支持任何表面模，即，PBF是真正單模的。在文獻(xiàn)中沒(méi)有出現(xiàn)單模全石英PBF設(shè)計(jì)(single-modeall-silicaPBFdesign)的任何先前報(bào)告。注意在帶2、帶3以及代表較大半徑的所有其他帶中，光纖不再是單模的。在圖IOA中顯示了落在此單模范圍(例如范圍1)中的中斷表面形狀的實(shí)施例，其中的R等于0.9A。用已知的擠出方法和其他已知的加工方法，使用擠出到芯中的小玻璃尖端，可以制造這些具體的結(jié)構(gòu)。表面模的數(shù)量也強(qiáng)烈地依賴芯半徑，雖然以高度非單調(diào)的方式。對(duì)于在大約0.6八、大約1.2A、大約1.6A和大約2.1A附近的芯半徑而言，很多表面模被引入，導(dǎo)致在表面模數(shù)量中的峰的存在。在圖9中這些峰是顯而易見(jiàn)的。而且，在這些附近尺寸區(qū)域，表面模的數(shù)量隨R快速地變化。一般的實(shí)驗(yàn)性的PBFs是通過(guò)從預(yù)制件中去除中心的7個(gè)圓柱體(R近似等于1.15八)或19個(gè)圓柱體(R近似等于2.1A)形成芯106而構(gòu)造的，然而，發(fā)生于更直接地制造的這些R值也發(fā)生于導(dǎo)致支持表面模的幾何學(xué)，例如，在圖9中所示的?；谇笆鲇?jì)算機(jī)模擬的結(jié)果，已經(jīng)研究了表面模發(fā)生的基本條件，并且在此所述的某些實(shí)施方式?jīng)]有表面模。基本條件導(dǎo)致了這樣的觀察結(jié)果當(dāng)芯106的表面與光子晶格102的一個(gè)或多個(gè)介質(zhì)角落IIO相交時(shí)，產(chǎn)生了表面模。根據(jù)該觀察，獲得了用于評(píng)價(jià)具體光纖結(jié)構(gòu)是否支持表面模的快速且簡(jiǎn)單的幾何判據(jù)或準(zhǔn)則。如上所討論，當(dāng)幾何準(zhǔn)則被應(yīng)用于具有圓形空氣芯106的三角形圖案PBFs100時(shí)，近似的幾何模型產(chǎn)生了與上述計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果可接受地一致的預(yù)測(cè)。如上所討論，當(dāng)無(wú)限光子晶體(infinitephotoniccrystal)被突然中斷時(shí)，表面模可能出現(xiàn)，例如這發(fā)生在有限大小的晶體的邊緣。例如，在介質(zhì)棒在空氣中制成的光子晶體中，僅僅當(dāng)中斷切割通過(guò)棒時(shí)，表面模被誘發(fā)。僅僅切割通過(guò)空氣的中斷太弱而不能誘發(fā)表面模。在空氣-芯PBF100中，芯106還擔(dān)當(dāng)擾動(dòng)光子晶格102的缺陷，并且可在芯106的邊緣處引入表面模。表面模是否出現(xiàn)，以及出現(xiàn)的數(shù)量，取決于光子晶體如何被中斷，這決定了由缺陷引入的擾動(dòng)的大小或程度。在無(wú)空氣芯時(shí)，PBF僅攜帶體模式，如參照上面圖5的討論。當(dāng)空氣芯106如在圖1、3禾n4中被引入時(shí)，芯106在本地用空氣代替光子晶格102的介質(zhì)材料。在圖1中切割通過(guò)包層空氣孔104的芯106的表面的部分用空氣取代空氣。因此，正如在平面光子晶體的情況下(例如，如在上面引用的J.D.Joannopoulosetal,，尸/由/c0;;sto/s:MoW/wgAe_/7owo/7/g&中所述)，芯表面的那些部分未誘發(fā)顯著的擾動(dòng)。僅有切割通過(guò)圖1中的光子晶格102的介質(zhì)角落110或介質(zhì)膜112的芯表面部分用空氣取代介質(zhì)，并因此擾動(dòng)圖5的體模式。在下面討論了擾動(dòng)是否足以潛在地誘發(fā)表面模，諸如在圖3中所示的表面模。因?yàn)槿魏未笮『托螤畹男?06總是切割通過(guò)某些介質(zhì)材料，某些擾動(dòng)總是由芯106引入。擾動(dòng)的跡象是使得在圖中，體模式的頻率從它們?cè)诟髯晕磾_動(dòng)位置中的頻率全部向上移動(dòng)或偏移。對(duì)于石英/空氣PBFIOO，擾動(dòng)比較弱，頻率偏移或頻移很小，使得幾乎所有擾動(dòng)的體模式保留在體模式帶中。上述的例外是來(lái)自較低帶的最高頻體模式帶(在下文中被稱為"HFBM")的模。因?yàn)榇祟?lèi)模正好位于cy-A圖中的帶隙以下，擾動(dòng)使它們作為表面模移動(dòng)進(jìn)入帶隙。例如參見(jiàn)上面弓l用的J.D.Joannopoulosetal.，尸/700",cMoW"g_/7ow0/表面?？梢员粚?xiě)為體模式的展開(kāi)。對(duì)于此處所考慮的弱擾動(dòng)而言，可以顯示出，在此展開(kāi)中的主要項(xiàng)是HFBM，如在考慮到這些表面模的起源所預(yù)期的。HFBM是在圖5中圖示的體模式。如在圖5中所圖示，模的波瓣全部集中在晶體102的角落110上，這導(dǎo)致兩個(gè)重要的結(jié)果。第一，因?yàn)楸砻婺Ｊ峭ㄟ^(guò)該體模式的擾動(dòng)被誘發(fā)的，所以表面模的波瓣也集中在角落110上，例如，如在圖3中所示。第二，對(duì)于擾動(dòng)并產(chǎn)生表面模的HFBM而言，擾動(dòng)必須發(fā)生在攜帶相當(dāng)大的HFBM強(qiáng)度的光子晶格102的介質(zhì)區(qū)中，例如在光子晶體102的角落110處的區(qū)域中。這些觀察顯示，表面模與通過(guò)HFBM上的空氣芯106所引入的擾動(dòng)的大小有著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。如果芯106的表面與HFBM的波瓣在介質(zhì)晶格102的角落110處相交(例如，如通過(guò)圖12中的半徑為R,的芯所圖示)，則擾動(dòng)是大的，并且表面模被誘發(fā)。那么表面模的數(shù)量依比例決定，如同由介質(zhì)102中的芯106所相交的最高強(qiáng)度。相反，如果芯106的表面不與該體模式的任何波瓣相交(例如，如通過(guò)圖13中的半徑R2的芯所圖示)，則不產(chǎn)生表面模。在圖14中圖解說(shuō)明了前述的內(nèi)容，該圖再現(xiàn)了在半徑為R的圓上在co八/2兀c=1.7時(shí)表面模的數(shù)量(在左邊垂直軸線上的值)作為被歸一化為A的R(水平軸線)的函數(shù)的曲線圖，如實(shí)線表示。圖14也包括最高頻體模式的最大強(qiáng)度(在右邊垂直軸線上的任意單位的值)曲線圖(如虛線所示)。圖14明確地顯示了最大強(qiáng)度與表面模的數(shù)量之間的關(guān)系。在圖14中的兩曲線是明顯密切相關(guān)的，這證明，表面模發(fā)生于半徑R，這樣芯的邊切割通過(guò)最高頻體模式的高強(qiáng)度波瓣。基于該原理，發(fā)展了表面模數(shù)量對(duì)芯半徑的第一個(gè)近似相關(guān)性。通過(guò)比較精確模擬的結(jié)果，前述的內(nèi)容顯示，使用該HFBM準(zhǔn)則或判據(jù)所獲取的結(jié)果預(yù)測(cè)表面模的存在或不存在相當(dāng)精確。當(dāng)然，很多其他種類(lèi)的擾動(dòng)可以誘發(fā)光子晶體102中的表面模，因此，上述條件對(duì)于無(wú)表面模是必要條件，然而它不總是充分條件。在用于確定表面模的存在的一個(gè)判據(jù)中，最高頻體模式的電磁強(qiáng)度沿芯的邊積分或累積。對(duì)于所述兩種雙簡(jiǎn)并模的任何一個(gè)而言，足以進(jìn)行這樣的積分，因?yàn)閷?duì)于該兩種模的積分是相等的，如對(duì)稱性所需。前述對(duì)空氣芯半徑R的確定可以按照數(shù)值計(jì)算無(wú)限光纖包層的體模式的強(qiáng)度分布的方法進(jìn)行。按照該方法，首先確定沒(méi)有空氣芯的感興趣的光纖的最高頻體模式的強(qiáng)度分布。之后，將半徑R的圓形空氣芯疊加在該強(qiáng)度分布上。如在圖15A禾B15B中圖示，改變芯半徑R引起芯的邊通過(guò)該場(chǎng)分布的不同區(qū)域。按照計(jì)算方法，當(dāng)芯的邊與該場(chǎng)分布的高波瓣區(qū)相交時(shí)，光纖將支持表面模。在圖15A和15B中，半徑R-R,的芯是經(jīng)過(guò)最高頻體模式的幾個(gè)(在該實(shí)施例中是六個(gè))高強(qiáng)度波瓣的芯半徑的一個(gè)實(shí)施例。計(jì)算方法預(yù)測(cè)，具有這樣的半徑的芯將支持表面模。在另一個(gè)極端，當(dāng)芯具有的半徑11=112時(shí)，如在圖15A和15B所圖示，芯邊不經(jīng)過(guò)體模式的任何一個(gè)高強(qiáng)度波瓣，并且這樣的半徑為R2的芯不支持表面模。盡管結(jié)合圓芯進(jìn)行描述，應(yīng)當(dāng)理解，前述方法不限于圓芯，并且此方法可適用于任何芯形狀。如上所述，計(jì)算方法是定性的。按照該方法，如果選擇半徑為R的芯的邊與體模式的高強(qiáng)度波瓣相交，則具有該半徑的芯的光纖將支持表面模。如迄今所述，此方法不規(guī)定支持多少表面模。此外，此方法不具體說(shuō)明在表面模出現(xiàn)(即被支持)之前，芯的邊必須與多高的強(qiáng)度相交，或者芯的邊必須與多少個(gè)高強(qiáng)度的波瓣相交。通過(guò)認(rèn)識(shí)到HFBM的強(qiáng)度波瓣幾乎是方位對(duì)稱的，如在圖5中所示，有利地簡(jiǎn)化了HFBM判據(jù)。因此，被限制在介質(zhì)角落110中的每個(gè)波瓣的部分可以近似為內(nèi)切于角落110中的圓114，如在圖2中所圖示。如上所討論，內(nèi)切圓114的半徑a與三角形圖案的周期A和孔104的半徑p通過(guò)a—A/V5)-p而聯(lián)系起來(lái)。限于介質(zhì)的HFBM的部分近似為集中在所有光子晶體角落110的圓114的二維陣列。如在圖16中所圖示，這是為三角形圖案和p=0.47八而繪制的。對(duì)于表面模而言，該近似使新的、更簡(jiǎn)單的存在判據(jù)可以用公式表示當(dāng)并且僅僅當(dāng)芯106的表面與一個(gè)或多個(gè)圓114相交時(shí)，表面模存在。當(dāng)然，很多其他種類(lèi)的擾動(dòng)可以誘發(fā)光子晶體102中的表面模，因此，前述條件對(duì)于無(wú)表面模是必要條件，然而它不總是充分條件。使用耦合模式理論，也可以導(dǎo)出相同的幾何判據(jù)。由于低頻帶體模式的對(duì)稱性，每一個(gè)角落110可以由內(nèi)切于角落110中的介質(zhì)棒近似，其中該棒延伸PBF100的長(zhǎng)度。每一個(gè)隔離的棒被空氣圍繞，并構(gòu)成介質(zhì)波導(dǎo)。介質(zhì)波導(dǎo)攜帶在棒中具有強(qiáng)場(chǎng)的基模，強(qiáng)場(chǎng)逐漸衰減到周?chē)目諝庵?，因此?chǎng)看上去更像在圖5中所圖示的HFBM的單獨(dú)波瓣。因此，棒的周期性陣列具有在圖16中所圖示的圓114的圖案。由于鄰近棒的接近，單獨(dú)棒的波導(dǎo)模彼此微弱耦合，并且形成體模式。HFBM只是單獨(dú)波導(dǎo)模的一種特定重疊。如果引入了切割進(jìn)入一個(gè)或多個(gè)棒之中的空氣芯106，介質(zhì)的去除在與形成體模式的相反方向上擾動(dòng)了波導(dǎo)模。然后，與芯106表面相交的擾動(dòng)棒環(huán)的波導(dǎo)模彼此耦合，并形成表面模。該表面模被棒的環(huán)支持，并且具有在每一個(gè)棒外部減弱的場(chǎng)，如通過(guò)圖3中的示例性表面模所證實(shí)。如果芯106的表面僅僅切割通過(guò)膜112而非角落110，則棒是不受干擾的，并且模彼此耦合，如同它們?cè)诓淮嬖谛?06時(shí)的表現(xiàn)一樣。因此，沒(méi)有表面模形成。按照該描述，如果并且僅僅如果芯106的表面與棒相交，則表面模存在。這是與上述通過(guò)將HFBM波瓣近似為內(nèi)切圓114而得出的相同的判據(jù)。為檢驗(yàn)該新幾何判據(jù)的有效性，將該判據(jù)應(yīng)用于最廣泛研究的空氣-芯PBFs種類(lèi)，即在三角形圖案中具有圓形空氣芯的光纖，如在圖16中所圖示。芯106是在光纖110的中心處的半徑為R的較大圓芯空氣芯。再次，該分析假定，當(dāng)R被選擇為使得芯106的表面與一個(gè)或多個(gè)棒(在圖16中的圓114)相交，那么表面模將存在，并且表面模的數(shù)量將與所相交的棒的數(shù)量成比例。這種定標(biāo)律(scalinglaw)是預(yù)期的，因?yàn)楫?dāng)相交棒的數(shù)量增加時(shí)，擾動(dòng)大小增加，表面模的數(shù)量也增加。相反，當(dāng)芯106的表面不與任何棒相交時(shí)，沒(méi)有表面模呈現(xiàn)。簡(jiǎn)單的光纖截面圖，如在圖16中所顯示的圖，使得對(duì)任何光纖幾何學(xué)應(yīng)用該判據(jù)非常容易。關(guān)于三角形圖案的上述幾何分析的結(jié)果被繪制在圖16中。在圖16中的陰影(相交陰影線的)環(huán)表示與棒相交的芯半徑的范圍，因此支持表面模。如上述關(guān)于圖11的討論，在陰影環(huán)之間的未畫(huà)陰影的環(huán)(帶1—帶6)表示不與任何棒相交的半徑的范圍，因此不支持表面模。通過(guò)將基礎(chǔ)三角學(xué)(elementarytrigonometry)應(yīng)用于圖16，以確定與給定半徑的芯106的表面相交的棒的數(shù)量，直接計(jì)算表面模的數(shù)量對(duì)芯半徑的依賴性。表面模的數(shù)量被繪制為在圖17中的實(shí)線，其中該圖表的水平軸線是被歸一化為晶體周期A(例如R/A)的芯半徑，并且其中左邊垂直軸線表示與芯表面相交的棒的數(shù)量，如通過(guò)幾何判據(jù)所預(yù)測(cè)的。簡(jiǎn)單的假設(shè)預(yù)測(cè)了在圖17中所圖示的重要結(jié)果，跨越整個(gè)帶隙，該類(lèi)型的PBF100的幾種半徑帶根本不支持表面模。對(duì)于半徑最高為3.5A，六種這樣的帶出現(xiàn)在圖17所覆蓋的范圍中，其中A是如上述定義的晶體周期。在圖17中的范圍不包括R^0.47A以下的帶，對(duì)于該帶，其半徑太小而不支持纖芯模。盡管在圖17中未顯示，對(duì)于大于3.5A的半徑，出現(xiàn)了另外的八個(gè)帶。最后的帶處于R近似等于8.86八。表1列舉了14個(gè)芯半徑帶的邊界和寬度，它們不支持p-0.47八的三角形PBFs中的表面模。如在表1中所示，第一個(gè)帶是最寬的。對(duì)于大部分目的而言，第一個(gè)帶也是最重要的，因?yàn)榈谝粋€(gè)帶是落在該P(yáng)BFIOO的單模范圍(例如，對(duì)于空氣-孔半徑p等于0.47八，R為大約1.2以下的范圍中)中的唯一的帶。所有其他帶，除第三個(gè)之外，基本比較窄。一般而言，當(dāng)芯106的半徑增加時(shí)，其中不支持表面模的帶變得更窄。注意就棒近似法的本質(zhì)，這些值獨(dú)立于光子晶格介質(zhì)102的折射率。表l:<table>tableseeoriginaldocumentpage28</column></row><table>為評(píng)價(jià)上述定量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，在超級(jí)計(jì)算機(jī)上使用全矢量平面波展開(kāi)法，對(duì)此種相同種類(lèi)的PBFs進(jìn)行數(shù)值模擬，如上所述。介質(zhì)被限定為石英，并且空氣-孔104的半徑p被限定等于0.47A。該模擬的結(jié)果作為被虛線連接的敞開(kāi)三角形被繪制在圖17中，其中右邊的垂直軸線表示由數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的表面模的數(shù)量。注意三角形點(diǎn)的曲線與圖9的三角形點(diǎn)的曲線精確相同。幾何判據(jù)預(yù)測(cè)(作為實(shí)線繪制在圖17中)的一致性非常好。通過(guò)比較表1的第二列中根據(jù)幾何判據(jù)產(chǎn)生的前三個(gè)無(wú)表面模帶的邊界值的信息與表1的第四列中根據(jù)模擬而產(chǎn)生的邊界值的信息，該一致性更加顯而易見(jiàn)。幾何判據(jù)產(chǎn)生的值在由模擬而產(chǎn)生的值的5%內(nèi)。注意由模擬產(chǎn)生的精確邊界半徑是以有限數(shù)值進(jìn)行計(jì)算的(例如，對(duì)于包括前三個(gè)無(wú)表面模帶的半徑)，并且是用有限數(shù)量的數(shù)字計(jì)算的，因?yàn)槟M是非常耗時(shí)的(例如每個(gè)半徑大約六小時(shí))。相反，幾何判據(jù)在短時(shí)間內(nèi)提供了更多的信息。同樣，要注意，盡管幾何判據(jù)不會(huì)精確地預(yù)測(cè)表面模的確切數(shù)量(參見(jiàn)圖17)，幾何判據(jù)的確表現(xiàn)出正確的趨勢(shì)。具體而言，幾何判據(jù)預(yù)測(cè)表面模一般隨芯106的半徑R的增大而變得更多，這與最初的假設(shè)是一致的。通過(guò)簡(jiǎn)單地重新計(jì)算不同的孔半徑p值的邊界半徑，光纖空氣填充比對(duì)表面模存在的影響也可以用上述幾何判據(jù)進(jìn)行快速地評(píng)價(jià)。計(jì)算的結(jié)果被圖示在圖18中，該圖繪制了在垂直軸線上的歸一化邊界芯半徑R/A(從R/A=0.6至R/A=2.0)與在水平軸線上的歸一化孔半徑p/A(從p/A=0.43至p/八二0.50)之間的關(guān)系。p的可能值被限制在近似0.43八(在該值以下，光子晶體沒(méi)有帶隙)與近似0.50A以下(在該值，膜112的厚度變?yōu)榱?之間。支持表面模的芯半徑與孔半徑的范圍畫(huà)成陰影(相交陰影線)，而不支持表面模的芯半徑的范圍是未畫(huà)陰影的。圖18顯示，具有較大的空氣填充比的較大的孔104產(chǎn)生了較寬的無(wú)表面模帶，因?yàn)榭諝?LllO的半徑p的增大減小了棒(由內(nèi)切圓114表示)的半徑"。因?yàn)榘舫叽巛^小，與棒相交的芯半徑R的范圍更窄，并且無(wú)表面模的帶的半徑變得更寬。其他感興趣的觀察可以從上述研究的結(jié)果獲得。首先，在實(shí)驗(yàn)性PBFs100中，芯106—般是通過(guò)從預(yù)制件中去除中心的七個(gè)管或者中心的十九個(gè)管而產(chǎn)生的。這些結(jié)構(gòu)分別對(duì)應(yīng)于近似為U5A和近似為2.1八的芯半徑R。本文所定義的幾何判據(jù)確定了這兩種結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出表面模的精確的模擬預(yù)測(cè)，例如，如在圖17中所示。表面模的存在至少部分解釋了迄今為止所制作的大部分光子帶隙光纖的高傳播損失。第二，在圖17中的模擬曲線顯示，在芯半徑上的少量變化是其從無(wú)表面模PBF至支持表面模的PBF所需的全部。轉(zhuǎn)變的突發(fā)性與產(chǎn)生表面模的擾動(dòng)過(guò)程是一致的，并且支持上面所討論的棒近似法的可信性。第三，較早討論的表1中的趨勢(shì)可以用簡(jiǎn)單的物理觀點(diǎn)進(jìn)行解釋。當(dāng)芯半徑增大時(shí)，棒的相鄰?fù)膶颖舜俗兊酶咏缭趫D16中所示。對(duì)于較大的半徑，為圓半徑找到避免所有棒的空間愈發(fā)困難。同樣，較大的半徑傾向于與多個(gè)棒相交，因此表面模的數(shù)量一般增加。從棒的第五和第六層可以容易地看到該效應(yīng)的表現(xiàn)，該棒的第五和第六層位于圖16的帶4和帶5之間。該第五和第六層放射狀重疊，因此合并為一個(gè)單個(gè)的更寬的芯半徑區(qū)，該區(qū)支持表面模。換句話說(shuō)，在棒的第五和第六層之間，不存在無(wú)表面模帶。關(guān)于第七、第八和第九層，同樣的效應(yīng)發(fā)生，所述第七、第八和第九層位于圖16中的帶5和帶6之間，并引起表1中的帶5的最大半徑(R-2.779A)與帶6的最小半徑(R4.322八)之間的數(shù)值差異。相反，當(dāng)芯106的半徑R增大時(shí)，無(wú)表面模帶變得愈加窄，這在表1的第五列中可容易地看出，其列舉了以八為單位的每一個(gè)無(wú)表面模帶的寬度?？梢灾庇X(jué)地預(yù)測(cè)，具有比某些臨界值凡大的半徑的芯106將支持表面模，因此僅有有限數(shù)量的無(wú)表面模帶是可得的。該直覺(jué)預(yù)測(cè)與表1的結(jié)果是一致的。具體而言，對(duì)于在此所評(píng)價(jià)的孔104的半徑p為0.47八的結(jié)構(gòu)而言，無(wú)表面模帶的數(shù)量受到限制(即僅僅14個(gè)帶)，并且臨界半徑凡(即近似為8.86A)存在，在該臨界半徑之上，表面模形成連續(xù)體。如通過(guò)表1中的值所顯示的，最后四個(gè)無(wú)表面膜的帶很窄(例如AR為百分之幾的八)，以至于最后四個(gè)帶對(duì)于大部分實(shí)際應(yīng)用可能是不能用的。對(duì)該觀察的推論是，具有本文所圖解說(shuō)明的特定幾何學(xué)以及具有大于5.4A的芯半徑R的多模PBFs有可能受到表面模的干擾。在圖15A和15B中的真正的體模式的任何波瓣1&2半徑的平均值為大約0.22A。與強(qiáng)度波瓣相比，在圖8中的內(nèi)切(虛線)圓的半徑為大約0.107A。通過(guò)改進(jìn)石英棒的等效半徑a的值，以及通過(guò)計(jì)算懸浮在空氣中的固體棒的基模的平均半徑，可以獲得更精確的圖和更好的定量一致。從本文所述的研究中所獲得的另一個(gè)觀察是，通過(guò)選擇具有不與任何棒相交的表面的非圓形芯形狀，對(duì)于任何芯大小，原則上可以避免表面模。在圖19中顯示了非圓形芯的實(shí)施例的示意圖，該非圓形芯具有特征尺寸，該特征尺寸對(duì)應(yīng)于從中心到芯的最近邊界的最短距離。對(duì)于六邊形形狀的芯(如由圖19中的虛線所描繪，以有助于肉眼觀察芯的形狀)，甚至當(dāng)芯區(qū)域很大時(shí)，可以避免任何表面模的引入。這樣的結(jié)構(gòu)可以表示在期望多模操作的應(yīng)用中對(duì)上述圓芯結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。本文所述的幾何判據(jù)并不限于具有圓形包層孔和圓芯的特定的三角形幾何學(xué)。它還適用于其他形狀和幾何學(xué)。按照上面的描述，簡(jiǎn)單的幾何判據(jù)可以快速地評(píng)價(jià)空氣-芯PBF是否顯示出表面模。比較幾何判據(jù)的結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果證明，當(dāng)應(yīng)用于具有三角形圖案包層和圓芯時(shí)，幾何判據(jù)精確地預(yù)測(cè)了不支持表面模有限數(shù)量的芯半徑帶的存在。對(duì)于十分大的圓芯(即對(duì)于高于這些帶中最大的半徑)，對(duì)于任何芯半徑而言，光纖支持表面模。這種通用的判據(jù)對(duì)分析光子晶體光纖中表面模的存在提供了有利的新工具，該光子晶體光纖具有任意晶體結(jié)構(gòu)和任意芯輪廓。圖20A和20B圖解說(shuō)明了作為波長(zhǎng)的函數(shù)的模的有效折射率的曲線圖。在圖20A中的曲線圖說(shuō)明了由CrystalFibre制造的光纖的指數(shù)。圖20B中的繪解說(shuō)明了由康寧公司(Coming)制造的光纖的指數(shù)。繪圖是用數(shù)值模擬產(chǎn)生的。以粗體曲線顯示基礎(chǔ)纖芯模，并且較不密的線是表面模。CrystalFibre纖芯模(圖20A)具有達(dá)到100dB/km量級(jí)的測(cè)量的最小損失，而Coming纖芯模(圖20B)具有13dB/km的測(cè)量的最小損失。纖芯模的損失據(jù)認(rèn)為主要是由于纖芯模與表面模的耦合，這是由于能量集中在芯表面附近而產(chǎn)生的固有損失。因此，表面模經(jīng)受了增強(qiáng)的瑞利散射。如果芯支持大量的表面模，則從纖芯模至表面模所耦合的總功率將被增強(qiáng)，因此損失將更大。另外，根據(jù)耦合模式理論熟知的是，在纖芯模至表面模的情況下，當(dāng)兩個(gè)模的有效折射率更接近時(shí)，兩個(gè)模的耦合將更強(qiáng)。當(dāng)考慮圖20A和20B中于1.50|_im波長(zhǎng)處的模時(shí)，可以看到，在CrystalFibre結(jié)構(gòu)中(圖20A)中存在著比Corning結(jié)構(gòu)中(圖20B)多得多的表面模。此外，Coming表面模的有效折射率為0.986以下，而纖芯模具有0.994的有效折射率，其間有0.8%的差異。另一方面，在CrystalFibre結(jié)構(gòu)中的纖芯模具有0.996的有效折射率，而最近的表面模具有0.994的有效折射率，其間僅有0.2%的差異。其他一切是相同的，具體而言，存在于這兩種光纖的芯中的幾何擾動(dòng)水平、纖芯模與表面模的耦合預(yù)期比在CrystalFibre制造的光纖中更強(qiáng)。因此，CrystalFibre光纖支持更多的表面模，并且表面模耦合更強(qiáng)烈，這與CrystalFibre光纖具有較高的傳播損失是一致的。根據(jù)上述，可以得出結(jié)論，為設(shè)計(jì)具有低損失的空氣導(dǎo)向PBFs，優(yōu)選的方法是完全消除表面模，如上述。如果不可能完全消除表面模，第二種方法是減少表面模的數(shù)量(例如通過(guò)保證芯不切割通過(guò)太多的包層晶格的角落)，以增加纖芯模與剩余表面模之間失諧的有效折射率，或者兩者。具有芯環(huán)的光子帶隙光纖上面的討論描述了對(duì)特定類(lèi)型的PBFslOO中表面模存在的詳細(xì)的研究。在圖21A中圖解說(shuō)明了不支持表面模的PBF的實(shí)施例。光纖包層包括具有孔104(例如充滿空氣的孔)的光子晶格102，該孔104具有基本圓形的截面，并且以三角形圖案排列在石英中。孑L104具有周期八，并且每一個(gè)孔104具有孔半徑p。圖21A的光纖芯106包括具有基本圓形截面的空氣-L，其半徑為R，并且該空氣-孔被集中在一個(gè)孔104上，好像半徑為R的孔鉆進(jìn)光纖中。如上所述，模擬和物理解釋顯示，如果芯106的表面切割通過(guò)在三個(gè)周?chē)?04之間的石英晶格102的較厚部分(其在圖21A中被稱為角落110)，芯106將支持表面模。但是如果芯106的表面僅與兩個(gè)相鄰孔104之間的晶格102的較薄部分(在圖21A中被稱為膜112)相交，芯106將基本沒(méi)有表面模。如上所述，該判據(jù)可以被用于設(shè)計(jì)空氣-芯PBFs100，該空氣-芯PBFsIOO在帶隙中的任何頻率下基本不支持表面模，因此推測(cè)起來(lái)，可被用于設(shè)計(jì)顯示出顯著更低損失的光纖100。圖21B圖解說(shuō)明了具有與圖21A的PBFIOO相同的一般幾何學(xué)的PBF200的示例性實(shí)施方式。除包括晶格202、多個(gè)孔204和芯206之外，PBF200還包括圍繞著芯206的芯環(huán)220。在某些實(shí)施方式中，芯環(huán)220沿PBF200延伸，并且具有一般包圍芯206的截面形狀。在某些實(shí)施方式中，環(huán)220具有內(nèi)圓周和外圓周，它們一般沿著PBFIOO的長(zhǎng)度，沿著繞PBF100的軸線的方位角方向或者二者彼此平行。在某些其他實(shí)施方式中，內(nèi)圓周和外圓周沿著PBFIOO的長(zhǎng)度、沿著繞PBF100的軸線的方位角方向或者二者不是彼此平行的。在某些實(shí)施方式中，芯環(huán)220具有厚度，該厚度一般沿著PBFIOO的長(zhǎng)度、沿著繞PBF100的軸線的方位角方向或者二者是恒定的。在某些實(shí)施方式中，芯環(huán)220具有厚度，該厚度一般沿著PBF100的長(zhǎng)度、沿著繞PBF100的軸線的方位角方向或者二者是變化的。圖21B的晶格202具有角落210和膜212，如上所述。如下面更完整地描述，具有薄芯環(huán)220的PBF200的計(jì)算機(jī)模擬提供了關(guān)于圍繞PBF200的芯206的薄芯環(huán)220的效應(yīng)的信息以及關(guān)于表面模存在的信息。這些模擬顯示，加入甚至非常薄的石英環(huán)220(例如大約0.03八的厚度)引入表面模。這些表面模具有集中在環(huán)220的敞開(kāi)片段(叩ensegments)上的主要的最大的量，并且這些表面模的色散曲線位于光子帶隙的上部帶邊與光線之間。這些特征表明，這些表面模是環(huán)220的導(dǎo)模，環(huán)220被空氣圍繞，位于環(huán)220的內(nèi)圓周222和環(huán)220的外圓周224的外部的光子晶格202之內(nèi)。環(huán)220的存在還誘發(fā)了基礎(chǔ)纖芯模中小畸變或扭曲和減少的群速度色散，也誘發(fā)了小的頻率下偏移。環(huán)表面模的強(qiáng)度分布表明，環(huán)表面模還引入了纖芯模的實(shí)質(zhì)損失，這是一個(gè)被已發(fā)表的實(shí)樣證據(jù)強(qiáng)有力支持的公理(postukte)?？諝?芯光纖的傳播損失可以通過(guò)各種技術(shù)來(lái)減少，包括但不限于(i)制造沒(méi)有芯環(huán)的光纖(如上所述)；(ii)保留環(huán)220，但是向著單模范圍的上末端(例如R<1.2A)選擇環(huán)220的半徑，以增加芯206與表面模之間的失調(diào)；(iii)減小環(huán)厚度，以減少環(huán)表面模的數(shù)量；或(iv)這些行為的組合。在某些實(shí)施方式中，光子帶隙光纖(PBF)具有包層光子晶體區(qū)，其包括由在石英中的多個(gè)孔構(gòu)成的三角形晶格，其中孔具有基本圓形的截面并且被周期A分隔開(kāi)。某些這樣的PBFs，其中孔充有空氣，例如在R.F.Creganetal.,iSV"g/e-Mocfe尸/zo她/cSa"c/Ga/o/丄妙fi，Science,Vol.285,3September1999,pages1537-1539;JesBroengetal"爿wa/戸Xo/m>尸/20加/c/zaw/gop,ers，OpticsLetters,Vol.25，No.2，January15，2000，pages96-98;禾卩JesBroengetal"P/70她/cCV>wto//^力en'^7VewC7owo/(9Wca/,vegw/cfes,OpticalFiberTechnology.Vol.5，1999，pages305-330中進(jìn)行的描述，它們?cè)诖吮蝗恳胱鳛閰⒖肌Ｔ趯?shí)踐中，空氣-芯光纖的截面圖稍微不同于在圖21A中所示的截面圖。某些實(shí)施方式的PBF是根據(jù)以堆成六邊形排列的石英毛細(xì)管制成的預(yù)制件而繪制的，并且從堆的中心去除一些管而形成芯。例如，為產(chǎn)生典型的單模芯，去掉七個(gè)管，如在圖22中所示。在從預(yù)制件中抽出光纖的過(guò)程中，表面張力拉動(dòng)管的軟化玻璃壁，引起在圖22中所示的芯的最初扇貝形輪廓變成平滑的石英薄環(huán)。這樣的芯環(huán)是目前商業(yè)空氣-芯的標(biāo)準(zhǔn)特征，例如，如在DirkMCJlleretal.,Meoy^eweW0/5W々ceModeCow///"g,ProceedingsofConferenceonLaserandElectro-Optics(CLEO)2003,Baltimore,USA,1-6June2003,paperQTuL2，2pages;B.J.Manganetal,，丄冊(cè)/ow(7.7必/A:w」/20〃owewe—otom'c6o"cfgap/6er,ConferenceonOpticalFiberCommunications,OFC2004,LosAngeles，California,February22-27,2004，PostdeadlinePaperPDP24,3pages;禾口TheisRHansenetal.，v4/r-GW(i/"g尸/zo/纖'c//a"(i/z'"g,IEEEJournalofLightwaveTechnology,Vol.22,No.1，January2004,pages11-15中所述，它們?cè)诖吮蝗恳胱鳛閰⒖肌－h(huán)在芯的邊緣處的存在引入新的邊界條件，在關(guān)于上面所討論的沒(méi)有芯環(huán)的光子帶隙光纖的光纖幾何學(xué)中，不存在該新的邊界條件。因此，新的表面模組預(yù)期存在于有成環(huán)的空氣-芯光纖中。如下所述，計(jì)算機(jī)模擬證實(shí)，甚至當(dāng)環(huán)相對(duì)薄時(shí)，芯環(huán)確實(shí)引入表面模。在某些實(shí)施方式中，空氣-芯PBF的環(huán)厚度小于0.03八，其中A是晶體的周期，而在其他實(shí)施方式中，環(huán)厚度小于0.02A，還是在其他實(shí)施方式中，環(huán)厚度小于0.01A。人們發(fā)現(xiàn)表面模是環(huán)本身的導(dǎo)模。環(huán)被在其內(nèi)部的填充芯的物質(zhì)(例如空氣)以及被在其外部的光子晶體環(huán)繞，并充當(dāng)波導(dǎo)。環(huán)也誘發(fā)小然而可注意到的基礎(chǔ)纖芯模的微擾，包括強(qiáng)度分布扭曲(intensityprofiledistortions)、群速度色散增加和頻率下偏移。對(duì)于某些光子帶隙光纖而言，這些環(huán)表面模可以引入主要的纖芯模的傳播損失。如本文所述，計(jì)算機(jī)模擬有利地提供了更好地理解這些表面模的行為和配置光子帶隙光纖的信息，以減少或消除表面模，目的是進(jìn)一步減少空氣-芯光纖的損失。在某些實(shí)施方式中，光子帶隙光纖200包括光子晶格202，其包含具有孔204的第一種材料(例如石英)，該孔204充滿第二種材料或物質(zhì)(例如空氣)，該第二種材料或物質(zhì)具有的折射率小于第一種材料的折射率。在某些實(shí)施方式中，每一個(gè)孔204具有p:0.47A的半徑，并且以三角形圖案排列，如在圖21B中所圖示。將包含第二種材料且具有半徑R的較大的孔加入該結(jié)構(gòu)中，以破壞其對(duì)稱并形成中心芯206。在第一組模擬中，研究了在芯206外圍處的薄石英環(huán)220的影響。在圖21A和21B中，芯半徑為R二0.9A。在某些實(shí)施方式中，選擇了芯半徑的該特定值，這樣芯206的表面僅僅切割通過(guò)包層晶格202的膜212，這在圖21B中是非常顯然的。如上所述，在無(wú)薄石英環(huán)220的情況下，某些實(shí)施方式的PBF不支持表面模。在圖21B中的環(huán)220具有R,=0.9A的內(nèi)半徑，并具有0.03A的小厚度。因此，由圖21B圖示的環(huán)220具有R2=0.93A的外半徑。在超級(jí)計(jì)算機(jī)上使用全矢量平面波展開(kāi)法，數(shù)值計(jì)算在圖21A和21B中所示的光纖100、200的體模式、纖芯模和表面模。例如參見(jiàn)StevenG.Johnsonetal"祝od"era"ve加^e"qy-fifoma/"(is^brM"x，//^e<5^a//oraa//a"e而ve6ay/j,OpticsExpress,Vol.8，No.3，29January2001,pages173-190，其在此被引入作為參考。使用10x10的超晶胞尺寸(supercellsize)和A/16的柵格分辨率進(jìn)行計(jì)算。圖23A圖解說(shuō)明了當(dāng)芯206未被環(huán)環(huán)繞時(shí)(例如在圖21A中所示的光纖IOO)，光纖100的計(jì)算的ft)4圖。在圖23A中虛線表示光纖帶隙的邊。如上所述，對(duì)于半徑R-0.9A，芯106僅支持基模(這實(shí)際上是在偏振中的雙重簡(jiǎn)并)。當(dāng)如在圖21B中所示加入薄芯環(huán)220時(shí)，在色散圖中出現(xiàn)兩個(gè)主要變化，它們顯示在圖23B。首先，如由圖23B中的實(shí)線所示，基模的色散曲線朝向低頻率移動(dòng)。通過(guò)比較圖23B的具有環(huán)220的色散曲線與圖23A的沒(méi)有環(huán)的色散曲線(再現(xiàn)為圖23B中的虛線)，朝向更低頻的移位是顯然的。沒(méi)有環(huán)而計(jì)算的光纖100的基模的強(qiáng)度分布被繪制在圖24A中。具有環(huán)220的光纖200的基模的強(qiáng)度分布被繪制在圖24B。在沒(méi)有環(huán)的情況下(圖24A)，基模強(qiáng)烈地集中在芯區(qū)。當(dāng)加入環(huán)220時(shí)(圖24B)，基模展示了具有六重對(duì)稱性的輻射狀脊峰(radialridges)。該脊峰是由環(huán)220引起的，其具有比芯206中的空氣更高的折射率，以使環(huán)220充當(dāng)局部波導(dǎo)(localguide)并從芯206的中心抽離一些模能量。因?yàn)樯晕⒏叩囊徊糠帜Ｄ芰看丝贪谑h(huán)220中，所以模被稍許減慢下來(lái)，這解釋了在圖23B中所示的在其色散曲線上的下頻移?；５娜核俣纫脖粶p小。在圖23B中所示的色散曲線中的第二個(gè)變化是五個(gè)新模的出現(xiàn)(三個(gè)非簡(jiǎn)并和兩個(gè)簡(jiǎn)并的，在圖23B中顯示為虛線)。在圖25A和25B中圖示的這些模中的兩個(gè)的強(qiáng)度分布顯示它們是表面模。在圖25A和25B中的強(qiáng)度分布表現(xiàn)出集中在環(huán)的敞開(kāi)片斷上的狹窄的最大的量，它們?cè)谶@些片段的兩側(cè)上急劇衰退到空氣中。(如此處所用，環(huán)的"敞開(kāi)片斷"是環(huán)的一部分，該部分跨越由芯的形成所切割的兩個(gè)膜部分之間。)，這樣的表面模的存在以前已經(jīng)在K.Saitohetal.,尸/20tom'c6a"t/-ga//6en'//ze/附/7"c/1o/jw—cewodes進(jìn)行了報(bào)告，其在上面被引用。與由空氣芯引入的表面模不同，這些模不是由光子晶體體模式的擾動(dòng)產(chǎn)生的。相反，這些模是由在空氣中的高指數(shù)材料的薄環(huán)的引入產(chǎn)生的，其充當(dāng)波導(dǎo)。如果所述模真正是在其兩側(cè)只被空氣環(huán)繞的環(huán)的模，它們將比光慢；然而，圖23B顯示，情況并非如此一所有這些模的色散曲線都在光線之上。在環(huán)的外部上的光子晶體因?yàn)橥瑯拥奈锢碓蚴惯@些模加速至高于光速，該物理原因引起纖芯模的相位速度大于光的速度。也要注意就由薄環(huán)引入的這些表面模不與帶隙內(nèi)的光線相交而言，由薄環(huán)引入的這些表面模不同于由空氣芯單獨(dú)引入的表面模。對(duì)圖25A和25B的仔細(xì)觀察顯示，最大的量的表面模不是精確地集中在環(huán)上，而是位于剛好在環(huán)內(nèi)側(cè)的空氣芯中。這并非最大的量的物理位置。相反，最大的量的偏移是由模擬器中的限制而產(chǎn)生的人為結(jié)果。模擬器使用傅立葉變換計(jì)算光纖模，并且自動(dòng)地使光子晶體介質(zhì)的最初陡峭的邊緣變平滑，以避免在它產(chǎn)生的解決方案中引入非物理震蕩。因此，模擬器模擬了具有折射率的環(huán)，其越過(guò)環(huán)兩側(cè)上的一些距離后從石英的折射率逐漸漸少至空氣的折射率。因此，所模擬的環(huán)比在圖25A和25B中所顯示的環(huán)稍厚。在其他計(jì)算中，可以通過(guò)增加光柵分辨率來(lái)避免該最大的量的偏移，這將使用相當(dāng)多的內(nèi)存，以及需要更長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。然而，該人工制品不影響這些模擬的定量結(jié)論。該人工制品僅僅產(chǎn)生了所模擬的環(huán)的實(shí)際厚度的不確定性，這比最初選擇的0.03A的標(biāo)稱值稍微大。在某些實(shí)施方式中，芯環(huán)的尺寸被選擇為減少光子帶隙光纖的損失以及減少光纖的基模與由芯或芯環(huán)誘發(fā)的表面模之間的耦合量。如此處所用，"芯誘發(fā)的表面模"表示由光纖內(nèi)的芯的存在而產(chǎn)生的模，而"環(huán)誘發(fā)的表面模"表示由光纖內(nèi)的芯的存在而產(chǎn)生的復(fù)數(shù)個(gè)模，而"環(huán)誘發(fā)的表面模"表示由光纖內(nèi)的芯環(huán)的存在而產(chǎn)生的復(fù)數(shù)個(gè)模。在某些實(shí)施方式中，芯環(huán)的尺寸被選擇以減少芯誘發(fā)的表面模的數(shù)量、環(huán)誘發(fā)的表面模的數(shù)量或兩者誘發(fā)的表面模的數(shù)量。在其中芯環(huán)具有外圓周、內(nèi)圓周以及介于外圓周與內(nèi)圓周之間的厚度的實(shí)施方式中，外圓周、內(nèi)圓周和厚度中至之一被選擇以減少芯誘發(fā)的表面模的數(shù)量、環(huán)誘發(fā)的表面模的數(shù)量，或兩者兼有。對(duì)于某些包括具有基本圓形截面的芯環(huán)的實(shí)施方式而言，外半徑、內(nèi)半徑和厚度中至少之一被選擇以減少芯誘發(fā)的表面模的數(shù)量、環(huán)誘發(fā)的表面模的數(shù)量，或兩者兼有。在某些實(shí)施方式中，芯區(qū)域的半徑(相應(yīng)于芯環(huán)的外半徑)被選擇以將芯誘發(fā)的表面模的數(shù)量減到最少。如上所述，利用具有僅僅通過(guò)光子晶格區(qū)域的外圓周，本文所述的某些實(shí)施方式基本避免了產(chǎn)生芯誘發(fā)的表面模，其中該光子晶格不支持最高頻體模式的強(qiáng)度波瓣?？捎糜谀承┻@樣的實(shí)施方式的單模光纖的芯環(huán)的外半徑的示例性范圍或值包括，但不限于小于1.2A、大約0.9八與大約1.13A之間、大約0.7A與大約1.05A之間、以及大約等于0.8A?？捎糜谀承┻@樣的實(shí)施方式的多模光纖的芯環(huán)的外半徑的示例性范圍或值包括，但不限于大約1.25A與大約1.4八之間、大約1.6A與大約2.0A之間、大約2.1八與大約2.2A之間、大約2.6八與大約2.8八之間、大約3.3八與大約3.4A之間。在某些實(shí)施方式中，芯環(huán)的厚度被選擇以將環(huán)誘發(fā)的表面模的數(shù)量減為最少。如下面更充分的描述，一般而言，較薄的芯環(huán)比比較厚的芯環(huán)支持更少的環(huán)誘發(fā)的表面模。在某些實(shí)施方式中，環(huán)厚度被選擇為足夠小，以支持最多一個(gè)環(huán)誘發(fā)的表面模?？捎糜诒疚乃龅哪承?shí)施方式的環(huán)厚度的示例性范圍或值包括，但不限于小于0.03A、小于0.02八及小于0.01八。第二組模擬模擬(model)了將薄環(huán)加入已經(jīng)支持表面模的空氣-芯光纖中的影響。為了進(jìn)行模擬，模擬使用與以前相同的光纖，只是芯半徑被增大至^=1.13A。該修正光纖的截面圖顯示在圖26A中。光纖芯現(xiàn)在切割通過(guò)介質(zhì)晶格的角落。因此，甚至在環(huán)不存在時(shí)，表面?，F(xiàn)在也是存在的，如上所述。圖26A的光纖的計(jì)算的co-k圖被繪制在圖27A中。如預(yù)測(cè)，除了兩個(gè)簡(jiǎn)并的纖芯模之外，圖26A的光纖顯示出幾種表面模(在此情況下為六個(gè)，兩個(gè)簡(jiǎn)并的和四個(gè)非簡(jiǎn)并的)。在上面已經(jīng)就沒(méi)有芯環(huán)的光子帶隙光纖討論了這些表面模的起源。簡(jiǎn)言之，當(dāng)空氣芯被引入光子晶體包層時(shí)，芯突然中斷了在芯的邊緣周?chē)慕橘|(zhì)晶格。芯用空氣局部地取代了介質(zhì)材料，并且光纖的所有最初體模式被擾動(dòng)。在圖21A中切割通過(guò)空氣孔的芯表面部分可以被認(rèn)為是用芯的空氣取代了空氣孔，并因此誘發(fā)了比較弱的微擾。例如參見(jiàn)F.Ramos-Mendietaetal.，o/Aepos/"owo/Aesw一cePhysicalReviewB,Vol.59，No.23，15June1999，pages15112-15120，其在此被引入作為參考。相反，在圖21A中切割通過(guò)光子晶體的介質(zhì)區(qū)的芯表面部分可以用芯中的空氣取代晶格的介質(zhì)材料，并因此更強(qiáng)烈地?cái)_動(dòng)了體模式。表面模是否是由芯的引入而誘發(fā)的取決于體模式微擾的大小或程度，并且體模式微擾的大小取決于介質(zhì)區(qū)的那些區(qū)域與芯相交。如上關(guān)于沒(méi)有芯環(huán)的光子帶隙光纖所述，如果芯半徑是使得芯表面僅僅切割通過(guò)介質(zhì)膜，所述介質(zhì)膜相對(duì)薄，則微擾不足以強(qiáng)至誘發(fā)表面模，但是當(dāng)表面模切割通過(guò)一個(gè)或多個(gè)介質(zhì)角落時(shí)，微擾則較強(qiáng)，并且表面模被誘發(fā)。前述描述解釋了為何表面模存在于圖26A的光纖中，而在圖21A的光纖中是不存在的。因?yàn)檎凵渎蕯_動(dòng)是負(fù)的(即較高折射率材料被較低折射率材料代替)，在co-k圖中的體模式全部在kz空間中從它們各自的未擾動(dòng)位置向下移動(dòng)，或者等同地，體模式的頻率全部向上移動(dòng)。對(duì)于石英/空氣PBF而言，折射率差足夠小，因此此移動(dòng)小。因此幾乎所有擾動(dòng)的體模式保持在體模式帶中，并且不誘發(fā)表面模。例外是處于低頻帶的最高頻率體模式帶中的模。因?yàn)榇祟?lèi)模正好位于co-k圖中的帶隙之下，微擾將此類(lèi)模作為表面模移動(dòng)到帶隙中。例如參見(jiàn)F.Ramos-Mendietaetal.，5W々cee/e"ra扁g"e"c而ves/"fwo-d/me服,owa/—o/om'cc，/aAsv^fe"q/"Ae/as"/o"o///zesw^3ce尸/朋e，其在上面被弓|用。這些表面模預(yù)期與它們?cè)从诘捏w模式具有同樣的對(duì)稱性，例如所述表面模全部顯示出集中在晶格的介質(zhì)角落上的狹窄波瓣。例如參見(jiàn)MichelJ.F.Digonnetetal.,S/mp/egeowe^7'ccn7en.owtoex/stewceo/sw/^cewofifey/"a/r-core//20/ow/c-Z)"wdgapy6^-j，其在上面被引用。這符合于圖27A的所有表面模。順便說(shuō)一下，所述表面模的色散曲線都與帶隙內(nèi)的光線相交。當(dāng)在該光纖的芯周?chē)氡∈h(huán)時(shí)，如在圖26B中所示，co-k圖發(fā)展為圖27B中的新圖。再次，兩個(gè)幾乎簡(jiǎn)并的基模被稍微慢化。因此，基模在頻率上被下移?；谙嗤奈锢碓?，六個(gè)預(yù)存在的表面模也是頻率下移的。對(duì)于表面模而言，該移動(dòng)比對(duì)于基模而言要大，這意味著表面模被推離開(kāi)基模。因此，在某些實(shí)施方式中，薄芯環(huán)的引入有利地減少預(yù)存表面模與基模的耦合效率，這從而減少了光纖損失。在某些實(shí)施方式中，薄環(huán)的加入也引入了一組新的表面模，如在圖27B中可見(jiàn)，這使得光纖損失惡化。這些表面模(兩個(gè)簡(jiǎn)并的和三個(gè)非簡(jiǎn)并的，如前)再次被環(huán)的敞開(kāi)片段支持，并且通過(guò)光子晶體的存在而被加速。如預(yù)期的，在圖27B中所引入的表面模的分布與通過(guò)在最初不支持表面模的空氣-芯光纖中的環(huán)所引入的表面模的輪廓性質(zhì)上類(lèi)似，例如，如在圖25A和25B中所示。因?yàn)樵诳諝庑局?，加入的環(huán)用介質(zhì)材料(例如石英)取代了空氣，由環(huán)所引入的微擾與當(dāng)單獨(dú)引入空氣芯時(shí)具有相反的符號(hào)(sign)。折射率微擾此刻是負(fù)的(例如，較低折射率材料被較高折射率材料代替)，并且在w-)t圖中，所有體模式在頻率上下移。在該微擾十分大的實(shí)施方式中，上頻帶的最低頻體模式下移到帶隙中，并且遮蔽表面模。此結(jié)果是當(dāng)在PBF中單獨(dú)引入空氣芯時(shí)所發(fā)生的鏡像，在這種情況下，折射率微擾是正的，并且低頻帶的最高頻體模式作為表面模移動(dòng)到帶隙中。在o;i圖中，被上頻帶模遮蔽的表面模的色散曲線剛好位于它們所起源的上頻帶之下，例如，在與圖27B所述的環(huán)支持表面模相同的一般位置。然而，此類(lèi)表面模也將具有上頻帶體模式的對(duì)稱性，例如它們的最大的量將位于光子晶格的膜上。因?yàn)樵趫D27B中的表面模無(wú)一表現(xiàn)出期望的對(duì)稱性，所以在某些此類(lèi)實(shí)施方式中，環(huán)足夠薄，以使得它在晶格上引入的微擾太弱而不能從上頻帶產(chǎn)生表面模。Coming研究人員已經(jīng)提供了在他們的一些空氣-芯光纖中表面存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。例如參見(jiàn)DirkMUlleretal.,^Mecm^eweWo/尸/zotom'c萬(wàn)"wcZ-g"/W6e,7朋，/肌'om々om7.0to3.07wp""o/tSw/^hcei^fo^CbWp//wg，其在上面被引用。對(duì)于在芯周?chē)哂斜〉牧呅苇h(huán)的光纖，大約在光纖透射光譜的中間，Coming研究人員測(cè)量到位于約1600納米周?chē)膹?qiáng)衰減峰。他們通過(guò)模擬推斷，該峰是由于碰巧在約1600納米周?chē)c基模的色散曲線相交的少量表面模所致。在該光譜區(qū)中，纖芯模與這些表面模之間的耦合因此是共振的，這導(dǎo)致了研究人員所觀察到的衰減峰。使用上述Coming光纖的發(fā)表的截面圖作為模擬代碼的輸入，與本文所述的那些類(lèi)似的模擬證實(shí)了Corning研究人員的發(fā)現(xiàn)。另外，這些模擬顯示，這些共振表面模具有集中在光纖的六邊形芯環(huán)的敞開(kāi)片段上的最大的量，這暗示，表面模再次完全地被環(huán)支持?！┚哂形挥谛局?chē)沫h(huán)的實(shí)驗(yàn)性空氣-芯PBFs顯示出假中頻衰減峰，例如，如在上面引用的DirkMGlleretal.,^"ecm^ewe"fo/尸/zo/ow/cBawd-ga/i^76erJhwsmiw/o"々owto/^w7w/acfyiS"w/ybceCbw///wg禾口BJ.Manganetal.，丄ow/cw(7.7c/5/tm,/w〃owco/7/20tow'c6a"dgG/y^^中所述，后一篇在上面被引用。其他實(shí)驗(yàn)性空氣-芯PBFs未顯示該峰。例如參見(jiàn)TheisP.Hansenetal.，v4!>-Gw'W"g尸/zotom'cBowc/gop/^力en'iS/ec/ra/尸ra/eWes，Macro丄o^'朋d尸ra"/ca///朋W/"g，其在上面被引用，以及參見(jiàn)Z/o〃owCwe尸/zotow/c5aw/ga;F/6er,blazephotonics.com,pages1-4;其在此被引入作為參考。這些差異表明環(huán)與晶體幾何學(xué)的特定結(jié)合使表面模移動(dòng)到帶的中間，而其他結(jié)合則不然。因此，在某些實(shí)施方式中，環(huán)和晶體幾何學(xué)有利地被設(shè)計(jì)為減少或避免頻帶內(nèi)的表面模。在某些實(shí)施方式中，甚至如果無(wú)環(huán)PBF的芯半徑被選擇以避免由低頻帶體模式所遮蔽的表面模時(shí)，如上關(guān)于沒(méi)有芯環(huán)的光子帶隙光纖的描述，一旦環(huán)被引入，表面模仍有可能存在。因?yàn)檫@些表面模在介質(zhì)環(huán)中具有高電場(chǎng)，所以預(yù)料這些表面模是有耗損的，如同其他表面模。此外，因?yàn)榛A(chǔ)纖芯模在環(huán)的敞開(kāi)片段上具有相對(duì)大的場(chǎng)，在圖24B中所示，纖芯模與被環(huán)支持的表面模的重疊比在無(wú)環(huán)光纖中要大。因此，在某些實(shí)施方式中，預(yù)測(cè)從纖芯模到這些表面模的耦合要比在無(wú)環(huán)光纖中大，這意味著這些表面模有可能引入大量損失，因此是不期望的。上面所討論Coning的光纖的模擬和實(shí)驗(yàn)觀察充分支持該觀點(diǎn)?？梢砸愿鞣N方式減輕由環(huán)誘發(fā)的損失。在某些實(shí)施方式中，光纖是在沒(méi)有芯環(huán)的情況下制造的，如上所述。在某些這樣的實(shí)施方式中，光纖攜帶單模，并且無(wú)表面?？缭秸麄€(gè)帶隙。在某些其他實(shí)施方式中，外環(huán)半徑、內(nèi)環(huán)半徑和環(huán)厚度中的一個(gè)或多個(gè)被選擇以減少PBF的損失。通過(guò)減少環(huán)誘發(fā)的表面模的數(shù)量、減少環(huán)誘發(fā)的表面模與基模之間的耦合(例如，通過(guò)使環(huán)誘發(fā)的表面模遠(yuǎn)離圖中的基模)或二者兼有，某些這樣的實(shí)施方式與其他結(jié)構(gòu)相比有利地減少了光纖損失的量。在某些實(shí)施方式中，光子帶隙光纖的芯環(huán)圍繞芯，并且具有通過(guò)光子晶格區(qū)的外圓周，該光子晶格區(qū)支持最高頻體模式的強(qiáng)度波瓣。在某些其他實(shí)施方式中，環(huán)圍繞芯，并且具有一個(gè)外圓周，該外圓周通過(guò)一個(gè)或多個(gè)內(nèi)切圓，所述內(nèi)切圓被晶格材料的一部分圍繞，并且具有與三個(gè)鄰近孔相切的圓周。圖26B圖解說(shuō)明了一個(gè)示例性實(shí)施方式，在該實(shí)施方式中，芯環(huán)具有基本圓形的截面、通常與外圓周平行的內(nèi)圓周以及介于內(nèi)圓周與外圓周之間的厚度。其他形狀的芯環(huán)(例如，非圓形截面、非平行的內(nèi)和外圓周)也可用于本文所述的實(shí)施方式。另外，當(dāng)圖26B的光纖晶格具有三角形圖案的孔，這些孔具有基本圓形的截面時(shí)，其他圖案和形狀的孔也可用于本文所述的實(shí)施方式。如上所述，對(duì)于恒定的環(huán)厚度(例如0.03八)，當(dāng)環(huán)半徑(例如外環(huán)半徑)從0.9八增加至1.13八時(shí)，環(huán)表面模的數(shù)量保持不變(在兩種情況為都為五個(gè))。因此，在光纖為單模的芯半徑的范圍(R〈1.2八)內(nèi)，表面模的數(shù)量保持恒定。然而，將環(huán)半徑從0.9A增加至1.13A在頻率上向上移動(dòng)了環(huán)表面模的色散曲線，例如，遠(yuǎn)離基模的色散曲線，如通過(guò)比較如23B和圖27B可以看出。在某些實(shí)施方式中，芯環(huán)的外半徑足夠大至將環(huán)誘發(fā)的表面模的色散曲線移動(dòng)而遠(yuǎn)離光纖的基模的色散曲線。因此，在某些實(shí)施方式中使用大的芯半徑有利地增加基模與表面模之間的失諧，因此削弱基模與表面模之間的耦合，并且降低光纖損失。在某些實(shí)施方式中，芯環(huán)的外半徑被選擇以誘發(fā)環(huán)表面模，所述表面模具有從光纖的基模色散曲線基本去耦的色散曲線。圖28圖解說(shuō)明了可選的光子晶體(PC)結(jié)構(gòu)，其跨越它的膜被無(wú)限薄的平板中斷，并且其被用于模擬PBF。PC具有與上面所討論的PBF結(jié)構(gòu)相同的在石英中的三角形圖案和空氣芯半徑^=0.47八)。使用圖28的光子晶體勝過(guò)光纖結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，PC對(duì)稱性允許小得多的超晶胞尺寸被使用。例如，lxl6V^的超晶胞尺寸可以被用在此種情況中，代替10x10超晶胞尺寸。因此，對(duì)于特定計(jì)算時(shí)間，柵格分辨率可以小得多(A/64)。如預(yù)期的，使用圖28的PC結(jié)構(gòu)的模擬顯示，薄板支持集中在薄板的敞開(kāi)片段上的表面模。己經(jīng)發(fā)現(xiàn)板表面模的數(shù)量隨著板厚的減小而減少。當(dāng)板厚向著零減小時(shí)(0.001A是模擬的最小值)，由板所支持的表面膜的數(shù)量可降至零或非零漸進(jìn)值。另外，隨著環(huán)厚度減小，表面模移到帶隙中。在某些實(shí)施方式中，甚至對(duì)于幾乎等于零的厚度而言，環(huán)可以支持表面模。在上面已經(jīng)描述了各種實(shí)施方式。盡管已經(jīng)參考這些具體的實(shí)施方式描述了本發(fā)明，所述描述旨在對(duì)本發(fā)明進(jìn)行示例說(shuō)明，而并非用于限制本發(fā)明。在不背離如在所述權(quán)利要求書(shū)中所限定的本發(fā)明的真正精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可想到各種各樣的修改和應(yīng)用。權(quán)利要求1.一種光子帶隙光纖，包括光子晶格，其包含具有第一折射率的第一種材料，所述第一種材料具有在其中形成的第二種材料的圖案，所述第二種材料或物質(zhì)具有比所述第一折射率低的第二折射率，所述光子晶格具有多個(gè)第一區(qū)域和多個(gè)第二區(qū)域，所述多個(gè)第一區(qū)域支持最高頻體模式的強(qiáng)度波瓣，所述第二區(qū)域不支持最高頻體模式的強(qiáng)度波瓣；中心芯，其形成于所述光子晶格中；和具有外圓周的芯環(huán)，所述芯環(huán)圍繞所述中心芯，其中所述芯環(huán)的外圓周僅僅通過(guò)所述光子晶格的所述第二區(qū)域。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)包含所述第一種材料，而所述中心芯包含所述第二種材料或物質(zhì)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有基本圓形的截面。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有通常平行于所述外圓周的內(nèi)圓周。5，根據(jù)權(quán)利要求4所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有在所述內(nèi)圓周與所述外圓周之間的厚度，該厚度被選擇以減少由所述芯環(huán)支持的環(huán)表面模的數(shù)量。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有不平行于所述外圓周的內(nèi)圓周。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有在所述內(nèi)圓周與所述外圓周之間的厚度，該厚度被選擇以減少由所述芯環(huán)支持的環(huán)表面模的數(shù)量。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子帶隙光纖，所述第二種材料的圖案包括多個(gè)幾何區(qū)域，每一個(gè)幾何區(qū)域具有帶有各自中心的截面，并且鄰近的幾何區(qū)域通過(guò)中心與中心距離八而被分隔開(kāi)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有大約0.03A以下的厚度。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有小于大約0.02A的厚度。11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有小于大約0.01A的厚度。12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有基本圓形截面，該截面的外半徑小于1.2A。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有介于大約0.9A與大約1.13A之間的外半徑。14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有介于大約0.7A與大約1.05A之間的外半徑。15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有大約0.8A的外半徑。16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有介于大約1.25A與大約1.4A之間的外半徑。17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有介于大約1.6A與大約2.0八之間的外半徑。18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有介于大約2.1A與大約2.2A之間的外半徑。19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有介于大約2.6A與大約2.8A之間的外半徑。20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有介于大約3.3A與大約3.4A之間的外半徑。21.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光子帶隙光纖，其中所述第二種材料的每一個(gè)幾何區(qū)域具有基本圓形的截面，所述截面具有0.5A以下的半徑P。22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子帶隙光纖，其中所述光子帶隙光纖是單模光纖。23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子帶隙光纖，其中所述光子帶隙光纖是多模光纖。24.—種光子帶隙光纖，包括光子晶格，其包含具有第一折射率的介質(zhì)材料，所述介質(zhì)材料具有在其中形成的周期性的區(qū)域圖案，每一個(gè)區(qū)域具有基本圓形的截面，每一個(gè)區(qū)域具有比所述第一折射率低的第二折射率，每一個(gè)區(qū)域與鄰近區(qū)域分隔開(kāi)，其中彼此鄰近的三個(gè)區(qū)域的每一組限定了所述介質(zhì)材料的一部分，其具有截面，所述截面大小適合圍繞一內(nèi)切圓，該內(nèi)切圓具有與所述三個(gè)鄰近區(qū)域相切的圓周；芯，其形成于所述光子晶格中；和具有外圓周的芯環(huán)，所述芯環(huán)圍繞所述芯，其中所述芯環(huán)的所述外圓周不通過(guò)所述內(nèi)切圓的任何一個(gè)。25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有基本圓形的截面。26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光子帶隙光纖，其中所述芯環(huán)具有通常平行于所述外圓周的內(nèi)圓周。27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光子帶隙光纖，其中所述介質(zhì)材料是石英。28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光子帶隙光纖，其中所述區(qū)域含有空氣。29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光子帶隙光纖，其中所述圖案是三角形，并且每一組彼此鄰近的區(qū)域包含三個(gè)區(qū)域。30.—種光子帶隙光纖，包括光子晶格，其包含具有第一折射率的介質(zhì)材料，所述介質(zhì)材料具有在其中形成的周期性的區(qū)域圖案，每一個(gè)區(qū)域具有基本圓形的截面，每一個(gè)區(qū)域具有比所述第一折射率低的第二折射率；中心芯，其形成于所述光子晶格中；和具有基本圓形截面和外半徑的芯環(huán)，所述芯環(huán)圍繞所述中心芯，其中所述芯環(huán)誘發(fā)環(huán)表面模，所述環(huán)表面模具有從所述光纖的基模色散曲線基本去耦的色散曲線。31.—種光子帶隙光纖，包括光子晶格，其包含具有第一折射率的介質(zhì)材料，所述介質(zhì)材料具有在其中形成的周期性的區(qū)域圖案，每一個(gè)區(qū)域具有基本圓形的截面，每一個(gè)區(qū)域具有比所述第一折射率低的第二折射率；中心芯，其形成于所述光子晶格中；和具有基本圓形截面和厚度的芯環(huán)，所述芯環(huán)圍繞所述中心芯，其中所述芯環(huán)的厚度足夠小，以便支持最多一個(gè)環(huán)誘發(fā)的表面模。32.—種設(shè)計(jì)光子帶隙光纖的方法，所述光子帶隙光纖包含具有在其中形成的區(qū)域圖案的材料，以形成圍繞芯的光子晶格，所述材料具有第一折射率，所述區(qū)域圖案具有比所述第一折射率低的第二折射率，所述方法包括在所述光子晶格中設(shè)計(jì)基本圓形的芯環(huán)，所述芯環(huán)圍繞所述芯，并且具有外半徑、內(nèi)半徑和介于所述外半徑與內(nèi)半徑之間的厚度，所述外半徑、內(nèi)半徑和厚度中的至少一個(gè)被選擇以減少光子帶隙光纖的損失。33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述外半徑、內(nèi)半徑和厚度中至少之一被選擇以減小環(huán)誘發(fā)的表面模的數(shù)量、減少環(huán)誘發(fā)表面模與光子帶隙光纖的基模之間的耦合，或者二者。34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述厚度被選擇以減少環(huán)誘發(fā)表面模的數(shù)量。35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述外半徑被選擇以減少環(huán)誘發(fā)表面模與光子帶隙光纖的基模之間的耦合。36.—種設(shè)計(jì)光子帶隙光纖的方法，所述光子帶隙光纖包含具有在其中形成的區(qū)域圖案的材料，以形成圍繞一芯的光子晶格，所述材料具有第一折射率，所述區(qū)域的圖案具有比所述第一折射率低的第二折射率，所述方法包括在所述光子晶格中設(shè)計(jì)基本圓形的芯環(huán)，所述芯環(huán)圍繞所述芯，并且具有外半徑、內(nèi)半徑和介于所述外半徑與所述內(nèi)半徑之間的厚度，所述外半徑、內(nèi)半徑和厚度中的至少之一被選擇為以減少環(huán)誘發(fā)的表面模的數(shù)量。全文摘要光子帶隙光纖，包括光子晶格，光子晶格具有第一種材料，該第一種材料具有第一折射率和在其中形成的第二種材料或物質(zhì)的圖案。所述第二種材料具有比所述第一折射率低的第二折射率。所述光子晶格具有支持最高頻體模式的強(qiáng)度波瓣的多個(gè)第一區(qū)域，以及具有不支持最高頻體模式的強(qiáng)度波瓣的多個(gè)第二區(qū)域。所述光子帶隙光纖還包括在光子晶格中形成的中心芯。該光子帶隙光纖還包括具有外圓周的芯環(huán)。該芯環(huán)環(huán)繞中心芯，其中芯環(huán)的外圓周僅僅通過(guò)光子晶格的第二區(qū)域。文檔編號(hào)G02B6/02GK101288009SQ200580020215公開(kāi)日2008年10月15日申請(qǐng)日期2005年5月6日優(yōu)先權(quán)日2004年5月8日發(fā)明者G·S·基諾,H·K·金,J·星,M·J·F·迪戈內(nèi),V·當(dāng)吉,范汕洄申請(qǐng)人:里蘭斯坦福初級(jí)大學(xué)理事會(huì)