專利名稱：單模光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單模光纖，該單模光纖可以用于以實(shí)質(zhì)上比使用傳統(tǒng)方法可以達(dá)到的功率更高的功率傳輸光輻射。該光纖在高功率下受非線性影響和光學(xué)損壞的程度與傳統(tǒng)光纖不同樣。特別是，該光纖可以用作單模波導(dǎo)、用于單模光纖激光器或者單模光纖放大器中。
光纖廣泛用于從一點(diǎn)向另一點(diǎn)傳輸光，而且可以用于通信、成象和傳感。傳統(tǒng)上，典型光纖是長股透明材料，沿著它的長度上是均勻的，但是折射率沿著截面變化。例如，高折射率的中心區(qū)被低折射率的包層區(qū)包圍。這樣的光纖可以由熔融二氧化硅制成，純二氧化硅包層包圍芯，所述芯由故意加入雜質(zhì)的二氧化硅制成，以便提高折射率。通過在芯和包層之間的界面上發(fā)生的全內(nèi)反射過程，光被限制在芯內(nèi)或附近。
通常，這種類型的光纖可以支持限制在芯內(nèi)的一個(gè)以上的傳播模式(即多模光纖)，這些模式沿著光纖以不同的相速度傳播。然而，如果芯制成足夠小，那么將只有一個(gè)傳播模式基模限制在芯內(nèi)(即單模光纖)。也就是說，當(dāng)光纖的發(fā)射端的條件變化時(shí)，和當(dāng)光纖本身經(jīng)受干擾例如橫向壓力或者彎曲時(shí)，從光纖出射的光分布不變。通常，設(shè)計(jì)成傳播波長為1500nm的單模光的光纖芯可能具有百分之幾的鍺摻雜劑，芯直徑為9μm。
最近，已經(jīng)研究出一種光子晶體光纖(PCF)，該光纖包括由透明材料制成的包層，在包層中沿著光纖長度上掩埋有孔陣列[J.C.Knight，etal.Opt.Lee，21(1996)p.1547.ErrataOpt.Lett.22(1997)p.484]。這些孔橫向排列成周期性陣列，并填充折射率比包層區(qū)部分低的材料，該光纖的芯包括打斷包層周期性的透明區(qū)。通常，芯和包層都由純?nèi)廴诙趸柚瞥?，而且孔中填充空氣。芯直徑大約為5μm，整個(gè)光纖的平面-平面寬度大約為40μm，孔間距大約為2-3μm。如果光纖中空氣孔的直徑是孔之間距離或間距的足夠小的一部分，光纖芯以單模方式傳播光。
在遠(yuǎn)距離通信、激光功率傳輸和許多傳感器應(yīng)用領(lǐng)域中單模光纖優(yōu)于多模光纖，這是由于如下事實(shí)，即被光纖運(yùn)載的光信號只以一種模式傳播，從而避免了多模光纖遇到的模間色散問題。而且，在給定波長保證單模光纖上的光強(qiáng)度分布單調(diào)、平滑、已知而且不變化。這與光怎樣入射到光纖及光纖的任何干擾無關(guān)(例如隨時(shí)間變化)。
在許多應(yīng)用中最好光纖運(yùn)載盡可能多的光功率，因?yàn)槔缛魏喂饫w都不可避免地衰減通過它的光。例如，對于給定的傳感器靈敏度，可以通過增加輸入到光纖的光輻射功率增加通信鏈路的長度。作為另一個(gè)例子，如果通過光纖而不是使用傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)傳播光，在工業(yè)應(yīng)用中有許多高功率激光器系統(tǒng)可以更簡單地制造。然而，已知光纖在給定時(shí)間內(nèi)運(yùn)載的光量是有限的。
在傳統(tǒng)光纖中，包括被低折射率包層區(qū)包圍的芯區(qū)，如果光纖中的光強(qiáng)度超過閾值，制成光纖的材料將最終不可恢復(fù)地?fù)p壞。在低強(qiáng)度時(shí)，可能出現(xiàn)許多與強(qiáng)度有關(guān)的非線性光學(xué)過程，雖然這些過程不損壞光纖，然而可能降低甚至破壞光信號。
這些問題可以通過增加光纖芯的尺寸減輕，對于給定的功率，這樣可以降低芯中的光強(qiáng)度，從而允許在達(dá)到非線性過程的閾值之前運(yùn)載較大功率。然而，如果只增加芯直徑，光纖將變成多模。這可以通過降低芯與包層之間的折射率差補(bǔ)償。然而，最終將變得難以控制芯中摻雜的均勻性。而且，折射率差較小的光纖在彎曲時(shí)容易損失光。因此，為了增加單模光纖的功率容量而增加芯尺寸的程度受到限制。
一些非線性影響由于芯中存在摻雜劑而加重，這樣使得材料更容易受這些影響。在高功率時(shí)，摻雜光纖更容易不可恢復(fù)地?fù)p壞。摻雜劑也使得光纖更容易被離子輻射損壞，這在核工業(yè)中是一個(gè)問題。這一問題已經(jīng)通過用純二氧化硅以外的材料制造芯解決。通過在包層中加入摻雜劑降低它的折射率，來保持全內(nèi)反射，因?yàn)榘鼘又袀鞑サ墓獗刃局猩?，因此可以傳播較高功率。然而，這受到部分光在摻雜包層中傳播這一事實(shí)的限制。
此外，在傳統(tǒng)光纖中，有效地高功率激光耦合到光纖中成為問題，因?yàn)樾枰压饩劢乖谛↑c(diǎn)上，因此光纖端面上的強(qiáng)度比較粗芯時(shí)的大。光纖端面上或附近的光損壞有時(shí)會限制可以發(fā)射到光纖中的光輻射功率[S.W.Allison et al.，Appl.Opt.24(1985)p.3140]。傳統(tǒng)單模光纖中已經(jīng)達(dá)到的最大連續(xù)波(cw)功率只有大約15W。
本發(fā)明克服利用傳統(tǒng)光纖傳輸高功率光輻射同時(shí)保持單模特性兩者不相容的問題。特別是，光纖可以用作從一點(diǎn)到另一點(diǎn)傳播光輻射的波導(dǎo)，或者可以用于光纖放大器或光纖激光器中。該光纖能夠支持最大功率在100W-2kW范圍內(nèi)的光輻射單模傳播。而且，如果芯不摻雜，與傳統(tǒng)(摻雜)光纖相比該光纖在高強(qiáng)度下不容易不可恢復(fù)地?fù)p壞。光纖中的非線性光學(xué)過程的影響被降低，因此從光纖輸出的高功率信號不被降低。該光纖還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即高功率光輻射可以有效地耦合到光纖中，而不需要聚焦成小尺寸光束點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，用于傳輸光輻射的光纖包括由基本上透明的芯材料制成的芯，芯折射率為n，長度為l，芯直徑至少為5μm，和包圍芯材料長度的包層區(qū)，其中包層區(qū)包括具有第一折射率的第一基本上透明的包層材料，而且所述第一基本上透明的包層材料沿著它的長度上嵌有基本上呈周期陣列的孔，所述孔具有小于第一折射率的第二折射率。
以便輸入到光纖中的光輻射以單模傳播方式沿著芯材料長度方向傳輸。
如果孔的直徑為d，而且分離距離為Λ，對于基本上固定的d/Λ比值，光纖對于任何間距值Λ可以是與輸入光輻射波長無關(guān)的單模模式。因此，本發(fā)明提供如下優(yōu)點(diǎn)，即與利用傳統(tǒng)光纖可以實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展波長范圍相比，對于該范圍內(nèi)的任何波長，光纖可以制成單模。這是因?yàn)閷τ跀U(kuò)展波長范圍內(nèi)的任何波長，對于固定d/Λ比值光纖保持為單模。
最好，第一基本上透明的包層材料的折射率可以不低于芯折射率。在最佳實(shí)施例中，芯直徑至少可以是10μm。在另一個(gè)最佳實(shí)施例中，芯直徑至少可以是20μm。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，至少可以缺少陣列中的一個(gè)孔使得它形成光纖的芯?？卓梢栽O(shè)置成大體上呈六角形圖案。
孔可以是真空區(qū)或者可以填充第二包層材料。例如，第二包層材料可以是任何基本上透明的材料，可以是空氣或其他氣體(例如氫氣或者烴)，可以是液體(例如水、任何其他水溶液或者染料溶液)，或者可以是固體(例如折射率與第一包層材料不同的玻璃材料)。
第一基本上透明的包層材料可以具有基本上均勻的第一折射率，而芯材料具有基本上均勻的芯折射率。芯材料和第一基本上透明的包層材料可以是同一種材料。例如，至少芯材料和第一基本上透明的包層材料之一可以是二氧化硅。最好，孔直徑不小于光纖中將傳播的光的波長。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，基本上透明的芯材料可以包括摻雜材料，例如諸如鉺的稀土離子。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，用于放大信號光輻射的光纖放大器包括這里所述的一定長度的光纖，用于接收選擇波長的信號光輻射并沿著它的長度方向傳輸所述信號光輻射，其中芯材料至少沿著它的部分長度包括摻雜材料，光輻射源，用于發(fā)射不同的選擇波長的泵浦光，以便輸入到所述長度的光纖中，使得在泵浦光輻射作用下所述部分的摻雜芯材料放大信號光輻射，以及波長選擇發(fā)射裝置，用于選擇發(fā)射泵浦光輻射進(jìn)入所述長度的光纖，和用于從光纖放大器中選擇輸出放大的信號光輻射。
例如，波長選擇發(fā)射裝置可以包括輸入透鏡和輸出透鏡，用于聚焦光輻射的；和二向色鏡，用于選擇反射泵浦光輻射進(jìn)入光纖，和用于選擇發(fā)射光纖放大器輸出的放大的輸入光輻射?；蛘?，波長選擇發(fā)射裝置包括響應(yīng)與波長相關(guān)的光纖定向耦合器。
摻雜材料可以包括稀土離子，例如鉺離子。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，用于輸出激光輻射的光纖激光器包括這里所述的一定長度的光纖，用于沿著它的長度方向選擇傳輸具有選擇波長的激光輻射，其中芯材料的部分長度包括摻雜材料，光輻射源，用于發(fā)射不同選擇波長的泵浦光輻射，以便輸入到所述長度的光纖中，使得在泵浦光輻射作用下所述摻雜芯材料放大激光輻射，波長選擇發(fā)射裝置，用于選擇發(fā)射泵浦光輻射進(jìn)入所述長度的光纖，和用于從光纖激光器中選擇輸出放大的激光輻射，以及反饋裝置，用于選擇反饋一部分放大的激光輻射，使得所述放大的激光輻射反復(fù)通過所述光纖長度，并進(jìn)一步被放大。
摻雜材料可以包括稀土離子，例如鉺離子。
在光纖激光器的一個(gè)實(shí)施例中，波長選擇發(fā)射裝置和反饋裝置可以共同包括兩個(gè)二向色鏡，其中每個(gè)二向色鏡位于沿著光纖的長度的不同位置上，而且其中的摻雜芯材料位于兩個(gè)二向色鏡的位置之間。
在光纖激光器的另一個(gè)實(shí)施例中，反饋裝置和波長選擇發(fā)射裝置可以共同包括兩個(gè)光纖光柵，形成在沿著光纖長度的兩個(gè)不同位置上，使得摻雜芯材料位于兩個(gè)光纖光柵的位置之間。
在本發(fā)明這方面的另一個(gè)實(shí)施例中，光纖激光器可以是環(huán)形諧振光纖激光器，其中反饋裝置包括用于把從所述長度的光纖一端出射的光傳播到所述長度光纖的另一端的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于以單模傳播方式傳輸光輻射的系統(tǒng)包括多個(gè)這里所述的一定長度的光纖，設(shè)置成串聯(lián)方式，使得串聯(lián)結(jié)構(gòu)中每個(gè)長度的光纖接收來自前一個(gè)長度的光纖的輸入光輻射，并且輸出光輻射至串聯(lián)結(jié)構(gòu)中的下一個(gè)長度的光纖，而且每個(gè)長度被放大裝置分開，所述放大裝置用于放大來自所述長度光纖的光輻射輸出以便把所述長度光纖傳輸?shù)墓廨椛涔β时３衷陬A(yù)定功率之上。
在最佳實(shí)施例中，放大裝置可以包括這里所述的光纖放大器。
現(xiàn)在將結(jié)合下面的附圖僅以舉例方式描述本發(fā)明，其中

圖1示出傳統(tǒng)臺階折射率光纖的示意圖；圖2a和2b示出光子晶體光纖的示意圖；圖3描述了把輻射耦合至相對大的光子晶體光纖芯中的優(yōu)點(diǎn)圖4示出粗芯光子晶體光纖放大器；圖5示出可以用于圖6所示的粗芯光子晶體光纖放大器中的波長選擇耦合器裝置；圖6和7示出包括粗芯光子晶體光纖的光纖激光器結(jié)構(gòu)；圖8描述了可以用于制造粗芯光子晶體光纖的堆積和拉伸處理；圖9示出切開的本發(fā)明粗芯光子晶體光纖端面中心區(qū)的SEM圖象；圖10示出圖9所示光子晶體先纖輸出端的近場圖象；圖11示出光子晶體光纖端面上近場分布曲線；以及圖13示出光子晶體光纖的有效V值曲線。
參考圖1，傳統(tǒng)的臺階折射率光纖1包括具有均勻折射率n1、半徑為r的圓形芯2，圓形芯2被具有均勻折射率n2的包層材料3包圍。對于波長為λ的光，臺階折射率光纖1支持的傳播模式數(shù)目由V值決定，其中V由下式給出
只要V小于2.405，光纖就是單模的。因此，一般地單模光纖操作使得V略小于2.405。
在傳統(tǒng)臺階折射率光纖中，如圖1中所示的一樣，如果沿著光纖傳播的光強(qiáng)度超過閾值，制成光纖的材料最終將被不可恢復(fù)地?fù)p壞。對于較低光強(qiáng)度，可能出現(xiàn)許多非線性光學(xué)過程，可能降低甚至損害光信號。雖然通過增加光纖1的芯2的尺寸可以減輕這些問題，但是如果只增加芯半徑，光纖將變成多模。因此必須同時(shí)降低芯2和包層3之間的折射率差來補(bǔ)償。
可以通過向材料中加入摻雜劑來控制芯2和包層3的折射率。然而，最終變得難以控制芯區(qū)2中的摻雜均勻性。而且，折射率差小的光纖在彎曲時(shí)容易損失光。這樣限制了為增加光纖能夠傳播的輻射功率或光纖的功率容量而增加芯尺寸的程度。圖2(a)示出本發(fā)明的光纖4，該光纖克服了有關(guān)傳統(tǒng)光纖的功率容量問題。光纖4包括第一基本上透明材料5的包層，其中沿著光纖長度l掩埋有孔6的陣列?？?設(shè)置成橫向周期性陣列，而且可以填充折射率小于第一包層材料的第二材料。該第二材料可以是固體、液體或氣體材料，或者這些孔可以是空的(即真空)。例如，芯材料7和第一包層材料5可以由純?nèi)廴诙趸柚瞥桑?可以填充空氣。
實(shí)質(zhì)上光纖截面的中心是材料基本上透明的芯區(qū)7，該芯區(qū)破壞孔6陣列的周期性。例如，可以沒有陣列中的中心孔，中心孔位置上和周圍的第一包層材料區(qū)形成光纖4的芯7。光纖芯的直徑為c，如圖2(b)所示。為了描述，光纖芯直徑c的取值將基本上等于一個(gè)鄰近芯的孔中心與徑向?qū)ΨQ的另一個(gè)鄰近芯的孔中心之間的距離。
孔陣列可以形成六角形圖案(例如，如圖2(a)所示)，但是也可以設(shè)想使用其他孔圖案。
在傳統(tǒng)光子晶體光纖中，光纖的外部寬度w是40μm量級，孔的中心-中心距離(間距Λ)大約為2μm。固態(tài)芯區(qū)的直徑通常為4μm，小于傳統(tǒng)單模光纖的芯直徑(見圖1)，例如當(dāng)用于通信應(yīng)用中時(shí)。然而，這樣大小的光子晶體光纖通常只能傳輸功率在10-20W的輻射。因此，這樣的光纖不適合于例如用于高功率激光系統(tǒng)中，高功率激光系統(tǒng)的輸出功率至少為1kW。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，用于從一點(diǎn)向另一點(diǎn)傳送輻射的單模光纖包括光子晶體光纖，如圖3所示，其中芯7的直徑至少為5μm，而且最好為至少10μm。光子晶體光纖的芯直徑增大導(dǎo)致可以傳輸?shù)墓β柿吭龃?，根?jù)光纖的特定應(yīng)用，最好芯直徑更大，例如在20-50μm范圍內(nèi)。為了本說明書的目的，中心芯7的直徑至少為5μm的光子晶體光纖將稱為“粗芯光子晶體光纖”。
而且，粗芯光子晶體光纖能夠以單模方式傳播輻射。因此，由于粗芯，光纖可以用于以單模方式傳播比利用傳統(tǒng)光纖能夠方便實(shí)現(xiàn)的更高的輻射功率。
芯直徑為50μm的粗芯光子晶體光纖能夠用于支持功率大約為2kW的連續(xù)波光輻射。這對應(yīng)于通過推斷傳統(tǒng)光纖所實(shí)現(xiàn)的最佳實(shí)驗(yàn)結(jié)果所取得的數(shù)值。在傳統(tǒng)的二氧化硅臺階折射率光纖中，如圖1所示，在發(fā)生永久損壞之前可以傳輸?shù)淖畲筮B續(xù)輻射波強(qiáng)度是100MWcm-2[W.Luthy，Optical Engineering 34(1995)pp.2361-2364]。對于12μm的芯直徑，這相當(dāng)于理論最高功率只有大約100W。然而，實(shí)際上由于在輻射耦合至光纖內(nèi)的過程中所產(chǎn)生的損耗顯著降低了理論最大功率，事實(shí)上常規(guī)單模光纖能達(dá)到的連續(xù)波(cw)功率只有大約15W。
粗芯光子晶體光纖的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以更容易地實(shí)現(xiàn)把輻射耦合至光纖中。圖3(a)和3(b)示出例如利用透鏡或透鏡裝置9把激光輻射8輸入到(a)具有相對小芯的傳統(tǒng)光子晶體光纖和(b)粗芯光子晶體光纖的示意圖。參考圖3(b)，如果粗芯光子晶體光纖的芯7可與激光輻射光束的直徑相比較，可能不需要透鏡9就把輻射8輸入到光纖中。
單模粗芯光子晶體光纖在用于工業(yè)中的高功率激光系統(tǒng)中有用，例如諸如那些用于激光機(jī)械加工應(yīng)用的高功率激光系統(tǒng)，其中需要把高功率激光輻射傳播到要加工的材料上。移動(dòng)激光器來重新定向激光光束不方便而且不實(shí)用，所以使用傳統(tǒng)的光學(xué)裝置把激光輻射傳播到需要的方向上。粗芯光子晶體光纖將能夠傳播高功率激光輻射而不需要復(fù)雜且笨重的光學(xué)裝置。
粗芯光子晶體光纖也可以用于通信應(yīng)用中。傳統(tǒng)上，一定長度的傳統(tǒng)光纖(如圖1所示)用于把光輻射從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)。因?yàn)楫?dāng)輻射強(qiáng)度沿著光纖傳播時(shí)被衰減，沿著光纖長度的不同點(diǎn)上使用光纖放大器裝置或中繼器，以便周期性地增強(qiáng)傳輸?shù)妮椛涔β省＿@樣的裝置檢測出現(xiàn)在部分光纖鏈路中的弱信號(即被減小的功率信號)，放大它并發(fā)送放大的信號至鏈路的下一部分。光纖能夠支持的功率越大，在需要放大之前信號能夠通過光纖傳播的距離就越遠(yuǎn)。因此，光纖能夠運(yùn)載的最大功率決定中繼器的間距。然而，光纖能夠運(yùn)載的最大功率受能夠減小信號的與強(qiáng)度相關(guān)的非線性光學(xué)作用限制。對于給定的強(qiáng)度，較大的芯區(qū)允許增加功率。因此當(dāng)仍然實(shí)現(xiàn)單模傳播時(shí)可以使用的最大光纖芯區(qū)把中繼器的間距限制為最小值。
對于給定的探測標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)光纖的中繼器間距為30km[O.Audouin etal.，IEEE Photonics Technology Letters(1995)pp.1363-1365]。使用粗芯光子晶體光纖傳輸輻射，光纖芯直徑大約為50μm，160km的中繼器間距就足夠了(假設(shè)粗芯光子晶體光纖中的功率衰減與傳統(tǒng)光纖類似)。這樣，利用粗芯光子晶體光纖可以實(shí)現(xiàn)更方便而且低耗費(fèi)地長距離傳輸光信號。而且，粗芯光子晶體光纖允許光纖鏈路在一定距離上不需要中繼器，而當(dāng)使用傳統(tǒng)技術(shù)時(shí)在所述距離上將需要中繼器。
參考圖4，粗芯光子晶體光纖也可以用于光纖放大器系統(tǒng)中。粗芯光子晶體放大器通常可能包括一定長度的光纖4，光纖4的芯(未示出)摻雜少量摻雜材料，例如鉺。光纖放大器還包括波長選擇耦合器(WSC)12和用于發(fā)射泵浦光輻射14的泵浦光輻射源13。泵浦光輻射14與輸入輻射10相比波長短，并通過WSC 12被引入所述長度光纖4的一端。來自光輻射源11或前一長度光纖的輸入信號光輻射10被從另一端輸入到所述長度光纖4。
WSC 12的目的是插入一個(gè)波長的輻射(即泵浦波長)而不轉(zhuǎn)換另一波長輻射的方向(即輸入輻射波長)。因此，可以把泵浦光輻射14與信號光輻射10沿著同一光纖4輸入，而不使任何信號光輻射10從光纖4中出來。泵浦光輻射14激勵(lì)光纖4的芯中的摻雜離子，從而在輸入輻射10的較長波長上產(chǎn)生增益。因此輸入輻射10被放大。波長選擇耦合器12選擇傳輸長波長輸入輻射，因此產(chǎn)生放大的輸出信號16。該輸出信號16可以通過一定長度光纖15輸出。
通常，商業(yè)上可以買到的波長選擇耦合器包括一定長度的輸入和輸出光纖，其中輸入光纖是傳統(tǒng)的摻雜光纖(如圖1所示)。在圖4所示的粗芯光子晶體光纖放大器中，系統(tǒng)中只包括粗芯光子晶體光纖可能更好，以便避免當(dāng)通過信號WSC 12輸入或輸出時(shí)強(qiáng)度損失。
WSC 12可以是例如熔融耦合器的全光纖裝置，或者可以是任何具有與波長有關(guān)的響應(yīng)的光纖定向耦合器裝置。另一方面，圖5示出一個(gè)可以用作波長選擇耦合器的光學(xué)裝置17的例子。例如，光學(xué)裝置可以分別包括輸入透鏡18a和輸出透鏡18b、和二向色鏡19。二向色鏡19傾斜以便把泵浦光輻射14反射向輸入透鏡18a，并透射輸入信號輻射10。
在代表傳統(tǒng)技術(shù)極限的光纖放大器系統(tǒng)中，包括芯直徑為20μm的臺階折射率光纖(如圖1所示)，并透射脈沖長度為1ns的脈沖輻射，達(dá)到100kW的峰值功率[P.Nouchi et al.，Proc.Conference onoptical fibre communication(1995)pp.260-261]。使用圖4所示的光子晶體光纖放大器，其中光纖4的芯直徑為大約50μm，脈沖輻射的脈沖為1ns，可以傳輸至少為600kW的峰值功率。
粗芯光子晶體光纖的另一個(gè)應(yīng)用是用在光纖激光器中。雖然可能有許多其他結(jié)構(gòu)的光纖激光器裝置，其中可以使用粗芯光子晶體光纖，圖6和7示出光纖激光器的兩種可能結(jié)構(gòu)。例如，粗芯光子晶體光纖可以用于環(huán)形諧振器光纖激光器，其中光纖的端部連接在一起使得激光輻射圍繞著光纖“環(huán)”傳輸并被連續(xù)放大。
參考圖6，能夠輸出高功率輻射的光纖激光器可以包括一定長度的粗芯光子晶體光纖4，芯區(qū)(未示出)具有少量摻雜材料，例如鉺。光纖激光器還包括兩個(gè)位于光纖4兩端的二向色鏡，一個(gè)輸入鏡22和一個(gè)輸出鏡23。來自泵浦光輻射源25(例如激光器)的輻射24通過輸入鏡22輸入。這樣通過激勵(lì)光纖芯中的鉺離子在摻雜光纖4中位于鏡22和23之間的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生增益。來自受激鉺離子的自發(fā)輻射在光纖4中產(chǎn)生少量波長比泵浦光輻射24長的信號輻射(光纖中沒有示出)。當(dāng)該信號輻射通過鏡22和23反射沿著光纖前后傳播時(shí)被放大。
通常，二向色鏡22可以設(shè)計(jì)成反射大約99％的信號輻射，同時(shí)透射泵輻射24，輸出二向色鏡23可以設(shè)計(jì)成反射大約80％的激光輻射。因此，每次信號輻射在輸出鏡23被反射，還有一部分將作為輸出信號15出射。
因?yàn)楣饫w激光器可以光纖方式方便地提供激光輻射源，該光纖可以容易地耦合到后續(xù)長度光纖上，所以光纖激光器很有用。由于粗芯光子晶體光纖的高功率容量，可以實(shí)現(xiàn)比利用傳統(tǒng)光纖更強(qiáng)的光纖激光器輸出功率。
參考圖7，光纖激光器的另一結(jié)構(gòu)可以包括光纖光柵26，它具有二向色鏡的功能(圖8)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是它是全光纖裝置。有許多種可以包括粗芯光子晶體光纖的光纖激光器結(jié)構(gòu)，而且并不意味著光纖用于這樣的裝置限于所給出的兩個(gè)例子。作為另一個(gè)例子，粗芯光子晶體光纖可以用于環(huán)形諧振器光纖激光器，從而粗芯光子晶體光纖的一端被連接到另一端，使得激光輻射連續(xù)圍繞粗芯光子晶體光纖“環(huán)”傳播并被連續(xù)放大。
通常，粗芯光子晶體光纖4可以由熔融二氧化硅棒通過反復(fù)堆積和拉伸處理制成[J.C.Knight et al.，Opt.Lett.21(1996)p.1547.ErrataOpt.Lett.22(1997)p.484]，如圖8所示。圖8(a)示出熔融二氧化硅圓柱形棒27，其中沿著棒27的長度中心鉆孔6(圖8(b))。在棒的外表面離孔固定距離處磨出六個(gè)平面，使得棒27的截面呈圍繞中心孔6的六角形。然后利用光纖拉伸塔拉伸棒27成為細(xì)線28，并把細(xì)線28切割成需要長度。然后堆積細(xì)線28形成六角形細(xì)線陣列，如圖8(c)所示，形成光纖4。位于陣列中心的細(xì)線的中心沒有鉆孔，形成光纖4的芯7。然后利用光纖拉伸塔把堆積完成的細(xì)線拉伸成最后的光纖。
也可以使用另一種制造技術(shù)，例如如果可以獲得圓柱形二氧化硅毛細(xì)管，它們可以用作基本光纖元件(即毛細(xì)管已經(jīng)具有細(xì)線28的形狀)。這樣將在前面所述的堆積和拉伸處理中省去鉆孔和研磨的必要。
光纖4包括第一包層材料，該材料基本上透明而且能夠拉伸成光纖(如圖8(b)所示)。芯材料可以是任何基本上透明的材料，但不必要是與第一包層材料相同的材料。最好，第一包層材料的折射率不小于芯材料的折射率。
孔6可以是空的，例如真空，或者可以填充任何材料，第二包層材料的折射率小于第一包層材料的折射率，而且也能夠拉伸成光纖，或者任何這樣的材料，當(dāng)被拉伸成小尺寸時(shí)這樣的材料可以插入所述孔中。例如，孔中可以填充空氣或另一種氣體(例如氫氣或烴)、固體材料(例如折射率與第一包層材料不同的各種玻璃材料)或液體(例如水、透明溶液或染料溶液)?？字械牡诙鼘硬牧喜槐匾欢ㄊ峭该鞯?。通過這里的描述可以清楚地看到，詞語“孔”的意思并不限于第一包層材料中缺少的區(qū)域。
如果光纖中空氣孔的直徑是孔之間間距或間隔的足夠小部分，光纖芯以單模方式傳播光。最好，空氣孔的直徑不小于光纖中將傳播的光的波長?？字g的間隔最好不小于芯直徑的四分之一而且不大于芯直徑的二分之一。最通常的是孔之間的間隔可以是大約芯直徑的二分之一。
第一包層材料和芯可以具有均勻折射率或者具有變化折射率。例如，除了缺少陣列中的中心孔以外，也可以缺少比其他孔或大或小的孔或者可以填充不同的材料。如同圖6和7所示的光纖激光器裝置中一樣，芯7也可以摻雜摻雜劑材料，例如鉺或其他稀土元素。
圖9示出切開的PCF的端面中心區(qū)的SEM圖象。缺少中心孔使得以最里邊的6個(gè)孔為邊界的芯直徑為22μm。光纖截面為180μm，相對孔大小d/Λ為0.12。圖10示出對于458nm波長的入射光圖9所示的粗芯PCF的輸出端的近視場圖案。該圖象在圖案的中心飽和以便示出邊緣的較弱特征。圖案的周邊鄰近最里邊的空氣孔凹陷。
波長為458nm的光入射到光纖中，而且折射率匹配的液體施加到該結(jié)構(gòu)中以便除去包層模式。當(dāng)入射條件變化時(shí)觀察輸出。在近視場圖案中沒有激勵(lì)出多模式，如圖5所示，PCF的輸出沒有受影響。即使芯直徑是入射光波長的50倍，光纖保持為單模。把該結(jié)果按比例變化到1550nm，芯直徑為75μm的類似PCF光纖也將是單模的。
依據(jù)包層5在不同波長的有效折射率n2可以理解本發(fā)明的粗芯光子晶體光纖的這一特性。圖11(a)和11(b)示出光子晶體光纖4的端面28上的近視場分布曲線，其中芯材料7和第一包層材料是二氧化硅，孔6填充空氣。
參考圖11(b)，在長波(例如1500nm)時(shí)，通過光纖4傳播的光對孔陣列成象質(zhì)量差(見圖3(b))使得大部分光傳播進(jìn)入空氣孔6。因此包層材料5例如二氧化硅和空氣的有效折射率相對于純二氧化硅的折射率n1(即芯7的折射率)下降。參考圖11(a)，在短波(例如600nm)時(shí)，通過光纖4傳播的光對孔6的陣列成象清晰，而且基本上防止光沿著它們傳播。因此包圍芯7的包層材料5的有效折射率n2比較接近于純二氧化硅的折射率(即芯7的折射率)n1。
因此，再參考公式1，隨著沿著光纖4傳播的光波長減小，V值明顯依賴于波長λ而增大。該增值至少部分被減小因子(n12-n22)1/2抵消，其中n1和n2分別是二氧化硅包層的有效折射率和純二氧化硅(及芯7)的折射率。這樣使得V值較少依賴于波長，從而使得能夠擴(kuò)展波長范圍，該波長范圍的V值低于該結(jié)構(gòu)多模傳播的閾值。
V值的波長相關(guān)性不僅降低，而且事實(shí)上在短波限度內(nèi)完全消除。這一特性在圖12中示出，該圖示出隨著孔間距Λ與波長λ之比的變化，光纖的有效折射率V值(Veff)曲線。每個(gè)曲線對應(yīng)于孔6的直徑d與間距Λ的給定比值。通過首先計(jì)算出包層5的有效折射率n1，然后通過公式1計(jì)算出Veff，計(jì)算出Veff-d/Λ曲線。該計(jì)算假設(shè)芯7的半徑等于間距Λ。
圖12示出對于每個(gè)比值d/Λ，隨著比值Λ/λ趨向于無窮大V值以該值為上限。這一特性與傳統(tǒng)的臺階折射率光纖的特性相反，傳統(tǒng)臺階折射率光纖隨著r/λ趨向于無窮大V值趨向于無窮大。因此與傳統(tǒng)臺階折射率光纖不同，粗芯光子晶體光纖可以制造成使得對于任何結(jié)構(gòu)尺寸都是單模的。因此只要比值d/Λ固定，其中d是孔6的直徑，對于任何間距值Λ光纖都可以是單模的。
粗芯光子晶體光纖的特性使得它適用于幾種應(yīng)用中，包括用作高功率通信鏈路、高功率光纖放大器和高功率光纖激光器。光纖也可以用于傳輸大光功率以便工業(yè)上應(yīng)用，例如激光加工，以及醫(yī)療上應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種用于傳輸光輻射的光纖，包括由基本上透明的芯材料制成的芯，芯折射率為n，長度為1，芯直徑至少為5μm，和包圍芯材料長度的包層區(qū)，其中包層區(qū)包括具有第一折射率的第一基本上透明的包層材料，而且其中第一基本上透明的包層材料沿著它的長度上掩埋有基本上呈周期陣列的孔，所述孔具有小于第一折射率的第二折射率，使得輸入到光纖中的光輻射以單模傳播方式沿著芯材料長度方向傳輸。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖，所述孔的直徑為d，而且分離距離為間距Λ，其中對于基本上固定的d/Λ比值，對于任何間距值Λ，光纖是與輸入輻射波長無關(guān)的單模式。
3.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中第一基本上透明的包層材料的折射率不低于芯折射率。
4.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中芯直徑至少是10μm。
5.如權(quán)利要求4所述的光纖，其中芯直徑至少是20μm。
6.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中至少可以缺少陣列中的一個(gè)孔使得它形成光纖的芯。
7.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中第一基本上透明的包層材料具有基本上均勻的第一折射率。
8.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中芯材料具有基本上均勻的芯折射率。
9.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中芯材料和第一基本上透明的包層材料是同一種材料。
10.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中至少芯材料和第一基本上透明的包層材料之一是二氧化硅。
11.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中孔直徑不小于光纖中將傳播的光的波長。
12.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中孔是真空的。
13.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中孔中填充第二包層材料。
14.如權(quán)利要求13所述的光纖，其中第二包層材料是空氣。
15.如權(quán)利要求13所述的光纖，其中第二包層材料是液體。
16.如權(quán)利要求13所述的光纖，其中第二包層材料是基本上透明的材料。
17.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中基本上透明的芯材料包括摻雜劑材料。
18.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中孔設(shè)置成大體上呈六角形圖案。
19.一種用于放大信號光輻射的光纖放大器，包括一定長度如權(quán)利要求1-5任何一項(xiàng)所述的光纖，用于接收選擇波長的信號輻射并沿著它的長度方向傳輸所述輸入輻射，其中芯材料至少沿著它的部分長度包括摻雜材料，輻射源，用于發(fā)射不同選擇波長的泵浦光輻射，以便輸入到所述長度的光纖中，使得在泵浦光輻射作用下所述摻雜芯材料部分放大信號光輻射，以及波長選擇發(fā)射裝置，用于選擇發(fā)射泵浦光輻射進(jìn)入所述長度的光纖，和用于從光纖放大器中選擇輸出放大的信號光輻射。
20.如權(quán)利要求19所述的光纖放大器，其中波長選擇發(fā)射裝置包括輸入透鏡和輸出透鏡，用于聚焦光輻射；和二向色鏡，用于選擇反射泵浦光輻射進(jìn)入光纖，和用于選擇發(fā)射放大的信號光輻射以便從光纖放大器輸出。
21.如權(quán)利要求19所述的光纖放大器，其中波長選擇發(fā)射裝置包括響應(yīng)與波長相關(guān)的光纖定向耦合器。
22.如權(quán)利要求19-21任何一項(xiàng)所述的光纖放大器，其中摻雜材料包括稀土離子。
23.如權(quán)利要求22的光纖放大器，其中稀土離子是鉺離子。
24.一種用于輸出激光輻射的光纖激光器，包括一定長度如權(quán)利要求1-5任何一項(xiàng)所述的光纖，用于沿著它的長度方向選擇傳輸具有選擇波長的激光輻射，其中芯材料的至少部分長度包括摻雜材料，輻射源，用于發(fā)射不同選擇波長的泵浦光輻射，以便輸入到所述長度的光纖中，使得在泵浦光輻射作用下所述摻雜芯材料放大激光輻射，波長選擇發(fā)射裝置，用于選擇發(fā)射泵浦光輻射進(jìn)入所述長度的光纖，和用于從光纖激光器中選擇輸出放大的激光輻射，以及反饋裝置，用于選擇反饋部分放大的激光輻射，使得所述放大的激光輻射反復(fù)通過所述光纖長度，并進(jìn)一步被放大。
25.如權(quán)利要求24所述的光纖激光器，其中摻雜材料包括稀土離子。
26.如權(quán)利要求25所述的光纖激光器，其中稀土離子是鉺離子。
27.如權(quán)利要求24所述的光纖激光器，其中波長選擇發(fā)射裝置和反饋裝置共同包括兩個(gè)二向色鏡，其中每個(gè)二向色鏡位于沿著光纖的長度的不同位置上，而且其中的摻雜芯材料位于兩個(gè)二向色鏡的位置之間。
28.如權(quán)利要求24所述的光纖激光器，其中反饋裝置和波長選擇發(fā)射裝置共同包括兩個(gè)光纖光柵，形成在沿著光纖長度的兩個(gè)不同位置上，使得摻雜芯材料位于兩個(gè)光纖光柵的之間。
29.如權(quán)利要求24所述的光纖激光器，其中反饋裝置包括用于把從所述長度的具有摻雜芯材料的光纖一端出射的光傳播到所述長度光纖的另一端的裝置。
30.一種用于以單模傳播方式傳輸光輻射的系統(tǒng)，包括多個(gè)一定長度如權(quán)利要求1-5任何一項(xiàng)所述的光纖，設(shè)置成串聯(lián)方式，使得串聯(lián)中每個(gè)長度的光纖接收來自前一個(gè)長度的光纖的輸入輻射，并且輸出輻射至串聯(lián)中的下一個(gè)長度的光纖，而且每個(gè)長度被放大裝置分開，所述放大裝置用于放大來自所述長度光纖的光輻射輸出以便把所述長度光纖傳輸?shù)墓廨椛涔β时３衷陬A(yù)定功率之上。
31.如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中放大裝置包括如權(quán)利要求19-23任何一項(xiàng)所述的光纖放大器。
全文摘要
用于傳輸光輻射的粗芯光子晶體光纖具有芯,芯由基本上透明的芯材料制成,芯直徑至少為5μm。光纖還包括包圍芯材料長度的包層區(qū),其中包層區(qū)包括具有第一折射率的第一基本上透明的包層材料,而且所述第一基本上透明的包層材料沿著它的長度上掩埋基本上呈周期陣列的孔,孔中填充第二包層材料,該材料具有小于第一折射率的第二折射率,以便輸入到光纖中的輻射以單模傳播方式沿著芯材料長度方向傳輸。在最佳實(shí)施例中,第一基本上透明的包層材料的折射率可以不低于芯折射率。在最佳實(shí)施例中,芯直徑至少可以是20μm,而且可以大至50μm。該光纖能夠比傳統(tǒng)光纖傳輸更高功率的光輻射,同時(shí)保持以單模方式傳輸。芯材料可以摻雜在輸入到光纖中的泵浦光輻射作用下能夠進(jìn)行放大的材料。本發(fā)明還涉及包括摻雜粗芯光子晶體光纖的光纖放大器和光纖激光器。該光纖還用于傳輸光輻射的系統(tǒng)中,該系統(tǒng)包括多個(gè)一定長度的粗芯光子晶體光纖,這些光纖被粗芯光子晶體光纖放大器分開,以便通過系統(tǒng)傳輸?shù)墓廨椛涔β时３衷陬A(yù)定功率之上。
文檔編號G02B6/02GK1269020SQ9880864
公開日2000年10月4日 申請日期1998年6月17日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月26日
發(fā)明者T·A·比爾克斯, J·C·奈特, P·圣約翰·拉瑟爾 申請人:英國國防部