專(zhuān)利名稱(chēng)：提供周期性諧振結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)元件，特別涉及到在如光纖的光波導(dǎo)的包層結(jié)構(gòu)中引入光學(xué)活性材料的周期性“塞子”，以提供可調(diào)的周期性諧振結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
用以改變光信號(hào)特性的光學(xué)裝置包括如可調(diào)濾波器、衰減器、開(kāi)關(guān)、極化旋轉(zhuǎn)器等類(lèi)似的裝置。這些裝置用各種各樣的方法周期性地改變裝置的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域的折射率，從而改變通過(guò)該裝置傳送之信號(hào)的相位/幅度。
常規(guī)的這一類(lèi)裝置包含有諸如布拉格(Bragg)光柵和/或長(zhǎng)周期光柵那樣的結(jié)構(gòu)以引入想要的周期性。典型地，常規(guī)的光柵是光纖或光波導(dǎo)芯區(qū)感光性折射率的周期性擾動(dòng)。這些光柵是通過(guò)紫外暴光生成的，因而在本質(zhì)上是永久性的?？梢詫?duì)其可適用的波長(zhǎng)范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如，通過(guò)在光柵內(nèi)引入物理的張力變化、溫度變化、磁場(chǎng)變化或其它能在光柵內(nèi)引入物理變化的周?chē)h(huán)境的方法。
在一種不同的方案中，希望能得到一種全光纖的裝置，在這種裝置中，某種想要材料(液體/聚合體/微球體)的周期性結(jié)構(gòu)被引入光纖中而不要求氫裝填或感光性的纖芯。光活性材料的引入消除了用紫外激光源生成光柵結(jié)構(gòu)的必要，這被認(rèn)為可以節(jié)省大量的時(shí)間和精力。而且，活性材料折射率的可選性使我們?cè)跊Q定折射率擾動(dòng)差上能享有額外的一定程度的自由，這在通?？偸窍ＭM可能的大，以便使不同模式之間或同一模式的不同極化之間的耦合可以在相對(duì)較短的耦合長(zhǎng)度內(nèi)達(dá)到。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明致力于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在著的需求，其涉及到微結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)元件，特別涉及到在光波導(dǎo)的包層結(jié)構(gòu)中引入光學(xué)活性材料的周期性“塞子”，以提供可調(diào)的周期性諧振結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，在微結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)(例如光纖)中選定的空氣通道，被周期性用光學(xué)活性材料地充填，以便操縱沿著波導(dǎo)/光纖傳送的光的漸消形場(chǎng)(傳輸常數(shù)，極化等)。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，在包層區(qū)域內(nèi)引入空氣通道使之包圍芯區(qū)並沿光纖的長(zhǎng)度軸向延伸。然后將光學(xué)活性材料注入到一個(gè)或多個(gè)包層的空氣通道中，以便改變傳送著的光信號(hào)的光學(xué)特性，這里，采用一種“周期性”的過(guò)程將活性材料注入，以產(chǎn)生沿空氣通道長(zhǎng)度放置的、不相連的周期性光學(xué)活性材料“塞子”。注入活性材料，使之呈現(xiàn)類(lèi)似于眾所周知的光柵結(jié)構(gòu)那樣的周期Λ。根據(jù)本發(fā)明，這種周期性可被用來(lái)提供傳送模式的不同極化之間的耦合并產(chǎn)生一個(gè)極化旋轉(zhuǎn)器。
微結(jié)構(gòu)光纖內(nèi)傳輸特性的可調(diào)性可通過(guò)改變光學(xué)活性材料的周期性來(lái)得到，例如，通過(guò)在錐形的微結(jié)構(gòu)光纖段兩端加熱通道中的空氣，使之在周期性結(jié)構(gòu)的兩端引入壓力，造成對(duì)塞子之間空氣的壓縮從而改變微流體結(jié)構(gòu)的周期。作為對(duì)于包層中空氣/活性材料周期性的變體，可周期性地注入各自呈現(xiàn)不同光學(xué)特性的二種不同的光學(xué)活性材料(例如，一種為dn/dT＞0的材料，而另一種為dn/dT＜0的材料)。
依照本發(fā)明的操作，諸如溫度、光、電場(chǎng)或磁場(chǎng)等的施用將改變活性材料的光學(xué)特性，如折射率、損耗、散射或雙折射等)，這將反過(guò)來(lái)改變或影響裝置內(nèi)光信號(hào)的傳送特性。
在下述討論的過(guò)程中，通過(guò)參照所附的附圖，本發(fā)明其它的和更進(jìn)一步的特征及其具體實(shí)施將會(huì)更加明顯。


圖1為依照本發(fā)明，一包含有周期性地注入了活性材料的典型微結(jié)構(gòu)光纖的示意圖；圖2說(shuō)明了用以形成本發(fā)明周期性微結(jié)構(gòu)光纖的典型裝置；圖3說(shuō)明了含有周期性光學(xué)活性塞子的微結(jié)構(gòu)光纖錐形段，其錐形用于將輸入的光信號(hào)耦合進(jìn)含有塞子的包層；圖4為含有根據(jù)本發(fā)明形成的周期性塞子的微結(jié)構(gòu)光纖和含有連續(xù)充填包層結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖的傳輸光譜圖；圖5為一組三根含有光學(xué)活性材料周期性塞子的微結(jié)構(gòu)光纖的傳輸光譜圖。每一譜線(xiàn)對(duì)應(yīng)于一不同的“蘸浸頻率”(即，作為結(jié)果得到的塞子不同的周期性)；圖6為含有根據(jù)本發(fā)明的周期性塞子的典型微結(jié)構(gòu)光纖的傳輸光譜圖，每一譜線(xiàn)對(duì)應(yīng)于光纖不同的周?chē)鷾囟龋欢鴪D7為含有根據(jù)本發(fā)明周期性塞子的典型微結(jié)構(gòu)光纖的一套傳輸光譜圖，每一譜線(xiàn)對(duì)應(yīng)于含有塞子的錐形光纖段的不同溫度。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1中的微結(jié)構(gòu)光纖10，可極好地理解相干微流體諧振的原理。如圖中所示，光纖10是由被內(nèi)包層14和外包層16包圍的芯區(qū)12構(gòu)成的。正如以下將詳述的，內(nèi)包層14含有周期性放置的光學(xué)活性材料18，在這個(gè)實(shí)施例中，活性材料18被放置在一組軸向放置使之包圍芯區(qū)12、并沿光纖10的長(zhǎng)度延伸的、多個(gè)分開(kāi)的空氣通道20內(nèi)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)狀態(tài)的一個(gè)重要的因素是活性材料18在通道20內(nèi)的周期性放置，其中分開(kāi)的“氣泡”或活性材料18的“塞子”(見(jiàn)和圖1聯(lián)系在一起的照片)排列得使之呈現(xiàn)一周期Λ。正如以下將詳細(xì)討論的，周期性地隔開(kāi)的活性材料塞子18的存在引起了傳送著的基模和高階模之間的相位匹配。為達(dá)到共同傳送著的波導(dǎo)模式間的耦合，相位的匹配要滿(mǎn)足下面的關(guān)系βfun-βhigh＝2π/Λ如圖1所示，其中，βfun和βhigh分別是基模和高階模的傳播常數(shù)，而Λ是活性材料段18的周期。如圖1所示，在微結(jié)構(gòu)光纖10中，基模的漸消型場(chǎng)與內(nèi)包層14的通道20相重疊，因而也穿過(guò)能提供與高次模耦合的活性材料18。當(dāng)二個(gè)模式的相位匹配時(shí)，光功率在二個(gè)模式間交換。在確定的波長(zhǎng)上，轉(zhuǎn)移到高階模的光的量是與耦合系數(shù)有關(guān)的。
通過(guò)下式，耦合系數(shù)依賴(lài)于周期性結(jié)構(gòu)中的折射率差和模場(chǎng)Efun和Ehigh之間的重迭k＝∫∫ωε0/2(△n)2EfunEhighdA正如下面將闡明的，一種典型的光學(xué)活性材料(三氟代甲苯)的折射率是1.405，因而在每一個(gè)通道20中液體和空氣之間的的折射率不同引起了一折射率差Δn＝0.405。雖然這個(gè)折射率差遠(yuǎn)大于在感光性光纖光柵中得到的折射率變化，但耦合系數(shù)k是與基模和高階模的重疊有關(guān)的。對(duì)于具有和下面將描述的光纖的內(nèi)包層類(lèi)似尺寸的常規(guī)光纖，其計(jì)算得到的耦合系數(shù)k大約在1×10-5/μm的數(shù)量級(jí)，這與常規(guī)長(zhǎng)周期光柵的耦合系數(shù)的數(shù)量級(jí)是近似同一數(shù)量級(jí)的。應(yīng)當(dāng)注意到，雖然這里被討論的典型實(shí)施例采用了一微結(jié)構(gòu)光纖，對(duì)于采用任何微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，例如條型光波導(dǎo)的裝置，本發(fā)明的原理是同等地適用的。
圖2說(shuō)明了一種可用來(lái)形成圖1中光纖10那樣的周期性微結(jié)構(gòu)光纖的特定裝置。如圖所示，裝置30包含有一充有光學(xué)活性材料18的貯液器32。一馬達(dá)34被連接到一夾緊的裝置36上，而夾緊的裝置36被加到(如圖示)一環(huán)繞著光纖10的外部機(jī)架上。通過(guò)夾緊的裝置36重新定向馬達(dá)34的運(yùn)動(dòng)，使光纖10的端面22周期性地線(xiàn)性蘸浸(在圖2中用±y說(shuō)明)到貯液器32中。一真空泵38被加到光纖10的對(duì)立的端面24上從而當(dāng)經(jīng)由端面24施加真空時(shí)，液體塞子18和空氣(交替地)被吸入到光纖10的每個(gè)通道20中。在這個(gè)特定的實(shí)施例中，液體塞子18的周期Λ是通過(guò)調(diào)整馬達(dá)34的旋轉(zhuǎn)頻率ω來(lái)控制的，與一個(gè)循環(huán)的時(shí)間內(nèi)，空氣中的光纖的位移相比較，液體對(duì)空氣的比例也可通過(guò)調(diào)整光纖10蘸浸入液體18的位移來(lái)控制。一微結(jié)構(gòu)條型光波導(dǎo)可以類(lèi)似地被夾緊在這樣的裝置內(nèi)以形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包層內(nèi)活性材料的周期性放置。
正如迄今所描述的光纖10的特定實(shí)施例中，光纖10含有位于其內(nèi)包層14中的一組六個(gè)近似圓柱的通道20(在這種場(chǎng)合下，或稱(chēng)“管道”)。在一根由8μm的摻雜鍺纖芯區(qū)域12組成的光纖中，傳送著的光信號(hào)并不與包層14內(nèi)的活性塞子18互相作用。如圖3所示，為使光纖中傳送的光和活性塞子18互相發(fā)生作用，光纖10需要成為漸漸變細(xì)的形狀并被拉長(zhǎng)，以生成一個(gè)錐形區(qū)域40。在錐形區(qū)域40內(nèi)，模場(chǎng)擴(kuò)展進(jìn)入包層14從而成為能被活性塞子18所影響。
如圖3所示，在區(qū)域40光纖10已漸漸變細(xì)為一個(gè)在一段7cm長(zhǎng)度上的、外部直徑約30μm(內(nèi)徑約為8μm)的細(xì)窄部分。在這個(gè)三氟代甲苯的實(shí)例中，周期性微流體塞子18是以約為460μm的周期Λ隔開(kāi)放置的。正如上面所討論的，在錐形區(qū)域40內(nèi)傳送的光將從芯區(qū)12擴(kuò)散出去并與周期性塞子18互相作用。由于周期性塞子18的存在，基模(LP01)和高階模(LP02)之間實(shí)現(xiàn)了相干耦合。產(chǎn)生的高階模于是通過(guò)向上的絕熱曲線(xiàn)形(adiabatic)錐形段42傳送，并不受擾動(dòng)地轉(zhuǎn)化成進(jìn)入內(nèi)包層14的44段。雖然高階模被引導(dǎo)在內(nèi)包層14以?xún)?nèi)，但是，當(dāng)它到達(dá)常規(guī)的單模光纖50的切口S時(shí)將被衰減。耦合到較高階模的諧振耦合本身顯現(xiàn)為以一波長(zhǎng)為中心的諧振損耗峰值，此波長(zhǎng)是由周期和相應(yīng)模式的傳播常數(shù)決定的。為了得到在所要的波長(zhǎng)上的耦合，所要求的擾動(dòng)的周期可用上面所描述的等式給出，基于已知的纖芯和高階模式各自的有效折射率來(lái)得出，后者是可用一般的光束傳播方法計(jì)算出來(lái)的。假定在空氣隙中不存在液體時(shí)，計(jì)算得到的LP01模和LP02模的有效折射率之間的差別(Δneff01-02)等于0.0045，暗示了對(duì)于在1.5μm左右的諧振耦合，周期為435μm。應(yīng)當(dāng)注意到，由于漸消型場(chǎng)和塞子18的光學(xué)活性材料的相互作用，通道20中塞子18的存在將對(duì)有效折射率造成影響。
圖4說(shuō)明了具有周期性微流體塞子(例如塞子18)的光纖和液體連續(xù)充填其內(nèi)包層的光纖的傳輸光譜。曲線(xiàn)A表示一連續(xù)充填光纖在波長(zhǎng)1530nm至1600nm范圍內(nèi)的傳輸譜線(xiàn)，其傳輸量作為波長(zhǎng)的函數(shù)呈現(xiàn)了非常小的差異。相反，曲線(xiàn)B表示一具有周期性塞子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件的傳輸，這種請(qǐng)況下，在大約1565nm的波長(zhǎng)上，引入了明顯的損耗(濾波效應(yīng))。
正如上面有關(guān)圖2所討論的，圖5給出了用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得的對(duì)應(yīng)于不同的蘸浸頻率的傳輸光譜。如上所述，光纖包層中光學(xué)活性材料塞子的周期Λ是由蘸浸頻率決定的，即，是由光纖在一段時(shí)間間隔(t)內(nèi)蘸浸入光學(xué)活性材料的貯液器中的次數(shù)(n)以及微流體塞子沿著管道移動(dòng)的速度(v)決定的。當(dāng)注入液體時(shí)，在每一個(gè)時(shí)間間隔t中，液體由速度決定充填一定的距離，例如，該速度可以為1厘米/秒。這樣，當(dāng)蘸浸頻率為125Hz時(shí)，光纖中液體的周期Λ將約為80μm。在錐型光纖段中(例如圖3中所示的光纖段40)，周期將按一預(yù)先確定的因子增加，該因子即為錐型光纖段的直徑與非錐型光纖段的直徑之比。在圖3的裝置中，錐型光纖段的直徑是非錐型光纖段直徑的四分之一，從而周期將增加約460μm。從上述公式推斷得到的計(jì)算周期和所觀(guān)察到的周期可能稍有不同，這是由于將液體注入到光纖中的過(guò)程對(duì)于馬達(dá)頻率的任何變化或?qū)⒐饫w蘸浸入液體的量是極其敏感的。此外，在傳輸光譜中的諧振位置非常容易受到有效折射率差的影響。
按照本發(fā)明的實(shí)踐，塞子18的周期可通過(guò)在錐形區(qū)域40的兩端同時(shí)加熱通道20中的空氣來(lái)加以調(diào)整。被加熱的空氣對(duì)周期性微流體塞子18的兩端施壓，引起塞子18之間空氣隙的縮小從而減小了臨近的塞子18之間的間隔(減小了周期Λ)。圖6說(shuō)明了溫度變化對(duì)于含有根據(jù)本發(fā)明的周期性塞子的微結(jié)構(gòu)光纖的影響。圖6中的曲線(xiàn)A表示光纖(例如光纖10)端部保持在25℃時(shí)的傳輸光譜。在這種情況下，傳輸光譜在剛高于1590nm的波長(zhǎng)上有一個(gè)凹口。通過(guò)將光纖10的兩端加熱到125℃，由于加熱后塞子18的周期減小的結(jié)果，裝置的中心波長(zhǎng)將朝著約1583nm的值飄移。因此，通過(guò)控制施加到兩端的溫度，可很容易地調(diào)整波長(zhǎng)。
圖7給出了直接加熱典型光纖10的錐形段40內(nèi)的塞子18后所測(cè)量到的一組不同的傳輸光譜。在這種情況下，光學(xué)活性材料的折射率隨溫度的增加呈現(xiàn)了減小(dn/dT約為-10-4/℃)。所以，由于液體和空氣之間的折射率差(Δn)變小了，耦合效率也減小了。曲線(xiàn)A在室溫(25℃)時(shí)呈現(xiàn)了一尖銳的諧振，此諧振在較高的溫度下變?nèi)酢Ｍ瑫r(shí)應(yīng)當(dāng)注意的是，背景損耗隨溫度而減少了。這是預(yù)料之中的，因?yàn)樵谡麄€(gè)錐形段的平均損耗減少了。當(dāng)加熱周期性塞子時(shí)，由于塞子之間的空氣往往會(huì)擴(kuò)張而增加了由塞子形成的光柵結(jié)構(gòu)的周期，諧振傾向于朝著較高的波長(zhǎng)飄移。
本質(zhì)上，本發(fā)明公開(kāi)了放置在沿著微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)(例如光纖)內(nèi)包層的通道內(nèi)的周期性隔開(kāi)的微流體塞子。因而，相干諧振結(jié)構(gòu)可以在這樣的波導(dǎo)內(nèi)形成，在這樣的波導(dǎo)中，諧振條件是通過(guò)調(diào)整活性材料塞子的周期(在一個(gè)實(shí)例中，通過(guò)調(diào)整“蘸浸頻率”)或在錐形中心區(qū)域的兩邊加熱光波導(dǎo)/光纖來(lái)加以控制的。此外，通過(guò)加熱其折射率作為溫度的函數(shù)而變化的液體，可使諧振得以衰減。對(duì)如上所討論的微結(jié)構(gòu)光纖可作出各種各樣的其它的變體，正如在下文的權(quán)利要求書(shū)中將限定的，這樣的變體被認(rèn)為仍是歸于本發(fā)明的構(gòu)思與范疇內(nèi)的。
權(quán)利要求
1.一種微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，其包括一沿長(zhǎng)度放置的中央芯區(qū)；和一圍繞著所述中央芯區(qū)的內(nèi)包層，所述內(nèi)包層被微構(gòu)造成包含至少一個(gè)沿所述波導(dǎo)的長(zhǎng)度放置的空氣通道，其特征為所述至少一個(gè)空氣通道包含有第一組放置得使之呈現(xiàn)所想要周期Λ的多個(gè)光學(xué)活性材料塞子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，其特征為至少一個(gè)空氣通道包含有沿軸向放置以圍繞芯區(qū)的多個(gè)空氣通道，至少二個(gè)對(duì)立的空氣通道各自包含有第一組的多個(gè)光學(xué)活性材料塞子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，其特征為至少一個(gè)空氣通道包含有第二組多個(gè)另選的的光學(xué)活性材料塞子，所述的另選的的光學(xué)活性材料呈現(xiàn)了與原光學(xué)活性材料不同的光學(xué)特性。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，其特征為第一組多個(gè)光學(xué)活性材料塞子呈現(xiàn)隨溫度增加而減小的折射率，而第二組多個(gè)另選的光學(xué)活性材料的塞子呈現(xiàn)隨溫度增加而增加的折射率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，其特征為通過(guò)改變一可引起空氣通道內(nèi)塞子的空間距變化的環(huán)境因子，即可調(diào)整塞子的周期。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，其特征為光學(xué)活性材料包括液體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，其特征在于波導(dǎo)包括含有能使傳送信號(hào)在中央芯區(qū)和內(nèi)包層間產(chǎn)生耦合的錐形區(qū)域的光纖。
8.一種形成包含有在至少一個(gè)沿內(nèi)包層長(zhǎng)度放置的空氣通道內(nèi)的多個(gè)光學(xué)活性材料塞子的微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)的方法，其特征為該方法包含以下步驟a)提供一個(gè)光學(xué)活性材料的貯液器；b)將一個(gè)真空泵源連到微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)的較遠(yuǎn)的一端；c)在確定的一段時(shí)間內(nèi)，將微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)的對(duì)立的較近的一端下降到光學(xué)活性材料的貯液器內(nèi)；d)用真空將一定量的光學(xué)活性材料抽入到至少一個(gè)內(nèi)包層空氣通道內(nèi)；e)將所述微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)從所述貯液器移出；并且f)重復(fù)步驟c)-e)直到所想要的多個(gè)光學(xué)活性材料的塞子已被引入到所述微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于控制步驟c)-e)的頻率以確定微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)中塞子的周期Λ。
10.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于此方法進(jìn)一步包括加熱和拉伸最后的微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)以形成一中央錐形區(qū)域的步驟。
全文摘要
形成一種微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)使之在其內(nèi)包層空氣管道內(nèi)含有一連串周期性的光學(xué)活性材料“塞子”。該塞子被用作產(chǎn)生諧振和周期性結(jié)構(gòu)的光柵結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變?nèi)拥目臻g距(例如對(duì)結(jié)構(gòu)加熱、改變結(jié)構(gòu)內(nèi)的壓力等)或在微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)形成過(guò)程中改變?nèi)拥淖畛蹰g距(例如，通過(guò)改變波導(dǎo)浸入光學(xué)活性材料貯液器的“蘸浸頻率”)使波導(dǎo)(在一實(shí)施例中為光纖)成為可調(diào)諧的。通常，可使用任何數(shù)量的不同類(lèi)型的光活性材料形成塞子，其中二種或更多的不同的材料可被用在同一個(gè)結(jié)構(gòu)中，并以交替的方式被引入。
文檔編號(hào)G02B6/02GK1536379SQ200410031029
公開(kāi)日2004年10月13日 申請(qǐng)日期2004年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月8日
發(fā)明者本杰明·J·埃格爾頓, 賈斯廷·D·金, 阿圖羅·黑爾, 查爾斯·克貝治, D 金, 克貝治, 黑爾, 本杰明 J 埃格爾頓 申請(qǐng)人:美國(guó)飛泰爾有限公司