專利名稱：涉及光子晶體光纖的熔接與連接的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將光纖耦合至光學(xué)器件的方法、一種光纖、一種用于制造光纖的預(yù)制件、一種包括拉制預(yù)制件的制造光纖的方法、一種熱處理的光纖、一種包括光纖的物
品O
背景技術(shù)：
近年來出現(xiàn)了一類新光纖。通過在光纖中引入一些孔或空隙來提供這些光纖的光學(xué)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)。這些孔通常與光纖平行并且沿著光纖的長度延伸。關(guān)于這種光纖的大體描述請見 A. Bjarklev 等著的“Photonic Crystal Fibers (光子晶體光纖)”, Kluwer AcademicPublisher (Kluwer 學(xué)術(shù)出版社，2003 (ISBN 1-4020-7610-X)，下文中稱為[Bjarklev 等]。 這種光纖的導(dǎo)光原理基于全內(nèi)反射(TIR)，其和不包含這種孔的傳統(tǒng)光纖(非微結(jié)構(gòu)光纖，在下文中也稱為“標(biāo)準(zhǔn)光纖”)的導(dǎo)光原理相似，或者也可基于光子帶隙(PBG)原理。對于基于TIR的光纖，纖芯由包括孔、例如一些排列緊密的孔的包層區(qū)所包圍，纖芯可包括固體玻璃區(qū)域，固體玻璃區(qū)域的折射率通常比包層區(qū)的有效折射率更高。對于基于PBG的光纖，纖芯不限于實(shí)心(solid)材料。其可以是孔、或者實(shí)心背景材料和孔的組合，且被包括光子帶隙的包層區(qū)包圍。由于光不能透過包層區(qū)而沿著光纖引導(dǎo)光，因此纖芯的折射率可低至空氣的折射率。因此，光被限制在纖芯內(nèi)。包層區(qū)可包括包層材料，以及仔細(xì)排列的具有預(yù)定孔尺寸、間距和圖案的氣孔。通常，孔或空隙可為包括折射率不同于背景材料的折射率的材料的任何所謂部件(feature) 0這種所謂部件也可包括折射率高于背景材料的折射率的材料。孔或空隙可包括實(shí)心材料、氣體、液體或真空。包層中的氣孔或部件可以影響光纖的光學(xué)特性。在一些光纖設(shè)計中，與其它因素相比，氣孔對光纖的光學(xué)特性的影響起主導(dǎo)作用。通常，這種類型的光纖在下文中被稱為光子晶體光纖(PCF)。這種光纖還被稱為微結(jié)構(gòu)光纖、多孔光纖、光子帶隙光纖、孔助光纖，也可以使用其它命名。PCF與傳統(tǒng)的實(shí)心玻璃光纖相比具有不同的特性，因此應(yīng)用在許多不同的領(lǐng)域上。從小纖芯的PCF到標(biāo)準(zhǔn)光纖的過渡(transition)通常是困難的。熔接損耗通常較高(> O. 3dB_ 參見例如 Hansen 等著的 “Highly Nonlinear Photonic Crystal Fiberwith Zero-Dispersion at I. 55 μ m(I. 55 μ m零色散的高非線性光子晶體光纖)”,光纖通信會議2002，截稿日期后提交的文章，2002)，并且機(jī)械強(qiáng)度通常較差。PCF的拉錐可用于降低從PCF向標(biāo)準(zhǔn)光纖的過渡耦合的損耗(參見例如W000049435或EPOl 199582)。然而，在制造拉錐的光纖區(qū)時，拉錐是既費(fèi)時又費(fèi)力的。US 2002/0114574-A1公開了一種加熱和拉伸的技術(shù)，這項技術(shù)應(yīng)用在拉錐形光纖中部分或整體地塌陷微結(jié)構(gòu)光纖，或者應(yīng)用在非拉錐形光纖中保持整體直徑大致相同，并分別提供呈現(xiàn)模式收縮或模式擴(kuò)展的合成光纖。此專利公開了具有單一背景材料的單包層區(qū)(不同于多包層)的微結(jié)構(gòu)光纖。W004049025公開了一種包括孔或空隙的光纖，其中孔沿長度方向部分塌陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種將光子晶體光纖耦合至光學(xué)器件的改進(jìn)的方法，特別是將光子晶體光纖耦合至例如光子晶體光纖的光纖、或非微結(jié)構(gòu)光纖、或其它光學(xué)器件的改進(jìn)的方法。本發(fā)明的目的之一是設(shè)計改進(jìn)的光子晶體光纖從而控制光纖端的模場分布，例如控制光纖端的模式擴(kuò)展。本發(fā)明的目的之一是提供一種能夠低損耗和/或高強(qiáng)度地熔接至其它光纖(例如標(biāo)準(zhǔn)光纖)的PCF。特別地，本發(fā)明的目的之一是提供能夠低損耗和/或高強(qiáng)度地熔接至標(biāo) 準(zhǔn)光纖的小纖芯的PCF。本發(fā)明的目的之一是提供在PCF和標(biāo)準(zhǔn)非微結(jié)構(gòu)光纖之間的低損耗和/或高強(qiáng)度的接合或熔接。本發(fā)明的目的之一是提供在PCF和標(biāo)準(zhǔn)非微結(jié)構(gòu)光纖之間實(shí)現(xiàn)低損耗和/或高強(qiáng)度的接合的方法。本發(fā)明的目的之一是提供具有改進(jìn)的接合特性的PCF和熔接這種PCF的應(yīng)用。本發(fā)明的目的之一是提供至少包括具有第一端面的第一端的光纖，該光纖包括能夠引導(dǎo)第一波長λ的光的纖芯區(qū)；以及包圍所述纖芯區(qū)的微結(jié)構(gòu)包層區(qū)。包層區(qū)包括內(nèi)包層區(qū)和外包層區(qū)。內(nèi)包層區(qū)包括布置在折射率為H1的內(nèi)包層背景材料中的內(nèi)包層部件，所述內(nèi)包層部件包括可熱塌陷的孔或空隙。外包層區(qū)包括布置在外包層背景材料中的外包層部件，所述外包層部件包括折射率為η2的實(shí)心材料，其中η2低于rv本發(fā)明的目的之一是提供一種將用于沿其縱向傳輸光的光纖耦合至光學(xué)器件的方法，該方法包括提供在第一光纖端具有第一光纖端面的光纖。該光纖包括能夠引導(dǎo)第一波長λ的光的纖芯區(qū)和包圍所述纖芯區(qū)的微結(jié)構(gòu)包層區(qū)。所述包層區(qū)包括內(nèi)包層區(qū)和外包層區(qū)。內(nèi)包層區(qū)包括布置在折射率為Ii1的內(nèi)包層背景材料中的內(nèi)包層部件，其中所述內(nèi)包層部件包括可熱塌陷的孔或空隙。外包層區(qū)包括布置在外包層背景材料中的外包層部件，所述外包層部件包括折射率為η2的實(shí)心材料，其中η2低于ηι。該方法進(jìn)一步包括通過加熱所述光纖的所述第一端使至少部分所述第一內(nèi)包層部件中的所述可熱塌陷孔或空隙塌陷；并且將所述塌陷的光纖端耦合至光學(xué)器件。所述內(nèi)包層部件中的所述空隙或孔的塌陷在至少部分所述內(nèi)包層區(qū)中提供了一有效折射率，該有效折射率大于外包層的有效折射率。本發(fā)明的目的之一是提供一種熔接光纖的方法，該方法包括(a)提供根據(jù)本發(fā)明的第一光纖,該光纖具有所述第一端；(b)提供具有端的第二光纖；(C)以預(yù)定的間距將所述第一和第二光纖的所述端相對彼此對準(zhǔn)；以及(d)對包括所述第一和第二光纖的所述端的每一所述光纖的待加熱部分進(jìn)行可控的熱處理，從而使至少部分所述待加熱部分上的所述可熔接的一個或多個光纖的所述內(nèi)包層部件的所述空隙或孔塌陷。
本發(fā)明的目的之一是提供用于制造根據(jù)本發(fā)明的光纖的預(yù)制件，該預(yù)制件包括縱向預(yù)制元件,其包括(a)至少一個包括折射率為11。_的材料的纖芯元件；(b)內(nèi)包層元件包括折射率為Ii1的材料的管狀元件，所述管狀元件能夠在可熔接光纖中形成可塌陷的孔或空隙；以及(c)外包層元件包括折射率為n2的實(shí)心材料的管狀或棒狀元件,所述管狀或棒狀元件能夠在可熔接光纖中形成不可塌陷的低折射率部件；其中，所述元件設(shè)置成可通過預(yù)制件來制造根據(jù)本發(fā)明的具有可塌陷的內(nèi)包層孔或空隙的光纖。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，提供了一種改進(jìn)可熔接光纖的方法，該方法包括(a)提供一段長度的根據(jù)本發(fā)明的光纖,該光纖具有第一端；且(b)對所述一段長度的所述可熔接光纖的一部分進(jìn)行可控的熱處理，從而所述光纖的所述可塌陷的內(nèi)包層空隙或孔在至少部分所述已熱處理的部分上塌陷。所述可熔接光纖中的全部空隙或孔在熱處理(b)期間塌陷和/或被密封。該方法進(jìn)一步包括(C)切割在所述待加熱部分的、所述可塌陷的內(nèi)包層空隙或孔已經(jīng)塌陷的所述部分中的所述改進(jìn)的光纖，因此提供了兩段不同長度的光纖，每一光纖分別具有已熱處理的端，在該端中所述可塌陷的內(nèi)包層空隙或孔已經(jīng)塌陷。在一個實(shí)施例中，所述待加熱部分的所述部分包括所述可熔接光纖的所述端。在一個實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括(d)例如通過研磨提供具有輪廓分明的端面的所述熱處理端。在一個實(shí)施例中，所述光纖的所述熱處理端和(d)中的所述輪廓分明的端面適于形成光連接器的一部分。進(jìn)一步的目的詳見其它部分的描述。在一個實(shí)施例中，所述光學(xué)器件為第二光纖、光學(xué)連接器、或者它們的組合，借由該組合可以獲得用于將光纖端固定至其它光學(xué)器件(例如激光器、探測器等)的低損耗光纖對光纖連接器或低損耗連接器。在一個實(shí)施例中，所述第二光纖為光子晶體光纖、或非微結(jié)構(gòu)光纖，借由該光纖可以獲得光纖與所述光纖的低損耗耦合(例如以熔接耦合或連接化耦合的形式)。本發(fā)明中，某一區(qū)域的“背景材料”這一術(shù)語指的是一單一材料，如果測量由該特定材料制造的區(qū)域的實(shí)心部分的橫截面積比例則該材料構(gòu)成該區(qū)域的大部分，例如至少50%的面積，例如至少60%的面積，例如至少70%的面積，例如至少80%的面積，例如至少90%的面積，例如至少95%的面積。該背景材料也可包括兩種具有相似折射率的材料，例如 折射率差小于10%,例如小于5%,例如小于2%,例如小于I %,例如折小于O. 5%,例如小于O. 1%，例如小于O. 05%。本發(fā)明中，術(shù)語“端面”指的是光纖的自由端，或其可以是光纖接合的一部分，其中所述端面設(shè)置在接合點(diǎn)處。在一個實(shí)施例中，內(nèi)包層部件至少在橫截面尺寸和/或組成材料上與外包層部件不同。例如對于例如內(nèi)包層區(qū)中的圓形部件，橫截面尺寸可以為直徑。對于部件的非圓形橫截面，橫切面尺寸指的是該部件橫截面外接圓的直徑。在一個實(shí)施例中，外包層部件包括下?lián)诫s二氧化硅，例如F-摻雜二氧化硅。外包層部件大體上可以為實(shí)心。本發(fā)明中，術(shù)語“大體實(shí)心部件”指該部件在橫截面上包括至少60%的實(shí)心材料，例如至少70%的實(shí)心材料，例如至少80%的實(shí)心材料，例如至少90%的實(shí)心材料，例如至少95%的實(shí)心材料，例如至少98%的實(shí)心材料，例如全部都為實(shí)心材料。在一個實(shí)施例中，至少部分所述第一內(nèi)包層部件的所述可熱塌陷的孔或空隙在所述第一端至少部分地塌陷，例如在自所述第一端面起的一塌陷長度上。所述可熱塌陷的孔或空隙的塌陷可以是大體上不連貫的，因而可在一段較短的光纖上獲得擴(kuò)展，或者所述塌陷也可以是朝著第一端面漸變的，因而可獲得導(dǎo)光模式的模場的絕熱擴(kuò)展。大體上不連貫的塌陷可發(fā)生在短于約50 μ m的長度上，例如短于約40 μ m,短于約25μηι,短于約ΙΟμπι,短于約5μηι。不連貫的塌陷也可發(fā)生在短于光纖的橫截面尺寸的長度上，例如橫截面尺寸的二分之一，例如橫截面尺寸的五分之一，例如橫截面尺寸的十分之
O在一個實(shí)施例中，所述可熱塌陷的孔或空隙在所述第一端面上完全塌陷，例如沿著自所述第一端面起的所述塌陷長度。當(dāng)在部分內(nèi)包層區(qū)中至少一部分內(nèi)包層部件的孔或空隙塌陷時，該部分的有效折射率將增加，并且變得可與纖芯區(qū)的有效折射率相當(dāng)。當(dāng)該部分布置在靠近纖芯區(qū)，并進(jìn)一步地被未塌陷內(nèi)包層部件和/或具有低折射率外包層部件的外包層區(qū)包圍時，纖芯區(qū)和內(nèi)包層區(qū)的塌陷部分可呈現(xiàn)為一個擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)，即在橫截面中該擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)包括纖芯區(qū)和所述內(nèi)包層區(qū)中所述內(nèi)包層部件塌陷的部分。在一個實(shí)施例中，改造所述加熱，使得在光纖的所述至少一端的導(dǎo)光模式可以由纖芯、內(nèi)包層及外包層的背景材料所確定的有效折射率分布來限制，該外包層可包括低折射率實(shí)心部件；所述折射率分布在光纖端提供所述擴(kuò)展的導(dǎo)光區(qū)，外包層提供所述至少一個光纖端的實(shí)際包層，借由此，可將光束展寬至一增加的尺寸，該尺寸適于有效的/低損耗的耦合，例如熔接和連接。在這種情況下，通過光纖向第一端傳輸?shù)墓饪梢詮睦w芯區(qū)散開至至少部分地填充第一端處的擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)。因此，引導(dǎo)纖芯模式的模場直徑可在光纖的塌陷部分增大。這允許了在光纖中引導(dǎo)的光在光纖長度上、內(nèi)包層部件的孔或空隙塌陷的地方擴(kuò)展。因此，能夠低損耗地耦合至具有與擴(kuò)大的纖芯區(qū)的模場直徑大體上匹配的模場直徑的光學(xué)器件。對孔或空隙的塌陷范圍的控制提供了對第一光纖端的折射率分布、和例如內(nèi)包層和外包層區(qū)材料的折射率的進(jìn)一步控制。在一個實(shí)施例中，可以以低損耗將光從一個光纖的相對較小的纖芯區(qū)(纖芯具有橫截面尺寸dj耦合至另一光纖的相對較大的纖芯區(qū)(纖芯具有橫截面尺寸CU，且(1。2大于(Iel)。通過米用根據(jù)本發(fā)明的光纖作為小纖芯光纖,并相對于具有相對較大纖芯的光纖擴(kuò)展光纖端的纖芯模式，可實(shí)現(xiàn)這種低損耗的耦合。通過使至少部分該內(nèi)包層區(qū)中的內(nèi)包層部件塌陷來實(shí)現(xiàn)模式的擴(kuò)展。當(dāng)小纖芯光纖的擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)的模場直徑和具有相對較大纖芯的光纖的模場直徑充分一致時，例如大體上一致時，可實(shí)現(xiàn)低損耗的耦合。
通常，耦合可通過允許光從一光學(xué)器件低損耗地傳輸?shù)搅硪还鈱W(xué)器件/低損耗地傳輸至一個光學(xué)器件的任何合適的方式來實(shí)現(xiàn)。這些方法包括熔接、自由空間光學(xué)、折射率匹配光膠等。在一個實(shí)施例中，所述耦合包括所述至少一個塌陷的光纖端和所述光學(xué)器件的熔融，借由此，光纖與光學(xué)器件可實(shí)現(xiàn)低損耗、高機(jī)械強(qiáng)度的耦合。內(nèi)包層部件(且可選的包括空隙或孔的外包層部件，例如第二類外包層部件)的塌陷可發(fā)生在光纖和所述光學(xué)器件耦合之前或者之后。即，光纖端可在所述可塌陷孔或空隙塌陷之前與光學(xué)器件耦合，也可在所述可塌陷孔或空隙塌陷之后與光學(xué)器件耦合。塌陷也可發(fā)生在光纖端與光學(xué)器件耦合的同時，從而用于將兩者耦合在一起的加熱操作也提供孔或空隙的塌陷。在一個實(shí)施例中,在內(nèi)包層部件的空隙并未通過例如加熱光纖塌陷的一端處纖芯 的橫截面尺寸為Clca。
外包層部件可包括多種形狀和尺寸，例如從光子晶體光纖技術(shù)中已知的，包括所謂泄漏通道設(shè)計。在一個實(shí)施例中，內(nèi)包層包括至少兩類部件，例如多個第一類內(nèi)包層部件和多個第二類內(nèi)包層部件。第一類內(nèi)包層部件可包括具有橫截面直徑Clim^1的可塌陷空隙或孔，第二類內(nèi)包層部件可包括具有橫截面直徑dim ,2的可塌陷空隙或孔，對于圓形的孔或空隙，橫截面尺寸通常為直徑。對于橫截面為非圓形的空隙或孔，橫截面尺寸指的是橫截面空隙或孔的外接圓的直徑。當(dāng)內(nèi)包層部件包括不同橫截面尺寸的空隙時，使用加熱處理工藝可以使不同種類的內(nèi)包層部件塌陷的長度可被獨(dú)立地控制。在一個實(shí)施例中，大部分所述第一類內(nèi)包層部件布置為比大部分所述第二類內(nèi)包層部件更靠近纖芯區(qū)。在一個實(shí)施例中，d
inner, I 比 ^inner, 2 小。與多個所述第二類內(nèi)包層部件相比，多個所述第一類內(nèi)包層部件自第一端面起塌陷更長的部分，從而擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)包括所述內(nèi)包層區(qū)中第一類內(nèi)包層部件塌陷的部分。因此，纖芯區(qū)中朝著第一光纖端傳輸?shù)膶?dǎo)光模式可被展寬，從而在第一類內(nèi)包層部件塌陷的位置處模場直徑增加。第一類內(nèi)包層部件的塌陷可以是漸變的，從而在所述纖芯區(qū)中傳播的光可被絕熱地耦合至所述擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)，因此光從纖芯區(qū)向擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)過渡時的耦合損耗被保持為最小，借由此，沿著光纖以第一波長傳輸?shù)剿莸墓饫w端的光的損耗可以是極小甚至可忽略。耦合損耗可以小于2dB，例如小于ldB，例如小于O. 5dB，例如小于O. 3dB，例如小于O. 2dB，例如小于O. ldB，例如小于O. 05dB或者更小。從在纖芯區(qū)中引導(dǎo)的光到在擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)中引導(dǎo)的光的絕熱過渡(transition)可通過調(diào)節(jié)用于內(nèi)包層部件的塌陷的熱處理工藝和/或優(yōu)化光纖設(shè)計參數(shù)(例如孔的尺寸和位置、不同種類部件的相對位置)來實(shí)現(xiàn)?？赏ㄟ^多種不同方法實(shí)現(xiàn)可熱塌陷的孔或間隙的塌陷。這些方法中常用的是使用熱以軟化背景材料，借由此可熱塌陷的孔或空隙收縮。在收縮中使用表面張力、通過壓力控制和/或其它方法排出液體可輔助收縮。通常，加熱可以通過任一適當(dāng)?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn)，借由此能量被輸送至內(nèi)包層區(qū)，該適當(dāng)?shù)姆绞嚼缡菬岬摹⒏袘?yīng)的、輻射性吸收或其它方式。
在一個實(shí)施例中，所述加熱由熔接機(jī)來提供，由此可使用適于控制熱處理的市場上可獲得的設(shè)備。通常，本申請中的光學(xué)器件包括傳播光的任何器件(例如光纖，例如光子晶體光纖或非微結(jié)構(gòu)光纖)；輸出光的任何器件(例如光源，例如激光器)；接收光的任何器件(例如探測器)；和/或任何可用于將一個光學(xué)器件連接到另一光學(xué)器件的任何器件，例如光連接器。在一個實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明，所述第二光纖為可熔接光纖。在一 個實(shí)施例中，所述第二光纖為標(biāo)準(zhǔn)光纖，例如標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，例如SMF-128光纖。在一個實(shí)施例中，所述熱源為熔接機(jī)，例如Vytran FFS2000熔接機(jī)。在一個實(shí)施例中，所述光纖為非線性光纖。在一個實(shí)施例中，光纖纖芯區(qū)的導(dǎo)光模式至少在沿所述光纖的一個位置處具有小于約5微米的模場直徑,在所述第一端面處具有大于約5微米的模場直徑,例如大于約7微米，例如大于約9微米，例如大于約12微米，例如大于約15微米。在所述第一端面處的所述模場直徑可小于約1000微米，可小于例如約500微米，可小于例如約250微米。在一個實(shí)施例中，所述光纖沿其長度具有至少一個這樣的位置(位置1)，在該位置處，所述第一波長λ上的導(dǎo)光模式由于內(nèi)包層部件的存在而被限制于纖芯區(qū),其中λ在O. 4微米到2. O微米之間。在一個實(shí)施例中，纖芯區(qū)在沿所述光纖的至少一個位置處具有最大的橫截面直徑rrcF，其在O. 8微米到5. O微米之間。在一個實(shí)施例中，該尺寸小于3. O微米，例如在光纖用于產(chǎn)生非線性效應(yīng)的情況下。在內(nèi)包層部件在第一光纖端處塌陷的情況下，橫截面尺寸將被擴(kuò)展，且盡管纖芯區(qū)的尺寸小，光纖仍可將光以低損耗耦合至其它光學(xué)器件。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，內(nèi)包層區(qū)在沿所述光纖的至少一個位置處具有橫截面尺寸匕。11(1，其在3.0微米到15. O微米之間。當(dāng)內(nèi)包層部件塌陷時，形成了覆蓋纖芯區(qū)和至少部分所述內(nèi)包層區(qū)的擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)。根據(jù)本發(fā)明的具有小纖芯的光纖因此可以以低損耗將光稱合至具有約為3. 0-15. O微米的光斑尺寸/模場半徑的其它光學(xué)器件。實(shí)際上，內(nèi)包層部件的塌陷可能會導(dǎo)致擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)的橫截面尺寸減小。在一個實(shí)施例中，在第一光纖端處的rS()lid在2. O微米到12. O微米之間。在一個實(shí)施例中，在所述第一光纖端處，擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)的橫截面尺寸基本上與rS()lid相等。在所述第一光纖端處，擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)的最大的橫截面尺寸在約2. O微米到約12. O微米之間。在一個實(shí)施例中，通過選取添加有軟化劑的內(nèi)包層預(yù)制件元件，及選取具有實(shí)心材料的外包層預(yù)制件元件來形成所制造的光纖的內(nèi)包層中的可塌陷的孔或空隙，因而，對所制造的可熔接光纖的施加熱確保了內(nèi)包層孔或空隙會塌陷。在一個實(shí)施例中，所述纖芯區(qū)包括折射率為neOTe的材料,且neOTe大于叫。這允許例如設(shè)計具有高非線性系數(shù)的光纖，調(diào)整光纖的色散特性，和/或調(diào)整光纖的截止特性。內(nèi)包層和外包層部件可適于特殊的色散和非線性特性，例如產(chǎn)生超連續(xù)光所需要的，例如產(chǎn)生藍(lán)光、紫光、紫外或者紅外光所需要的。在一個實(shí)施例中，所述纖芯區(qū)包括折射率為neOTe的材料，且neOTe小于叫。這允許了例如調(diào)整光纖的色散特性，和/或調(diào)整光纖的截止特性。在一個實(shí)施例中，所述纖芯區(qū)包括折射率為neOTe的材料,且η。·小于、等于或者大于n2。在一個實(shí)施例中，Ii1大于n2。在一個實(shí)施例中，所述外包層背景材料的折射率與Ii1相似。在一個實(shí)施例中，所述外包層背景材料的折射率與Ii1不同。在一個實(shí)施例中，提供了一種根據(jù)本發(fā)明的預(yù)制件，其中neOTe大于叫。在一個實(shí)施例中，提供了一種根據(jù)本發(fā)明的預(yù)制件，其中neOTe基本上等于叫。
在一個實(shí)施例中，提供了一種根據(jù)本發(fā)明的預(yù)制件，其中neOTe小于叫。在一個實(shí)施例中，提供了一種根據(jù)本發(fā)明的預(yù)制件，其中所述纖芯元件為純二氧化娃棒。在一個實(shí)施例中，提供了一種根據(jù)本發(fā)明的預(yù)制件，其中所述纖芯元件為包括摻雜的二氧化硅的棒，例如摻鍺、鋁、氟、硼、鉺或鐿的二氧化硅或它們的組合。 在一個實(shí)施例中，所述光纖的所述纖芯包括摻雜二氧化硅，例如摻鍺、鋁、氟、硼、鉺或鐿的二氧化硅或它們的組合。在一個實(shí)施例中，提供了一種根據(jù)本發(fā)明的預(yù)制件，其中所述內(nèi)包層元件為純二
氧化硅管。在一個實(shí)施例中，提供了一種根據(jù)本發(fā)明的預(yù)制件，其中所述內(nèi)包層元件為包括摻雜的二氧化硅的管，例如摻鍺、鋁、氟、硼、鉺或鐿的二氧化硅或它們的組合。在一個實(shí)施例中，所述光纖的所述內(nèi)包層部件包括摻雜的二氧化硅，例如摻鍺、鋁、氟、硼、鉺或鐿的二氧化硅或它們的組合。在一個實(shí)施例中，提供了一種根據(jù)本發(fā)明的預(yù)制件，其中所述外包層元件為包括純二氧化硅外殼和摻雜內(nèi)芯的棒，例如摻氟的內(nèi)芯，或例如摻鍺的內(nèi)芯。在一個實(shí)施例中，提供了一種根據(jù)本發(fā)明的預(yù)制件，其中所述預(yù)制件包括包覆層管。在一個實(shí)施例中，提供了一種根據(jù)本發(fā)明的預(yù)制件，其中所述預(yù)制件包括緩沖元件，例如與外包層元件相比具有更小橫截面尺寸的棒和/或管。在一個實(shí)施例中，提供了一種根據(jù)本發(fā)明的預(yù)制件，其中所述預(yù)制件包括給定數(shù)量的內(nèi)包層元件，且所述數(shù)量在6到18范圍內(nèi)，例如等于6。通過提供根據(jù)本發(fā)明的制造可熔接光纖的方法，至少實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的一些目的，這種方法包括由根據(jù)本發(fā)明的預(yù)制件拉制光纖。通過提供包括根據(jù)本發(fā)明的光纖、或通過根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的、通過熱處理可熔接光纖的至少一端或一部分而制備的可熔接光纖的熱處理光纖，至少實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的一些目的。通過提供包括根據(jù)本發(fā)明的光纖、或通過根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的光纖和光學(xué)器件的耦合的物品，至少實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的一些目的，其中所述物品可為非線性光纖器件、和/或色散補(bǔ)償光纖器件和/或有源光纖器件。通過提供包括根據(jù)本發(fā)明的光纖、或通過根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的光纖和光學(xué)器件的耦合的物品，至少實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的一些目的，其中該光纖的外部直徑沿軸向大體上一致。在一個實(shí)施例中，所述光纖的至少一端為實(shí)心，例如通過塌陷光纖端中的任意孔或空隙所獲得的實(shí)心端。這允許了在施加高溫以產(chǎn)生高強(qiáng)度熔接的地方，對光纖的實(shí)心端進(jìn)行熔接。在一個實(shí)施例中，外包層區(qū)包括第二類外包層部件，其包括可塌陷的孔或空隙。第二類外包層部件可被布置成大體上包圍包括折射率為n2的實(shí)心材料的外包層部件。本申請中，術(shù)語“折射率”和術(shù)語“有效折射率”是有差別的。折射率是均勻材料的傳統(tǒng)折射率。而有效折射率指給定波長λ的光通過給定材料時的折射率，給定材料可以是合成的(這指的是，合成材料包括兩種或更多種子材料，典型地，具有一種折射率的背景材料和具有不同折射率的一種或更多種部件)。對于均勻材料，折射率和有效折射率自然是相同的。對于合成材料(例如微結(jié)構(gòu))，有效折射率將在下 文中進(jìn)一步討論。術(shù)語折射率也被用來描述合成材料中子材料的折射率(例如微結(jié)構(gòu)材料中部件的折射率)。有效折射率通常不同于“加權(quán)的折射率”或“幾何折射率”。當(dāng)子材料的折射率已知時，可根據(jù)對給定的合成材料進(jìn)行幾何計算直接確定出這些折射率。對于本發(fā)明的光纖的一些應(yīng)用，最重要的光波長通常在可見光到近紅外區(qū)域(波長從約400納米到2微米)。在這一波長范圍內(nèi)，用于制造光纖的最相關(guān)材料(如二氧化硅)通常被認(rèn)為大體上與波長無關(guān)，或至少不強(qiáng)烈地依賴于波長。然而，對于非均勻材料，例如具有空隙或氣孔的光纖，有效折射率通常強(qiáng)烈地依賴于材料的形態(tài)。進(jìn)一步地，這種光纖的有效折射率可能呈現(xiàn)強(qiáng)烈的波長依賴性。對于給定的具有空隙或孔的光纖結(jié)構(gòu)，其在給定波長下的有效折射率可以通過熟知的程序來確定(參見例如Jouannopoulos等著的“Photonic Crystal (光子晶體)”,普林斯頓大學(xué)學(xué)報，1995,或Broeng等著的OpticalFiber Technology (光纖技術(shù))，第 5 卷,305-330 頁，1999)。在微結(jié)構(gòu)光纖領(lǐng)域內(nèi)可以理解，包層的和/或纖芯中的術(shù)語“氣孔”可包括包含有真空、氣體或者液體的孔或空隙，在制造微結(jié)構(gòu)光纖之后，所述孔或空隙全部或部分地被液體或氣體填充。本申請中，術(shù)語“可熔接的光纖”旨在被廣泛地解釋為包括這樣一種能力光纖能夠被熔接至另一光纖、或者連接到另一光學(xué)器件，例如連接器，從而保證以低的光損耗將傳輸光耦合至所述其它光纖或所述其它光學(xué)器件。術(shù)語“光纖端”旨在表示光纖在光纖端處的縱向部分，包括光纖端面。本申請中，可熱塌陷孔或者空隙可被理解為包括氣體、真空或液體的孔或空隙，這些氣體、真空或液體可例如通過排出被移除，并且可熱塌陷孔或者空隙被可在加熱時軟化的材料包圍。在一個實(shí)施例中，光纖可被用作中間光纖，即連接兩段或更多段光纖的光纖。舉例來說，對于不同光纖間的纖-纖熔接，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光纖可被用作中間光纖。不同的光纖通常在一個或多個參數(shù)上不同，例如纖芯直徑、纖芯摻雜、折射率分布等。舉例來說，這允許了直線的中間光纖(非拉錐形的中間光纖和/或非拉錐形的不同光纖)。有利的是，利用外直徑與一種或多種不同光纖的外直徑類似或相同的中間光纖，即匹配了一種或多種光纖的外直徑。這種外直徑的匹配提高了機(jī)械強(qiáng)度。需要注意的是，拉錐為優(yōu)化根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的光纖提供了另外的方法。因此，根據(jù)本發(fā)明的拉錐形光纖或光纖段也被覆蓋在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中。還需注意的是，采用增壓以控制孔或空隙的塌陷或部分塌陷的方法也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。同樣，選定孔或空隙的增壓也在本發(fā)明的范圍內(nèi)?？梢岳斫?，下文的詳細(xì)描述僅是本發(fā)明的示例，旨在提供用于理解如權(quán)利要求所述的本發(fā)明的本質(zhì)和特性的概述或框架。還包括附圖，以提供對本發(fā)明的進(jìn)一步的理解，附圖被合并入且構(gòu)成了本發(fā)明公開的一部分。本發(fā)明并不限于所描述的示例。附圖示出了本發(fā)明的多種部件和實(shí)施例，其與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理和操作。根據(jù)下文闡明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，結(jié)合附圖，本發(fā)明的其它目的、部件和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。在本申請實(shí)施例中，在橫截面視圖中以圓圈示出孔或空隙形式的部件，其中直徑(例如(I1)通常用于表示部件的尺寸或最大內(nèi)尺寸?？谆蚩障犊梢匀魏涡问匠尸F(xiàn)，在這種情況下用于孔或空隙的特性化的相關(guān)尺寸是其最大的、內(nèi)尺寸。


結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例，并參考附圖，下文中將更加全面地解釋本發(fā)明。附圖如下圖Ia和Ib示出本發(fā)明的實(shí)施例的示例。圖2至4示出本發(fā)明的實(shí)施例的示例。圖5示出預(yù)制件的示例。圖6示出本發(fā)明的實(shí)施例的示例。圖7示出根據(jù)本發(fā)明的光纖的圖片。圖8示出從圖7所示的光纖測出的模場分布。附圖是示意性的且為清楚起見被簡化了。
具體實(shí)施例方式根據(jù)下文給出的詳細(xì)描述，本發(fā)明進(jìn)一步的應(yīng)用范圍將更加明顯。然而，應(yīng)當(dāng)理解，詳細(xì)描述和具體實(shí)施例雖然示意了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但其僅以示例的方式給出，對所屬領(lǐng)域技術(shù)人員來說根據(jù)這些詳細(xì)描述，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的多種變化和改變都是顯而易見的。圖Ia示出光纖的一部分，包括纖芯10、可塌陷的內(nèi)包層部件11(通常為孔或空隙)、外層實(shí)心(不可塌陷部件12)和背景材料12。圖Ib示出光纖端(或可選地，沿著光纖長度方向上的一部分)，其中內(nèi)包層塌陷從而提供擴(kuò)大的纖芯區(qū)。圖2至4示出本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步示意圖?？伤莶考?4也可設(shè)置在不可塌陷部件62的外側(cè)，例如以此來提高光纖的性能，包括損耗、色散、非線性和/或其它性能。這種光纖設(shè)計的一個實(shí)例可參見圖4a，其中，可塌陷的第二類外包層部件64布置在外包層區(qū)的不可塌陷部件62的外側(cè)。當(dāng)光纖被加熱時，可塌陷部件61和64在加熱區(qū)域塌陷，從而實(shí)心外包層部件62、72被實(shí)心材料區(qū)73包圍。圖6示出本發(fā)明實(shí)施例的另一示例，其中內(nèi)包層包括第一類和第二類部件。第一類部件包括橫截面尺寸為Clim^1的空隙或孔，第二類部件包括橫截面尺寸為dimOT,2的空隙或孔，其中Clin^1小于dinnOT,2。由于較小的孔塌陷地更快、更容易，因此保證了內(nèi)包層部件、中最內(nèi)的環(huán)先于第二環(huán)塌陷。當(dāng)內(nèi)包層部件朝著光纖端塌陷，其中孔或空隙被塌陷以擴(kuò)展MFD(模場直徑)，在采用具有不同孔尺寸的內(nèi)包層部件時，這種擴(kuò)展會逐步發(fā)生。模場直徑從光纖的未塌陷部分的纖芯區(qū)向塌陷端的擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)逐步擴(kuò)展，有助于降低塌陷區(qū)/非塌陷區(qū)之間的過渡損耗。圖7和8示出根據(jù)本發(fā)明得到的光纖的圖片和模場分布。纖芯區(qū)10被具有內(nèi)包層部件11的內(nèi)包層區(qū)包圍。外包層區(qū)包括多個實(shí)心外包層部件12。圖8示出光纖端的模場分布，其中，(圖中上半部的)內(nèi)包層部件未塌陷，并且其中(圖中下半部的)內(nèi)包層部件塌陷。在上半部分，平均模場直徑為3.4微米，而在具有塌陷的內(nèi)包層部件的光纖端，平 均模場直徑增加到14. I微米，以傳輸?shù)谝徊ㄩL1064微米的光波。雖然參考具體實(shí)施例詳細(xì)地示出和描述了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下，可以對本發(fā)明在形式和細(xì)節(jié)上作出多種變化，并且這些變化落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光纖，至少包括具有第一端面的第一端，所述光纖包括 (a)纖芯區(qū),其能夠引導(dǎo)第一波長λ的光；及 (b)微結(jié)構(gòu)包層區(qū)，其包圍所述纖芯區(qū)，所述包層區(qū)包括 (bl)內(nèi)包層區(qū)，包括布置在折射率為Ii1的內(nèi)包層背景材料中的內(nèi)包層部件，所述內(nèi)包層部件包括可熱塌陷的孔或空隙；及 (b2)外包層區(qū)，包括布置在外包層背景材料中的外包層部件，所述外包層部件包括折射率為n2的實(shí)心材料，其中n2低于叫。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光纖，其中，所述內(nèi)包層部件至少在橫截面尺寸和/或材料組成上不同于所述外包層部件。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的光纖，其中，所述外包層部件包括下?lián)诫sニ氧化硅，例如F-摻雜ニ氧化硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的光纖，其中，所述外包層部件基本上為實(shí)心。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的光纖，其中，至少部分所述第一內(nèi)包層部件的所述可熱塌陷的孔或空隙在所述第一端處至少部分塌陷，例如在自所述第一端面起的ー塌陷長度上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖，其中，所述可熱塌陷的孔或空隙的所述塌陷是朝著第一端面漸變的。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖，其中，所述可熱塌陷的孔或空隙的所述塌陷大體上是不連貫的。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任一項所述的光纖，其中，所述可熱塌陷的孔或空隙在所述第一端面上全部塌陷，例如沿著自所述第一端面起的所述塌陷長度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的光纖，其中，所述可熱塌陷的孔的所述塌陷使得在第一端面上定義了擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)，所述擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)包括纖芯區(qū)和所述內(nèi)包層區(qū)中所述內(nèi)包層部件塌陷的部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項所述的光纖，其中，所述內(nèi)包層部件包括多個第一類部件和多個第二類部件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光纖，其中，所述第一類部件包括橫截面尺寸為dim a的空隙或孔，和/或所述第二類部件包括橫截面尺寸為dinn ,2的空隙或孔。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的光纖，其中，大部分所述第一類部件被布置為比大部分所述第二類部件更靠近纖芯區(qū)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10-12中任一項所述的光纖,其中，dinnera小于dimOT,2。
14.根據(jù)權(quán)利要求10-13中任一項所述的光纖，其中，與所述多個第二類部件相比，所述多個第一類部件在自第一端面起更長的部分上塌陷，從而所述擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)包括所述內(nèi)包層區(qū)中第一類部件塌陷的部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光纖，其中，第一類內(nèi)包層部件的塌陷是漸變的，從而在所述纖芯區(qū)傳輸?shù)墓獗唤^熱地耦合至所述擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光纖，其中，當(dāng)所述第一波長的光從所述纖芯區(qū)耦合至所述擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)時發(fā)生的耦合損耗小于2dB，例如小于ldB，例如小于O. 5dB，例如小于O.3dB，例如小于O. 2dB，例如小于O. ldB，例如小于O. 05dB或更小。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項所述的光纖，其中，所述外包層背景材料的折射率與Il1近似。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項所述的光纖，其中，所述外包層背景材料的折射率與ル不同。
19.根據(jù)權(quán)利要求1-18中任一項所述的光纖，其中，所述光纖為非線性光纖。
20.根據(jù)權(quán)利要求1-19中任一項所述的光纖，其中，光纖的纖芯區(qū)的導(dǎo)光模式至少在沿著所述光纖的ー個位置具有小于約5微米的模場直徑，且在所述第一端面的模場直徑大于約5微米，例如大于約7微米，例如大于約9微米，例如大于約12微米，例如大于約15微米。
21.根據(jù)權(quán)利要求1-20中任一項所述的光纖，其中，纖芯區(qū)至少在沿所述光纖的ー個位置具有最大的橫截面尺寸rrcF，其在O. 8微米至5. O微米之間。
22.根據(jù)權(quán)利要求1-21中任一項所述的光纖，其中，內(nèi)包層區(qū)至少在沿所述光纖的一個位置上具有最大的橫截面尺寸rS()lid，其在3. O微米至15. O微米的范圍內(nèi)。
23.根據(jù)權(quán)利要求14-22中任一項所述的光纖,其中,在所述第一光纖端處的擴(kuò)大的導(dǎo)光區(qū)的最大橫截面尺寸在約2. O微米至約12. O微米的范圍內(nèi)。
24.一種將用于沿其縱向傳輸光的光纖耦合至光學(xué)器件的方法，該方法包括 (A)提供在第一光纖端具有第一光纖端面的光纖，所述光纖包括 纖芯區(qū)，能夠引導(dǎo)第一波長λ的光；及 微結(jié)構(gòu)包層區(qū)，包圍所述纖芯區(qū)，所述包層區(qū)包括 (bl)內(nèi)包層區(qū)，包括布置在折射率為Ii1的內(nèi)包層背景材料中的內(nèi)包層部件，所述內(nèi)包層部件包括可熱塌陷的孔或空隙，及 (b2)外包層區(qū)，包括布置在外包層背景材料中的外包層部件，所述外包層部件包括折射率為n2的實(shí)心材料，其中n2低于Ii1 ； (B)通過加熱所述光纖的所述第一端，使所述第一內(nèi)包層部件的至少部分所述可熱塌陷的孔或空隙塌陷；以及 (C)將所述塌陷的光纖端耦合至光學(xué)器件； 其中，所述內(nèi)包層部件的所述孔或空隙的塌陷在至少部分所述內(nèi)包層區(qū)中提供一有效折射率，該有效折射率大于外包層區(qū)的有效折射率。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，在所述可塌陷的孔或空隙塌陷之前，將所述光纖端耦合至光學(xué)器件。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，在所述可塌陷的孔或空隙塌陷的同吋，將所述光纖端耦合至光學(xué)器件。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，在所述可塌陷的孔或空隙塌陷之后，將所述光纖端耦合至光學(xué)器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖，至少包括具有第一端面的第一端，該光纖包括能夠引導(dǎo)第一波長λ的光的纖芯區(qū)；和包圍所述纖芯區(qū)的微結(jié)構(gòu)包層區(qū)。包層區(qū)包括內(nèi)包層區(qū)和外包層區(qū)。內(nèi)包層區(qū)包括布置在折射率為n1的內(nèi)包層背景材料中的內(nèi)包層部件，所述內(nèi)包層部件包括可熱塌陷的孔或空隙。外包層區(qū)包括布置在外包層背景材料中的外包層部件，所述外包層部件包括折射率為n2的實(shí)心材料，其中n2低于n1。本發(fā)明進(jìn)一步涉及將這種光纖熔接至光學(xué)器件的方法和使用這種光纖的方法。
文檔編號G02B6/032GK102687048SQ201080045782
公開日2012年9月19日 申請日期2010年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月14日
發(fā)明者M·D·馬克 申請人:Nkt光子學(xué)有限公司