專利名稱：高折射率差纖維波導(dǎo)及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及纖維波導(dǎo)，更具體地涉及高折射率差(high index-contrast)的纖維波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
光學(xué)元件在電信網(wǎng)中的應(yīng)用變得越來越普遍。例如，纖維波導(dǎo)如光纖被用于在不同的地點之間攜帶作為光信號的信息。這些波導(dǎo)基本上限制光信號沿一個或多個優(yōu)選路徑傳播。類似地，其它部件如電源、調(diào)制器及變換器通常也包括用于限制電磁(EM)能量的被導(dǎo)引的區(qū)域(guided regions)。雖然金屬波導(dǎo)在較長波長(例如微波)的使用方面有很長的歷史，但它們在光波范圍(例如350nm至3微米)中作為波導(dǎo)的使用因其吸收性能而受到限制。因此，在許多光學(xué)應(yīng)用中優(yōu)選介電波導(dǎo)區(qū)域。
纖維波導(dǎo)的最普遍類型是光導(dǎo)纖維，光導(dǎo)纖維利用折射率導(dǎo)引(index guiding)將光信號限制到優(yōu)選路徑上。這種纖維包括沿波導(dǎo)軸延伸的纖芯區(qū)域，及環(huán)繞波導(dǎo)軸包圍該纖芯的、折射率小于纖芯區(qū)域折射率的外包層區(qū)域。由于存在折射率差，因此在高折射率的纖芯部分中基本上沿波導(dǎo)軸傳播的光輻射可經(jīng)受來自纖芯-外包層界面的全內(nèi)反射(TIR)。其結(jié)果是，光導(dǎo)纖維引導(dǎo)電磁(EM)輻射的一個或多個模式沿波導(dǎo)軸在纖芯中傳播。這些被引導(dǎo)的模式的數(shù)目隨著纖芯的直徑的增大而增加。特別是，這種折射率導(dǎo)引的機(jī)制將阻止對于平行于波導(dǎo)軸的給定波矢量，出現(xiàn)低于最低頻率的被導(dǎo)引模式的任何外包層模式。在商業(yè)上應(yīng)用的幾乎所有折射率導(dǎo)引光導(dǎo)纖維均為基于硅石的光纖，其中纖芯及外包層區(qū)域中的一個或兩者被摻以雜質(zhì)以產(chǎn)生折射率差并生成纖芯-外包層區(qū)域界面。例如，通常使用的硅石光導(dǎo)纖維具有約1.45的折射率，且對于1.5微米范圍內(nèi)的波長具有視應(yīng)用而定的約0.2％至3％范圍內(nèi)的折射率差。
從預(yù)制棒(preform)拉出纖維是制造纖維波導(dǎo)所使用的最普遍的方法。預(yù)制棒是具有所需纖維的精確形狀及組分的一個短棒(例如10至20英寸長)。但是預(yù)制棒的直徑比纖維直徑大得多(例如大100至1000倍)。典型地，當(dāng)拉制光導(dǎo)纖維時，預(yù)制棒的材料組分包括單一玻璃，該單一玻璃具有在預(yù)制棒纖芯中所提供的變化等級的一種或多種摻雜物，以增大纖芯區(qū)域相對于外包層區(qū)域折射率的纖芯折射率。這可保證形成纖芯及外包層區(qū)域的材料被拉制時在流變(rheologically)上及化學(xué)上保持相似，同時仍能提供足夠的折射率差以支持纖芯區(qū)域中的被導(dǎo)引的模式。為了由預(yù)制棒制成纖維，由加熱爐將預(yù)制棒加熱到使玻璃粘度足夠低(例如小于108泊)的溫度，以便從預(yù)制棒拉出纖維。在拉制后，該預(yù)制棒的截面縮小形成纖維，該纖維具有與預(yù)制棒相同的橫截面組分及結(jié)構(gòu)。纖維的直徑由纖維的特定流變特性及其拉伸速率來確定。
預(yù)制棒可使用本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的多種技術(shù)來制造，其中包括改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積(MCVD)及外汽相沉積(OVD)。MCVD法涉及將汽化原料層以粉塵(soot)形式沉積到預(yù)先制作的管的內(nèi)壁。在沉積成玻璃層后每個粉塵層很快熔化。這就產(chǎn)生了一個預(yù)制管，該預(yù)制管隨后被瓦解(collapse)成一個固體棒，外部形成套層(over iacketed)，然后被拉制成纖維。
OVD法涉及將原料層沉積到一個旋轉(zhuǎn)棒上。這在兩個步驟中完成沉積及燒結(jié)(consolidation)。在沉積步驟期間，由例如四氯化硅(用于硅石纖維)及四氯化鍺的超純蒸氣制成粉塵預(yù)制棒。這些蒸氣通過橫向的燃燒室并在火焰中反應(yīng)，形成二氧化硅及氧化鍺的粉塵顆粒。這些顆粒被沉積到旋轉(zhuǎn)的靶棒表面。當(dāng)沉積完成時，棒被移走，并將沉積材料放置到燒結(jié)爐中。除去水蒸汽，預(yù)制棒被瓦解并變成致密的透明玻璃。
用于制造纖維預(yù)制棒的另一方法是簡單地將一種材料的棒插入到一個空心預(yù)制棒的纖芯中。加熱將預(yù)制棒固結(jié)成單個物體。
纖維波導(dǎo)除簡單地提供了光信號的傳輸通道外，還形成了多種光學(xué)裝置的基礎(chǔ)。例如，纖維波導(dǎo)可被設(shè)計用以補償可能對光信號有害的效應(yīng)，如散射。散射是可引起不同波長的光信號以不同速度傳播，并引起光脈沖變寬的波導(dǎo)特性。典型地，長距離光導(dǎo)纖維對于1.5微米范圍內(nèi)的波長具有2-50ps/nm-km的正散射。該正散射可通過將信號導(dǎo)入具有負(fù)散射的波導(dǎo)來補償，該負(fù)散射在幅值上等于由硅石光導(dǎo)纖維所引起的正散射。通常，這種補償通過在光通信網(wǎng)絡(luò)中提供具有正及負(fù)散射的纖維交替區(qū)域來實現(xiàn)。
可能對光信號有害的效應(yīng)的另一個例子是衰減。衰減就是當(dāng)信號通過光導(dǎo)纖維傳輸時光信號強度的損失。當(dāng)衰減足夠大時，光信號變得不可與背景噪音區(qū)分。因此，纖維放大器是通信網(wǎng)絡(luò)中的重要部件。顧名思義，纖維放大器是可放大光信號的信號強度的纖維波導(dǎo)。例如，密集波分復(fù)用(dense wavelength-division multiplexing)的應(yīng)用的增長，使得摻鉺光纖放大器(EDFA)成為現(xiàn)代電信系統(tǒng)中的基本的結(jié)構(gòu)單元。EDFA可放大纖維內(nèi)部的光信號并由此使信息可以在長距離上傳輸而無需傳統(tǒng)的重發(fā)器(repeater)。為了形成EDFA，用稀土元素鉺對纖維進(jìn)行摻雜，鉺在其原子結(jié)構(gòu)中具有適合的能級以放大1550納米的光。使用980納米泵激光器將能量注入到摻鉺纖維中。當(dāng)1550納米的弱信號進(jìn)入纖維時，光激勵鉺原子釋放它們所存儲的能量作為額外的1550納米的光。該激勵發(fā)射與原始信號相干，因此當(dāng)原始信號沿纖維傳播時其強度變得更強。
纖維激光器是使用光導(dǎo)纖維制造的光學(xué)部件的另一例子。典型地，在徑向上由高折射率纖芯及低折射率外包層之間的折射率差限定出空腔，折射率差通過全內(nèi)反射(TIR)確定了EM輻射?？涨灰部稍谳S向上由反射器來限定。早期纖維激光器中的端部反射器(endreflector)是放置或汽化在拋光纖維端部的反射鏡。沿纖維軸的折射率調(diào)制也可被用來產(chǎn)生反射器并由此定義出激光光腔。例如，兩個布拉格光柵可圍繞一個增益介質(zhì)并定義出端部反射器，由此形成分布式布拉格反射器(DBR)激光器?？蛇x擇地，軸向調(diào)制可延伸貫穿增益介質(zhì)的長度以形成“分布反饋”(DFB)激光器。
典型纖維波導(dǎo)的組分通常由具有適當(dāng)?shù)膿诫s橫截面分布的單一材料構(gòu)成，以控制纖維的光學(xué)性能。但是，也可使用包括不同材料的組分。相應(yīng)地，公開了包括不同材料的組分、由該不同材料組分得到的纖維波導(dǎo)及示范性裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的特征是可由預(yù)制棒拉制的高折射率差纖維波導(dǎo)。本發(fā)明的特征還在于構(gòu)成高折射率差纖維波導(dǎo)的材料及選擇它們的方針。可包括光導(dǎo)纖維(即，使用全內(nèi)反射以將光限制至纖芯的纖維波導(dǎo))及光子晶體光纖(例如布拉格光纖)的高折射率差纖維波導(dǎo)，可對纖維波導(dǎo)中的光信號提供增強的徑向限制。該增強的徑向限制可減小輻射損耗，由此改善傳輸效率。此外，在高折射率差纖維波導(dǎo)內(nèi)部可獲得大的光能量密度，使它們成為多種應(yīng)用、如非線性應(yīng)用的有力候選。另外，除了增強徑向限制外，還可在纖維波導(dǎo)中獲得增強的軸向限制。使用增強的軸向限制及增強的徑向限制，可在高折射率差纖維波導(dǎo)中形成具有高Q值和/或小模式容量(modalvolume)的光腔。這些空腔可形成許多光學(xué)裝置、如雙穩(wěn)裝置的基礎(chǔ)。
現(xiàn)在將概括描述本發(fā)明的各個方面、特征及優(yōu)點。
總體上，本發(fā)明一個方面的特征是一種具有波導(dǎo)軸的纖維波導(dǎo)。該纖維波導(dǎo)包括沿波導(dǎo)軸延伸的第一部分，該第一部分包括具有折射率n1、工作溫度Tw及軟化溫度Ts的第一材料。該纖維波導(dǎo)還包括沿波導(dǎo)軸延伸的第二部分，該第二部分包括具有折射率n2、作為溫度T的函數(shù)而變化的粘度η2的第二材料，n1與n2之間的絕對值差至少為0.35(例如至少為0.5，至少為0.6，至少為0.7，至少為0.8，至少為0.9，至少為1.0，至少為1.1，至少為1.2，至少為1.3，至少為1.4，至少為1.5，至少為1.6，至少為1.7，至少為1.8)且在Tw時η2至少為103泊(例如為104泊)并不大于106泊(例如不大于105泊)，且在Ts時η2至少為105泊(例如至少為106泊，至少為107泊，至少為108泊，至少為109泊，至少為1010泊，至少為1011泊)并不大于1013泊(例如不大于1012泊，不大于1011泊，不大于1010泊，不大于109泊，不大于108泊)。
這些纖維波導(dǎo)的實施例可包括以下一個或多個特征，和/或關(guān)于本發(fā)明任何其它方面所提到的任何特征。
第一和/或第二材料可為介電材料，如玻璃。第一材料可包括硫?qū)倩锊ＡВ暗诙牧峡砂ㄑ趸锊ＡШ突螓u化物玻璃。
第一及第二部分可為勻質(zhì)部分或非勻質(zhì)部分。非勻質(zhì)部分可包括至少一個沿波導(dǎo)軸延伸的空心區(qū)域。
第一和/或第二材料可為無機(jī)材料，如聚合物。
第一部分可為纖芯且n1＞n2，及第二部分可包括外包層。
該纖維波導(dǎo)可為光子晶體光纖，如布拉格(Bragg)光纖。
在一些實施例中，第一部分可具有玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg且在Tg時η2至少為108泊(例如至少為109泊，至少為1010泊，至少為1011泊，至少為1012泊，至少為1013泊)。
第一材料可具有第一熱膨脹系數(shù)TEC1及第二材料可具有第二熱膨脹系數(shù)TEC2，及在20℃與380℃之間，|TEC1-TEC2|≤5×10-6/℃(例如|TEC1-TEC2|≤4×10-6/℃，|TEC1-TEC2|≤3×10-6/℃，|TEC1-TEC2|≤2×10-6/℃，|TEC1-TEC2|≤1×10-6/℃)。
在20℃時第一部分與第二部分之間的殘余應(yīng)力可小于100MPa(例如小于80MPa，小于50MPa，小于40MPa，小于30MPa，小于20MPa)。
纖維波導(dǎo)可包括限制區(qū)域，及該限制區(qū)域可包括第一及第二部分。第一部分可包括沿波導(dǎo)軸延伸的第一層及第二部分可包括沿波導(dǎo)軸延伸并包圍第一層的第二層。
該纖維波導(dǎo)可包括沿波導(dǎo)軸延伸的光調(diào)制。該光調(diào)制可包括結(jié)構(gòu)調(diào)制和/或折射率調(diào)制。
第二方面，本發(fā)明的特征是制造具有波導(dǎo)軸的纖維波導(dǎo)的方法。該方法包括提供纖維預(yù)制棒，該纖維預(yù)制棒包括第一部分及圍繞該第一部分的第二部分。第一部分包括具有折射率n1的第一材料及第二部分包括具有折射率n2的第二材料，且|n1-n2|≥0.35(例如|n1-n2|≥0.5，|n1-n2|≥0.7)。該方法還包括將纖維預(yù)制棒加熱到第一及第二部分具有103泊至106泊之間的粘度的溫度，及將加熱的纖維預(yù)制棒拉制成纖維波導(dǎo)。
該方法的實施例可包括關(guān)于本發(fā)明其它方面所提到的任何特征和/或以下一個或多個特征。
纖維預(yù)制棒可被加熱，以使得第一及第二部分具有103泊至105泊之間的粘度，例如約為104泊。
第一部分可包括一個預(yù)制棒纖芯。第二部分可包括預(yù)制棒外包層。
該纖維預(yù)制棒可包括預(yù)制棒限制區(qū)域，及第一和第二部分可被包括在纖維預(yù)制棒中。
第一材料可包括第一玻璃(例如硫?qū)倩锊Ａ?及第二材料可包括不同于第一玻璃的第二玻璃(例如氧化物玻璃和或鹵化物玻璃)。
該方法還可包括在拉制時擾動纖維波導(dǎo)，以形成沿纖維波導(dǎo)的波導(dǎo)軸延伸的光調(diào)制。
在拉制期間該纖維預(yù)制棒的相對橫截面結(jié)構(gòu)可被保持。
另一個方面，本發(fā)明的特征在于，一種具有波導(dǎo)軸的纖維波導(dǎo)，該纖維波導(dǎo)包括沿波導(dǎo)軸延伸的第一部分。該纖維波導(dǎo)還包括與第一部分不同的第二部分，第二部分沿波導(dǎo)軸延伸并包圍第一部分，且第一及第二部分中的至少一個包括從由硒的硫?qū)倩锊ＡЪ绊诘牧驅(qū)倩锊ＡЫM成的組中選擇出的硫?qū)倩锊ＡА?br> 該纖維波導(dǎo)的實施例可包括關(guān)于本發(fā)明其它方面所提到的任何特征和/或以下一個或多個特征。
硫?qū)倩锊ＡЭ蔀橐韵氯魏尾Ａs-Se，Ge-Se，As-Te，Sb-Se，As-S-Se，S-Se-Te，As-Se-Te，As-S-Te，Ge-S-Te，Ge-Se-Te，Ge-S-Se，As-Ge-Se，As-Ge-Te，As-Se-Pb，As-Se-Tl，As-Te-Tl，As-Se-Ga及Ge-Sb-Se。該硫?qū)倩锊ＡЭ蔀锳s12Ge33Se55。
該硫?qū)倩锊ＡЭ砂ㄒ韵氯魏卧嘏穑X，硅，磷，硫，鎵，砷，銦，錫，銻，鉈，鉛，鉍，鎘，鑭，氟，氯，溴及碘。
第一及第二部分之一或兩者可包括非線性材料(例如電光材料和/或光折射材料)。第一及第二部分之一或兩者可用一個或多個稀土離子(例如鉺離子)摻雜。
第二部分可包括介電材料，例如有機(jī)或無機(jī)介電材料。無機(jī)材料可為無機(jī)玻璃(例如氧化物、鹵化物玻璃或混合的氧化物-氟化物玻璃)。在無機(jī)材料為氧化物玻璃的情況下，該氧化物玻璃可包括至多40摩爾％(例如至多30％，至多20％，至多10％，至多5％)的MO形式的化合物，其中M可為Pb，Ca，Mg，Sr及Ba。氧化物玻璃可包括至多40摩爾％(例如至多30％，至多20％，至多10％，至多5％)的M2O形式的化合物，其中M可為Li，Na，K，Rb及Cs。氧化物玻璃可包括至多40摩爾％(例如至多30％，至多20％，至多10％，至多5％)的M2O3形式的化合物，其中M可為Al，B，及Bi。該氧化物玻璃可包括至多60摩爾％(例如至多50％，至多40％，至多30％，至多20％，至多10％，至多5％)的P2O5。該氧化物玻璃還可包括至多40摩爾％(例如至多30％，至多20％，至多10％，至多5％)的SiO2。
在介電材料為有機(jī)材料的實施例中，該有機(jī)材料可為聚合物(例如碳酸鹽類、砜類、醚-酰亞胺類(etherimid-family)及丙烯酸酯類聚合物以及含氟聚合物)。
第一部分可為一個具有折射率n1的纖芯及第二部分具有折射率n2，n2＜n1。
纖維波導(dǎo)可為光子晶體光纖，例如布拉格光纖或多孔光子晶體光纖。
另一方面，本發(fā)明的特征是一種具有波導(dǎo)軸的纖維波導(dǎo)，該纖維波導(dǎo)包括沿波導(dǎo)軸延伸的纖芯及沿波導(dǎo)軸延伸包圍纖芯的限制區(qū)域，該限制區(qū)域包括硫?qū)倩锊ＡАＴ撓拗茀^(qū)域還包括一個具有光子帶隙的光子晶體結(jié)構(gòu)，其中在工作期間，該限制區(qū)域?qū)б辽俚谝活l率范圍內(nèi)的EM輻射沿波導(dǎo)軸傳播。
該纖維波導(dǎo)的實施例可包括關(guān)于本發(fā)明其它方面所提到的任何特征和/或以下一個或多個特征。
該限制區(qū)域可包括具有折射率n1的第一部分，及具有折射率n2的第二部分，及|n1-n2|≥0.1(例如|n1-n2|≥0.2，|n1-n2|≥0.3，|n1-n2|≥0.4，|n1-n2|≥0.5，|n1-n2|≥0.6，|n1-n2|≥0.7，|n1-n2|≥0.8)。
該纖芯可包括空心纖芯。該纖芯可包括介電材料，例如上面列舉的介電材料。
該限制區(qū)域可包括多個層。這些層可包括交替的層，這些交替層包括硫?qū)倩锊Ａ?，例如上面列舉的硫?qū)倩锊Ａ?。多個層的子集可以沒有硫?qū)倩锊Ａ?。該層的子集可為交替的多個層。
另一方面，本發(fā)明的特征是用于制造纖維波導(dǎo)的方法，該方法包括提供纖維預(yù)制棒，該纖維預(yù)制棒包括第一部分及圍繞該第一部分的第二部分，其中第一部分包括硫?qū)倩锊Ａ?。該方法還包括加熱纖維預(yù)制棒，以使得第一及第二部分具有103泊至106泊之間的粘度，及拉制加熱的纖維預(yù)制棒以制成纖維波導(dǎo)。
該方法的實施例可包括關(guān)于本發(fā)明其它方面所提到的任何特征。
總體上，另一方面，本發(fā)明的特征是一種具有波導(dǎo)軸的纖維波導(dǎo)，該纖維波導(dǎo)包括沿波導(dǎo)軸延伸的并包括具有折射率n1的第一介電材料的纖芯，及沿波導(dǎo)軸延伸并包圍纖芯的外包層，該外包層包括具有折射率n2第二介電材料，n2＜n1。并且，該纖維波導(dǎo)具有大于0.7的數(shù)值孔徑(例如大于0.8，大于0.9，大于1.0，大于1.1，大于1.2，大于1.3，大于1.4，大于1.5)。
該纖維波導(dǎo)的實施例可包括關(guān)于本發(fā)明其它方面所提到的任何特征和/或以下列出的一個或多個特征。
第一介電材料的折射率可大于1.8(例如大于1.9，大于2.0，大于2.1，大于2.2，大于2.3，大于2.4，如約2.5)。
該纖芯可包括沿波導(dǎo)軸延伸的光調(diào)制(例如折射率調(diào)制和/或結(jié)構(gòu)調(diào)制)。該光調(diào)制可引起該光導(dǎo)纖維具有的傳輸帶隙至少為0.1％(例如至少1％，至少2％，至少3％，至少4％，至少5％，如6％或更大)。
對于至少一種波長，該纖維可具有小于3微米的模場直徑(例如小于2微米，小于1微米，小于0.5微米，小于0.25微米)。
第二介電材料的折射率可小于1.9(例如小于1.8，小于1.7，小于1.6，小于1.5，如約1.4)。
該纖維波導(dǎo)還可包括沿波導(dǎo)軸延伸的色散修整區(qū)域，在工作期間該纖芯可支持一個頻率范圍內(nèi)的至少一個模式，且該色散修整區(qū)域可引入第一頻率范圍內(nèi)的一個或多個附加模式，這些附加模式與被導(dǎo)引的模式相互作用產(chǎn)生工作模式。外包層可包圍該色散修整區(qū)域。
該纖芯可具有小于3微米的直徑(例如小于2微米，小于1微米，小于0.5微米，小于0.25微米)。
另一方面，本發(fā)明的特征是一種具有波導(dǎo)軸的纖維波導(dǎo)，該纖維波導(dǎo)包括沿波導(dǎo)軸延伸并包括具有折射率n1及熔化溫度Tm的第一介電材料的第一部分。該纖維波導(dǎo)還包括沿波導(dǎo)軸延伸并包圍該第一部分且包括具有折射率n2及工作溫度Tw的第二材料的第二部分，|n1-n2|≥0.35且Tm＞Tw。
該纖維波導(dǎo)的實施例可包括關(guān)于本發(fā)明其它方面所提到的任何特征。
另一方面，本發(fā)明的特征是一種具有波導(dǎo)軸的纖維波導(dǎo)，該纖維波導(dǎo)包括沿波導(dǎo)軸延伸的并包括具有折射率n1的第一介電材料的纖芯，及沿波導(dǎo)軸延伸并包圍該纖芯的外包層。該外包層可包括具有折射率n2的第二介電材料，及n1-n2≥0.5(例如n1-n2≥0.6，n1-n2≥0.7，n1-n2≥0.8，n1-n2≥0.9，n1-n2≥1.0，n1-n2≥1.1，n1-n2≥1.2)。
該光導(dǎo)纖維的實施例可包括關(guān)于本發(fā)明其它方面所提到的任何特征。
另一方面，本發(fā)明的特征是一種方法，該方法包括提供具有波導(dǎo)軸的纖維波導(dǎo)，該纖維波導(dǎo)包括沿波導(dǎo)軸延伸并具有折射率n1的第一部分，及沿波導(dǎo)軸延伸并具有折射率n2的第二部分，其中|n1-n2|≥0.35。該方法還包括將輸入信號導(dǎo)入纖維波導(dǎo)中，該輸入信號的功率足夠引起該纖維波導(dǎo)產(chǎn)生一個輸出信號，該輸出信號的功率相對輸入信號的功率非線性地變化。
該方法的實施例可包括關(guān)于本發(fā)明其它方面所提到的任何特征。
總體上，另一方面，本發(fā)明的特征是一種用于制造具有沿波導(dǎo)軸的光調(diào)制的光子晶體光纖的方法。該方法包括將光子晶體光纖預(yù)制棒加熱到拉制溫度，從該預(yù)制棒拉出光子晶體光纖，及在拉制期間擾動光子晶體光纖預(yù)制棒，以在該光子晶體光纖中產(chǎn)生沿波導(dǎo)軸的軸向光調(diào)制。
該方法的實施例可包括關(guān)于本發(fā)明其它方面所提到的任何特征和/或以下一個或多個特征。
該光子晶體光纖可包括沿波導(dǎo)軸延伸并具有第一折射率n1的第一層，及沿波導(dǎo)軸延伸與第一層相鄰并具有第二折射率n2的第二層，及|n1-n2|≥0.1(例如|n1-n2|≥0.2，|n1-n2|≥0.3，|n1-n2|≥0.4，|n1-n2|≥0.5)。
該光子晶體光纖可具有空心纖芯。
該光子晶體光纖的直徑可與拉制速度相關(guān)，及纖維的擾動可包括通過改變拉制速度改變纖維直徑。
該光子晶體光纖的擾動可包括改變沿波導(dǎo)軸的拉制溫度，以改變光子晶體光纖的直徑。在拉制期間光子晶體光纖可用輻射(例如激光輻射)照射，以改變沿波導(dǎo)軸的拉制溫度。
該光子晶體光纖可為空心纖維，及該纖維的擾動可包括改變空心纖維內(nèi)部的壓力。可選擇地或附加地，纖維的擾動可包括改變光子晶體光纖外部的壓力。
軸向光調(diào)制可為周期性或非周期性調(diào)制。軸向光調(diào)制可形成光子晶體光纖中的布拉格光柵。
軸向光調(diào)制可形成光子晶體光纖中的光腔。
另一方面，本發(fā)明的特征是提供一種用于形成沿一纖維波導(dǎo)的波導(dǎo)軸的光調(diào)制的方法。該方法包括提供具有空心纖芯的纖維波導(dǎo)，將纖芯介質(zhì)導(dǎo)入該空心纖芯；及將纖維波導(dǎo)曝露在一種試劑下，該試劑可使該纖芯介質(zhì)形成沿纖維波導(dǎo)的波導(dǎo)軸的軸向光調(diào)制。
該方法的實施例可包括關(guān)于本發(fā)明其它方面所提到的任何特征和/或以下一個或多個特征。
纖芯介質(zhì)可包括多個類似形狀的物體(例如球狀物體)。這些類似形狀的物體可為由聚合物組成的物體。這些類似形狀物體的至少一部分可彼此相鄰地放置在空心纖芯中。將纖維波導(dǎo)曝露在試劑下可包括加熱纖維，以引起纖維波導(dǎo)與空心纖芯中多個類似形狀的物體相吻合。
該方法可包括將波導(dǎo)纖維曝露在試劑下后去除至少一部分纖芯介質(zhì)。去除纖芯介質(zhì)可包括在纖芯中提供去除劑(例如蝕刻劑或溶劑)，以去除纖芯介質(zhì)的一部分。
纖芯介質(zhì)可為光敏介質(zhì)(例如光致抗蝕劑或曝露在輻射下時折射率可改變的材料)。
將纖芯介質(zhì)曝露在試劑下可包括用輻射(例如電磁輻射或電子束輻射)照射纖芯介質(zhì)的一部分。輻射可包括干擾圖形。該輻射可引起纖芯介質(zhì)的被曝露部分的光學(xué)特性(例如纖芯介質(zhì)的折射率或纖芯介質(zhì)的結(jié)構(gòu))與未曝露在輻射下的部分的光學(xué)特性不同。
纖芯介質(zhì)可為嵌段(block)共聚物。
另一方面，本發(fā)明的特征是一種具有波導(dǎo)軸的纖維波導(dǎo)，它包括沿波導(dǎo)軸延伸并具有折射率n1的第一部分，及沿波導(dǎo)軸延伸并具有折射率n2的第二部分，及|n1-n2|≥0.35。并且，該纖維波導(dǎo)具有沿波導(dǎo)軸延伸的軸向光調(diào)制。
該纖維波導(dǎo)的實施例可包括關(guān)于本發(fā)明其它方面所提到的一個或多個特征和/或以下任何特征。
該軸向光調(diào)制可具有至少0.1％的幅值(例如至少0.5％，至少1％，至少2％，至少3％，至少4％，至少5％，至少6％，至少7％，如8％或更大)。
該軸向光調(diào)制可包括結(jié)構(gòu)調(diào)制，例如纖維波導(dǎo)直徑的調(diào)制。該軸向光調(diào)制可為纖維波導(dǎo)折射率的調(diào)制。
該軸向光調(diào)制可形成纖維波導(dǎo)中的布拉格反射器。該軸向光調(diào)制可形成纖維波導(dǎo)中的光腔。該光腔具有諧振波長λ及小于或等于500λ3的模式容量(例如小于或等于200λ3，小于或等于100λ3，小于或等于50λ3，小于或等于20λ3，小于或等于10λ3，小于或等于5λ3，小于或等于2λ3，小于或等于1λ3)。
第二部分可圍繞第一部分及第一部分可包括非線性材料。
另一方面，本發(fā)明的特征是一種具有波導(dǎo)軸的光導(dǎo)纖維，該光導(dǎo)纖維包括沿波導(dǎo)軸延伸并具有折射率n1的纖芯，及沿波導(dǎo)軸延伸并包圍該纖芯的外包層，該外包層具有折射率n2，n2＜n1；及沿波導(dǎo)軸延伸形成光腔的軸向光調(diào)制，該光腔具有共振波長λ及小于或等于1 00λ3的模式容量(例如小于50λ3，小于20λ3，小于10λ3，小于5λ3，小于2λ3，小于1λ3)。
該光導(dǎo)纖維的實施例可包括關(guān)于本發(fā)明其它方面所提到的一個或多個特征和/或以下任何特征。
軸向光調(diào)制可具有至少1％的幅值(例如至少至少2％，至少3％，至少4％，至少5％)。
另一方面，本發(fā)明的特征是一種纖維波導(dǎo)裝置，該纖維波導(dǎo)裝置包括具有波導(dǎo)軸的纖維波導(dǎo)，及該纖維波導(dǎo)包括沿波導(dǎo)軸延伸并具有折射率n1的第一部分，及沿波導(dǎo)軸延伸并具有折射率n2的第二部分，及|n1-n2|≥0.35。該纖維波導(dǎo)裝置還包括在纖維波導(dǎo)中形成光腔的軸向光調(diào)制，且工作期間在該纖維波導(dǎo)中傳播的具有第一功率值P1與第二功率值P2之間的功率的輸入信號，可引起該纖維波導(dǎo)產(chǎn)生一個輸出信號，其輸出信號功率相對輸入信號功率非線性地變化。
該纖維波導(dǎo)裝置的實施例可包括關(guān)于本發(fā)明其它方面所提到的一個或多個特征和/或以下任何特征。
P1與P2之間的輸入信號功率可引起纖維波導(dǎo)產(chǎn)生輸出信號，其輸出信號功率相對輸入信號功率非連續(xù)地變化。
低于P1的輸入信號功率可引起纖維波導(dǎo)產(chǎn)生一個輸出信號，其輸出信號功率低于一輸出信號功率值POUT，1；而高于P2的輸入信號功率可引起纖維波導(dǎo)產(chǎn)生一個輸出信號，其輸出信號功率高于一輸出信號功率值POUT，2，其中POUT，2/POUT，1至少為2(例如至少為5，至少為10，至少為100)。比例P1/P2可大于0.5(例如大于0.75，大于0.9，大于0.95，大于0.99)。
光腔具有品質(zhì)因數(shù)Q及P1可小于或等于108W/Q2(例如小于或等于107W/Q2，106W/Q2，105W/Q2，104W/Q2，103W/Q2)。
軸向光調(diào)制可形成一個以上的光腔(例如2個光腔，3個光腔，4個光腔，5個或更多個光腔)。
另一方面，本發(fā)明的特征是一種具有波導(dǎo)軸的光子晶體光纖，該光子晶體光纖包括沿波導(dǎo)軸延伸的纖芯，沿波導(dǎo)軸延伸并包圍纖芯且包括硫?qū)倩锊ＡУ南拗茀^(qū)域，及沿波導(dǎo)軸延伸在光子晶體光纖中形成光腔的軸向光調(diào)制。
該光子晶體光纖的實施例可包括關(guān)于本發(fā)明其它方面所提到的一個或多個特征和/或以下任何特征。
該光子晶體光纖可為一維的周期性光子晶體光纖(例如布拉格光纖)。該光子晶體光纖可為二維的周期性光子晶體光纖，例如具有非勻質(zhì)的限制區(qū)域、如有孔區(qū)域。
該軸向光調(diào)制可具有至少0.01％的幅值。
除非另有規(guī)定，這里所使用的科學(xué)及技術(shù)詞匯與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員所通常理解的詞匯具有相同的含義。這里所提到的所有出版物、專利申請、專利及其它的參考文件在此全部并入作為參考。在有沖突的情況下，包含其定義的本說明書將作為標(biāo)準(zhǔn)。此外，這里的設(shè)備、方法及例子僅為說明性的及不應(yīng)被視為限制性的。
從以下的詳細(xì)說明及附圖以及從權(quán)利要求書，將會闡明本發(fā)明的其它特征、目的及優(yōu)點。


現(xiàn)在參照附圖僅以示例的方式來更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖1是一個高折射率差纖維波導(dǎo)拉制系統(tǒng)的實施例的示意圖；圖2是表示Tg及Tds的一種玻璃的溫度相對體積(或長度)的曲線圖；圖3是兩種玻璃的溫度相對長度的曲線圖；圖4是比較硫?qū)倩锊Ａc氧化物玻璃的熱膨脹的曲線圖；
圖5是比較硫?qū)倩锊Ａc另一氧化物玻璃的熱膨脹的曲線圖；圖6是比較硫?qū)倩锊Ａc另一氧化物玻璃的熱膨脹的曲線圖；圖7是比較硫?qū)倩锊Ａc另一氧化物玻璃的熱膨脹的曲線圖；圖8是比較硫?qū)倩锊Ａc另一氧化物玻璃的熱膨脹的曲線圖；圖9是比較硫?qū)倩锊Ａc另一氧化物玻璃的熱膨脹的曲線圖；圖10是比較硫?qū)倩锊ＡcQ-100 Kirge玻璃的熱膨脹的曲線圖；圖11是比較硫?qū)倩锊Ａc另一氧化物玻璃的熱膨脹的曲線圖；圖12是比較硫?qū)倩锊Ａc又一氧化物玻璃的熱膨脹的曲線圖；圖13是比較另一硫?qū)倩锊Ａc圖12的氧化物玻璃的熱膨脹的曲線圖；圖14A是顯示對于三種硼硅酸鹽/磷酸鹽玻璃及AMTIR-1的1000/溫度相對粘度對數(shù)的曲線圖；圖14B是顯示對于氟化物玻璃及Ge20Se80的1000/溫度相對粘度對數(shù)的曲線圖；圖15是顯示對于鉛-鉍玻璃及兩種硼酸鹽/磷酸鹽玻璃的1000/溫度相對粘度對數(shù)的曲線圖；圖16是顯示對于As40Se60玻璃及一個聚合物的1000/溫度相對粘度對數(shù)的曲線圖；圖17是顯示對于La-Ga-S玻璃及鉛堿金屬-硅硼酸鹽玻璃的1000/溫度相對粘度對數(shù)的曲線圖；圖18是高折射率差光導(dǎo)纖維的一個實施例的橫截面圖；圖19是高折射率差光子晶體光纖的一個實施例的橫截面圖；圖20是顯示對于高折射率差光導(dǎo)纖維中纖芯折射率的不同值的模場直徑與纖芯直徑之間關(guān)系的曲線圖；圖21是用于將來自光導(dǎo)纖維的光耦合到一個集成光裝置中的高折射率差纖維波導(dǎo)的一個實施例的示意圖；圖22是包括色散修整區(qū)域的高折射率差纖維波導(dǎo)的一個實施例的橫截面圖；圖23是對于一個高折射率差光導(dǎo)纖維的實施例的散射相對波長的曲線圖；圖24是具有軸向光調(diào)制的一個高折射率差纖維波導(dǎo)的示意圖；圖25是包括纖維調(diào)制裝置的高折射率差纖維波導(dǎo)拉制系統(tǒng)的一個實施例的示意圖；圖26是具有軸向光調(diào)制的高折射率差光子晶體光纖的一個實施例的截面圖；圖27A-27C是在一個空心高折射率差纖維波導(dǎo)中形成軸向光調(diào)制的一系列步驟的示意圖；圖28是在高折射率差纖維波導(dǎo)中形成的光腔的一個實施例的示意圖；圖29是在高折射率差纖維波導(dǎo)中形成的光腔的另一實施例的示意圖；圖30是在高折射率差纖維波導(dǎo)中形成的光腔的又一實施例的示意圖；圖31是顯示在高折射率差纖維波導(dǎo)中形成的光腔的操作的示意圖；圖32是一個光導(dǎo)纖維的濾光器透射作為頻率函數(shù)的曲線圖；
圖33是一個光開關(guān)的示意圖；圖34是對于光學(xué)開光中兩個狀態(tài)的濾光器透射作為頻率函數(shù)的曲線圖；圖35是在光學(xué)裝置的空腔內(nèi)透射作為折射率函數(shù)的曲線36是一個雙穩(wěn)光學(xué)裝置的空腔內(nèi)透射作為折射率的函數(shù)的曲線圖，及表示空腔內(nèi)折射率與透射及輸入信號強度的積之間的線性關(guān)系的曲線；圖37是顯示一個雙穩(wěn)光學(xué)裝置的輸出強度作為輸入強度函數(shù)的曲線圖；圖38是顯示對于光腔內(nèi)折射率的兩個不同值的、雙穩(wěn)光學(xué)裝置的透射作為頻率函數(shù)的曲線圖；圖39是顯示一個雙穩(wěn)光學(xué)裝置的輸出強度作為輸入強度函數(shù)的曲線圖；圖40是顯示另一雙穩(wěn)光學(xué)裝置的輸出強度作為輸入強度函數(shù)的曲線圖；圖41是顯示又一雙穩(wěn)光學(xué)裝置的輸出強度作為輸入強度函數(shù)的曲線圖；圖42是表示一個雙穩(wěn)光學(xué)裝置操作的示意圖；圖43是表示包括高折射率差纖維波導(dǎo)的電信系統(tǒng)的示意圖。
在各個附圖中相似的參考符號指示相似的單元。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及具有包括不同光學(xué)材料的可共同拉制的多個部分的纖維波導(dǎo)。這些部分是該纖維波導(dǎo)的確定波導(dǎo)光學(xué)性能的結(jié)構(gòu)元素(例如確定波導(dǎo)如何將光信號限制到一個路徑的結(jié)構(gòu)元素)。這種纖維波導(dǎo)之一是傳統(tǒng)的光導(dǎo)纖維(以下稱為“光導(dǎo)纖維”)，其中這些部分包括一個纖芯及包圍該纖芯的外包層部分。纖芯及外包層可引起一定頻率子集中的光能量在被限制至纖芯的同時沿波導(dǎo)軸傳播。纖維波導(dǎo)的另一例子是光子晶體光纖，它包括一個纖芯及一個限制區(qū)域。該限制區(qū)域具有折射率的變化，該變化形成帶隙并反射一定頻率范圍內(nèi)的光，將這部分光限制至纖芯。光子晶體光纖的一種類型是布拉格光纖，其中限制區(qū)域可包括不同組分的多個層，它們引起折射率的改變。在這種情況下，每個層可被看作為波導(dǎo)的一個部分。
具有可被共同拉制的、包括不同光學(xué)材料的多個部分的纖維波導(dǎo)可使用纖維波導(dǎo)拉制系統(tǒng)由纖維波導(dǎo)預(yù)制棒制造。參照圖1，纖維波導(dǎo)拉制系統(tǒng)101包括預(yù)制棒保持器110，它將預(yù)制棒120相對于加熱爐130定位。加熱爐130將預(yù)制棒120加熱到足夠高的溫度，使得預(yù)制棒120可被拉制成纖維波導(dǎo)140。纖維波導(dǎo)140包括在波導(dǎo)軸上延伸的不同部分，例如纖芯、外包層和/或纖芯或外包層內(nèi)的區(qū)域。纖維監(jiān)測系統(tǒng)150測量各種纖維特性(例如纖維直徑)。纖維監(jiān)測系統(tǒng)150與控制器160通信。控制器160根據(jù)從纖維監(jiān)測系統(tǒng)150接收的纖維數(shù)據(jù)來控制拉制參數(shù)(例如加熱爐溫度和拉制速度)。涂層施加器170將保護(hù)涂層(例如塑料涂層)施加到纖維波導(dǎo)140上。UV燈組180用光化學(xué)輻射固化該保護(hù)層。經(jīng)過涂層處理的纖維波導(dǎo)被繞到接收盤190上，以提供連續(xù)纖維的緊湊卷盤以便使用。任選地，纖維波導(dǎo)拉制系統(tǒng)101可包括退火爐195，其重新加熱纖維140以消除纖維140冷卻時產(chǎn)生的任何應(yīng)力。
當(dāng)拉制纖維波導(dǎo)時，纖維波導(dǎo)的徑向尺寸與拉制速度的平方根成反比(參見例如“光導(dǎo)纖維電信”(Optical FiberTelecommunications)Academic出版社，第182頁(1988年))。纖維波導(dǎo)被牽引得越快，纖維波導(dǎo)的直徑越小。此外，在拉制速度改變期間纖維波導(dǎo)內(nèi)不同部分的尺寸的比例被保持。例如，假設(shè)整個纖維上的溫度分布均勻且玻璃化區(qū)域的粘度均勻，則具有外包層對纖芯半徑比為1∶1的預(yù)制棒將產(chǎn)生具有外包層對纖芯半徑比為1∶1的纖維，而不管最終纖維的實際尺寸如何。換言之，改變牽引速度將改變成品纖維波導(dǎo)的最終尺寸，但并不改變給定橫截面內(nèi)一個部分相對另一部分的相對尺寸。因此，纖維波導(dǎo)拉制在成品纖維中保持了復(fù)雜的預(yù)制棒的橫截面結(jié)構(gòu)，使得拉制成為復(fù)雜纖維波導(dǎo)的合適的制造方法。例如在Russell等人的“空氣中光的單模式光子帶隙導(dǎo)引”(Single-mode photonic band gap guidance of light in air)(Science，285，5433，第1537-1539頁(1999年9月))中描述了通過拉制形成的，具有類似于“蜂窩”的徑向橫截面的光子晶體光纖。
在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明涉及纖維波導(dǎo)，其中波導(dǎo)的不同部分具有極不同的折射率。如在以下段落中將要描述的，纖維波導(dǎo)的不同部分折射率之間的較大差別可增強波導(dǎo)中電磁模式的徑向限制。被導(dǎo)引的模式的徑向限制的增強能夠減小外包層部分中的電磁能的能量，由此減小與外包層相關(guān)的傳輸損耗。此外，被導(dǎo)引的模式徑向限制的增強可增加纖維波導(dǎo)中的非線性效應(yīng)。
這里，“極不同的折射率”意味著纖維波導(dǎo)的第一及第二部分的折射率之間的絕對值差至少為0.35(例如至少為0.4，至少為0.45，至少為0.5，至少為0.55，至少為0.6，至少為0.7，至少為0.8，至少為0.9，至少為1.0，至少為1.1，至少為1.2)。例如纖維波導(dǎo)的沿波導(dǎo)軸延伸的高折射率部分包括具有折射率為n1的高折射率材料(例如介電材料)，其中n1大于約1.80(例如大于1.85，大于1.9，大于1.95，大于2.0，大于2.1，大于2.2，大于2.3，大于2.4，大于2.5，如約2.8)。該纖維波導(dǎo)還具有沿波導(dǎo)軸延伸的的折射率部分，該低折射率部分包括具有折射率為n2的低折射率材料(例如介電材料)，其中n1小于約2.2(例如小于2.0，小于約1.9，小于約1.85，小于約1.8，小于約1.75，小于1.7，小于1.65，小于1.6，小于1.55，小于1.5，小于1.45，如1.4)。
表示纖維波導(dǎo)的不同部分之間的折射率差別的另一方式是“折射率差”。折射率差的定義如下n1-n2n1]]>式中n1＞n2?？傮w上，本發(fā)明涉及具有高折射率差的纖維波導(dǎo)，例如折射率差至少為0.1，如0.5或更大。折射率差也可被表達(dá)為百分比。
應(yīng)注意，作為這里所使用的材料的折射率是指材料在波導(dǎo)被設(shè)計用于導(dǎo)引光的波長上的折射率。典型地，對于光波導(dǎo)該波長在約0.3微米與15微米之間。特別感興趣的波長范圍是那些對于電信應(yīng)用來說非常重要的范圍，例如0.7-0.9微米及1.1-1.7微米。這些波長范圍對應(yīng)于一般使用的材料(例如硅石)具有相對小的吸收系數(shù)的波長，這將產(chǎn)生相對低損耗的部件。
下面描述可能適用于高折射率差的纖維波導(dǎo)的高折射率部分及低折射率部分的具體材料。
用于形成高折射率部分的具有高折射率的材料包括硫?qū)倩锊Ａ?Chalcogenide glass)(例如包括硫族元素，如硫，硒，和/或碲)，重金屬氧化物玻璃，非晶合金，及它們的組合。
除硫族元素外，硫?qū)倩锊ＡЭ砂ㄒ韵略刂械囊粋€或多個硼，鋁，硅，磷，硫，鎵，砷，銦，錫，銻，鉈，鉛，鉍，鎘，鑭，及鹵化物(氟、氯、溴、碘)。
硫?qū)倩锊ＡЭ蔀槎M分(binary)或三組分(ternary)玻璃系統(tǒng)，例如As-S，As-Se，Ge-S，Ge-Se，As-Te，Sb-Se，As-S-Se，S-Se-Te，As-Se-Te，As-S-Te，Ge-S-Te，Ge-Se-Te，Ge-S-Se，As-Ge-Se，As-Ge-Te，As-Se-Pb，As-S-Tl，As-Se-Tl，As-Te-Tl，As-Se-Ga，Ga-La-S，Ge-Sb-Se或基于這些元素的復(fù)雜的多組分玻璃，如As-Ga-Ge-S，Pb-Ga-Ge-S等。硫?qū)倩锊Ａе械母髟氐谋壤梢宰兓?。例如，一種具有適當(dāng)?shù)母哒凵渎实牧驅(qū)倩锊ＡЭ捎?-30摩爾％的砷、20-40摩爾％的鍺及30-60摩爾％的硒組成。
具有高折射率的重金屬氧化物玻璃的例子包括包含Bi2O3，PbO，Tl2O3，Ta2O3，TiO2及TeO2的玻璃。
具有適當(dāng)?shù)母哒凵渎实姆蔷Ш辖鸢ˋl-Te，R-Te(Se)(R＝堿金屬(alkali))。
用于形成低折射率部分的具有適當(dāng)?shù)驼凵渎实牟牧习ㄑ趸锊ＡАⅪu化物玻璃、聚合物及它們的組合。適合的氧化物玻璃可包括含有以下化合物中的一個或多個的玻璃0-40摩爾％的M2O，其中M為Li，Na，K，Rb或Cs；0-40摩爾％的M’O，其中M’為Mg，Ca，Sr，Ba，Zn或Pb；0-40摩爾％的M”2O3，其中M”為B，Al，Ga，In，Sn或Bi；0-60摩爾％的P2O5；及0-40摩爾％的SiO2。
許多鹵化物玻璃可滿足低折射率的要求；氟化物玻璃及混合的氧化-氟化物玻璃，例如磷酸鹽-氯化物特別適合作匹配材料。
包括在碳酸鹽類、砜類、醚-酰亞胺類(etherimid-family)及丙烯酸酯類聚合物以及含氟聚合物也是很好的匹配候選材料。
高折射率差的纖維波導(dǎo)的各部分可任選地包括其它材料。例如，任何部分可包括一個或多個改變該部分折射率的材料。其中可包括增大該部分折射率的材料。這些材料例如可包括氧化鍺，它能夠增加包含硼硅酸鹽玻璃的部分的折射率?？蛇x擇地，一個部分也可包括減小該部分折射率的材料。例如，氧化硼可減小包含硼硅酸鹽玻璃的部分的折射率。
高折射率差的纖維波導(dǎo)的各部分可為勻質(zhì)的(homogeneous)或非勻質(zhì)的。例如，一個或多個部分可能包括埋入(embed)在主材料中的一種材料的納米顆粒(例如可最小限度散射被導(dǎo)引的波長上的光的足夠小的顆粒)形成非勻質(zhì)部分。這種情況的一個例子是由在主聚合物中埋入高折射率的硫?qū)倩锊ＡУ募{米顆粒形成的高折射率聚合物的復(fù)合物。另外的例子包括在無機(jī)玻璃基質(zhì)(matrix)中的CdSe和/或PbSe納米顆粒。非勻質(zhì)纖維部分的其它例子包括所謂的“有孔”部分。有孔部分包括一個或多個沿波導(dǎo)軸延伸的空心區(qū)域或孔?？招膮^(qū)域可被填入流體(例如氣體或液體)。例如，填入空氣的空心區(qū)域可降低該部分的折射率，因為空氣的折射率nair≈1。在一些實施例中，纖維波導(dǎo)可能包括相同材料的有孔部分及無孔部分。例如，纖維波導(dǎo)可能包括外包層，該外包層具有實心玻璃的部分及帶有空心區(qū)域的玻璃部分。由于空心區(qū)域的折射率低，具有空心區(qū)域的部分的折射率低于實心部分的折射率。
高折射率差的纖維波導(dǎo)的各部分可包括能改變纖維中這些部分的機(jī)械、流變和/或熱力學(xué)特性的材料。例如，一個或多個部分可包括增塑劑(plasticizer)。這些部分可包括能抑制纖維中的結(jié)晶或抑制其它不希望出現(xiàn)的相變特性的材料。例如，聚合物中的結(jié)晶可通過包含交聯(lián)劑(cross-linking agent)(例如光敏交聯(lián)劑)來抑制。在其它例子中，如果需要玻璃陶瓷材料的話，可在材料中包含成核劑(nucleating agent)，如TiO2或ZrO2。
這些部分也可包括被設(shè)計用于影響纖維中相鄰部分之間的界面的化合物。這樣的化合物包括粘接促進(jìn)劑(adhesion promoter)及相容劑(compatibilizer)。例如，有機(jī)硅烷化合物可用于促進(jìn)基于硅石的玻璃部分和聚合物部分之間的粘接。例如，磷或P2O5與硫?qū)倩锊ＡЪ把趸锊ＡЬ嫒?，且其可促進(jìn)由這些玻璃形成的各部分之間的粘接。
高折射率差的纖維波導(dǎo)可包括專用于特殊纖維波導(dǎo)應(yīng)用的附加材料。例如在纖維放大器中，任何部分可由在纖維中能與光信號交互作用的任何摻雜物或摻雜物的組合形成，以增強纖維對一個或多個光波長的吸收或發(fā)射，例如，至少一種稀土離子如鉺離子、鐿離子、釹離子、鈥離子、鏑離子和/或銩離子。
高折射率差的纖維波導(dǎo)的各部分可包括一種或多種非線性材料。非線性材料是增強波導(dǎo)的非線性響應(yīng)的材料。具體地，非線性材料具有比硅石大的非線性響應(yīng)。例如，非線性材料具有克爾非線性折射率n(2)，大于硅石的克爾(Kerr)非線性折射率(即大于3.5×10-20m2/W，例如大于5×10-20m2/W，大于10×10-20m2/W，大于20×10-20m2/W，大于100×10-20m2/W，大于200×10-20m2/W)。
當(dāng)使用拉制方法制造堅固的高折射率差的纖維波導(dǎo)時，并非具有足夠不同折射率的每一對材料就必定是合適的。通常，應(yīng)選擇在流變、熱機(jī)械及物理化學(xué)方面兼容的材料。下面將討論明智地選擇兼容材料的幾個準(zhǔn)則。
第一個準(zhǔn)則是選擇在流變方面兼容的材料。換言之，對應(yīng)于在纖維拉制及操作的不同階段期間經(jīng)受的溫度，選擇在很寬溫度范圍上具有相近粘度的材料。粘度是在施加的剪切應(yīng)力下流體流動的阻力。這里對粘度引用單位“泊”(Poise)。在詳細(xì)闡述流變兼容性之前，對于給定材料定義一組特性溫度，這些特性溫度是該給定材料具有特定粘度時的溫度。
退火點Ta是材料具有1013泊的粘度時的溫度。Ta可使用來自O(shè)rton Ceramic Foundation(美國俄亥俄州，Westeville)的SP-2A型號的系統(tǒng)來測量。通常，Ta是一塊玻璃的粘度足夠低到允許釋放殘余應(yīng)力的溫度。
軟化點Ts是材料具有107.65泊的粘度時的溫度。Ts可使用軟化點儀器，例如來自O(shè)rton Ceramic Foundation(美國俄亥俄州，Westeville)的SP-3A型儀器來測量。軟化點涉及材料的流動在性質(zhì)上從塑性(plastic)變?yōu)檎承?viscous)的溫度。
工作點Tw是材料具有104泊的粘度時的溫度。Tw可使用玻璃粘度計，例如來自O(shè)rton Ceramic Foundation(美國俄亥俄州，Westeville)的SP-4A型號的玻璃粘度計來測量。工作點涉及玻璃易于被拉制成纖維的溫度。例如在一些實施例中，當(dāng)材料為無機(jī)玻璃時，該材料的工作點溫度可能大于250℃，如300℃、400℃、500℃或更大。
熔化點Tm是材料具有102泊的粘度時的溫度。Tm可使用玻璃粘度計，例如來自O(shè)rton Ceramic Foundation(美國俄亥俄州，Westeville)的SP-4A型號的玻璃粘度計來測量。熔化點涉及玻璃變成液體，及對于纖維的幾何形狀保持來說纖維拉制過程的控制變得非常困難的溫度。
要實現(xiàn)在流變方面兼容，兩種材料需在寬泛的溫度范圍內(nèi)具有相近的粘度，即從纖維被拉出的溫度到纖維不能再以可辨別的速率釋放應(yīng)力的溫度(例如在Ta處)或更低的溫度的范圍內(nèi)具有相近的粘度。因此，兩種兼容材料的工作溫度應(yīng)相近，使得在拉制時兩種材料以相近的速率流動。例如，如果在第二材料的工作溫度Tw2處測量第一材料的粘度η1(T)，則η1(Tw2)應(yīng)至少為103泊，例如為104泊或為105泊，且不大于106泊。此外，當(dāng)已拉制的纖維冷卻時，兩種材料的特性應(yīng)在相近的溫度處從粘性轉(zhuǎn)變到彈性。換言之，兩種材料的軟化溫度應(yīng)該接近。例如在第二材料的軟化溫度Ts2處，第一材料的粘度η1(Ts2)應(yīng)至少為106泊，例如為107泊或為108泊，且不大于109泊。在優(yōu)選實施例中，應(yīng)可以一起退火兩種材料，因此在第二材料的退火溫度Ta2處，第一材料的粘度η1(Ta2)應(yīng)至少為108泊(例如至少為109泊，至少為1010泊，至少為1011泊，至少為1012泊，至少為1013泊，至少為1014泊)。
此外，為了在流變方面兼容，粘度作為溫度的函數(shù)的改變(即粘度斜率)對于兩種材料最好應(yīng)盡可能接近地匹配。換言之，當(dāng)材料為玻璃時，一種短玻璃應(yīng)與另一短玻璃配對(其中短玻璃是具有作為溫度函數(shù)的粘度的陡峭斜率的玻璃，與長玻璃相反)。例如，對于高折射率的基于Bi2O3的玻璃，短的硼硅酸鹽玻璃應(yīng)比具有類似拉制溫度的長的磷酸鹽玻璃能更好地匹配，因為Bi2O3形成短玻璃。
第二個選擇準(zhǔn)則是，在退火溫度與室溫之間的溫度處，每一材料的熱膨脹系數(shù)(TEC)應(yīng)是相近的。換言之，當(dāng)纖維冷卻其流變狀態(tài)從類似液態(tài)變?yōu)轭愃乒虘B(tài)時，兩種材料的體積變化的量應(yīng)相似。如果兩種材料的TEC并不充分匹配時，在兩個纖維部分之間的較大的體積改變的差異可引起大量殘余應(yīng)力的形成，這可能引起一個或多個部分的破裂和/或脫層。殘余應(yīng)力還可能引起延遲的破裂，甚至在應(yīng)力比材料的斷裂應(yīng)力低很多時也如此。
TEC是隨著溫度的改變樣本長度上的相對改變的量度。參照圖2，該參數(shù)對于給定材料可由溫度-長度(或等效地用溫度-體積)曲線的斜率來計算。材料的溫度-長度曲線可使用例如膨脹計，如來自O(shè)rton Ceramic Foundation(美國俄亥俄州，Westeville)的1200D型號的膨脹計來測量。TEC可在選定的溫度范圍上測量，也可作為給定溫度時的瞬時變化來測量。其量值的單位是“℃-1”。應(yīng)注意，在溫度-長度曲線中有兩個具有不同斜率的線性區(qū)域。還有一個曲線從第一到第二線性區(qū)域變化的轉(zhuǎn)換區(qū)域。該區(qū)域與玻璃的轉(zhuǎn)換有關(guān)，在該區(qū)域中玻璃樣本的特性從通常與固態(tài)材料相關(guān)的特性轉(zhuǎn)換到通常與粘性流體相關(guān)的特性。這是一個連續(xù)的轉(zhuǎn)換，其特征在于與斜率的不連續(xù)變化形成對照的溫度-體積曲線斜率的逐漸變化。玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg可被定義為玻璃的固體流線(solid fluid line)與粘性流線(solid fluid line)相交的溫度，如圖2中所示。玻璃轉(zhuǎn)變溫度是與材料流變從脆性固態(tài)到可流動固態(tài)的改變相關(guān)的溫度。在物理上，玻璃轉(zhuǎn)變溫度涉及激發(fā)材料中各個分子平移及旋轉(zhuǎn)模式所需的熱能。該玻璃轉(zhuǎn)變溫度通常作為近似的退火點，在該點上粘度為1013泊，但實際上，測得的Tg值是相對值且取決于測量技術(shù)。
如圖2中所示，也可使用膨脹計來測量膨脹軟化點(dilatometricsoftening point)Tds。通過在樣本上施加小的壓縮負(fù)載并加熱樣本來使膨脹計工作。當(dāng)樣本溫度變得足夠高時，材料開始軟化且壓縮負(fù)載引起樣本的撓曲，這時將觀察到體積或長度的減小。這一相對值被稱為膨脹軟化點，其通常發(fā)生在材料粘度在1010與1012.5泊之間的時候。材料的Tds的精確值通常依賴于儀器及測量參數(shù)。當(dāng)使用類似的儀器及測量參數(shù)時，該溫度提供了在該粘度狀態(tài)(regime)下不同材料的流變兼容性的有用量度。
如上所述，TEC的匹配是獲得使纖維免除拉制過程期間可能在纖維中產(chǎn)生的過大的殘余應(yīng)力影響的重要考慮因素。通常，當(dāng)兩種材料的TEC不能充分匹配時，殘余應(yīng)力作為彈性應(yīng)力出現(xiàn)。該彈性應(yīng)力分量源于從玻璃轉(zhuǎn)變溫度到室溫(例如25℃)冷卻時纖維中不同材料之間體積收縮的不同。體積的改變由TEC及溫度的變化決定。對于在拉制過程中纖維中的材料在任何界面上變?yōu)槿刍蛘辰拥膶嵤├?，材料各自的TEC的不同將在界面處產(chǎn)生應(yīng)力。一種材料將處于拉伸狀態(tài)(正應(yīng)力)而另一材料將處于壓縮狀態(tài)(負(fù)應(yīng)力)，因此總的應(yīng)力為零。中等程度的壓縮應(yīng)力本身對于玻璃纖維通常不是主要問題，但拉伸應(yīng)力是不希望出現(xiàn)的，且經(jīng)過長時間可能導(dǎo)致失效。因此，較理想的是，減小組成材料的TEC差，以減少拉制期間纖維中彈性應(yīng)力的產(chǎn)生。例如，在由兩種不同材料構(gòu)成的復(fù)合纖維中，在Tg與室溫之間以3℃/min的加熱速率用膨脹計測量的各玻璃的TEC之間的絕對值差應(yīng)不大于5×10-6℃-1(例如不大于4×10-6℃-1，不大于3×10-6℃-1，不大于2×10-6℃-1，不大于1×10-6℃-1，不大于5×10-7℃-1，不大于4×10-7℃-1，不大于3×10-7℃-1，不大于2×10-7℃-1)。
雖然選擇具有相近TEC的材料可最小化彈性應(yīng)力分量，但殘余應(yīng)力也可由粘彈性應(yīng)力分量產(chǎn)生。當(dāng)組成材料的應(yīng)變點(strain point)或玻璃轉(zhuǎn)變溫度之間的差別足夠大時將出現(xiàn)粘彈性應(yīng)力分量。如圖2中曲線所示，當(dāng)材料冷卻到低于Tg時，將經(jīng)歷相當(dāng)大的體積收縮。此外，當(dāng)在冷卻后的轉(zhuǎn)換中粘度變化時，消除應(yīng)力所需的時間從零(瞬時地)上升到若干分鐘。例如，考慮由兩種或多種玻璃組成的復(fù)合預(yù)制棒，每種玻璃具有不同的玻璃轉(zhuǎn)換范圍(及不同的Tg)。在初始的拉伸期間，玻璃表現(xiàn)為粘性流體，由拉伸應(yīng)變所導(dǎo)致的應(yīng)力瞬時消除。在離開拉制爐的最熱部分后，玻璃纖維迅速地失去熱度，引起材料的粘性與應(yīng)力消除時間一道指數(shù)地增加。當(dāng)冷卻到各自的Tg時，每種玻璃實際上不能消除任何應(yīng)力，因為應(yīng)力消除時間與拉伸速率相比變得很長。因此，假定各組分玻璃具有不同的Tg值，第一種玻璃冷卻到其Tg時不再能減小應(yīng)力，而第二種玻璃仍處于其Tg之上且可消除在玻璃之間產(chǎn)生的應(yīng)力。一旦第二玻璃冷卻到其Tg，則在玻璃之間出現(xiàn)的應(yīng)力不再能有效地消除。此外，在該點上第二玻璃的體積收縮比第一玻璃(該第一玻璃現(xiàn)在處于其Tg一下且表現(xiàn)為脆的固體)的體積收縮大得多。這種情況可導(dǎo)致玻璃之間產(chǎn)生足夠應(yīng)力，使得一個或兩個玻璃部分機(jī)械地?fù)p壞。這引出了用于選擇纖維材料的第三個選擇準(zhǔn)則較理想的是，使各組分玻璃的Tg差最小化，以減少拉制期間纖維中粘彈性應(yīng)力的產(chǎn)生。優(yōu)選地，第一材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg1應(yīng)在第二材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg2的100℃范圍以內(nèi)(例如|Tg1-Tg2|應(yīng)小于90℃，小于80℃，小于70℃，小于60℃，小于50℃，小于40℃，小于30℃，小于20℃，小于10℃)。
因為存在兩個因各組成材料之間的區(qū)別導(dǎo)致在拉制出的纖維中產(chǎn)生永久應(yīng)力的機(jī)制(即彈性及粘彈性)，因此可利用這些機(jī)制進(jìn)行彼此抵消。例如，如果材料的Tg的不匹配可引起相反符號的應(yīng)力，則構(gòu)成纖維的這些材料可自然地抵消由熱膨脹的不匹配引起的應(yīng)力。相反地，如果材料的熱膨脹能減小總的永久應(yīng)力，則材料之間較大的Tg差是可接受的。參考圖3，評價熱膨脹與玻璃轉(zhuǎn)變溫度差的組合效應(yīng)的方式之一是比較每個組成材料的溫度-長度曲線。在使用上述斜率正切(slope-tangent)方法找出每個玻璃的Tg后，沿縱軸移動一個曲線，使這些曲線在較低的Tg溫度值(圖3中所示的Tg1)處重合。在室溫處截得的y軸的差就可給出應(yīng)變ε，其為如果這些玻璃未結(jié)合時的期望值。對于在從Tg到室溫的溫度范圍上表現(xiàn)出較大收縮量的材料的期望拉伸應(yīng)力σ可由下式簡單地計算出σ＝E·ε，式中E為該材料的彈性模數(shù)。典型地，小于100MPa(例如，小于50MPa，小于30MPa)的殘余應(yīng)力值，為表示兩個材料是可匹配的足夠小的值。
第四個選擇準(zhǔn)則是候選材料的熱穩(wěn)定性的匹配。熱穩(wěn)定性的量度由溫度間隔(Tx-Tg)給出，其中Tx為當(dāng)材料冷卻足夠慢到每一分子可找到其最低能態(tài)時結(jié)晶開始時的溫度。因此，晶相對于材料來說是比玻璃相在能量上更有利的狀態(tài)。但是，當(dāng)材料用于纖維波導(dǎo)應(yīng)用時，其玻璃相通常比晶相具有性能和/或制造上的優(yōu)點。結(jié)晶溫度越接近玻璃轉(zhuǎn)變溫度，則拉制時材料越容易結(jié)晶，這可能損害纖維(例如，通過在纖維中導(dǎo)入可能增加傳輸損耗的光學(xué)非勻質(zhì)性損害纖維)。通常，至少為80℃(例如，至少100℃)的熱穩(wěn)定間隔(Tx-Tg)足夠允許玻璃通過從預(yù)制棒重拉制纖維而纖維化。在優(yōu)選實施例中，熱穩(wěn)定間隔至少為120℃，如150℃、200℃或更大。Tx可使用熱分析儀器、如差熱分析儀(DTA)或差示掃描量熱計(DSC)來測量。
選擇可以共同拉制的材料的其它考慮因素是材料的熔化溫度Tm。在熔化溫度時，材料的粘度變得太低，以致在纖維拉制中不能成功地保持其精確的幾何形狀。因此，在優(yōu)選實施例中，一種材料的熔化溫度高于第二種流變兼容的材料的工作溫度。換言之，當(dāng)加熱預(yù)制棒時，在預(yù)制棒中任一材料熔化前，預(yù)制棒可達(dá)到其可被成功拉制的溫度。
能夠形成高折射率差的纖維波導(dǎo)的流變兼容材料的具體組合的例子包括下列組合。
具有組合物Ge33As12Se55的硫?qū)倩锊Ａ沁m合的高反射率材料。它在1.5微米波長時的折射率為2.5469且在587.56納米波長(這是通常測量折射率所使用的鈉的d線(sodium d-line)的波長，并被稱為nd)時折射率更高。該玻璃易于以不同的形狀成形及制造。它的結(jié)晶的起始點(Tg)約為500℃且在50℃-320℃范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)(TEC)為12.0-13.5×10-6℃。該組合物還呈現(xiàn)高的光學(xué)勻質(zhì)性及在紅外頻率上的低的吸收損耗。該玻璃可從市場上以出自Amorphous Materials公司(美國德克薩斯州，Garland)的AMTIR-1的商品名稱得到。此外，該玻璃具有的玻璃轉(zhuǎn)變溫度為Tg＝365℃，膨脹軟化溫度Tds＝391℃，軟化點溫度Ts＝476℃，并具有拉制溫度為Td＝515℃。Td是在第一溫度的爐中懸掛一個玻璃棒(直徑約4-7毫米及長度約3-6英寸)，其中棒的下三分之一放置在爐中心來測量的。如果在5分鐘后該棒未軟化拉長為纖維，則使?fàn)t溫上升10℃。重復(fù)該步驟，直到棒軟化并能容易地被拉成細(xì)的纖維(例如直徑小于300微米)為止。發(fā)生這種現(xiàn)象時的溫度即為拉制溫度Td。應(yīng)注意Td不同于上述根據(jù)材料的粘度來確定的特征溫度。


表1與Ge33As12Se55兼容的玻璃的例子參見圖4-13，測量了9種低折射率玻璃的熱膨脹曲線并將它們與Ge33As12Se55的熱膨脹進(jìn)行了比較。表1示出這9種玻璃中的每一個的參數(shù)Tg、Tds、Ts及Td。表1還將對于每個參數(shù)低折射率玻璃的值與Ge33As12Se55的值之間的差顯示為ΔTg、ΔTds、ΔTs及ΔTd。應(yīng)注意，低折射率玻璃Q-100是市面上可從Kigre公司(美國南卡羅來納州，Hilton Head)獲得的玻璃的商品名。
這9種低折射率玻璃將與Ge33As12Se55共同拉制，如下所述。將可以圓橫截面或方橫截面的棒的形式獲得的每種低折射率玻璃與Ge33As12Se55合并成單件。通過將一個棒保持靠近另一棒并將它們在爐中加熱使這些棒合并成一個件。棒被加熱到接近兩個材料軟化溫度中較高的溫度上使棒之間可以形成結(jié)合。不充分兼容的材料不能合并且如果結(jié)合是大范圍時將破裂，或者在冷卻到室溫后將分離。為了共同拉制合并后的樣本，每個樣本被懸置在爐中加熱到足以使兩個材料軟化并可被拉制成纖維的溫度。在該試驗期間，如果樣本中的一個材料比另一材料軟化或液化明顯得多將會很清楚地看到。此外，如果材料的粘度不充分匹配，則一種材料將在另一材料被足夠軟化到能拉制前，過分地軟化及變形和/或揮發(fā)。由不匹配材料形成的樣本在冷卻時呈現(xiàn)出永久的彎曲。對于表1中所列的9種低折射率玻璃，僅發(fā)現(xiàn)10 Li2O-40 PbO-20 B2O3-30 SiO2與Ge33As12Se55不兼容。
參照圖13，該低折射率玻璃10 Li2O-40 PbO-20 B2O3-30 SiO2可成功地與另一硫?qū)倩锊Ａe40As25Se25共同拉制。因此，組分上的改變可能影響一個具體材料與另一材料的兼容性。
以上基于實際的共同拉制試驗討論了高折射率材料及低折射率材料的兼容性。外推的經(jīng)驗性流變數(shù)據(jù)能夠識別可兼容的高折射率材料及低折射率材料。這種分析可使用SciGlass和/或SciPolymer數(shù)據(jù)庫(可從美國馬薩諸塞州，Burlington，SciVision得到)來執(zhí)行。參照圖14A-17，使用Priven-2000方法由SciGlass及SciPolymer數(shù)據(jù)庫來產(chǎn)生流變數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)的討論如下。
一種合適的與Ge33As12Se55兼容的低折射率玻璃可能為堿金屬硼硅酸鹽玻璃，其組分為(單位為摩爾％)26 SiO2-31 B2O3-12 Na2O-12K2O-6 Li2O-13 PbO。該合成物易于玻璃化且該玻璃具有與其硫?qū)倩锊Ａ鋵?partner)相近的熱穩(wěn)定性它具有Tg＝401℃，折射率nd＝1.62及TEC＝13.9×10-6/℃。這兩種玻璃的粘度曲線在包括纖維拉制溫度(粘度＝103-106泊)的寬泛的溫度范圍上重疊。此外，這些玻璃在化學(xué)方面是兼容的，產(chǎn)生的效果是在550℃上接觸時可得到平滑及勻質(zhì)的界面。
基本的玻璃組分可被修改以調(diào)節(jié)其物理特性。這也在圖14A中示出。另一種具有稍微不同組分的硼硅酸鹽玻璃33.6 SiO2-21.7B2O3-44.7 Na2O(摩爾％)具有的特性為nd＝1.70，Tg＝395℃及TEC＝12.9×10-6/℃。降低玻璃中堿金屬的含量將增加其熱穩(wěn)定性并使其熱膨脹系數(shù)接近Ge33As12Se55的熱膨脹系數(shù)，并可在粘度為103.5-107.5泊的溫度范圍內(nèi)得到實際上相同的粘度曲線。這種效應(yīng)伴隨著nd的增加，但仍可提供與Ge33As12Se55玻璃的足夠高的折射率差。
用于匹配Ge33As12Se55的低折射率玻璃的另一選擇可來自于磷酸鹽玻璃類。例如圖14A示出了52 P2O3-20 Li2O-4 K2O-15 Sc2O3-9 BaO(摩爾％)玻璃。與以上討論的硼硅酸鹽玻璃相比較，該磷酸鹽玻璃在熱穩(wěn)定性方面是更好的選擇。此外，Sc2O3的存在被公知可改善磷酸鹽玻璃的化學(xué)耐久性。該磷酸鹽玻璃的熱膨脹(TEC＝11.2×10-6/℃)接近Ge33As12Se55玻璃的熱膨脹，其nd＝1.60。其Tg＝426℃且其拉制溫度范圍(粘度為103-106泊)中的粘度特性可很好地與Ge33As12Se55玻璃的粘度特性匹配。
硫?qū)倩锛胺锊ＡУ慕M合也能提供纖維波導(dǎo)中的高折射率差。例如，參照圖14B，具有nd＝2.5的硫?qū)倩锊Ａe20Se80可與具有nd＝1.3的58 BeF2-15 CsF(摩爾％)的氟化物玻璃配對。
參照圖15，高折射率重金屬氧化物玻璃，45 Bi2O3-40 PbO-15Ga2O3(單位摩爾％)與低折射率氧化物玻璃的兩個組合可使用它們的粘度、熱膨脹及穩(wěn)定性來識別?；阢U鉍酸鹽的玻璃具有折射率nd＝2.32，Tg＝350℃及TEC＝12.7×10-6/℃。該玻璃的粘度-溫度特性與前述示例中硫?qū)倩锊ＡУ脑撎匦圆煌虼?，上述硼硅酸鹽玻璃不能理想地匹配?？纱娴?，某些低折射率堿金屬硅酸鹽及磷酸鹽玻璃可與這些重金屬氧化物玻璃配對。具有組分44 SiO2-12 PbO-38Li2O-6 SrO及58 P2O5-14 MgO-8 Na2O-20 Li2O(摩爾％)的每個硅酸鹽及磷酸鹽玻璃類型的例子的粘度-溫度特性在圖15中示出。這兩種玻璃的粘度曲線在拉制溫度區(qū)域中與45 Bi2O3-40 PbO-15 Ga2O3玻璃的曲線緊密地匹配。硅酸鹽玻璃的熱膨脹系數(shù)(TEC＝13.8×10-6/℃)比磷酸鹽玻璃的TEC(TEC＝14.2×10-6/℃)更接近高折射率Bi-Pb玻璃的熱膨脹系數(shù)，但磷酸鹽玻璃的折射率，nd＝1.50，低于硅酸鹽玻璃的折射率，nd＝1.64。同樣，根據(jù)具體的實施，可選擇這兩種低折射率玻璃中的任何一個作為45 Bi2O3-40 PbO-15 Ga2O3玻璃的匹配。
數(shù)目眾多的聚合物也是適合于和無機(jī)玻璃共同拉制，以形成復(fù)合的高折射率差的纖維波導(dǎo)的低折射率材料。例如，參照圖16，聚醚-酰亞胺-5(polyetherimid-5)及As40Se60玻璃的粘度-溫度曲線表明它們是適合于共同拉制的材料。聚醚-酰亞胺-5及As40Se60玻璃分別具有1.64及2.9的折射率(nd)。
改變硫?qū)倩锊Ａе猩?硒的比例并不明顯地改變其高折射率，但可帶來改變該玻璃粘度并使其流變參數(shù)與不同等級的低或高熔化聚合物(different classes of lower or higher melting polymer)匹配的可能性。例如，硫?qū)倩顰s50Se50可與聚三環(huán)1(polytricyclic 1)組合，As30Se70可與聚[2，2-丙烷-雙-(4-(2，6-二溴苯基)碳酸酯)](poly[2，2-propane bis(4-(2，6-dibromophenyl)carbonate])組合，及As5Se95可與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)組合。其它的硫?qū)倩锊Ａб部杀唤M合與聚合物共同拉制，例如Ge10Se90可與聚[4.4’-砜二苯氧基二(4-苯撐)砜](poly[4.4’-sulfone diphenoxy di(4-phenylene)sulfone])組合。
參照圖17，來自Ga2S3類的高折射率玻璃與多組分氧化物玻璃相耦合。這些玻璃與上例示例相比為更高的熔化玻璃(melting glass)且在流變方面可與各種硼硅酸鹽、硅酸鹽及磷酸鹽玻璃匹配。例如，具有折射率為2.5的70 Ga2S3-30 La2S3可與具有折射率為1.53，TEC＝8.5×10-6/℃的22 SiO2-54 B2O3-18 Na2O-6 PbO(組分以摩爾％為單位給出)匹配。
上面已討論了選擇適合用于高折射率差的纖維波導(dǎo)的材料，及識別這些材料的準(zhǔn)則，現(xiàn)在將關(guān)注對沿波導(dǎo)軸傳播的頻率子集的光輻射提供徑向約束的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的具體例子。具體地，現(xiàn)在將描述光導(dǎo)纖維及光子晶體光纖的例子。在這兩種情況下，選擇波導(dǎo)材料以具有高折射率差，都將提高波導(dǎo)徑向限制被導(dǎo)引的模式的能力。
參照圖18，高折射率差光導(dǎo)纖維701包括沿波導(dǎo)軸延伸的纖芯710及圍繞纖芯710的外包層720。纖芯710包括高折射率材料，例如硫?qū)倩锊ＡАＭ獍鼘?20包括低折射率材料，例如氧化物玻璃和/或鹵化物玻璃。因此，纖芯710具有的折射率nH比外包層720的折射率nL高。導(dǎo)入纖芯的特定光輻射在纖芯-外包層的界面上被完全內(nèi)部地反射，并基本上被限制至纖芯。這些被導(dǎo)引的模式的波長及數(shù)目取決于光導(dǎo)纖維701的結(jié)構(gòu)，及纖芯與外包層材料的特性。典型地，光導(dǎo)纖維可支持的模式數(shù)目隨著纖芯直徑的增大而增加。
纖芯710與外包層720、光纖701之間的高折射率差，對應(yīng)于較大的數(shù)值孔徑(NA)，數(shù)值孔徑被定義為NA＝(nH2-nL2)1/2。例如，光導(dǎo)纖維701可能具有至少0.7(例如，至少約0.8，至少約0.9，至少約1.0，至少約1.1，至少約1.2，至少約1.3)的NA。
在一些實施例中，纖芯710可能具有較小的直徑。由于纖芯與外包層之間較大的折射率差，高折射率差的光導(dǎo)纖維可有效地將模式限制至小直徑的纖芯。例如，纖芯710可具有小于10微米的直徑，例如小于5微米，小于3微米，小于2微米，小于1微米，小于0.5微米，小于0.25微米。
高折射率差的纖維波導(dǎo)也包括借助完全內(nèi)部反射(TIR)以外的方式將光徑向地限制至光路的波導(dǎo)。例如，高折射率差的纖維波導(dǎo)可包括使用具有徑向調(diào)制折射率的限制區(qū)域?qū)⒐庀拗浦晾w芯區(qū)域的纖維波導(dǎo)。這樣的纖維波導(dǎo)的例子包括光子晶體光纖，如布拉格光纖。
參照圖19，光子晶體光纖1301包括沿波導(dǎo)軸延伸的介電纖芯1320及圍繞該纖芯的介電限制區(qū)域1310(例如多層外包層)。在圖19的實施例中，顯示限制區(qū)域1310包括具有不同折射率的介電材料的交替的層1330及1340。一組層，如1340，限定了具有折射率nH及厚度dH的高折射率層組，而另一組層，如1330，限定了具有折射率nL及厚度dL的低折射率層組，其中nH＞nL。僅為方便起見，在圖19中僅示出了幾個該介電限制層。實際上，限制區(qū)域1310可包括多得多的層(例如20個或更多的層)。
通常，層1340包括具有高折射率的材料，例如以上說明中列舉的高折射率材料。這些材料包括例如硫?qū)倩锊Ａ?、重金屬氧化物玻璃及非晶合金。但更普遍的是，?340可由具有足夠高的折射率并與構(gòu)成層1330的材料在流變方面兼容的任何材料或材料的組合構(gòu)成。每個層1340中的材料可為相同的或不同的。
層1330包括具有低折射率的材料，例如以上說明中列舉的低折射率材料，如氧化物玻璃、鹵化物玻璃或特定的聚合物。更普遍的是，層1330可由具有足夠低的折射率并與構(gòu)成層1340的材料在流變方面兼容的任何材料或材料的組合構(gòu)成。每個層1330中的材料可為相同的或不同的。
在本實施例中，纖芯1320包括固體介電材料，如高折射率或低折射率玻璃。但總體上，纖芯1320可包括在流變方面與構(gòu)成限制區(qū)域1310的材料兼容的任何材料或材料的組合。在一些特定的實施例中，纖芯1320可包括一種或多種摻雜材料，如上述的那些摻雜材料。可選擇地，纖芯1320可為空心纖芯。任選地，該空心纖芯可被填充以流體，如氣體(例如空氣，氮氣和/或惰性氣體)或液體(例如各向同性的液體或液晶)。
光子晶體光纖1301具有圓的橫截面，其纖芯1320具有圓的橫截面且區(qū)域1310(及其中的層)具有環(huán)形橫截面。但在其它實施例中，波導(dǎo)及其構(gòu)成區(qū)域可具有不同的幾何橫截面，如矩形或六邊形橫截面。此外，如下文將提到的，纖芯及限制區(qū)域1320和1310可包括具有不同折射率的多種介電材料。在此情況下，可能會提到給定區(qū)域的“平均折射率”，平均折射率是指該區(qū)域各組成部分的加權(quán)折射率的和，其中每個折射率用該區(qū)域中其組成部分的部分面積加權(quán)。但是，區(qū)域1320及1310之間的邊界用折射率的變化來限定。該變化可由兩種不同介電材料的界面引起或由同一介電材料中的不同摻雜濃度(例如，硅石中的不同摻雜濃度)引起。
介電限制區(qū)域1310引導(dǎo)第一波長范圍內(nèi)的EM輻射沿波導(dǎo)軸在介電纖芯1320中傳播。該限制機(jī)制是基于區(qū)域1310中形成包括該第一波長范圍的帶隙的光子晶體結(jié)構(gòu)。因為該限制機(jī)制并非折射率導(dǎo)引，因此纖芯不一定具有比與纖芯緊鄰的限制區(qū)域部分更高的折射率。相反地，纖芯1320可具有比限制區(qū)域1310更低的平均折射率。例如，纖芯1320可為空氣、某些其它氣體如氮氣，或?qū)嵸|(zhì)上被抽成真空。在此情況下，在該纖芯中被導(dǎo)引的EM輻射將具有比在硅石纖芯中被導(dǎo)引的EM輻射小得多的損耗及小得多的非線性交互作用，反映出許多氣體相對于硅石或其它這樣的固體材料更小的吸收及非線性交互作用常數(shù)。例如，在其它的實施例中，纖芯1320可包括多孔的介電材料以對周圍的限制區(qū)域提供一些結(jié)構(gòu)支持，同時仍能限定出大部分為空氣的纖芯。因此，纖芯1320不需要具有均勻的折射率截面(index profile)。
限制區(qū)域1310的交替層1330與1340形成了公知的所謂布拉格光纖。這些交替層類似于平面介電疊層反射器(planar dielectric stackreflector)(公知為布拉格反射鏡)的交替層。限制區(qū)域1310的環(huán)形層及介電疊層反射器的交替平面層均為光子晶體結(jié)構(gòu)的例子。光子晶體結(jié)構(gòu)總體上在由John D.Joannopoulos等人著的“光子晶體”(Photonic Crystals)中描述(普林斯頓大學(xué)出版社，美國新澤西州，普林斯頓，1995年)。
如這里所使用的，光子晶體是具有折射率調(diào)制的介電結(jié)構(gòu)，該折射率調(diào)制在光子晶體中產(chǎn)生光子帶隙。這里所使用的光子帶隙，是一個波長(或其倒數(shù)頻率)的區(qū)域，在該區(qū)域中介電結(jié)構(gòu)中沒有可達(dá)到的延伸的(accessible extended)(即傳播的，非固定的)狀態(tài)。典型地，該結(jié)構(gòu)是周期性的介電結(jié)構(gòu)，但它也可以包括譬如更復(fù)雜的“準(zhǔn)晶”(quasi-crystals)。通過將光子晶體與偏離帶隙結(jié)構(gòu)的“缺陷”區(qū)域相組合，帶隙能被用來限制、引導(dǎo)和/或定位光。此外，對于帶隙之上或之下的波長均具有可達(dá)到的延伸的狀態(tài)，使得光即使在低折射率區(qū)域中也可被限制(與例如上述的折射率導(dǎo)引的TIR結(jié)構(gòu)相反)。“可達(dá)到”一詞意味著這樣的狀態(tài)，通過該狀態(tài)耦合尚未被系統(tǒng)的某些對稱或守恒定律禁止。例如，在兩維系統(tǒng)中，偏振是守恒的，因此只有類似的極化狀態(tài)需要從帶隙中排除。在具有均勻橫截面的波導(dǎo)(例如常規(guī)的纖維)中，波矢量β是守恒的，因此只有具有給定β的狀態(tài)需要從帶隙中排除以支持光子晶體導(dǎo)引的模式。此外，在具有圓柱形對稱性的波導(dǎo)中，“角動量”折射率m是守恒的，因此只有具有相同m的模式需要從帶隙中排除。簡言之，對于高對稱性的系統(tǒng)，光子帶隙的要求與其中所有狀態(tài)(不考慮對稱性)均被排除的“完全”帶隙相比，顯著地放寬了。
因此，介電疊層反射器在光子帶隙中是高反射性的，因為EM輻射不能通過疊層傳播。類似地，限制區(qū)域1310中的環(huán)形層提供了限制，因為它們對帶隙中的入射輻射是高反射性的。嚴(yán)格地說，僅當(dāng)光子晶體中折射率調(diào)制具有無限的范圍時光子晶體在帶隙中才是完全反射的。否則，入射輻射可經(jīng)由在光子晶體的任何一側(cè)耦合傳播模式的瞬逝(evanescent)模式對光子晶體“通過隧道”(tunnel)。但在實踐中，這種通過隧道的速率隨光子晶體的厚度(例如，交替層的數(shù)目)指數(shù)地下降。它也隨限制區(qū)域中的折射率差的幅值而下降。
此外，光子帶隙可僅在傳播矢量的相對小的區(qū)域中延伸。例如，介電疊層可對垂直入射輻射為高反射性而對于非垂直入射輻射僅為部分反射性?！巴耆庾訋丁笔窃谒锌赡艿牟ㄊ噶考八衅裆涎由斓膸?。總體上，完全光子帶隙僅與具有沿三維的折射率調(diào)制的光子晶體相關(guān)。但是，在EM輻射從相鄰的介電材料入射在光子晶體上的情況下，也可定義出“全向光子帶隙”，它是用于相鄰的介電材料支持傳播EM模式的所有可能波矢量及偏振的光子帶隙。等同地，全向光子帶隙可被定義為用于光線之上的所有EM模式的光子帶隙，其中光線被定義為相鄰的光子晶體所支持的最低頻率傳播模式。例如，在空氣中光線近似由式ω＝cβ給出，式中ω為輻射的角頻率，β為波矢量，及c為光速。全向平面反射器的描述在美國專利US 6,130,780中公開，該專利申請的內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。此外，使用交替節(jié)點層提供用于圓柱形波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)的全向反射(在平面界限中)PCT申請公開WO 00/22466中公開，該公開的內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。
當(dāng)限制區(qū)域1310中的交替層1330及1340相對纖芯1320引起全向帶隙時，將很強地限制被導(dǎo)引的模式，因為在原理上，從纖芯入射在限制區(qū)域上的任何EM輻射被完全地反射。但是，這樣的完全反射僅在具有無限數(shù)目的層時才發(fā)生。對于有限數(shù)目的層(例如，約20層)，對于從0°至80°的所有入射角及對于具有全向帶隙中的頻率的所有EM輻射的偏振，全向光子帶隙可相應(yīng)于至少95％的平面幾何結(jié)構(gòu)中的反射。此外，即使當(dāng)光子晶體光纖1301包括具有非全向帶隙的限制區(qū)域時，它可以仍然支持被較強導(dǎo)引的模式，例如對于帶隙中的一頻率范圍具有小于0.1dB/km輻射損耗的模式。總體上，帶隙是否為全向?qū)⒁匈囉谟山惶鎸赢a(chǎn)生的帶隙尺寸(其總體上以兩個層的折射率差為標(biāo)度)及光子晶體的最低折射率的成分。
在附加實施例中，介電限制區(qū)域可包括不同于多層布拉格配置的光子晶體結(jié)構(gòu)。例如，不是作為一維的周期性光子晶體的例子的布拉格配置(在平面界限中)，而是可選擇該限制區(qū)域以形成例如二維的周期性光子晶體(在平面界限中)，如對應(yīng)于蜂窩結(jié)構(gòu)的折射率調(diào)制。參見例如R.F.Cregan等人在Science285(期)，第1537-1539頁，1999年的文章。此外，即使在類似“布拉格”的配置中，高折射率層也可在折射率及厚度上變化，和/或低折射率層可在折射率及厚度上變化。限制區(qū)域也可包括包含每周期多于兩層(例如每周期3層或更多層)的周期性結(jié)構(gòu)。此外，在限制區(qū)域內(nèi)折射率調(diào)制可作為半徑的函數(shù)連續(xù)或不連續(xù)地變化?？傊?，限制區(qū)域可基于產(chǎn)生光子帶隙的任何折射率調(diào)制。
在本實施例中，多層結(jié)構(gòu)1310因為具有相對徑向軸的周期性的折射率變化而形成布拉格反射鏡。一種適合的折射率變化是近似四分之一波的條件。已經(jīng)公知，對于垂直入射，對于“四分之一波”疊層可獲得最大帶隙，在“四分之一波”疊層中每個層具有相等的光學(xué)厚度λ/4，或等效地表示為dH/dL＝nL/nH，其中d及n分別表示高折射率層及低折射率層的厚度及折射率。這些層分別相應(yīng)于層1340及1330。垂直入射相應(yīng)于β＝0。對于圓柱形波導(dǎo)，所需模式通常位于光線ω＝cβ(在大的纖芯半徑界限中，最低階的模式為基本上沿z軸、即波導(dǎo)軸傳播的平面波)附近。這時，四分之一波的條件變?yōu)閐HdL=nL2-1nH2-1]]>
嚴(yán)格地說，該等式不一定是完全最佳的，因為四分之一波的條件可被圓柱形幾何結(jié)構(gòu)修改，其可能需要每層的光學(xué)厚度隨著徑向坐標(biāo)平滑地變化。然而，我們發(fā)現(xiàn)該等式對于優(yōu)化許多期望的特性提供了絕佳的指導(dǎo)，尤其是對于比中間帶隙波長更大的纖芯半徑。
光子晶體光纖的一些實施例在發(fā)明人為Steven G.Johnson等人、申請日為2002年1月25日名稱為“具有大纖芯半徑的低損耗光子晶體波導(dǎo)”(LOW-LOS S PHOTONIC CRYSTAL WAVEGUIDEHAVING LARGE CORE RADIUS)的美國專利申請系列號(U.S.S.N)10/057,258中描述。
高折射率差的光導(dǎo)纖維和高折射率差的光子晶體光纖均可實現(xiàn)將被導(dǎo)引的模式增強地徑向限制到纖維纖芯。這是由纖維各部分之間、例如光導(dǎo)纖維的纖芯及外包層之間或布拉格光纖的交替層之間較大的折射率不匹配引起的。由于該較大的折射率不匹配，被導(dǎo)引的模式的電場強度在纖芯外面迅速衰減。因此，大部分被導(dǎo)引的模式的能量保留在纖芯中。這意味著，高折射率差的纖維波導(dǎo)可呈現(xiàn)出較低的與外包層中傳播的被導(dǎo)引模式的能量相關(guān)的損耗。此外，這也意味著，即使對于很小的纖芯尺寸(例如具有小于2微米直徑，如1微米或更小的纖芯)，仍能保持將大部分被導(dǎo)引的模式的能量限制至纖芯。當(dāng)然，高折射率差的纖維波導(dǎo)也可具有較大的纖芯直徑，如10微米或更大。
被導(dǎo)引的模式的徑向延伸的量度是模場直徑(MFD)。MFD是跨越單模光纖的端面的輻照度、即光焦度分布的特性。根據(jù)K.Peterman在“用于寬帶散射補償單模光纖的基本模式點尺寸的限制”(Constraints for fundamental-mode spot size for broadband dispersion-compensated single-mode fibers)(Electron.Lett.19期，第712-714頁，1983年9月)中的描述，MFD在數(shù)學(xué)上可表達(dá)為
MFD=22[∫0∞|ψ(r)|2rdr∫0∞|dψ(r)dr|2rdr]1/2,]]>式中φ(r)是在距離纖維軸的半徑r處基本模式的近場的幅值。對于單模光導(dǎo)纖維中的高斯功率分布(即φ(r)＝φ0exp(-r2/(1/2MFD)2))，模場直徑是電場及磁場強度降低到它們最大值的1/e處的直徑，即功率降低到最大功率的1/e2處的直徑，因為功率正比于場強的平方。
因此，在一些實施例中，高折射率差的纖維波導(dǎo)具有較小的MFD，如不大于5微米的MFD(如不大于4微米，不大于4微米，不大于3微米，不大于2微米，不大于1微米，不大于0.5微米)，如W.T.Anderson在J.Lightwave Technology 2，2，第191-197頁(1984年)的“單模光纖中模場結(jié)果測量方法的一致性”(Consistency ofmeasurement methods for mode field results in a single-mode fiber)中所測量的那樣。
參照圖20，對于光導(dǎo)纖維，MFD作為纖芯及外包層之間折射率差的函數(shù)而變化。這由對不同纖芯及外包層折射率值，最低階的(LP01)模式的MFD作為纖芯半徑的函數(shù)的計算來證實。應(yīng)注意，根據(jù)例如H.Nishihara等人在“光學(xué)集成電路”(Optical IntegratedCircuits)(McGraw-Hill圖書公司，紐約，1985年)中所述，對于對稱(例如圓柱形對稱)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的基本模式?jīng)]有截止區(qū)(cut-off)，因此在對稱纖維中，總是可支持LP01模式。在目前的示例中，外包層折射率nL取為1.5，且纖芯折射率nH可變化。當(dāng)纖芯直徑很小時(例如小于0.2微米)，模式被限制至纖芯的效果很差且MFD較大。隨著纖芯尺寸增大，MFD下降到最小值，該值是纖芯及外包層折射率的函數(shù)。例如，對于纖芯折射率2.8、2.4及2.0(分別具有46％、36％及25％的折射率差)的最小的MFD分別約為0.73、0.92及1.27微米。當(dāng)纖芯半徑繼續(xù)增大時，MFD從其最小值增大且光導(dǎo)纖維開始支持更高階的模式。在圖20中對于每個纖維的單模截止直徑用星號表示。如每個曲線之間的差別所表示的，基本模式的最小MFD隨著折射率差的減小而增大。
具有較小MFD的高折射率差的纖維波導(dǎo)可被用于將光從一個光學(xué)裝置耦合到另一光學(xué)裝置中。例如，參照圖21，具有較小MFD的、圓錐形的高折射率差的纖維波導(dǎo)910將光從硅石纖維920耦合到光子集成電路930中。圓錐形的高折射率差的纖維波導(dǎo)910被設(shè)計成使得纖維模式在一端912處緊密地匹配硅石纖維的模式，且在另一端914處緊密地匹配光子集成電路930的模式。界面940及950可被涂以折射率匹配凝膠，以進(jìn)一步使每個界面處的光信號反射最小化。
目前，將纖維耦合到光子集成電路通常是通過將硅石纖維直接“對接”到集成電路的端面(facet)上來實現(xiàn)的。但是，由于纖維與電路之間的模式尺寸通常差別較大，因此該耦合可能是無效的。通過將纖維作成錐形，由該模式尺寸差別所導(dǎo)致的損耗可減小到一定程度，但MFD通常不能減小到由纖維材料的折射率所強制的界限以下。其結(jié)果是，錐形纖維的硅石纖維模式可能仍不是足夠地小到可將光有效地從該纖維耦合到許多具有亞微米模式尺寸的集成光學(xué)裝置中。高折射率差的錐形纖維波導(dǎo)的使用提供了比傳統(tǒng)硅石纖維更小的最小MFD，并可能減小潛在的與耦合具有不同模式尺寸的光學(xué)裝置相關(guān)的損耗。
在一些實施例中，高折射率差的錐形纖維波導(dǎo)的使用可完全取代傳統(tǒng)的纖維耦合。例如，通過將高折射率纖維直接絞合(pig-tail)到光源，高折射率差的纖維波導(dǎo)可直接將光從光源、例如激光器光源耦合到光子電路。
再次參照圖18及19，光導(dǎo)纖維701具有勻質(zhì)的纖芯710及單個的勻質(zhì)的外包層720。同樣，光子晶體光纖1310具有勻質(zhì)的纖芯及包括勻質(zhì)的層的限制區(qū)域1310。但更普遍地，高折射率差的纖維波導(dǎo)可具有復(fù)合的纖芯結(jié)構(gòu)和/或復(fù)合的限制區(qū)域/外包層結(jié)構(gòu)。例如，纖芯可包括具有不同折射率的多個部分或者為分級折射率的纖芯(例如，具有作為半徑函數(shù)而改變的折射率分布的纖芯)?？蛇x擇地或附加地，限制區(qū)域/外包層可包括具有不同折射率的多個部分。在另一例子中，光子晶體光纖可包括具有連續(xù)變化的徑向折射率分布(例如正弦折射率分布)的限制區(qū)域。
纖維波導(dǎo)中的附加部分或區(qū)域允許修整不同的纖維特性，如散射、非線性和/或彎曲敏感性，視具體的應(yīng)用而定。例如，一高折射率差的纖維波導(dǎo)可被設(shè)計用于散射補償?shù)膽?yīng)用(即具有較高的正或負(fù)散射)。參照圖22，高折射率差的纖維波導(dǎo)1001包括纖芯1010和圍繞纖芯1010的外包層1020(例如，在光導(dǎo)纖維情況下的外包層，或在光子晶體光纖情況下的限制區(qū)域)。包括在纖芯1010與外包層1020之間的是色散修整區(qū)域1030。選擇該色散修整區(qū)域的尺寸及組分，使得纖維波導(dǎo)1001具有特定的散射特性。高折射率差的光導(dǎo)纖維由于對不同波長的限制不同可能在選定的波長上具有較大的波導(dǎo)散射。
例如，高折射率差的光導(dǎo)纖維可具有較大的負(fù)的散射。參照圖23，理論上，這種纖維可被設(shè)計成在所需光譜區(qū)域(在此情況下為1.55微米附近)上具有大于9000ps/nm-km的負(fù)散射。在此例中，高折射率差的纖維波導(dǎo)為光導(dǎo)纖維。該纖維的纖芯具有的折射率為2.8且半徑為0.1710微米，散射補償區(qū)域包括圍繞纖芯的內(nèi)層及圍繞該內(nèi)層的外層。該內(nèi)層具有的折射率為1.5且半徑為0.7645微米，而外層具有的折射率為2.4且半徑為0.8210微米。圍繞外層的該光導(dǎo)纖維的外包層具有的折射率為1.5。
光子晶體光纖中散射的修整在發(fā)明人為Steven G.Johnson等人、申請日為2002年1月25日名稱為“具有修整的散射特性的光子晶體光波導(dǎo)”(PHOTONIC CRYSTAL OPTICAL WAVEGUIDESHAVING TAILORED DISPERSION PROFILES)的美國專利申請系列號10/057,440中描述。
高折射率差的纖維波導(dǎo)的各部分可用能與纖芯中光信號交互作用的任何材料或材料組合進(jìn)行摻雜，以提供例如光信號的放大和/或光信號的升頻變換(frequency-up conversion)。例如，在纖維放大器應(yīng)用中，纖維纖芯可包括一種或多種稀土離子摻雜物(例如鉺離子、鐿離子、釹離子、鈥離子、鏑離子和/或銩離子)。
由于高折射率差的纖維波導(dǎo)中被導(dǎo)引的模式徑向限制的增強，在小直徑纖芯纖維中這些模式的光能量密度可能較大。因此，高折射率差的光導(dǎo)纖維可能具有增強的非線性響應(yīng)。此外，由于增強的非線性響應(yīng)，高折射率差的光導(dǎo)纖維可被用在非線性光學(xué)裝置、如光導(dǎo)纖維及全光學(xué)開關(guān)上。尤其是，第三階非線性效應(yīng)(也稱為克爾系數(shù))直接正比于電場強度并由此反比于模式面積(modal area)(假定非線性系數(shù)及耦合入該纖維的總功率為常值)。例如，理論上，包括具有nH＝2.8的勻質(zhì)的纖芯及具有nL＝1.5的勻質(zhì)的外包層的高折射率差的光導(dǎo)纖維的MFD，對于λ＝1.55微米可小到0.73微米。相反地，典型的單模硅石光導(dǎo)纖維對于λ＝1.55微米具有的MFD約為10.4微米。因此，高折射率差的光導(dǎo)纖維的模式面積為硅石光導(dǎo)纖維模式面積的(0.73/10.4)2倍或比其小約200倍。其結(jié)果是，高折射率差的纖維的非線性響應(yīng)增大了約200倍。
此外，對于纖芯由非線性玻璃、如硫?qū)倩锊Ａе瞥傻膶嵤├踔粮蟮姆蔷€性響應(yīng)也是可能的。例如，根據(jù)Cardinal等人在J.Non-crystalline256-7，353(1999年)的“在As-S-Se系統(tǒng)中的硫?qū)倩锊ＡУ姆蔷€性光學(xué)特性”(Non-linear optical properties ofchalcogenide glasses in the system As-S-Se)中，及根據(jù)Harbold等人在Opt.Lett.27(2)，119(1992年)的“用于全光學(xué)開關(guān)的高度非線性As-S-Se玻璃”(Highly nonlinear As-S-Se glasses for all-opticalswitching)中的描述，硫?qū)倩锊ＡУ目藸柗蔷€性度可為1-2×10-17m2/W，約比硅石大400倍。因此，高折射率差的纖維可能具有約比硅石纖維等效物大80000倍的非線性光學(xué)響應(yīng)(例如其中由于較小的MFD大200倍及由于高的非線性系數(shù)大400倍)。因此，高折射率差的光導(dǎo)纖維可用于例如通過四波混頻的波長轉(zhuǎn)換、二次諧波發(fā)生及光學(xué)參數(shù)產(chǎn)生等應(yīng)用中。具有增強的非線性度的高折射率差光導(dǎo)纖維也可用于低功率超連續(xù)光譜發(fā)生，這種光譜發(fā)生在光譜學(xué)、高精度光學(xué)頻率計量學(xué)及波分復(fù)用當(dāng)中具有潛在的應(yīng)用。這些應(yīng)用在例如Agrawal的“非線性纖維光學(xué)”(Nonlinear Fiber Optics)第二版，Academic Press出版，San Diego(1995年)及Coen等人的“在光子晶體光纖中使用60ps泵脈沖的白光超連續(xù)發(fā)生”(White-light supercontinuum generation with 60-ps pump pulses in aphotonic crystal fiber)Opt.Lett.26(17)，1356(2001年)中描述。
在上文的描述中，討論了在高折射率差的纖維波導(dǎo)中光能量的徑向限制。在高折射率差纖維波導(dǎo)中在軸向上限制光能量也是可能的。此外，使用軸向限制可在高折射率差纖維波導(dǎo)中產(chǎn)生光腔。另外，由于增強的徑向限制及隨后由徑向泄漏的能量引起的低能量損耗，在高折射率差纖維波導(dǎo)中的光腔可被作為一維空腔對待。
通過在纖維纖芯中提供軸向光調(diào)制可將光能量在高折射率差的纖維中進(jìn)行軸向限制。軸向光調(diào)制可以是折射率和/或波導(dǎo)結(jié)構(gòu)方面的調(diào)制或變化，其中調(diào)制的特征長度標(biāo)度Λ處于在纖維中測量的、被纖維所導(dǎo)引的光的波長λ的量級(例如0.1λ≤Λ≤100λ)。在一些實施例中，軸向光調(diào)制可引起纖芯和/或圍繞纖芯的部分中的軸向折射率的調(diào)制。相應(yīng)地，纖芯可包括高折射率ncore，H的區(qū)域及低折射率ncore，L的區(qū)域。典型地，軸向折射率差(ncore，H-ncore，L)/ncore，H至少為0.01％，如，0.05％，0.1％或更大。在一些實施例中，軸向折射率差可大于1％，大于2％，大于3％，大于4％，大于5％，如10％或更大。
更一般地，可規(guī)定一個作為max(A(r，θ，z1，z2))的軸向光調(diào)制幅值A(chǔ)max，其中A(r,θ,z1,z2)=n(r,θ,z1)-n(r,θ,z2)n(r,θ,z1)]]>θ是方位角，及z為軸向位置。對于|z1-z2|≤100λ及對于在纖維的各部分內(nèi)的r來求A的最大值。通常，Amax(表示為百分比)等于或大于0.002％。視應(yīng)用而定，Amax可合理地小，例如小于約0.1％，小于約0.05％，小于約0.01％?？蛇x擇地，Amax可以較大，例如大于0.5％，大于1％，大于2％，大于4％，大于5％，大于8％，大于10％，大于12％，大于15％，大于20％，大于50％，大于100％，大于150％，例如175％或更大。
沿波導(dǎo)軸的光調(diào)制可能對纖維中傳播的電磁波具有深遠(yuǎn)的作用。由于平移的對稱性被打破，因此軸向上的動量不再守恒。當(dāng)軸向光調(diào)制為周期性時，將出現(xiàn)具有相應(yīng)守恒的布洛赫(Bloch)波數(shù)的布洛赫波解法(solution)?，F(xiàn)在當(dāng)在周期性介電結(jié)構(gòu)(例如布拉格反射鏡)中觀察時，有限的纖維呈現(xiàn)傳播的模式及指數(shù)衰減的模式。換言之，對于某些頻率，光調(diào)制可反射在纖維中傳播的光信號。
當(dāng)該反射足夠強時，軸向光調(diào)制可引起對于在纖維中傳播的光信號的至少一個頻率的至少一個工作模式的傳輸帶隙。該傳輸帶隙的大小ΔΩ由下式給出ΔΩ=Ω1-Ω212(Ω1+Ω2)]]>
式中Ω1及Ω2分別為在每個帶隙邊緣的50％傳輸強度位置處測量的頂端(top)傳輸帶隙頻率及底端(bottom)傳輸帶隙頻率。具有軸向光調(diào)制的纖維波導(dǎo)的傳輸帶隙的大小可通過測量傳輸帶隙區(qū)域中的纖維的傳輸光譜，由經(jīng)驗確定。
通常，在硅石纖維中周期性軸向光調(diào)制可具有從約0.01％至約0.1％的ΔΩ。在一些實施例中，高折射率差的纖維波導(dǎo)可能包括可提供較大傳輸帶隙的周期性光調(diào)制，例如該較大的傳輸帶隙大于0.2％，大于0.5％，大于0.8％，大于1％，大于2％，大于3％，大于4％，大于5％，大于6％，大于7％，如8％或更大。
軸向光調(diào)制對纖維波導(dǎo)中光信號的作用在圖24中示意性地說明。高折射率差纖維波導(dǎo)2401包括周期性光調(diào)制2410。包括具有第一頻率ω1的分量及具有第二頻率ω2的另一分量的輸入信號2420從輸入端2430進(jìn)入纖維2401。軸向光調(diào)制2410為纖維2401中的某些信號頻率打開傳輸帶隙。該帶隙包括頻率ω1，但不包括頻率ω2。相應(yīng)地，軸向光調(diào)制2410較強地反射具有頻率ω1的分量，但僅很小地影響具有頻率ω2的分量，后者實質(zhì)上穿過光調(diào)制2410傳輸。這樣，具有頻率ω1的反射信號2440從輸入端2430離開纖維2401，而具有頻率ω2的傳輸信號2450從與輸入端2430相反的輸出端2460離開纖維2401。應(yīng)注意，在纖維2401中設(shè)置第二個類似的光調(diào)制將在纖維中產(chǎn)生光腔。光腔，也被稱為光諧振腔，它通過在兩個反射器之間重復(fù)反射來“捕獲”具有一定頻率或頻率范圍的輻射。光腔通常用于以中等功率輸入建立較大的場強度。光腔是許多光學(xué)裝置的基礎(chǔ)，在下面的段落中將對光腔進(jìn)行討論。
用于適當(dāng)?shù)恼{(diào)制的分選試驗可通過用寬帶源照射調(diào)制纖維及測量作為波長函數(shù)的傳輸來執(zhí)行。纖維應(yīng)該透射某些頻率范圍而反射其它的頻率范圍。此外，光調(diào)制纖維長度的增加(同時保持調(diào)制周期及調(diào)制幅值恒定)將指數(shù)地增大反射波的強度。
雖然在上例中所述的光調(diào)制是周期性的，但光調(diào)制可具有任意的z-依賴性(z-dependence)(即軸向依賴性)。例如，它可以是在z中周期性(periodic in z)的或是在z中非周期性的。例如，一個光調(diào)制可具有z-依賴性，該z-依賴性的周期作為傳播距離z的函數(shù)緩慢地改變。這種調(diào)制可局部地提供規(guī)則的1D光子帶隙，但該帶隙的特性將隨著傳播距離緩慢地改變?？蛇x擇地，z中的調(diào)制周期可以是固定的，但調(diào)制幅值(其強度)可以變化，如對于切趾光纖(apodized fibers)。該光調(diào)制也可為無序的，或甚至具有z中的碎形結(jié)構(gòu)(fractal structure)。
具有沿波導(dǎo)軸的光調(diào)制的高折射率差的纖維波導(dǎo)可由多種方式制造。在一些實施例中，光調(diào)制可在纖維被拉制時在纖維中形成。參照圖25，這可通過在拉制期間擾動纖維或纖維預(yù)制棒來實現(xiàn)。纖維調(diào)制裝置1510包含在纖維拉制系統(tǒng)1501中。該纖維調(diào)制裝置1510通過以周期的方式改變纖維拉制系統(tǒng)的拉制速度來擾動纖維。由于纖維1520的直徑與拉制速度相關(guān)，因此纖維調(diào)制裝置1510為纖維1520的直徑引入了周期性的調(diào)制。
控制器160與纖維調(diào)制裝置1510通信，以便根據(jù)從纖維監(jiān)控系統(tǒng)150接收的數(shù)據(jù)來改變纖維被拉制的速率。相應(yīng)地，控制器160確保纖維1520中的光調(diào)制的周期及幅值被控制在特定的范圍內(nèi)。
總體上，纖維或纖維預(yù)制棒可在拉制時通過改變其它參數(shù)而被擾動，如改變壓力——纖維內(nèi)部(在空心纖芯或有孔纖維的情況下)和/或纖維外部的壓力。例如，可使用超聲變能器來快速改變一個仍為粘性的纖維周圍的壓力。在另一示例中，空心纖維纖芯內(nèi)部的壓力可通過周期性地壓縮預(yù)制棒的相應(yīng)空心區(qū)域中的氣體，作為時間的函數(shù)而改變。這種周期性的壓縮可產(chǎn)生沿波導(dǎo)軸的纖維調(diào)制。在一些實施例中，局部的溫度變化也可擾動纖維。例如，可使用具有被選擇用于加熱纖維的工作波長的一個激光器(或多個激光器)在拉制期間周期性地照射纖維。每個激光脈沖局部地加熱纖維，減小纖維粘度。相應(yīng)地，纖維被加熱的部分被拉制成比未由激光加熱的部分更小的直徑，由此在纖維中形成了光調(diào)制。
可選擇地，光調(diào)制可在纖維已被拉制后在光子晶體光學(xué)中形成。例如，可通過例如將球體分散在液體中并通過毛細(xì)管作用將這些球體拉入纖芯和/或使用光鉗控制球體將球體裝入纖維纖芯。這些球體的直徑可與纖芯的直徑相近。當(dāng)纖維處在升高的溫度時可將這些球體定位在纖芯中。當(dāng)從升高的溫度冷卻后，限制區(qū)域收縮到這些球體上且球體將軸向調(diào)制刻印在纖維纖芯中。任選地，此后可以使用適合的溶劑或酸將球體除去?？蛇x擇地，這些也可定位于纖維中并通過暴露在膨脹劑中而使其膨脹到恰好適配纖芯。
上述方法產(chǎn)生出纖維波導(dǎo)的在結(jié)構(gòu)上形成的光調(diào)制。參照圖26，圖中示出了具有在結(jié)構(gòu)上形成的沿波導(dǎo)軸延伸的光調(diào)制的這樣一種光子晶體光纖1401。光子晶體光纖1401的限制層1410及纖芯1420作為沿波導(dǎo)軸的位置的函數(shù)周期地改變，在纖維中提供了光調(diào)制。
還考慮了在高折射率差纖維波導(dǎo)中產(chǎn)生軸向折射率調(diào)制的方法。例如，可制備纖維波導(dǎo)使纖芯被填充以在z方向上自組合成周期性結(jié)構(gòu)的嵌段共聚物。這樣的嵌段共聚物在例如Fink等人的J.Lightwave Technology17，(11)，第1963-1969頁(1999年)的“作為光子帶隙材料的嵌段共聚物”(Block Copolymers as Photonic BandGap Materials)中(JLT IEEE——關(guān)于光子晶體的特刊——特邀論文)。這種纖維可由具有嵌段共聚物纖芯的預(yù)制棒拉制?？蛇x擇地，可將纖維拉制成具有空心的纖芯，并在拉制后以嵌段共聚物填充該纖芯。在另一示例中，具有空心纖芯的纖維可被填充以蛋白石(自組合球體)，以在纖維纖芯內(nèi)產(chǎn)生一個實際的3D光子帶隙結(jié)構(gòu)。此外，如果開始時纖維具有空心的纖芯，則可以在纖芯中沉積附加的最內(nèi)部的聚合物層(例如為UV可固化聚合物)，并用兩個干涉光束照射。在光強度足夠高的區(qū)域中，該聚合物將交聯(lián)使其表現(xiàn)為不可溶。然后非交聯(lián)或弱交聯(lián)的聚合物可被溶劑溶解，留下軸向光調(diào)制部分。用于形成折射率光調(diào)制的另一方法涉及將球體放在纖維的空心纖芯中，如上所述。球體本身可提供軸向折射率調(diào)制，而無需對纖維的進(jìn)一步處理。
通過在光導(dǎo)纖維中通常實現(xiàn)布拉格光柵所使用的方式也可產(chǎn)生所需的軸向光調(diào)制。纖芯和/或外包層可能包括光敏材料或摻雜物。用兩個干涉紫外光束從旁邊周期性地照射纖維將在纖維中刻印出摻雜等級，其結(jié)果是產(chǎn)生沿纖維的軸線方向上的折射率的調(diào)制。通過曝露在適當(dāng)波長的輻射下改變玻璃折射率的處理被公知為“光暗化”。硫?qū)倩锊ＡУ恼凵渎蕦μ囟ǖ恼斩瓤赡艹尸F(xiàn)非同尋常的很強的響應(yīng)。例如，Ramachandran等人曾報告過約5％的光致折射率改變(例如參見“在硫?qū)倩锊ＡУ目焖贌嵬嘶鹉ぶ械牡蛽p耗光致波導(dǎo)”(Low loss photoinduced waveguides in rapid thermally annealedfilms ofchalcogenide glasses)，Appl.Phys.Lett.74(1)13(1999年))。
在一些實施例中，可使用石版印刷方法在纖維波導(dǎo)中產(chǎn)生軸向光調(diào)制。例如，纖維波導(dǎo)的空心部分，如空心光子晶體光纖的纖芯可被涂以光敏材料如光致抗蝕劑，如圖27A-27C中所示。參照圖27A，空心布拉格光纖2701的限制區(qū)域2710的最內(nèi)層2720被涂以一光致抗蝕劑層2730。用周期性光發(fā)射圖樣2740照射該纖維。形成光發(fā)射圖樣的光具有可引起光致抗蝕劑層2730的曝光部分2761-2765中的反應(yīng)的波長，但遠(yuǎn)離限制區(qū)域2710的各層的布拉格反射波段，由此該光可透過限制區(qū)域2710。接著，用顯影劑沖洗纖芯2750，以除去被周期性光發(fā)射圖樣2740曝光最小的光致抗蝕劑層2730的部分，僅留下2761-2765部分。參照圖27B，然后用蝕刻劑沖洗纖芯，以去除未涂有光致抗蝕劑層2730的最內(nèi)層2720的2771-2776各部分。參照圖27C，任選地，最后用清洗劑沖洗纖芯2750，以除去光致抗蝕劑層2730的剩余部分2661-2665，留下具有軸向光調(diào)制的布拉格纖維。應(yīng)注意，在最內(nèi)層2720為硫?qū)倩锊ＡУ膶嵤┻^程中，蝕刻劑可為一種堿(base) (例如氨，氫氧化鉀，氫氧化鈉)。
如前文所提到的，在一些實施例中，高折射率差纖維波導(dǎo)中的軸向光調(diào)制可能在纖維波導(dǎo)中產(chǎn)生較大的帶隙。此外，較大帶隙可增強高折射率差纖維波導(dǎo)中光信號的軸向限制。這與高折射率差纖維波導(dǎo)所提供的增強的徑向限制類似。增強的軸向限制可為光腔提供極小的模式體積。此外，具有極小模式體積的光腔可用在裝置應(yīng)用中。下面將討論這種空腔及裝置的例子。
參照圖28，被限制區(qū)域2850包圍的光子晶體光纖2801的空心纖芯2810被填充了相同的球體2821-2826。這些球體2821-2826在尺寸及組分上相同。應(yīng)注意，雖然在圖28中僅示出6個相同的球體，但纖芯2810可被填入任何數(shù)目的球體(例如10個或更多，20個或更多，100個或更多)。一個較小的球體2830定位于相同的球體2821-2826之間。球體2821-2826及2830將纖芯的平均折射率作為軸向位置的函數(shù)進(jìn)行調(diào)制。由于球體2821-2826是相同的，因此該軸向光調(diào)制在空間上是周期性的且調(diào)制幅值是常數(shù)。但是，較小的球體2830引起該周期性光調(diào)制中的缺陷，并在纖維2801中產(chǎn)生空腔。雖然球體2830是由于尺寸小于相同的球體2821-2826而引起缺陷，但這些球體之間的其它差別也可產(chǎn)生光腔。例如，球體組分和/或形狀的差別也可產(chǎn)生光腔。此外，在其它實施過程中，可在纖芯中放置不止一個的非相同球體來產(chǎn)生光腔。此外，球體2821-2826及2830中的任一個完全不需要是球形的。更普遍地，光腔可通過任何軸向光調(diào)制在纖維波導(dǎo)中形成，該軸向光調(diào)制對在纖維中傳播的光信號可引起一個或多個諧振模式。
例如，參照圖29，纖維波導(dǎo)2901包括纖芯2910 被限制區(qū)域2920包圍。纖芯2910包括區(qū)域2930-2934，其中相鄰的區(qū)域具有不同的折射率。因此，纖維波導(dǎo)2901包括軸向光調(diào)制。在該實施中，區(qū)域2931及2932具有相同折射率na，而區(qū)域2930、2933及2934具有相同折射率nb，nb與na不同，na可大于或小于nb。由于區(qū)域2930可支持至少一個諧振模式，因此其形成了纖維波導(dǎo)2901中的光腔。雖然圖29中示出的區(qū)域2930-2934為不連續(xù)區(qū)域，但在其它實施例中，相鄰區(qū)域可為更連續(xù)的。例如，纖芯2910的平均折射率可能作為軸向位置的函數(shù)連續(xù)或不連續(xù)地變化。
纖維波導(dǎo)中的光腔的另一例子在圖30中示出。光子晶體光纖3001包括纖芯3010及包圍纖芯3010的限制區(qū)域3020。纖維3001包括與該纖維的其它區(qū)域相比具有更小直徑的兩個區(qū)域3030及3040。區(qū)域3030及3040在纖維3001中產(chǎn)生軸向光調(diào)制，這在區(qū)域3050中形成了光腔。當(dāng)然，雖然纖維波導(dǎo)3001的纖維直徑不連續(xù)地變化，但該纖維直徑也可連續(xù)地變化。此外，雖然圖中示出了較小直徑的區(qū)域，但在其它實施中，纖維可包括直徑大于相鄰纖維區(qū)域直徑的區(qū)域。
在一些實施例中，具有沿波導(dǎo)軸的光調(diào)制的高折射率差纖維波導(dǎo)可構(gòu)成光導(dǎo)纖維。參照圖31，光導(dǎo)纖維1601包括在高折射率差纖維波導(dǎo)1620(例如高折射率差的光導(dǎo)纖維或光子晶體光纖)中形成的法布里-珀羅(Fabry-Perot)振蕩器1610。法布里-珀羅振蕩器1610是由纖維波導(dǎo)1620中的兩個布拉格光柵1630及1640構(gòu)成的。布拉格光柵1630及1640由纖維1620中的光調(diào)制構(gòu)成。布拉格光柵1630及1640之間的空間形成了光腔1650。選擇布拉格光柵1630及1640的周期及幅值，使得這些光柵可反射中心在ω0附近(其中ω0＝λ0/c，c為光速)的一定頻率范圍內(nèi)的光。
光導(dǎo)纖維1610的運行如下具有頻率ω(其中ω＝λ/c)的輸入信號1660從左面入射到布拉格光柵1630上。對于布拉格光柵1630的反射頻帶內(nèi)的大部分輸入信號頻率，光導(dǎo)纖維1610將大部分入射輸入信號1660反射為反射信號1670。但是，對于靠近空腔諧振頻率的某些窄的頻率范圍，輸入信號1660有效地耦合到空腔1650中。在作為輸出信號1680被耦合出空腔1650前，空腔信號(未示出)在布拉格光柵1630與1640之間來回振蕩。在空腔諧振頻率上，實質(zhì)上所有的輸入信號被該光纖1601傳輸。
在作為輸出信號1680被耦合出空腔之前，空腔信號在空腔1650中所花的時間可被表達(dá)為Δt≈Q×T，式中Q為空腔的品質(zhì)因數(shù)。該品質(zhì)因數(shù)可表達(dá)為Q＝ω0/δω，式中δω是空腔的譜線寬度。T是載波光的周期(T＝2π/ω0)。參照圖32，理論上，當(dāng)接近載波頻率，這樣的裝置將具有類似洛倫茲(Lorentzian)函數(shù)的傳輸頻譜。對于僅支持相關(guān)頻率范圍中單諧振模式的左-右對稱的空腔，其傳輸峰值出現(xiàn)在100％處(忽略輻射損耗)。傳輸帶寬δω被定義為最大值一半處的整個寬度。
在一些實施例中，由于增強了徑向限制(其防止了徑向損耗)及由于增強了軸向限制(其防止了軸向損耗)，在高折射率差纖維波導(dǎo)中形成的光腔可具有較高的Q值。例如，這樣的光腔可具有至少300的Q值(例如至少400，至少500，至少600，至少750，至少1,000，至少1,200)如10,000或更大，如約100,000或約200,000。
可選擇地或附加地，在高折射率差纖維波導(dǎo)中形成的光腔可具有較小的模式體積，如小于約500λ3，例如小于約200λ3。在一些實施例中，該模式體積可小于100λ3(例如，小于10λ3，小于5λ3，小于3λ3，小于2λ3，小于1λ3)。這里，λ是諧振光的波長。如這里所使用的，光腔的模式體積VMODE由下式給出VMODE=∫VOL.E→·D→d3r(E→·D→)MAX]]>
式中積分的體積是在空腔模式的電場矢量 及電場位移矢量 的標(biāo)量積 大于或等于 的1％的區(qū)域上，式中 是任一處 的最大值，即在E→·D→≥1100(E→·D→)MAX]]>的區(qū)域上。換言之，通過高折射率差纖維波導(dǎo)增強的徑向及軸向限制特性的結(jié)合，將光能量限制到具有較大Q值的極小體積的光腔中是可能的。
例如，考慮具有交替高折射率及低折射率外包層的高折射率差光子晶體光纖(見圖19)，其中雙層結(jié)構(gòu)具有周期α(這里α被選擇得較低以調(diào)諧工作頻率)，對于高折射率及低折射率層的層折射率分別為2.8及1.5，且厚度分別為0.3α及0.7α。使用了七又二分之一個外包的雙層(以高折射率層開始并結(jié)束)。纖芯具有的直徑為2.3α并被充以空氣(折射率為1)。在纖芯內(nèi)，由介電板的周期性序列形成了反射器，周期為2α、折射率為1.2及厚度為α(被α厚度的空氣隔開)。在中心的寬度為1.9α的空氣區(qū)域形成光腔。在光腔的每側(cè)具有9個周期性介電板。使用二維模型，該空腔可支持具有頻率0.3031c/α，Q值1294，以及模式面積僅為20α2的諧振模式。該頻率的單位為“無量綱”單位α/λ；例如1.55微米的物理λ，意味著α為0.4698微米，這設(shè)定了該結(jié)構(gòu)的尺寸。調(diào)諧頻率及定位狀態(tài)可進(jìn)一步增大Q值。例如，通過將兩個與缺陷相鄰的介電板的折射率從1.2改變到1.136，可在0.3060c/α的頻率上獲得2900的Q值。應(yīng)注意，這些Q值是限制“輻射”的Q值，由進(jìn)入軸向的模式的泄漏率確定(即它們忽略徑向損耗)。因此，它們表明關(guān)于實際裝置Q值的上限界。但是，由于在高折射率差纖維波導(dǎo)中可能增強徑向限制，因此我們希望這些值可代表一個三維系統(tǒng)。
在一些實施例中，光腔包括折射率響應(yīng)于激勵而變化的材料。例如，參照圖33，光開關(guān)1801包括一對在高折射率差纖維波導(dǎo)中形成的布拉格光柵1820及1830。布拉格光柵1820及1830形成纖維波導(dǎo)1810中的光腔1840。纖維波導(dǎo)1810包括光腔1840中的電光材料(例如液晶)。光開關(guān)1801還包括電模件1850，電模件1850在被控制器1860啟動時，可施加跨越光腔1840的電場。所施加的電場改變了該電光材料的折射率，這使得光腔1840的有效光學(xué)長度改變到偏離零施加電場的光腔的光學(xué)長度。
有效光腔長度的改變使光腔的諧振頻率偏移。參照圖34，對于較小的折射率變化δn，傳輸曲線根據(jù)折射率變化δn的符號，線性地向更高或更低的頻率偏移。理論上，峰值傳輸頻率ω0的頻率偏移Δω可表達(dá)為Δωω0=κδnn0]]>式中n0是空腔中材料的初始折射率，κ是取決于系統(tǒng)具體幾何結(jié)構(gòu)的常數(shù)因子。總體上，κ≤1，其中具有κ＝1的空腔對于折射率的給定變化將經(jīng)歷諧振頻率的最大偏移。當(dāng)大部分諧振模式能量被緊密地限制在已偏移的折射率的區(qū)域中時可獲得這樣的結(jié)果。
在本實施例中，引發(fā)的折射率變化δn足夠地大，以致Δω＞δn，折射率的改變可用于光開關(guān)，再參照圖33，光開關(guān)的運行如下假定輸入信號1870具有載波頻率ω0。對于未施加外部激勵，該頻率與光腔1840的傳輸頻率匹配且信號作為輸出信號1880射出。相應(yīng)地，該開關(guān)轉(zhuǎn)換到ON(開)。但是，在施加外部激勵后，折射率改變，使傳輸頻率偏移到ω0±Δω。相應(yīng)地，光開關(guān)反射輸入信號1870，且開關(guān)轉(zhuǎn)換到OFF(關(guān))。
在以上實施例中，纖維包括電光材料(即將折射率作為所施加電場函數(shù)改變的材料)。更一般地，光開關(guān)(或其它裝置)可包括任何有源材料，如克爾介質(zhì)，或其它的非線性材料。在啟動時，激勵(例如外部電場或磁場，溫度變化或足夠功率的輸入信號)將引起該有源材料的折射率改變一個量δn。該折射率的變化將改變空腔中光程的長度，這有效地改變了空腔的長度，并將該裝置從一個光學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一光學(xué)狀態(tài)。
在一些實施例中，光信號本身能夠作為激勵來改變空腔材料的折射率。例如，該空腔材料可為克爾介質(zhì)，對于該介質(zhì)δn∝E2∝I，其中I為局部光強度。該結(jié)構(gòu)可提供雙穩(wěn)光學(xué)裝置。換言之，對于一定的輸入信號功率及載波頻率，輸出信號可具有不止一個值(例如兩個值)。在一些實施例中，這樣的裝置可在不大于108W/Q2(例如不大于107W/Q2，不大于106W/Q2，不大于105W/Q2，不大于104W/Q2)的輸入信號功率上呈現(xiàn)光學(xué)雙穩(wěn)，其中功率的單位是瓦特/每Q值平方。
參照圖35，下面將分析這種克爾非線性空腔。理論上，對于單個載波頻率ω0，空腔的傳輸曲線將為類似洛倫茲函數(shù)的空腔折射率nC的函數(shù)。輸入與輸出強度之間的關(guān)系IOUT(IIN)可用以下自恰(self-consistent)方式求解。對于每個IN的值，尋找一個IOUT的相應(yīng)值。應(yīng)注意，雖然當(dāng)前的討論涉及輸入及輸出強度，但涉及輸入及輸出功率(例如穩(wěn)態(tài)功率)也可能較方便。圖36中的傳輸相對折射率的曲線提供了對IOUT可能值的一個約束。另一約束來自這樣的事實，即對于任何給定折射率n及載波頻率ω0，存儲在空腔中的能量總是正比于IOUT，其中該正比常數(shù)由系統(tǒng)的幾何形狀給出且通常與信號無關(guān)?，F(xiàn)在，對于包括具有高反射率r(由此1-r較小而Q值較大)的布拉格反射器的光腔，空腔內(nèi)的電場可模型化為向左傳播的波及向右傳播的波的組合。因為r極為可能為1，所以這兩個波具有幾乎相同的強度，即為IOUT/(1-r)?？涨粌?nèi)部存儲的全部能量現(xiàn)在是輸入及輸出強度的線性函數(shù)，這樣由于克爾效應(yīng)，nC是IOUT的線性函數(shù)nC＝nC0+αIOUT，其中α是某一常數(shù)。IOUT＝T×IIN，因此(對于固定的IIN)，得到作為nC函數(shù)的T的另一約束
T=(nc-nc0)αIIN]]>參照圖35，為找到T(IIN)，將這兩個約束繪制在一起，該解將作為兩個曲線之間的交點而獲得。對于一個雙穩(wěn)光學(xué)裝置，設(shè)計空腔，使得當(dāng)δn＝0時峰值傳輸頻率對于給定的ω0稍微失諧(即NC0為在邊緣上的過小的值，以致不能對空腔提供ω0處的最大傳輸)。
如在圖36中明顯得出的，在給定IIN處，對于IOUT我們可以有1個、2個或3個可能值。參照圖37，當(dāng)求這些解時將明顯地獲得一個IOUT(IIN)的特征滯后曲線。在該曲線的“向后”部分(即其中IOUT隨著IIN的增大而減小的部分)中的解是不穩(wěn)定的。換言之，任何小的擾動將使系統(tǒng)跳到該曲線的上分支或下分支，因此只有該曲線的上分支或下分支在物理上是可以觀察到的。以此方式，獲得了具有滯后回線的雙穩(wěn)裝置。例如，如果從較高的IIN開始并緩慢地降低IIN，將沿著曲線上分支直到“脫離”該上分支，在該點上將不連續(xù)地落到下分支上?？蛇x擇地，如果從IIN＝0開始，并緩慢地增加IIN，則將沿著下分支直到“脫離”該下分支，在該點上將不連續(xù)地跳到上分支上，如圖37中虛線所示。
非線性法布里-珀羅纖維內(nèi)的振蕩器的特征可使用下文將描述的簡單的一維模型來研究。描述布拉格光柵所使用的示例性參數(shù)為層厚度等于λ0/8(其中λ0可與光的自由空間波長相比)，折射率為n1＝1.5及n2＝2.75。該一維系統(tǒng)具有34％的帶隙。由于較高的限制，僅5個雙層就已足夠達(dá)到必需的Q值。被夾在兩個光柵之間的非線性空腔具有折射率為n＝1+δn及厚度為λ0/2。這里，δn為由外部(或內(nèi)部)引起的空腔折射率變化，如果有的話(其不會出現(xiàn)在例如簡單的線性濾光器中)。
參照圖38，圖中繪制了對于δn＝0及δn＝0.003的、作為頻率函數(shù)的傳輸曲線。對于該結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)(Q)為2350，而諧振頻率(當(dāng)δn＝0時)為0.935463 ω0/2π(其中ω0為對應(yīng)于λ0的頻率)?？煽吹秸凵渎实钠飘a(chǎn)生了峰值頻率的位移。
下面參照圖39，分析由信號本身引起的δn。選擇工作頻率為線性裝置諧振頻率的0.9991倍。假定δn直接正比于空腔內(nèi)部的全部能量，圖39示出該裝置的輸出強度(IOUT)相對輸入強度(IN)的關(guān)系。這些強度的單位是任意的，因為物理強度將強烈地依賴于所使用的非線性材料的克爾系數(shù)。但是，I(以任意單位)及δn之間的正比常數(shù)已被選定，因此當(dāng)該裝置在圖39的方式下工作時所能獲得的最大的δn為0.0023。
參照圖40，通過將工作頻率選擇得接近諧振頻率可減小滯后回線的效應(yīng)。在該例中，保持這些頻率之間的距離，使得IOUT相對IIN的非線性響應(yīng)盡可能大。工作頻率為諧振頻率的0.9996倍，且當(dāng)該裝置在圖40的方式下工作時所獲得的最大δn為0.001。
當(dāng)一個裝置的輸出被用作另一相同裝置的輸入時，將得到比圖40所示更強的、IOUT相對IIN的非線性關(guān)系。參照圖41，當(dāng)級聯(lián)了4個該裝置時可觀察到接近階梯形的非線性響應(yīng)。
總體上，可級聯(lián)任何數(shù)目的裝置來為裝置提供所需要的非線性響應(yīng)。例如，雙穩(wěn)光學(xué)裝置可包括4個以上的光腔(例如5個光腔，6個光腔，7個光腔，或8個或更多個光腔)?？蛇x擇地，雙穩(wěn)光學(xué)裝置可包括少于4個的光腔(例如1個，2個或3個光腔)。
雙穩(wěn)光學(xué)裝置可被用在為數(shù)眾多的光學(xué)系統(tǒng)中例如用于光學(xué)限制和功率均衡應(yīng)用中的系統(tǒng)。舉例來說，在具有相對平的輸出曲線(如圖41中的曲線)的實施例中，盡管輸入變化，但輸出具有固定的強度。探究這一效應(yīng)，則雙穩(wěn)光學(xué)裝置也可用于清除信號中的噪聲。例如，雙穩(wěn)光學(xué)裝置可用于取代光學(xué)系統(tǒng)中的光再生器。光再生器是將其電輸出直接饋入光發(fā)送器的光接收器。光發(fā)送器隨后將一新的光信號發(fā)送到纖維中。光再生器典型地用于長距離應(yīng)用以消除譬如散射、非線性及噪聲效應(yīng)，否則這些效應(yīng)可能使光信號惡化并增加系統(tǒng)中的比特誤差率。但是，由于將光信號轉(zhuǎn)換成電信號及將電信號轉(zhuǎn)換回光信號需要許多部件，因此光再生可能是復(fù)雜、低效率及昂貴的。雙穩(wěn)光學(xué)裝置可提供對光再生器的全光學(xué)的模擬。例如，圖42示出了進(jìn)入雙穩(wěn)光學(xué)裝置中的輸入信號的強度分布及從該裝置輸出的相應(yīng)輸出信號。輸入信號脈沖串分布相對最初發(fā)送到系統(tǒng)中的二元(binary)波形(未示出)嚴(yán)重失真。但是，雙穩(wěn)光學(xué)裝置對輸入信號僅提供對應(yīng)于高于和低于雙穩(wěn)閾值強度的兩個可能的輸出狀態(tài)。因此在輸出信號中恢復(fù)了二元脈沖串。
此外，如果裝置具有兩個輸入信號，它們隨后將相加作為一個信號輸入到一個雙穩(wěn)裝置中，則該雙穩(wěn)裝置可用作全光學(xué)“與”(AND)門(因為可以選擇參數(shù)，使得只有在兩個輸入信號同時出現(xiàn)時才將該裝置觸發(fā)到高輸出狀態(tài))。另外，如果“控制”信號及主信號在兩個不同的頻率上，則這樣的裝置可用作將一個信號光學(xué)地“刻印”在另一信號上，或可選擇地用于波長轉(zhuǎn)換。再者，還可將它們用作放大器(當(dāng)在圖40的曲線的高d(IOUT)/d(IIN)的區(qū)域中工作時)，或潛在地用作全光學(xué)存儲器(使用如圖41中所示的滯后，或通過使用具有兩個裝置的類似如圖41中輸出曲線所示的反饋環(huán))。
更普遍地，這里所述的任何高折射率差纖維波導(dǎo)可用在光學(xué)電信系統(tǒng)中。圖43示出光學(xué)電信系統(tǒng)4000的示意圖，該系統(tǒng)包括源節(jié)點4010及檢測節(jié)點4020，它們彼此通過光傳輸線4030彼此耦合。該光傳輸線可包括一個或多個傳輸纖維區(qū)段及一個或多個散射補償纖維區(qū)段。該傳輸纖維可為高折射率差纖維波導(dǎo)(例如高折射率差光導(dǎo)纖維或高折射率差光子纖維)。任何散射補償纖維區(qū)段也可為高折射率差纖維波導(dǎo)。源節(jié)點4010可為沿傳輸線被引導(dǎo)的原始光信號源，或者其也可為將光信號改發(fā)至傳輸線4030、將光信號進(jìn)行光放大和/或電子檢測光信號及光學(xué)再生光信號的中間節(jié)點。此外，源節(jié)點4010可包括用于將多個不同波長的光信號多路復(fù)用及多路分離的部件。類似地，檢測節(jié)點4020可為用于沿傳輸線傳輸?shù)墓庑盘柕淖罱K目的地，或者其也可為對光信號進(jìn)行改發(fā)、光放大和/或電檢測及光學(xué)再生的中間節(jié)點。此外，檢測節(jié)點4020也可包括用于將多個不同波長的光信號的多路復(fù)用及多路分離的部件。在源節(jié)點4010或檢測節(jié)點4020中的任何裝置可包括高折射率差纖維波導(dǎo)裝置。例如，在源節(jié)點中的光再生器可以是高折射率差纖維波導(dǎo)雙穩(wěn)裝置。在另一例子中，任一節(jié)點可包括摻鉺的高折射率差光導(dǎo)纖維放大器等?？稍O(shè)置散射補償纖維來對由傳輸纖維引起的光信號的散射作前置補償或后置補償。此外，沿傳輸線傳輸?shù)墓庑盘柨蔀榘ㄏ鄳?yīng)波長上的多個信號的波分復(fù)用(WDM)信號。用于該系統(tǒng)的合適波長包括在約1.2微米至1.7微米范圍內(nèi)的波長，這與當(dāng)前使用的許多長距離系統(tǒng)相對應(yīng)，還包括在約0.7微米至0.9微米范圍內(nèi)的波長，這與當(dāng)前正在考慮的某些metro系統(tǒng)相對應(yīng)。
已經(jīng)描述了本發(fā)明的多個實施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本發(fā)明的精神及范圍的情況下可作出各種變型。因此，其它的實施例將包括在權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1.一種具有波導(dǎo)軸的纖維波導(dǎo)，包括沿波導(dǎo)軸延伸的第一部分；以及沿波導(dǎo)軸延伸并包圍第一部分，且與第一部分不同的第二部分；其中第一及第二部分中的至少一個包括從由硒硫?qū)倩锊ＡЪ绊诹驅(qū)倩锊ＡЫM成的組中選擇出的硫?qū)倩锊ＡА?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1的纖維波導(dǎo)，其中硫?qū)倩锊Ａ菑腁s-Se，Ge-Se，As-Te，Sb-Se，As-S-Se，S-Se-Te，As-Se-Te，As-S-Te，Ge-S-Te，Ge-Se-Te，Ge-S-Se，As-Ge-Se，As-Ge-Te，As-Se-Pb，As-Se-Tl，As-Te-Tl，As-Se-Ga及Ge-Sb-Se組成的組中選擇出的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的纖維波導(dǎo)，其中硫?qū)倩锊ＡО◤呐?，鋁，硅，磷，硫，鎵，砷，銦，錫，銻，鉈，鉛，鉍，鎘，鑭，氟，氯，溴及碘組成的組中選擇出的元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的纖維波導(dǎo)，其中第一及第二部分中的至少一個包括非線性材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的纖維波導(dǎo)，其中該非線性材料是一種電光材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的纖維波導(dǎo)，其中第一或第二材料包括一種或多種稀土離子。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的纖維波導(dǎo)，其中該稀土離子包括鉺離子。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的纖維波導(dǎo)，其中第一部分是勻質(zhì)的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的纖維波導(dǎo)，其中第一部分是非勻質(zhì)的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的纖維波導(dǎo)，其中第一部分包括具有一個或多個沿波導(dǎo)軸延伸的孔的有孔部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的纖維波導(dǎo)，其中第二部分包括介電材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的纖維波導(dǎo)，其中該介電材料是無機(jī)材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的纖維波導(dǎo)，其中該無機(jī)材料是無機(jī)玻璃。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的纖維波導(dǎo)，其中該無機(jī)玻璃是鹵化物玻璃。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的纖維波導(dǎo)，其中該無機(jī)玻璃是氧化物玻璃。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的纖維波導(dǎo)，其中該氧化物玻璃包括至多40摩爾％的MO形式的化合物，其中M是從由Pb，Ca，Mg，Sr及Ba組成的組中選擇的。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的纖維波導(dǎo)，其中該氧化物玻璃包括至多40摩爾％的M2O形式的化合物，其中M是從由Li，Na，K，Rb及Cs組成的組中選擇的。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的纖維波導(dǎo)，其中該氧化物玻璃包括至多40摩爾％的M2O3形式的化合物，其中M是從由Al，B及Bi組成的組中選擇的。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的纖維波導(dǎo)，其中該氧化物玻璃包括至多60摩爾％的P2O5。
20.根據(jù)權(quán)利要求15的纖維波導(dǎo)，其中該氧化物玻璃包括至多40摩爾％的SiO2。
21.根據(jù)權(quán)利要求13的纖維波導(dǎo)，其中該無機(jī)玻璃是混合的氧化物-氟化物玻璃。
22.根據(jù)權(quán)利要求11的纖維波導(dǎo)，其中該介電材料是有機(jī)材料。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的纖維波導(dǎo)，其中該有機(jī)材料是聚合物。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的纖維波導(dǎo)，其中該聚合物是從由碳酸鹽類聚合物、砜類聚合物、醚-酰亞胺類聚合物、丙烯酸酯類聚合物以及含氟聚合物組成的組中選擇的聚合物。
25.根據(jù)權(quán)利要求1的纖維波導(dǎo)，其中第二部分是勻質(zhì)的。
26.根據(jù)權(quán)利要求1的纖維波導(dǎo)，其中第二部分是非勻質(zhì)的。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的纖維波導(dǎo)，其中第二部分為具有一個或多個沿波導(dǎo)軸延伸的孔的有孔部分。
28.根據(jù)權(quán)利要求1的纖維波導(dǎo)，其中第一部分是具有折射率為n1的纖芯，第二部分具有折射率n2，n2＜n1。
29.根據(jù)權(quán)利要求1的纖維波導(dǎo)，其中該纖維波導(dǎo)是光子晶體光纖。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的纖維波導(dǎo)，其中該光子晶體光纖是布拉格光纖。
31.根據(jù)權(quán)利要求1的纖維波導(dǎo)，其中第一部分具有折射率n1，第二部分具有折射率n2，且|n1-n2|≥0.35。
32.根據(jù)權(quán)利要求1的纖維波導(dǎo)，其中第一部分具有折射率n1，第二部分具有折射率n2，及|n1-n2|≥0.5。
33.一種具有波導(dǎo)軸的纖維波導(dǎo)，包括沿波導(dǎo)軸延伸的纖芯；及圍繞波導(dǎo)軸包圍纖芯并包括硫?qū)倩锊ＡУ南拗茀^(qū)域，該限制區(qū)域還包括具有光子帶隙的光子晶體結(jié)構(gòu)，其中在工作期間，該限制區(qū)域?qū)б辽僖坏谝活l率范圍內(nèi)的EM輻射沿波導(dǎo)軸傳播。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的纖維波導(dǎo)，其中該限制區(qū)域包括具有折射率為n1的第一部分，及具有折射率為n2的第二部分，且|n1-n2|≥0.1。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的纖維波導(dǎo)，其中|n1-n2|≥0.3。
36.根據(jù)權(quán)利要求33的纖維波導(dǎo)，其中纖芯是空心纖芯。
37.根據(jù)權(quán)利要求33的纖維波導(dǎo)，其中纖芯包括介電材料。
38.根據(jù)權(quán)利要求33的纖維波導(dǎo)，其中纖芯包括非線性材料。
39.根據(jù)權(quán)利要求33的纖維波導(dǎo)，其中纖芯包括稀土離子。
40.根據(jù)權(quán)利要求33的纖維波導(dǎo)，其中限制區(qū)域包括多個層。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的纖維波導(dǎo)，其中交替的層包括硫?qū)倩锊ＡА?br> 42.根據(jù)權(quán)利要求40的纖維波導(dǎo)，其中多個層的一子集不包含硫?qū)倩锊ＡА?br> 43.根據(jù)權(quán)利要求40的纖維波導(dǎo)，其中層的子集為交替的層。
44.根據(jù)權(quán)利要求33的纖維波導(dǎo)，其中硫?qū)倩锊ＡОㄎ?br> 45.根據(jù)權(quán)利要求33的纖維波導(dǎo)，其中硫?qū)倩锊ＡО凇?br> 46.根據(jù)權(quán)利要求33的纖維波導(dǎo)，其中硫?qū)倩锊ＡО◤呐?，鋁，硅，磷，硫，鎵，砷，銦，錫，銻，鉈，鉛，鉍，鎘，鑭，氟，氯，溴及碘組成的組中選擇出的元素。
47.一種制造纖維波導(dǎo)的方法，包括提供包括第一部分及圍繞該第一部分的第二部分的纖維預(yù)制棒，其中第一部分包括硫?qū)倩锊Ａ?；將纖維預(yù)制棒加熱，使得第一及第二部分具有103泊至106泊之間的粘度；以及拉制加熱的纖維預(yù)制棒以制造纖維波導(dǎo)。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中被加熱的第一及第二部分的粘度小于105泊。
全文摘要
本發(fā)明的特征在于可由預(yù)制棒拉制的高折射率差纖維波導(dǎo)(1301)。本發(fā)明的特征還在于用于形成高折射率差纖維波導(dǎo)(1301)的材料，及選擇它們的方針。高折射率差纖維波導(dǎo)(1301)可包括光導(dǎo)纖維及光子晶體光纖，其可能對纖維波導(dǎo)(1301)中的光信號提供增強的徑向限制。此外，在高折射率差纖維波導(dǎo)內(nèi)部可獲得較大的光能量密度，使它們成為多種應(yīng)用的有力候選。
文檔編號G02B6/036GK1539090SQ02811817
公開日2004年10月20日 申請日期2002年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月12日
發(fā)明者埃米莉亞·安德森, 韋斯利·金, 約埃爾·芬克, 洛里·普雷斯曼, 芬克, 金, 埃米莉亞 安德森, 普雷斯曼 申請人:全波導(dǎo)通信公司