專利名稱：電磁感應(yīng)透明的(eit)光子帶隙光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子帶隙結(jié)構(gòu)中的電磁感應(yīng)透明性，尤其涉及使用光子帶隙光纖的物理和模態(tài)特征以支持注入介質(zhì)中電磁感應(yīng)透明性的使用。
背景技術(shù)：
光子晶體是這樣一種結(jié)構(gòu)，它具有多維周期性變化的介電常數(shù)，從而導(dǎo)致一種帶隙結(jié)構(gòu)。電磁波長位于帶隙內(nèi)的可以減少透射，電磁波長高于和低于帶隙的可以增強透射。
將缺陷引入光子晶體的周期性變化中會導(dǎo)致介電常數(shù)的變化，并可以改變能夠在該晶體中傳播的被允許的或不被允許的光波長。不能夠在光子晶體中傳播但可以在缺陷區(qū)域中傳播的光線可以被限制在該缺陷區(qū)域中。對于帶隙中的光波長而言，三維光子晶體中特定的線缺陷可以充當(dāng)波導(dǎo)通道。
光波導(dǎo)光纖通?？梢苑譃閱文９饫w和多模光纖。兩種類型的光纖都依賴于全內(nèi)反射(TIR)，以便引導(dǎo)光子沿著光纖纖芯。通常，單模光纖的纖芯直徑相對較小，從而只允許光波長的一個單模沿該波導(dǎo)傳播。單模光纖通常能夠提供更高的帶寬，因為光脈沖可以間隔得很近并且較少受沿光纖的色散的影響。另外，在單模光纖中，傳播的光線所對應(yīng)的功率衰減率較低。針對所有波長都可以保持其單模特性的光纖被定義為無截止單模光纖。
纖芯直徑較大的光纖通常歸為多模光纖，并允許光波長的多個模式沿波導(dǎo)傳播。多個模式以不同的速度前進。這些模式的群速度差異導(dǎo)致不同的前進時間，從而使沿波導(dǎo)傳播的光脈沖展寬。該效應(yīng)被稱為模式色散，并限制了可以發(fā)送脈沖的速度；轉(zhuǎn)而限制了多模光纖的帶寬。已經(jīng)開發(fā)出漸變折射率多模光纖(與階躍折射率多模光纖相對)以限制模式色散效應(yīng)。然而，目前的多模光纖和漸變折射率多模光纖設(shè)計還不具有單模光纖的帶寬容量。
光子晶體便是另一種手段，借助該手段可以按多模狀態(tài)來引導(dǎo)光子(光模式)通過光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。光子晶體依賴于布拉格散射來引導(dǎo)光線，而非用TIR來引導(dǎo)光子。定義光子晶體結(jié)構(gòu)的特性是電介質(zhì)材料沿一個或多個軸的周期性。當(dāng)形成晶格的材料的介電常數(shù)是不同的時候，并且該材料最小限度地吸收光線，晶格界面處的散射和布拉格衍射效應(yīng)允許引導(dǎo)光子沿著或穿過光子晶體結(jié)構(gòu)。圖1示出了具有三個光子帶隙的常規(guī)光子晶體；所允許的透射頻率在各帶隙的上方或下方。
電磁感應(yīng)透明性(EIT)是使之前對入射激光不透明或色散的介質(zhì)變得部分程度透明的效應(yīng)。經(jīng)典的解釋是，在設(shè)計為透明的激光頻率下，介質(zhì)中的電子被感應(yīng)成幾乎不動。用同相正弦力偏置減小電子的運動便可以實現(xiàn)上述這一點。電子的運動可反映在介質(zhì)的介電常數(shù)中，減少運動可在所感興趣的頻率下實現(xiàn)該介電常數(shù)。
圖2示出了與所感興趣的介質(zhì)中的一個原子的三個能態(tài)|n＞、|n+1＞和|n+2＞有關(guān)的EIT的一個可能的示例。原子在Rabi頻率處的不同能態(tài)之間振蕩(電子在不同能級之間移動)。實驗上固定耦合激光頻率(波長λC)，同時改變探測激光器頻率(波長λP)。測量了探測頻率通過具有圖2所示能級的介質(zhì)時的透射情況，并且在特定的探測頻率處該透射充分地增大。透射的增大通常由透明度寬度來定義，在該透明度寬度內(nèi)探測波長受到增大的透射。通常，存在這樣的條件探測激光的線寬(波長，范圍)應(yīng)該小至可以和該透明寬度相比較。
在圖3A和3B中可以看到電磁感應(yīng)透明性的一個示例。圖3A示出了在沒有耦合激光的情況下探測激光的透射百分比(％)與該探測激光波長的函數(shù)關(guān)系。圖3B示出了在耦合激光設(shè)定到固定頻率時探測激光的透射百分比。使用耦合激光時，在之前沒有透射的區(qū)域中出現(xiàn)了顯著的透射增大。
目前，僅在困難的實驗條件下才可以證明EIT效應(yīng)。為了獲得更低的諧振線寬(探測激光波長的寬度，在該寬度之內(nèi)透射增大)，該介質(zhì)必須被冷卻到接近零度?；蛘?，如果該介質(zhì)沒有被冷卻，必須容忍更大的諧振線寬，這通常要求高強度耦合激光。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的示例性實施例提供了若干方法和器件以便使用電磁感應(yīng)透明性。
本發(fā)明的示例性實施例提供了電磁感應(yīng)透明性在光子帶隙結(jié)構(gòu)中的使用情況。
本發(fā)明的示例性實施例提供了電磁感應(yīng)透明性在被注入光子帶隙光纖中的介質(zhì)中的使用情況。
從下文提供的詳細描述中可以明顯地看到本發(fā)明示例性實施例的其它可應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)該理解，該詳細描述和特定示例在說明本發(fā)明的若干實施例的同時其目的僅是解釋說明，而非限制本發(fā)明的范圍。


從下面的詳細描述和附圖中將更加全面地理解本發(fā)明的示例性實施例，其中圖1示出了常規(guī)光子晶體的通帶和帶隙；圖2示出了原子中常規(guī)的多級能態(tài)；圖3A和3B示出了電磁感應(yīng)透明性效應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)示例；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一示例性實施例的PBG光纖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明另一個示例性實施例的PBG光纖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明另一個示例性實施例的PBG光纖；以及圖7A和7B示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的開關(guān)和/或光纖。
具體實施例方式
下面關(guān)于示例性實施例的描述本質(zhì)上僅是說明性的，并不限制本發(fā)明及其應(yīng)用或使用。
本發(fā)明的示例性實施例使用這樣一種介質(zhì)，當(dāng)用PBG部分中的耦合激光照射該介質(zhì)時該介質(zhì)會呈現(xiàn)出EIT效應(yīng)。在本發(fā)明示例性的實施例中，耦合激光被用于操縱探測激光穿過PBG的通過和特征。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一示例性實施例的PBG光纖100。具有耦合波長(和耦合頻率)λC的耦合激光150照射PBG光纖100的一端。耦合激光150改變PBG光纖100的各種部分之內(nèi)的介質(zhì)的各種能級，從而允許在透明寬度內(nèi)某些頻率處增大透明(EIT效應(yīng))。選擇探測激光140使其在透明寬度之內(nèi)具有探測波長λP(和探測頻率)和/或帶寬(透射線寬)。圖4所示的PBG光纖100可以包括具有第一折射率的第一介質(zhì)110和具有各種折射率的若干其它部分，例如，圓柱120可以由具有第二折射率的第二介質(zhì)構(gòu)成，圓柱130(常常被稱為纖芯)可以由具有第三折射率的第三介質(zhì)構(gòu)成。第一介質(zhì)可以暴露于背景介質(zhì)中。選定第一、第二和第三介質(zhì)，使得PBG光纖100呈現(xiàn)出某些特性，即允許某些頻率(通常被稱為通隙頻率)通該PBG光纖100而禁止帶隙內(nèi)其它頻率通過該PBG光纖100。第二和/或第三介質(zhì)可以部分地暴露于背景介質(zhì)。在本發(fā)明的示例性實施例中，探測激光和/或耦合激光頻率可以在通隙頻率之內(nèi)。盡管示出了三種介質(zhì)，但根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，任何數(shù)目的介質(zhì)都可以被用來構(gòu)造PBG光纖。
在本發(fā)明另外的示例性實施例中，第二和/或第三介質(zhì)可以是填充PBG光纖中的腔體的流體和/或氣體。如果第二和/或第三介質(zhì)是腔體中的流體和/或氣體，則在制造期間各個介質(zhì)的末端被密封好以防止它們從腔體中泄漏出來。選定流體和/或氣體，使得當(dāng)用耦合頻率照射時它們在探測頻率處呈現(xiàn)出增大的透射。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的PBG光纖200。用具有耦合頻率的耦合激光250和具有探測頻率的探測激光240來照射PBG光纖200。在本發(fā)明的各種示例性實施例中，探測240和耦合激光250可以同時地、不同相地、以脈沖態(tài)、只使用一個激光、一種激光連續(xù)而另一種是脈沖式的或者是任何其它組合來產(chǎn)生光。本發(fā)明示例性實施例的范圍不應(yīng)該被解釋成受限于多種激光相互之間的操作使用。
圖5示出了具有三種介質(zhì)的PBG光纖200，其中這些介質(zhì)之一是在第一介質(zhì)210之內(nèi)以單獨的塊形式產(chǎn)生。第二介質(zhì)230由第三介質(zhì)構(gòu)成的圓柱所圍繞，第三介質(zhì)分離到孤立的腔220和225中。腔體220和225可以沿PBG光纖200的長度不斷重復(fù)。
在本發(fā)明的示例性實施例中，各腔體可以用固體、流體或氣體來填充。如果用流體和氣體來填充，則可以對單獨的腔體220和/或225加壓，使得腔體220和/或225中的壓力不同于PBG光纖200周圍環(huán)境的壓力。當(dāng)用耦合和探測激光250和240分別照射時，可以改變腔體220和/或250內(nèi)的壓力以增強EIT效應(yīng)。關(guān)于各個腔體220和225以及PBG光纖200周圍環(huán)境的壓力，這些壓力可以較高、較低或相同?？梢蕴畛溥@些腔體的介質(zhì)的示例是當(dāng)用耦合激光照射時呈現(xiàn)出EIT效應(yīng)的那些介質(zhì)。例如，如圖2所示，具有三能級窄光躍遷的氣體可以用于填充腔體220和/或225。
在示例性的實施例中，這些腔體的折射率小于第一介質(zhì)的折射率。
腔體220和225可以是通過下面的過程制成的使用已經(jīng)被拉伸的光纖，形成全光纖長的圓柱腔，然后對周期性的部分加熱以便在被加熱的點處引起回流，從而在這些點處使腔體閉合，形成周期性分隔的腔體。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以構(gòu)思出用已知的技術(shù)形成隔離腔體的其它方法。本發(fā)明的示例性實施例不應(yīng)該被解釋為受限于形成隔離腔體的特定方法。
根據(jù)本發(fā)明一實施例，產(chǎn)生PBG的一個示例性方法是，通過一個模擠壓出包括至少一種玻璃粉和粘合劑的材料以形成一個主體，該主體具有與第二面隔開的第一面。各個面具有一個面積，其中多個通道從第一面延伸到第二面并在各個面中形成開孔。在隔離腔包含填充介質(zhì)(該介質(zhì)可以呈現(xiàn)出EIT效應(yīng))的各實施例中，并不需要在第一或第二面上形成任何開孔。這些通道可以用具有橫截面的中間壁插入其中而彼此分開，這些壁的橫截面用于在各個面中使開孔陣列彼此分開。可以對該主體加熱以便分離粘合劑并帶有粘性地?zé)Y(jié)玻璃粉，從而形成玻璃體。玻璃光纖或棒可以從玻璃體中拉伸，從而在玻璃體中形成通道。這些通道可以由當(dāng)用波長為λC的耦合激光照射時呈現(xiàn)出EIT的介質(zhì)來填充，并且這些通道被密封。在本發(fā)明另外的示例性實施例中，可以按周期性長度對含有這些通道的主體進行周期性地加熱，以引起通道的回流和密封，從而形成用該介質(zhì)來填充的隔離腔。形成隔離或密封通道的其它方法也會落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。例如，另一種形成隔離腔的方法將是每隔周期性的長度在這些腔體內(nèi)插入密封物質(zhì)，當(dāng)加熱時該密封物質(zhì)便在適當(dāng)?shù)奈恢霉袒蛴不?，從而形成隔離腔的壁。
根據(jù)本發(fā)明示例性實施例，圖6示出了PBG光纖300結(jié)構(gòu)的另一種變化。探測激光340和耦合激光350可以照射該PBG光纖300。該PBG光纖300由第一介質(zhì)310和分布在腔體320和325中的第二介質(zhì)構(gòu)成。在這種變體中，隔離腔320和325貫穿該PBG光纖300不斷重復(fù)它們自身，并被第一介質(zhì)310所圍繞。腔體和介質(zhì)的各種其它結(jié)構(gòu)都將落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明實施例的PBG光纖可以提供非冷卻的EIT效應(yīng)所需的受引導(dǎo)的耦合波長模場強度等級。另外，該PBG光纖允許該光纖內(nèi)具有耦合和探測頻率的激光信號重疊，在PBG內(nèi)信號不分離并且可以與呈現(xiàn)出EIT效應(yīng)的介質(zhì)連續(xù)地相互作用。
本發(fā)明的示例性實施例包括PBG光纖和EIT效應(yīng)的使用以構(gòu)造各種器件。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠使用本發(fā)明的內(nèi)容以及所論及的PBG光纖和耦合及探測激光，用PBG光纖中的EIT效應(yīng)構(gòu)建出用于各種功能的器件。例如，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，圖7A和7B示出了PBG光纖的一種可能的應(yīng)用，即一種光學(xué)開關(guān)400，它具有EIT特征。
光學(xué)開關(guān)400由上述PBG光纖構(gòu)成，其EIT透明寬度為W。探測激光420所攜載的信號具有通隙頻率之內(nèi)的一探測頻率，但是對該特定的探測頻率而言信號所穿過的介質(zhì)是不透明的。由此，沒有信號流過光學(xué)開關(guān)400。當(dāng)用耦合激光430照射光開關(guān)400時，該介質(zhì)呈現(xiàn)出EIT效應(yīng)并且探測頻率處的透射有所增大，從而允許探測激光420所構(gòu)成的信號作為出射的透射信號440通過該光開關(guān)400。當(dāng)與探測激光420所產(chǎn)生的原始信號相比的時候，透射信號440可能經(jīng)歷了色散和強度變化。耦合激光有可能通過，作為透射的耦合信號450從光開關(guān)400中出射，該耦合信號450有可能經(jīng)歷色散和強度變化。用本發(fā)明的實施例可以形成其它器件，比如，移相器、邏輯算子、濾波器等。具有呈現(xiàn)出EIT效應(yīng)的介質(zhì)(該介質(zhì)攜載通隙頻率)所制造出的器件也落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的描述在本質(zhì)上是示例性的，由此不背離本發(fā)明要點的各種變化也被包括在本發(fā)明各實施例的范圍之內(nèi)。這些變化不被認為背離了本發(fā)明的精神和范圍。例如，PBG的結(jié)構(gòu)不應(yīng)該被解釋為受限于圖4-6所示的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種光纖，它包括第一介質(zhì)，它呈現(xiàn)出電磁感應(yīng)的透明性；以及第二介質(zhì)，其中所述第一介質(zhì)和第二介質(zhì)形成具有光子帶隙結(jié)構(gòu)的光纖。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述光纖是一種波導(dǎo)。
3.如權(quán)利要求2所述的波導(dǎo)，其特征在于，所述第一介質(zhì)具有較低的第一頻率信號透射，其中用第二頻率信號對所述波導(dǎo)進行照射可增大所述第一頻率信號的透射。
4.如權(quán)利要求2所述的波導(dǎo)，其特征在于，空腔形成于所述第二介質(zhì)中。
5.如權(quán)利要求4所述的波導(dǎo)，其特征在于，所述腔體被用于形成所述第一介質(zhì)的流體所填充，所述第一介質(zhì)在耦合頻率處具有EIT效應(yīng)。
6.如權(quán)利要求4所述的波導(dǎo)，其特征在于，所述腔體被用于形成所述第一介質(zhì)的氣體所填充，所述第一介質(zhì)在耦合頻率處具有EIT效應(yīng)。
7.如權(quán)利要求6所述的波導(dǎo)，其特征在于，所述氣體被加壓。
8.如權(quán)利要求3所述的波導(dǎo)，其特征在于，所述波導(dǎo)產(chǎn)生了色散，從而改變了關(guān)于所述第一頻率信號的特征。
9.如權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，所述第二介質(zhì)由玻璃制成。
10.一種光開關(guān)，它包括PBG光纖，其中所述PBG光纖具有呈現(xiàn)出電磁感應(yīng)透明性的第一介質(zhì)以及一種第二介質(zhì)，其中所述第一和第二介質(zhì)形成具有光子帶隙結(jié)構(gòu)的光纖；輸入，其中所述輸入接受開關(guān)信號和第一信號；以及輸出，其中響應(yīng)于所述開關(guān)信號，所述輸出發(fā)送所述第一信號的一部分。
11.如權(quán)利要求10所述的光開關(guān)，其特征在于，所述第一介質(zhì)具有較低的第一信號透射，其中用所述開關(guān)信號對所述PBG光纖進行照射可增大所述第一信號從所述輸出中的透射。
12.如權(quán)利要求10所述的光開關(guān)，其特征在于，空腔形成于所述第二介質(zhì)中。
13.如權(quán)利要求12所述的光開關(guān)，其特征在于，所述腔體被用于形成所述第一介質(zhì)的流體所填充，所述第一介質(zhì)在耦合頻率處具有EIT效應(yīng)。
14.如權(quán)利要求12所述的光開關(guān)，其特征在于，所述腔體被用于形成所述第一介質(zhì)的氣體所填充，所述第一介質(zhì)在耦合頻率處具有EIT效應(yīng)。
15.如權(quán)利要求14所述的光開關(guān)，其特征在于，所述氣體被加壓了。
16.如權(quán)利要求11所述的光開關(guān)，其特征在于，所述光開關(guān)產(chǎn)生了色散，從而改變了關(guān)于所述第一信號的特征。
17.如權(quán)利要求10所述的光開關(guān)，其特征在于，所述第二介質(zhì)由玻璃制成。
18.如權(quán)利要求10所述的光開關(guān)，其特征在于，所述光開關(guān)用于執(zhí)行布爾運算，其中在沒有所述開關(guān)信號的情況下所述第一信號的輸入對應(yīng)于在所述輸出中所述第一信號較低的透射，這對應(yīng)于邏輯值“0”，所述第一信號和所述開關(guān)信號的輸入則對應(yīng)于在所述輸出中所述第一信號相對較高的透射，這對應(yīng)于邏輯值“1”。
19.一種選擇信號透射的方法，它包括將透射信號傳遞到光纖中，所述光纖具有光子帶隙結(jié)構(gòu)并且在被具有耦合頻率的耦合信號照射時在透明性頻率寬度W中呈現(xiàn)出電磁感應(yīng)透明性，所述透射信號具有在所述寬度W之內(nèi)的一個頻率；使開關(guān)信號通過所述光纖；并且選擇所述透射信號以便通過所述光纖透射，其中通過將所述開關(guān)信號的頻率設(shè)置到所述耦合頻率來進行所述選擇。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述開關(guān)信號頻率和透射信號頻率都落在所述光子帶隙結(jié)構(gòu)的通帶頻率范圍之內(nèi)。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，多個信號作為透射信號被選定通過所述波導(dǎo)。
22.一種制造支持EIT的光子光纖的方法，它包括通過一個模擠壓出包括至少一種玻璃粉和粘合劑的材料以形成一個主體，所述主體具有與第二面分開的第一面，各個面都具有一個面積，其中多個通道從所述第一面延伸到所述第二面并在各個面中形成開孔，所述通道用具有橫截面的中間壁互相隔離開，這些壁的橫截面用于在所述各個面中將所述開孔陣列彼此分開；加熱所述主體以分離出所述粘合劑，并帶有粘性地?zé)Y(jié)所述玻璃粉以形成玻璃體；從所述玻璃體中拉伸玻璃光纖或棒，從而在所述玻璃體中形成通道；用在被波長為λC的耦合激光照射時呈現(xiàn)出EIT的介質(zhì)來填充所述通道；并且密封所述通道。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，在所述玻璃內(nèi)，所述通道形成周期性的隔離腔陣列。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述介質(zhì)是流體。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述介質(zhì)是氣體。
26.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，通過按周期性的間隔沿所述波導(dǎo)加熱，引起回流，在周期性的位置處使所述通道閉合，形成所述周期性的腔體陣列，從而形成了所述腔體。
27.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，通過在所述通道中周期性地放置密封物質(zhì)來形成所述腔體，其中當(dāng)加熱時，所述密封物質(zhì)形成所述腔體的密封壁。
全文摘要
一種電磁感應(yīng)透明的(EIT)光子帶隙光纖(PBG)。這種EIT－PBG將光子帶隙(PBG)光纖的通隙與帶隙特性與呈現(xiàn)出EIT效應(yīng)的介質(zhì)的透明性控制組合起來，從而允許各種光學(xué)器件的形成。
文檔編號G02B6/02GK1882859SQ200480033517
公開日2006年12月20日 申請日期2004年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月14日
發(fā)明者D·米勒 申請人:康寧股份有限公司