專利名稱：光子光纖具有堅固的有效表面的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用光學(xué)光纖(光纖)傳輸?shù)念I(lǐng)域，尤其涉及用光子光纖傳輸?shù)念I(lǐng)域。
根據(jù)與光纖折射系數(shù)(折射率)的半徑相結(jié)合的函數(shù)圖形的狀態(tài)人們通常為光纖鑒定系數(shù)分布圖。人們用傳統(tǒng)方式在橫坐標(biāo)上表示到光纖的中心距離r，而在縱坐標(biāo)上表示在包層折射系數(shù)和光纖折射系數(shù)之間的差別。對于具有梯級、梯形或三角形的各自形狀的圖形人們同樣用“梯級”、“梯形”或“三角形”的系數(shù)分布圖這個詞。這些曲線通常代表光纖理論分布圖或光纖規(guī)則，光纖生產(chǎn)的約束能夠?qū)е旅黠@地不同的分布圖。根據(jù)該分布圖，這些系數(shù)的變動允許沿著光纖控制光線的傳播。
最近，叫做“光子的”的光纖出現(xiàn)了，英文也稱做“光子晶體光纖”(PCF)這些光纖不象傳統(tǒng)的光纖完全由象被摻雜的硅那樣的透明的固體材料組成；在截面上，一根光子光纖具有多個氣孔。這些氣孔與光纖軸平行，并且沿著光纖縱向地伸展。實際上，這些氣孔可以通過裝配毛細(xì)管或硅柱體生產(chǎn)預(yù)制件獲得，通過在光纖內(nèi)保持氣孔的圖案獲得。拉制一根這樣的預(yù)制件將生產(chǎn)一根具有與毛細(xì)管相對應(yīng)的光纖。
在該光纖材料中存在這些氣孔將引起材料的平均系數(shù)的變動；這些系數(shù)的變動象在傳統(tǒng)的光纖中那樣能夠用于被適合的波長的發(fā)光信號的制導(dǎo)。這種光子光纖的說明在WOA-00 49 435號文件中被提供該文件除了光子光纖的功能原理外，還描述了允許裝配這種光纖的方法。在右截面圖中，在該文件中所建議的氣孔圖案使用一種三角形的氣孔矩陣，就是說，這些可能的氣孔將按照它們彼此之間傾斜60°的三個方向形成線條。在該矩陣中刪除某些氣孔將允許對光線進(jìn)行制導(dǎo)；尤其在一種實施方式中，光線中心的氣孔被刪除，以致在截面上，該光纖由按照三角形矩陣形成的氣孔所圍繞的固體核心組成。在第2實施方式中，在光纖中心預(yù)先準(zhǔn)備了形成規(guī)則的六角形的頂點(diǎn)和中心的七個氣孔；在該中心六角形周圍，這些氣孔被安排在形成該光纖截面的路面的六角形的頂點(diǎn)上；盡管如此，它不在其它的六角形中心而是在中心六角形中心準(zhǔn)備氣孔。該文件還建議使用不同直徑的氣孔，以便在它的中心周圍通過旋轉(zhuǎn)60°角取消該光纖的對稱性；這旨在修改光纖的雙折射。
在1999年11月的光波技術(shù)期刊17卷11號中，由R.F.Cregan等人發(fā)表的題為“從一種摻雜了Er3的光子晶體光纖自發(fā)發(fā)射的分布”一文研究了在一種光子光纖中的自發(fā)的發(fā)射。按照一種三角形矩陣氣孔被分配給具有六角形的形狀的光纖；在六角形的中心，該光纖不具有氣孔，并且硅用鉺摻雜。該文件研究在光纖的軸向泵送時自發(fā)發(fā)射的空間分布；它表明該分布是在光纖中的氣孔的分配函數(shù)，與模擬一致。在被摻雜的光纖的使用中沒有使用任何參考。
Thomas Sondergaard和Gratings在2000年四月光波技術(shù)期刊(Journal of Lightwave Technology)中18卷4號發(fā)表了題為“光子晶體分布的反饋光纖激光器”一文討論了用來實現(xiàn)光纖激光器的光子光纖的利用；它明確了用于信號或泵的方式表面比相應(yīng)于傳統(tǒng)系數(shù)跳動的光纖的方式表面更加縮小或者更加重要。因此，光子光纖的利用允許實現(xiàn)小的泵送閾值的光纖激光器—在脆弱的方式表面的情況下—或?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)功率的激光器—在堅固的方式表面的情況下。該文件僅僅完成數(shù)字模擬，不包括全部實際的實施。
W.J.Wadsworth等人在2000年8月電子書信(Electronics Letters)期刊上發(fā)表題為“摻雜Yb3+的光子光纖激光器”一文從實驗上闡明在一種光子光纖中的激光效應(yīng)；該光纖通過一種摻雜Yb、并共同摻雜AI的硅管圍繞純硅毛細(xì)管而被組成；然后該部件被拉伸以便形成一種光纖，在該光纖周圍，放置一種純硅連接管。在被摻雜的光纖核心中圍繞被摻雜的核心和光線的兩排氣孔非常接近。
EP-A-1 043 816描述了一種雙包層光纖；信號在被摻雜的光纖核心中被傳輸，并且一個泵在第1包層中被注入。為了將該泵的光線向被摻雜的核心引導(dǎo)，建議在第1包層中準(zhǔn)備被更改的系數(shù)區(qū)。這些被更改的系數(shù)區(qū)尤其可以用氣孔組成。在一種實施方式中，準(zhǔn)備三個被更改的系數(shù)區(qū)，它們被分布在第1包層的周邊。在另一種實施方式中，準(zhǔn)備六個被更改的系數(shù)區(qū)，形成等邊三角形的頂點(diǎn)和各邊的中心。有人提出，被更改的系數(shù)區(qū)同樣應(yīng)盡可能被分布在離光纖核心遠(yuǎn)的地方，以便在光纖核心中避免更改偏振(極化)。
本發(fā)明的課題是在光子光纖中分布?xì)饪?，以便改善有效表面。本發(fā)明建議，在一種實施方式中，一種光子光纖的氣孔的分布允許獲得一種堅固的有效表面；在另一種實施方式中，它建議一種雙包層的光纖，在該光纖中提供了改善在信號和泵之間的覆蓋(層)的氣孔。
更確切地說，本發(fā)明建議一種具有被分布在規(guī)則矩陣的點(diǎn)上的多個氣孔的光子光纖；在該光纖中-該光纖的氣孔被分布在中心定在光纖中心的矩陣點(diǎn)的至少兩個同心薄層上；-被分布在一個薄層上的光纖氣孔具有相同的尺寸，并且占據(jù)該薄層的所有的點(diǎn)；-被分布在至少一個薄層上的光纖氣孔具有大于或等于被安排在該薄層內(nèi)部的至少另一個薄層上的光纖氣孔尺寸的尺寸。
在一種優(yōu)先的實施方式中，矩陣是三角形矩陣，而這些薄層具有六角形的形狀。
該光纖最好具有大于或者等于150μm2有效表面。本發(fā)明還建議一種具有象線光纖那樣的這種光纖的傳輸系統(tǒng)；本發(fā)明同樣建議一種包含該光纖的截面的光學(xué)放大器，該光纖至少摻雜一種稀土離子。本發(fā)明還涉及一種包含這樣的光纖截面的光纖激光器。
通過閱讀在作為例子給出的本發(fā)明的實施方式之后的說明、并參照附圖本發(fā)明的其它的特征和優(yōu)點(diǎn)便顯露出來，附圖表明-

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的光子光纖截面的概略表示法；
-圖2是圖1的光纖規(guī)則的系數(shù)分布圖的表示法；-圖3是在圖1的光纖半徑上的信號強(qiáng)度的表示法。
根據(jù)一種在光纖的縱向軸周圍盡可能保持該光纖的對稱性的圖案，在一種光子光纖中，本發(fā)明建議一種氣孔分布。本發(fā)明建議，在徑向方向，該分布是不對稱的例如，有可能取消某些氣孔，或者進(jìn)一步減小氣孔尺寸。
在本說明的其余部分，術(shù)語“矩陣”是指光子光纖中的氣孔的可能的一組位置；由于光纖的預(yù)制件通過毛細(xì)管和固態(tài)圓柱的裝配被形成，該“矩陣”通過在預(yù)制件中毛細(xì)管和柱體被定義。在上述的技術(shù)狀況的例子中，該矩陣是三角形這些管子和柱體按行安排，鄰近的兩行以相應(yīng)于在該行中兩個鄰近的管子或柱體之間的距離的距離錯開。矩陣的另一種形狀是可能的一例如是一個正方形的矩陣。在所有情況下，該矩陣由一組點(diǎn)形成，在這些點(diǎn)中，如有必要，可以提供氣孔。
“薄層”是指點(diǎn)矩陣的子集，該子集在截面上盡可能保持對光纖中心的旋轉(zhuǎn)對稱性。該子集是以光纖中心作為共同中心的同心圓。在三角形矩陣的例子中，一個薄層通常由一組氣孔形成，這些氣孔被安排在六角形頂點(diǎn)以及如有必要被安排在六角形的邊上。第1薄層具有被安排在六角形頂點(diǎn)上的六個點(diǎn)，該六角形的中心是光纖的中心。在該圖的例子中，為這個薄層的所有的點(diǎn)提供了氣孔。第2薄層由被安排在規(guī)則的六角形的頂點(diǎn)和各邊的中心的12個點(diǎn)構(gòu)成；該六角形的一個邊長等于形成第1薄層的六角形的邊長的兩倍；在圖1的例子中，也為這一薄層的所有點(diǎn)準(zhǔn)備氣孔。第3薄層用24個點(diǎn)構(gòu)成，這些點(diǎn)分布在六角形頂點(diǎn)上，以及在每邊的1/3和2/3的地方；在圖1的例子中的第3薄層上沒有氣孔?？梢杂孟嗤姆绞蕉x隨后的薄層。在本例中，通過繞光纖中心周圍旋轉(zhuǎn)60°角，每個薄層是不變的；因此，利用該矩陣的可用的點(diǎn)，每個薄層組成一個近似的圓?！氨印钡倪@一定義將推廣到其它類型的矩陣中。同樣，對于一個四邊形的矩陣，一個薄層可以用安排在四邊形或八邊形的頂點(diǎn)上的一組點(diǎn)構(gòu)成；那么，通過繞光纖中心周圍旋轉(zhuǎn)90°角，一個薄層將是不變的。W.J.Wadsworth等人在上面提及的文件中介紹了圍繞光纖中心的兩個“周期”的氣孔；每個周期是圓形的。
圖1根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式示出一種光子光纖截面的概略表示法；在圖1的例子中，矩陣是三角形，在該矩陣的各點(diǎn)之間的距離是5μm；象上面所說明的那樣，每個薄層構(gòu)成一個規(guī)則的六角形，光纖中心不具有氣孔；第2、第2和第4薄層具有直徑為0.5μm的氣孔。第3薄層不具有氣孔；第5薄層具有直徑為1.5μm的氣孔，而第6薄層具有直徑為2.0μm的氣孔。因此，在穿過構(gòu)成不同薄層的六角形頂點(diǎn)的半徑時，從中心開始，碰到-在5、10和20μm的距離的直徑為0.5μm的氣孔；-在25μm的距離的直徑為1.5μm的氣孔；以及-在30μm的距離的直徑為2.0μm的氣孔。
該圖的光纖的薄層是同心的；當(dāng)一個薄層具有氣孔時，這些氣孔將占據(jù)該薄層的所有點(diǎn)在本例中，第1薄層包含六個氣孔，就是說第1薄層的所有可能的氣孔。
圖2示出沿穿過由這些氣孔構(gòu)成的六角形的頂點(diǎn)的光纖的半徑的光纖系數(shù)分布圖。在縱坐標(biāo)上顯示系數(shù)，而在橫坐標(biāo)上顯示到光纖中心的距離。在該圖的例子中，在沒有氣孔時，該光纖是簡單的階躍系數(shù)光纖因此，該光纖的材料在半徑小于33μm時具有接近1.46的第1值的恒定系數(shù)、以及大于上述半徑即在該包層中具有接近1.44的值的系數(shù)。在沒有氣孔時，一種這樣的分布圖將意味著不是單模的光纖。由于有氣孔，本例的光纖對于所有的波長都是單模。
圖3示出依賴于圖1的光纖半徑的信號強(qiáng)度。在縱坐標(biāo)上標(biāo)明注入到光纖中的信號強(qiáng)度，而在橫坐標(biāo)上標(biāo)明到光纖中心的距離，單位為μm。細(xì)線表示光纖系數(shù)分布圖。該圖示出，這些氣孔的作用旨在為場設(shè)置障礙。尤其是，該場擴(kuò)展到光纖中的一些部分，在這些部分中，在氣孔表面和硅表面之間的比率(氣孔填滿系數(shù))最??；在圖3中，同樣覺察到在5μm和10μm的氣孔的附近強(qiáng)度有凹處；在第3行上沒有氣孔，這將導(dǎo)致在半徑為12μm的附近的強(qiáng)度的局部最大值。第4、第5和第6行的氣孔具有相同的效應(yīng)，該效應(yīng)被在該圖中的相對小的強(qiáng)度值所掩蓋。
圖1的光纖具有991μm2的有效表面。它還具有帶有0.071ps/nm2/km的斜率的21.2ps/nm/km的光色散。
更一般地說，該光纖可以用以下方式定義-該光纖的氣孔被安排在中心定在光纖中心的矩陣點(diǎn)的至少兩個同心薄層上；-被安排在一個薄層上的光纖的氣孔具有相同的尺寸，并占據(jù)該薄層的所有點(diǎn)；-被安排在至少一個薄層上的光纖的氣孔具有大于或等于被安排在該薄層內(nèi)部的至少另一個薄層上的光纖氣孔尺寸的尺寸。
換句話說，考慮到被點(diǎn)矩陣所強(qiáng)加的幾何約束，光纖的氣孔盡可能具有一種徑向?qū)ΨQ性。盡管如此，這些氣孔沿著光纖的半徑仍然可以具有可變的尺寸。
如圖1的例子所示，該光纖具有至少一個沒有氣孔的薄層；這種薄層的作用旨在使該場在光纖中擴(kuò)展，這樣，將會增大有效表面。
根據(jù)本發(fā)明，氣孔徑向地具有越來越大的尺寸；換句話說，一個薄層的氣孔比安排在更內(nèi)部的薄層的氣孔有更大的尺寸；這是在圖1的光纖中的情況，因為第5行的氣孔的尺寸大于順序為1、2和4行的氣孔的尺寸；而且，第6行的氣孔的尺寸大于順序為1、2、4和5行的氣孔的尺寸。這種氣孔尺寸的徑向增大改善了光纖內(nèi)部的光線限制效應(yīng)；實際上，這些更大的尺寸的氣孔從質(zhì)量上看與平均系數(shù)的更多的下降相對應(yīng)，并且，一種氣孔的薄層可以被認(rèn)為是以一種與變化的氣孔尺寸成比例的系數(shù)的變動構(gòu)成一種系數(shù)階躍。
這些不同的特性允許獲得一種大于或等于150μm2的有效表面的光纖。該光纖在所有的波長中是單模。
這些特性在有硅的摻雜和沒有硅的摻雜的情況下都可以被應(yīng)用。該摻雜的作用旨在系數(shù)的變化，該摻雜可以是一種用于放大的稀土元素的摻雜。
該光纖可以象線光纖那樣在光纖傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用；也可以象元件那樣在一種光纖激光器或光纖放大器中應(yīng)用；當(dāng)它具有適當(dāng)?shù)膿诫s時尤其是這種情況。在放大器的場合，人們使用通過至少一種具有原子序號在57和71之間的稀土元素的摻雜。人們尤其能夠使用鉺、鐿、鍺或大家所熟悉的其它元素，因為它們在光學(xué)放大器中應(yīng)用得這么好。該光纖的有效的堅固表面對于這種應(yīng)用尤其有利。
權(quán)利要求
1.一種光子光纖，該光子光纖具有多個被分布在一種規(guī)則的矩陣點(diǎn)上的氣孔，其特征在于，-光纖氣孔被安排在中心定在光纖中心的矩陣點(diǎn)的至少兩個同心薄層上；-被安排在一個薄層上的光纖氣孔具有相同的尺寸，并且占據(jù)該薄層的所有點(diǎn)；-被安排在至少一個薄層上的光纖氣孔具有不大于或等于被安排在該薄層內(nèi)部的至少另一個薄層上的光纖氣孔尺寸的尺寸。
2.權(quán)利要求1所述的光纖，其特征在于，矩陣是一種三角形矩陣，并且薄層具有六角形的形狀。
3.權(quán)利要求1～2所述的光纖，其特征在于，它具有大于或等于150μm2的有效表面。
4.包含根據(jù)權(quán)利要求1～3所述的光纖的一種傳輸系統(tǒng)，該光纖可以是線光纖。
5.包含根據(jù)權(quán)利要求1～3所述的光纖的一種光纖放大器，所述的光纖用至少一種稀土元素?fù)诫s。
6.包含根據(jù)權(quán)利要求1～3所述的光纖的一種光纖激光器。
全文摘要
本發(fā)明建議一種堅固的有效表面的光纖,該光纖具有被分布在一種規(guī)則的矩陣點(diǎn)上的氣孔。這些氣孔被安排在中心定在該光纖中心的矩陣點(diǎn)的至少兩個薄層上。這些被安排在一個薄層上的光纖氣孔具有相同的尺寸,并且占據(jù)該薄層的可能的所有點(diǎn)。而且,該光纖具有至少兩個薄層,薄層的氣孔具有不同的尺寸。
文檔編號H01S3/067GK1375710SQ0210750
公開日2002年10月23日 申請日期2002年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月16日
發(fā)明者多米尼克·巴雅特, 勞倫特·伯斯洛特 申請人:阿爾卡塔爾公司