高折射率差纤维波导及其应用的制作方法

专利名称：高折射率差纤维波导及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及纤维波导，更具体地涉及高折射率差(high index-contrast)的纤维波导。
背景技术：
光学元件在电信网中的应用变得越来越普遍。例如，纤维波导如光纤被用于在不同的地点之间携带作为光信号的信息。这些波导基本上限制光信号沿一个或多个优选路径传播。类似地，其它部件如电源、调制器及变换器通常也包括用于限制电磁(EM)能量的被导引的区域(guided regions)。虽然金属波导在较长波长(例如微波)的使用方面有很长的历史，但它们在光波范围(例如350nm至3微米)中作为波导的使用因其吸收性能而受到限制。因此，在许多光学应用中优选介电波导区域。
纤维波导的最普遍类型是光导纤维，光导纤维利用折射率导引(index guiding)将光信号限制到优选路径上。这种纤维包括沿波导轴延伸的纤芯区域，及环绕波导轴包围该纤芯的、折射率小于纤芯区域折射率的外包层区域。由于存在折射率差，因此在高折射率的纤芯部分中基本上沿波导轴传播的光辐射可经受来自纤芯-外包层界面的全内反射(TIR)。其结果是，光导纤维引导电磁(EM)辐射的一个或多个模式沿波导轴在纤芯中传播。这些被引导的模式的数目随着纤芯的直径的增大而增加。特别是，这种折射率导引的机制将阻止对于平行于波导轴的给定波矢量，出现低于最低频率的被导引模式的任何外包层模式。在商业上应用的几乎所有折射率导引光导纤维均为基于硅石的光纤，其中纤芯及外包层区域中的一个或两者被掺以杂质以产生折射率差并生成纤芯-外包层区域界面。例如，通常使用的硅石光导纤维具有约1.45的折射率，且对于1.5微米范围内的波长具有视应用而定的约0.2％至3％范围内的折射率差。
从预制棒(preform)拉出纤维是制造纤维波导所使用的最普遍方法。预制棒是具有所需纤维的精确形状及组分的一个短棒(例如10至20英寸长)。但是预制棒的直径比纤维直径大得多(例如大100至1000倍)。典型地，当拉制光导纤维时，预制棒的材料组分包括单一玻璃，该单一玻璃具有在预制棒纤芯中所提供的变化等级的一种或多种掺杂物，以增大纤芯区域相对于外包层区域折射率的纤芯折射率。这可保证形成纤芯及外包层区域的材料被拉制时在流变(rheologically)上及化学上保持相似，同时仍然能提供足够的折射率差以支持纤芯区域中的被导引的模式。为了由预制棒制成纤维，由加热炉将预制棒加热到使玻璃粘度足够低(例如小于108泊)的温度，以便从预制棒拉出纤维。在拉制后，该预制棒的截面缩小形成纤维，该纤维具有与预制棒相同的横截面组分及结构。纤维的直径由纤维的特定流变特性及其拉伸速率来确定。
预制棒可使用本领域技术人员所公知的多利技术来制造，其中包括改进的化学汽相沉积(MCVD)及外汽相沉积(OVD)。MCVD法涉及将汽化原料层以粉尘(soot)形式沉积到预先制作的管的内壁。在沉积成玻璃层后每个粉尘层很快熔化。这就产生了一个预制管，该预制管随后被瓦解(collapse)成一个固体棒，外部形成套层(over jacketed)，然后被拉制成纤维。
OVD法涉及将原料层沉积到一个旋转棒上。这在两个步骤中完成沉积及烧结(consolidation)。在沉积步骤期间，由例如四氯化硅(用于硅石纤维)及四氯化锗的超纯蒸气制成粉尘预制棒。这些蒸气通过横向的燃烧室并在火焰中反应，形成二氧化硅及氧化锗的粉尘颗粒。这些颗粒被沉积到旋转的靶棒表面。当沉积完成时，棒被移走，并将沉积材料放置到烧结炉中。除去水蒸汽，预制棒被瓦解并变成致密的透明玻璃。
用于制造纤维预制棒的另一方法是简单地将一种材料的棒插入到一个空心预制棒的纤芯中。加热将预制棒固结成单个物体。
纤维波导除简单地提供了光信号的传输通道外，还形成了多种光学装置的基础。例如，纤维波导可被设计用以补偿可能对光信号有害的效应，如散射。散射是可引起不同波长的光信号以不同速度传播，并引起光脉冲变宽的波导特性。典型地，长距离光导纤维对于1.5微米范围内的波长具有2-50ps/nm-km的正散射。该正散射可通过将信号导入具有负散射的波导来补偿，该负散射在幅值上等于由硅石光导纤维所引起的正散射。通常，这种补偿通过在光通信网络中提供具有正及负散射的纤维交替区域来实现。
可能对光信号有害的效应的另一个例子是衰减。衰减就是当信号通过光导纤维传输时光信号强度的损失。当衰减足够大时，光信号变得不可与背景噪音区分。因此，纤维放大器是通信网络中的重要部件。顾名思义，纤维放大器是可放大光信号的信号强度的纤维波导。例如，密集波分复用(dense wavelength-division multiplexing)的应用的增长，使得掺铒光纤放大器(EDFA)成为现代电信系统中的基本的结构单元。EDFA可放大纤维内部的光信号并由此使信息可以在长距离上传输而无需传统的重发器(repeater)。为了形成EDFA，用稀土元素铒对纤维进行掺杂，铒在其原子结构中具有适合的能级以放大1550纳米的光。使用980纳米泵激光器将能量注入到掺铒纤维中。当1550纳米的弱信号进入纤维时，光激励铒原子释放它们所存储的能量作为额外的1550纳米的光。该激励发射与原始信号相干，因此当原始信号沿纤维传播时其强度变得更强。
纤维激光器是使用光导纤维制造的光学部件的另一例子。典型地，在径向上由高折射率纤芯及低折射率外包层之间的折射率差限定出空腔，折射率差通过全内反射(TIR)确定了EM辐射。空腔也可在轴向上由反射器来限定。早期纤维激光器中的端部反射器(endreflector)是放置或汽化在抛光纤维端部的反射镜。沿纤维轴的折射率调制也可被用来产生反射器并由此定义出激光光腔。例如，两个布拉格光栅可围绕一个增益介质并定义出端部反射器，由此形成分布式布拉格反射器(DBR)激光器。可选择地，轴向调制可延伸贯穿增益介质的长度以形成“分布反馈”(DFB)激光器。
典型纤维波导的组分通常由具有适当的掺杂横截面分布的单一材料构成，以控制纤维的光学性能。但是，也可使用包括不同材料的组分。相应地，公开了包括不同材料的组分、由该不同材料组分得到的纤维波导及示范性装置。

发明内容
本发明的特征是可由预制棒拉制的高折射率差纤维波导。本发明的特征还在于构成高折射率差纤维波导的材料及选择它们的方针。可包括光导纤维(即，使用全内反射以将光限制至纤芯的纤维波导)及光子晶体光纤(例如布拉格光纤)的高折射率差纤维波导，可对纤维波导中的光信号提供增强的径向限制。该增强的径向限制可减小辐射损耗，由此改善传输效率。此外，在高折射率差纤维波导内部可获得大的光能量密度，使它们成为多种应用、如非线性应用的有力候选。另外，除了增强径向限制外，还可在纤维波导中获得增强的轴向限制。使用增强的轴向限制及增强的径向限制，可在高折射率差纤维波导中形成具有高Q值和/或小模式容量(modalvolume)的光腔。这些空腔可形成许多光学装置、如双稳装置的基础。
现在将概括描述本发明的各个方面、特征及优点。
总体上，本发明一个方面的特征是一种具有波导轴的纤维波导。该纤维波导包括沿波导轴延伸的第一部分，该第一部分包括具有折射率n1、工作温度TW及软化温度TS的第一材料。该纤维波导还包括沿波导轴延伸的第二部分，该第二部分包括具有折射率n2、作为温度T的函数而变化的粘度η2的第二材料，n1与n2之间的绝对值差至少为0.35(例如至少为0.5，至少为0.6，至少为0.7，至少为0.8，至少为0.9，至少为1.0，至少为1.1，至少为1.2，至少为1.3，至少为1.4，至少为1.5，至少为1.6，至少为1.7，至少为1.8)且在TW时η2至少为103泊(例如为104泊)并不大于106泊(例如不大于105泊)，且在TS时η2至少为105泊(例如至少为106泊，至少为107泊，至少为108泊，至少为109泊，至少为1010泊，至少为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)。
这些纤维波导的实施例可包括以下一个或多个特征，和/或关于本发明任何其它方面所提到的任何特征。
第一和/或第二材料可为介电材料，如玻璃。第一材料可包括硫属化物玻璃，及第二材料可包括氧化物玻璃和或卤化物玻璃。
第一及第二部分可为匀质部分或非匀质部分。非匀质部分可包括至少一个沿波导轴延伸的空心区域。
第一和/或第二材料可为无机材料，如聚合物。
第一部分可为纤芯且n1＞n2，及第二部分可包括外包层。
该纤维波导可为光子晶体光纤，如布拉格(Bragg)光纤。
在一些实施例中，第一部分可具有玻璃转变温度Tg且在Tg时η2至少为108泊(例如至少为109泊，至少为1010泊，至少为1011泊，至少为1012泊，至少为1013泊)。
第一材料可具有第一热膨胀系数TEC1及第二材料可具有第二热膨胀系数TEC2，及在20℃与380℃之间，|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℃时第一部分与第二部分之间的残余应力可小于100MPa(例如小于80MPa，小于50MPa，小于40MPa，小于30MPa，小于20MPa)。
纤维波导可包括限制区域，及该限制区域可包括第一及第二部分。第一部分可包括沿波导轴延伸的第一层及第二部分可包括沿波导轴延伸并包围第一层的第二层。
该纤维波导可包括沿波导轴延伸的光调制。该光调制可包括结构调制和/或折射率调制。
第二方面，本发明的特征是制造具有波导轴的纤维波导的方法。该方法包括提供纤维预制棒，该纤维预制棒包括第一部分及围绕该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)。该方法还包括将纤维预制棒加热到第一及第二部分具有103泊至106泊之间的粘度的温度，及将加热的纤维预制棒拉制成纤维波导。
该方法的实施例可包括关于本发明其它方面所提到的任何特征和/或以下一个或多个特征。
纤维预制棒可被加热，以使得第一及第二部分具有103泊至105泊之间的粘度，例如约为104泊。
第一部分可包括一个预制棒纤芯。第二部分可包括预制棒外包层。
该纤维预制棒可包括预制棒限制区域，及第一和第二部分可被包括在纤维预制棒中。
第一材料可包括第一玻璃(例如硫属化物玻璃)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卤化物玻璃)。
该方法还可包括在拉制时扰动纤维波导，以形成沿纤维波导的波导轴延伸的光调制。
在拉制期间该纤维预制棒的相对横截面结构可被保持。
另一个方面，本发明的特征在于，一种具有波导轴的纤维波导，该纤维波导包括沿波导轴延伸的第一部分。该纤维波导还包括与第一部分不同的第二部分，第二部分沿波导轴延伸并包围第一部分，且第一及第二部分中的至少一个包括从由硒的硫属化物玻璃及碲的硫属化物玻璃组成的组中选择出的硫属化物玻璃。
该纤维波导的实施例可包括关于本发明其它方面所提到的任何特征和/或以下一个或多个特征。
硫属化物玻璃可为以下任何玻璃As-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。该硫属化物玻璃可为As12Ge33Se55。
该硫属化物玻璃可包括以下任何元素硼，铝，硅，磷，硫，镓，砷，铟，锡，锑，铊，铅，铋，镉，镧，氟，氯，溴及碘。
第一及第二部分之一或两者可包括非线性材料(例如电光材料和/或光折射材料)。第一及第二部分之一或两者可用一个或多个稀土离子(例如铒离子)掺杂。
第二部分可包括介电材料，例如有机或无机介电材料。无机材料可为无机玻璃(例如氧化物、卤化物玻璃或混合的氧化物-氟化物玻璃)。在无机材料为氧化物玻璃的情况下，该氧化物玻璃可包括至多40摩尔％(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可为Pb，Ca，Mg，Sr及Ba。氧化物玻璃可包括至多40摩尔％(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可为Li，Na，K，Rb及Cs。氧化物玻璃可包括至多40摩尔％(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可为Al，B，及Bi。该氧化物玻璃可包括至多60摩尔％(例如至多50％，至多40％，至多30％，至多20％，至多10％，至多5％)的P2O5。该氧化物玻璃还可包括至多40摩尔％(例如至多30％，至多20％，至多10％，至多5％)的SiO2。
在介电材料为有机材料的实施例中，该有机材料可为聚合物(例如碳酸盐类、砜类、醚一酰亚胺类(etherimid-family)及丙烯酸酯类聚合物以及含氟聚合物)。
第一部分可为一个具有折射率n1的纤芯及第二部分具有折射率n2，n2＜n1。
纤维波导可为光子晶体光纤，例如布拉格光纤或多孔光子晶体光纤。
另一方面，本发明的特征是一种具有波导轴的纤维波导，该纤维波导包括沿波导轴延伸的纤芯及沿波导轴延伸包围纤芯的限制区域，该限制区域包括硫属化物玻璃。该限制区域还包括一个具有光子带隙的光子晶体结构，其中在工作期间，该限制区域导引至少第一频率范围内的EM辐射沿波导轴传播。
该纤维波导的实施例可包括关于本发明其它方面所提到的任何特征和/或以下一个或多个特征。
该限制区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)。
该纤芯可包括空心纤芯。该纤芯可包括介电材料，例如上面列举的介电材料。
该限制区域可包括多个层。这些层可包括交替的层，这些交替层包括硫属化物玻璃，例如上面列举的硫属化物玻璃。多个层的子集可以没有硫属化物玻璃。该层的子集可为交替的多个层。
另一方面，本发明的特征是用于制造纤维波导的方法，该方法包括提供纤维预制棒，该纤维预制棒包括第一部分及围绕该第一部分的第二部分，其中第一部分包括硫属化物玻璃。该方法还包括加热纤维预制棒，以使得第一及第二部分具有103泊至106泊之间的粘度，及拉制加热的纤维预制棒以制成纤维波导。
该方法的实施例可包括关于本发明其它方面所提到的任何特征。
总体上，另一方面，本发明的特征是一种具有波导轴的纤维波导，该纤维波导包括沿波导轴延伸的并包括具有折射率n1的第一介电材料的纤芯，及沿波导轴延伸并包围纤芯的外包层，该外包层包括具有折射率n2第二介电材料，n2＜n1。并且，该纤维波导具有大于0.7的数值孔径(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)。
该纤维波导的实施例可包括关于本发明其它方面所提到的任何特征和/或以下列出的一个或多个特征。
第一介电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，如约2.5)。
该纤芯可包括沿波导轴延伸的光调制(例如折射率调制和/或结构调制)。该光调制可引起该光导纤维具有的传输带隙至少为0.1％(例如至少1％，至少2％，至少3％，至少4％，至少5％，如6％或更大)。
对于至少一种波长，该纤维可具有小于3微米的模场直径(例如小于2微米，小于1微米，小于0.5微米，小于0.25微米)。
第二介电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，如约1.4)。
该纤维波导还可包括沿波导轴延伸的色散修整区域，在工作期间该纤芯可支持一个频率范围内的至少一个模式，且该色散修整区域可引入第一频率范围内的一个或多个附加模式，这些附加模式与被导引的模式相互作用产生工作模式。外包层可包围该色散修整区域。
该纤芯可具有小于3微米的直径(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，本发明的特征是一种具有波导轴的纤维波导，该纤维波导包括沿波导轴延伸并包括具有折射率n1及熔化温度Tm的第一介电材料的第一部分。该纤维波导还包括沿波导轴延伸并包围该第一部分且包括具有折射率n2及工作温度Tw的第二材料的第二部分，|n1-n2|≥0.35且Tm＞Tw。
该纤维波导的实施例可包括关于本发明其它方面所提到的任何特征。
另一方面，本发明的特征是一种具有波导轴的纤维波导，该纤维波导包括沿波导轴延伸的并包括具有折射率n1的第一介电材料的纤芯，及沿波导轴延伸并包围该纤芯的外包层。该外包层可包括具有折射率n2的第二介电材料，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)。
该光导纤维的实施例可包括关于本发明其它方面所提到的任何特征。
另一方面，本发明的特征是一种方法，该方法包括提供具有波导轴的纤维波导，该纤维波导包括沿波导轴延伸并具有折射率n1的第一部分，及沿波导轴延伸并具有折射率n2的第二部分，其中|n1-n2|≥0.35。该方法还包括将输入信号导入纤维波导中，该输入信号的功率足够引起该纤维波导产生一个输出信号，该输出信号的功率相对输入信号的功率非线性地变化。
该方法的实施例可包括关于本发明其它方面所提到的任何特征。
总体上，另一方面，本发明的特征是一种用于制造具有沿波导轴的光调制的光子晶体光纤的方法。该方法包括将光子晶体光纤预制棒加热到拉制温度，从该预制棒拉出光子晶体光纤，及在拉制期间扰动光子晶体光纤预制棒，以在该光子晶体光纤中产生沿波导轴的轴向光调制。
该方法的实施例可包括关于本发明其它方面所提到的任何特征和/或以下一个或多个特征。
该光子晶体光纤可包括沿波导轴延伸并具有第一折射率n1的第一层，及沿波导轴延伸与第一层相邻并具有第二折射率n2的第二层，及|n1-n2|≥0.1(例如|n1-n2|≥0.2，|n1-n2|≥0.3，|n1-n2|≥0.4，|n1-n2|≥0.5)。
该光子晶体光纤可具有空心纤芯。
该光子晶体光纤的直径可与拉制速度相关，及纤维的扰动可包括通过改变拉制速度改变纤维直径。
该光子晶体光纤的扰动可包括改变沿波导轴的拉制温度，以改变光子晶体光纤的直径。在拉制期间光子晶体光纤可用辐射(例如激光辐射)照射，以改变沿波导轴的拉制温度。
该光子晶体光纤可为空心纤维，及该纤维的扰动可包括改变空心纤维内部的压力。可选择地或附加地，纤维的扰动可包括改变光子晶体光纤外部的压力。
轴向光调制可为周期性或非周期性调制。轴向光调制可形成光子晶体光纤中的布拉格光栅。
轴向光调制可形成光子晶体光纤中的光腔。
另一方面，本发明的特征是提供一种用于形成沿一纤维波导的波导轴的光调制的方法。该方法包括提供具有空心纤芯的纤维波导，将纤芯介质导入该空心纤芯；及将纤维波导曝露在一种试剂下，该试剂可使该纤芯介质形成沿纤维波导的波导轴的轴向光调制。
该方法的实施例可包括关于本发明其它方面所提到的任何特征和/或以下一个或多个特征。
纤芯介质可包括多个类似形状的物体(例如球状物体)。这些类似形状的物体可为由聚合物组成的物体。这些类似形状物体的至少一部分可彼此相邻地放置在空心纤芯中。将纤维波导曝露在试剂下可包括加热纤维，以引起纤维波导与空心纤芯中多个类似形状的物体相吻合。
该方法可包括将波导纤维曝露在试剂下后去除至少一部分纤芯介质。去除纤芯介质可包括在纤芯中提供去除剂(例如蚀刻剂或溶剂)，以去除纤芯介质的一部分。
纤芯介质可为光敏介质(例如光致抗蚀剂或曝露在辐射下时折射率可改变的材料)。
将纤芯介质曝露在试剂下可包括用辐射(例如电磁辐射或电子束辐射)照射纤芯介质的一部分。辐射可包括干扰图形。该辐射可引起纤芯介质的被曝露部分的光学特性(例如纤芯介质的折射率或纤芯介质的结构)与未曝露在辐射下的部分的光学特性不同。
纤芯介质可为嵌段(block)共聚物。
另一方面，本发明的特征是一种具有波导轴的纤维波导，它包括沿波导轴延伸并具有折射率n1的第一部分，及沿波导轴延伸并具有折射率n2的第二部分，及|n1-n2|≥0.35。并且，该纤维波导具有沿波导轴延伸的轴向光调制。
该纤维波导的实施例可包括关于本发明其它方面所提到的一个或多个特征和/或以下任何特征。
该轴向光调制可具有至少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)。
该轴向光调制可包括结构调制，例如纤维波导直径的调制。该轴向光调制可为纤维波导折射率的调制。
该轴向光调制可形成纤维波导中的布拉格反射器。该轴向光调制可形成纤维波导中的光腔。该光腔具有谐振波长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)。
第二部分可围绕第一部分及第一部分可包括非线性材料。
另一方面，本发明的特征是一种具有波导轴的光导纤维，该光导纤维包括沿波导轴延伸并具有折射率n1的纤芯，及沿波导轴延伸并包围该纤芯的外包层，该外包层具有折射率n2，n2＜n1；及沿波导轴延伸形成光腔的轴向光调制，该光腔具有共振波长λ及小于或等于100λ3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)。
该光导纤维的实施例可包括关于本发明其它方面所提到的一个或多个特征和/或以下任何特征。
轴向光调制可具有至少1％的幅值(例如至少至少2％，至少3％，至少4％，至少5％)。
另一方面，本发明的特征是一种纤维波导装置，该纤维波导装置包括具有波导轴的纤维波导，及该纤维波导包括沿波导轴延伸并具有折射率n1的第一部分，及沿波导轴延伸并具有折射率n2的第二部分，及|n1-n2|≥0.35。该纤维波导装置还包括在纤维波导中形成光腔的轴向光调制，且工作期间在该纤维波导中传播的具有第一功率值P1与第二功率值P2之间的功率的输入信号，可引起该纤维波导产生一个输出信号，其输出信号功率相对输入信号功率非线性地变化。
该纤维波导装置的实施例可包括关于本发明其它方面所提到的一个或多个特征和/或以下任何特征。
P1与P2之间的输入信号功率可引起纤维波导产生输出信号，其输出信号功率相对输入信号功率非连续地变化。
低于P1的输入信号功率可引起纤维波导产生一个输出信号，其输出信号功率低于一输出信号功率值POUT，1；而高于P2的输入信号功率可引起纤维波导产生一个输出信号，其输出信号功率高于一输出信号功率值POUT，2，其中POUT，2/POUT，1至少为2(例如至少为5，至少为10，至少为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)。
光腔具有品质因数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)。
轴向光调制可形成一个以上的光腔(例如2个光腔，3个光腔，4个光腔，5个或更多个光腔)。
另一方面，本发明的特征是一种具有波导轴的光子晶体光纤，该光子晶体光纤包括沿波导轴延伸的纤芯，沿波导轴延伸并包围纤芯且包括硫属化物玻璃的限制区域，及沿波导轴延伸在光子晶体光纤中形成光腔的轴向光调制。
该光子晶体光纤的实施例可包括关于本发明其它方面所提到的一个或多个特征和/或以下任何特征。
该光子晶体光纤可为一维的周期性光子晶体光纤(例如布拉格光纤)。该光子晶体光纤可为二维的周期性光子晶体光纤，例如具有非匀质的限制区域、如有孔区域。
该轴向光调制可具有至少0.01％的幅值。
除非另有规定，这里所使用的科学及技术词汇与本发明所属领域中的普通技术人员所通常理解的词汇具有相同的含义。这里所提到的所有出版物、专利申请、专利及其它的参考文件在此全部并入作为参考。在有冲突的情况下，包含其定义的本说明书将作为标准。此外，这里的设备、方法及例子仅为说明性的及不应被视为限制性的。
从以下的详细说明及附图以及从权利要求书，将会阐明本发明的其它特征、目的及优点。


现在参照附图仅以示例的方式来更详细地描述本发明，其中图1是一个高折射率差纤维波导拉制系统的实施例的示意图；图2是表示Tg及Tds的一种玻璃的温度相对体积(或长度)的曲线图；图3是两种玻璃的温度相对长度的曲线图；图4是比较硫属化物玻璃与氧化物玻璃的热膨胀的曲线图；
图5是比较硫属化物玻璃与另一氧化物玻璃的热膨胀的曲线图；图6是比较硫属化物玻璃与另一氧化物玻璃的热膨胀的曲线图；图7是比较硫属化物玻璃与另一氧化物玻璃的热膨胀的曲线图；图8是比较硫属化物玻璃与另一氧化物玻璃的热膨胀的曲线图；图9是比较硫属化物玻璃与另一氧化物玻璃的热膨胀的曲线图；图10是比较硫属化物玻璃与Q-100 Kirge玻璃的热膨胀的曲线图；图11是比较硫属化物玻璃与另一氧化物玻璃的热膨胀的曲线图；图12是比较硫属化物玻璃与又一氧化物玻璃的热膨胀的曲线图；图13是比较另一硫属化物玻璃与图12的氧化物玻璃的热膨胀的曲线图；图14A是显示对于三种硼硅酸盐/磷酸盐玻璃及AMTIR-1的1000/温度相对粘度对数的曲线图；图14B是显示对于氟化物玻璃及Ge20Se80的1000/温度相对粘度对数的曲线图；图15是显示对于铅-铋玻璃及两种硼酸盐/磷酸盐玻璃的1000/温度相对粘度对数的曲线图；图16是显示对于As40Se60玻璃及一个聚合物的1000/温度相对粘度对数的曲线图；图17是显示对于La-Ga-S玻璃及铅碱金属-硅硼酸盐玻璃的1000/温度相对粘度对数的曲线图；图18是高折射率差光导纤维的一个实施例的横截面图；图19是高折射率差光子晶体光纤的一个实施例的横截面图；图20是显示对于高折射率差光导纤维中纤芯折射率的不同值的模场直径与纤芯直径之间关系的曲线图；图21是用于将来自光导纤维的光耦合到一个集成光装置中的高折射率差纤维波导的一个实施例的示意图；图22是包括色散修整区域的高折射率差纤维波导的一个实施例的横截面图；图23是对于一个高折射率差光导纤维的实施例的散射相对波长的曲线图；图24是具有轴向光调制的一个高折射率差纤维波导的示意图；图25是包括纤维调制装置的高折射率差纤维波导拉制系统的一个实施例的示意图；图26是具有轴向光调制的高折射率差光子晶体光纤的一个实施例的截面图；图27A-27C是在一个空心高折射率差纤维波导中形成轴向光调制的一系列步骤的示意图；图28是在高折射率差纤维波导中形成的光腔的一个实施例的示意图；图29是在高折射率差纤维波导中形成的光腔的另一实施例的示意图；图30是在高折射率差纤维波导中形成的光腔的又一实施例的示意图；图31是显示在高折射率差纤维波导中形成的光腔的操作的示意图；图32是一个光导纤维的滤光器透射作为频率函数的曲线图；
图33是一个光开关的示意图；图34是对于光学开光中两个状态的滤光器透射作为频率函数的曲线图；图35是在光学装置的空腔内透射作为折射率函数的曲线36是一个双稳光学装置的空腔内透射作为折射率的函数的曲线图，及表示空腔内折射率与透射及输入信号强度的积之间的线性关系的曲线；图37是显示一个双稳光学装置的输出强度作为输入强度函数的曲线图；图38是显示对于光腔内折射率的两个不同值的、双稳光学装置的透射作为频率函数的曲线图；图39是显示一个双稳光学装置的输出强度作为输入强度函数的曲线图；图40是显示另一双稳光学装置的输出强度作为输入强度函数的曲线图；图41是显示又一双稳光学装置的输出强度作为输入强度函数的曲线图；图42是表示一个双稳光学装置操作的示意图；图43是表示包括高折射率差纤维波导的电信系统的示意图。
在各个附图中相似的参考符号指示相似的单元。
具体实施例方式
本发明涉及具有包括不同光学材料的可共同拉制的多个部分的纤维波导。这些部分是该纤维波导的确定波导光学性能的结构元素(例如确定波导如何将光信号限制到一个路径的结构元素)。这种纤维波导之一是传统的光导纤维(以下称为“光导纤维”)，其中这些部分包括一个纤芯及包围该纤芯的外包层部分。纤芯及外包层可引起一定频率子集中的光能量在被限制至纤芯的同时沿波导轴传播。纤维波导的另一例子是光子晶体光纤，它包括一个纤芯及一个限制区域。该限制区域具有折射率的变化，该变化形成带隙并反射一定频率范围内的光，将这部分光限制至纤芯。光子晶体光纤的一种类型是布拉格光纤，其中限制区域可包括不同组分的多个层，它们引起折射率的改变。在这种情况下，每个层可被看作为波导的一个部分。
具有可被共同拉制的、包括不同光学材料的多个部分的纤维波导可使用纤维波导拉制系统由纤维波导预制棒制造。参照图1，纤维波导拉制系统101包括预制棒保持器110，它将预制棒120相对于加热炉130定位。加热炉130将预制棒120加热到足够高的温度，使得预制棒120可被拉制成纤维波导140。纤维波导140包括在波导轴上延伸的不同部分，例如纤芯、外包层和/或纤芯或外包层内的区域。纤维监测系统150测量各种纤维特性(例如纤维直径)。纤维监测系统150与控制器160通信。控制器160根据从纤维监测系统150接收的纤维数据来控制拉制参数(例如加热炉温度和拉制速度)。涂层施加器170将保护涂层(例如塑料涂层)施加到纤维波导140上。UV灯组180用光化学辐射固化该保护层。经过涂层处理的纤维波导被绕到接收盘190上，以提供连续纤维的紧凑卷盘以便使用。任选地，纤维波导拉制系统101可包括退火炉195，其重新加热纤维140以消除纤维140冷却时产生的任何应力。
当拉制纤维波导时，纤维波导的径向尺寸与拉制速度的平方根成反比(参见例如“光导纤维电信”(Optical FiberTelecommunications)Academic出版社，第182页(1988年))。纤维波导被牵引得越快，纤维波导的直径越小。此外，在拉制速度改变期间纤维波导内不同部分的尺寸的比例被保持。例如，假设整个纤维上的温度分布均匀且玻璃化区域的粘度均匀，则具有外包层对纤芯半径比为1∶1的预制棒将产生具有外包层对纤芯半径比为1∶1的纤维，而不管最终纤维的实际尺寸如何。换言之，改变牵引速度将改变成品纤维波导的最终尺寸，但并不改变给定横截面内一个部分相对另一部分的相对尺寸。因此，纤维波导拉制在成品纤维中保持了复杂的预制棒的横截面结构，使得拉制成为复杂纤维波导的合适的制造方法。例如在Russell等人的“空气中光的单模式光子带隙导引”(Single-mode photonic band gap guidance of light in air)(Science，285，5433，第1537-1539页(1999年9月))中描述了通过拉制形成的，具有类似于“蜂窝”的径向横截面的光子晶体光纤。
在优选实施例中，本发明涉及纤维波导，其中波导的不同部分具有极不同的折射率。如在以下段落中将要描述的，纤维波导的不同部分折射率之间的较大差别可增强波导中电磁模式的径向限制。被导引的模式的径向限制的增强能够减小外包层部分中的电磁能的能量，由此减小与外包层相关的传输损耗。此外，被导引的模式径向限制的增强可增加纤维波导中的非线性效应。
这里，“极不同的折射率”意味着纤维波导的第一及第二部分的折射率之间的绝对值差至少为0.35(例如至少为0.4，至少为0.45，至少为0.5，至少为0.55，至少为0.6，至少为0.7，至少为0.8，至少为0.9，至少为1.0，至少为1.1，至少为1.2)。例如纤维波导的沿波导轴延伸的高折射率部分包括具有折射率为n1的高折射率材料(例如介电材料)，其中n1大于约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，如约2.8)。该纤维波导还具有沿波导轴延伸的的折射率部分，该低折射率部分包括具有折射率为n2的低折射率材料(例如介电材料)，其中n1小于约2.2(例如小于2.0，小于约1.9，小于约1.85，小于约1.8，小于约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)。
表示纤维波导的不同部分之间的折射率差别的另一方式是“折射率差”。折射率差的定义如下n1-n2n1]]>式中n1＞n2。总体上，本发明涉及具有高折射率差的纤维波导，例如折射率差至少为0.1，如0.5或更大。折射率差也可被表达为百分比。
应注意，作为这里所使用的材料的折射率是指材料在波导被设计用于导引光的波长上的折射率。典型地，对于光波导该波长在约0.3微米与15微米之间。特别感兴趣的波长范围是那些对于电信应用来说非常重要的范围，例如0.7-0.9微米及1.1-1.7微米。这些波长范围对应于一般使用的材料(例如硅石)具有相对小的吸收系数的波长，这将产生相对低损耗的部件。
下面描述可能适用于高折射率差的纤维波导的高折射率部分及低折射率部分的具体材料。
用于形成高折射率部分的具有高折射率的材料包括硫属化物玻璃(Chalcogenide glass)(例如包括硫族元素，如硫，硒，和/或碲)，重金属氧化物玻璃，非晶合金，及它们的组合。
除硫族元素外，硫属化物玻璃可包括以下元素中的一个或多个硼，铝，硅，磷，硫，镓，砷，铟，锡，锑，铊，铅，铋，镉，镧，及卤化物(氟、氯、溴、碘)。
硫属化物玻璃可为二组分(binary)或三组分(ternary)玻璃系统，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或基于这些元素的复杂的多组分玻璃，如As-Ga-Ge-S，Pb-Ga-Ge-S等。硫属化物玻璃中的各元素的比例可以变化。例如，一种具有适当的高折射率的硫属化物玻璃可由5-30摩尔％的砷、20-40摩尔％的锗及30-60摩尔％的硒组成。
具有高折射率的重金属氧化物玻璃的例子包括包含Bi2O3，PbO，Tl2O3，Ta2O3，TiO2及TeO2的玻璃。
具有适当的高折射率的非晶合金包括Al-Te，R-Te(Se)(R＝碱金属(alkali))。
用于形成低折射率部分的具有适当低折射率的材料包括氧化物玻璃、卤化物玻璃、聚合物及它们的组合。适合的氧化物玻璃可包括含有以下化合物中的一个或多个的玻璃0-40摩尔％的M2O，其中M为Li，Na，K，Rb或Cs；0-40摩尔％的M’O，其中M’为Mg，Ca，Sr，Ba，Zn或Pb；0-40摩尔％的M”2O3，其中M”为B，Al，Ga，In，Sn或Bi；0-60摩尔％的P2O5；及0-40摩尔％的SiO2。
许多卤化物玻璃可满足低折射率的要求；氟化物玻璃及混合的氧化-氟化物玻璃，例如磷酸盐-氯化物特别适合作匹配材料。
包括在碳酸盐类、砜类、醚-酰亚胺类(etherimid-family)及丙烯酸酯类聚合物以及含氟聚合物也是很好的匹配候选材料。
高折射率差的纤维波导的各部分可任选地包括其它材料。例如，任何部分可包括一个或多个改变该部分折射率的材料。其中可包括增大该部分折射率的材料。这些材料例如可包括氧化锗，它能够增加包含硼硅酸盐玻璃的部分的折射率。可选择地，一个部分也可包括减小该部分折射率的材料。例如，氧化硼可减小包含硼硅酸盐玻璃的部分的折射率。
高折射率差的纤维波导的各部分可为匀质的(homogeneous)或非匀质的。例如，一个或多个部分可能包括埋入(embed)在主材料中的一种材料的纳米颗粒(例如可最小限度散射被导引的波长上的光的足够小的颗粒)形成非匀质部分。这种情况的一个例子是由在主聚合物中埋入高折射率的硫属化物玻璃的纳米颗粒形成的高折射率聚合物的复合物。另外的例子包括在无机玻璃基质(matrix)中的CdSe和/或PbSe纳米颗粒。非匀质纤维部分的其它例子包括所谓的“有孔”部分。有孔部分包括一个或多个沿波导轴延伸的空心区域或孔。空心区域可被填入流体(例如气体或液体)。例如，填入空气的空心区域可降低该部分的折射率，因为空气的折射率nair≈1。在一些实施例中，纤维波导可能包括相同材料的有孔部分及无孔部分。例如，纤维波导可能包括外包层，该外包层具有实心玻璃的部分及带有空心区域的玻璃部分。由于空心区域的折射率低，具有空心区域的部分的折射率低于实心部分的折射率。
高折射率差的纤维波导的各部分可包括能改变纤维中这些部分的机械、流变和/或热力学特性的材料。例如，一个或多个部分可包括增塑剂(plasticizer)。这些部分可包括能抑制纤维中的结晶或抑制其它不希望出现的相变特性的材料。例如，聚合物中的结晶可通过包含交联剂(cross-linking agent)(例如光敏交联剂)来抑制。在其它例子中，如果需要玻璃陶瓷材料的话，可在材料中包含成核剂(nucleating agent)，如TiO2或ZrO2。
这些部分也可包括被设计用于影响纤维中相邻部分之间的界面的化合物。这样的化合物包括粘接促进剂(adhesion promoter)及相容剂(compatibilizer)。例如，有机硅烷化合物可用于促进基于硅石的玻璃部分和聚合物部分之间的粘接。例如，磷或P2O5与硫属化物玻璃及氧化物玻璃均兼容，且其可促进由这些玻璃形成的各部分之间的粘接。
高折射率差的纤维波导可包括专用于特殊纤维波导应用的附加材料。例如在纤维放大器中，任何部分可由在纤维中能与光信号交互作用的任何掺杂物或掺杂物的组合形成，以增强纤维对一个或多个光波长的吸收或发射，例如，至少一种稀土离子如铒离子、镱离子、钕离子、钬离子、镝离子和/或铥离子。
高折射率差的纤维波导的各部分可包括一种或多种非线性材料。非线性材料是增强波导的非线性响应的材料。具体地，非线性材料具有比硅石大的非线性响应。例如，非线性材料具有克尔非线性折射率n(2)，大于硅石的克尔(Kerr)非线性折射率(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)。
当使用拉制方法制造坚固的高折射率差的纤维波导时，并非具有足够不同折射率的每一对材料就必定是合适的。通常，应选择在流变、热机械及物理化学方面兼容的材料。下面将讨论明智地选择兼容材料的几个准则。
第一个准则是选择在流变方面兼容的材料。换言之，对应于在纤维拉制及操作的不同阶段期间经受的温度，选择在很宽温度范围上具有相近粘度的材料。粘度是在施加的剪切应力下流体流动的阻力。这里对粘度引用单位“泊”(Poise)。在详细阐述流变兼容性之前，对于给定材料定义一组特性温度，这些特性温度是该给定材料具有特定粘度时的温度。
退火点Ta是材料具有1013泊的粘度时的温度。Ta可使用来自Orton Ceramic Foundation(美国俄亥俄州，Westeville)的SP-2A型号的系统来测量。通常，Ta是一块玻璃的粘度足够低到允许释放残余应力的温度。
软化点Ts是材料具有107.65泊的粘度时的温度。Ts可使用软化点仪器，例如来自Orton Ceramic Foundation(美国俄亥俄州，Westeville)的SP-3A型仪器来测量。软化点涉及材料的流动在性质上从塑性(plastic)变为粘性(viscous)的温度。
工作点Tw是材料具有104泊的粘度时的温度。Tw可使用玻璃粘度计，例如来自Orton Ceramic Foundation(美国俄亥俄州，Westeville)的SP-4A型号的玻璃粘度计来测量。工作点涉及玻璃易于被拉制成纤维的温度。例如在一些实施例中，当材料为无机玻璃时，该材料的工作点温度可能大于250℃，如300℃、400℃、500℃或更大。
熔化点Tm是材料具有102泊的粘度时的温度。Tm可使用玻璃粘度计，例如来自Orton Ceramic Foundation(美国俄亥俄州，Westeville)的SP-4A型号的玻璃粘度计来测量。熔化点涉及玻璃变成液体，及对于纤维的几何形状保持来说纤维拉制过程的控制变得非常困难的温度。
要实现在流变方面兼容，两种材料需在宽泛的温度范围内具有相近的粘度，即从纤维被拉出的温度到纤维不能再以可辨别的速率释放应力的温度(例如在Ta处)或更低的温度的范围内具有相近的粘度。因此，两种兼容材料的工作温度应相近，使得在拉制时两种材料以相近的速率流动。例如，如果在第二材料的工作温度Tw2处测量第一材料的粘度η1(T)，则η1(Tw2)应至少为103泊，例如为104泊或为105泊，且不大于106泊。此外，当已拉制的纤维冷却时，两种材料的特性应在相近的温度处从粘性转变到弹性。换言之，两种材料的软化温度应该接近。例如在第二材料的软化温度Ts2处，第一材料的粘度η1(Ts2)应至少为106泊，例如为107泊或为108泊，且不大于109泊。在优选实施例中，应可以一起退火两种材料，因此在第二材料的退火温度Ta2处，第一材料的粘度η1(Ta2)应至少为108泊(例如至少为109泊，至少为1010泊，至少为1011泊，至少为1012泊，至少为1013泊，至少为1014泊)。
此外，为了在流变方面兼容，粘度作为温度的函数的改变(即粘度斜率)对于两种材料最好应尽可能接近地匹配。换言之，当材料为玻璃时，一种短玻璃应与另一短玻璃配对(其中短玻璃是具有作为温度函数的粘度的陡峭斜率的玻璃，与长玻璃相反)。例如，对于高折射率的基于Bi2O3的玻璃，短的硼硅酸盐玻璃应比具有类似拉制温度的长的磷酸盐玻璃能更好地匹配，因为Bi2O3形成短玻璃。
第二个选择准则是，在退火温度与室温之间的温度处，每一材料的热膨胀系数(TEC)应是相近的。换言之，当纤维冷却其流变状态从类似液态变为类似固态时，两种材料的体积变化的量应相似。如果两种材料的TEC并不充分匹配时，在两个纤维部分之间的较大的体积改变的差异可引起大量残余应力的形成，这可能引起一个或多个部分的破裂和/或脱层。残余应力还可能引起延迟的破裂，甚至在应力比材料的断裂应力低很多时也如此。
TEC是随着温度的改变样本长度上的相对改变的量度。参照图2，该参数对于给定材料可由温度-长度(或等效地用温度-体积)曲线的斜率来计算。材料的温度-长度曲线可使用例如膨胀计，如来自Orton Ceramic Foundation(美国俄亥俄州，Westeville)的1200D型号的膨胀计来测量。TEC可在选定的温度范围上测量，也可作为给定温度时的瞬时变化来测量。其量值的单位是“℃-1”。应注意，在温度-长度曲线中有两个具有不同斜率的线性区域。还有一个曲线从第一到第二线性区域变化的转换区域。该区域与玻璃的转换有关，在该区域中玻璃样本的特性从通常与固态材料相关的特性转换到通常与粘性流体相关的特性。这是一个连续的转换，其特征在于与斜率的不连续变化形成对照的温度-体积曲线斜率的逐渐变化。玻璃转变温度Tg可被定义为玻璃的固体流线(solid fluid line)与粘性流线(solid fluid line)相交的温度，如图2中所示。玻璃转变温度是与材料流变从脆性固态到可流动固态的改变相关的温度。在物理上，玻璃转变温度涉及激发材料中各个分子平移及旋转模式所需的热能。该玻璃转变温度通常作为近似的退火点，在该点上粘度为1013泊，但实际上，测得的Tg值是相对值且取决于测量技术。
如图2中所示，也可使用膨胀计来测量膨胀软化点(dilatometricsoftening point)Tds。通过在样本上施加小的压缩负载并加热样本来使膨胀计工作。当样本温度变得足够高时，材料开始软化且压缩负载引起样本的挠曲，这时将观察到体积或长度的减小。这一相对值被称为膨胀软化点，其通常发生在材料粘度在1010与1012.5泊之间的时候。材料的Tds的精确值通常依赖于仪器及测量参数。当使用类似的仪器及测量参数时，该温度提供了在该粘度状态(regime)下不同材料的流变兼容性的有用量度。
如上所述，TEC的匹配是获得使纤维免除拉制过程期间可能在纤维中产生的过大的残余应力影响的重要考虑因素。通常，当两种材料的TEC不能充分匹配时，残余应力作为弹性应力出现。该弹性应力分量源于从玻璃转变温度到室温(例如25℃)冷却时纤维中不同材料之间体积收缩的不同。体积的改变由TEC及温度的变化决定。对于在拉制过程中纤维中的材料在任何界面上变为熔化或粘接的实施例，材料各自的TEC的不同将在界面处产生应力。一种材料将处于拉伸状态(正应力)而另一材料将处于压缩状态(负应力)，因此总的应力为零。中等程度的压缩应力本身对于玻璃纤维通常不是主要问题，但拉伸应力是不希望出现的，且经过长时间可能导致失效。因此，较理想的是，减小组成材料的TEC差，以减少拉制期间纤维中弹性应力的产生。例如，在由两种不同材料构成的复合纤维中，在Tg与室温之间以3℃/min的加热速率用膨胀计测量的各玻璃的TEC之间的绝对值差应不大于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)。
虽然选择具有相近TEC的材料可最小化弹性应力分量，但残余应力也可由粘弹性应力分量产生。当组成材料的应变点(strain point)或玻璃转变温度之间的差别足够大时将出现粘弹性应力分量。如图2中曲线所示，当材料冷却到低于Tg时，将经历相当大的体积收缩。此外，当在冷却后的转换中粘度变化时，消除应力所需的时间从零(瞬时地)上升到若干分钟。例如，考虑由两种或多种玻璃组成的复合预制棒，每种玻璃具有不同的玻璃转换范围(及不同的Tg)。在初始的拉伸期间，玻璃表现为粘性流体，由拉伸应变所导致的应力瞬时消除。在离开拉制炉的最热部分后，玻璃纤维迅速地失去热度，引起材料的粘性与应力消除时间一道指数地增加。当冷却到各自的Tg时，每种玻璃实际上不能消除任何应力，因为应力消除时间与拉伸速率相比变得很长。因此，假定各组分玻璃具有不同的Tg值，第一种玻璃冷却到其Tg时不再能减小应力，而第二种玻璃仍处于其Tg之上且可消除在玻璃之间产生的应力。一旦第二玻璃冷却到其Tg，则在玻璃之间出现的应力不再能有效地消除。此外，在该点上第二玻璃的体积收缩比第一玻璃(该第一玻璃现在处于其Tg一下且表现为脆的固体)的体积收缩大得多。这种情况可导致玻璃之间产生足够应力，使得一个或两个玻璃部分机械地损坏。这引出了用于选择纤维材料的第三个选择准则较理想的是，使各组分玻璃的Tg差最小化，以减少拉制期间纤维中粘弹性应力的产生。优选地，第一材料的玻璃转变温度Tg1应在第二材料的玻璃转变温度Tg2的100℃范围以内(例如|Tg1-Tg2|应小于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℃)。
因为存在两个因各组成材料之间的区别导致在拉制出的纤维中产生永久应力的机制(即弹性及粘弹性)，因此可利用这些机制进行彼此抵消。例如，如果材料的Tg的不匹配可引起相反符号的应力，则构成纤维的这些材料可自然地抵消由热膨胀的不匹配引起的应力。相反地，如果材料的热膨胀能减小总的永久应力，则材料之间较大的Tg差是可接受的。参考图3，评价热膨胀与玻璃转变温度差的组合效应的方式之一是比较每个组成材料的温度-长度曲线。在使用上述斜率正切(slope-tangent)方法找出每个玻璃的Tg后，沿纵轴移动一个曲线，使这些曲线在较低的Tg温度值(图3中所示的Tg1)处重合。在室温处截得的y轴的差就可给出应变ε，其为如果这些玻璃未结合时的期望值。对于在从Tg到室温的温度范围上表现出较大收缩量的材料的期望拉伸应力σ可由下式简单地计算出σ＝E·ε，式中E为该材料的弹性模数。典型地，小于100MPa(例如，小于50MPa，小于30MPa)的残余应力值，为表示两个材料是可匹配的足够小的值。
第四个选择准则是候选材料的热稳定性的匹配。热稳定性的量度由温度间隔(Tx-Tg)给出，其中Tx为当材料冷却足够慢到每一分子可找到其最低能态时结晶开始时的温度。因此，晶相对于材料来说是比玻璃相在能量上更有利的状态。但是，当材料用于纤维波导应用时，其玻璃相通常比晶相具有性能和/或制造上的优点。结晶温度越接近玻璃转变温度，则拉制时材料越容易结晶，这可能损害纤维(例如，通过在纤维中导入可能增加传输损耗的光学非匀质性损害纤维)。通常，至少为80℃(例如，至少100℃)的热稳定间隔(Tx-Tg)足够允许玻璃通过从预制棒重拉制纤维而纤维化。在优选实施例中，热稳定间隔至少为120℃，如150℃、200℃或更大。Tx可使用热分析仪器、如差热分析仪(DTA)或差示扫描量热计(DSC)来测量。
选择可以共同拉制的材料的其它考虑因素是材料的熔化温度Tm。在熔化温度时，材料的粘度变得太低，以致在纤维拉制中不能成功地保持其精确的几何形状。因此，在优选实施例中，一种材料的熔化温度高于第二种流变兼容的材料的工作温度。换言之，当加热预制棒时，在预制棒中任一材料熔化前，预制棒可达到其可被成功拉制的温度。
能够形成高折射率差的纤维波导的流变兼容材料的具体组合的例子包括下列组合。
具有组合物Ge33As12Se55的硫属化物玻璃是适合的高反射率材料。它在1.5微米波长时的折射率为2.5469且在587.56纳米波长(这是通常测量折射率所使用的钠的d线(sodium d-line)的波长，并被称为nd)时折射率更高。该玻璃易于以不同的形状成形及制造。它的结晶的起始点(Tg)约为500℃且在50℃-320℃范围内的热膨胀系数(TEC)为12.0-13.5×10-6℃。该组合物还呈现高的光学匀质性及在红外频率上的低的吸收损耗。该玻璃可从市场上以出自Amorphous Materials公司(美国德克萨斯州，Garland)的AMTIR-1的商品名称得到。此外，该玻璃具有的玻璃转变温度为Tg＝365℃，膨胀软化温度Tds＝391℃，软化点温度Ts＝476℃，并具有拉制温度为Td＝515℃。Td是在第一温度的炉中悬挂一个玻璃棒(直径约4-7毫米及长度约3-6英寸)，其中棒的下三分之一放置在炉中心来测量的。如果在5分钟后该棒未软化拉长为纤维，则使炉温上升10℃。重复该步骤，直到棒软化并能容易地被拉成细的纤维(例如直径小于300微米)为止。发生这种现象时的温度即为拉制温度Td。应注意Td不同于上述根据材料的粘度来确定的特征温度。


表1与Ge33As12Se55兼容的玻璃的例子参见图4-13，测量了9种低折射率玻璃的热膨胀曲线并将它们与Ge33As12Se55的热膨胀进行了比较。表1示出这9种玻璃中的每一个的参数Tg、Tds、Ts及Td。表1还将对于每个参数低折射率玻璃的值与Ge33As12Se55的值之间的差显示为ΔTg、ΔTds、ΔTs及ΔTd。应注意，低折射率玻璃Q-100是市面上可从Kigre公司(美国南卡罗来纳州，Hilton Head)获得的玻璃的商品名。
这9种低折射率玻璃将与Ge33As12Se55共同拉制，如下所述。将可以圆横截面或方横截面的棒的形式获得的每种低折射率玻璃与Ge33As12Se55合并成单件。通过将一个棒保持靠近另一棒并将它们在炉中加热使这些棒合并成一个件。棒被加热到接近两个材料软化温度中较高的温度上使棒之间可以形成结合。不充分兼容的材料不能合并且如果结合是大范围时将破裂，或者在冷却到室温后将分离。为了共同拉制合并后的样本，每个样本被悬置在炉中加热到足以使两个材料软化并可被拉制成纤维的温度。在该试验期间，如果样本中的一个材料比另一材料软化或液化明显得多将会很清楚地看到。此外，如果材料的粘度不充分匹配，则一种材料将在另一材料被足够软化到能拉制前，过分地软化及变形和/或挥发。由不匹配材料形成的样本在冷却时呈现出永久的弯曲。对于表1中所列的9种低折射率玻璃，仅发现10Li2O-40PbO-20B2O3-30SiO2与Ge33As12Se55不兼容。
参照图13，该低折射率玻璃10Li2O-40PbO-20B2O3-30SiO2可成功地与另一硫属化物玻璃Ge40As25Se25共同拉制。因此，组分上的改变可能影响一个具体材料与另一材料的兼容性。
以上基于实际的共同拉制试验讨论了高折射率材料及低折射率材料的兼容性。外推的经验性流变数据能够识别可兼容的高折射率材料及低折射率材料。这种分析可使用SciGlass和/或SciPolymer数据库(可从美国马萨诸塞州，Burlington，SciVision得到)来执行。参照图14A-17，使用Priven-2000方法由SciGlass及SciPolymer数据库来产生流变数据。该数据的讨论如下。
一种合适的与Ge33As12Se55兼容的低折射率玻璃可能为碱金属硼硅酸盐玻璃，其组分为(单位为摩尔％)26SiO2-31B2O3-12Na2O-12K2O-6Li2O-13PbO。该合成物易于玻璃化且该玻璃具有与其硫属化物玻璃配对(partner)相近的热稳定性它具有Tg＝401℃，折射率nd＝1.62及TEC＝13.9×10-6/℃。这两种玻璃的粘度曲线在包括纤维拉制温度(粘度＝103-106泊)的宽泛的温度范围上重叠。此外，这些玻璃在化学方面是兼容的，产生的效果是在550℃上接触时可得到平滑及匀质的界面。
基本的玻璃组分可被修改以调节其物理特性。这也在图14A中示出。另一种具有稍微不同组分的硼硅酸盐玻璃33.6SiO2-21.7B2O3-44.7Na2O(摩尔％)具有的特性为nd＝1.70，Tg＝395℃及TEC＝12.9×10-6/℃。降低玻璃中碱金属的含量将增加其热稳定性并使其热膨胀系数接近Ge33As12Se55的热膨胀系数，并可在粘度为103.5-107.5泊的温度范围内得到实际上相同的粘度曲线。这种效应伴随着nd的增加，但仍可提供与Ge33As12Se55玻璃的足够高的折射率差。
用于匹配Ge33As12Se55的低折射率玻璃的另一选择可来自于磷酸盐玻璃类。例如图14A示出了52P2O3-20Li2O-4K2O--15Sc2O3-9BaO(摩尔％)玻璃。与以上讨论的硼硅酸盐玻璃相比较，该磷酸盐玻璃在热稳定性方面是更好的选择。此外，Sc2O3的存在被公知可改善磷酸盐玻璃的化学耐久性。该磷酸盐玻璃的热膨胀(TEC＝11.2×10-6/℃)接近Ge33As12Se55玻璃的热膨胀，其nd＝1.60。其Tg＝426℃且其拉制温度范围(粘度为103-106泊)中的粘度特性可很好地与Ge33As12Se55玻璃的粘度特性匹配。
硫属化物及氟化物玻璃的组合也能提供纤维波导中的高折射率差。例如，参照图14B，具有nd＝2.5的硫属化物玻璃Ge20Se80可与具有nd＝1.3的58BeF2-15CsF(摩尔％)的氟化物玻璃配对。
参照图15，高折射率重金属氧化物玻璃，45Bi2O3-40PbO-15Ga2O3(单位摩尔％)与低折射率氧化物玻璃的两个组合可使用它们的粘度、热膨胀及稳定性来识别。基于铅铋酸盐的玻璃具有折射率nd＝2.32，Tg＝350℃及TEC＝12.7×10-6/℃。该玻璃的粘度-温度特性与前述示例中硫属化物玻璃的该特性不同，因此，上述硼硅酸盐玻璃不能理想地匹配。可代替地，某些低折射率碱金属硅酸盐及磷酸盐玻璃可与这些重金属氧化物玻璃配对。具有组分44SiO2-12PbO-38Li2O-6SrO及58P2O5-14MgO-8Na2O-20Li2O(摩尔％)的每个硅酸盐及磷酸盐玻璃类型的例子的粘度-温度特性在图15中示出。这两种玻璃的粘度曲线在拉制温度区域中与45Bi2O3-40PbO-15Ga2O3玻璃的曲线紧密地匹配。硅酸盐玻璃的热膨胀系数(TEC＝13.8×10-6/℃)比磷酸盐玻璃的TEC(TEC＝14.2×10-6/℃)更接近高折射率Bi-Pb玻璃的热膨胀系数，但磷酸盐玻璃的折射率，nd＝1.50，低于硅酸盐玻璃的折射率，nd＝1.64。同样，根据具体的实施，可选择这两种低折射率玻璃中的任何一个作为45Bi2O3-40PbO-15Ga2O3玻璃的匹配。
数目众多的聚合物也是适合于和无机玻璃共同拉制，以形成复合的高折射率差的纤维波导的低折射率材料。例如，参照图16，聚醚一酰亚胺-5(polyetherimid-5)及As40Se60玻璃的粘度-温度曲线表明它们是适合于共同拉制的材料。聚醚-酰亚胺-5及As40Se60玻璃分别具有1.64及2.9的折射率(nd)。
改变硫属化物玻璃中砷/硒的比例并不明显地改变其高折射率，但可带来改变该玻璃粘度并使其流变参数与不同等级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，硫属化物As50Se50可与聚三环1(polytricyclic 1)组合，As30Se70可与聚[2，2-丙烷-双-(4-(2，6-二溴苯基)碳酸酯)](poly[2，2-propane bis(4-(2，6-dibromophenyl)carbonate])组合，及As5Se95可与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)组合。其它的硫属化物玻璃也可被组合与聚合物共同拉制，例如Ge10Se90可与聚[4.4’-砜二苯氧基二(4-苯撑)砜](poly[4.4’-sulfone diphenoxy di(4-phenylene)sulfone])组合。
参照图17，来自Ga2S3类的高折射率玻璃与多组分氧化物玻璃相耦合。这些玻璃与上例示例相比为更高的熔化玻璃(melting glass)且在流变方面可与各种硼硅酸盐、硅酸盐及磷酸盐玻璃匹配。例如，具有折射率为2.5的70Ga2S3-30La2S3可与具有折射率为1.53，TEC＝8.5×10-6/℃的22SiO2-54B2O3-18Na2O-6PbO(组分以摩尔％为单位给出)匹配。
上面已讨论了选择适合用于高折射率差的纤维波导的材料，及识别这些材料的准则，现在将关注对沿波导轴传播的频率子集的光辐射提供径向约束的波导结构的具体例子。具体地，现在将描述光导纤维及光子晶体光纤的例子。在这两种情况下，选择波导材料以具有高折射率差，都将提高波导径向限制被导引的模式的能力。
参照图18，高折射率差光导纤维701包括沿波导轴延伸的纤芯710及围绕纤芯710的外包层720。纤芯710包括高折射率材料，例如硫属化物玻璃。外包层720包括低折射率材料，例如氧化物玻璃和/或卤化物玻璃。因此，纤芯710具有的折射率nH比外包层720的折射率nL高。导入纤芯的特定光辐射在纤芯-外包层的界面上被完全内部地反射，并基本上被限制至纤芯。这些被导引的模式的波长及数目取决于光导纤维701的结构，及纤芯与外包层材料的特性。典型地，光导纤维可支持的模式数目随着纤芯直径的增大而增加。
纤芯710与外包层720、光纤701之间的高折射率差，对应于较大的数值孔径(NA)，数值孔径被定义为NA＝(nH2-nL2)1/2。例如，光导纤维701可能具有至少0.7(例如，至少约0.8，至少约0.9，至少约1.0，至少约1.1，至少约1.2，至少约1.3)的NA。
在一些实施例中，纤芯710可能具有较小的直径。由于纤芯与外包层之间较大的折射率差，高折射率差的光导纤维可有效地将模式限制至小直径的纤芯。例如，纤芯710可具有小于10微米的直径，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。
高折射率差的纤维波导也包括借助完全内部反射(TIR)以外的方式将光径向地限制至光路的波导。例如，高折射率差的纤维波导可包括使用具有径向调制折射率的限制区域将光限制至纤芯区域的纤维波导。这样的纤维波导的例子包括光子晶体光纤，如布拉格光纤。
参照图19，光子晶体光纤1301包括沿波导轴延伸的介电纤芯1320及围绕该纤芯的介电限制区域1310(例如多层外包层)。在图19的实施例中，显示限制区域1310包括具有不同折射率的介电材料的交替的层1330及1340。一组层，如1340，限定了具有折射率nH及厚度dH的高折射率层组，而另一组层，如1330，限定了具有折射率nL及厚度dL的低折射率层组，其中nH＞nL。仅为方便起见，在图19中仅示出了几个该介电限制层。实际上，限制区域1310可包括多得多的层(例如20个或更多的层)。
通常，层1340包括具有高折射率的材料，例如以上说明中列举的高折射率材料。这些材料包括例如硫属化物玻璃、重金属氧化物玻璃及非晶合金。但更普遍的是，层1340可由具有足够高的折射率并与构成层1330的材料在流变方面兼容的任何材料或材料的组合构成。每个层1340中的材料可为相同的或不同的。
层1330包括具有低折射率的材料，例如以上说明中列举的低折射率材料，如氧化物玻璃、卤化物玻璃或特定的聚合物。更普遍的是，层1330可由具有足够低的折射率并与构成层1340的材料在流变方面兼容的任何材料或材料的组合构成。每个层1330中的材料可为相同的或不同的。
在本实施例中，纤芯1320包括固体介电材料，如高折射率或低折射率玻璃。但总体上，纤芯1320可包括在流变方面与构成限制区域1310的材料兼容的任何材料或材料的组合。在一些特定的实施例中，纤芯1320可包括一种或多种掺杂材料，如上述的那些掺杂材料。可选择地，纤芯1320可为空心纤芯。任选地，该空心纤芯可被填充以流体，如气体(例如空气，氮气和/或惰性气体)或液体(例如各向同性的液体或液晶)。
光子晶体光纤1301具有圆的横截面，其纤芯1320具有圆的横截面且区域1310(及其中的层)具有环形横截面。但在其它实施例中，波导及其构成区域可具有不同的几何横截面，如矩形或六边形横截面。此外，如下文将提到的，纤芯及限制区域1320和1310可包括具有不同折射率的多种介电材料。在此情况下，可能会提到给定区域的“平均折射率”，平均折射率是指该区域各组成部分的加权折射率的和，其中每个折射率用该区域中其组成部分的部分面积加权。但是，区域1320及1310之间的边界用折射率的变化来限定。该变化可由两种不同介电材料的界面引起或由同一介电材料中的不同掺杂浓度(例如，硅石中的不同掺杂浓度)引起。
介电限制区域1310引导第一波长范围内的EM辐射沿波导轴在介电纤芯1320中传播。该限制机制是基于区域1310中形成包括该第一波长范围的带隙的光子晶体结构。因为该限制机制并非折射率导引，因此纤芯不一定具有比与纤芯紧邻的限制区域部分更高的折射率。相反地，纤芯1320可具有比限制区域1310更低的平均折射率。例如，纤芯1320可为空气、某些其它气体如氮气，或实质上被抽成真空。在此情况下，在该纤芯中被导引的EM辐射将具有比在硅石纤芯中被导引的EM辐射小得多的损耗及小得多的非线性交互作用，反映出许多气体相对于硅石或其它这样的固体材料更小的吸收及非线性交互作用常数。例如，在其它的实施例中，纤芯1320可包括多孔的介电材料以对周围的限制区域提供一些结构支持，同时仍能限定出大部分为空气的纤芯。因此，纤芯1320不需要具有均匀的折射率截面(index profile)。
限制区域1310的交替层1330与1340形成了公知的所谓布拉格光纤。这些交替层类似于平面介电叠层反射器(planar dielectric stackreflector)(公知为布拉格反射镜)的交替层。限制区域1310的环形层及介电叠层反射器的交替平面层均为光子晶体结构的例子。光子晶体结构总体上在由John D.Joannopoulos等人著的“光子晶体”(Photonic Crystals)中描述(普林斯顿大学出版社，美国新泽西州，普林斯顿，1995年)。
如这里所使用的，光子晶体是具有折射率调制的介电结构，该折射率调制在光子晶体中产生光子带隙。这里所使用的光子带隙，是一个波长(或其倒数频率)的区域，在该区域中介电结构中没有可达到的延伸的(accessible extended)(即传播的，非固定的)状态。典型地，该结构是周期性的介电结构，但它也可以包括譬如更复杂的“准晶”(quasi-crystals)。通过将光子晶体与偏离带隙结构的“缺陷”区域相组合，带隙能被用来限制、引导和/或定位光。此外，对于带隙之上或之下的波长均具有可达到的延伸的状态，使得光即使在低折射率区域中也可被限制(与例如上述的折射率导引的TIR结构相反)。“可达到”一词意味着这样的状态，通过该状态耦合尚未被系统的某些对称或守恒定律禁止。例如，在两维系统中，偏振是守恒的，因此只有类似的极化状态需要从带隙中排除。在具有均匀横截面的波导(例如常规的纤维)中，波矢量β是守恒的，因此只有具有给定β的状态需要从带隙中排除以支持光子晶体导引的模式。此外，在具有圆柱形对称性的波导中，“角动量”折射率m是守恒的，因此只有具有相同m的模式需要从带隙中排除。简言之，对于高对称性的系统，光子带隙的要求与其中所有状态(不考虑对称性)均被排除的“完全”带隙相比，显著地放宽了。
因此，介电叠层反射器在光子带隙中是高反射性的，因为EM辐射不能通过叠层传播。类似地，限制区域1310中的环形层提供了限制，因为它们对带隙中的入射辐射是高反射性的。严格地说，仅当光子晶体中折射率调制具有无限的范围时光子晶体在带隙中才是完全反射的。否则，入射辐射可经由在光子晶体的任何一侧耦合传播模式的瞬逝(evanescent)模式对光子晶体“通过隧道”(tunnel)。但在实践中，这种通过隧道的速率随光子晶体的厚度(例如，交替层的数目)指数地下降。它也随限制区域中的折射率差的幅值而下降。
此外，光子带隙可仅在传播矢量的相对小的区域中延伸。例如，介电叠层可对垂直入射辐射为高反射性而对于非垂直入射辐射仅为部分反射性。“完全光子带隙”是在所有可能的波矢量及所有偏振上延伸的带隙。总体上，完全光子带隙仅与具有沿三维的折射率调制的光子晶体相关。但是，在EM辐射从相邻的介电材料入射在光子晶体上的情况下，也可定义出“全向光子带隙”，它是用于相邻的介电材料支持传播EM模式的所有可能波矢量及偏振的光子带隙。等同地，全向光子特隙可被定义为用于光线之上的所有EM模式的光子带隙，其中光线被定义为相邻的光子晶体所支持的最低频率传播模式。例如，在空气中光线近似由式ω＝cβ给出，式中ω为辐射的角频率，β为波矢量，及c为光速。全向平面反射器的描述在美国专利US 6,130,780中公开，该专利申请的内容结合于此作为参考。此外，使用交替节点层提供用于圆柱形波导几何结构的全向反射(在平面界限中)PCT申请公开WO 00/22466中公开，该公开的内容结合于此作为参考。
当限制区域1310中的交替层1330及1340相对纤芯1320引起全向带隙时，将很强地限制被导引的模式，因为在原理上，从纤芯入射在限制区域上的任何EM辐射被完全地反射。但是，这样的完全反射仅在具有无限数目的层时才发生。对于有限数目的层(例如，约20层)，对于从0°至80°的所有入射角及对于具有全向带隙中的频率的所有EM辐射的偏振，全向光子带隙可相应于至少95％的平面几何结构中的反射。此外，即使当光子晶体光纤1301包括具有非全向带隙的限制区域时，它可以仍然支持被较强导引的模式，例如对于带隙中的一频率范围具有小于0.1dB/km辐射损耗的模式。总体上，带隙是否为全向将倚赖于由交替层产生的带隙尺寸(其总体上以两个层的折射率差为标度)及光子晶体的最低折射率的成分。
在附加实施例中，介电限制区域可包括不同于多层布拉格配置的光子晶体结构。例如，不是作为一维的周期性光子晶体的例子的布拉格配置(在平面界限中)，而是可选择该限制区域以形成例如二维的周期性光子晶体(在平面界限中)，如对应于蜂窝结构的折射率调制。参见例如R.F.Cregan等人在Science 285(期)，第1537-1539页，1999年的文章。此外，即使在类似“布拉格”的配置中，高折射率层也可在折射率及厚度上变化，和/或低折射率层可在折射率及厚度上变化。限制区域也可包括包含每周期多于两层(例如每周期3层或更多层)的周期性结构。此外，在限制区域内折射率调制可作为半径的函数连续或不连续地变化。总之，限制区域可基于产生光子带隙的任何折射率调制。
在本实施例中，多层结构1310因为具有相对径向轴的周期性的折射率变化而形成布拉格反射镜。一种适合的折射率变化是近似四分之一波的条件。已经公知，对于垂直入射，对于“四分之一波”叠层可获得最大带隙，在“四分之一波”叠层中每个层具有相等的光学厚度λ/4，或等效地表示为dH/dL＝nL/nH，其中d及n分别表示高折射率层及低折射率层的厚度及折射率。这些层分别相应于层1340及1330。垂直入射相应于β＝0。对于圆柱形波导，所需模式通常位于光线ω＝cβ(在大的纤芯半径界限中，最低阶的模式为基本上沿z轴、即波导轴传播的平面波)附近。这时，四分之一波的条件变为dHdL=nL2-1nH2-1]]>
严格地说，该等式不一定是完全最佳的，因为四分之一波的条件可被圆柱形几何结构修改，其可能需要每层的光学厚度随着径向坐标平滑地变化。然而，我们发现该等式对于优化许多期望的特性提供了绝佳的指导，尤其是对于比中间带隙波长更大的纤芯半径。
光子晶体光纤的一些实施例在发明人为Steven G.Johnson等人、申请日为2002年1月25日名称为“具有大纤芯半径的低损耗光子晶体波导”(LOW-LOSS PHOTONIC CRYSTAL WAVEGUIDEHAVING LARGE CORE RADIUS)的美国专利申请系列号(U.S.S.N)10/057,258中描述。
高折射率差的光导纤维和高折射率差的光子晶体光纤均可实现将被导引的模式增强地径向限制到纤维纤芯。这是由纤维各部分之间、例如光导纤维的纤芯及外包层之间或布拉格光纤的交替层之间较大的折射率不匹配引起的。由于该较大的折射率不匹配，被导引的模式的电场强度在纤芯外面迅速衰减。因此，大部分被导引的模式的能量保留在纤芯中。这意味着，高折射率差的纤维波导可呈现出较低的与外包层中传播的被导引模式的能量相关的损耗。此外，这也意味着，即使对于很小的纤芯尺寸(例如具有小于2微米直径，如1微米或更小的纤芯)，仍能保持将大部分被导引的模式的能量限制至纤芯。当然，高折射率差的纤维波导也可具有较大的纤芯直径，如10微米或更大。
被导引的模式的径向延伸的量度是模场直径(MFD)。MFD是跨越单模光纤的端面的辐照度、即光焦度分布的特性。根据K.Peterman在“用于宽带散射补偿单模光纤的基本模式点尺寸的限制”(Constraints for fundamental-mode spot size for broadband dispersion-compensated single-mode fibers)(Electron.Lett.19期，第712-714页，1983年9月)中的描述，MFD在数学上可表达为
MFD=22[∫0∞|ψ(r)|2rdr∫0∞|dψ(r)dr|2rdr]1/2,]]>式中ψ(r)是在距离纤维轴的半径r处基本模式的近场的幅值。对于单模光导纤维中的高斯功率分布(即ψ(r)＝ψ0exp(-r2/(1/2MFD)2))，模场直径是电场及磁场强度降低到它们最大值的1/e处的直径，即功率降低到最大功率的1/e2处的直径，因为功率正比于场强的平方。
因此，在一些实施例中，高折射率差的纤维波导具有较小的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 Technology2，2，第191-197页(1984年)的“单模光纤中模场结果测量方法的一致性”(Consistency ofmeasurement methods for mode field results in a single-mode fiber)中所测量的那样-。
参照图20，对于光导纤维，MFD作为纤芯及外包层之间折射率差的函数而变化。这由对不同纤芯及外包层折射率值，最低阶的(LP01)模式的MFD作为纤芯半径的函数的计算来证实。应注意，根据例如H.Nishihara等人在“光学集成电路”(Optical IntegratedCircuits)(McGraw-Hill图书公司，纽约，1985年)中所述，对于对称(例如圆柱形对称)波导结构中的基本模式没有截止区(cut-off)，因此在对称纤维中，总是可支持LP01模式。在目前的示例中，外包层折射率nL取为1.5，且纤芯折射率nH可变化。当纤芯直径很小时(例如小于0.2微米)，模式被限制至纤芯的效果很差且MFD较大。随着纤芯尺寸增大，MFD下降到最小值，该值是纤芯及外包层折射率的函数。例如，对于纤芯折射率2.8、2.4及2.0(分别具有46％、36％及25％的折射率差)的最小的MFD分别约为0.73、0.92及1.27微米。当纤芯半径继续增大时，MFD从其最小值增大且光导纤维开始支持更高阶的模式。在图20中对于每个纤维的单模截止直径用星号表示。如每个曲线之间的差别所表示的，基本模式的最小MFD随着折射率差的减小而增大。
具有较小MFD的高折射率差的纤维波导可被用于将光从一个光学装置耦合到另一光学装置中。例如，参照图21，具有较小MFD的、圆锥形的高折射率差的纤维波导910将光从硅石纤维920耦合到光子集成电路930中。圆锥形的高折射率差的纤维波导910被设计成使得纤维模式在一端912处紧密地匹配硅石纤维的模式，且在另一端914处紧密地匹配光子集成电路930的模式。界面940及950可被涂以折射率匹配凝胶，以进一步使每个界面处的光信号反射最小化。
目前，将纤维耦合到光子集成电路通常是通过将硅石纤维直接“对接”到集成电路的端面(facet)上来实现的。但是，由于纤维与电路之间的模式尺寸通常差别较大，因此该耦合可能是无效的。通过将纤维作成锥形，由该模式尺寸差别所导致的损耗可减小到一定程度，但MFD通常不能减小到由纤维材料的折射率所强制的界限以下。其结果是，锥形纤维的硅石纤维模式可能仍不是足够地小到可将光有效地从该纤维耦合到许多具有亚微米模式尺寸的集成光学装置中。高折射率差的锥形纤维波导的使用提供了比传统硅石纤维更小的最小MFD，并可能减小潜在的与耦合具有不同模式尺寸的光学装置相关的损耗。
在一些实施例中，高折射率差的锥形纤维波导的使用可完全取代传统的纤维耦合。例如，通过将高折射率纤维直接绞合(pig-tail)到光源，高折射率差的纤维波导可直接将光从光源、例如激光器光源耦合到光子电路。
再次参照图18及19，光导纤维701具有匀质的纤芯710及单个的匀质的外包层720。同样，光子晶体光纤1310具有匀质的纤芯及包括匀质的层的限制区域1310。但更普遍地，高折射率差的纤维波导可具有复合的纤芯结构和/或复合的限制区域/外包层结构。例如，纤芯可包括具有不同折射率的多个部分或者为分级折射率的纤芯(例如，具有作为半径函数而改变的折射率分布的纤芯)。可选择地或附加地，限制区域/外包层可包括具有不同折射率的多个部分。在另一例子中，光子晶体光纤可包括具有连续变化的径向折射率分布(例如正弦折射率分布)的限制区域。
纤维波导中的附加部分或区域允许修整不同的纤维特性，如散射、非线性和/或弯曲敏感性，视具体的应用而定。例如，一高折射率差的纤维波导可被设计用于散射补偿的应用(即具有较高的正或负散射)。参照图22，高折射率差的纤维波导1001包括纤芯1010和围绕纤芯1010的外包层1020(例如，在光导纤维情况下的外包层，或在光子晶体光纤情况下的限制区域)。包括在纤芯1010与外包层1020之间的是色散修整区域1030。选择该色散修整区域的尺寸及组分，使得纤维波导1001具有特定的散射特性。高折射率差的光导纤维由于对不同波长的限制不同可能在选定的波长上具有较大的波导散射。
例如，高折射率差的光导纤维可具有较大的负的散射。参照图23，理论上，这种纤维可被设计成在所需光谱区域(在此情况下为1.55微米附近)上具有大于9000ps/nm-km的负散射。在此例中，高折射率差的纤维波导为光导纤维。该纤维的纤芯具有的折射率为2.8且半径为0.1710微米，散射补偿区域包括围绕纤芯的内层及围绕该内层的外层。该内层具有的折射率为1.5且半径为0.7645微米，而外层具有的折射率为2.4且半径为0.8210微米。围绕外层的该光导纤维的外包层具有的折射率为1.5。
光子晶体光纤中散射的修整在发明人为Steven G.Johnson等人、申请日为2002年1月25日名称为“具有修整的散射特性的光子晶体光波导”(PHOTONIC CRYSTAL OPTICAL WAVEGUIDESHAVING TAILORED DISPERSION PROFILES)的美国专利申请系列号10/057,440中描述。
高折射率差的纤维波导的各部分可用能与纤芯中光信号交互作用的任何材料或材料组合进行掺杂，以提供例如光信号的放大和/或光信号的升频变换(frequency-up conversion)。例如，在纤维放大器应用中，纤维纤芯可包括一种或多种稀土离子掺杂物(例如铒离子、镱离子、钕离子、钬离子、镝离子和/或铥离子)。
由于高折射率差的纤维波导中被导引的模式径向限制的增强，在小直径纤芯纤维中这些模式的光能量密度可能较大。因此，高折射率差的光导纤维可能具有增强的非线性响应。此外，由于增强的非线性响应，高折射率差的光导纤维可被用在非线性光学装置、如光导纤维及全光学开关上。尤其是，第三阶非线性效应(也称为克尔系数)直接正比于电场强度并由此反比于模式面积(modal area)(假定非线性系数及耦合入该纤维的总功率为常值)。例如，理论上，包括具有nH＝2.8的匀质的纤芯及具有nL＝1.5的匀质的外包层的高折射率差的光导纤维的MFD，对于λ＝1.55微米可小到0.73微米。相反地，典型的单模硅石光导纤维对于λ＝1.55微米具有的MFD约为10.4微米。因此，高折射率差的光导纤维的模式面积为硅石光导纤维模式面积的(0.73/10.4)2倍或比其小约200倍。其结果是，高折射率差的纤维的非线性响应增大了约200倍。
此外，对于纤芯由非线性玻璃、如硫属化物玻璃制成的实施例，甚至更大的非线性响应也是可能的。例如，根据Cardinal等人在J.Non-crystalline256-7，353(1999年)的“在As-S-Se系统中的硫属化物玻璃的非线性光学特性”(Non-linear optical properties ofchalcogenide glasses in the system As-S-Se)中，及根据Harbold等人在Opt.Lett.27(2)，119(1992年)的“用于全光学开关的高度非线性As-S-Se玻璃”(Highly nonlinear As-S-Se glasses for all-opticalswitching)中的描述，硫属化物玻璃的克尔非线性度可为1-2×10-17m2/W，约比硅石大400倍。因此，高折射率差的纤维可能具有约比硅石纤维等效物大80000倍的非线性光学响应(例如其中由于较小的MFD大200倍及由于高的非线性系数大400倍)。因此，高折射率差的光导纤维可用于例如通过四波混频的波长转换、二次谐波发生及光学参数产生等应用中。具有增强的非线性度的高折射率差光导纤维也可用于低功率超连续光谱发生，这种光谱发生在光谱学、高精度光学频率计量学及波分复用当中具有潜在的应用。这些应用在例如Agrawal的“非线性纤维光学”(Nonlinear Fiber Optics)第二版，Academic Press出版，San Diego(1995年)及Coen等人的“在光子晶体光纤中使用60ps泵脉冲的白光超连续发生”(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，讨论了在高折射率差的纤维波导中光能量的径向限制。在高折射率差纤维波导中在轴向上限制光能量也是可能的。此外，使用轴向限制可在高折射率差纤维波导中产生光腔。另外，由于增强的径向限制及随后由径向泄漏的能量引起的低能量损耗，在高折射率差纤维波导中的光腔可被作为一维空腔对待。
通过在纤维纤芯中提供轴向光调制可将光能量在高折射率差的纤维中进行轴向限制。轴向光调制可以是折射率和/或波导结构方面的调制或变化，其中调制的特征长度标度Λ处于在纤维中测量的、被纤维所导引的光的波长λ的量级(例如0.1λ≤Λ≤100λ)。在一些实施例中，轴向光调制可引起纤芯和/或围绕纤芯的部分中的轴向折射率的调制。相应地，纤芯可包括高折射率ncore，H的区域及低折射率ncore，L的区域。典型地，轴向折射率差(ncore，H-ncore，L)/ncore，H至少为0.01％，如，0.05％，0.1％或更大。在一些实施例中，轴向折射率差可大于1％，大于2％，大于3％，大于4％，大于5％，如10％或更大。
更一般地，可规定一个作为max(A(r，θ，z1，z2))的轴向光调制幅值Amax，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为轴向位置。对于|z1-z2|≤100λ及对于在纤维的各部分内的r来求A的最大值。通常，Amax(表示为百分比)等于或大于0.002％。视应用而定，Amax可合理地小，例如小于约0.1％，小于约0.05％，小于约0.01％。可选择地，Amax可以较大，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。
沿波导轴的光调制可能对纤维中传播的电磁波具有深远的作用。由于平移的对称性被打破，因此轴向上的动量不再守恒。当轴向光调制为周期性时，将出现具有相应守恒的布洛赫(Bloch)波数的布洛赫波解法(solution)。现在当在周期性介电结构(例如布拉格反射镜)中观察时，有限的纤维呈现传播的模式及指数衰减的模式。换言之，对于某些频率，光调制可反射在纤维中传播的光信号。
当该反射足够强时，轴向光调制可引起对于在纤维中传播的光信号的至少一个频率的至少一个工作模式的传输带隙。该传输带隙的大小ΔΩ由下式给出ΔΩ=Ω1-Ω212(Ω1+Ω2)]]>
式中Ω1及Ω2分别为在每个带隙边缘的50％传输强度位置处测量的顶端(top)传输带隙频率及底端(bottom)传输带隙频率。具有轴向光调制的纤维波导的传输带隙的大小可通过测量传输带隙区域中的纤维的传输光谱，由经验确定。
通常，在硅石纤维中周期性轴向光调制可具有从约0.01％至约0.1％的ΔΩ。在一些实施例中，高折射率差的纤维波导可能包括可提供较大传输带隙的周期性光调制，例如该较大的传输带隙大于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。
轴向光调制对纤维波导中光信号的作用在图24中示意性地说明。高折射率差纤维波导2401包括周期性光调制2410。包括具有第一频率ω1的分量及具有第二频率ω2的另一分量的输入信号2420从输入端2430进入纤维2401。轴向光调制2410为纤维2401中的某些信号频率打开传输带隙。该带隙包括频率ω1，但不包括频率ω2。相应地，轴向光调制2410较强地反射具有频率ω1的分量，但仅很小地影响具有频率ω2的分量，后者实质上穿过光调制2410传输。这样，具有频率ω1的反射信号2440从输入端2430离开纤维2401，而具有频率ω2的传输信号2450从与输入端2430相反的输出端2460离开纤维2401。应注意，在纤维2401中设置第二个类似的光调制将在纤维中产生光腔。光腔，也被称为光谐振腔，它通过在两个反射器之间重复反射来“捕获”具有一定频率或频率范围的辐射。光腔通常用于以中等功率输入建立较大的场强度。光腔是许多光学装置的基础，在下面的段落中将对光腔进行讨论。
用于适当的调制的分选试验可通过用宽带源照射调制纤维及测量作为波长函数的传输来执行。纤维应该透射某些频率范围而反射其它的频率范围。此外，光调制纤维长度的增加(同时保持调制周期及调制幅值恒定)将指数地增大反射波的强度。
虽然在上例中所述的光调制是周期性的，但光调制可具有任意的z-依赖性(z-dependence)(即轴向依赖性)。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，一个光调制可具有z-依赖性，该z-依赖性的周期作为传播距离z的函数缓慢地改变。这种调制可局部地提供规则的1D光子带隙，但该带隙的特性将随着传播距离缓慢地改变。可选择地，z中的调制周期可以是固定的，但调制幅值(其强度)可以变化，如对于切趾光纤(apodized fibers)。该光调制也可为无序的，或甚至具有z中的碎形结构(fractal structure)。
具有沿波导轴的光调制的高折射率差的纤维波导可由多种方式制造。在一些实施例中，光调制可在纤维被拉制时在纤维中形成。参照图25，这可通过在拉制期间扰动纤维或纤维预制棒来实现。纤维调制装置1510包含在纤维拉制系统1501中。该纤维调制装置1510通过以周期的方式改变纤维拉制系统的拉制速度来扰动纤维。由于纤维1520的直径与拉制速度相关，因此纤维调制装置1510为纤维1520的直径引入了周期性的调制。
控制器160与纤维调制装置1510通信，以便根据从纤维监控系统150接收的数据来改变纤维被拉制的速率。相应地，控制器160确保纤维1520中的光调制的周期及幅值被控制在特定的范围内。
总体上，纤维或纤维预制棒可在拉制时通过改变其它参数而被扰动，如改变压力——纤维内部(在空心纤芯或有孔纤维的情况下)和/或纤维外部的压力。例如，可使用超声变能器来快速改变一个仍为粘性的纤维周围的压力。在另一示例中，空心纤维纤芯内部的压力可通过周期性地压缩预制棒的相应空心区域中的气体，作为时间的函数而改变。这种周期性的压缩可产生沿波导轴的纤维调制。在一些实施例中，局部的温度变化也可扰动纤维。例如，可使用具有被选择用于加热纤维的工作波长的一个激光器(或多个激光器)在拉制期间周期性地照射纤维。每个激光脉冲局部地加热纤维，减小纤维粘度。相应地，纤维被加热的部分被拉制成比未由激光加热的部分更小的直径，由此在纤维中形成了光调制。
可选择地，光调制可在纤维已被拉制后在光子晶体光学中形成。例如，可通过例如将球体分散在液体中并通过毛细管作用将这些球体拉入纤芯和/或使用光钳控制球体将球体装入纤维纤芯。这些球体的直径可与纤芯的直径相近。当纤维处在升高的温度时可将这些球体定位在纤芯中。当从升高的温度冷却后，限制区域收缩到这些球体上且球体将轴向调制刻印在纤维纤芯中。任选地，此后可以使用适合的溶剂或酸将球体除去。可选择地，这些也可定位于纤维中并通过暴露在膨胀剂中而使其膨胀到恰好适配纤芯。
上述方法产生出纤维波导的在结构上形成的光调制。参照图26，图中示出了具有在结构上形成的沿波导轴延伸的光调制的这样一种光子晶体光纤1401。光子晶体光纤1401的限制层1410及纤芯1420作为沿波导轴的位置的函数周期地改变，在纤维中提供了光调制。
还考虑了在高折射率差纤维波导中产生轴向折射率调制的方法。例如，可制备纤维波导使纤芯被填充以在z方向上自组合成周期性结构的嵌段共聚物。这样的嵌段共聚物在例如Fink等人的J.Lightwave Technology 17，(11)，第1963-1969页(1999年)的“作为光子带隙材料的嵌段共聚物”(Block Copolymers as Photonic BandGap Materials)中(JLT IEEE——关于光子晶体的特刊——特邀论文)。这种纤维可由具有嵌段共聚物纤芯的预制棒拉制。可选择地，可将纤维拉制成具有空心的纤芯，并在拉制后以嵌段共聚物填充该纤芯。在另一示例中，具有空心纤芯的纤维可被填充以蛋白石(自组合球体)，以在纤维纤芯内产生一个实际的3D光子带隙结构。此外，如果开始时纤维具有空心的纤芯，则可以在纤芯中沉积附加的最内部的聚合物层(例如为UV可固化聚合物)，并用两个干涉光束照射。在光强度足够高的区域中，该聚合物将交联使其表现为不可溶。然后非交联或弱交联的聚合物可被溶剂溶解，留下轴向光调制部分。用于形成折射率光调制的另一方法涉及将球体放在纤维的空心纤芯中，如上所述。球体本身可提供轴向折射率调制，而无需对纤维的进一步处理。
通过在光导纤维中通常实现布拉格光栅所使用的方式也可产生所需的轴向光调制。纤芯和/或外包层可能包括光敏材料或掺杂物。用两个干涉紫外光束从旁边周期性地照射纤维将在纤维中刻印出掺杂等级，其结果是产生沿纤维的轴线方向上的折射率的调制。通过曝露在适当波长的辐射下改变玻璃折射率的处理被公知为“光暗化”。硫属化物玻璃的折射率对特定的照度可能呈现非同寻常的很强的响应。例如，Ramachandran等人曾报告过约5％的光致折射率改变(例如参见“在硫属化物玻璃的快速热退火膜中的低损耗光致波导”(Low loss photoinduced waveguides in rapid thermally annealedfilms of chalcogenide glasses)，Appl.Phys.Lett.74(1)13(1999年))。
在一些实施例中，可使用石版印刷方法在纤维波导中产生轴向光调制。例如，纤维波导的空心部分，如空心光子晶体光纤的纤芯可被涂以光敏材料如光致抗蚀剂，如图27A-27C中所示。参照图27A，空心布拉格光纤2701的限制区域2710的最内层2720被涂以一光致抗蚀剂层2730。用周期性光发射图样2740照射该纤维。形成光发射图样的光具有可引起光致抗蚀剂层2730的曝光部分2761-2765中的反应的波长，但远离限制区域2710的各层的布拉格反射波段，由此该光可透过限制区域2710。接着，用显影剂冲洗纤芯2750，以除去被周期性光发射图样2740曝光最小的光致抗蚀剂层2730的部分，仅留下2761-2765部分。参照图27B，然后用蚀刻剂冲洗纤芯，以去除未涂有光致抗蚀剂层2730的最内层2720的2771-2776各部分。参照图27C，任选地，最后用清洗剂冲洗纤芯2750，以除去光致抗蚀剂层2730的剩余部分2661-2665，留下具有轴向光调制的布拉格纤维。应注意，在最内层2720为硫属化物玻璃的实施过程中，蚀刻剂可为一种碱(base)(例如氨，氢氧化钾，氢氧化钠)。
如前文所提到的，在一些实施例中，高折射率差纤维波导中的轴向光调制可能在纤维波导中产生较大的带隙。此外，较大带隙可增强高折射率差纤维波导中光信号的轴向限制。这与高折射率差纤维波导所提供的增强的径向限制类似。增强的轴向限制可为光腔提供极小的模式体积。此外，具有极小模式体积的光腔可用在装置应用中。下面将讨论这种空腔及装置的例子。
参照图28，被限制区域2850包围的光子晶体光纤2801的空心纤芯2810被填充了相同的球体2821-2826。这些球体2821-2826在尺寸及组分上相同。应注意，虽然在图28中仅示出6个相同的球体，但纤芯2810可被填入任何数目的球体(例如10个或更多，20个或更多，100个或更多)。一个较小的球体2830定位于相同的球体2821-2826之间。球体2821-2826及2830将纤芯的平均折射率作为轴向位置的函数进行调制。由于球体2821-2826是相同的，因此该轴向光调制在空间上是周期性的且调制幅值是常数。但是，较小的球体2830引起该周期性光调制中的缺陷，并在纤维2801中产生空腔。虽然球体2830是由于尺寸小于相同的球体2821-2826而引起缺陷，但这些球体之间的其它差别也可产生光腔。例如，球体组分和/或形状的差别也可产生光腔。此外，在其它实施过程中，可在纤芯中放置不止一个的非相同球体来产生光腔。此外，球体2821-2826及2830中的任一个完全不需要是球形的。更普遍地，光腔可通过任何轴向光调制在纤维波导中形成，该轴向光调制对在纤维中传播的光信号可引起一个或多个谐振模式。
例如，参照图29，纤维波导2901包括纤芯2910及被限制区域2920包围。纤芯2910包括区域2930-2934，其中相邻的区域具有不同的折射率。因此，纤维波导2901包括轴向光调制。在该实施中，区域2931及2932具有相同折射率na，而区域2930、2933及2934具有相同折射率nb，nb与na不同，na可大于或小于nb。由于区域2930可支持至少一个谐振模式，因此其形成了纤维波导2901中的光腔。虽然图29中示出的区域2930-2934为不连续区域，但在其它实施例中，相邻区域可为更连续的。例如，纤芯2910的平均折射率可能作为轴向位置的函数连续或不连续地变化。
纤维波导中的光腔的另一例子在图30中示出。光子晶体光纤3001包括纤芯3010及包围纤芯3010的限制区域3020。纤维3001包括与该纤维的其它区域相比具有更小直径的两个区域3030及3040。区域3030及3040在纤维3001中产生轴向光调制，这在区域3050中形成了光腔。当然，虽然纤维波导3001的纤维直径不连续地变化，但该纤维直径也可连续地变化。此外，虽然图中示出了较小直径的区域，但在其它实施中，纤维可包括直径大于相邻纤维区域直径的区域。
在一些实施例中，具有沿波导轴的光调制的高折射率差纤维波导可构成光导纤维。参照图31，光导纤维1601包括在高折射率差纤维波导1620(例如高折射率差的光导纤维或光子晶体光纤)中形成的法布里-珀罗(Fabry-Perot)振荡器1610。法布里-珀罗振荡器1610是由纤维波导1620中的两个布拉格光栅1630及1640构成的。布拉格光栅1630及1640由纤维1620中的光调制构成。布拉格光栅1630及1640之间的空间形成了光腔1650。选择布拉格光栅1630及1640的周期及幅值，使得这些光栅可反射中心在ω0附近(其中ω0＝λ0/c，c为光速)的一定频率范围内的光。
光导纤维1610的运行如下具有频率ω(其中ω＝λ/c)的输入信号1660从左面入射到布拉格光栅1630上。对于布拉格光栅1630的反射频带内的大部分输入信号频率，光导纤维1610将大部分入射输入信号1660反射为反射信号1670。但是，对于靠近空腔谐振频率的某些窄的频率范围，输入信号1660有效地耦合到空腔1650中。在作为输出信号1680被耦合出空腔1650前，空腔信号(未示出)在布拉格光栅1630与1640之间来回振荡。在空腔谐振频率上，实质上所有的输入信号被该光纤1601传输。
在作为输出信号1680被耦合出空腔之前，空腔信号在空腔1650中所花的时间可被表达为Δt≈Q×T，式中Q为空腔的品质因数。该品质因数可表达为Q＝ω0/δω，式中δω是空腔的谱线宽度。T是载波光的周期(T＝2π/ω0)。参照图32，理论上，当接近载波频率，这样的装置将具有类似洛伦兹(Lorentzian)函数的传输频谱。对于仅支持相关频率范围中单谐振模式的左-右对称的空腔，其传输峰值出现在100％处(忽略辐射损耗)。传输带宽δω被定义为最大值一半处的整个宽度。
在一些实施例中，由于增强了径向限制(其防止了径向损耗)及由于增强了轴向限制(其防止了轴向损耗)，在高折射率差纤维波导中形成的光腔可具有较高的Q值。例如，这样的光腔可具有至少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，如约100,000或约200,000。
可选择地或附加地，在高折射率差纤维波导中形成的光腔可具有较小的模式体积，如小于约500λ3，例如小于约200λ3。在一些实施例中，该模式体积可小于100λ3(例如，小于10λ3，小于5λ3，小于3λ3，小于2λ3，小于1λ3)。这里，λ是谐振光的波长。如这里所使用的，光腔的模式体积VMODE由下式给出VMODE=∫VOLE→·D→d3r(E→·D→)MAX]]>
式中积分的体积是在空腔模式的电场矢量 及电场位移矢量 的标量积 大于或等于 的1％的区域上，式中 是任一处 的最大值，即在E→·D→≥1100(E→·D→)MAX]]>的区域上。换言之，通过高折射率差纤维波导增强的径向及轴向限制特性的结合，将光能量限制到具有较大Q值的极小体积的光腔中是可能的。
例如，考虑具有交替高折射率及低折射率外包层的高折射率差光子晶体光纤(见图19)，其中双层结构具有周期α(这里α被选择得较低以调谐工作频率)，对于高折射率及低折射率层的层折射率分别为2.8及1.5，且厚度分别为0.3α及0.7α。使用了七又二分之一个外包的双层(以高折射率层开始并结束)。纤芯具有的直径为2.3α并被充以空气(折射率为1)。在纤芯内，由介电板的周期性序列形成了反射器，周期为2α、折射率为1.2及厚度为α(被α厚度的空气隔开)。在中心的宽度为1.9α的空气区域形成光腔。在光腔的每侧具有9个周期性介电板。使用二维模型，该空腔可支持具有频率0.3031c/α，Q值1294，以及模式面积仅为20α2的谐振模式。该频率的单位为“无量纲”单位α/λ；例如1.55微米的物理λ，意味着α为0.4698微米，这设定了该结构的尺寸。调谐频率及定位状态可进一步增大Q值。例如，通过将两个与缺陷相邻的介电板的折射率从1.2改变到1.136，可在0.3060c/α的频率上获得2900的Q值。应注意，这些Q值是限制“辐射”的Q值，由进入轴向的模式的泄漏率确定(即它们忽略径向损耗)。因此，它们表明关于实际装置Q值的上限界。但是，由于在高折射率差纤维波导中可能增强径向限制，因此我们希望这些值可代表一个三维系统。
在一些实施例中，光腔包括折射率响应于激励而变化的材料。例如，参照图33，光开关1801包括一对在高折射率差纤维波导中形成的布拉格光栅1820及1830。布拉格光栅1820及1830形成纤维波导1810中的光腔1840。纤维波导1810包括光腔1840中的电光材料(例如液晶)。光开关1801还包括电模件1850，电模件1850在被控制器1860启动时，可施加跨越光腔1840的电场。所施加的电场改变了该电光材料的折射率，这使得光腔1840的有效光学长度改变到偏离零施加电场的光腔的光学长度。
有效光腔长度的改变使光腔的谐振频率偏移。参照图34，对于较小的折射率变化δn，传输曲线根据折射率变化δn的符号，线性地向更高或更低的频率偏移。理论上，峰值传输频率ω0的频率偏移Δω可表达为Δωω0=κδnn0]]>式中n0是空腔中材料的初始折射率，κ是取决于系统具体几何结构的常数因子。总体上，κ≤1，其中具有κ＝1的空腔对于折射率的给定变化将经历谐振频率的最大偏移。当大部分谐振模式能量被紧密地限制在已偏移的折射率的区域中时可获得这样的结果。
在本实施例中，引发的折射率变化δn足够地大，以致Δω＞δn，折射率的改变可用于光开关，再参照图33，光开关的运行如下假定输入信号1870具有载波频率ω0。对于未施加外部激励，该频率与光腔1840的传输频率匹配且信号作为输出信号1880射出。相应地，该开关转换到ON(开)。但是，在施加外部激励后，折射率改变，使传输频率偏移到ω0±Δω。相应地，光开关反射输入信号1870，且开关转换到OFF(关)。
在以上实施例中，纤维包括电光材料(即将折射率作为所施加电场函数改变的材料)。更一般地，光开关(或其它装置)可包括任何有源材料，如克尔介质，或其它的非线性材料。在启动时，激励(例如外部电场或磁场，温度变化或足够功率的输入信号)将引起该有源材料的折射率改变一个量δn。该折射率的变化将改变空腔中光程的长度，这有效地改变了空腔的长度，并将该装置从一个光学状态转换到另一光学状态。
在一些实施例中，光信号本身能够作为激励来改变空腔材料的折射率。例如，该空腔材料可为克尔介质，对于该介质δn∝E2∝I，其中I为局部光强度。该结构可提供双稳光学装置。换言之，对于一定的输入信号功率及载波频率，输出信号可具有不止一个值(例如两个值)。在一些实施例中，这样的装置可在不大于108W/Q2(例如不大于107W/Q2，不大于106W/Q2，不大于105W/Q2，不大于104W/Q2)的输入信号功率上呈现光学双稳，其中功率的单位是瓦特/每Q值平方。
参照图35，下面将分析这种克尔非线性空腔。理论上，对于单个载波频率ω0，空腔的传输曲线将为类似洛伦兹函数的空腔折射率nC的函数。输入与输出强度之间的关系IOUT(IIN)可用以下自恰(self-consistent)方式求解。对于每个IN的值，寻找一个IOUT的相应值。应注意，虽然当前的讨论涉及输入及输出强度，但涉及输入及输出功率(例如稳态功率)也可能较方便。图36中的传输相对折射率的曲线提供了对IOUT可能值的一个约束。另一约束来自这样的事实，即对于任何给定折射率n及载波频率ω0，存储在空腔中的能量总是正比于IOUT，其中该正比常数由系统的几何形状给出且通常与信号无关。现在，对于包括具有高反射率r(由此1-r较小而Q值较大)的布拉格反射器的光腔，空腔内的电场可模型化为向左传播的波及向右传播的波的组合。因为r极为可能为1，所以这两个波具有几乎相同的强度，即为IOUT/(1-r)。空腔内部存储的全部能量现在是输入及输出强度的线性函数，这样由于克尔效应，nC是IOUT的线性函数nC＝nC0+αIOUT，其中α是某一常数。IOUT＝T×IIN，因此(对于固定的IIN)，得到作为nC函数的T的另一约束
T=(nc-nc0)αIIN]]>参照图35，为找到T(IIN)，将这两个约束绘制在一起，该解将作为两个曲线之间的交点而获得。对于一个双稳光学装置，设计空腔，使得当δn＝0时峰值传输频率对于给定的ω0稍微失谐(即NC0为在边缘上的过小的值，以致不能对空腔提供ω0处的最大传输)。
如在图36中明显得出的，在给定IIN处，对于IOUT我们可以有1个、2个或3个可能值。参照图37，当求这些解时将明显地获得一个IOUT(IIN)的特征滞后曲线。在该曲线的“向后”部分(即其中IOUT随着IIN的增大而减小的部分)中的解是不稳定的。换言之，任何小的扰动将使系统跳到该曲线的上分支或下分支，因此只有该曲线的上分支或下分支在物理上是可以观察到的。以此方式，获得了具有滞后回线的双稳装置。例如，如果从较高的IIN开始并缓慢地降低IIN，将沿着曲线上分支直到“脱离”该上分支，在该点上将不连续地落到下分支上。可选择地，如果从IIN＝0开始，并缓慢地增加IIN，则将沿着下分支直到“脱离”该下分支，在该点上将不连续地跳到上分支上，如图37中虚线所示。
非线性法布里-珀罗纤维内的振荡器的特征可使用下文将描述的简单的一维模型来研究。描述布拉格光栅所使用的示例性参数为层厚度等于λ0/8(其中λ0可与光的自由空间波长相比)，折射率为n1＝1.5及n2＝2.75。该一维系统具有34％的带隙。由于较高的限制，仅5个双层就已足够达到必需的Q值。被夹在两个光栅之间的非线性空腔具有折射率为n＝1+δn及厚度为λ0/2。这里，δn为由外部(或内部)引起的空腔折射率变化，如果有的话(其不会出现在例如简单的线性滤光器中)。
参照图38，图中绘制了对于δn＝0及δn＝0.003的、作为频率函数的传输曲线。对于该结构的品质因数(Q)为2350，而谐振频率(当δn＝0时)为0.935463 ω0/2π(其中ω0为对应于λ0的频率)。可看到折射率的偏移产生了峰值频率的位移。
下面参照图39，分析由信号本身引起的δn。选择工作频率为线性装置谐振频率的0.9991倍。假定δn直接正比于空腔内部的全部能量，图39示出该装置的输出强度(IOUT)相对输入强度(IIN)的关系。这些强度的单位是任意的，因为物理强度将强烈地依赖于所使用的非线性材料的克尔系数。但是，I(以任意单位)及δn之间的正比常数已被选定，因此当该装置在图39的方式下工作时所能获得的最大的δn为0.0023。
参照图40，通过将工作频率选择得接近谐振频率可减小滞后回线的效应。在该例中，保持这些频率之间的距离，使得IOUT相对IIN的非线性响应尽可能大。工作频率为谐振频率的0.9996倍，且当该装置在图40的方式下工作时所获得的最大δn为0.001。
当一个装置的输出被用作另一相同装置的输入时，将得到比图40所示更强的、IOUT相对IIN的非线性关系。参照图41，当级联了4个该装置时可观察到接近阶梯形的非线性响应。
总体上，可级联任何数目的装置来为装置提供所需要的非线性响应。例如，双稳光学装置可包括4个以上的光腔(例如5个光腔，6个光腔，7个光腔，或8个或更多个光腔)。可选择地，双稳光学装置可包括少于4个的光腔(例如1个，2个或3个光腔)。
双稳光学装置可被用在为数众多的光学系统中例如用于光学限制和功率均衡应用中的系统。举例来说，在具有相对平的输出曲线(如图41中的曲线)的实施例中，尽管输入变化，但输出具有固定的强度。探究这一效应，则双稳光学装置也可用于清除信号中的噪声。例如，双稳光学装置可用于取代光学系统中的光再生器。光再生器是将其电输出直接馈入光发送器的光接收器。光发送器随后将一新的光信号发送到纤维中。光再生器典型地用于长距离应用以消除譬如散射、非线性及噪声效应，否则这些效应可能使光信号恶化并增加系统中的比特误差率。但是，由于将光信号转换成电信号及将电信号转换回光信号需要许多部件，因此光再生可能是复杂、低效率及昂贵的。双稳光学装置可提供对光再生器的全光学的模拟。例如，图42示出了进入双稳光学装置中的输入信号的强度分布及从该装置输出的相应输出信号。输入信号脉冲串分布相对最初发送到系统中的二元(binary)波形(未示出)严重失真。但是，双稳光学装置对输入信号仅提供对应于高于和低于双稳阈值强度的两个可能的输出状态。因此在输出信号中恢复了二元脉冲串。
此外，如果装置具有两个输入信号，它们随后将相加作为一个信号输入到一个双稳装置中，则该双稳装置可用作全光学“与”(AND)门(因为可以选择参数，使得只有在两个输入信号同时出现时才将该装置触发到高输出状态)。另外，如果“控制”信号及主信号在两个不同的频率上，则这样的装置可用作将一个信号光学地“刻印”在另一信号上，或可选择地用于波长转换。再者，还可将它们用作放大器(当在图40的曲线的高d(IOUT)/d(IIN)的区域中工作时)，或潜在地用作全光学存储器(使用如图41中所示的滞后，或通过使用具有两个装置的类似如图41中输出曲线所示的反馈环)。
更普遍地，这里所述的任何高折射率差纤维波导可用在光学电信系统中。图43示出光学电信系统4000的示意图，该系统包括源节点4010及检测节点4020，它们彼此通过光传输线4030彼此耦合。该光传输线可包括一个或多个传输纤维区段及一个或多个散射补偿纤维区段。该传输纤维可为高折射率差纤维波导(例如高折射率差光导纤维或高折射率差光子纤维)。任何散射补偿纤维区段也可为高折射率差纤维波导。源节点4010可为沿传输线被引导的原始光信号源，或者其也可为将光信号改发至传输线4030、将光信号进行光放大和/或电子检测光信号及光学再生光信号的中间节点。此外，源节点4010可包括用于将多个不同波长的光信号多路复用及多路分离的部件。类似地，检测节点4020可为用于沿传输线传输的光信号的最终目的地，或者其也可为对光信号进行改发、光放大和/或电检测及光学再生的中间节点。此外，检测节点4020也可包括用于将多个不同波长的光信号的多路复用及多路分离的部件。在源节点4010或检测节点4020中的任何装置可包括高折射率差纤维波导装置。例如，在源节点中的光再生器可以是高折射率差纤维波导双稳装置。在另一例子中，任一节点可包括掺铒的高折射率差光导纤维放大器等。可设置散射补偿纤维来对由传输纤维引起的光信号的散射作前置补偿或后置补偿。此外，沿传输线传输的光信号可为包括相应波长上的多个信号的波分复用(WDM)信号。用于该系统的合适波长包括在约1.2微米至1.7微米范围内的波长，这与当前使用的许多长距离系统相对应，还包括在约0.7微米至0.9微米范围内的波长，这与当前正在考虑的某些metro系统相对应。
已经描述了本发明的多个实施例。然而，应当理解，在不偏离本发明的精神及范围的情况下可作出各种变型。因此，其它的实施例将包括在权利要求书中。
权利要求
1.一种具有波导轴的纤维波导，包括沿波导轴延伸并包括第一材料的第一部分，该第一材料具有折射率n1，工作温度TW及软化温度TS；沿波导轴延伸并包括第二材料的第二部分，该第二材料具有折射率n2以及粘度η2，该粘度η2作为温度T的函数而变化；其中n1及n2之间差的绝对值至少为0.35，且在TW时的η2至少为103泊并不大于106泊，以及在TS时的η2至少为105泊并不大于1013泊。
2.根据权利要求1的纤维波导，其中在TW时的η2不大于105泊。
3.根据权利要求1的纤维波导，其中在TS时的η2至少为106泊。
4.根据权利要求3的纤维波导，其中在TS时的η2至少为107泊。
5.根据权利要求1的纤维波导，其中在TS时的η2不大于1010泊。
6.根据权利要求5的纤维波导，其中在TS时的η2不大于108泊。
7.根据权利要求1的纤维波导，其中第一及第二材料为介电材料。
8.根据权利要求1的纤维波导，其中第一及第二材料为玻璃。
9.根据权利要求1的纤维波导，其中第一材料为硫属化物玻璃。
10.根据权利要求9的纤维波导，其中第二材料是从由氧化物玻璃及卤化物玻璃组成的组中选择的。
11.根据权利要求1的纤维波导，其中第一及第二部分是匀质的。
12.根据权利要求1的纤维波导，其中第一部分是非匀质的。
13.根据权利要求12的纤维波导，其中第一部分包括至少一个沿波导轴延伸的空心区域。
14.根据权利要求1的纤维波导，其中第一及第二材料是无机材料。
15.根据权利要求1的纤维波导，其中n1及n2之间差的绝对值至少为0.5。
16.根据权利要求15的纤维波导，其中n1及n2之间差的绝对值至少为0.6。
17.根据权利要求16的纤维波导，其中n1及n2之间差的绝对值至少为0.7。
18.根据权利要求17的纤维波导，其中n1及n2之间差的绝对值至少为0.8。
19.根据权利要求1的纤维波导，其中第一部分是纤芯且n1＞n2。
20.根据权利要求19的纤维波导，其中第二部分包括外包层。
21.根据权利要求1的纤维波导，其中该纤维波导是光子晶体光纤。
22.根据权利要求21的纤维波导，其中该光子晶体光纤是布拉格光纤。
23.根据权利要求1的纤维波导，其中第一部分具有玻璃转变温度Tg，且在Tg时η2至少为108泊。
24.根据权利要求1的纤维波导，其中第一材料具有第一热膨胀系数TEC1，第二材料具有第二热膨胀系数TEC2，且在20℃与380℃之间|TEC1-TEC2|≤5×10-6/℃。
25.根据权利要求1的纤维波导，其中在20℃与380℃之间|TEC1-TEC2|≤2×10-6/℃。
26.根据权利要求1的纤维波导，其中在20℃时第一部分与第二部分之间的残余应力小于100MPa。
27.根据权利要求26的纤维波导，其中在20℃时第一部分与第二部分之间的残余应力小于50MPa。
28.根据权利要求1的纤维波导，还包括限制区域，该限制区域包括第一及第二部分。
29.根据权利要求28的纤维波导，其中第一部分包括沿波导轴延伸的第一层，第二部分包括沿波导轴延伸并包围第一层的第二层。
30.根据权利要求1的纤维波导，还包括沿波导轴延伸的光调制。
31.根据权利要求30的纤维波导，其中该光调制包括结构调制。
32.根据权利要求30的纤维波导，其中该光调制包括折射率调制。
33.一种制造具有波导轴的纤维波导的方法，包括提供包括第一部分及围绕该第一部分的第二部分的纤维预制棒，其中第一部分包括具有折射率为n1的第一材料，第二部分包括具有折射率为n2的第二材料，且|n1-n2|≥0.35；将该纤维预制棒加热到第一及第二部分具有103泊至106泊之间的粘度的温度；以及将加热的纤维预制棒拉制成纤维波导。
34.根据权利要求33的方法，其中|n1-n2|≥0.5。
35.根据权利要求34的方法，其中|n1-n2|≥0.7。
36.根据权利要求33的方法，其中加热纤维预制棒，使得第一及第二部分具有103泊与105泊之间的粘度。
37.根据权利要求33的方法，其中第一部分包括预制棒纤芯。
38.根据权利要求37的方法，其中第二部分包括预制棒外包层。
39.根据权利要求33的方法，其中纤维预制棒包括预制棒限制区域，且第一与第二部分被包括在该纤维预制棒中。
40.根据权利要求33的方法，其中第一材料包括第一玻璃，第二材料包括与第一玻璃不同的第二玻璃。
41.根据权利要求33的方法，还包括在拉制的同时扰动纤维波导，以便形成沿纤维波导的波导轴延伸的光调制。
42.根据权利要求33的方法，其中纤维预制棒具有在拉制期间保持不变的相对横截面结构。
全文摘要
本发明公开了高折射率差纤维波导及用于形成高折射率差纤维波导的材料。根据本发明的一个方面，高折射率差纤维(701)包括沿波导轴延伸并具有折射率n1的纤芯(710)及包围纤芯(710)并具有折射率n2的外包层(720)。纤芯(710)包括一种高折射率材料，例如硫属化物玻璃，外包层(720)包括一种低折射率材料，例如氧化物玻璃和/或卤化物玻璃。n1与n2之间的差的绝对值至少为0.35。
文档编号G02B6/036GK1520526SQ02811865
公开日2004年8月11日 申请日期2002年4月12日 优先权日2001年4月12日
发明者韦斯利·金, 埃米莉娅·安德森, 马林·索尔扬西克, 米哈伊·伊巴内斯库, 托克尔·恩根尼斯, 马克西姆·斯科罗博加蒂, 史蒂文·G·约翰逊, 奥里·韦斯伯格, 约埃尔·芬克, 罗坎·艾哈迈德, 洛里·普雷斯曼, G 约翰逊, 伊巴内斯库, 恩根尼斯, 芬克, 姆 斯科罗博加蒂, 娅 安德森, 普雷斯曼, 索尔扬西克, 艾哈迈德, 韦斯伯格, 韦斯利 金 申请人:全波导通信公司