薄壁纤芯禁带光波导的制作方法

专利名称：薄壁纤芯禁带光波导的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及一种制造光子晶体预制棒的方法，此晶体预制棒有一种缺陷，它是用来拉制光子禁带晶体光波导光纤的，本发明尤其涉及一种制造光子晶体预制棒缺陷的方法。
发明的技术背景利用内部全反射原理传导光的波导已经商业应用二十年了。虽然这样设计的光波导促使通信领域前进了一大步，但是其它类型光波导的设计工作还一直在进行。全内反射机理特有的缺点是，它把光限制在一个较高的折射率区域，也就是光波导的纤芯。较高折射率纤芯一般是有较高的密度，由此它具有较高的非线性系数和由于瑞利散射导致的较高的损耗的特征。可以设计有相对较大有效面积的全内反射波导来减轻有害的非线性效应。不过对提供较大有效面积的设计，一般会增加纤芯折射率分布的复杂性。而且这种复杂性通常转化为高成本。
最近，衍射被研究用作在材料内部传导光的方法。在一个光传导建议中限制机制是衍射原理，其中的传导光的材料也就是光波导的纤芯可以有相对低的折射率，因此也就有低的密度，实际上，利用一种气体或者真空作为波导纤芯变成切实行了。
一种独特的结构非常适合于作为衍射型的光波导，它就是光子禁带晶体。光子晶体本身是一种由部件构成的规则晶格，部件的间距是在传导光波长的数量级。光子晶体可以由有第一折射率的第一种材料构成，在其中以规则晶格即阵列的形式嵌入有第二折射率的第二种材料。这是基本的光子晶体结构。在此基本设计上的变型，可以包括用两种以上的材料来构成光子禁带晶体，晶格结构细节的有用的变型的数目也是很大的。
基本光子晶体的结构里，第二种材料可以简单地形成于第一种材料中的微孔即空洞。这样，空洞成了光子晶体里的第二种材料。由于材料间的折射率差异和空间排列以及嵌入的部件的间距(部件之间的中心到中心的距离)，光子晶体将不会传输某个特定波长带里的任何一种波长的光。这就是所说的此种光子晶体的“禁带”，它是这种用来限制光的光子晶体的特性。由于这种特性这种结构被命名为光子禁带晶体。
为了形成光波导(或者更加广义的，一种传导电磁能量的结构)，一个缺陷被形成在光子禁带晶体里。缺陷是一种晶格结构里的不连续结构，它可以是晶格间距的改变，或者是一部分晶格被一种不同折射率材料替代的替代物，或者是去掉一部分光子禁带晶体材料的产物。可以选择缺陷的形状和尺寸，从而产生即支持光子晶体禁带范围内具有相关波长的光的一种或多种模式的传输，缺陷的壁就是这样由一种材料，光子禁带晶体构成，而光子晶体不传输缺陷产生的模式。
对照全反射光波导，缺陷作用相当于波导纤芯，光子禁带晶体作用相当于包层。然而，此种波导的机制允许纤芯有非常低的折射率，这样可以实现低损耗和小的非线性系数的优点。
因为光子禁带晶体波导的潜在优势，有必要确定一种制造高效低成本光子晶体波导的方法，并且要适合于制造操作。
一种这样的方法包括这样一个步骤，制作有一定数量纵向通道的预制棒，然后把通道蚀刻成需要的形状，最后把预制棒拉制成光子禁带晶体光纤。因此改善蚀刻效率和由蚀刻结构构成的光波导的性能是一个要实现的主要过程，下面马上要研究这个过程。
发明的概述本发明的一个方面讲的是一种利用组装一定数量的第一和第二两种管子制造光子晶体波导光纤预制棒的方法。光子晶体的第一部分是由一定数量的第一种管子构成，这种管子的壁厚沿着管子的圆周变化，这里的圆周位于垂直于管子长度的平面上。可以这样理解沿着管子的长度管子的壁厚是不变的。在组装光子晶体第一部分的管子时，管子壁厚小的部分相互紧挨着。光子晶体的第二部分，也就是其余的部分，是由一定数量的第二种管子组装而成，这种管子具有基本不变的壁厚。把第二种管子构筑成包围着第一种管子。光子晶体就是这样装配的，然后进行蚀刻，直到光子晶体中壁厚薄的部分被腐蚀掉为止。由于第一种管子是邻接着安排的，腐蚀掉紧挨着薄壁的诸部分，将会在光子晶体中形成一个缺陷效应，一定数量第一种管子被排列成导致缺陷产生，也就是支持即传输具有在光子晶体禁带范围内有关波长的光模式。
在根据本发明第一方面的一种实施例中，一定数量的第一种管子按照一定位置排列，使紧挨的薄壁彼此间处于一种相对位置。从而使最邻近的紧挨点若用一条线连接，这条线将是连续的并且是封闭的。在腐蚀过程，所有位于这条连续封闭线内的管子都将被从光子晶体内蚀刻掉。较适宜的，第一种一定数量的管子可被配置成使连接邻近(最近邻)薄壁紧挨点的线构成一种对称的几何形状，比如圆形或者多边形。
在另外一种实施例，第一种一定数量的管子中的每一个组成部分或者特定选择的组成部分有偏移中心的孔。也就是，如果认为外管壁和内管壁都有各自的几何形状，有各自的中心点，则这两个中心点在空间上彼此分离。有关的内壁和外壁的形状可以从圆或多边形中选择。一种较佳的选择是六边形作为外壁的边界，圆形作为内壁的边界。六边形作为外壁边界可以保证管子的密堆积堆垛，也就是说，一个基本没有空气隙的堆垛。圆形作为内管壁的边界是因为制造起来比多边形相对较简单，当描述一种挤压成形法制管时这个特性就不太适用了。
根据本发明的第一方面的另外一个实施例中，第一种管子的化学成分与第二种管子的化学成分不同。两种管子的第一和第二化学成分有不同的蚀刻速率，第一种化学成分的蚀刻速率大于第二种化学成分的蚀刻速率。也就是说，除去第一种成分的材料要比除去第二种成分的材料快。在这种情况下，将会用较短蚀刻时间来形成光子晶体的缺陷。
本发明的第二方面是一种制造光子禁带晶体波导光纤的方法。根据本发明第二方面方法的开始的几个步骤就是与上文所述的根据本发明的第一方面制造光子晶体预制棒的一样。为制造光子晶体波导光纤增加的步骤是减少预制棒的横截面积，直到达到光子晶体波导光纤所要求的直径。减少预制棒的直径可以利用任何一种在本领域大家熟知的技术，比如，加热并拉预制棒。作为一种可替换的方法，也可以加热预制棒并强迫使之通过一系列缩小的模具。一些缩小模具的组合使用并拉伸可以用来获得光子禁带晶体波导光纤所要求的直径。这些技术在很多专利和出版物里有详细的说明，这里将不进行进一步的讨论。
在本发明这一方面的一种实施例中，光子禁带晶体波导光纤有一个关于中心点对称的缺陷。波导光纤杆里缺陷的对称性，在很大程度上来自于通过组装和蚀刻过程获得的预制棒缺陷的对称性。缺陷的对称性可以理解为有一个基本没有尖锐的向内突起物的内壁边界，它是为了减少光的散射，并且使光子禁带晶体缺陷内的模式功率分布更加规则提供保证。由于这个实施例中的缺陷是空洞，因此这个缺陷有低的非线性系数。如本领域大家所熟知的，光子禁带晶体波导光纤的缺陷作用相当于纤芯，类比于基于全内反射原理的波导光纤。类似地，包围缺陷的光子禁带晶体作用为限制光的模式，因此它相当于全内反射波导光纤的包层。缺陷支持的模式有在光子晶体禁带范围内的相应波长λ。
一种光子禁带晶体波导光纤的实施例展示了具有规则形状的边界。比较一对相对点对之间的距离可以用来测量缺陷边界的规则度。相对点是边界上相对的点即从一点到另外一点的移动中所扫过的角度是180度。在这个实施例中，一对相对点之间最短和最长距离之差大约等于所支持模式的波长λ。
本发明的第三个方面是一种制造光子晶体波导光纤预制棒的方法，它包括制造有一定数量的相互间由壁隔开的通路的光子晶体的步骤，通路延伸贯穿整个光子晶体。可以蚀刻壁扩大通路。一定量通路的一组通路组成了相互邻近的一组，并且有第一种化学成分，有第一蚀刻速度。第二组通路，实际上是剩下的部分，它围绕着第一组，并有第二蚀刻速度的第二种化学成分。第一蚀刻速度大于第二蚀刻速度，因此在蚀刻过程中将会从第一组通路蚀刻掉更多的材料。因此蚀刻过程在光子禁带晶体中形成一个缺陷，可以配置缺陷使之支持所要求的光模式(电-磁模式)。
第三方面的一种实施例中，第一第二两组通路是由组装具有第一、第二各自的两种化学成分的管子形成。
第三方面的另外一种实施例中，光子晶体是压挤成形的。压挤出有第一化学成分的第一体积和有第二化学成分的第二体积的物体的方法在本领域是为大家所熟知的。比如，让一根中心为第一种材料外围为第二种材料的棒强迫通过一个模具来制造根据本发明第三方面实施例的光子禁带晶体。
本发明的其他特点和优势将会在下面进行详细描述。其中的一部分对本领域的熟练技术人员通过这里的描述之后将会是显而易见的，或者通过按照这里的描述，包括下面的详细描述，权利要求书以及附图实现本发明从而认识到。
不过要清楚前面的概括描述和后面的详细描述都只是本发明的一种表述，并且都是为了提供一个总的看法或者框架，从而有助于理解对其提出权利要求的本发明的本质和特点。附图也是为了更好的理解本发明，附图被加进来并组成了本说明书的一部分，附图描述了本发明的不同实施例，它和文字说明一起阐述了本发明的原理和具体操作。
附图的概述

图1描述的是根据本发明的在腐蚀过程前的管子的装配图。
图2描述的是用于组装光子晶体预制棒的对称管子。
图3描述的是用于组装光子晶体预制棒的非对称管子。
图4描述的是用对称管子组装的光子晶体或者压挤成形的光子晶体经过腐蚀过程后的情形。
图5描述的是用由对称管子围绕着的非对称管子组装的光子晶体或者压挤成形的光子晶体经过腐蚀过程后的情形。
发明的详细描述现在将要详细描述本发明的一些较佳实施例，其中的一个例子在附图中被描述。在任何可能的地方，在整个附图中，相同的标识号码用来指代相同的或相似的部分。图1显示的是光子禁带晶体波导预制棒的一种典型实施例，管子12和14有六边形的外部表面和圆形的内部表面10。管子12和14以六边形密堆积结构组装，也就是说在两个紧挨的管壁之间在实质上没有空隙。在组装体内部的管子14的结构不是对称的，即由内表面10确定的圆的中心与由六边形外表面8确定的六边形的中心不重合，两个中心之间有偏差。管子12(仅画出了六个管子)描绘的是包围管子14的一定数量的管子，它们的结构是对称的，即由表面10确定的圆的中心和表面8确定的六边形的中心实质上是重合的。
由于管子14的不对称性，每个管子14形成三个薄壁部分4，4’，4”，放置时中间的薄壁4对着光子晶体的中心区域16，最近邻管子14的薄壁4’相互紧挨着，最近邻管子14的薄壁4”也一样相互紧挨着。在腐蚀过程中，所有管子14的薄壁4将首先被腐蚀掉，接着腐蚀的是所有管子14的薄壁4，和4”。在这个实施例中，所有管子12和14的壁都是由同样的基本均匀的材料组成，因此所有壁的腐蚀速率都是一样的。一些绝缘材料可以作为制作管壁的材料，一种二氧化硅基玻璃是管壁材料的很好选择。这些管壁的去除用来在光子禁带晶体中形成缺陷，它最终支持由光子晶体预制棒制成的光子禁带晶体波导光纤里需要的光模式。
在形成光子晶体预制棒的过程中，在根据本发明之方法的这个实施例里，除了形成光子晶体的缺陷外腐蚀步骤还有两个目的。对对称管子12进行腐蚀增大圆表面10，从而增加光子晶体中空洞所占的体积的份额，也就是空洞的份额。增加空洞的份额可为光子禁带晶体波导的性能带来有利的变化。比如，随着增加空洞的份额，限制在缺陷里的模式的功率份额就会增加。可以这样理解用来描述光子晶体的空洞，它指的是通孔，它可以是真空的或者是充满空气的。
在组装图1所示的光子晶体时，中心区16可以是预留一个管子形成的结果，另一种做法是，薄壁管子2可以作为位于中心区16的一个空间部件，组装完形成预制棒的一定数量的管子后，可以把管子2抽掉，或者也可以让其留着，在腐蚀步骤中让其腐蚀掉。另外可供选择的固定设备和夹具可以用来形成一定数量管子12和14的中心区16。
描述对称管子12的两个实施例如图2所示。在第一种实施例里，内表面10确定了圆形边界的中心点6。外表面8确定有中心点6的六边形，内表面边界10确定的圆形和外表面8确定的六边形各自的中心点6是重合的，从而形成了对称管子12。在第二种实施里，内表面边界10还是圆形的圆周，外表面边界18确定了一个更大的圆形。具有边界10的圆和具有边界18的圆的各自的中心6是重合的，从而构成了对称的管子12，.
描述非对称管子14的两个实施例如图3所示。在第一种实施例中，内边界20有椭圆的形状，椭圆的主轴22垂直于位移方向24，外边界确定了六边形8。椭圆的几何中心26偏离了六边形的中心16。主轴22被对准平行于由外边界8确定六边形的一条边，如此中心26与中心6之间的偏离导致形成了三个薄壁部分4，4’，4”。
在第二种实施例中，内边界20还是确定一个椭圆形，而外边界18是具有中心6的圆形。边界18之圆形的中心6相对于椭圆的中心26偏离。在这第二种实施例中，由于外圆周的圆对称性，所以不需要说明偏离的方向。任然，可以这样理解在组装第二种实施例所说的管子时，一个管子14的薄壁部分的中心应该和与本管相对应的管子14实质上在直径上相对。这种配置可以使在腐蚀步骤腐蚀掉光子晶体中所要腐蚀的部分提供保证。
从图4和图5的对比可以看出在光子晶体的中心区域用非对称的管子的优势。图4和5描述的是光子晶体的缺陷16和几个围绕着缺陷16的对称管子12在一起的情形。图4描述的是经过腐蚀处理过的光子晶体预制棒，这里的预制棒全是用对称管子组装的。大的突出物30突入到缺陷16里，形成了一个不规则的表面这可能会引起在缺陷里传输光的散射。在拉制过程中，预制棒被加热使管壁的材料软化然后利用在本领域大家所熟知的设备和方法拉制。管壁的材料较适合用一种二氧化硅基玻璃，虽然也可以用其它的玻璃或者结晶体绝缘材料。软化后管壁材料的表面张力将会使突起物变薄并从缺陷16的中心向后退。并且由于表面张力弧形的空洞32将会被部分地填充。但是由于所说的突起物30和空洞32是很明显的，所以拉制好的光子禁带晶体波导光纤的缺陷表面将任然是很不规则的。
相反，图5所示的根据本发明的光子晶体预制棒在组装时，在光子晶体的中心区域用非对称管子14。经过腐蚀过程后，邻接的薄壁被腐蚀掉剩下小的突起物34和锯齿状缺口36。在拉丝过程中小的突起34将基本上消失，被表面张力拉回到管壁材料中。同时外围六边形内部尖角突起部分38以及外围六边形外部突起物36在拉丝过程将变得光滑，这些，最终导致制造的光子禁带晶体波导光纤有着光滑并近乎圆形的缺陷表面。与图4所示的缺陷相比较，由控制图5中已腐蚀的预制棒引起的光滑、近乎圆形的缺陷表面使得光的散射量大幅度的减少。
图5描述的缺陷16也可以由对称的管子获得，比如其形状与管子12近似，但是是用一种较之管子12材料有较高腐蚀速率的材料构成。
另外一种获得根据本发明如图5描述的预制棒的方法是，在缺陷区域16用一种材料挤压形成预制棒，这种材料较之形成包围缺陷部分的光子晶体部分有较高的腐蚀速率。
可以这样理解，可以用其它管子的结构或组分的组合在光子晶体中产生一个适宜被腐蚀掉的区域。譬如，组成缺陷区域16的管子可以简单地是具有任意内、外表面几何形状的薄壁管。
实现本发明的各种变型和改进对本领域的熟练技术人员将会是很容易的，但是这些变型将不会离开本发明的精神实质和范畴。这样，从这种意义上说本发明包括附带权利要求书提供的范畴内的本发明的各种变型和改进以及它们的等价物。
权利要求
1.一种制造光子晶体光波导光纤预制棒的方法，其特征在于，包括以下步骤a)把一定数量的第一种管子装配成一捆束形成光子晶体的第一部分，上述的这一组管子管壁的厚度沿着管子的圆周变化，形成了这组管子的薄壁和厚壁部分，其中，所述的第一种一定量的管子被装配成所述捆束，使相邻管子的薄壁部分相互紧挨着。b)围着上面所述的捆束装配一定数量的第二种管子形成光子晶体的第二部分，每一个第二种管子有基本相同的壁厚；c)腐蚀所述的一定数量的第一第二两种管子，腐蚀掉相互紧挨的薄壁部分从而形成光子晶体中的缺陷。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的一定数量的第一第二两种管子的每根管子有一个长轴，并且在通过所述光子晶体的一个垂直于管子长轴的横截面面上，连接相邻管子的薄壁部分相互紧挨点的一条线是连续的并且由它本身封闭。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的连接各点的线构成了实质上对称的几何形状。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的规则几何形状是从由圆和多边形构成的一个组中选出。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的一定量的第一种管子的管子组中每根管子的特点在于，外壁边界的中心和内壁边界的中心不重合。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，有关的外表面边界和内表面边界的形状是从圆和多边形构成的一个组中选出。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，外表面边界是六边形，内表面边界是圆形。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一种管子具有第一种成分，具有第一种腐蚀速率，所述的第二种管子具有第二种成分，具有第二种腐蚀速率，第一种腐蚀速率大于第二种腐蚀速率。
9.一种制造光子禁带晶体波导光纤的方法，其特征在于，包括以下步骤a)把一定数量的第一种管子装配成一捆束形成光子晶体的第一部分，上述的这一组管子管壁的厚度沿着管子的圆周变化，形成了这组管子的薄壁和厚壁部分，其中，所述的第一种一定量的管子被装配成所述的捆束，使相邻管子的薄壁部分相互紧挨着。b)围着上面所述的捆束装配一定数量的第二种管子形成光子晶体的第二部分，每一个第二种管子有基本相同的壁厚；c)腐蚀所述的一定数量的第一第二两种管子，腐蚀掉相互紧挨的薄壁部分从而形成光子晶体中的缺陷。所述的一定数量的第一第二两种管子都有一个长轴，并且，所述的光子晶体有垂直此长轴的横截面；以及d)经过步骤c)之后，减小所述光子晶体的横截面面积，其中，该横截面垂直于第一、第二两种管子的长轴，直到形成波导光纤，
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，经过步骤d)之后，光子晶体中的缺陷的边界关于中心点是对称的。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在缺陷里传输的波长为λ的光，且缺陷边界上两相对点之间的最短距离与缺陷边界上两相对点之间的最长距离之间的差大约等于λ。
12.一种制造光子禁带晶体波导光纤的方法，其特征在于，包括以下步骤a)形成一种光子晶体，它有一定数量的通路，彼此被壁分离，通路从所述光子晶体的一端一直延伸到另一端；b)蚀刻所述的壁从其中去除掉材料；其中，一定量的通路被划分成第一和第二两组，所述的每一组都有壁，所述的第一组都是邻近的并被第二组包围，并且拥有表征出第一种蚀刻速率特征的第一种壁，所述的第二组，有表征出第二种蚀刻速率特征的第二种壁，其中的第一种蚀刻速率大于第二种蚀刻速率。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的有关第一和第二两组的通路具有的壁构成各自的第一、第二两种管子。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述的光子晶体是一种被挤压形成的物体。
全文摘要
本发明报道了一种制造光子晶体预制棒的方法。这种预制棒可以改善拉制出的光子晶体禁带波导光纤的性能。这种光子晶体预制棒的缺陷是由有特定形状或者组成成分的材料构成，这样就可以用蚀刻的方法择优除去缺陷壁，从而制造具有光滑缺陷壁的光子禁带晶体波导光纤。
文档编号B29D11/00GK1513121SQ02811132
公开日2004年7月14日 申请日期2002年3月12日 优先权日2001年4月17日
发明者M·T·加拉赫, M T 加拉赫 申请人:康宁股份有限公司