专利名称：空心光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及在其结构中具有空腔的光纤的领域，或称为“具有孔的光纤”的领域。具有孔的光纤的主要优点之一是空腔的存在，其非常低的折射率大大降低了包含该空腔的包层的环形区域的平均折射率。
背景技术：
具有孔的光纤代表最有益于产生某种非线性功能的光纤族。某一类型的具有孔的光纤包含两个空腔层，距光纤中心较近并且通常包括相对小尺寸的空腔或者甚至根本没有空腔的一层，该内层的主要功能是影响光纤的性质，即，特别是有效面积和色散，以及距光纤中心较远并且包括相对大尺寸的空腔的一层，该外层的主要功能是将模式约束在光纤内部。
具有孔的光纤的主要问题之一是高水平的模式泄漏损耗。某种程度上，这个问题通过复杂且庞大的特别包括大量相对远离的空腔的结构解决，导致了迅速变大的总尺寸。实际上，已知模式泄漏损耗的水平与包括空腔的层的组的宽度成反比。而且，通常认为外层中空腔的单个尺寸是足够的。
上述类型结构的示例可以在现有技术文件中找到，该现有技术文件包括-专利和专利申请US 2003/0012535；US 2002/0061176；US2001/0031118；EP 1118887；EP 0810453；WO 03/019257；WO02/084350；WO 01/98819；US 6539155；-出版物由K.P.Hansen发表的“Dispersion flattened hybrid-corenon linear photonic crystal fiber”(Opt.Express 11，第1503-1509页，2003)；由K.Saitoh，M.Koshiba，T.Hasegawa，和E.Sasaoka发表的“Chromatic dispersion control in photonic crystal fibersapplicationto ultra-flattened dispersion”(Opt.Express 11，第843-852页，2003)。
本发明描述了与上述现有技术正好相反的情况。目标是一种体积较小但是更紧凑的结构，使得达到模式在光纤中高度的约束。在外层中至少将具有两个不同尺寸的空腔相对彼此明智地排列，使得可以相互合作来在保持合理的总尺寸的同时进一步增大约束。对于受限数目的空腔，即，对于仅几十个空腔，典型地少于50个空腔，达到低水平的约束损耗，即，模式泄漏损耗，是一个问题。
发明内容
本发明提供一种光纤，其包括中心芯；围绕该中心芯的第一环形区域；围绕该第一环形区域并且包括中等尺寸空腔的第二环形区域，该中等尺寸空腔的横截面严格保持在给定的第一阈值与给定的严格高于该第一阈值的第二阈值之间；围绕该第二环形区域并且包括大空腔的第三环形区域，该大空腔的横截面严格保持大于第二阈值；其特征在于，在光纤的横截面上一方面，任何从芯的中心向光纤外部延伸的半径至少遇到第二环形区域中的中等尺寸空腔或者第三环形区域中的大空腔；并且，另一方面，第二环形区域的外周边与第三环形区域的内周边之间的平均距离小于大空腔平均尺寸的一半。重要的是空腔结构的特征是没有至外部的二氧化硅路径(silicapath)，其中模式通过该路径可以离开光纤的中心；这就是为何根据本发明的紧凑且规则的分布(即，不具有“二氧化硅通道”，即，不具有不包括空腔或仅包括少数空腔的地方)是特别有益的原因。在光纤的横截面上，第二环形区域的外周边与第三环形区域的内周边之间的平均距离优选地小于大空腔的平均尺寸的四分之一。
根据本发明的另一方面，对于包括借助于光纤获得非线性功能的光纤的应用，还提供一种光纤，其包括中心芯(1)；围绕该中心芯(1)并且包括空腔(3，4)的包层(rb和rc)；并且从1530nm至1570nm，具有小于或等于10μm2的有效面积；小于3ps/nm.km的色散绝对值；其特征在于，光纤的包层包括以使得光纤的总衰减保持低于10dB/km的这种方式排列的少于70个空腔。光纤的包层优选地包括少于50个空腔。
根据以下通过示例方式提供的描述和所附附图，将更好地理解本发明，并且本发明的其它特征和优势将变得明显，其中-图1是描述根据本发明的具有孔的光纤的一个示例的截面的图；-图2是描述作为图1光纤波长的函数的色散和色散斜率的曲线的图；-图3是描述作为图1光纤波长的函数的有效面积的曲线的图；-图4和图5是描述根据本发明的具有孔的光纤的两个其它示例的截面的图；-图6是描述根据本发明的具有孔的偏振保持光纤的一个示例的截面的图；-图7是描述根据本发明的具有孔的掺杂光纤的一个示例的截面的图；-图8是描述根据本发明的具有孔的偏振保持光纤的另一个示例的截面的图；-图9是描述根据本发明的具有孔的光纤的另一个并且特别有利的示例的截面的图；以及-图10是描述作为图9光纤波长的函数的色散的曲线的图。
具体实施例方式
为了改进光纤结构中的模式约束与光纤结构总尺寸之间的折衷，第三环形区域中至少十个大空腔优选地位于同一环形层中，并且每个大空腔优选地具有其最大尺寸与从该空腔的中心到芯的中心的距离之比大于0.3的比例。在第三环形区域中两个相邻大空腔之间的间隙有利地小于该光纤的使用波长，进一步改进了光纤中的模式约束。由于实际实现的原因，在第三环形区域中的同一环形层中有利地存在十二个大空腔。
同样为了改进光纤结构中的模式约束与光纤结构总尺寸之间的折衷，第二环形区域中至少十个中等尺寸空腔优选地在同一环形层中并且相对大空腔具有角偏移，使得位于面对大空腔之间的间隙的位置上。由于实际实现的原因，在第二环形区域中的同一环形层中有利地存在十二个中等尺寸空腔。
第一环形区域优选地包括小空腔，其横截面严格保持低于第一阈值。该小空腔调制光纤的某些性质例如像有效面积或色散等。在光纤的横截面上，当任何从芯的中心向光纤外部延伸的半径扫过第二环形区域中的两个中等尺寸空腔之间的角扇面时，其优选地在其扫过的角扇面的至少一部分之上遇到第二环形区域或者第一环形区域中的至少一个空腔。例如，在两个相邻的中等尺寸空腔之间存在一个小空腔。该小空腔不需要覆盖所有位于两个中等尺寸空腔之间的角间隙，因为是小空腔的位置而不是尺寸使得其可以与其它中等尺寸和大空腔合作来改进光纤中的模式约束。为了在保持合理的总尺寸的同时增加模式约束，第一环形区域的外周边与第二环形区域的内周边之间的平均距离优选地小于中等尺寸空腔平均尺寸的一半。
在本发明的一个优选的实施例中，第二环形区域和第三环形区域是圆形的，其网格是圆形的，并且第一环形区域是六边形的，其网格是三角形的。这简化了预制棒的制作，从该预制棒通过光纤拉制可以获得根据本发明的具有孔的光纤。该排列增加了空腔密度导致二氧化硅密度的损失，降低了等效折射率并且在进一步减小总尺寸的同时有助于光纤中的模式约束。
第三环形区域优选地包含仅一层大空腔。第二环形区域有利地包括仅一层中等尺寸空腔。然而，这些环形区域也可以包含多于一层空腔或者不同尺寸的空腔。
根据本发明的具有孔的光纤优选地是在使用波长处的单模光纤。为此，光纤整体结构的最大尺寸，即，在圆形分布情况下的第三环形区域的外径，是受限制的。保持具有孔的光纤的单模特性所允许的最大外径取决于光纤的精确结构，即，空腔的尺寸以及排列方面等。光纤整体结构的最大尺寸优选地小于30μm，有利地小于25μm，并且更有利地小于20μm。
根据本发明的具有孔的光纤有利地具有小的有效面积，以便增加在光纤的中心芯中发生的非线性效应，并且由此增强具有孔的光纤可以具有的任何非线性功能。在第一环形区域中将空腔优选地排列成使得光纤的有效面积小于10μm2。在第一环形区域中将空腔有利地排列成使得光纤的有效面积小于5μm2。
为了使所述非线性功能在给定的光谱带上尽可能均匀，使色散在所述光谱带上尽可能低并且尽可能均匀。从1530nm至1570nm的C光谱带是优选的使用光谱带。因此，在第一环形区域中，将空腔优选地排列成使得从1530nm至1570nm并且甚至光纤色散绝对值从1500nm至1625nm保持小于3ps/nm.km或甚至小于1ps/nm.km。在第一环形区域中，将空腔排列成使得从1530nm至1570nm有利地存在一个零色散波长。
下面将描述根据本发明的具有孔的光纤功能的示例，特别是非线性功能的示例。
例如，在第一环形区域中，将空腔排列成使得第一环形区域中空腔的分布至多具有两个轴对称并且光纤可以因此具有偏振保持功能。
如果其芯掺杂有稀土族(rare earth)，则根据本发明的具有孔的光纤可以用来制造激光腔或者放大器。
如果其芯掺杂有锗、磷、铅、铋、锂和铌中的一种或多种元素，则根据本发明的具有孔的光纤可以用来制造拉曼(Raman)放大器。
根据本发明的具有孔的光纤还可以用来制造波长转换器件、波长解复用器件、用于光信号的光再生器件或者包括可饱和吸收器的光滤波器件。
下面参考图描述根据本发明的具有孔的光纤的示例和其某些性质。一般而言，在图1和图4至图9中，描述的光纤的横截面的特征是芯1、至少包括小空腔2的第一环形区域、至少包括中等尺寸空腔3的第二环形区域以及至少包括大空腔4的第三环形区域。环形区域还可以包括某一数量的(通常较小数量的)与所述环形区域的大多数空腔尺寸不同的空腔。环形区域的外周边是外接所述环形区域的所有空腔的圆。环形区域的内周边是内接所述环形区域的所有空腔的圆。如果空腔的分布不是圆形的，例如如果其是六边形，则周边将是相应的外接或内接六边形，并且对于任何其它形状也是类似的。在所有的图中，包括大空腔的第三环形区域的内周边与包括中等尺寸空腔的第二环形区域的外周边之间的差异小于大空腔平均直径的四分之一。如果空腔是圆形的，则其平均尺寸是其直径；如果空腔不是圆形的，则其在光纤横截面上的平均尺寸是具有相同面积的圆盘的直径。在图中，光纤截面的特征是完美的圆形空腔，这不是实际中的情况，因为可能会使空腔变形。
图1光纤的特征是未掺杂的芯1、包括三个有六个小空腔2的六边形层的第一环形区域ra、包括有十二个中等尺寸空腔3的圆形层的第二环形区域rb以及包括有十二个大空腔4的圆形层的第三环形区域rc。所有的小空腔2是同样的尺寸。在两个大空腔4之间存在间隙e。Ca是构成第二环形区域的中等尺寸空腔3的外接圆。Cb是构成第三环形区域的大空腔4的内接圆。Cc是构成第三环形区域的大空腔4的外接圆。为了阐明图1，仅描述圆Ca、Cb和Cc的部分。光纤整体结构的最大尺寸是大空腔4的环的外径φext。
图2是描述作为图1光纤的波长λ(nm)的函数的色散C(ps/nm.km)的曲线f和色散斜率C’(ps/nm2.km)的曲线g的图。色散绝对值在从1400nm至1650nm的整个光谱带上保持小于3ps/nm.km。色散斜率绝对值在从1400nm至1650nm的整个光谱带上保持小于0.01ps/nm2.km。
图3是描述作为图1光纤的波长λ(nm)的函数的有效面积Seff(μm2)曲线f的图。有效面积在从1400nm至1650nm的整个光谱带上保持从5μm2至6.5μm2。
图4光纤的特征是未掺杂的芯1、包括两个有六个小空腔2的六边形层以及一个有六个中等尺寸空腔2的六边形层的第一环形区域、有十二个中等尺寸空腔3的圆形层以及有十二个大空腔4的圆形层。该小空腔2具有两个不同的尺寸。
图5光纤的特征是未掺杂的芯1、包括三个有六个小空腔2的六边形层的第一环形区域、有十二个中等尺寸空腔3的圆形层以及有十二个大空腔4的圆形层。该小空腔2具有三个不同的尺寸。
图6光纤的特征是未掺杂的芯1、包括小空腔2的第一环形区域、有十二个中等尺寸空腔3的圆形层以及有十二个大空腔4的圆形层。该小空腔2具有三个不同的尺寸并且排列成使得该结构仅具有两个对称轴，从而使该结构有益于偏振保持光纤的制造。
图7光纤的特征是掺杂的芯1、包括三个有六个小空腔2的六边形层的第一环形区域、有十二个中等尺寸空腔3的圆形层以及有十二个大空腔4的圆形层。该小空腔2具有三个不同的尺寸。其它图中的其它特征结构可以等同地以掺杂的芯1为特征。
图8光纤的特征是未掺杂的芯1、包括小空腔2的第一环形区域、有十二个中等尺寸空腔3的圆形层以及有十二个大空腔4的圆形层。该小空腔2具有两个不同的尺寸并且具有六边形排列。该结构的外径是15.9μm。该光纤具有近似3.5×10-3的双折射。该光纤对于两个偏振之一具有近似零色散并且在1550nm波长处具有3.6μm2的有效面积。
图9光纤的特征是未掺杂的芯1、包括两个分别有六个和十二个小空腔2的六边形层的第一环形区域、有十二个中等尺寸空腔3的圆形层以及有十二个大空腔4的圆形层。该小空腔2具有两个不同的尺寸。该结构的外径是14.8μm。该光纤在从1500nm至1650nm的波长范围上具有从0至1ps/nm.km的色散。
图10是描述作为图9光纤的波长的函数的色散的曲线图。色散C(ps/nm.km)绘于纵坐标并且波长λ(nm)绘于横坐标。色散曲线f从1500nm至1650nm保持低于1ps/nm.km的绝对值。
权利要求
1.一种光纤，包括-中心芯(1)；-围绕所述中心芯(1)的第一环形区域(ra)；-围绕所述第一环形区域(ra)并且包括中等尺寸空腔(3)的第二环形区域(rb)，所述中等尺寸空腔(3)的横截面严格保持在给定的第一阈值与给定的严格高于所述第一阈值的第二阈值之间；-围绕所述第二环形区域(rb)并且包括大空腔(4)的第三环形区域(rc)，所述大空腔(4)的横截面严格保持大于所述第二阈值；其特征在于，在所述光纤的横截面上-任何从所述芯的中心向所述光纤外部延伸的半径至少遇到所述第二环形区域(rb)中的中等尺寸空腔(3)或者所述第三环形区域(rc)中的大空腔(4)；以及-第二环形区域(rb)的外周边(Ca)与第三环形区域(rc)的内周边(Cb)之间的平均距离小于大空腔(4)平均尺寸的一半。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，在所述光纤的横截面上，所述第二环形区域(rb)的外周边(Ca)与所述第三环形区域(rc)的内周边(Cb)之间的平均距离小于大空腔(4)的平均尺寸的四分之一。
3.根据前述权利要求中任一个所述的光纤，其特征在于，所述第一环形区域(ra)包括小空腔(2)，所述小空腔(2)的横截面严格保持小于第一阈值。
4.根据权利要求3所述的光纤，其特征在于，在所述光纤的横截面上，当任何从所述芯的中心向所述光纤外部延伸的半径扫过所述第二环形区域(rb)中的两个中等尺寸空腔(3)之间的角扇面时，其遇到在其扫过的所述角扇面的至少一部分之上的所述第二环形区域(rb)或者所述第一环形区域(ra)中的至少一个空腔(2，3)。
5.根据权利要求4所述的光纤，其特征在于，在所述光纤的横截面上，所述第一环形区域(ra)的外周边与所述第二环形区域(rb)的内周边之间的平均距离小于中等尺寸空腔(3)的平均尺寸的一半。
6.根据前述权利要求中的任意一个所述的光纤，其特征在于，所述第三环形区域(rc)中的至少十个大空腔(4)在同一环形层中并且每个大空腔具有其最大尺寸与从所述空腔(4)的中心到所述芯的中心的距离之比大于0.3的比例。
7.根据权利要求6所述的光纤，其特征在于，所述第二环形区域(rb)中的至少十个中等尺寸光空腔(3)在同一环形层中并且相对所述大空腔(4)具有角偏移，使得其面对所述大空腔(4)之间的间隙(e)。
8.根据前述权利要求中的任意一个所述的光纤，其特征在于，所述第三环形区域(rc)中两个相邻大空腔(4)之间的间隙(e)小于所述光纤的使用波长。
9.根据前述权利要求中的任意一个所述的光纤，其特征在于，所述第二环形区域(rb)和所述第三环形区域(rc)是圆形的并且所述第一环形区域(ra)是六边形的。
10.根据前述权利要求中的任意一个所述的光纤，其特征在于，在所述光纤的横截面上，所述光纤整体结构的最大尺寸(φext)小于30μm。
11.根据权利要求10所述的光纤，其特征在于，在所述光纤的横截面上，所述光纤整体结构的最大尺寸(φext)小于25μm。
12.根据权利要求11所述的光纤，其特征在于，在所述光纤的横截面上，所述光纤整体结构的最大尺寸(φext)小于20μm。
13.根据前述权利要求中的任意一个所述的光纤，其特征在于，将所述第一环形区域(ra)中的空腔(2)以使得所述光纤的有效面积小于10μm2的这种方式排列。
14.根据权利要求13所述的光纤，其特征在于，将所述第一环形区域(ra)中的空腔(2)以使得所述光纤的有效面积小于5μm2的这种方式排列。
15.根据前述权利要求中的任意一个所述的光纤，其特征在于，将所述第一环形区域(ra)中的空腔(2)以使得所述光纤色散绝对值从1530nm至1570nm保持小于3ps/nm.km的这种方式排列。
16.根据权利要求15所述的光纤，其特征在于，将所述第一环形区域(ra)中的空腔(2)以使得所述光纤色散绝对值从1500nm至1625nm保持小于3ps/nm.km的这种方式排列。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的光纤，其特征在于，将所述第一环形区域(ra)中的空腔(2)以使得所述光纤色散绝对值在1550nm处保持小于1ps/nm.km的这种方式排列。
18.根据权利要求17所述的光纤，其特征在于，将所述第一环形区域(ra)中的空腔(2)以使得所述光纤色散绝对值从1500nm至1625nm保持小于1ps/nm.km的这种方式排列。
19.根据前述权利要求中的任意一个所述的光纤，其特征在于，将所述第一环形区域(ra)中的空腔(2)以使得从1530nm至1570nm存在零色散波长的这种方式排列。
20.根据前述权利要求中的任意一个所述的光纤，其特征在于，将所述第一环形区域(ra)中的空腔(2)以使得所述第一环形区域(ra)中的空腔(2)的分布的特征是至多两个轴对称的这种方式排列。
21.根据前述权利要求中的任意一个所述的光纤，其特征在于，所述芯(1)掺杂有稀土族。
22.一种包括根据权利要求19所述的光纤的激光腔。
23.一种包括根据权利要求19所述的光纤的放大器。
24.根据权利要求1至21中的任意一个所述的光纤，其特征在于，所述芯掺杂有锗、磷、铅、铋、锂和铌中的一种或多种元素。
25.一种包括根据权利要求24所述的光纤的拉曼放大器件。
26.一种包括根据权利要求1至18中的任意一个所述的光纤的波长转换器件。
27.一种包括根据权利要求1至18中的任意一个所述的光纤的波长解复用器件。
28.一种包括根据权利要求1至18中的任意一个所述的光纤的用于光信号的光再生器件。
29.一种包含可饱和吸收器并且包括根据权利要求1至18中的任意一个所述的光纤的光滤波器件。
30.一种光纤，包括-中心芯(1)；-围绕所述中心芯(1)并且包括空腔(3，4)的包层(rb和rc)；以及从1530nm至1570nm，具有-小于或等于10μm2的有效面积；-小于3ps/nm.km的色散绝对值；其特征在于，所述光纤的包层包括以使得所述光纤的总衰减保持低于10dB/km的这种方式排列的少于70个空腔。
31.根据权利要求30所述的光纤，其特征在于，所述光纤的包层包括少于50个空腔。
32.根据权利要求6所述的光纤，其特征在于，在所述第三环形区域(rc)中存在十二个大空腔(4)在同一环形层上。
33.根据权利要求7或权利要求32所述的光纤，其特征在于，在所述第二环形区域(rb)中存在十二个中等尺寸空腔(3)在同一环形层上。
全文摘要
本发明涉及在其结构中提供有空腔的光纤。本发明的光纤包括中心芯(1)；围绕所述中心芯(1)的第一环形区域(ra)；围绕第一环形区域(ra)并且包括中等尺寸空腔(3)的第二环形区域(rb)，该中等尺寸空腔(3)的横截面严格在给定的第一指定阈值与给定的严格大于该第一阈值的第二指定阈值之间；围绕第二环形区域(rb)并且包括大尺寸空腔(4)的第三环形区域(rc)，该大尺寸空腔(4)的横截面严格大于第二阈值。在光纤的横截面上，从芯的中心向光纤外部延伸的每个束至少遇到第二环形区域(rb)中的中等尺寸空腔(3)或者第三环形区域(rc)中的大尺寸空腔(4)，其中第二环形区域(rb)的外周边(Ca)与第三环形区域(rc)的内周边(Cb)之间的平均距离小于大尺寸空腔(4)的平均尺寸的一半。
文档编号H01S3/067GK1938619SQ200580010696
公开日2007年3月28日 申请日期2005年4月1日 优先权日2004年4月2日
发明者利昂内尔·普罗沃, 吉勒·梅兰, 洛朗·加斯卡 申请人:阿尔卡特公司