专利名称：包含用于横向信号传播的微结构光纤段的光学器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及微结构光纤，特别涉及位于一信道中与信号传播方向垂直的微结构光纤段的使用，其为传播信号提供各种光学效应。
背景技术：
用微结构波导特别是光子晶体提供波长滤波器，分束器，镜组件，直角波导等等是公知的。特别的，光子晶体材料更改受激原子的自发辐射率，当嵌入原子在此材料的能带隙中有辐射频率时，其抑制了自发辐射。
由于传统的微结构光学元件由沿着两主轴的每一个一的尺寸约为几个波长的结构组成，而且该元件是由传统微处理技术做成，所以包含这些元件的光学处理系统可以特别小。因而这些相对小的器件在高比特速率光学传输系统中有不同的用处。为了在使用这样器件的传输系统中减少耦合损耗，开发了各种嵌入的(或者“光纤内的”)器件。2000年6月13日公告的Koops等人的美国专利第6,075,915号揭示了直接在光纤中光通路上形成光子晶体元件。Koops等人的光子晶体元件包含具有一个或多个选择性缺陷的电介质棒的阵列。如果没有相反的影响周围的光纤部分，或者在晶体区域中没有引入不需要的缺陷，相对的是很难形成这样的器件。另外，光纤的大小和形成光纤的材料都先天的限制了棒的数目和阵列的大小。
2002年8月14日公告的T.Mastoshi等人的日本专利第2002-228808号揭示了光子晶体光纤“分割”成很多段的方法，并且用单个的分割段形成微结构光学波导。Mastoshi等人通过下列制作步骤(按顺序)对此技术的状态作出了改进(1)拉伸光子晶体光纤；(2)抛光光纤侧面为长方形横截面；(3)抛光光纤两端为长方形横截面的段；以及(4)通过在底层上将这些段组合在一起来装配光子电路器件。然而，上述过程的实际技术执行相当复杂，也很昂贵和花费时间。例如，分割段的表面的质量和其截面一样很难做的足够平滑。不平滑的表面会引起光的反射和散射，结果是会降低器件性能。同样，对于完美的平滑切割，从分割段侧面反射的的光会造成干扰效应，而影响光子器件的传输特性。另外，装配这些光纤“分割段”为较大光子芯片的处理，Mastoshi等人没有明确定义，在此技术里也不为人所共知。
因而，此技术仍需要一种相对结实和划算的可利用复杂的微结构元件和光学传输光纤的装置。
发明内容
本发明在于解决此技术遗留下来的需求，本发明涉及微结构光纤，特别涉及位于一信道中与信号传播方向垂直的微结构光纤段，从而形成为传播信号提供各种光学效应的微结构光学元件。同样揭示了制作一微结构光纤的特殊方法。
依照本发明，如形成微机构光纤的现有技术所使用的，一光学预制体形成包含有一组预定的内部光学元件(例如，与基质玻璃不同折射率的材料层，环等等)。该结构的外表面可以是圆柱形，长方形或者是与耦合光的理想自然状态相一致的其它形状，该耦合光沿横穿光学元件成品的轴的方向。成型之后，预制体进行拉伸处理而以减小预制体的尺寸一预定数量。依照本发明，预制体可以拉到一成品光纤的尺寸，或者其它尺寸，其提供内部光学元件所需大小和间隔。在拉伸过程中，孔的内部压力的控制可用来调节孔的大小和间距的相对尺寸。然后，拉伸而产生的光纤被分割成大量光纤段，每一段都包可以具有任何想要的高度，例如，几微米到几厘米之间任何高度。
已经发现本发明的光纤段显示了异常平滑的侧面，其可以用作输入和输出端，侧面的特性是用来形成光纤的高温拉伸步骤的结果。不仅通过从顶部和底部表面的全反射(如现有技术中的薄的光学微型芯片)，而且通过入射光沿水平方向的准直，都可以达到本发明的光纤段中垂直方向上的光的限制(如果必须的话)。如果光纤段的宽度充分小，或者光纤段的后期加工导致轴的变化，就可以不需要准直。
本发明的光纤段可以“调整(tuned)”，例如，在波长响应上，通过对该段进行某种形变，例如“拉伸”该段，扭曲该段或者使该段受到温度上的变化。在使用光纤段结构包含的微流体塞子的实施例中，段内的压力变化将提供波长调整。也已经发现了本发明的一个或多个光纤段可以沿传输光纤排列，并在传输光纤和光纤段间用消散波耦合法耦合传播的光信号。
在本发明的另一个实施例中，多个光纤段的垂直侧面可以抛光以形成多个具有长方形横截面的光纤段。抛光的段可以按一合适的图案(例如，直线，二维阵列，三维阵列，等等)放置，以形成“复杂”的光学预制体。然后，该复杂的预制体可以在二次分割处理之前进行拉伸处理，因而形成具有更复杂内部结构的多个光纤段。
本发明处理的优势是两次“拉伸”处理的使用几乎消除了相邻抛光的光纤段之间的间隙(有时指做现有的“缝合”问题)。另外，由于拉伸处理中尺寸的减少，通过小元件抛光，缝合准确性明显提高了。
本发明的其它的和进一步的装置和实施例，在随后的描述和附图参考下将更加明确。
现在参考附图，图1说明一用来形成微结构光纤的典型的现有光学预制体；图2说明由图1的预制体形成的一典型的现有的微型芯片；图3说明通过本发明形成的典型的光纤段；图4是包含本发明的一光纤段的一典型光学系统；图5-7说明通过本发明可形成的光纤段的不同实施例；图8说明从中部到每一端面为锥形外形的典型光纤段；图9说明一典型的光学系统，其使用了一组与一传输光纤相邻排列的锥形光纤段，且使用消散耦合来光学耦合光纤和套锥形光纤段之间的传播信号；图10说明由本发明多个抛光的光纤段形成的一典型的复杂的微结构光学预制体；图11说明将图10的配置进行二次拉伸处理而形成的典型的复杂光纤结构；以及图12说明切割图11的拉伸结构而形成的本发明典型的复杂的光纤段。
具体实施例方式
图1说明一种用于通过公知的处理形成一微结构光纤的典型光学预制体10。用于形成微结构光纤的各种技术已被公知，，其中美国专利第5,802,236号伴随参考描述各种成型技术。一般，一这样的微结构光纤可以包含一由包层区域包围的纤芯区域(典型的是固态)，该包层区域包含多个有间隔的，非周期排列的包层部分。包层部分可以包含与其余包层材料的反射率(或其它光学特性)不同的材料。图1所示的特别的实施例中，预制体10包含包围着第一“纤芯”区域14的第一包层环12，第一包围层12包含一与纤芯区域14的折射率不同的材料。包围着另一纤芯区域18的第二包层环16在预制体10的横截面内不同的位置形成。如图所示，第一纵向区域20竖直地设置在包层环12和16之间，第二纵向区域22水平地设置在包层环12和16的下面。如上所述，此特别的配置只是一个例子而且只用于讨论的目的。
如图1所示，一旦预制体10形成包含有不同折射率的不同区域，此对预制体进行拉伸处理来减少其外径，然后将其分裂成多个单个的微结构段30。在接下来的现有的传统处理中，每一微结构段30进一步分成极薄的(约一微米)光子微型芯片。图2中显示了一个这样的现有的微型芯片40。
如上所述，形成微结构光学元件的现有处理，特别涉及分裂，蚀刻和抛光单个元件存在很多问题。相反的，与现有的微米大小的微型芯片相比，本发明直接使用光纤段，其不需要沿拉伸光纤轴的限制，且具有一扩大的垂直尺寸。此外，多个这样的光纤段通过二次拉伸操作可以进一步处理而形成复杂的微结构光纤，其中制作这样复杂结构的能力在先前技术里很成问题。
图3描述了通过本发明形成的一典型光纤段50。特别的，图1所示的光学预制体10是使用上述方法而被拉伸的。然后已拉伸的光纤切割成段，在此依照本发明，一典型的光纤段50可以包含从几微米到几米间的任何高度h。本发明的光纤段50被认为在很多不同的方面和先前技术的微型芯片(如图2的微型芯片40)是不同的。首先，如果一光束通过光纤段50的侧面56传播而不是沿光纤段50的纵向长度穿过，光纤段50的顶部和底部表面52和54的“粗糙”分别不会影响光的传输特性。也就是，依照本发明，如图3所示光波是与顶部和底部表面52和54平行的穿过侧壁56。由于垂直侧壁56是非常平滑的(拉伸处理的结果)，所以进出光纤段50的散射损耗将很小。
实际上，与在现有技术薄的，平板状的微型芯片中使用全内反射相比，沿光纤段50垂直方向的光的限制可以通过准直由沿水平方向的入射光而达到。图4显示了一典型的光学系统和依照本发明形成的光纤段50的结合。在此例中，沿一输入光纤60传播的一光束在进入光纤段50之前，首先经过一输入共焦透镜62和准直透镜64。如上所述，光纤段50可以形成包含有多种不同的内部光学元件，以至对通过那里的光信号执行任何想要的改变。随后，准直的信号从光纤段50输出，并在光信号耦合到输出光纤70之前，经过一输出准直透镜66和共焦透镜68。
作为本发明的相对大尺寸的光纤段结构的结果，可以对其光学特性作出很多不同的更正，其中这些更正是在先前技术的薄的微型芯片设计中基本上不可能的。例如，图5显示了位于光纤段70中的三维结构72。这种情况下，多个圆柱体蚀刻进但不穿过光纤段70的垂直侧壁70。图6显示了另一实施例，其中在一光纤段80内形成的一圆柱体孔84中排列有多个球形的元件82。图7的光纤段90中显示了圆柱体孔的另一使用，其中，一典型的孔92形成包含有多个微流体塞子94，可以知道这样的塞子引起了折射率的变化，其为用来制作塞子的材料，塞子之间的距离，塞子的温度等等的函数。通常，可以在本发明的光纤段中形成孔，且之后在孔中填充有想要的不同折射率的材料，其材料包含气体，固体或者液体。
在图5-7所示的每一个实施例以及其它的实施例中，本发明的光纤段结构可以进行一物理的“拉伸”，来提供光纤段工作特性的波长灵敏度调节。例如，一光纤段可以垂直拉长，沿中心垂直轴扭曲或改变周围温度以改变波长灵敏度。对于图7所示的配置，压力变化将改变微流体塞子之间的间隔，因而改变光纤段的波长灵敏度。
图8说明了本发明的光纤段的另一几何形状。在此例中，光纤段100被更改成包含有在中心部分和相对的端面104和106之间的锥形区域。所以此特别的几何形状将在输入输出光纤108，110和光纤段100之间自然形成对光的调焦和限制。图9说明利用一组这样的锥形光纤段100的典型光学系统。这种情况下，一组三个锥形光纤段100-1，100-2和100-3与传输光纤112并列排列。因此在此例中，消散耦合用来在信号通过的光纤112和此套锥形光纤段之间提供光耦合。
图10说明包含大量单个抛光的光纤段120的典型复杂微结构光学预制体122。在图10特别的配置中，光纤段120以二维阵列排列，显示了例如12011，12016，12021，12041，12046等等的光纤段。优势是，使用抛光的光纤段允许单个的元件可简单排列以提供想要的光学特性。实际上，每一单个的光纤段，或者一阵列中光纤段的不同子集可以显示不同的特性，使其允许个人“制作”想要的复杂微结构元件的特性。
如图10所示，因为抛光面不是绝对平滑，所以光纤段120的阵列排列包含多个相邻光纤段之间的空隙124。因此，如图11所示，依照本发明，二次光纤拉伸处理执行向下拉伸此阵列排列，以形成复杂微结构光纤130。依照本发明，使用二次拉伸的作用是降低成品器件的整体尺寸，并且实质上消除相邻光纤段120之间的空隙(此技术中，这些空隙通常指作“缝合缺陷”)。在二次拉伸步骤执行之后，如图12所示，以上述的简单光纤段结构相似的方式，此光纤可以切割为复杂结构的光纤段140-1和140-2。实际上，此复杂结构的光纤段可用在上述的所有不同实施例中。
权利要求
1.一微结构光纤组件，包含一具有第一折射率的第一内部部分；具有不同的预定的折射率的多个区域，其多个区域配置以对通过其中的光信号提供预定的更改其特点在于该微结构光纤组件形成以包含有从相同图案的预制体拉伸而成的一光纤段，而且该组件由相隔一高度的一对端面所定义，从而该端面不会明显影响沿与端面平行的方向穿过的光的性质。
2.如权利要求1所述的微结构光纤，其中光纤段包含通过其垂直长度而形成的至少一个孔，所述至少一个孔填充有气体，液体或固体。
3.如权利要求2所述的微结构光纤，其中一个或者多个光学元件排列在至少一个圆柱体空隙中。
4.如权利要求3所述的微结构光纤，其中多个固体塞子排列在至少一个空隙中。
5.如权利要求3所述的微结构光纤，其中具有已知折射率的材料的一个或多个微流体塞子插入到至少一个空隙中。
6.如权利要求1所述的微结构光纤，其中通过光纤段垂直长度的至少一部分形成一个或多个微结构。
7.如权利要求6所述的微结构光纤，其中至少一个微结构包含多个蚀刻的圆柱体元件，形成以平行于组件的端面。
8.如权利要求1所述的微结构光纤，其中光纤段的侧面是从中心区域朝端面逐渐变小以改变传过的一光信号的横向行为。
9.制作微结构光纤组件的方法，该方法包含步骤a)提供一光纤预制体，所述光学预制体由具有第一折射率的材料构成且包括一个或多个具有不同的预定折射率的内部结构区域；b)加热并拉伸所述光纤预制体以减少所述预制体的物理尺寸，所述拉伸执行一足够的时间段以减小所述预制体的外径；c)将步骤b)拉伸的所述光纤切割成光纤段，每一光纤段用来作为一微结构光纤组件。
10.如权利要求9所述的方法，其中执行的步骤c)中，光纤切割成具有几微米到几米范围内的高度h的光纤段。
11.如权利要求9所述的方法，其中该方法进一步包含抛光预制体或者光纤段的侧面以制作一长方形组件的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，其中该方法通过执行另外的步骤形成一复杂微结构光学组件以预定的排列放置多个抛光的长方形组件将所述排列的多个长方形组件加热和拉伸一预定的时间以减少此排列的外径；以及将该拉伸的结构分割以形成一复杂结构的微结构光学组件。
全文摘要
一种微结构光学组件由一具有一个或多个不同折射率的内部区域的光学预制体制成。预制体拉伸成一光纤并切割成相对长的单个光纤段，每一光纤段因而形成一微结构光学组件。然后一光信号可以沿平行于光纤段端面的方向耦合过组件的侧面。一更复杂的结构可以通过组合多个光纤段在一起并执行另外的拉伸和切割处理而形成。
文档编号C03B37/10GK1648697SQ20041008651
公开日2005年8月3日 申请日期2004年10月21日 优先权日2003年10月23日
发明者本杰明·J.埃尔顿, 小贝干雄, 米哈伊尔·苏梅斯基 申请人:美国飞泰尔有限公司