专利名称：电磁感应透明的(eit)光子带隙光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及光子带隙结构中的电磁感应透明性，尤其涉及使用光子带隙光纤的物理和模态特征以支持注入介质中电磁感应透明性的使用。
背景技术：
光子晶体是这样一种结构，它具有多维周期性变化的介电常数，从而导致一种带隙结构。电磁波长位于带隙内的可以减少透射，电磁波长高于和低于带隙的可以增强透射。
将缺陷引入光子晶体的周期性变化中会导致介电常数的变化，并可以改变能够在该晶体中传播的被允许的或不被允许的光波长。不能够在光子晶体中传播但可以在缺陷区域中传播的光线可以被限制在该缺陷区域中。对于带隙中的光波长而言，三维光子晶体中特定的线缺陷可以充当波导通道。
光波导光纤通常可以分为单模光纤和多模光纤。两种类型的光纤都依赖于全内反射(TIR)，以便引导光子沿着光纤纤芯。通常，单模光纤的纤芯直径相对较小，从而只允许光波长的一个单模沿该波导传播。单模光纤通常能够提供更高的带宽，因为光脉冲可以间隔得很近并且较少受沿光纤的色散的影响。另外，在单模光纤中，传播的光线所对应的功率衰减率较低。针对所有波长都可以保持其单模特性的光纤被定义为无截止单模光纤。
纤芯直径较大的光纤通常归为多模光纤，并允许光波长的多个模式沿波导传播。多个模式以不同的速度前进。这些模式的群速度差异导致不同的前进时间，从而使沿波导传播的光脉冲展宽。该效应被称为模式色散，并限制了可以发送脉冲的速度；转而限制了多模光纤的带宽。已经开发出渐变折射率多模光纤(与阶跃折射率多模光纤相对)以限制模式色散效应。然而，目前的多模光纤和渐变折射率多模光纤设计还不具有单模光纤的带宽容量。
光子晶体便是另一种手段，借助该手段可以按多模状态来引导光子(光模式)通过光波导结构。光子晶体依赖于布拉格散射来引导光线，而非用TIR来引导光子。定义光子晶体结构的特性是电介质材料沿一个或多个轴的周期性。当形成晶格的材料的介电常数是不同的时候，并且该材料最小限度地吸收光线，晶格界面处的散射和布拉格衍射效应允许引导光子沿着或穿过光子晶体结构。图1示出了具有三个光子带隙的常规光子晶体；所允许的透射频率在各带隙的上方或下方。
电磁感应透明性(EIT)是使之前对入射激光不透明或色散的介质变得部分程度透明的效应。经典的解释是，在设计为透明的激光频率下，介质中的电子被感应成几乎不动。用同相正弦力偏置减小电子的运动便可以实现上述这一点。电子的运动可反映在介质的介电常数中，减少运动可在所感兴趣的频率下实现该介电常数。
图2示出了与所感兴趣的介质中的一个原子的三个能态|n＞、|n+1＞和|n+2＞有关的EIT的一个可能的示例。原子在Rabi频率处的不同能态之间振荡(电子在不同能级之间移动)。实验上固定耦合激光频率(波长λC)，同时改变探测激光器频率(波长λP)。测量了探测频率通过具有图2所示能级的介质时的透射情况，并且在特定的探测频率处该透射充分地增大。透射的增大通常由透明度宽度来定义，在该透明度宽度内探测波长受到增大的透射。通常，存在这样的条件探测激光的线宽(波长，范围)应该小至可以和该透明宽度相比较。
在图3A和3B中可以看到电磁感应透明性的一个示例。图3A示出了在没有耦合激光的情况下探测激光的透射百分比(％)与该探测激光波长的函数关系。图3B示出了在耦合激光设定到固定频率时探测激光的透射百分比。使用耦合激光时，在之前没有透射的区域中出现了显著的透射增大。
目前，仅在困难的实验条件下才可以证明EIT效应。为了获得更低的谐振线宽(探测激光波长的宽度，在该宽度之内透射增大)，该介质必须被冷却到接近零度。或者，如果该介质没有被冷却，必须容忍更大的谐振线宽，这通常要求高强度耦合激光。
发明内容
本发明的示例性实施例提供了若干方法和器件以便使用电磁感应透明性。
本发明的示例性实施例提供了电磁感应透明性在光子带隙结构中的使用情况。
本发明的示例性实施例提供了电磁感应透明性在被注入光子带隙光纤中的介质中的使用情况。
从下文提供的详细描述中可以明显地看到本发明示例性实施例的其它可应用领域。应该理解，该详细描述和特定示例在说明本发明的若干实施例的同时其目的仅是解释说明，而非限制本发明的范围。
从下面的详细描述和附图中将更加全面地理解本发明的示例性实施例，其中图1示出了常规光子晶体的通带和带隙；图2示出了原子中常规的多级能态；图3A和3B示出了电磁感应透明性效应的实验数据示例；图4示出了根据本发明一示例性实施例的PBG光纤；图5示出了根据本发明另一个示例性实施例的PBG光纤；图6示出了根据本发明另一个示例性实施例的PBG光纤；以及图7A和7B示出了根据本发明示例性实施例的开关和/或光纤。
具体实施例方式
下面关于示例性实施例的描述本质上仅是说明性的，并不限制本发明及其应用或使用。
本发明的示例性实施例使用这样一种介质，当用PBG部分中的耦合激光照射该介质时该介质会呈现出EIT效应。在本发明示例性的实施例中，耦合激光被用于操纵探测激光穿过PBG的通过和特征。
图4示出了根据本发明一示例性实施例的PBG光纤100。具有耦合波长(和耦合频率)λC的耦合激光150照射PBG光纤100的一端。耦合激光150改变PBG光纤100的各种部分之内的介质的各种能级，从而允许在透明宽度内某些频率处增大透明(EIT效应)。选择探测激光140使其在透明宽度之内具有探测波长λP(和探测频率)和/或带宽(透射线宽)。图4所示的PBG光纤100可以包括具有第一折射率的第一介质110和具有各种折射率的若干其它部分，例如，圆柱120可以由具有第二折射率的第二介质构成，圆柱130(常常被称为纤芯)可以由具有第三折射率的第三介质构成。第一介质可以暴露于背景介质中。选定第一、第二和第三介质，使得PBG光纤100呈现出某些特性，即允许某些频率(通常被称为通隙频率)通该PBG光纤100而禁止带隙内其它频率通过该PBG光纤100。第二和/或第三介质可以部分地暴露于背景介质。在本发明的示例性实施例中，探测激光和/或耦合激光频率可以在通隙频率之内。尽管示出了三种介质，但根据本发明的示例性实施例，任何数目的介质都可以被用来构造PBG光纤。
在本发明另外的示例性实施例中，第二和/或第三介质可以是填充PBG光纤中的腔体的流体和/或气体。如果第二和/或第三介质是腔体中的流体和/或气体，则在制造期间各个介质的末端被密封好以防止它们从腔体中泄漏出来。选定流体和/或气体，使得当用耦合频率照射时它们在探测频率处呈现出增大的透射。
图5示出了根据本发明另一个实施例的PBG光纤200。用具有耦合频率的耦合激光250和具有探测频率的探测激光240来照射PBG光纤200。在本发明的各种示例性实施例中，探测240和耦合激光250可以同时地、不同相地、以脉冲态、只使用一个激光、一种激光连续而另一种是脉冲式的或者是任何其它组合来产生光。本发明示例性实施例的范围不应该被解释成受限于多种激光相互之间的操作使用。
图5示出了具有三种介质的PBG光纤200，其中这些介质之一是在第一介质210之内以单独的块形式产生。第二介质230由第三介质构成的圆柱所围绕，第三介质分离到孤立的腔220和225中。腔体220和225可以沿PBG光纤200的长度不断重复。
在本发明的示例性实施例中，各腔体可以用固体、流体或气体来填充。如果用流体和气体来填充，则可以对单独的腔体220和/或225加压，使得腔体220和/或225中的压力不同于PBG光纤200周围环境的压力。当用耦合和探测激光250和240分别照射时，可以改变腔体220和/或250内的压力以增强EIT效应。关于各个腔体220和225以及PBG光纤200周围环境的压力，这些压力可以较高、较低或相同。可以填充这些腔体的介质的示例是当用耦合激光照射时呈现出EIT效应的那些介质。例如，如图2所示，具有三能级窄光跃迁的气体可以用于填充腔体220和/或225。
在示例性的实施例中，这些腔体的折射率小于第一介质的折射率。
腔体220和225可以是通过下面的过程制成的使用已经被拉伸的光纤，形成全光纤长的圆柱腔，然后对周期性的部分加热以便在被加热的点处引起回流，从而在这些点处使腔体闭合，形成周期性分隔的腔体。本领域的技术人员可以构思出用已知的技术形成隔离腔体的其它方法。本发明的示例性实施例不应该被解释为受限于形成隔离腔体的特定方法。
根据本发明一实施例，产生PBG的一个示例性方法是，通过一个模挤压出包括至少一种玻璃粉和粘合剂的材料以形成一个主体，该主体具有与第二面隔开的第一面。各个面具有一个面积，其中多个通道从第一面延伸到第二面并在各个面中形成开孔。在隔离腔包含填充介质(该介质可以呈现出EIT效应)的各实施例中，并不需要在第一或第二面上形成任何开孔。这些通道可以用具有横截面的中间壁插入其中而彼此分开，这些壁的横截面用于在各个面中使开孔阵列彼此分开。可以对该主体加热以便分离粘合剂并带有粘性地烧结玻璃粉，从而形成玻璃体。玻璃光纤或棒可以从玻璃体中拉伸，从而在玻璃体中形成通道。这些通道可以由当用波长为λC的耦合激光照射时呈现出EIT的介质来填充，并且这些通道被密封。在本发明另外的示例性实施例中，可以按周期性长度对含有这些通道的主体进行周期性地加热，以引起通道的回流和密封，从而形成用该介质来填充的隔离腔。形成隔离或密封通道的其它方法也会落在本发明的范围之内。例如，另一种形成隔离腔的方法将是每隔周期性的长度在这些腔体内插入密封物质，当加热时该密封物质便在适当的位置固化或硬化，从而形成隔离腔的壁。
根据本发明示例性实施例，图6示出了PBG光纤300结构的另一种变化。探测激光340和耦合激光350可以照射该PBG光纤300。该PBG光纤300由第一介质310和分布在腔体320和325中的第二介质构成。在这种变体中，隔离腔320和325贯穿该PBG光纤300不断重复它们自身，并被第一介质310所围绕。腔体和介质的各种其它结构都将落在本发明的范围之内。
根据本发明实施例的PBG光纤可以提供非冷却的EIT效应所需的受引导的耦合波长模场强度等级。另外，该PBG光纤允许该光纤内具有耦合和探测频率的激光信号重叠，在PBG内信号不分离并且可以与呈现出EIT效应的介质连续地相互作用。
本发明的示例性实施例包括PBG光纤和EIT效应的使用以构造各种器件。根据本发明的示例性实施例，本领域的技术人员能够使用本发明的内容以及所论及的PBG光纤和耦合及探测激光，用PBG光纤中的EIT效应构建出用于各种功能的器件。例如，根据本发明的示例性实施例，图7A和7B示出了PBG光纤的一种可能的应用，即一种光学开关400，它具有EIT特征。
光学开关400由上述PBG光纤构成，其EIT透明宽度为W。探测激光420所携载的信号具有通隙频率之内的一探测频率，但是对该特定的探测频率而言信号所穿过的介质是不透明的。由此，没有信号流过光学开关400。当用耦合激光430照射光开关400时，该介质呈现出EIT效应并且探测频率处的透射有所增大，从而允许探测激光420所构成的信号作为出射的透射信号440通过该光开关400。当与探测激光420所产生的原始信号相比的时候，透射信号440可能经历了色散和强度变化。耦合激光有可能通过，作为透射的耦合信号450从光开关400中出射，该耦合信号450有可能经历色散和强度变化。用本发明的实施例可以形成其它器件，比如，移相器、逻辑算子、滤波器等。具有呈现出EIT效应的介质(该介质携载通隙频率)所制造出的器件也落在本发明的范围之内。
本发明的描述在本质上是示例性的，由此不背离本发明要点的各种变化也被包括在本发明各实施例的范围之内。这些变化不被认为背离了本发明的精神和范围。例如，PBG的结构不应该被解释为受限于图4-6所示的结构。
权利要求
1.一种光纤，它包括第一介质，它呈现出电磁感应的透明性；以及第二介质，其中所述第一介质和第二介质形成具有光子带隙结构的光纤。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤是一种波导。
3.如权利要求2所述的波导，其特征在于，所述第一介质具有较低的第一频率信号透射，其中用第二频率信号对所述波导进行照射可增大所述第一频率信号的透射。
4.如权利要求2所述的波导，其特征在于，空腔形成于所述第二介质中。
5.如权利要求4所述的波导，其特征在于，所述腔体被用于形成所述第一介质的流体所填充，所述第一介质在耦合频率处具有EIT效应。
6.如权利要求4所述的波导，其特征在于，所述腔体被用于形成所述第一介质的气体所填充，所述第一介质在耦合频率处具有EIT效应。
7.如权利要求6所述的波导，其特征在于，所述气体被加压。
8.如权利要求3所述的波导，其特征在于，所述波导产生了色散，从而改变了关于所述第一频率信号的特征。
9.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第二介质由玻璃制成。
10.一种光开关，它包括PBG光纤，其中所述PBG光纤具有呈现出电磁感应透明性的第一介质以及一种第二介质，其中所述第一和第二介质形成具有光子带隙结构的光纤；输入，其中所述输入接受开关信号和第一信号；以及输出，其中响应于所述开关信号，所述输出发送所述第一信号的一部分。
11.如权利要求10所述的光开关，其特征在于，所述第一介质具有较低的第一信号透射，其中用所述开关信号对所述PBG光纤进行照射可增大所述第一信号从所述输出中的透射。
12.如权利要求10所述的光开关，其特征在于，空腔形成于所述第二介质中。
13.如权利要求12所述的光开关，其特征在于，所述腔体被用于形成所述第一介质的流体所填充，所述第一介质在耦合频率处具有EIT效应。
14.如权利要求12所述的光开关，其特征在于，所述腔体被用于形成所述第一介质的气体所填充，所述第一介质在耦合频率处具有EIT效应。
15.如权利要求14所述的光开关，其特征在于，所述气体被加压了。
16.如权利要求11所述的光开关，其特征在于，所述光开关产生了色散，从而改变了关于所述第一信号的特征。
17.如权利要求10所述的光开关，其特征在于，所述第二介质由玻璃制成。
18.如权利要求10所述的光开关，其特征在于，所述光开关用于执行布尔运算，其中在没有所述开关信号的情况下所述第一信号的输入对应于在所述输出中所述第一信号较低的透射，这对应于逻辑值“0”，所述第一信号和所述开关信号的输入则对应于在所述输出中所述第一信号相对较高的透射，这对应于逻辑值“1”。
19.一种选择信号透射的方法，它包括将透射信号传递到光纤中，所述光纤具有光子带隙结构并且在被具有耦合频率的耦合信号照射时在透明性频率宽度W中呈现出电磁感应透明性，所述透射信号具有在所述宽度W之内的一个频率；使开关信号通过所述光纤；并且选择所述透射信号以便通过所述光纤透射，其中通过将所述开关信号的频率设置到所述耦合频率来进行所述选择。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述开关信号频率和透射信号频率都落在所述光子带隙结构的通带频率范围之内。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，多个信号作为透射信号被选定通过所述波导。
22.一种制造支持EIT的光子光纤的方法，它包括通过一个模挤压出包括至少一种玻璃粉和粘合剂的材料以形成一个主体，所述主体具有与第二面分开的第一面，各个面都具有一个面积，其中多个通道从所述第一面延伸到所述第二面并在各个面中形成开孔，所述通道用具有横截面的中间壁互相隔离开，这些壁的横截面用于在所述各个面中将所述开孔阵列彼此分开；加热所述主体以分离出所述粘合剂，并带有粘性地烧结所述玻璃粉以形成玻璃体；从所述玻璃体中拉伸玻璃光纤或棒，从而在所述玻璃体中形成通道；用在被波长为λC的耦合激光照射时呈现出EIT的介质来填充所述通道；并且密封所述通道。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，在所述玻璃内，所述通道形成周期性的隔离腔阵列。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述介质是流体。
25.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述介质是气体。
26.如权利要求22所述的方法，其特征在于，通过按周期性的间隔沿所述波导加热，引起回流，在周期性的位置处使所述通道闭合，形成所述周期性的腔体阵列，从而形成了所述腔体。
27.如权利要求22所述的方法，其特征在于，通过在所述通道中周期性地放置密封物质来形成所述腔体，其中当加热时，所述密封物质形成所述腔体的密封壁。
全文摘要
一种电磁感应透明的(EIT)光子带隙光纤(PBG)。这种EIT－PBG将光子带隙(PBG)光纤的通隙与带隙特性与呈现出EIT效应的介质的透明性控制组合起来，从而允许各种光学器件的形成。
文档编号G02B6/02GK1882859SQ200480033517
公开日2006年12月20日 申请日期2004年11月12日 优先权日2003年11月14日
发明者D·米勒 申请人:康宁股份有限公司