有源光子带隙光纤的制作方法

专利名称：有源光子带隙光纤的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及光学波导，尤其涉及有源微观结构，比如用于诸如光纤激光器和放大器等应用的光子带隙光学波导。
2.背景技术完全由玻璃材料所形成的光纤进入商业应用领域已愈20年。虽然这些光纤代表了通信领域内的一次跃进，但是对于替代性的光纤的设计工作没有停止。一种有前景的替代性光纤是微观结构光纤，其包括一些沿着其光纤轴的纵向的孔或者空隙，其有时被称为“多孔”光纤。这些孔内通常包含空气或者惰性气体，但也可以包含其它材料，或者是真空的。
微观结构光纤可被设计为具有很多属性，并被用于很多应用领域。例如，已经制造出一种微观结构光纤，其具有一个实心的玻璃核心，而在核心周围的包层区域中有多个孔。孔的排列、间隔或者间距(pitch)和大小可以被设计为使得所得到的微观结构光纤从大的负值到大的正值范围内的均具有散射(dispersion)。这类光纤在诸如散射补偿的情形下是有用的。实心核心微观结构光纤也可以被设计为在很宽的波长范围上为单模。实心核心微观结构光纤通常利用内部全反射(total internal reflection)机理来制导光；可以认为孔的低(折射)率降低了其所处的包层区域的有效(折射)率。
一种非常有趣的微观结构光纤是光子带隙光纤或晶体。光子带隙光纤采用一种与内部全反射(TIR)机理根本上不同的机理来制导光。光子带隙光纤具有一个形成于光纤的包层中的光子带隙结构。光子带隙结构可以是，例如，具有和光的波长近似的间距的孔的周期性阵列。光子带隙结构的频率和传播常数有一个范围，其被称之为带隙，在该范围内，光在光子带隙结构中无法传播。为了形成一个光波导(或者更为普遍地说，一种制导电-磁(EM)能量的结构)，在光子带隙晶体或光纤中形成缺陷(defect)。因此光纤的核心是由光子带隙结构包层中的缺陷所形成的。例如，该缺陷可以是一个孔，其具有与光子带隙结构的孔完全不同的尺寸和/或形状。或者，该缺陷可以是嵌入到光子带隙结构中的实心结构。被导入核心的光将具有由光以及核心的结构所确定的传输常数。在光纤核心中传播的光的频率和传输常数如果在光子带隙结构的带隙内，那么就不会在光子带隙包层中传播，因此其被限制在核心中。光子带隙光纤可以具有一核心，其由一个比周围的光子带隙结构的孔更大的孔所形成，在这样的空心核光纤中，光将在核心孔内被制导。缺陷是栅格结构中的一处中断，其可以是栅格某处的间隔的改变，可以采用具有不同折射率的材料替代栅格的一部分，或者将光子带隙晶体材料的一部分移除。缺陷的形状和大小被选择为用于产生或支持一种光传播模式，该传播模式具有位于光子晶体带隙内的波长。因此，缺陷的壁由一种材料，一种光子带隙晶体所制成，其不会传播由缺陷所产生的模式。与全内部反射光纤波导相比较，此时缺陷起波导核心的作用，而光子带隙晶体起包层的作用。然而，波导的机理允许核心具有非常低的折射率，因此具有低衰减和低非线性度的优点。
光纤内的光子带隙制导的潜力令人很感兴趣。虽然对于在这类光纤中制导的理论已经有所描述，但是光子带隙光纤的实际制造以及光学属性的论证却相对很少。已经被论证(demonstrated)的光子带隙光纤受到高损耗(或者高衰减)的困扰；已经有报导的最低的损耗在10dB/km的数量级上。为了在电信领域作为传输光纤时能体现出重要的实践价值，光子带隙光纤必须有低得多的损耗。
光纤激光器表示一种将低相干泵浦光(pump light)转换为相干信号光的高效装置。光纤激光器具有出色的表面积-体积比以利于冷却，通常是柔性的以利方便地展开，并且重量轻，价格便宜。这些特征使得光纤激光器在一些应用中相当地有吸引力。
将光纤激光器同比例增大到更高的功率涉及更高的泵浦级别和交互作用长度(interaction length)。然而，非线性光学效应以及表面损伤最终限制了将其提高至更高的功率。
在此之前，具有增加的有效面积的光纤剖面设计已被用于降低非线性光学效应。然而，最大有效面积通常受到弯曲损耗(bend loss)的限制；往往有效面积大的光纤的弯曲损耗也更大。已经采用防反射涂层以及抛光的光纤端面来降低在光纤-空气界面处的表面损耗。这些尝试使得操作功率得以提高，但是平均功率仍然被限制在大约1000W。如果想要同比例增大到更高的功率，就需要类似于常规光纤激光器的双包层配置，从而有效地将多模泵浦能量转化为单模光纤-激光能量。
由于光子带隙晶体波导所提供的低非线性的优点，需要确定一种光纤剖面设计结构，其可以有效地将泵浦能量转化为单模光纤激光能量。
光子带隙晶体波导的使用包括那些涉及高电-磁能量级别的输送的应用，比如用于切断材料或者焊接材料的装置。
还特别需要将光子带隙晶体的低非线性度结合到诸如光纤的波导中去，从而将光纤激光器操作功率提高到被非线性交互作用所限制的现有设计之上。一个非线性交互作用的例子是受激布里渊散射，或者叫SBS。SBS是一种非线性光学过程，其发生在光学场和材料致密波之间。材料中的光学场和致密波通过已知的电致伸缩机理来交互影响。描述这一交互作用的强度的系数是电致伸缩常数。在标准实心核光纤中，入射场被光纤反射，而频率则由于SBS效应而发生偏移。在诸如光纤激光器和光纤放大器的很多应用中，SBS是一种有害的效应。很多方法被发展出来以遏制SBS过程的影响；其大部分通过增加有效面积或者对光学场进行光谱扩展以降低其密度。
SBS过程的阈值功率取决于泵浦波的光谱宽度和光学场的有效面积。在连续波泵浦场中其可以低至1mW。因此，在光纤放大器或者光纤激光器中，由于SBS效应的限制，窄带连续波光学辐射的放大或产生存在困难。
在中空的光子带隙光纤(PBGF)中，光学场被制导入光纤横断面的一个空隙中。该空隙可以填充空气、某些其它气体、某种液体、或者被抽空以支持一个真空区域。由于描述SBS交互作用的电致伸缩常数和材料的数密度(numberdensity)成比例，而气体的数密度大约比玻璃的数密度低三个数量级，所以光子带隙光纤的中空核心的非线性响应要比实心核玻璃光纤小大约三个数量级。
此外，脉冲光学场的放大和产生受到发生于放大器或者激光器中的非线性过程的限制。由于描述各种非线性过程的非线性系数和光纤放大器或者振荡器中的核心材料的数密度成比例，所以中空核心的PBGF很理想地适用于遏制这些非线性效应。
因此，需要一种光学有源中空核心PBGF以满足各种应用，比如放大或者产生窄带光学场或者脉冲光学场，而非线性损伤大为降低。
发明概要本发明的一个方面涉及一种光子晶体波导，其具有一个掺杂有有源材料的信号和泵浦交迭部分，以使得波导的制导模式发生交迭，其中包层的空隙填充分数在大约0.45到0.98的范围内以允许在空气核心中进行空气制导。
本发明的另一个方面涉及一种光子带隙晶体波导，其缺陷尺度(Rd)和间距(Λ)的比率大约在1.12到1.20的范围之内，从而将带隙区域配置为可以为在带隙区域发射的表面模式提供交迭，从而增强处于泵浦波长的从缺陷态所发射的核心模式，并压制处于信号波长的表面模式。
本发明的其它特征和优点将在随后的详细描述中加以阐述，对于本领域技术人员而言，根据说明书的内容，其中一些特征和优点将变得明显，或者可以通过依照说明书、权利要求书及附图所述来实践本发明而加以认识。
应该理解的是，之前的简要描述和之后的详细描述都是仅仅是本方面的一种示例，其意在提供一种概览或者框架以便理解权利要求中所述的本发明的本质和特征。
此处所包含的附图意在提供对于本发明的更进一步的理解，其包含在说明书中，并构成其一部分。附图进行了并非必要的等比例缩放，同时为了便于说明，各元件的尺寸有所变形。附图描述了本发明的一个或更多实施例，并且和说明书一起用于揭示本发明的原理和操作。
附图简要说明

图1是根据本发明的内容的一个有源掺杂的单光子带隙晶体光纤的截面图，该光纤具有一个各向同性的环状横断面。
图2是根据本发明的一个双带隙光子带隙晶体光纤的示意图，该光纤所具有的缺陷是各向异性的，比如其横断面，以及两个带隙中不同的孔尺寸。
图3是根据本发明的一个用作光纤激光器的光子带隙晶体光纤的示意图。
图4是根据本发明的一个具有环状横断面的缺陷的一张相关图表，该图表是在缺陷内传播的光模式的能量分数相对数字值和间距之比的曲线。
图5是根据本发明的一个有源掺杂的单光子带隙晶体光纤的裁切的(cropped)横截面图，其具有一个环状横截面，其缺陷半径大于图1中的情况。
图6是根据本发明的一个有源掺杂的单光子带隙晶体光纤的横截面图，其具有一个环状横截面，其缺陷半径大于图5中的情况。
图7是根据本发明的一个具有六边形横截面的缺陷的光子带隙晶体的经裁切的图。
图8是根据本发明的一个光子带隙晶体的示意图，其具有六边形横截面的缺陷，其半径大于图7中的情况。
图9是根据本发明的一个光子带隙晶体的示意图，其具有六边形横截面的缺陷，其半径大于图8中的情况。
图10是根据本发明的一个具有六边形横断面的缺陷的一张相关图表，该图表是在缺陷内传播的光模式的能量分数相对数字值和间距之比的曲线。
图11是根据本发明的经过计算所得的输出，其演示图15的双包层光子带隙光纤配置中的空气核心制导。
图12是根据本发明的经过计算所得的输出，其演示图15的双包层光子带隙光纤配置中的内包层制导模式。
图13是根据本发明的一张示意图，其描述的是在定义具有缺陷的光子带隙晶体中的信号和泵浦交迭部分的环面中的模式功率的分数，所述的光子带隙晶体所具有的缺陷使得具有大能量分数的模式处于缺陷之内，核心及内部包层模式的交迭表面模式，以及外包层模式环境。
图14是根据本发明的一曲线图，其描述图1的光子带隙光纤的归一化(normalized)频率相对归一化传输常数的关系。
图15是根据本发明的一个双带隙光子带隙晶体光纤横截面的模式光纤剖面图，所述光纤横截面具有的缺陷是各向同性的(比如具有菊花般的形状)，并且在两个带隙中的孔的大小不同，如同所见的，具有不同的边带厚度。
图16是根据本发明的一个光传输的图表，其描述图15的有源光纤的第一类型泵浦和信号交迭的波长的函数。
图17是根据本发明的一个光传输的图表，其描述图15的有源光纤的第二类型泵浦和信号交迭的波长的函数。
图18描述没有表面模式的带隙区域。
图19根据本发明描述在带隙区域内所期望的表面模式交互作用。
图20根据本发明描述在带隙区域内的表面模式交互作用的期望上限。
图21是根据本发明的一张带隙的曲线图，其描述缩放的频率相对用于图16和17的有源光纤设计的空气或空隙填充分数的函数。
图22是双光子带隙布拉格(Bragg)光纤的横截面图，该光纤具有围绕在一个大的中心核心周围的同心层的包层结构。
图23是双光子带隙布拉格光纤的横截面局部放大图，其示出对于在核心-包层界面上支持表面模式的最内层包层的干扰。
具体实施例方式
现在详细参考本发明的实施例，其示例被示出于附图中。可能的话，在整套附图中将使用相同的参考标记来表示相同或类似的部分。本发明的一个方面涉及光子带隙光纤(PBGF)，当然本发明也覆盖了平面或者其它形状的波导。
参考图1，其示出根据本发明的一个光子带隙光纤(PBGF)或者光子带隙晶体波导的实施例的横截面图。光子带隙光纤20包括一个由光子带隙结构或者晶体10所形成的包层区域22。在图1的例子中，光子带隙结构10包括一个形成于包层区域22的矩阵材料或者侧壁28中的洞26的周期阵列。图1的洞26被图示表述为具有环行横断面，但是其也可以是任何其它形状；本领域技术人员将认识到孔具有基本不同的横截面形状(例如，方形、三角形、六边形、多边形、椭圆形、矩形或者诸如大致呈六边形的不规则形状)从而在圆柱或者其它结构中形成空隙、孔、通道或者其它洞。
光子带隙光纤20还包括核心区域12，其由包层区域22的光子带隙结构10所围绕。虽然图中示出的是和中心对准，但在其它偏斜对准的情况下，核心区域12以及光子带隙区域22并没有必要具有相同的中心点。在图1的例子中，核心区域12被形成为矩阵材料28中的一个洞或者孔。所述的定义核心区域12的洞与光子带隙结构的洞26不同，优选的是前者比后者要大；这样，核心区域12成为光子带隙结构10中的一个缺陷。然而，在其它情况下，核心缺陷可以比光子带隙结构的洞要小。
和带隙或者包层洞26一样，核心或者缺陷12也可以是任何形状的。例如，对于非极性或者极性操作，可以使得经由该缺陷的激光制导分别相对称或者各向异性。核心区域12可以由惰性气体(如氮气或氩气)、空气或者液体来组成。核心区域12也可以是基本真空的区域(例如，低于大约20mmHg)。
作为内部包层区域22的光子带隙晶体或者第一带隙区域在图5-6和图7-9的裁切表示中作为浅色的柱体3的栅格或者网格(web)而示出，从而更加关注于核心缺陷的半径Rd和在内包层区域内用于和核心及表面模式进行交互作用的孔的间距Λ的比率，将其作为空气填充分数的函数，这一些在下文中加以讨论。半径为rcl的洞、间隙或者孔26被集成在围绕在每个柱体周围的以深色区域所标记的材料中。光子带隙晶体缺陷或者核心12被描述为具有环状截面，其半径为2。至于光子带隙晶体的特征，缺陷截面可以有一个常规的形状，包括图2的圆形边角的横截形状，并提供根据本发明的光子带隙晶体波导的期望性能。缺陷或者核心12的长度沿着与中心横截面相垂直的光轴0的方向延伸至光子带隙晶体或者光纤中，如图3中所示。在缺陷12和光子带隙晶体或者包层区域22之间的边界在此情况下是圆形的，而与边界相关联的数字值是图1中所示的半径2。
再次参考图1，并根据本发明的揭示，优选地填充有诸如空气、真空或者某种气体的低折射率材料的核心12，其周边被泵浦和信号交迭部分中的一系列中空的掺镱(Yb)的玻璃柱体或者通道所包围或分界，其中交迭部分可以是诸如内包层22的界面部分或者环面44，或者在诸如有源分子的有源气态实施例中是核心本身，比如在二氧化碳核心中的氢气，用于在拉曼放大器(Ramanamplifier)中通过拉曼动作(Raman action)来获得增益。
从缺陷12的中心点延伸的泵浦和信号交迭部分的外部边界定义出泵浦和信号交迭部分，并且其具有自缺陷12的中心点的半径21。对于一个有源掺杂的气态核心的例子，其中泵浦和信号交迭部分是缺陷12自身，而泵浦和信号交迭部分的外边界具有半径21，其与缺陷12的半径2相同。在此情况下，到信号和泵浦交迭部分21的半径等于缺陷12的半径，其系数为1.0。
为了获得10％的信号泵浦交迭，到信号和泵浦交迭部分21的边界的半径大于缺陷12的半径，其系数为1.1。也允许其它的设计系数，到信号和泵浦交迭部分的半径21的范围优选地比缺陷12的半径大一个系数1.5。通常，到信号和泵浦交迭部分的半径21的范围优选地依一个系数1.1-3.0而比缺陷12的半径大。
对于一个特定的期望的光纤模式剖面，其中内包层22的有源周期结构具有第一间距(Λ)，栅格孔大小42具有半径rcl(假定其为环状)，rcl/Λ的比率优选地在大约0.35≤rcl/Λ≤0.5的范围内，这一数值范围与0.44-0.91的特定空气填充分量或者容量有关。与常规的那种需要无穷矩阵(infinite matrix)来提供带隙的设计不同，注意到此处内包层22仅仅由作为矩阵化材料的4排柱体3来支持，更精确一点来说，是三排完全的环状柱体3，以及一行部分断开的柱体，不过其并不需被限制于环状设计，也可以是任何其它结构。
参考图21，一条缩放频率对于空气或者空洞填充分数的函数的曲线示出空气填充分数的优化范围。水平轴上的空气填充分数f与栅格的环状孔大小(rcl)依下式而相关f=π23(dΛ)2=2π3(rclΛ)2]]>因此，内部包层的间距(Λ)在光子带隙孔尺寸rcl之内，从而使得比率rcl/Λ处于大约0.35≤rcl/Λ≤0.5的优化范围内，而这又是由在大约0.44到0.91之间的空气填充分数所得到。上限0.91是当栅格不能再支持圆形空隙时的空气填充分数。空隙越不圆，空气填充分数越接近极限1。
在非气态实施例中，第一或第二六边形环或者其它形状的外围形成界面部分44。柱体可以被掺杂其它的光学有源离子93，比如其它的过渡或者稀土金属。掺镱的玻璃区域44被常规半导体激光器所泵浦以获取光学泵浦用于将短波长的泵浦能量转化为长波长的信号能量，比如从980nm到1480nm。
在空气中被制导的光在光学波导属性方面有很多优点。描述材料的非线性光学响应的非线性折射率n2与材料的数值密度N成比例。在把实心玻璃核心换为气态核心时，数值密度降低三个数量级。这导致了空气核心光学波导的非线性响应的响应降低。因此，1GW/cm2的光学密度的空气核心PBGF和具1MW/cm2的光学密度的常规波导具有相同级别的非线性效应。这提供了应用高功率光学激光器的优势。
空气中制导光的另一个优势在于从光纤的端面产生的菲涅尔反射不存在，或近乎消除。由于光学场的有效折射率接近空气的折射率，在光纤端面上没有折射率的间断。离开光纤的场的唯一后果是其将经受衍射，并且开始散播。空气核心模式的菲涅尔反射几乎为零。这一点又利于高功率光学激光器的应用。
然而，在本发明之前，没有已知的光子带隙光纤激光器。光子带隙光纤提供一种装置以使得被非线性交互作用所限制的光纤激光器操作功率超越现有设计。然而，提高到更高的功率需要一种类似于常规光纤激光器的双包层配置的机理以有效地将多模泵浦能量转化成为单模光纤激光能量。本发明揭示一种光纤剖面设计，其可以有效地把泵浦能量转化为单模光纤-激光能量。本方法具有在激光核心区域降低非线性度的优势。因为可以处理比常规方法高1000倍以上的密度，非线性度的降低程度可达1000倍。
单带隙光纤可以作为一个没有第二带隙的光纤激光器，并且可以用于放大器或者激光器等应用。优选的第二带隙比单带隙带来更多的优点。例如，双带隙允许将空间不相干泵浦能量转化成为空间相干信号能量。而且，第二带隙提供了一种提升至更高功率的途径。
参考图2，示出了一个双带隙光纤激光器剖面的例子，作为一种可能的变化的例子，第二带隙被加入到图1的结构中，并且具有不同形状的缺陷34。光纤激光器剖面包括三个部件两个带隙区域22和36，以及一个缺陷核心34。两个带隙，内带隙22和外带隙36，对在光纤20中传播的光加以限制。内带隙22起两个作用其将激光限制到光纤的中央核心模式，并且作为泵浦光的多模核心。外带隙36将多模泵浦光限制到内带隙区域22。
参考图16和17，两个带隙区域以两种不同的方式交迭。当透射比T低时，存在一个带隙，得以发生带隙制导。当透射比T高时，无法发生带隙制导。
参考图2-3，形状像一个圆边角的十字或者圆边角的加号(+)的实线34的表示一个区域，在该区域中光纤激光就在低折射率的核心缺陷34中传播。虚线22表示内带隙的边界，其起两个作用(1)将光纤激光限制在由实线34所描绘的区域中，并且(2)作为多模泵浦光的核心。在虚线22外的区域36将光限制到内区域22。内包层22的带隙被设计成将光纤激光限制在核心34之内。具有在内包层的带隙之内的频率的光221无法穿过包层传播而是被截留。然而，具有在第一带隙之外的频率的光222就可以穿过内包层而溢出。外区域36的带隙被设计为将泵浦光限制在内区域22中，带隙通过将光从层叠的包层上反射来制导光。
通常，可以被用于光纤激光器或者放大器的双包层结构包括两个包层。第一(内部)多模包层作为多模泵浦核心。第一包层或包覆层与单模核心相邻，而第二包覆层则包围着第一包覆层。第一多模包覆层或者内部包层作为输入泵浦光的具有高数值孔径(NAclad)的波导。
参照图3，其表示使用图2中的光学有源光子带隙光纤20的一个亮度转换器30的纵截面。作为多模泵浦核心的内包层的第一多模包覆层界面部分44的横截面(Dclad是内包层界面部分的直径44)可以被设计成期望的形状，例如，和泵浦源的近场形状相匹配(Dlaser是宽面积激光的大小，或者任何其它有源源的大小(比如一个作为电泵浦的电压源，在其快轴或者慢轴上有一个发射孔48))，也可以被设计成任何其它提高泵浦光束的耦合效率的图案或形状。在第一包覆层22和第二包覆层36之间的数值孔径(NAclad)必需足够大以捕获泵浦激光二极管或者其它有源源72的输出。亮度的实际增加(对于用作亮度转换器的光纤激光器而言)取决于泵浦包层面积和核心面积的界面包覆与核心的面积比率(CCR)，比率(CCR)越小，亮度增加越多。然而，核心和包层的截面之间的面积不一致导致器件的长度必须很长，因为泵浦辐射的吸收是和比率(CCR)成反比的。通常，在没有带隙的常规光纤中的泵浦包层面积与核心面积的较高的CCR比率使得获取高级别反转变得困难，因为通常比率(CCR)越高，在给定的泵浦功率下可获取的反转级别越低。因此，泵浦吸收和反转是相关的。
根据本发明所揭示的内容，光学有源掺杂剂93，比如稀土元素或者过渡金属，例如铒、镱、钕，并非位于双包层光纤放大器/激光器的空心空气核心34中，而是位于内包层22的界面部分44。换句话说，有源分子可以被设置在双包层光纤放大器/激光器的气态核心34中，而不是在核心周围。
当诸如铒、镱或者钕等三级跃迁型稀土元素在竞争性的四级宽松环境中尝试进行跃迁时，用于三级操作的光纤激光器/放大器需要解决更多的技术挑战。即使从二极管激光棒72可以获得非常高的能量，也难以获得用于激光器或者放大器的三级系统的操作所必须的高级别反转。如果由有源光子带隙光纤20所提供的镱光纤激光是由单个2W的宽面积激光二极管72所泵浦，并且输入泵浦功率Pin＝1600mW实际上在内包层22中发射，为了有效地进行激光操作，发射激光所需的阈值功率不应该超过输入泵浦功率的1/4，或者400mW。假设αp＝6dB，hv＝2.16×10-19J(当泵浦频率为920nm时)，σap＝8.3×10-21m2，τ＝0.8ms，而Pth＝0.4W，包层面积大约为Aclad＝890μm2。因此，对于一个由920nm宽面积激光二极管所泵浦的，意图提供大约976nm的信号频率的一个镱掺杂的976nm的双包层光子带隙光纤激光器而言，核心半径与间距的比率较为推荐的的值是图4中14、16和18所表示的范围，大致上分别在0.8-1.2、1.3-1.5、和1.7-2.2的范围内。而且，由于阈值应该被尽可能地减少，内包层的横截面积不宜超过900μm2。
一个具有这样小的半径-间距比率的双包层光子带隙镱光纤激光器是可以实现的。对于在优选的30μm的六边形内部包层中的8μm直径的圆形核心的情况，图4的半径-间距比率是可以达到的。
根据本发明的双包层有源光纤20的优化设计和尺度可以在获得很强的泵浦吸收的同时压制长波长ASE并且可以获得足够强的泵浦密度以获得三级操作。用于放大器或者激光器的一个三级或者准三级双包层有源光子带隙光纤或者亮度转换器30的一个输入侧被泵浦波长为λp的泵浦信号64所照射。内部包层22被制作为用于多模操作的第一带隙晶体结构。优选的单横断模式缺陷核心34(在本例中其位于内包层22的中央，不过也可以为了进行极化操作或者其它原因而与中心点非对称地进行对准)由具有图1所示的间距和孔径尺寸设计的第一光子带隙的缺陷所形成。缺陷核心34没有必要为严格的单模，位于双模的临界上的核心也是可以的。
优选的，为了光纤激光的所述目的，在缺陷34周围的界面包层部分44掺杂有很多光学有源离子93，比如镱(Yb3+)、饵(Er3+)或者钕(Nd3+)离子，但其它稀土元素也可以被用做掺杂剂。双包层有源光纤20还包括一个外包层36，其优选地由玻璃结构制成，具有一个不同的第二带隙，并且其孔尺寸比内包层32的带隙要大。带隙之间的差别并不限于孔尺寸，外包层的带隙可以根据孔尺寸、间距(即孔到孔的间距)、玻璃网的折射率或者三角形、方形或带隙结构的其它形状的栅格设计而进行调节，或者进行其它优化。
一个完全采用玻璃的设计允许这些折射率，而玻璃的类型包括铝硅酸镧玻璃、锗酸锑、硫化物、铅铋镓酸盐(lead bismuth gallate)等。用于外包覆层的优选材料也是一种玻璃，例如，一种铝硅酸硼碱。
此处不试图精确地描述它们在代表有源光纤20的横截面积表示中的相对直径。不过，被内包层22的界面部分44所分界的信号和泵浦交迭部分的半径21优选地比缺陷核心34的半径2要大大约1.1-4倍。该比率甚至可以达10倍。而且，有可能使用其它的气体取代空气(n＝1)来作为核心。
有源光纤20的长度相对而言不是很重要，因为其和相关波长相比是非常长的，所以任何未被限制的或者泄漏的模式在这一长度上都得到充分地衰减。实际上，该长度取决于内包层的界面部分44中的稀土掺杂的级别以及期望的泵浦吸收效率。在某些情况下，1cm的长度就远远足够了。
有源光纤20包括两个分别定义光谐振腔46的输入和输出端的镜面或者滤波器60、62，并作为端面反射器。输入镜面60被制成对于在泵浦波长λp下的光学泵浦信号64高度的透射，而对于输出信号66的信号(发射激光)波长λs则高度的反射，而输出镜面62则被制为在信号波长λs下部分反射(部分透射)且优选地在泵浦波长下至少部分地反射。即使输出镜面62经空气间隙到放大器的平接的输出光纤120的反射仅为4％，也足以限定光学谐振腔46。单模光纤120平接(butt coupled)到核心34的输出端。如果亮度转换器或者光纤激光器30被用作一个掺铒的光纤放大器(EDFA)或者其它掺杂的光学放大器(例如拉曼放大器或者带拉曼增益的光纤)的泵浦源，单模光纤通常被用作泵浦光纤。因此，泵浦信号64被有效地在输入镜面60引入光学谐振腔46，光学谐振腔46被限定在两个镜面60和62之间，光学谐振腔46内的某些驻波可以穿过输出镜面62。
对于在本例中由有源光纤20所提供的一镱光纤激光，对应于三级激光发射的三级Yb3+跃迁的信号波长是978nm，而对应于四级激光发射则是1030nm。虽然本发明在涉及光纤激光时是以Yb3+掺杂为例的，但其并不限于此。光纤激光器或者亮度转换器30可以掺杂其它的过渡或者稀土离子93，比如Nd3+。镱和钕的混合掺杂，或同时掺杂或者采用不同掺杂的光纤的序列，可以允许在800nm而非920nm波长下的泵浦。
宽条带激光器(即有源源72)的光学特征可能足够好以允许直接耦合到多模内包层22，而不需使用分立的聚焦元件70。不管是否直接耦合，泵浦信号由AlGaAs或者InGaAs宽条、阵列或者二极管棒的形式的激光二极管72提供，其发射的波长小于976nm但处于镱吸收带内。实践中，泵浦带从850nm到970nm范围内，更优选的范围是910-930nm，尤为优选的范围是915-920nm。依据电介质寄主(dielectric host)，波段和发射波长的精确值可能会偏移几个纳米。
二极管、宽面积激光器72，以及多模包层22的输入的宽长比越类似于椭圆、矩形、长方形、或者气体狭长形状，透镜、光纤光耦合器、光激发器、或者其它光束整形器或会聚元件越适合于将宽条带或者宽“面积”激光二极管72或者二极管棒的相对大尺寸的输出聚焦到光纤激光器/放大器或者其它类型的亮度转换器30的宽多模包层22中。优选的，内包层22的界面部分44具有优化的纵横比，并且足够地小以耦合来自宽面积激光二极管72的泵浦光，从而获得足够高的泵浦功率密度。双包层光纤的内部包层可以被拉成如图1中所示的六边形形状或者其它形状，比如用各种方法获得的诸如椭圆或矩形的狭长形状。
当被掺杂的双带隙光纤被用作双包层放大器时，因为包层-核心面积比率(CCR)小，信号的包层模式与掺杂的核心充分交迭至某一程度以获取更高级别的模式(HOM)的增益。波导的任何模式(可参考图15的模式剖面光纤)具有确定的如图11中所示的光学场剖面。基本核心模式的大部分场在核心34之内，如果获得所需要的反转级别，则该模式显然要被放大。然而，由于内包层44的尺寸更大，其支持很多不同的模式。某些离子93总是会自发地跃迁，为每种模式、核心和包层提供等量的光子。如果包层44的界面部分和核心34的大小差不多，那么至少部分高级别内包层信号模式，或者叫表面模式，其场将会和在核心周围的界面44中的离子有充分的交迭，从而也被放大，如图12所示。这将增加激光器或者放大器的效率；因为会聚在更高级包层模式(ASE)中的作为表面模式的光学能量将会和将被接到单模光纤输出的核心模式发生交互作用。
通常，表面模式被定义为一种存在于两个区域(这两个区域可以由不同的材料或者不同的结构而加以区分)之间的界面上的一种模式。在包含核心12和内部包层22之间的界面的环面或者界面部分44中，表面模式的能量百分数很高，比如超过50-70％。表面模式的损耗可以通过核心设计以及轴向变化而加以控制。表面模式耦合到包层和辐射模式要更为容易，因为它们和辐射模式的交迭要比辐射模式和核心模式的交迭要大。
外包层36的带隙结构被设计为包括或不包括信号波长，如图16和17中分别所示，这具体要取决于表面模式和核心模式的期望的交互作用。一种压制包层模式放大(导致放大器和激光器效率降低)的方法是消除由外包层所产生的对内包层模式的制约。这一点是通过减小外包层36的孔径从而在信号波长下降低制导性(antiguide)，从而信号包层模式不是被限制于内包层并且从不发出激光来实现的，不过核心模式并没有显著地改变。然而，外包层36具有一个包括泵浦波长的带隙结构。
作为一种选择方案，或者附加方案，内包层22的没有和基础模式交迭的一部分不掺杂信号增强掺杂剂以压制内包层模式的放大。
放大器的例子的第二解决方案是使放大器的输入和输出单模光纤和用作放大器的泵浦的有源光纤20的双包层光纤核心模式完美地模式匹配，从而使得仅有很少的光被射入放大器的包层模式。另外，将任何光传播入放大器的包层模式将会降低其效率，因为一些泵浦能量会在包层模式的放大中被浪费而不会转会为有用的输出。为了使输入光纤和双包层光纤的核心模式之间模式匹配，当光纤被结合时，应该保证模式场直径(MFD)对于输入光纤及双包层核心而言是相同的。MFD和数值孔径(NA)应该相同以便进行匹配，但核心折射率(core indices)可以不同。即使实际的折射率差别或者折射率Δ以及核心直径可能不同，所需要的是令MFD、NA以及对准核心良好地相匹配。
第三种解决方案是使用模式选择反馈来确保纯基模激光操作。为了提供模式选择反馈，信号反射器52(以第一带隙22的形式)被设置在缺陷核心34周围以保证只对核心模式有增强的光学反馈。由于PBGF的内部损耗相当小，激光效率相对而言对外部反射不敏感。只有一个模式，双包层光纤20的核心模式，将接受反馈，而包层模式则不会。因此，反射器52反射信号光以执行模式选择功能。反射器52的存在以及模式匹配将确保包层模式不被发射。
通常，使得泵浦光和光纤核心的掺杂边界之间的交迭最大化是有利的。所以，希望把核心做得更大一些，而内包层更小一些。较大的核心改善了泵浦吸收，而较小的内部包层有助于用较少的泵浦功率产生较高的反转。然而，其它的一些因素使得最佳的核心尺寸被限制在一个对应于用于单模操作的近乎双模的核心的尺寸。不过，通过提高核心尺寸，多模操作也是可能的。近单模操作的最容易理解的例子是使用980nm的镱光纤激光器。
渐变折射率的最终版本是一种核心，其折射率一直渐变降低到内包层22的边缘。然后，在核心和内包层22之间没有限定的边界，二者混为一体。但是这种波导的0级基模仍然被限定在中央，且其MFD相对较小，而更高级别的模式则通过本发明所揭示的在核心周围掺杂的方式更均匀地填充整个波导区域。
如前所述，被用作波导结构的双包层光子带隙光纤的最佳设计受到很多因素的影响。很多模式以及它们在波导内的强度(场)分布取决于波导的形状、折射率对比或者折射率deltaΔ，以及核心大小。
当在核心以及内包层(渐变折射率)之间的界线难以绘出时，物理截面的面积比率不是简单地定义的。当高delta的渐变波导同时被用作一个“双包层”光纤的核心和内包层的特殊情况下，模式区域被定义为一个物理区域，其中模式的光学强度比其最大值的1/e2要高(或者电场幅度比其最大值的1/e要高)。换句话说，当核心和内包层形成一个单波导(该单波导由具有连续变化的组分的材料所制成，从而使得折射率逐渐地自中心部分向波导的边缘降低)，波导的缺陷的中央外围掺杂具有三级跃迁的光学有源离子以形成掺杂区域，然后在带有掺杂区域的波导的基本(0级)信号模式之间的交迭优选地被设计为不超过结合有掺杂区域的波导的所有泵浦模式的交迭的3倍。
对于标准情况，可以提供另一个类似的定义，当核心以及内部包层具有清晰的边界时，因为在此情况下，依然是泵浦使用包层的很多模式，而信号仅使用核心的一种模式。不过，对于标准情况，核心到包层的物理横截面比率(CCR)和定义给出的值几乎完全相同。
在一个实施例中，在某一基于栅格孔大小42的特定空气填充分数下，缺陷半径2和间距4的比率被选择在某个范围内，从而在光子带隙内增强表面模式的激发。特别的，有源周期结构或者光子带隙光纤20被设计为具有第一间距以使得带边缘被配置成为带边缘处辐射的表面模式提供交迭，从而增强从缺陷态辐射的核心模式。换句话说，在至少一个光子带隙材料和支持至少一种表面模式在界面处传播的缺陷之间的界面所定义的表面与结构的有源部分相交迭，并且和一种状态交迭，该状态和与结构的相同有源区域交迭的缺陷相关联。
或者，有源周期结构20被设计为具有第一间距以配置带边缘并且为在带边缘被制导的表面模式提供交迭，从而放大核心模式自缺陷态的衰减部分以压制大部分表面模式。
参考图14的散射图，其示出了一条图1所示的空气孔三角阵列的光子带隙(图中的实心区域)的图线。对于给定的归一化频率，ωΛ/2πc，带隙区域表示的是传输常数βΛ/2π的一个范围，在该范围内周期栅格内的传播被禁止。具有在光线(light line)(其被定义为ω＝βc的线)之上的传播常数的光学模式可以在空气中传播。在光线之上的和带隙交迭的区域表示可以存在于空气中，但不能在周期栅格中传输的模式的频率和传输常数。由此可见，将空气核心缺陷引入周期栅格可以使得一种模式(该模式无法逃逸进包层中)在空气核心中传播。实心区域表示在硅衬底中的三角形栅格上的空气孔所组成的周期介质栅格中无法传播的光学模式的频率和波向量。最低的线表示真空光线。存在于真空的(和空气非常近似)模式仅仅对应于在最低的线上方的点才成立。两个较高的线表示一个完美反射的中空柱体(其提供最低两级的柱体模式或者核心模式)的两个最低级的模式。
完美反射中空柱体的模型给出了一种对于空气核心模式的散射属性的良好估计。散射图表中最上面的两条线示出如图1中所示的，具有等于三角形栅格的孔的间距的半径的完美反射中空柱体的散射可靠性(dependence)。在选定了这样的半径后，光子带隙光纤应该是单模的，因为高级别的圆柱模式不会落入带隙中去。第一较低的柱体模式线的落入实心带隙区域的部分就是在内包层22的限制下发生空气核心传输的地方。
根据本发明的实施例的光子带隙光纤因此基本上在核心区域内制导信号光。被引入核心区域的光学能量具有由光的频率和核心区域的结构所确定的传输常数。如图3所示的光学能量221(其在光纤的核心区域内传播，且其频率和传播常数在光子带隙结构的带隙之内)不会在包层区域22的光子带隙结构中传播，并因此被限制在核心区域34中。本发明的光子带隙光纤将具有在光子带隙结构的带隙之内的频率的光学能量制导在核心区域内，其损耗低于约300dB/km。本发明所期望的光子带隙光纤将具有在光子带隙结构的带隙之内的频率的光学能量基本制导在核心区域内，其损耗低于约200dB/km。而本发明所尤其期望的光子带隙光纤将具有在光子带隙结构的带隙之内的频率的光学能量基本制导在核心区域内，其损耗低于大约50dB/km。在本发明的某些特定的实施例中，光子带隙结构将具有在光子带隙结构的带隙之内的频率的光学能量基本制导在核心区域内，其损耗低于大约20dB/km。
带隙22和36被设计为将适当频率的光限定在适当的区域。例如，具有较高频率或者说较短波长的泵浦光位于内部区域22的带隙之外，从而其从内包层逃逸并泄漏，并被外包层36所限定，而具有较低频率或者说较长波长的激光则在内部区域22的带隙之内，因此它不能穿过包层传播，而是被捕获或者说限定在核心34中。更高频率或者更短波长的泵浦光则在外区域36的带隙之内，因此不能穿过外包层传播，而是被捕获或者说限定在外包层36中。有可能具有在外部区域36的带隙之内或之外的激光频率，从而与核心模式和表面模式进行不同的相互作用。其设计依赖于被内部区域22限定在核心34中的激光光线，所以外部包层区域36在激光模式方面的效果被最小化。
与常规的光纤不同，光子带隙光纤中的光能量的制导并不需要核心的折射率比包层的折射率高。同样地，在光学能量波长下，核心区域的有效折射率可以比包层区域的更低。此处某区域的有效折射率被定义为
neff=Σi=1zfi·ni2]]>其中neff表示有效折射率，z是光子带隙结构中的不同折射率ni的总数量，而fi是折射率ni的体积分量。例如，在图1中所示的光子带隙结构中，如果核心区域30填充有某种气体或者真空，那么其在近红外波长下的折射率大约为1。由于矩阵材料28的存在，包层22的有效折射率比核心区域30的折射率高一些。
本领域的技术人员应该了解，跨越光子带隙结构的带隙的确切频率强烈地依赖于其结构细节。熟练的技术人员可以通过光子带隙结构的明智设计来对带隙进行调节。与技术人员相仿的计算机方法论可以被更佳地应用于光子带隙结构的设计中。在这种技术中，将几何地定义具有期望形状的电介质结构以及折射率分布。在给定的电解质结构中的电磁模式的电场和磁场以及频率将通过计算机求得的麦克斯韦方程组的解来计算。有一种试探解法，通过将磁场表述为具有任意(随机数)系数的平面波的和来构建。通过改变平面波系数直至电磁能量最小化来求解麦克斯韦方程组。利用一个预处理的共轭阶梯最小化算法可以加快其速度。所定义的电介质结构的各个模式的模式频率、电场、以及密度分布由此而确定。这一技术在Johnson，S.J.和Jonanopoulus，J.D.的文章“Block-Iterative frequency-domain methods for Maxwell’s equation in a planwavebasis”(Optic Express，8(3)，173-190(2001))中有详细的描述。本领域技术人员将会理解，带隙的波长范围将和光子带隙结构的尺寸一起同比例变化。
例如，如果洞26的三角形阵列(其截面不一定非要是圆的)的间隔或者间距4是约4.7μm，而94％的空气填充分数产生一个波长范围从大约1400nm到大约1800nm的带隙。而一个同比放大的，间隔为大约9.4μm，空气填充分数相同的洞22的三角形阵列的带隙范围在大约2800nm到约3600nm之间。
本发明的光子带隙结构可以被制成对很多种波长下的光学能量进行制导。在本发明的期望的实施例中，一个光子带隙结构被设置为对大约150nm到20μm之间的波长的光学能量进行制导。在本发明的其它期望实施例中，光子带隙结构光纤被配置为对波长大于大约400nm的光能量进行制导。在本发明的其它实施例中，光子带隙结构被配置为对波长小于大约20μm的光能量进行制导。在专用于电信应用的期望实施例中，光子带隙光纤对波长大约在1400nm到1600nm的光能量进行制导，而其损失小于大约20dB/km。其它有价值的波长为900nm到1200nm。本领域技术人员应该可以理解，本发明的光子带隙光纤可以被设计为对并非在此处所定义的波长进行制导。
为了在期望的波长下确保单模或者少量模的操作，期望核心区域能够具有一个相对小的横截面积。例如，在本发明的期望实施例中，核心区域的最大直径比包层区域的光子带隙结构的间隔的4倍要小。在本发明的特别期望的实施例中，核心的最大直径不大于包层区域的光子带隙结构的间隔的三倍。
本发明的另一个实施例涉及一种光子带隙光纤，其支持对具有非常低的非线性度的模式的制导。在常规光纤中，光在玻璃材料中进行制导；被制导的模式的有效非线性折射率(n2)在2×10-16cm2/W到4×10-16cm2/W的范围内。在本发明的光子带隙结构中，光基本可以在一种气态材料中进行制导。因此，可以得到非常低的非线性度。在根据本发明的一个实施例的光子带隙结构中，光能量在某个模式下被制导，其有效折射率n2低于约10×10-19cm2/W。在期望的本发明的一个实施例的光子带隙结构中，光能量在某个模式下被制导，其有效折射率n2低于约5×10-19m2/W。
具有低非线性度的光子带隙光纤可以在高功率光能量(即来自于高功率激光器)的传输中找到用武之地。例如，在空气核心中制导光线的光子带隙光纤可以被用于制作光子功率光纤激光器。空气核心的模式具有渐逝场分量，其延伸到空气核心的周边。计算表明，对于适当的设计，大约有1％到10％的空气核心模式能量延伸到空气核心之外。一个已经被讨论过的示例性设计是由一系列中空的掺镱玻璃柱体或者掺有其它光学有源离子(比如其它的过渡或者稀土金属93)的通道来形成空气核心的周边44。掺镱玻璃区域44用传统的半导体激光器泵浦。核心模式通过其与掺镱的玻璃区域44的交迭来获取增益。在PBGF的设计中，采用最佳缺陷半径时，模式存在于空气核心缺陷34的表面44和光子带隙栅格22上。这些模式可以和折射制导的模式一起被用于在PBGF的长度内传播泵浦光。泵浦光激发镱原子93并且建立其为空气核心模式提供增益的反转。
在一个具有竞争4级跃迁的3级系统中，比如980nm的镱或者940nm的钕，由于竞争4级跃迁会首先发射激光，所以如果有源掺杂离子镱仅仅位于包层和核心之间的界面区域上的限制条件没有被满足，那么对于任何泵浦能量密度都无法获得具有可接受的效率的激光/放大。目前已知首先需要一个特定的泵浦功率密度来达到总体反转。然而，在本发明之前都没有认识到或者建议过，可以由一个给定的泵浦功率和包层掺杂区域所获得的反转级别还依赖于没有被有源媒介所吸收(从而使得包层的一部分区域没有被掺杂)的泵浦功率的量。
表面模式可以存在于光子带隙晶体以及其缺陷之间的边界上的这一发现是对于光子带隙晶体波导(其在电信环境以及包括了高功率电磁波的传输环境下非常有效和实用)的设计以及制造的关键。
为了计算在光子带隙晶体波导中所支持的模式以及模式功率分布，需要求解具有一个位置依赖电介质函数的麦克斯韦向量波方程。这种波函数的一个有用的形式可以在此前所引用的Joannopoulos等人的参考文献的第11页方程(7)中找到。用于求解这种控制方程的技术已经在本领域内公知，可以在以下出版物中找到例子Steven G.Johnson和J.D.Joanopoulus的“Block-Iterativefrequency-domain methods for Maxwell’s equation in a planwave basis”(OpticExpress，8(3)，173-190(2001))。在该出版物中，作者作出如下总结“具有周期性边界条件的麦克斯韦方程组的全向量本征模式在平面波的基础上由块雷利商数(Rayleigh quotient)的预设定共轭渐变最小化来计算，其使用的是一个可用的自由软件包。”所述的可用自由软件包在Steven G.Johnson和J.D.Joanopoulus的文章“The MIT Photonic-Bands Package”中有所阐述，并且可以从以下网址获得http//ab-initio.mit.edu/mpb/。
参考图4，对图1中所述的光子带隙晶体波导所进行的计算的结果被示作曲线段14。图4的纵轴是包含在光子带隙晶体波导的缺陷中的模式能量的分数。横轴则是缺陷半径(边界的数值)与间距的比率。曲线段14示出缺陷中的模式能量分数在比率大约为1处具有最大值。曲线14在靠近1.3的比率处的局部最小值对应于支持表面模式传播的缺陷的几何情况。换句话说，缺陷的几何情况允许表面模式在光子带隙内激发。
模式能量分数与体积分数(fi)或者组成光子带隙晶体的分数体积(其可被规定为具有特定的值或者在某个取值范围内)相关。“空气的分数体积”这一术语是为含有气体的晶体带隙的体积与包层区域中的晶体带隙的总体积之比。组成光子晶体的小孔的分数体积也是一个有用的量。在此情况下，小孔可以填充空气、被抽空、或者填充具有预选的折射率的一种材料。
通常，空气的分数体积不小于50％，如果采用了凝胶(sol-gel)方法来制作带隙，那么其大于60％或67％。为了在一个环状的横截面缺陷中获得一个以不小于模式功率的0.5(模式功率分数)的功率传播的光模式，半径与间隔之比处在约0.61到1.22的范围内。为了在缺陷中获得不小于0.7的模式功率分数，半径与间隔之比在约0.63到1.19的范围内。为了获得不小于0.8的模式功率分数，半径与间隔的比率在约0.8到1.16的范围内。
在一个具有环状横截面的缺陷，并且空气的体积分数不小于0.83，半径与间隔之比在1.07到1.08范围内的一个光子带隙晶体中，可以获得不小于0.9的模式功率分数。根据本发明的这一特别的波导实施例是单模的。对于具有不小于0.9的模式功率分数的环状缺陷横截面(其可以在一个具有不小于0.83的空气分数体积的光子带隙晶体中获得)而言，在1.07到1.08的范围内的半径与间隔比率将会压制表面模式。表面由至少一个光子带隙材料22和缺陷12之间的界面44所定义，所述缺陷12支持至少一个在界面44上传播的表面模式并且和结构的有源部分93交迭以及支持与缺陷12(其与结构的同一有源部分相交迭)相关联的一种状态。因此，优选地，在缺陷以及第一包层(带隙区域)22的界面44周围的一行或两行掺杂镱93被插入以便在大于1.08的半径-间隔比率下在自中心缺陷开始的一段距离上增强表面模式和核心模式的交互作用。优选地，界面区域44形成微观结构的一部分，或者专门将这部分称为内包层区域22，这样包括截面区域44的微观结构区域比界面区域44大出约10-300％。或者说，包括界面区域44的内包层区域22比界面区域44大出约1.1-4倍。
特别地，如果外部带隙不存在，或者外部包层36的带隙被设计为在其反射窗口中不包括信号波长，那么随着缺陷的尺度的增大，同时边界也向外移动到光子带隙晶体中，优选地，应该以被受制于缺陷的模式能量的局部最小值400处的半径-间隔比率来散布掺杂剂。
换句话说，如果可选的外包层36被加入，而其带隙反射率窗口包括信号波长以及泵浦波长，那么为了压制泵浦模式的尾端的表面模式，有源离子93被优选地以核心模式的局部最大值(其为泵浦或者包层模式的局部最小值)处的半径-间隔比率410而散布在离开缺陷的中心一段距离的位置上。
因此，通常，优选地情况下，PBGF(包括核心)的空气填充分数应大于0.7。图1、5和6描述了具有73.7％(0.737)的空气填充分数的带隙光纤20。在具有这样理想的空气填充分数的实际光纤中的空隙将会由于光纤剖面的不均匀性而在0.7和0.74的范围内变化，其平均值为0.72。可以通过以下步骤完成计算扫描光子带隙光纤的末端照片、数字化被扫描的图片、除去核心区域、然后计算阴影区域和非阴影区域的比率(阴影区域即被小孔或者空气所占据的区域)。
如果实际的样本可用，并且具有环状洞，那么可以通过以下步骤计算分数测量柱体的尺寸(包括内尺寸和外尺寸)、测量柱体间的间隔以及由这些数字来计算空气填充分数。
参考图5的本发明的裁切图，其大体上和图1类似，不过对于和图1相同的空气填充分数，缺陷12被描绘成具有约1.5的比率，而非图1中1.0的比率。图5的光子带隙晶体波导的传播特征显示为图4中的曲线段16。在图5的实施例中，曲线段16所表示的受限于缺陷的模式能量的分数在接近1.5的半径-间隔比率处最大。发生于1.6附近的曲线段16的局部最小值是一种支持或允许一个或多个表面模式的激发的光子带隙晶体波导配置。
参考图6，其示出本发明的一个实施例的裁切图，其中缺陷半径-间隔比率大约为2。该比率反映于图4中的曲线段18的最大值处。随着比率持续增加，即缺陷的尺寸增大，边界向外移动到光子带隙晶体中去，受限于缺陷的模式能量的分数持续地穿越局部最小值和最大值。曲线段18对应于图6中所述的光子带隙晶体波导。
对于受限的模式能量的期望分数而言，可以从图4的适当的曲线段14、16或者18中读取出可接受的比率的范围。对于图1所示的光子带隙晶体波导的最小比率实施例而言，波导是单模，而最佳比率提供受限于缺陷的模式能量的分数在0.8附近。随着缺陷半径2增加，更多模式在缺陷中传播，限制的分数会更高。
参考图7-9，其示出根据本发明的光子带隙晶体波导的另一些具有六边形横截面的缺陷12的实施例。在各个实施例中的光子带隙晶体或者包层区域22大体上和图1、5和6中的情况相似。图7中的半径2-间隔4的数字值比率大约为1，其中半径2的数字值被定义为从六边形缺陷横截面的中心到六边形的一边的垂直距离。在图8和图9的情况下，其各自的半径2-间隔4的数字值比率为1.5和2.0。
参考图10，一张图表示出了受限于六边形缺陷的模式能量的分数。水平轴是被栅格间距所划分开的等边六边形的面。曲线段104在1.2的比率附近具有大约0.8的限制最大值。曲线段106则示出限制分数大约为0.9的另一个最大值，其发生于大约1.5的比率处。
对于具有六边形横截面的缺陷而言，光子带隙晶体包括体积分数不小于0.67的小孔。与缺陷相关的数字值是一条从六边形的中心到六边形的一边的垂线的长度。对于缺陷内的不超过0.6的模式功率分数而言，数字值和间隔之比的范围在0.9-1.35内。对于缺陷内的不超过0.8的模式功率(模式功率受限分数)而言，数字值和间隔之比的范围在1.45-1.65内。
图4和图10论证了获取最佳的模式限制的最佳操作点取决于栅格以及缺陷的设计。然而，我们发现，任何支持缺陷模式的带隙都显示出与图4和图10相等同的行为。我们认为，对于任何光子带隙结构的任何带隙，均可以通过前述的Joannopoulos等人的研究成果中所述的技术，计算出给定缺陷半径(或者其它可以定义核心缺陷的范围的参数)条件下缺陷模式的带隙内的频率来，从而计算出最大以及最小共振结构。根据一条受限模式能量对缩放的缺陷参数的曲线，可以从曲线的最大值推算出最大限制的最佳操作点。类似地，我们认为，可以从受限模式能量对缩放的缺陷参数的同一条曲线的最小值推算出用于增强表面模式交互作用的最佳操作点。
根据本发明的揭示，优选地，在缺陷以及第一包层(带隙区域)22的界面44周围，一两行掺杂镱以大于1.9的半径-间隔比率被插入以增强在自中心缺陷的一定距离上的表面模式与核心模式的交互作用。特别地，如果外带隙不存在，或者外包层36的带隙被设计为其反射率窗口中不包括信号波长，那么随着缺陷尺寸增大，边界向外移动到光子带隙晶体中，掺杂剂93优选地以在受限于缺陷的模式能量的局部最小值400处的半径-间隔比率而散布。
另一方面，如果加入了可选的外包层36，并且其带隙反射率窗口包括了信号波长以及泵浦波长在内，那么为了压制泵浦模式的尾端的表面模式(其与核心模式的最大值相一致)，有源离子93优选地以核心模式的局部最大值处(其同时也是泵浦或者包层模式的局部最小值)的半径-间隔比率410而被散布于离缺陷中心一定距离处。
基本上，对于具有任何横截面缺陷的光子带隙晶体的任何配置都可以进行类似的计算。比如弯曲的横截图形或者图2中所示的圆形加号(+)。
参考图18-20，图19中的期望的缺陷尺度(Rd)与间隔(Λ)之比在1.12到1.20范围内，从而提供充足的与核心模式的表面模式交互作用，与之相比，图18示出的是不充足的表面模式交互，而图20示出的是表面模式交互作用太多从而导致没有信号或核心模式传播的情况。应该理解的是，缺陷尺度(Rd)的比率表示完美的缺陷环的半径、六边形的长度尺度、或者与理想设计的形状不同或者有所畸变的缺陷的其它类型数字值。因此，在特定的空气填充体积或比率下，比如70％的条件下，缺陷尺度(Rd)和间隔(Λ)的比率大约在1.12到1.20的范围内，或者光子带隙或具有间隔(Λ)的内包层在光子带隙孔径尺寸rcl之间，从而使得rcl/Λ的比率在以下范围内约0.35≤rcl/Λ≤0.5。当制造容许误差以及其它的设计特征改变时，最佳的缺陷尺度(Rd)与间隔(Λ)之比相应地发生改变以适应缺陷中的任何变形。图19示出了用于配置带隙区域从而为在带隙区域发射的表面模式提供交迭，以增强从缺陷状态发射的处于泵浦波长的核心模式并压制处于信号波长的表面模式的缺陷尺度(Rd)与间隔(Λ)之比的近似最小值。
最佳的缺陷半径不应该对图16和17的结果有所影响。在图16和17之间变化的因素是栅格孔尺寸、间隔、折射率、以及其它在内外包层之间变化以形成最佳的有源掺杂双包层激光或放大光纤的光子带隙设计变量。
图19-20示出表面模式、核心模式以及带边缘，而图18没有示出表面模式，因为当Rd＝Λ时，带隙区域内没有表面模式。在图19中，实心的垂直线表示激光或信号频率，而虚线表示的是泵浦频率。当Rd＝1.12Λ时，某些表面模式被示出于带隙区域内。在带隙区域内，虚泵浦线贯穿相交表面模式和核心模式，而实心信号线仅仅贯穿相交核心线。因此，图19描述的是处于激光器频率的光在核心内被制导，而处于泵浦频率的光可以在核心以及缺陷表面被制导。然而，在图20中，当Rd＝1.20Λ时，在带隙区域中，表面模式相对核心模式占有优势。可以理解的是，在本发明中表面模式不需要被用到。然而，根据本发明的揭示，表面模式可以改善双包层光纤或者放大器的性能。
最佳缺陷半径的范围与图4中400所表示的局部最小值或者谷值相关，不过更为一般地，其与任何刚好远离图4的峰值14、16或18的范围有关。因此，缺陷的尺寸与间隔之比的范围的较好的表征为1.08-1.40，这其中更佳的范围是1.08-1.16和1.26-1.32、还有1.46-1.70，以上数值可以从图4中读出。
不仅要优化信号和泵浦较低区域的大小，并优化半径与间隔之比从而如图17和图16中所示的那样增强或者压制表面模式，光子带隙或者周期结构的理想设计还涉及对各向异性或各向同性的缺陷的宽长比、尺寸以及与晶体栅格方向及间距有关的方向的优化。
参考图21和图16-17，其示出了如何使用带隙图表来设计双带隙光纤激光器或者放大器的例子。当泵浦波长为980nm、信号波长为1040nm，而内外包层的栅格间距或间隔Λ为2000nm(2μm)，以图21的纵轴为参照，泵浦和信号的归一化频率大约分别为2.04和1.92。由散列值所标记的限制或者带隙区域是被禁止在各自包层的带隙中传播的频率或波长。因此，在0.83和0.85之间的内包层空隙填充分数以及处于0.85和0.92之间的外包层空隙填充分数与图16中的双包层设计相对应。
或者，双带隙设计可以采用两个不同的带隙来实现。参考图21，在0.66和0.71之间的内包层空隙填充分数以及处于0.85和0.92之间的外包层空隙填充分数与图17中的双包层设计相对应。可选择地，其它设计可包括一个外包层，其空隙大小或者空隙填充分数比内包层的要小。例如，再次参考图21，在0.83和0.85之间的内包层空隙填充分数以及在0.71和0.74之间的外包层空隙填充分数的结构中，外包层空隙大小要比内包层的要小。
除了从空隙填充分数入手以外，还有其它方法来获得图16-17的配置，例如，改变两个包层的栅格间距或者间隔Λ、材料的折射率、洞的形状、以及其它带隙设计变量。
参考图11-12，其示出了类似于图15的双带隙周期结构的基于光纤剖面的数值计算的模式剖面。模式能量分布图例被加以计算。图11中的模式示出在由线34所围出的中央核心缺陷区域中的高度限制，而图12中的模式示出的是由线22所围出的包层区域内的光线的限制。图11中模式的频率比图12中的模式低，因此其波长要比图12中的长，这对于激光泵浦而言非常理想，其中较短波长的泵浦能量被限制于内包层22，而较长波长的泵浦能量则被限制子核心34中。图11-12论证了两个带隙的构思可以在两个不同的光学频率上在两个不同区域内制导光。图21中的内包层区域模式的详细结构可以由一个大数值孔洞来表示。该大数值孔洞对于泵浦光纤激光同样很重要。
参考图11，分布118的中心亮区域表示模式能量在缺陷中心的会聚。因此分布118中受限于缺陷的模式能量的分数较高。
参考图12，相反，在模式能量分布123中的光的交点具有如下特征内包层模式在中央空隙12和外包层36之间的多模核心中传播。模式能量分布123示出能量大部分在缺陷外传播，并因此可以和散布在核心12的周边周围的柱体中的光学有源掺杂剂相交迭。
参考图13，其示出一个能量分布。光纤激光模式的能量分布的计算表明，有可能使得大约10％的激光模式能量与图1中在激光核心周围的区域44相交迭。计算还表明，内部包层区域(x符号)中较高频率(较短波长)的模式可以和增益区域有大约10％的交界。增益区域是有源离子处于界面或者泵浦和信号交迭部分44的区域。这些值表明，这样一个双带隙方法具有可行的交迭量以便在光纤激光器配置中提供充分的泵浦吸收并获取充分的增益。
这种光子带隙晶体波导或者光纤可以使用本领域已知的任何方法来制造。这些方法允许熟练的实践者可以制造各种形状的光子带隙晶体特征以及缺陷横截面。通常，本发明的光子带隙光纤可以使用类似于制造常规光纤、光子带隙光纤、或其它类型的波导时所使用的方法来制造。熟练的技术人员将会认识到其它的方法和材料可以被用于制造本发明的光子带隙光纤。例如，诸如美国专利6,260,388中所描述的挤压技术可以被用来制作本发明的光子带隙光纤。在另一种变化中，可以使用常规的堆叠-拉伸(stack-and-draw)技术来制作光纤。其它可用的技术包括三坩锅拉伸(triple-crucible draw)以及管内杆(rod-in tube)技术，其可以将零件加工成希望的形状。CVD、凝胶、以及管内软化玻璃技术同样可用。
本发明的另一个实施例涉及可以支持具有大于3MW的峰值功率的瞬态孤波(temporal soliton)的光纤。如本领域技术人员所熟知的，瞬态孤波是一种光学脉冲，其沿着光纤的长度方向传播而其脉冲宽度没有明显的扩展。在孤波传播中，散射和非线性的相互作用在较长的距离上维持瞬态脉冲包络。在本发明的一些实施例中，瞬态孤波具有大于3MW的峰值。根据本发明的这一方面的光纤可以是，举例而言，如前所述的中空核心的光子带隙光纤。
空气核心带隙光纤的低非线性度也被应用于一种发声脉冲放大方法以压缩放大器脉冲，从而获得高峰值功率放大脉冲。
可以在不背离本发明的精神和范围的前提下对本发明作出各种修改和变化，从而对核心为空隙的任何类型的微观结构光纤进行有源掺杂。微观结构光纤的类型可以是仅使用光子带隙波导或者光子带波导及TIR的组合或者混合物。
参考图22，其示出双带隙光纤激光器剖面的一个可替换的例子，其使用了与图2不同的一个两维结构。这一光纤激光器剖面包括三个部分两个带隙区域22和36以及一个缺陷核心34。两个带隙，内带隙22和外带隙36，限制在光纤20中传播的光。带隙区域不是由空隙，而是由交替的折射率层(本领域技术人员可以将其当做布拉格反射器或者薄膜界面镀层)所组成。这样的光纤20将被称之为布拉格双光子带隙光纤。带隙区域22中的间隔4以及层折射率与区域36中的不同，从而形成在不同的频率范围的带隙。带隙区域22和36中层的数量可以与图22中所示的不同从而提供期望的反射率、模式限制以及光纤总尺度。这种多层结构的带隙设计是公知的。内部带隙22起两个作用将激光光线限定于光纤的中央核心模式，并且作为泵浦光的多模核心。外部带隙36将多模泵浦光限制在内部带隙区域22中。根据本发明的揭示，诸如稀土元素或者跃迁金属(例如铒、镱、或者钕)的光学有源掺杂剂93并不位于双包层光纤放大器/激光器的空心的空气核心34中，而是位于内部包层22的界面部分44中。换句话说，有源分子可以位于双包层光纤放大器/激光器的气态核心34中，而非在核心的周围。
参考图23，其示出类似于图22中所示的布拉格双光子带隙光纤的部分放大图，其被进行修改以在核心区域内产生表面模式。通过将原始的间隔4修改为较小的间隔4｀，或者修改最接近于核心12的层的折射率，或者终结原始间隔4的不完整的周期，表面模式被创建于核心/内包层界面34上。用于产生缩小的间隔4｀或者是折射率的变化的被修改的层间距5被选择为使得在增益区域44内形成一个或多个表面模式，其频率和传播常数使得这些模式被耦合到被限定的核心信号模式。
再来参考图22，布拉格光子带隙光纤的一个可替换实施例可以被描述为带隙区域22和36具有相同的参数，从而它们的带隙不可分辨。区域95的折射率被选择为比区域22和36的有效折射率低，从而使得泵浦光通过全内部反射(TIR)的机制而被限制于区域22和36。在该实施例中，定义区域22和36的带隙的频率范围的参数被选择为使得泵浦光的频率位于带隙的频率范围之外。
本发明还覆盖了通过TIR来进行泵浦制导的具有多孔栅格的光纤。再次参考图2和图15，其所示出的外部毛细空气洞要比内部毛细空气洞要大。因此，中空的核心被填充空气的第一组毛细管所包围以形成第一空气包层或者内包层，而填充空气的第二组毛细管具有比第一组毛细管略大的尺寸以形成一个折射率比第一空气包层略低的第二空气包层。折射率的区别将导致泵浦光在这两个“多孔”区域间的界面上经受TIR。外部、或者说第二空气包层可以有也可以没有带隙。不管泵浦光是否通过带隙效应或者TIR效应而被限制，本发明的增益区域、核心区域以及表面模式的定义完全不受影响。所以产生表面模式以及在内包层上获取带隙的内容没有改变。
限制泵浦光的机制定义了各种可能的实施例。如果内包层的带隙包括了泵浦频率，那么只需要一个光子带隙栅格，泵浦和信号光都被一个带隙效应而限制到核心区域。在这种情况下，第二光子带隙区域不是必要的，核心周围的泵浦区域很小，难以从外部二极管激光源来耦合进去。
另一方面，如果需要一个更大的泵浦区域，那么需要一种将光线限定在该区域的方法。区域22内的栅格不能在泵浦频率下具有光子带隙，因为这会阻止泵浦在22中传播。不过区域22可以被第二包层所包围，第二包层可以通过TIR或处于泵浦频率的带隙来进行制导。对于带隙而言，取决于要设计的是哪种带隙，空气洞可较大或较小。两种选择都可以采用TIR。
作为可选方案，第二或者外部包层36可以具有比内部包层区域22的洞更大的洞，从而使得折射率低于内部包层区域22。基本上，如果在外包层中放入更多的空气，则由于空气比硅的折射率低，其有效折射率会下降。这些空气洞不需要是周期性的。理想情况下，希望在内包层周围都是空气而没有玻璃，从而获得最大的数值孔径。不过这样做出来的光纤是易碎的，难以对其进行操作。
第二个可选方案是找一种比区域22的有效折射率低的实心材料。这样的话只需要一个栅格即可。不过，有效折射率低于1.2，而没有一种低损耗实心材料具有这么低的折射率。因此需要空气或者某种气体。
因此，一个光学有源中空核心PBGF可被用于各种应用，比如产生或放大窄带光学场或者脉冲光学场，同时非线性损伤大大降低。有源中空核心PBGF使得这样的一种“单频”或者窄线宽放大器成为可能，因为空气核心PBGF中的所得的SBS阈值允许窄线宽源的传播和放大。
本领域技术人员应该理解，可以在不背离本发明的精神和范围的前提下对其进行各种修改和变化。例如，光学有源中空光子带隙光纤可以被用在意图产生和放大光学场的系统中。光学有源光纤可以在一个振荡器配置中被泵浦，并随后在被配置成进行放大器操作的光学有源中空光子带隙光纤的串联链中被放大。放大器也可以不串接在一起，而是被并联组合在一起进行操作，从而产生一系列的光学相干输出。
因此，在本发明的各种修改和变化符合所附的权利要求及其等效概念的前提下，希望它们均被包含在本发明中。
权利要求
1.一种装置，包括带隙光制导区域，其具有中空的空隙，光由于带隙效应而在其中被制导；微观结构，位于邻近所述中空空隙之处，用于增强光的制导；以及多种有源增益材料，位于在所述中空空隙和微观结构之间的界面区域中，用于为光制导提供有源增益。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的微观结构包括光子晶体波导，而界面区域包括掺杂有有源材料的信号和泵浦交迭部分，其对被制导的波导模式进行空间交迭，其中所述光子晶体波导包括围绕在波导轴的周围的电介质限制区域，所述限制区域包括具有至少一个光子带隙的光子晶体，在操作过程中，所述限定区域在频率的第一范围内制导电-磁(EM)辐射，以按照沿着波导轴的传播泵浦能量的第一制导模式来沿着波导轴进行传播；以及位于电介质限制的信号和泵浦交迭部分中的多种有源增益材料，其吸收泵浦能量并将泵浦能量作为势能能源而储存起来以供在处于频率的第二范围中的第二频率上的第二制导模式中由激发EM能量的信号能量进行激发，从而和第一制导模式进行空间交迭，从而使得由至少一个光子带隙区域和支持至少一个表面模式在界面中传播的中空空隙之间的界面所定义的表面和信号及泵浦交迭以及和所述中空空隙相关的状态相互交迭。
3.如权利要求2所述的装置，还包括作用于其半径比所述中空空隙的半径大1.0-3.0倍系数的所述界面区域的激励源，从而使得界面部分发射电磁辐射，其中激励源被配置为产生处于第二频率的第二制导模式的光学增益。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的微观结构包括多个小孔，其提供在约0.4到1.0的范围内的空隙填充分数。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的微观结构包括有源光子晶体带隙光纤，用于为和至少一个光子带隙的至少一部分光谱交迭的至少一个光学模式提供光学增益，所述光子晶体带隙光纤具有间距和小孔，小孔的体积分数在光子带隙晶体的大约44％到98％的范围内，其还包括中空空隙，其提供缺陷，所述缺陷的边界围绕着平面的横截面和垂直于平面横截面的长度尺度，所述缺陷边界被表示为数字值；其中所述数字值被选择为使得缺陷所产生的局部模式的波长在光子带隙的波长范围内传播，以及所述缺陷的数字值与间隔之比被选择为使得在光子带隙内与表面模式的激发发生相互作用。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微观结构包括呈第一周期性的有源周期性两维电介质结构，其具有周期平面，且包括有源元件，并且被配置为产生具有第一带隙的光子带隙；以及所述有源周期两维电介质结构光学地被激励源所泵浦以提供处于第一带隙区域的波长的光学增益，其方向垂直于周期平面。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括第二周期性的第二周期结构，其在平面内邻近所述有源周期结构从而以第二带隙来限制光学能量。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述中空空隙提供在有源周期结构内的缺陷，从而在第一带隙区域内产生至少一个光子缺陷状态，从而在对应于所述缺陷状态的频率下进行放大。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述有源元件属于有源气体、稀土元素或者过渡金属元素中的一种，用于被置于第一周期结构的信号和泵浦交迭部分中。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，由周期结构的信号与泵浦交迭部分所定义的表面处于至少一个光子缺陷状态的光学场内，并且所述缺陷支持至少一个表面模式，和在所述结构的信号与泵浦交迭部分中的至少一个有源元件发生交迭。
全文摘要
多种有源增益材料(93)位于靠近光子带隙晶体光纤(20)的电介质核心(12)的电介质带隙包层限制区域(22)的有源界面部分(44)中，其中在操作过程中，所述多种有源增益材料(93)吸收泵浦能量并且将所述泵浦能量作为势能储备而存储起来以供在处于频率的第二范围中的第二频率上的第二制导模式中由EM能量进行激发，从而和核心(12)的第一制导模式进行交迭，使得由在光子带隙包层(22)和电介质核心(12)之间的界面所定义的表面和电介质包层限制区域的有源界面部分以及和电介质核心(12)相关联的状态互相交迭，所述电介质核心(12)支持至少一个表面模式在界面(44)中传播。
文档编号G02B6/02GK1883085SQ200480033979
公开日2006年12月20日 申请日期2004年11月19日 优先权日2003年11月19日
发明者K·W·科奇三世, J·A·韦斯特 申请人:康宁股份有限公司