专利名称：双模光子晶体光纤及其应用的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及双模光子晶体光纤结构及其应用。
背景技术：
双模光纤具有广泛的应用，例如模转换器、模式选择耦合器、声光移频器、声光可调滤波器、波长可调光开关、分插复用器以及干涉型光纤传感器等等。在传统的圆对称单模步长指数光纤中通常存在截止波长。对于低于截止波长的合适的工作波长，在这样的传统单模光纤中能够实现双模操作。另外，两个都转让给斯坦福大学董事会的1989年5月23日发布的名称为“纤维光学模式间耦合单边带移频器”的美国专利号4,832,437和1990年4月10日发布的名称为“使用具有非圆形核心的双模光波导管的设备”的美国专利号4,915,468，披露了使用椭圆形核心光纤的双模应用，并且在此并入作为参考。
然而，使用传统的圆形或椭圆形核心光纤的缺点在于，这些传统的光纤通常只在非常有限的波长范围内支持双模操作。为了开发适合于更宽范围之上的不同工作波长的双模装置，需要不同的双模光纤或具有不同参数的光纤。这不可避免地增加了光纤设计和制造工艺的复杂性。
因此，本发明的目的是提供具有相对较宽的工作波长范围的改进的双模光纤及其应用，或者至少向公众提供有用的选择。
发明内容
根据本发明的一个方面，双模光子晶体光纤包括基本透明的核心材料的核心。所述核心材料具有核心折射率和长度，并且具有核心直径。所述光纤还包括包围所述核心材料的长度的覆层区域。所述覆层区域具有第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率。所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，其具有直径d，并且由节距Λ隔开。所述孔具有第二折射率，其小于所述第一折射率。对于大约0.45-0.65范围之内的基本固定的d/Λ比率，对于节距Λ的任何值，孔直径d和节距Λ的尺寸配合，以给出独立于输入辐射波长的光子晶体光纤之内的双模传播。
根据本发明的第二方面，高度双折射双模光子晶体光纤包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，所述孔具有小于所述第一折射率的第二折射率，其中所述排列的孔具有至少两个较大的孔，其具有直径d2，并且关于所述光子晶体光纤的中心轴基本对称地布置；以及多个较小的孔，其具有直径d1，并且由节距Λ隔开，其中d1小于d2，并且其中对于大约0.50-0.65的范围之内的基本固定的d1/Λ比率，所述较小的孔直径d1、所述较大的孔直径d2以及所述节距Λ的尺寸配合，以给出适当波长范围之上的独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的双模传播。
根据本发明的第三方面，干涉型传感器包括预定长度的高度双折射双模光子晶体光纤，其包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，所述孔具有小于所述第一折射率的第二折射率，其中所述排列的孔具有至少两个较大的孔，其具有直径d2，并且关于所述光子晶体光纤的中心轴基本对称地布置；以及多个较小的孔，其具有直径d1，并且由节距Λ隔开，其中d1小于d2，并且其中对于大约0.50-0.65的范围之内的基本固定的d1/Λ比率，所述较小的孔直径d1、所述较大的孔直径d2以及所述节距Λ的尺寸配合，以给出适当波长范围之上的独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的双模传播；光源，用于将光引进到所述光子晶体光纤中，以便以基本的和二阶的两种模式并且以每个所述模式之内的全部两种偏振在所述光子晶体光纤中传播，其中每种偏振的两种模式之间或每种模式的两种偏振之间的干涉依据外部干扰而变化；以及检测器，用于检测所述光的干涉图中的所述变化，以便确定所述光子晶体光纤上的所述干扰。
根据本发明的第四方面，用于将光信号的光频从第一光频转移到第二光频的光移频器包括双模光子晶体光纤，其包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，其具有直径d，并且由节距Λ隔开，其中所述孔具有小于所述第一折射率的第二折射率；其中对于大约0.45-0.65的范围之内的基本固定的d/Λ比率，对于节距Λ的任何值，所述孔直径d和所述节距Λ的尺寸合作，以给出独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的基本和二阶模式传播；以及发生器，其耦合到所述光纤以便变频器产生在所述光纤中传播的弯曲波，所述弯曲波具有频率、传播速度和波长，所述弯曲波的所述波长是所述频率和所述传播速度的函数，并且被选择用来使光从所述基本和二阶模式中的一个耦合到所述基本和二阶模式中的另一个，其中耦合模式的光频转移量等于声弯曲波的频率，并且其中非耦合模式的频率未被转移。
根据本发明的第五方面，用于将光信号的光频从第一光频转移到第二光频的光移频器包括高度双折射双模光子晶体光纤，其包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，所述孔具有小于所述第一折射率的第二折射率，其中所述排列的孔具有至少两个较大的孔，其具有直径d2，并且关于所述光子晶体光纤的中心轴基本对称地布置；以及多个较小的孔，其具有直径d1，并且由节距Λ隔开，其中d1小于d2，并且其中对于大约0.50-0.65的范围之内的基本固定的d1/Λ比率，所述较小的孔直径d1、所述较大的孔直径d2以及所述节距Λ的尺寸配合，以给出适当波长范围之上的独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的基本和二阶模式传播；以及发生器，其耦合到所述光纤以便变频器产生在所述光纤中传播的弯曲波，所述弯曲波具有频率、传播速度和波长，所述弯曲波的所述波长是所述频率和所述传播速度的函数，并且被选择用来使光从所述基本和二阶模式中的一个耦合到所述基本和二阶模式中的另一个，其中耦合模式的光频转移量等于声弯曲波的频率，并且其中非耦合模式的频率未被转移。
根据本发明的第六方面，用于滤波至少两种光波长的光信号的光波长滤波器包括双模光子晶体光纤，其包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，其具有直径d，并且由节距Λ隔开，其中所述孔具有小于所述第一折射率的第二折射率；其中对于大约0.45-0.65的范围之内的基本固定的d/Λ比率，对于节距Λ的任何值，所述孔直径d和所述节距Λ的尺寸配合，以给出独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的基本和二阶模式传播；以及发生器，其耦合到所述光纤以便变频器产生在所述光纤中传播的弯曲波，所述弯曲波具有频率、传播速度和波长，所述弯曲波的所述波长是所述频率和所述传播速度的函数，并且所述弯曲波的所述波长被选择用来以预先选择的波长使光从所述基本和二阶模式中的一个耦合到所述基本和二阶模式中的另一个，其中所述弯曲波的所述波长匹配所述基本和二阶模式之间的模式拍频长度，并从而在所述光子晶体光纤的输出处生成所述基本和二阶模式中的另一个的预先选择波长的光信号。
根据本发明的第七方面，用于滤波至少两种光波长的光信号的光波长滤波器包括
高度双折射双模光子晶体光纤，其包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，所述孔具有小于所述第一折射率的第二折射率，其中所述排列的孔具有至少两个较大的孔，其具有直径d2，并且关于所述光子晶体光纤的中心轴基本对称地布置；以及多个较小的孔，其具有直径d1，并且由节距Λ隔开，其中d1小于d2，并且其中对于大约0.50-0.65的范围之内的基本固定的d1/Λ比率，所述较小的孔直径d1、所述较大的孔直径d2以及所述节距Λ的尺寸合作，以给出适当波长范围之上的独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的基本和二阶模式传播；以及发生器，其耦合到所述光纤以便变频器产生在所述光纤中传播的弯曲波，所述弯曲波具有频率、传播速度和波长，所述弯曲波的所述波长是所述频率和所述传播速度的函数，并且所述弯曲波的所述波长被选择用来以预先选择的波长使光从所述基本和二阶模式中的一个耦合到所述基本和二阶模式中的另一个，其中所述弯曲波的所述波长匹配所述基本和二阶模式之间的模式拍频长度，并从而在所述光子晶体光纤的输出处生成所述基本和二阶模式中的另一个的预先选择波长的光信号。
根据本发明的第八方面，用于切换至少第一和第二波长的光信号的光波长可调开关包括双模光子晶体光纤，其包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，其具有直径d，并且由节距Λ隔开，其中所述孔具有小于所述第一折射率的第二折射率；其中对于大约0.45-0.65的范围之内的基本固定的d/Λ比率，对于节距Λ的任何值，所述孔直径d和所述节距Λ的尺寸配合，以给出独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的基本和二阶模式传播；以及发生器，其耦合到所述光纤以便变频器产生在所述光纤中传播的弯曲波，所述弯曲波具有频率、传播速度和波长，所述弯曲波的所述波长是所述频率和所述传播速度的函数，并且所述弯曲波的所述波长被选择用来以预先选择的波长使光从所述基本和二阶模式中的一个耦合到所述基本和二阶模式中的另一个，其中所述弯曲波的所述波长匹配所述基本和二阶模式之间的模式拍频长度，并从而在所述光子晶体光纤的输出处生成所述基本和二阶模式中的另一个的预先选择波长的光信号。
根据本发明的进一步的方面，用于切换至少第一和第二波长的光信号的光波长可调开关包括高度双折射双模光子晶体光纤，其包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，所述孔具有小于所述第一折射率的第二折射率，其中所述排列的孔具有至少两个较大的孔，其具有直径d2，并且关于所述光子晶体光纤的中心轴基本对称地布置；以及多个较小的孔，其具有直径d1，并且由节距Λ隔开，其中d1小于d2，并且其中对于大约0.50-0.65的范围之内的基本固定的d1/Λ比率，所述较小的孔直径d1、所述较大的孔直径d2以及所述节距Λ的尺寸配合，以给出适当波长范围之上的独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的基本和二阶模式传播；以及发生器，其耦合到所述光纤以便变频器产生在所述光纤中传播的弯曲波，所述弯曲波的能量被限制在所述光纤，所述弯曲波具有频率、传播速度和波长，所述弯曲波的所述波长是所述频率和所述传播速度的函数，并且所述弯曲波的所述波长被选择用来以预先选择的波长使光从所述基本和二阶模式中的一个耦合到所述基本和二阶模式中的另一个，其中所述弯曲波的所述波长匹配所述基本和二阶模式之间的模式拍频长度，并从而在所述光子晶体光纤的输出处生成所述基本和二阶模式中的另一个的预先选择波长的光信号。
从下面详述的说明中，连同借助于示范本发明的原理来显示说明的附图，本发明的其他方面和优点将变得明显。
图1是本发明的示范性实施例的双模光子晶体光纤的截面图；图2是显示图1的光子晶体光纤的双模工作范围的Λ/λcut-d/Λ图的示意性表示；图3显示了图1的光子晶体光纤中传播的光信号的模式场图；图4显示了图1的光子晶体光纤的基本和二阶模式之间的拍频长度；图5a是本发明的光子晶体光纤的第二实施例的截面图；图5b是图5a的光纤的局部放大图；图6显示了图5a和5b的光子晶体光纤中传播的光信号的模式场图；图7显示了对于图5a和5b的光子晶体光纤的一种偏振的基本和二阶模式之间的拍频长度；图8a是显示干涉型传感器的示意图，其中能够使用图5a和5b的光子晶体光纤；图8b显示了图8a中的光子晶体光纤的输出的输出空间强度分布；图8c显示了以对于三个不同输入偏振方向施加应变的方式的围绕图8b的强度分布图的尖峰的强度变化；图8d显示了在两种模式之间产生2π相变所需的延长，其中圆圈表示x偏振，而三角表示y偏振；图9是声光移频器的示意图，其中能够使用图1或5a的光子晶体光纤；图10是声光可调光滤波器的示意图，其中能够使用图1或5a的光子晶体光纤；以及图11是声光波长可调开关的示意图，其中能够使用图1或5a的光子晶体光纤。
具体实施例方式
图1显示了折射率导向(index-guiding)的光子晶体光纤100(在下文中被称作PCF)。通过以六角密堆阵列周期性地堆叠二氧化硅毛细管，并且用和本领域通常理解相同的外部尺寸的固体二氧化硅杆替换中心的毛细管，能够制造PCF。PCF 100具有基本透明的核心材料的固体核心101，其具有核心折射率n和长度1，并且具有优选地至少为3μm的核心直径。PCF 100还包括包围核心材料的长度的覆层区域103。覆层区域包括具有第一折射率的第一基本透明的覆层材料，并且第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔105，其具有直径d，并且由节距Λ隔开。孔105具有小于第一折射率的第二折射率。折射率导向的光子晶体光纤及其制造在本领域是已知的，并且已在例如下述专利文献中披露转让给英国国防部的2001年12月25日发布的名称为“单模光纤”的美国专利号6,334,019和转让给Qinetiq Limited的2003年8月5日发布的名称为“具有大锥形光子晶体的单模光纤”的美国专利号6,603,912。这两个专利文献都在此并入作为参考。
在图1的示范性实施例中，设计d/Λ比率以落入如图2所示的0.45-0.65的范围内。用这种方法，对于0.45-0.65的范围之内的基本固定的d/Λ比率，对于节距Λ的任何值，PCF 100支持独立于输入辐射波长的在其中的双模传播，亦即基本模式和二阶模式。为了显示起见，在图3中显示了这些模式的模式场图。在图3(a)中，显示了基本模式的两种偏振的模式场。从传统的步长指数光纤类推，基本模式在本申请中被称作LP01。在图3b中，显示了四种二阶混和模式的模式场。类似于传统的圆形光纤，这四种模式被近似简并(degenerate)并且在本申请中被称作LP11。
在图1的示范性实施例中，对于具有0.45-0.65的范围之内的d/Λ比率的特殊PCF，双模操作工作波长λ由二阶混和LP11的截止波长λcut决定，具体地即λ＜λcut。在图2中，λcut由单模和双模区域之间的边界表示。例如，对于d/Λ＝0.55，PCF 100支持波长满足Λ/λ＞Λ/λcut＝1.6，或λ＜λcut＝Λ/1.6的光信号的基本LP01和二阶混和LP11模式。在选择节距Λ为3μm的情况下，PCF 100对于所有的小于λcut＝1.9μm的波长都支持两种模式，亦即LP01和LP11。在选择节距Λ为5μm的情况下，对于同样的d/Λ＝0.55，PCF 100对于所有的小于λcut＝3.1μm的波长都支持两种模式，亦即LP01和LP11。简而言之，对于0.45-0.65的范围之内的固定d/Λ比率，对于节距Λ的任何值，对于小于λcut的任何输入辐射波长，PCF都支持PCF之内的双模传播。因此，这个实施例实现了对宽范围的工作波长的双模操作。
图4显示了四种二阶模式和基本模式之间的拍频长度，其中拍频长度被规定为在其上指定的两种模式之间的相位差变化2π的光纤的长度。四条曲线相互非常接近。这表明了四种二阶模式的近似简并性质。
图5a和5b显示了另一个示范性的PCF 500，其具有近似对称于PCF的中心轴503的一对较大的孔501。较大的孔501具有大于较小的孔505的直径d1的直径d2。节距Λ被规定为两个相邻的较小的孔505之间的间隔。
在示范性的例子中，设计d1/A比率以落入0.5-0.65的范围内，并且与d2和Λ配合，以便PCF 500支持在适当工作波长范围之上的在其中的双模传播，亦即基本模式LP01和二阶模式LP11传播。当d2具有接近于d1的值时，混和LP11由类似于图1的PCF的四种模式组成。随着d2增加，PCF变得高度双折射，并且形成混和二阶LP11模式的模式的数目和场图减少。当d2/Λ落入大约0.9-1.2的范围内时，对于适当的波长范围，混和二阶LP11模式仅由两种模式组成，所述两种模式沿着x或y方向被近似线性且正交地偏振，如图6所示。这些模式很好地规定了如图6所示的沿着y方向的稳定的步伐(lope)取向，并且被称作LP11(平滑)模式。
在第二示范性例子中，d1/A比率落入大约0.5-0.65的范围之内，d2/A比率落入大约0.9-1.2的范围之内，并且Λ落入大约4-7μm的范围之内。在这个例子中，取决于d1/A、d2/Λ和Λ的确切值，高度双折射的PCF支持500nm-2000nm的更广范围之内的输入辐射波长范围之上的两种模式。另外，在第三例子中，选择Λ的范围以将4.18-4.4μm的范围排除在外。
在又一个示范性例子中，d1/A比率落入大约0.52-0.54的范围之内，d2/A比率落入大约0.97-1.2的范围之内，并且Λ落入大约5.5-6μm的范围之内。在这个例子中，高度双折射的PCF支持600nm-2000nm的范围之内的输入辐射波长之上的两种模式。
工业实用性
1.干涉型传感器这样的干涉型传感器可以包括应变传感器、温度传感器以及用于测量这两者的传感器。图8a显示了使用图5a和5b的双模高度双折射PCF的应变传感器的示意图。通过具有一对透镜805、807和偏振器809的发射系统将来自激光器801或其他光源的光耦合到PCF 803中。聚焦光束从PCF 803的中心轻微偏移，以强度近似相等地激发基本LP01和二阶LP11(平滑)。如本领域中理解的那样，光以每种模式之内的两种偏振传播，并且在每种偏振的两种模式之间或每种模式的两种偏振之间发生干涉。这样的干涉依据外部干扰而变化。邻近PCF的输出安置的红外摄像机811监视来自PCF 803的干涉图。图8b显示了Δφ＝2mπ、Δφ＝2mπ+/2和Δφ＝2mπ+π(m＝0，1，2，…)的两种模式之间的相位差的强度分布。PCF 803遭受的任何施加的应变或温度变化都将导致相位差Δφ变化，并从而造成输出的(一幅或多幅)干涉图。图8c显示了在靠近作为施加的应变下的结果的图8b中显示的尖峰813中的一个的位置处的输出光强度的变化。图8c中显示的三条曲线从上到下分别对应于偏振器809对准x轴、y轴和关于x轴45度的情况。图8d显示了特定的双模高度双折射PCF关于在两种模式(LP01和LP11(平滑))之间产生2π相移所需的应变的应变敏感度的测量结果。用圆圈和三角标记的两条曲线分别对应于x和y偏振。
能够进行替换。例如，偏移对准PCF 803的导入光纤能够用于替换发射系统以近似相等地激发两种模式。为了收集部分的来自两种模式的光，能够将导出光纤连接到PCF 803的输出，并且由光检测器通过导出光纤检测或监视引起干涉的输出强度变化。在这种情况下，导出光纤同样偏移对准PCF的中心。进而，在这两种情况下，导入和导出光纤在工作波长下是单一模式，或者，可选择地，能够永远是单一模式PCF，其对于所有的工作波长都是单一模式。导入和导出光纤同样能够是在工作波长下的保持单一模式偏振的光纤，或者是保持永远的单一模式偏振的PCF。
2.声光移频器如本领域中通常理解的那样，通过传播由声波在光纤之内传播引起的微小弯曲，基于基本和二阶空间模式的耦合，能够建造声光移频器。这已由’437和’468专利披露，所述专利在本申请中并入作为参考。
在图9的示范性声光移频器900中，频率ω的输入光典型地在能够是图1或5a的PCF的双模PCF 901之内激发基本模式LP01和二阶模式LP11两者。例如通过急弯形成的脱模机903去除二阶模式，并且仅留下LP01模式以继续沿着双模PCF 901传播。具有PZT 907和射声器909的声光转换器905激发了弯曲的声波，其导致传播微小弯曲，并从而造成从基本LP01向二阶LP11模式的功率耦合，如果声波长匹配工作波长下的两种模式之间的拍频长度的话。进而，如本领域中理解的那样，二阶LP11模式中的光具有由声波的频率从输入光频中筛选的光频。
在图9的示范性实施例中，射声器909正交于PCF 901的纵轴，并且在射声器尖端处产生纵向声波。可选择地，射声器能够和光纤901同轴，并且工作在横振动模式上以在光纤中激发弯曲波，如图10所示。
一对消声器911、913用于将弯曲波限制在它们之间的特定互作用区之内。在PCF 901的输出处，光具有LP11模式的频移成分和LP01模式的保持未转移的成分。如本领域中已知的那样，两种成分的相对幅度取决于耦合效率，其受到几种因素的影响，例如光纤特性、工作波长、声光互作用长度以及弯曲声波的幅度和频率。通过控制激发声波的幅度，在特定的工作波长下，能够将从0到100％的选择的百分比的光功率从LP01模式耦合到LP11模式。模式选择器(未显示)能够用于将频移和未频移的成分分开。
通过使用本申请的双模PCF，和传统的设计相比，移频器900能够具有拥有可设计的模式场区的大得多的工作波长范围。
3.声光可调滤波器能够将图9的移频器900进一步开发成如图10所示的可调光滤波器1000。类似于图9的移频器，可调光滤波器1000同样具有脱模机1003和声光转换器1005，它们分别类似于图9的相应组件运行。声光转换器1005控制生成的声波的幅度，以便在预先选择的光波长下，将几乎100％的光功率从LP01模式耦合到LP11模式，在所述预先选择的光波长中，模式拍频长度与声弯曲波匹配。静态模转换器1007在相对宽阔的波长范围内将LP11模式转换到LP01模式，并且另一个脱模机1009去除LP11模式中的剩余的不需要的光。用这种方法，就形成了光带通滤波器。
由于模式拍频长度是非常广阔的波长范围之上的波长的单值函数，如图4和7所示，所以改变声频将转移滤波器的中心波长。从而能够实现可调滤波器。
另外，通过去除静态模转换器1007，能够将带通滤波1000转换成带阻滤波器。同样能够理解，通过调整声弯曲波的频率，能够调整预先选择的波长。
双模PCF的使用为声光滤波器提供了大得多的工作波长范围或调整范围，并且使其具有可设计的模式场区，以便允许对其他光纤或波导管的低损耗耦合。
4.声光波长可调开关在图11中，通过结合图9的声光移频器900和耦合到移频器900中的PCF 1101的输出的模式选择耦合器1103，形成了声光波长可调开关1100。在输入端，脱模机(图11中未显示)去除了LP11模式。由于模式拍频长度的波长依赖性，所以在特定的声频下，只有其模式拍频长度匹配声弯曲波的波长的一个光波长，例如λ2，才被从LP01模式耦合到LP11模式。在模式选择耦合器1103处，LP01模式中的光成分仍然在LP01模式中引导以在双模光纤1105中传播，而LP11模式中的光成分则被耦合到单模光纤1107的基本LP01模式。通过控制声波的频率，每个单独的波长成分都能够被选择性地耦合或切换到单模光纤1107。
能够理解，声弯曲波的频率能够控制光从一个空间模式耦合到另一个空间模式的波长。
权利要求
1.一种双模光子晶体光纤，包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，其具有直径d，并且由节距Λ隔开，其中所述孔具有第二折射率，其小于所述第一折射率；其中对于大约0.45-0.65的范围之内的基本固定的d/Λ比率，对于所述节距Λ的任何值，所述孔直径d和所述节距Λ的尺寸配合，以给出独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的双模传播。
2.如权利要求1所述的光子晶体光纤，其中所述核心直径至少为3μm。
3.如权利要求1所述的光子晶体光纤，其中所述排列中的至少一个孔是不存在的，以便其形成所述光子晶体光纤的所述核心。
4.如权利要求1所述的光子晶体光纤，其中所述第一基本透明的覆层材料具有基本一致的第一折射率。
5.如权利要求1所述的光子晶体光纤，其中所述核心材料具有基本一致的核心折射率。
6.如权利要求1所述的光子晶体光纤，其中所述核心材料和所述第一基本透明的覆层材料是相同的。
7.如权利要求1所述的光子晶体光纤，其中所述核心材料和所述第一基本透明的覆层材料是二氧化硅。
8.如权利要求1所述的光子晶体光纤，其中以基本六角形图案的方式布置所述孔。
9.一种双模高度双折射光子晶体光纤，包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，所述孔具有小于所述第一折射率的第二折射率，其中所述排列的孔具有至少两个较大的孔，其具有直径d2，并且关于所述光子晶体光纤的中心轴基本对称地布置；以及多个较小的孔，其具有直径d1，并且由节距Λ隔开，其中d1小于d2，并且其中对于大约0.50-0.65的范围之内的基本固定的d1/Λ比率，所述较小的孔直径d1、所述较大的孔直径d2以及所述节距Λ的尺寸配合，以给出适当波长范围之上的独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的双模传播。
10.如权利要求9所述的光子晶体光纤，其中所述d2/Λ比率落在大约0.9-1.2的范围之内。
11.如权利要求10所述的光子晶体光纤，其中所述Λ落在大约4-7μm的范围之内。
12.如权利要求11所述的光子晶体光纤，其中所述Λ的范围将4.18-4.4μm的范围排除在外。
13.如权利要求9所述的光子晶体光纤，其中所述d1/Λ比率落在大约0.52-0.54的范围之内。
14.如权利要求13所述的光子晶体光纤，其中所述d2/Λ比率落在大约0.97-1.2的范围之内。
15.如权利要求14所述的光子晶体光纤，其中所述Λ落在大约5.5-6μm的范围之内。
16.如权利要求15所述的光子晶体光纤，其中所述输入辐射波长落在600nm-2000nm的范围之内。
17.一种干涉型传感器，包括预定长度的高度双折射双模光子晶体光纤，其包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，所述孔具有小于所述第一折射率的第二折射率，其中所述排列的孔具有至少两个较大的孔，其具有直径d2，并且关于所述光子晶体光纤的中心轴基本对称地布置；以及多个较小的孔，其具有直径d1，并且由节距Λ隔开，其中d1小于d2，并且其中对于大约0.50-0.65的范围之内的基本固定的d1/Λ比率，所述较小的孔直径d1、所述较大的孔直径d2以及所述节距Λ的尺寸配合，以给出适当波长范围之上的独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的双模传播；光源，用于将光引进到所述光子晶体光纤中，以便以基本和二阶两种模式并且以每个所述模式之内的全部两种偏振在所述光子晶体光纤中传播，其中每种偏振的两种模式之间或每种模式的两种偏振之间的干涉依据外部干扰而变化；以及检测器，用于检测所述光的干涉图中的所述变化，以便确定所述光子晶体光纤上的所述干扰。
18.如权利要求17所述的装置，其中所述干扰是造成所述光子晶体光纤的所述长度变化的施加到所述光子晶体光纤的应变。
19.如权利要求18所述的装置，其中所述光的强度响应所述光子晶体光纤的温度的变化而变化，温度变化造成的强度变化不同于应变造成的强度变化，所述装置进一步包括用于处理所述第一和第二输出信号以确定所述应变的幅度和所述温度变化的幅度的装置。
20.如权利要求17所述的光子晶体光纤，其中所述d1/Λ比率落在大约0.52-0.54的范围之内。
21.如权利要求20所述的光子晶体光纤，其中所述d2/Λ比率落在大约0.97-1.2的范围之内。
22.如权利要求21所述的光子晶体光纤，其中所述Λ落在大约5.5-6μm的范围之内。
23.如权利要求22所述的光子晶体光纤，其中所述输入辐射波长落在600nm-2000nm的范围之内。
24.如权利要求17所述光子晶体光纤，其中所述Λ的范围将4.18-4.4μm的范围排除在外。
25.一种用于将光信号的光频从第一光频转移到第二光频的光移频器，包括双模光子晶体光纤，其包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，其具有直径d，并且由节距Λ隔开，其中所述孔具有小于所述第一折射率的第二折射率；其中对于大约0.45-0.65的范围之内的基本固定的d/Λ比率，对于节距Λ的任何值，所述孔直径d和所述节距Λ的尺寸配合，以给出独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的基本和二阶模式传播；以及发生器，其耦合到所述光纤以便变频器产生在所述光纤中传播的弯曲波，所述弯曲波具有频率、传播速度和波长，所述弯曲波的所述波长是所述频率和所述传播速度的函数，并且被选择用来使光从所述基本和二阶模式中的一个耦合到所述基本和二阶模式中的另一个，其中耦合模式的光频转移量等于声弯曲波的频率，并且其中非耦合模式的频率未被转移。
26.一种用于将光信号的光频从第一光频转移到第二光频的光移频器，包括高度双折射双模光子晶体光纤，其包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，所述孔具有小于所述第一折射率的第二折射率，其中所述排列的孔具有至少两个较大的孔，其具有直径d2，并且关于所述光子晶体光纤的中心轴基本对称地布置；以及多个较小的孔，其具有直径d1，并且由节距Λ隔开，其中d1小于d2，并且其中对于大约0.50-0.65的范围之内的基本固定的d1/Λ比率，所述较小的孔直径d1、所述较大的孔直径d2以及所述节距Λ的尺寸配合，以给出适当波长范围之上的独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的基本和二阶模式传播；以及发生器，其耦合到所述光纤以便变频器产生在所述光纤中传播的弯曲波，所述弯曲波具有频率、传播速度和波长，所述弯曲波的所述波长是所述频率和所述传播速度的函数，并且被选择用来使光从所述基本和二阶模式中的一个耦合到所述基本和二阶模式中的另一个，其中耦合模式的光频转移量等于声弯曲波的频率，并且其中非耦合模式的频率未被转移。
27.如权利要求26所述的光移频器，进一步包括光源，用于将所述第一光频的光信号引进到所述光子晶体光纤中；以及脱模机，其在所述光传播的方向上在所述发生器之前沿着所述光纤建造，用于去除所述基本和二阶模式中的一个。
28.如权利要求26所述的光移频器，其中所述发生器包括声光转换器，其耦合到所述光子晶体光纤，用于生成声波，所述声波的声频等于所述第一光频和所述第二光频之间的差。
29.如权利要求26所述的光移频器，进一步包括模式选择器，其光耦合到所述光子晶体光纤的输出，用于选择性输出所述第二光频的光信号。
30.如权利要求26所述的光移频器，其中所述d1/Λ比率落在大约0.52-0.54的范围之内。
31.如权利要求30所述的光移频器，其中所述d2/Λ比率落在大约0.97-1.2的范围之内。
32.如权利要求31所述的光移频器，其中所述Λ落在大约5.5-6μm的范围之内。
33.如权利要求32所述的光移频器，其中所述输入辐射波长落在600nm-2000nm的范围之内。
34.如权利要求26所述的光移频器，其中所述Λ的范围将4.18-4.4μm的范围排除在外。
35.一种用于滤波至少两种光波长的光信号的光波长滤波器，包括双模光子晶体光纤，其包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，其具有直径d，并且由节距Λ隔开，其中所述孔具有小于所述第一折射率的第二折射率；其中对于大约0.45-0.65的范围之内的基本固定的d/Λ比率，对于节距Λ的任何值，所述孔直径d和所述节距Λ的尺寸配合，以给出独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的基本和二阶模式传播；以及发生器，其耦合到所述光纤以便变频器产生在所述光纤中传播的弯曲波，所述弯曲波的能量被限制在所述光纤，所述弯曲波的波长是频率和传播速度的函数，并且所述弯曲波的所述波长被选择用来以预先选择的波长使光从所述基本和二阶模式中的一个耦合到所述基本和二阶模式中的另一个，其中所述弯曲波的所述波长匹配所述基本和二阶模式之间的模式拍频长度，并从而在所述光子晶体光纤的输出处生成所述基本和二阶模式中的另一个的预先选择波长的光信号。
36.一种用于滤波至少两种光波长的光信号的光波长滤波器，包括高度双折射双模光子晶体光纤，其包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，所述孔具有小于所述第一折射率的第二折射率，其中所述排列的孔具有至少两个较大的孔，其具有直径d2，并且关于所述光子晶体光纤的中心轴基本对称地布置；以及多个较小的孔，其具有直径d1，并且由节距Λ隔开，其中d1小于d2，并且其中对于大约0.50-0.65的范围之内的基本固定的d1/Λ比率，所述较小的孔直径d1、所述较大的孔直径d2以及所述节距Λ的尺寸配合，以给出适当波长范围之上的独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的基本和二阶模式传播；以及发生器，其耦合到所述光纤以便变频器产生在所述光纤中传播的弯曲波，所述弯曲波具有频率、传播速度和波长，所述弯曲波的所述波长是所述频率和所述传播速度的函数，并且所述弯曲波的所述波长被选择用来以预先选择的波长使光从所述基本和二阶模式中的一个耦合到所述基本和二阶模式中的另一个，其中所述弯曲波的所述波长匹配所述基本和二阶模式之间的模式拍频长度，并从而在所述光子晶体光纤的输出处生成所述基本和二阶模式中的另一个的预先选择波长的光信号。
37.如权利要求36所述的光波长滤波器，进一步包括光源，用于将所述第一光频的光信号引进到所述光子晶体光纤中；以及脱模机，其在所述光传播的方向上在所述发生器之前沿着所述光纤建造，用于去除所述基本和二阶模式中的一个。
38.如权利要求36所述的光波长滤波器，其中所述发生器包括声光转换器，其耦合到所述光子晶体光纤，用于生成声波，所述声波的声频等于所述第一光频和所述第二光频之间的差。
39.如权利要求36所述的光波长滤波器，进一步包括模式选择器，其光耦合到所述光子晶体光纤的输出，用于选择性输出所述第二光频的光信号。
40.如权利要求36所述的光波长滤波器，进一步包括静态模转换器，其光耦合到所述光子晶体光纤的输出，用于切换所述光信号的所述模式。
41.如权利要求40所述的光波长滤波器，进一步包括脱模机，其光耦合到所述静态模转换器，用于选择性输出所述预先选择波长的光信号。
42.一种用于切换至少第一和第二波长的光信号的光波长可调开关，包括双模光子晶体光纤，其包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，其具有直径d，并且由节距Λ隔开，其中所述孔具有小于所述第一折射率的第二折射率；其中对于大约0.45-0.65的范围之内的基本固定的d/Λ比率，对于节距Λ的任何值，所述孔直径d和所述节距Λ的尺寸配合，以给出独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的基本和二阶模式传播；以及发生器，其耦合到所述光纤以便变频器产生在所述光纤中传播的弯曲波，所述弯曲波具有频率、传播速度和波长，所述弯曲波的所述波长是所述频率和所述传播速度的函数，并且所述弯曲波的所述波长被选择用来以预先选择的波长使光从所述基本和二阶模式中的一个耦合到所述基本和二阶模式中的另一个，其中所述弯曲波的所述波长匹配所述基本和二阶模式之间的模式拍频长度，并从而在所述光子晶体光纤的输出处生成所述基本和二阶模式中的另一个的预先选择波长的光信号。
43.一种用于切换至少第一和第二波长的光信号的光波长可调开关，包括高度双折射双模光子晶体光纤，其包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，所述孔具有小于所述第一折射率的第二折射率，其中所述排列的孔具有至少两个较大的孔，其具有直径d2，并且关于所述光子晶体光纤的中心轴基本对称地布置；以及多个较小的孔，其具有直径d1，并且由节距Λ隔开，其中d1小于d2，并且其中对于大约0.50-0.65的范围之内的基本固定的d1/Λ比率，所述较小的孔直径d1、所述较大的孔直径d2以及所述节距Λ的尺寸配合，以给出适当波长范围之上的独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的基本和二阶模式传播；以及发生器，其耦合到所述光纤以便变频器产生在所述光纤中传播的弯曲波，所述弯曲波具有频率、传播速度和波长，所述弯曲波的所述波长是所述频率和所述传播速度的函数，并且所述弯曲波的所述波长被选择用来以预先选择的波长使光从所述基本和二阶模式中的一个耦合到所述基本和二阶模式中的另一个，其中所述弯曲波的所述波长匹配所述基本和二阶模式之间的模式拍频长度，并从而在所述光子晶体光纤的输出处生成所述基本和二阶模式中的另一个的预先选择波长的光信号。
44.如权利要求43所述的光波长可调开关，进一步包括光源，用于将所述第一光频的光信号引进到所述光子晶体光纤中；以及脱模机，其在所述光传播的方向上在所述发生器之前沿着所述光纤建造，用于去除所述基本和二阶模式中的一个。
45.如权利要求43所述的光波长可调开关，其中所述发生器包括声光转换器，其耦合到所述光子晶体光纤，用于生成声波，所述声波的声频等于所述第一光频和所述第二光频之间的差。
46.如权利要求43所述的波长可调开关，进一步包括模式选择耦合器，其用于根据所述光信号的模式在两个方向上引导所述光信号。
47.一种双模光子晶体光纤，包括基本透明的核心材料的核心，其具有核心折射率和长度，并且具有核心直径；以及包围所述核心材料的长度的覆层区域，其中所述覆层区域包括第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率，并且其中所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，其具有直径d，并且由节距Λ隔开，其中所述孔具有第二折射率，其小于所述第一折射率；其中对于基本固定的d/Λ比率，对于所述节距Λ的任何值，所述孔直径d和所述节距Λ的尺寸配合，以给出独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的双模传播。
48.如权利要求47所述的光纤，其中所述d/Λ比率落在大约0.45-0.65的范围之内。
全文摘要
双模光子晶体光纤包括基本透明的核心材料的核心。所述核心材料具有核心折射率和长度，并且具有核心直径。所述光纤还包括包围所述核心材料的长度的覆层区域。所述覆层区域具有第一基本透明的覆层材料，其具有第一折射率。所述第一基本透明的覆层材料沿着其长度嵌入基本周期排列的孔，其具有直径d，并且由节距Λ隔开。所述孔具有第二折射率，其小于所述第一折射率。对于大约0.45－0.65的范围之内的基本固定的d/Λ比率，对于所述节距Λ的任何值，所述孔直径d和所述节距Λ的尺寸配合，以给出独立于输入辐射波长的所述光子晶体光纤之内的双模传播。
文档编号G02B6/26GK1782755SQ20051011857
公开日2006年6月7日 申请日期2005年10月31日 优先权日2004年10月29日
发明者靳伟, 居剑, 王智 申请人:香港理工大学