[发明专利]空心芯光子晶体光纤

说明书

本发明涉及一种具有大间距的空心芯光子晶体光纤(HCPCF)。“大间距”意味着光子结构的间距达到HCPCF工作的光波长的五倍或更大的尺寸量级。本发明还涉及一种具有包括相对薄的连接微毛细管壁的横向结构的HCPCF。本发明还涉及制造HCPCF的方法。

目前已知的HCPCF具有由二氧化硅微毛细管的包层包围的空心芯并产生光子带隙(PBG)，该光子带隙将特定光波长范围内的电磁波俘获在芯缺陷(core defect)中。HCPCF理论上围绕两个权衡因素设计：对目标波长下的大PBG的需要以及利用可用方法制造光纤的可行性。在所有已知的包层结构中，这两个因素之间的最佳折中是三角形格子HCPCF。

这样的三角形格子HCPCF的实例具有二氧化硅基底中的空气孔的三角形排列、超过90％的空气填充率和约等于工作波长(λ)两倍的间距(Λ)，该间距是包层结构中的空气孔中心之间的距离。例如，对于一个这样的HCPCF，以1550nm的红外线(IR)波长为中心的最大约300nm的宽带隙需要3-4μm的间距。

这种HCPCF的波导性能产生了诸如有效拉曼激光、气体激光器光纤设备、大功率光孤子传输和有效电磁波诱导透明度的应用。

然而，获得光谱的可见光或紫外线(UV)区域的光纤波导所要求的间距是IR的光纤波导的间距的1/2到1/4。这是因为PBG处于相对低的归一化频率kΛ≌12处，其中传播常数k＝2π/λ，间距与波导波长成线性比例。通常，对于任何已知的可见光或UV的光纤波导，间距必须小于2μm。

这样的HCPCF的制造带来了几个工程技术挑战。首先，使PBG的光学波长跨度最大化所需要的包层结构的空气填充率必须大于90％。这通常涉及在进行堆叠以产生所要求的结构期间蚀刻毛细管或者穿过间隙孔将玻璃杆插入在纤细的毛细管之间。第二，芯模与位于芯周围的界面模(interface mode)耦合，该耦合显著地影响波导。这就意味着在制造期间需要精确地设计和控制芯形状、厚度和尺寸。第三，在光纤拉制工艺期间难以精确控制所需的小间距。

由于所使用的制造技术(传统上，毛细管是被吹制的并且接着利用诸如气态氟化氢(HF)的气体进行蚀刻)，这些小间距三角形格子HCPCF也遇到了例如因为可能会出现不期望模态而使它们的光学性能不是最佳的问题。这些制造可见光和UVHCPCF传导和使传导的光与二氧化硅重叠所固有的问题把它们的损耗(光学衰减)限制到大约1dB/m。

除了制造困难之外，还存在阻止这样的三角形格子光纤用在需要宽带波导或可见光或UV波导应用中的其他缺点。这些包括光纤的固有的窄光学传输带宽、基模和界面模之间的重叠以及高的二氧化硅中光(light-in-silica)的比例。

在权利要求中对本发明进行阐述。

根据一个方面，提供了一种间距(“大”间距)比工作波长大五倍或更多倍的HCPCF。这样的HCPCF具有各种令人惊讶的光学性能。这种光纤波导机制消除了当前已知的HCPCF存在的一些局限性。该光纤具有处于高归一化频率(约20＜kΛ＜400)的传输区域。该光纤展示出了相对低损耗的宽传输区域，该宽传输区域可以比例如上述已知的三角形HCPCF的传输区域大二十倍。该光纤相对容易制造，并且展示出低的表面模耦合、高的芯中光(light-in-core)的比例和低的色散。

根据另一方面，提供了一种具有横向结构的HCPCF，该横向结构包括连接节点的细条(cane)包层壁的相对薄(小于间距Λ的5％并且优选地小于3％)部分，使得低折射率包层结构成分(例如空气)的物理尺寸接近间距的物理尺寸，同时高折射率包层结构成分(例如二氧化硅)的物理厚度仅仅是间距的3％或更少。因为使连接壁的厚度最小化意味着对于这种光纤出现更少的包层模，并且支撑模(supported mode)的特性意味着它们与芯模相互影响很少，所以这种HCPCF具有改进的光学特性。

这种光纤的光学特性通过以下事实进行解释：与例如已知的三角形HCPCF比较，这种光纤不是通过PBG传导，而是通过包层模和芯模之间耦合极其微弱的机制传导。因此，相应的光子结构不是具有带隙的那种，而是支持光子模的那种，这种光子模展示出芯模和包层模之间的横向光场的高度失谐。

根据进一步的方面，制造HCPCF时在制造期间的受控加压意味着在获得期望壁厚度的制造期间可以控制壁厚度。

另外地或可选地，利用液态HF基蚀刻剂对形成包层的细条的蚀刻还使壁厚度能够控制，这意味着可以控制所获得的壁厚度并且可以获得期望壁厚度。利用这种制造方法可以获得上述具有相对薄连接壁的HCPCF结构。