[发明专利]具有轴向变化结构的波导

说明书

发明背景

本申请基于1998年9月15日提交的临时申请60/100,349，我们要求该申请的优先权日。

本发明提供了一种结构在轴向变化的光纤预制棒或光纤。具体地说，新型预制棒或波导的包层折射率沿波导长度变化，该变化是由包层的多孔性或组成成份的改变引起的。本发明包括制造新型波导预制棒或光纤的方法。

已经讨论了具有周期性包层结构的光纤。作为举例，包层的周期性结构可以是一种光子晶体。Knight等人在1996年10月1日出版的光学通讯第21卷、第19期上发表了“具有电子晶体包层的全石英单模光纤”，Birk等人在1997年7月1日出版的光学通讯第21卷、第19期上发表了“无端单模光子晶体光纤”，这两篇论文都对光子晶体作了描述。在这两篇论文中，描述了具有石英纤芯和多孔石英包层的单模光纤。石英包层中的孔或穴是细长的，并从头到尾在包层中延伸。将孔安排成周期性六边形的图案，使包层构成一光子晶体。如此构造的波导纤维在任何波长上都是单模光纤。

在公开号为EP 0810453A1的欧洲专利中，描述了进一步对具有多孔填充或孔填充包层的波导纤维所作的工作。在此公开文献中，包层包含许多细长的孔，这些孔能降低包层的平均折射率。细长孔没有被安排成周期的图案，因此，此波导中的导光机制是在纤芯-包层的边界处折射。

在光子晶体包层中，实质上可以获得无限的截止波长范围，或者说可能不存在任何截止波长。这对单模波导设计是有利的。从提供附加设计变量的角度来说，相对折射率的差Δ也是有用的，因为包层包含了一个特定的、由非周期性孔组成的体积。如下所述，通过控制光纤中的空气填充部分，可以控制此体积。

但是，这些设计都不能提供相对折射率的轴向变化。这种轴向变化对试图控制色散的单模光纤设计是有利的。另外，由于相对折射率的轴向变化是由包层中的变化引起的，所以可以获得一组新的参数，诸如孔体积、孔截面和孔图案等，以便改变波导中的模功率分布，进而改变波导纤维的关键性能。试图将包层结构轴向变化与多种纤芯折射率分布曲线设计组合，提供专用的波导纤维性能。期望包含光子晶体导光和折射导光两者的包层能够有利于为控制色散所作的波导设计。另外，本发明包括这样的包层结构，它具有一个由周期性或随机分布的特征组成的阵列，包括用一种材料代替孔，这进一步增加了波导纤维设计的灵活性。

发明概要

本发明的新型波导预制棒和波导纤维以及制造该波导预制棒和波导纤维的方法提供了附加的波导设计变量，并且对于制造色散补偿或色散受控的波导是有利的。

本发明的第一方面是一种光波导预制棒，它包括玻璃纤芯区和位于玻璃纤芯上的玻璃包层。为便于描述，称玻璃包层分成许多沿预制棒轴的分段。包层玻璃的密度沿一方向变化，该方向称作预制棒的轴，平行于纤芯区，这样包层玻璃的密度从高到低或从低到高一个分段一个分段地变化。也就是说，各相邻分段的密度不是轴向位置的单调函数。

通过改变包层的多孔性可以获得预制棒的包层密度，以便在相邻分段中从高变低以及从低变高。具体地说，沿预制棒轴的各相邻分段可以在两种状态之间变化，一种状态是包层含有许多孔，另一种状态是包层基本上没有孔。在新型预制棒的一个实施例中，所述孔是细长的，并且被排列成一个周期性的阵列，周期性阵列可以具有节距，即在孔的相应点之间存在间距。可以选择节距，使其位于许多不同的范围内。为了在光通信波长上使用，可以有利地选择预制棒节距，使得在由预制棒拉丝得到的光纤中，节距在大约0.4μm至20μm的范围内。玻璃纤维的典型外直径大约为125μm。此范围的下限提供了可以在通信信号波长范围内有效地形成光子晶体的拉丝光纤节距。但是，申请人已经证明，在几十微米范围内的间距或节距可以有利地用于制造具有轴向变化包层的波导。尽管这里叙述了上限20μm，但申请人期望可以使用更大的包层节距特征。间距或节距特征的上限事实上是由包层厚度决定的实际极限。

申请人已经发现，细长孔的直径以其节距对于确定由预制棒拉丝得到的波导纤维的性能是很重要的。在一特定的实施例中，孔的直径与细长孔阵列节距之比在大约0.1至0.9的范围内。