涉及光子晶体光纤的熔接与连接的改进的制作方法
专利名称：涉及光子晶体光纤的熔接与连接的改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将光纤耦合至光学器件的方法、一种光纤、一种用于制造光纤的预制件、一种包括拉制预制件的制造光纤的方法、一种热处理的光纤、一种包括光纤的物
品O
背景技术：
近年来出现了一类新光纤。通过在光纤中引入一些孔或空隙来提供这些光纤的光学引导机构。这些孔通常与光纤平行并且沿着光纤的长度延伸。关于这种光纤的大体描述请见 A. Bjarklev 等著的“Photonic Crystal Fibers (光子晶体光纤)”, Kluwer AcademicPublisher (Kluwer 学术出版社，2003 (ISBN 1-4020-7610-X)，下文中称为[Bjarklev 等]。 这种光纤的导光原理基于全内反射(TIR)，其和不包含这种孔的传统光纤(非微结构光纤，在下文中也称为“标准光纤”)的导光原理相似，或者也可基于光子带隙(PBG)原理。对于基于TIR的光纤，纤芯由包括孔、例如一些排列紧密的孔的包层区所包围，纤芯可包括固体玻璃区域，固体玻璃区域的折射率通常比包层区的有效折射率更高。对于基于PBG的光纤，纤芯不限于实心(solid)材料。其可以是孔、或者实心背景材料和孔的组合，且被包括光子带隙的包层区包围。由于光不能透过包层区而沿着光纤引导光，因此纤芯的折射率可低至空气的折射率。因此，光被限制在纤芯内。包层区可包括包层材料，以及仔细排列的具有预定孔尺寸、间距和图案的气孔。通常，孔或空隙可为包括折射率不同于背景材料的折射率的材料的任何所谓部件(feature) 0这种所谓部件也可包括折射率高于背景材料的折射率的材料。孔或空隙可包括实心材料、气体、液体或真空。包层中的气孔或部件可以影响光纤的光学特性。在一些光纤设计中，与其它因素相比，气孔对光纤的光学特性的影响起主导作用。通常，这种类型的光纤在下文中被称为光子晶体光纤(PCF)。这种光纤还被称为微结构光纤、多孔光纤、光子带隙光纤、孔助光纤，也可以使用其它命名。PCF与传统的实心玻璃光纤相比具有不同的特性，因此应用在许多不同的领域上。从小纤芯的PCF到标准光纤的过渡(transition)通常是困难的。熔接损耗通常较高(> O. 3dB_ 参见例如 Hansen 等著的 “Highly Nonlinear Photonic Crystal Fiberwith Zero-Dispersion at I. 55 μ m(I. 55 μ m零色散的高非线性光子晶体光纤)”,光纤通信会议2002，截稿日期后提交的文章，2002)，并且机械强度通常较差。PCF的拉锥可用于降低从PCF向标准光纤的过渡耦合的损耗(参见例如W000049435或EPOl 199582)。然而，在制造拉锥的光纤区时，拉锥是既费时又费力的。US 2002/0114574-A1公开了一种加热和拉伸的技术，这项技术应用在拉锥形光纤中部分或整体地塌陷微结构光纤，或者应用在非拉锥形光纤中保持整体直径大致相同，并分别提供呈现模式收缩或模式扩展的合成光纤。此专利公开了具有单一背景材料的单包层区(不同于多包层)的微结构光纤。W004049025公开了一种包括孔或空隙的光纤，其中孔沿长度方向部分塌陷。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种将光子晶体光纤耦合至光学器件的改进的方法，特别是将光子晶体光纤耦合至例如光子晶体光纤的光纤、或非微结构光纤、或其它光学器件的改进的方法。本发明的目的之一是设计改进的光子晶体光纤从而控制光纤端的模场分布，例如控制光纤端的模式扩展。本发明的目的之一是提供一种能够低损耗和/或高强度地熔接至其它光纤(例如标准光纤)的PCF。特别地，本发明的目的之一是提供能够低损耗和/或高强度地熔接至标 准光纤的小纤芯的PCF。本发明的目的之一是提供在PCF和标准非微结构光纤之间的低损耗和/或高强度的接合或熔接。本发明的目的之一是提供在PCF和标准非微结构光纤之间实现低损耗和/或高强度的接合的方法。本发明的目的之一是提供具有改进的接合特性的PCF和熔接这种PCF的应用。本发明的目的之一是提供至少包括具有第一端面的第一端的光纤，该光纤包括能够引导第一波长λ的光的纤芯区；以及包围所述纤芯区的微结构包层区。包层区包括内包层区和外包层区。内包层区包括布置在折射率为H1的内包层背景材料中的内包层部件，所述内包层部件包括可热塌陷的孔或空隙。外包层区包括布置在外包层背景材料中的外包层部件，所述外包层部件包括折射率为η2的实心材料，其中η2低于rv本发明的目的之一是提供一种将用于沿其纵向传输光的光纤耦合至光学器件的方法，该方法包括提供在第一光纤端具有第一光纤端面的光纤。该光纤包括能够引导第一波长λ的光的纤芯区和包围所述纤芯区的微结构包层区。所述包层区包括内包层区和外包层区。内包层区包括布置在折射率为Ii1的内包层背景材料中的内包层部件，其中所述内包层部件包括可热塌陷的孔或空隙。外包层区包括布置在外包层背景材料中的外包层部件，所述外包层部件包括折射率为η2的实心材料，其中η2低于ηι。该方法进一步包括通过加热所述光纤的所述第一端使至少部分所述第一内包层部件中的所述可热塌陷孔或空隙塌陷；并且将所述塌陷的光纤端耦合至光学器件。所述内包层部件中的所述空隙或孔的塌陷在至少部分所述内包层区中提供了一有效折射率，该有效折射率大于外包层的有效折射率。本发明的目的之一是提供一种熔接光纤的方法，该方法包括(a)提供根据本发明的第一光纤,该光纤具有所述第一端；(b)提供具有端的第二光纤；(C)以预定的间距将所述第一和第二光纤的所述端相对彼此对准；以及(d)对包括所述第一和第二光纤的所述端的每一所述光纤的待加热部分进行可控的热处理，从而使至少部分所述待加热部分上的所述可熔接的一个或多个光纤的所述内包层部件的所述空隙或孔塌陷。
本发明的目的之一是提供用于制造根据本发明的光纤的预制件，该预制件包括纵向预制元件,其包括(a)至少一个包括折射率为11。_的材料的纤芯元件；(b)内包层元件包括折射率为Ii1的材料的管状元件，所述管状元件能够在可熔接光纤中形成可塌陷的孔或空隙；以及(c)外包层元件包括折射率为n2的实心材料的管状或棒状元件,所述管状或棒状元件能够在可熔接光纤中形成不可塌陷的低折射率部件；其中，所述元件设置成可通过预制件来制造根据本发明的具有可塌陷的内包层孔或空隙的光纤。在本发明的一个实施例中，提供了一种改进可熔接光纤的方法，该方法包括(a)提供一段长度的根据本发明的光纤,该光纤具有第一端；且(b)对所述一段长度的所述可熔接光纤的一部分进行可控的热处理，从而所述光纤的所述可塌陷的内包层空隙或孔在至少部分所述已热处理的部分上塌陷。所述可熔接光纤中的全部空隙或孔在热处理(b)期间塌陷和/或被密封。该方法进一步包括(C)切割在所述待加热部分的、所述可塌陷的内包层空隙或孔已经塌陷的所述部分中的所述改进的光纤，因此提供了两段不同长度的光纤，每一光纤分别具有已热处理的端，在该端中所述可塌陷的内包层空隙或孔已经塌陷。在一个实施例中，所述待加热部分的所述部分包括所述可熔接光纤的所述端。在一个实施例中，该方法进一步包括(d)例如通过研磨提供具有轮廓分明的端面的所述热处理端。在一个实施例中，所述光纤的所述热处理端和(d)中的所述轮廓分明的端面适于形成光连接器的一部分。进一步的目的详见其它部分的描述。在一个实施例中，所述光学器件为第二光纤、光学连接器、或者它们的组合，借由该组合可以获得用于将光纤端固定至其它光学器件(例如激光器、探测器等)的低损耗光纤对光纤连接器或低损耗连接器。在一个实施例中，所述第二光纤为光子晶体光纤、或非微结构光纤，借由该光纤可以获得光纤与所述光纤的低损耗耦合(例如以熔接耦合或连接化耦合的形式)。本发明中，某一区域的“背景材料”这一术语指的是一单一材料，如果测量由该特定材料制造的区域的实心部分的横截面积比例则该材料构成该区域的大部分，例如至少50%的面积，例如至少60%的面积，例如至少70%的面积，例如至少80%的面积，例如至少90%的面积，例如至少95%的面积。该背景材料也可包括两种具有相似折射率的材料，例如 折射率差小于10%,例如小于5%,例如小于2%,例如小于I %,例如折小于O. 5%,例如小于O. 1%，例如小于O. 05%。本发明中，术语“端面”指的是光纤的自由端，或其可以是光纤接合的一部分，其中所述端面设置在接合点处。在一个实施例中，内包层部件至少在横截面尺寸和/或组成材料上与外包层部件不同。例如对于例如内包层区中的圆形部件，横截面尺寸可以为直径。对于部件的非圆形横截面，横切面尺寸指的是该部件横截面外接圆的直径。在一个实施例中，外包层部件包括下掺杂二氧化硅，例如F-掺杂二氧化硅。外包层部件大体上可以为实心。本发明中，术语“大体实心部件”指该部件在横截面上包括至少60%的实心材料，例如至少70%的实心材料，例如至少80%的实心材料，例如至少90%的实心材料，例如至少95%的实心材料，例如至少98%的实心材料，例如全部都为实心材料。在一个实施例中，至少部分所述第一内包层部件的所述可热塌陷的孔或空隙在所述第一端至少部分地塌陷，例如在自所述第一端面起的一塌陷长度上。所述可热塌陷的孔或空隙的塌陷可以是大体上不连贯的，因而可在一段较短的光纤上获得扩展，或者所述塌陷也可以是朝着第一端面渐变的，因而可获得导光模式的模场的绝热扩展。大体上不连贯的塌陷可发生在短于约50 μ m的长度上，例如短于约40 μ m,短于约25μηι,短于约ΙΟμπι,短于约5μηι。不连贯的塌陷也可发生在短于光纤的横截面尺寸的长度上，例如横截面尺寸的二分之一，例如横截面尺寸的五分之一，例如横截面尺寸的十分之
O在一个实施例中，所述可热塌陷的孔或空隙在所述第一端面上完全塌陷，例如沿着自所述第一端面起的所述塌陷长度。当在部分内包层区中至少一部分内包层部件的孔或空隙塌陷时，该部分的有效折射率将增加，并且变得可与纤芯区的有效折射率相当。当该部分布置在靠近纤芯区，并进一步地被未塌陷内包层部件和/或具有低折射率外包层部件的外包层区包围时，纤芯区和内包层区的塌陷部分可呈现为一个扩大的导光区，即在横截面中该扩大的导光区包括纤芯区和所述内包层区中所述内包层部件塌陷的部分。在一个实施例中，改造所述加热，使得在光纤的所述至少一端的导光模式可以由纤芯、内包层及外包层的背景材料所确定的有效折射率分布来限制，该外包层可包括低折射率实心部件；所述折射率分布在光纤端提供所述扩展的导光区，外包层提供所述至少一个光纤端的实际包层，借由此，可将光束展宽至一增加的尺寸，该尺寸适于有效的/低损耗的耦合，例如熔接和连接。在这种情况下，通过光纤向第一端传输的光可以从纤芯区散开至至少部分地填充第一端处的扩大的导光区。因此，引导纤芯模式的模场直径可在光纤的塌陷部分增大。这允许了在光纤中引导的光在光纤长度上、内包层部件的孔或空隙塌陷的地方扩展。因此，能够低损耗地耦合至具有与扩大的纤芯区的模场直径大体上匹配的模场直径的光学器件。对孔或空隙的塌陷范围的控制提供了对第一光纤端的折射率分布、和例如内包层和外包层区材料的折射率的进一步控制。在一个实施例中，可以以低损耗将光从一个光纤的相对较小的纤芯区(纤芯具有横截面尺寸dj耦合至另一光纤的相对较大的纤芯区(纤芯具有横截面尺寸CU，且(1。2大于(Iel)。通过米用根据本发明的光纤作为小纤芯光纤,并相对于具有相对较大纤芯的光纤扩展光纤端的纤芯模式，可实现这种低损耗的耦合。通过使至少部分该内包层区中的内包层部件塌陷来实现模式的扩展。当小纤芯光纤的扩大的导光区的模场直径和具有相对较大纤芯的光纤的模场直径充分一致时，例如大体上一致时，可实现低损耗的耦合。
通常，耦合可通过允许光从一光学器件低损耗地传输到另一光学器件/低损耗地传输至一个光学器件的任何合适的方式来实现。这些方法包括熔接、自由空间光学、折射率匹配光胶等。在一个实施例中，所述耦合包括所述至少一个塌陷的光纤端和所述光学器件的熔融，借由此，光纤与光学器件可实现低损耗、高机械强度的耦合。内包层部件(且可选的包括空隙或孔的外包层部件，例如第二类外包层部件)的塌陷可发生在光纤和所述光学器件耦合之前或者之后。即，光纤端可在所述可塌陷孔或空隙塌陷之前与光学器件耦合，也可在所述可塌陷孔或空隙塌陷之后与光学器件耦合。塌陷也可发生在光纤端与光学器件耦合的同时，从而用于将两者耦合在一起的加热操作也提供孔或空隙的塌陷。在一个实施例中,在内包层部件的空隙并未通过例如加热光纤塌陷的一端处纤芯 的横截面尺寸为Clca。
外包层部件可包括多种形状和尺寸，例如从光子晶体光纤技术中已知的，包括所谓泄漏通道设计。在一个实施例中，内包层包括至少两类部件，例如多个第一类内包层部件和多个第二类内包层部件。第一类内包层部件可包括具有横截面直径Clim^1的可塌陷空隙或孔，第二类内包层部件可包括具有横截面直径dim ,2的可塌陷空隙或孔，对于圆形的孔或空隙，横截面尺寸通常为直径。对于横截面为非圆形的空隙或孔，横截面尺寸指的是横截面空隙或孔的外接圆的直径。当内包层部件包括不同横截面尺寸的空隙时，使用加热处理工艺可以使不同种类的内包层部件塌陷的长度可被独立地控制。在一个实施例中，大部分所述第一类内包层部件布置为比大部分所述第二类内包层部件更靠近纤芯区。在一个实施例中，d
inner, I 比 ^inner, 2 小。与多个所述第二类内包层部件相比，多个所述第一类内包层部件自第一端面起塌陷更长的部分，从而扩大的导光区包括所述内包层区中第一类内包层部件塌陷的部分。因此，纤芯区中朝着第一光纤端传输的导光模式可被展宽，从而在第一类内包层部件塌陷的位置处模场直径增加。第一类内包层部件的塌陷可以是渐变的，从而在所述纤芯区中传播的光可被绝热地耦合至所述扩大的导光区，因此光从纤芯区向扩大的导光区过渡时的耦合损耗被保持为最小，借由此，沿着光纤以第一波长传输到塌陷的光纤端的光的损耗可以是极小甚至可忽略。耦合损耗可以小于2dB，例如小于ldB，例如小于O. 5dB，例如小于O. 3dB，例如小于O. 2dB，例如小于O. ldB，例如小于O. 05dB或者更小。从在纤芯区中引导的光到在扩大的导光区中引导的光的绝热过渡(transition)可通过调节用于内包层部件的塌陷的热处理工艺和/或优化光纤设计参数(例如孔的尺寸和位置、不同种类部件的相对位置)来实现。可通过多种不同方法实现可热塌陷的孔或间隙的塌陷。这些方法中常用的是使用热以软化背景材料，借由此可热塌陷的孔或空隙收缩。在收缩中使用表面张力、通过压力控制和/或其它方法排出液体可辅助收缩。通常，加热可以通过任一适当的方式来实现，借由此能量被输送至内包层区，该适当的方式例如是热的、感应的、辐射性吸收或其它方式。
在一个实施例中，所述加热由熔接机来提供，由此可使用适于控制热处理的市场上可获得的设备。通常，本申请中的光学器件包括传播光的任何器件(例如光纤，例如光子晶体光纤或非微结构光纤)；输出光的任何器件(例如光源，例如激光器)；接收光的任何器件(例如探测器)；和/或任何可用于将一个光学器件连接到另一光学器件的任何器件，例如光连接器。在一个实施例中，根据本发明，所述第二光纤为可熔接光纤。在一 个实施例中，所述第二光纤为标准光纤，例如标准单模光纤，例如SMF-128光纤。在一个实施例中，所述热源为熔接机，例如Vytran FFS2000熔接机。在一个实施例中，所述光纤为非线性光纤。在一个实施例中，光纤纤芯区的导光模式至少在沿所述光纤的一个位置处具有小于约5微米的模场直径,在所述第一端面处具有大于约5微米的模场直径,例如大于约7微米，例如大于约9微米，例如大于约12微米，例如大于约15微米。在所述第一端面处的所述模场直径可小于约1000微米，可小于例如约500微米，可小于例如约250微米。在一个实施例中，所述光纤沿其长度具有至少一个这样的位置(位置1)，在该位置处，所述第一波长λ上的导光模式由于内包层部件的存在而被限制于纤芯区,其中λ在O. 4微米到2. O微米之间。在一个实施例中，纤芯区在沿所述光纤的至少一个位置处具有最大的横截面直径rrcF，其在O. 8微米到5. O微米之间。在一个实施例中，该尺寸小于3. O微米，例如在光纤用于产生非线性效应的情况下。在内包层部件在第一光纤端处塌陷的情况下，横截面尺寸将被扩展，且尽管纤芯区的尺寸小，光纤仍可将光以低损耗耦合至其它光学器件。在本发明的一个实施例中，内包层区在沿所述光纤的至少一个位置处具有横截面尺寸匕。11(1，其在3.0微米到15. O微米之间。当内包层部件塌陷时，形成了覆盖纤芯区和至少部分所述内包层区的扩大的导光区。根据本发明的具有小纤芯的光纤因此可以以低损耗将光稱合至具有约为3. 0-15. O微米的光斑尺寸/模场半径的其它光学器件。实际上，内包层部件的塌陷可能会导致扩大的导光区的横截面尺寸减小。在一个实施例中，在第一光纤端处的rS()lid在2. O微米到12. O微米之间。在一个实施例中，在所述第一光纤端处，扩大的导光区的横截面尺寸基本上与rS()lid相等。在所述第一光纤端处，扩大的导光区的最大的横截面尺寸在约2. O微米到约12. O微米之间。在一个实施例中，通过选取添加有软化剂的内包层预制件元件，及选取具有实心材料的外包层预制件元件来形成所制造的光纤的内包层中的可塌陷的孔或空隙，因而，对所制造的可熔接光纤的施加热确保了内包层孔或空隙会塌陷。在一个实施例中，所述纤芯区包括折射率为neOTe的材料,且neOTe大于叫。这允许例如设计具有高非线性系数的光纤，调整光纤的色散特性，和/或调整光纤的截止特性。内包层和外包层部件可适于特殊的色散和非线性特性，例如产生超连续光所需要的，例如产生蓝光、紫光、紫外或者红外光所需要的。在一个实施例中，所述纤芯区包括折射率为neOTe的材料，且neOTe小于叫。这允许了例如调整光纤的色散特性，和/或调整光纤的截止特性。在一个实施例中，所述纤芯区包括折射率为neOTe的材料,且η。·小于、等于或者大于n2。在一个实施例中，Ii1大于n2。在一个实施例中，所述外包层背景材料的折射率与Ii1相似。在一个实施例中，所述外包层背景材料的折射率与Ii1不同。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中neOTe大于叫。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中neOTe基本上等于叫。
在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中neOTe小于叫。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中所述纤芯元件为纯二氧化娃棒。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中所述纤芯元件为包括掺杂的二氧化硅的棒，例如掺锗、铝、氟、硼、铒或镱的二氧化硅或它们的组合。 在一个实施例中，所述光纤的所述纤芯包括掺杂二氧化硅，例如掺锗、铝、氟、硼、铒或镱的二氧化硅或它们的组合。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中所述内包层元件为纯二
氧化硅管。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中所述内包层元件为包括掺杂的二氧化硅的管，例如掺锗、铝、氟、硼、铒或镱的二氧化硅或它们的组合。在一个实施例中，所述光纤的所述内包层部件包括掺杂的二氧化硅，例如掺锗、铝、氟、硼、铒或镱的二氧化硅或它们的组合。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中所述外包层元件为包括纯二氧化硅外壳和掺杂内芯的棒，例如掺氟的内芯，或例如掺锗的内芯。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中所述预制件包括包覆层管。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中所述预制件包括缓冲元件，例如与外包层元件相比具有更小横截面尺寸的棒和/或管。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中所述预制件包括给定数量的内包层元件，且所述数量在6到18范围内，例如等于6。通过提供根据本发明的制造可熔接光纤的方法，至少实现了本发明的一些目的，这种方法包括由根据本发明的预制件拉制光纤。通过提供包括根据本发明的光纤、或通过根据本发明的方法获得的、通过热处理可熔接光纤的至少一端或一部分而制备的可熔接光纤的热处理光纤，至少实现了本发明的一些目的。通过提供包括根据本发明的光纤、或通过根据本发明的方法获得的光纤和光学器件的耦合的物品，至少实现了本发明的一些目的，其中所述物品可为非线性光纤器件、和/或色散补偿光纤器件和/或有源光纤器件。通过提供包括根据本发明的光纤、或通过根据本发明的方法获得的光纤和光学器件的耦合的物品，至少实现了本发明的一些目的，其中该光纤的外部直径沿轴向大体上一致。在一个实施例中，所述光纤的至少一端为实心，例如通过塌陷光纤端中的任意孔或空隙所获得的实心端。这允许了在施加高温以产生高强度熔接的地方，对光纤的实心端进行熔接。在一个实施例中，外包层区包括第二类外包层部件，其包括可塌陷的孔或空隙。第二类外包层部件可被布置成大体上包围包括折射率为n2的实心材料的外包层部件。本申请中，术语“折射率”和术语“有效折射率”是有差别的。折射率是均匀材料的传统折射率。而有效折射率指给定波长λ的光通过给定材料时的折射率，给定材料可以是合成的(这指的是，合成材料包括两种或更多种子材料，典型地，具有一种折射率的背景材料和具有不同折射率的一种或更多种部件)。对于均匀材料，折射率和有效折射率自然是相同的。对于合成材料(例如微结构)，有效折射率将在下 文中进一步讨论。术语折射率也被用来描述合成材料中子材料的折射率(例如微结构材料中部件的折射率)。有效折射率通常不同于“加权的折射率”或“几何折射率”。当子材料的折射率已知时，可根据对给定的合成材料进行几何计算直接确定出这些折射率。对于本发明的光纤的一些应用，最重要的光波长通常在可见光到近红外区域(波长从约400纳米到2微米)。在这一波长范围内，用于制造光纤的最相关材料(如二氧化硅)通常被认为大体上与波长无关，或至少不强烈地依赖于波长。然而，对于非均匀材料，例如具有空隙或气孔的光纤，有效折射率通常强烈地依赖于材料的形态。进一步地，这种光纤的有效折射率可能呈现强烈的波长依赖性。对于给定的具有空隙或孔的光纤结构，其在给定波长下的有效折射率可以通过熟知的程序来确定(参见例如Jouannopoulos等著的“Photonic Crystal (光子晶体)”,普林斯顿大学学报，1995,或Broeng等著的OpticalFiber Technology (光纤技术)，第 5 卷,305-330 页，1999)。在微结构光纤领域内可以理解，包层的和/或纤芯中的术语“气孔”可包括包含有真空、气体或者液体的孔或空隙，在制造微结构光纤之后，所述孔或空隙全部或部分地被液体或气体填充。本申请中，术语“可熔接的光纤”旨在被广泛地解释为包括这样一种能力光纤能够被熔接至另一光纤、或者连接到另一光学器件，例如连接器，从而保证以低的光损耗将传输光耦合至所述其它光纤或所述其它光学器件。术语“光纤端”旨在表示光纤在光纤端处的纵向部分，包括光纤端面。本申请中，可热塌陷孔或者空隙可被理解为包括气体、真空或液体的孔或空隙，这些气体、真空或液体可例如通过排出被移除，并且可热塌陷孔或者空隙被可在加热时软化的材料包围。在一个实施例中，光纤可被用作中间光纤，即连接两段或更多段光纤的光纤。举例来说，对于不同光纤间的纤-纤熔接，根据本发明实施例的光纤可被用作中间光纤。不同的光纤通常在一个或多个参数上不同，例如纤芯直径、纤芯掺杂、折射率分布等。举例来说，这允许了直线的中间光纤(非拉锥形的中间光纤和/或非拉锥形的不同光纤)。有利的是，利用外直径与一种或多种不同光纤的外直径类似或相同的中间光纤，即匹配了一种或多种光纤的外直径。这种外直径的匹配提高了机械强度。需要注意的是，拉锥为优化根据本发明优选实施例的光纤提供了另外的方法。因此，根据本发明的拉锥形光纤或光纤段也被覆盖在本发明的优选实施例中。还需注意的是，采用增压以控制孔或空隙的塌陷或部分塌陷的方法也在本发明的范围内。同样，选定孔或空隙的增压也在本发明的范围内。可以理解，下文的详细描述仅是本发明的示例，旨在提供用于理解如权利要求所述的本发明的本质和特性的概述或框架。还包括附图，以提供对本发明的进一步的理解，附图被合并入且构成了本发明公开的一部分。本发明并不限于所描述的示例。附图示出了本发明的多种部件和实施例，其与说明书一起用于解释本发明的原理和操作。根据下文阐明的优选实施例的详细描述，结合附图，本发明的其它目的、部件和优点将更加明显。在本申请实施例中，在横截面视图中以圆圈示出孔或空隙形式的部件，其中直径(例如(I1)通常用于表示部件的尺寸或最大内尺寸。孔或空隙可以任何形式呈现，在这种情况下用于孔或空隙的特性化的相关尺寸是其最大的、内尺寸。
结合优选实施例，并参考附图，下文中将更加全面地解释本发明。附图如下图Ia和Ib示出本发明的实施例的示例。图2至4示出本发明的实施例的示例。图5示出预制件的示例。图6示出本发明的实施例的示例。图7示出根据本发明的光纤的图片。图8示出从图7所示的光纤测出的模场分布。附图是示意性的且为清楚起见被简化了。
具体实施例方式根据下文给出的详细描述，本发明进一步的应用范围将更加明显。然而，应当理解，详细描述和具体实施例虽然示意了本发明的优选实施例，但其仅以示例的方式给出，对所属领域技术人员来说根据这些详细描述，在本发明的精神和范围内的多种变化和改变都是显而易见的。图Ia示出光纤的一部分，包括纤芯10、可塌陷的内包层部件11(通常为孔或空隙)、外层实心(不可塌陷部件12)和背景材料12。图Ib示出光纤端(或可选地，沿着光纤长度方向上的一部分)，其中内包层塌陷从而提供扩大的纤芯区。图2至4示出本发明实施例的进一步示意图。可塌陷部件64也可设置在不可塌陷部件62的外侧，例如以此来提高光纤的性能，包括损耗、色散、非线性和/或其它性能。这种光纤设计的一个实例可参见图4a，其中，可塌陷的第二类外包层部件64布置在外包层区的不可塌陷部件62的外侧。当光纤被加热时，可塌陷部件61和64在加热区域塌陷，从而实心外包层部件62、72被实心材料区73包围。图6示出本发明实施例的另一示例，其中内包层包括第一类和第二类部件。第一类部件包括横截面尺寸为Clim^1的空隙或孔，第二类部件包括横截面尺寸为dimOT,2的空隙或孔，其中Clin^1小于dinnOT,2。由于较小的孔塌陷地更快、更容易，因此保证了内包层部件、中最内的环先于第二环塌陷。当内包层部件朝着光纤端塌陷，其中孔或空隙被塌陷以扩展MFD(模场直径)，在采用具有不同孔尺寸的内包层部件时，这种扩展会逐步发生。模场直径从光纤的未塌陷部分的纤芯区向塌陷端的扩大的导光区逐步扩展，有助于降低塌陷区/非塌陷区之间的过渡损耗。图7和8示出根据本发明得到的光纤的图片和模场分布。纤芯区10被具有内包层部件11的内包层区包围。外包层区包括多个实心外包层部件12。图8示出光纤端的模场分布，其中，(图中上半部的)内包层部件未塌陷，并且其中(图中下半部的)内包层部件塌陷。在上半部分，平均模场直径为3.4微米，而在具有塌陷的内包层部件的光纤端，平 均模场直径增加到14. I微米，以传输第一波长1064微米的光波。虽然参考具体实施例详细地示出和描述了本发明，但所属领域的技术人员可以理解，在不背离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明在形式和细节上作出多种变化，并且这些变化落入所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种光纤，至少包括具有第一端面的第一端，所述光纤包括 (a)纤芯区,其能够引导第一波长λ的光；及 (b)微结构包层区，其包围所述纤芯区，所述包层区包括 (bl)内包层区，包括布置在折射率为Ii1的内包层背景材料中的内包层部件，所述内包层部件包括可热塌陷的孔或空隙；及 (b2)外包层区，包括布置在外包层背景材料中的外包层部件，所述外包层部件包括折射率为n2的实心材料，其中n2低于叫。
2.根据权利要求I所述的光纤，其中，所述内包层部件至少在横截面尺寸和/或材料组成上不同于所述外包层部件。
3.根据权利要求I或2所述的光纤，其中，所述外包层部件包括下掺杂ニ氧化硅，例如F-掺杂ニ氧化硅。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的光纤，其中，所述外包层部件基本上为实心。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的光纤，其中，至少部分所述第一内包层部件的所述可热塌陷的孔或空隙在所述第一端处至少部分塌陷，例如在自所述第一端面起的ー塌陷长度上。
6.根据权利要求5所述的光纤，其中，所述可热塌陷的孔或空隙的所述塌陷是朝着第一端面渐变的。
7.根据权利要求5所述的光纤，其中，所述可热塌陷的孔或空隙的所述塌陷大体上是不连贯的。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的光纤，其中，所述可热塌陷的孔或空隙在所述第一端面上全部塌陷，例如沿着自所述第一端面起的所述塌陷长度。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的光纤，其中，所述可热塌陷的孔的所述塌陷使得在第一端面上定义了扩大的导光区，所述扩大的导光区包括纤芯区和所述内包层区中所述内包层部件塌陷的部分。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的光纤，其中，所述内包层部件包括多个第一类部件和多个第二类部件。
11.根据权利要求10所述的光纤，其中，所述第一类部件包括横截面尺寸为dim a的空隙或孔，和/或所述第二类部件包括横截面尺寸为dinn ,2的空隙或孔。
12.根据权利要求10或11所述的光纤，其中，大部分所述第一类部件被布置为比大部分所述第二类部件更靠近纤芯区。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的光纤,其中，dinnera小于dimOT,2。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的光纤，其中，与所述多个第二类部件相比，所述多个第一类部件在自第一端面起更长的部分上塌陷，从而所述扩大的导光区包括所述内包层区中第一类部件塌陷的部分。
15.根据权利要求14所述的光纤，其中，第一类内包层部件的塌陷是渐变的，从而在所述纤芯区传输的光被绝热地耦合至所述扩大的导光区。
16.根据权利要求15所述的光纤，其中，当所述第一波长的光从所述纤芯区耦合至所述扩大的导光区时发生的耦合损耗小于2dB，例如小于ldB，例如小于O. 5dB，例如小于O.3dB，例如小于O. 2dB，例如小于O. ldB，例如小于O. 05dB或更小。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的光纤，其中，所述外包层背景材料的折射率与Il1近似。
18.根据权利要求1-16中任一项所述的光纤，其中，所述外包层背景材料的折射率与ル不同。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的光纤，其中，所述光纤为非线性光纤。
20.根据权利要求1-19中任一项所述的光纤，其中，光纤的纤芯区的导光模式至少在沿着所述光纤的ー个位置具有小于约5微米的模场直径，且在所述第一端面的模场直径大于约5微米，例如大于约7微米，例如大于约9微米，例如大于约12微米，例如大于约15微米。
21.根据权利要求1-20中任一项所述的光纤，其中，纤芯区至少在沿所述光纤的ー个位置具有最大的横截面尺寸rrcF，其在O. 8微米至5. O微米之间。
22.根据权利要求1-21中任一项所述的光纤，其中，内包层区至少在沿所述光纤的一个位置上具有最大的横截面尺寸rS()lid，其在3. O微米至15. O微米的范围内。
23.根据权利要求14-22中任一项所述的光纤,其中,在所述第一光纤端处的扩大的导光区的最大横截面尺寸在约2. O微米至约12. O微米的范围内。
24.一种将用于沿其纵向传输光的光纤耦合至光学器件的方法，该方法包括 (A)提供在第一光纤端具有第一光纤端面的光纤，所述光纤包括 纤芯区，能够引导第一波长λ的光；及 微结构包层区，包围所述纤芯区，所述包层区包括 (bl)内包层区，包括布置在折射率为Ii1的内包层背景材料中的内包层部件，所述内包层部件包括可热塌陷的孔或空隙，及 (b2)外包层区，包括布置在外包层背景材料中的外包层部件，所述外包层部件包括折射率为n2的实心材料，其中n2低于Ii1 ； (B)通过加热所述光纤的所述第一端，使所述第一内包层部件的至少部分所述可热塌陷的孔或空隙塌陷；以及 (C)将所述塌陷的光纤端耦合至光学器件； 其中，所述内包层部件的所述孔或空隙的塌陷在至少部分所述内包层区中提供一有效折射率，该有效折射率大于外包层区的有效折射率。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，在所述可塌陷的孔或空隙塌陷之前，将所述光纤端耦合至光学器件。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，在所述可塌陷的孔或空隙塌陷的同吋，将所述光纤端耦合至光学器件。
27.根据权利要求24所述的方法，其中，在所述可塌陷的孔或空隙塌陷之后，将所述光纤端耦合至光学器件。
全文摘要
本发明涉及一种光纤，至少包括具有第一端面的第一端，该光纤包括能够引导第一波长λ的光的纤芯区；和包围所述纤芯区的微结构包层区。包层区包括内包层区和外包层区。内包层区包括布置在折射率为n1的内包层背景材料中的内包层部件，所述内包层部件包括可热塌陷的孔或空隙。外包层区包括布置在外包层背景材料中的外包层部件，所述外包层部件包括折射率为n2的实心材料，其中n2低于n1。本发明进一步涉及将这种光纤熔接至光学器件的方法和使用这种光纤的方法。
文档编号G02B6/032GK102687048SQ201080045782
公开日2012年9月19日 申请日期2010年8月16日 优先权日2009年8月14日
发明者M·D·马克 申请人:Nkt光子学有限公司
技术领域：
本发明涉及一种将光纤耦合至光学器件的方法、一种光纤、一种用于制造光纤的预制件、一种包括拉制预制件的制造光纤的方法、一种热处理的光纤、一种包括光纤的物
品O
背景技术：
近年来出现了一类新光纤。通过在光纤中引入一些孔或空隙来提供这些光纤的光学引导机构。这些孔通常与光纤平行并且沿着光纤的长度延伸。关于这种光纤的大体描述请见 A. Bjarklev 等著的“Photonic Crystal Fibers (光子晶体光纤)”, Kluwer AcademicPublisher (Kluwer 学术出版社，2003 (ISBN 1-4020-7610-X)，下文中称为[Bjarklev 等]。 这种光纤的导光原理基于全内反射(TIR)，其和不包含这种孔的传统光纤(非微结构光纤，在下文中也称为“标准光纤”)的导光原理相似，或者也可基于光子带隙(PBG)原理。对于基于TIR的光纤，纤芯由包括孔、例如一些排列紧密的孔的包层区所包围，纤芯可包括固体玻璃区域，固体玻璃区域的折射率通常比包层区的有效折射率更高。对于基于PBG的光纤，纤芯不限于实心(solid)材料。其可以是孔、或者实心背景材料和孔的组合，且被包括光子带隙的包层区包围。由于光不能透过包层区而沿着光纤引导光，因此纤芯的折射率可低至空气的折射率。因此，光被限制在纤芯内。包层区可包括包层材料，以及仔细排列的具有预定孔尺寸、间距和图案的气孔。通常，孔或空隙可为包括折射率不同于背景材料的折射率的材料的任何所谓部件(feature) 0这种所谓部件也可包括折射率高于背景材料的折射率的材料。孔或空隙可包括实心材料、气体、液体或真空。包层中的气孔或部件可以影响光纤的光学特性。在一些光纤设计中，与其它因素相比，气孔对光纤的光学特性的影响起主导作用。通常，这种类型的光纤在下文中被称为光子晶体光纤(PCF)。这种光纤还被称为微结构光纤、多孔光纤、光子带隙光纤、孔助光纤，也可以使用其它命名。PCF与传统的实心玻璃光纤相比具有不同的特性，因此应用在许多不同的领域上。从小纤芯的PCF到标准光纤的过渡(transition)通常是困难的。熔接损耗通常较高(> O. 3dB_ 参见例如 Hansen 等著的 “Highly Nonlinear Photonic Crystal Fiberwith Zero-Dispersion at I. 55 μ m(I. 55 μ m零色散的高非线性光子晶体光纤)”,光纤通信会议2002，截稿日期后提交的文章，2002)，并且机械强度通常较差。PCF的拉锥可用于降低从PCF向标准光纤的过渡耦合的损耗(参见例如W000049435或EPOl 199582)。然而，在制造拉锥的光纤区时，拉锥是既费时又费力的。US 2002/0114574-A1公开了一种加热和拉伸的技术，这项技术应用在拉锥形光纤中部分或整体地塌陷微结构光纤，或者应用在非拉锥形光纤中保持整体直径大致相同，并分别提供呈现模式收缩或模式扩展的合成光纤。此专利公开了具有单一背景材料的单包层区(不同于多包层)的微结构光纤。W004049025公开了一种包括孔或空隙的光纤，其中孔沿长度方向部分塌陷。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种将光子晶体光纤耦合至光学器件的改进的方法，特别是将光子晶体光纤耦合至例如光子晶体光纤的光纤、或非微结构光纤、或其它光学器件的改进的方法。本发明的目的之一是设计改进的光子晶体光纤从而控制光纤端的模场分布，例如控制光纤端的模式扩展。本发明的目的之一是提供一种能够低损耗和/或高强度地熔接至其它光纤(例如标准光纤)的PCF。特别地，本发明的目的之一是提供能够低损耗和/或高强度地熔接至标 准光纤的小纤芯的PCF。本发明的目的之一是提供在PCF和标准非微结构光纤之间的低损耗和/或高强度的接合或熔接。本发明的目的之一是提供在PCF和标准非微结构光纤之间实现低损耗和/或高强度的接合的方法。本发明的目的之一是提供具有改进的接合特性的PCF和熔接这种PCF的应用。本发明的目的之一是提供至少包括具有第一端面的第一端的光纤，该光纤包括能够引导第一波长λ的光的纤芯区；以及包围所述纤芯区的微结构包层区。包层区包括内包层区和外包层区。内包层区包括布置在折射率为H1的内包层背景材料中的内包层部件，所述内包层部件包括可热塌陷的孔或空隙。外包层区包括布置在外包层背景材料中的外包层部件，所述外包层部件包括折射率为η2的实心材料，其中η2低于rv本发明的目的之一是提供一种将用于沿其纵向传输光的光纤耦合至光学器件的方法，该方法包括提供在第一光纤端具有第一光纤端面的光纤。该光纤包括能够引导第一波长λ的光的纤芯区和包围所述纤芯区的微结构包层区。所述包层区包括内包层区和外包层区。内包层区包括布置在折射率为Ii1的内包层背景材料中的内包层部件，其中所述内包层部件包括可热塌陷的孔或空隙。外包层区包括布置在外包层背景材料中的外包层部件，所述外包层部件包括折射率为η2的实心材料，其中η2低于ηι。该方法进一步包括通过加热所述光纤的所述第一端使至少部分所述第一内包层部件中的所述可热塌陷孔或空隙塌陷；并且将所述塌陷的光纤端耦合至光学器件。所述内包层部件中的所述空隙或孔的塌陷在至少部分所述内包层区中提供了一有效折射率，该有效折射率大于外包层的有效折射率。本发明的目的之一是提供一种熔接光纤的方法，该方法包括(a)提供根据本发明的第一光纤,该光纤具有所述第一端；(b)提供具有端的第二光纤；(C)以预定的间距将所述第一和第二光纤的所述端相对彼此对准；以及(d)对包括所述第一和第二光纤的所述端的每一所述光纤的待加热部分进行可控的热处理，从而使至少部分所述待加热部分上的所述可熔接的一个或多个光纤的所述内包层部件的所述空隙或孔塌陷。
本发明的目的之一是提供用于制造根据本发明的光纤的预制件，该预制件包括纵向预制元件,其包括(a)至少一个包括折射率为11。_的材料的纤芯元件；(b)内包层元件包括折射率为Ii1的材料的管状元件，所述管状元件能够在可熔接光纤中形成可塌陷的孔或空隙；以及(c)外包层元件包括折射率为n2的实心材料的管状或棒状元件,所述管状或棒状元件能够在可熔接光纤中形成不可塌陷的低折射率部件；其中，所述元件设置成可通过预制件来制造根据本发明的具有可塌陷的内包层孔或空隙的光纤。在本发明的一个实施例中，提供了一种改进可熔接光纤的方法，该方法包括(a)提供一段长度的根据本发明的光纤,该光纤具有第一端；且(b)对所述一段长度的所述可熔接光纤的一部分进行可控的热处理，从而所述光纤的所述可塌陷的内包层空隙或孔在至少部分所述已热处理的部分上塌陷。所述可熔接光纤中的全部空隙或孔在热处理(b)期间塌陷和/或被密封。该方法进一步包括(C)切割在所述待加热部分的、所述可塌陷的内包层空隙或孔已经塌陷的所述部分中的所述改进的光纤，因此提供了两段不同长度的光纤，每一光纤分别具有已热处理的端，在该端中所述可塌陷的内包层空隙或孔已经塌陷。在一个实施例中，所述待加热部分的所述部分包括所述可熔接光纤的所述端。在一个实施例中，该方法进一步包括(d)例如通过研磨提供具有轮廓分明的端面的所述热处理端。在一个实施例中，所述光纤的所述热处理端和(d)中的所述轮廓分明的端面适于形成光连接器的一部分。进一步的目的详见其它部分的描述。在一个实施例中，所述光学器件为第二光纤、光学连接器、或者它们的组合，借由该组合可以获得用于将光纤端固定至其它光学器件(例如激光器、探测器等)的低损耗光纤对光纤连接器或低损耗连接器。在一个实施例中，所述第二光纤为光子晶体光纤、或非微结构光纤，借由该光纤可以获得光纤与所述光纤的低损耗耦合(例如以熔接耦合或连接化耦合的形式)。本发明中，某一区域的“背景材料”这一术语指的是一单一材料，如果测量由该特定材料制造的区域的实心部分的横截面积比例则该材料构成该区域的大部分，例如至少50%的面积，例如至少60%的面积，例如至少70%的面积，例如至少80%的面积，例如至少90%的面积，例如至少95%的面积。该背景材料也可包括两种具有相似折射率的材料，例如 折射率差小于10%,例如小于5%,例如小于2%,例如小于I %,例如折小于O. 5%,例如小于O. 1%，例如小于O. 05%。本发明中，术语“端面”指的是光纤的自由端，或其可以是光纤接合的一部分，其中所述端面设置在接合点处。在一个实施例中，内包层部件至少在横截面尺寸和/或组成材料上与外包层部件不同。例如对于例如内包层区中的圆形部件，横截面尺寸可以为直径。对于部件的非圆形横截面，横切面尺寸指的是该部件横截面外接圆的直径。在一个实施例中，外包层部件包括下掺杂二氧化硅，例如F-掺杂二氧化硅。外包层部件大体上可以为实心。本发明中，术语“大体实心部件”指该部件在横截面上包括至少60%的实心材料，例如至少70%的实心材料，例如至少80%的实心材料，例如至少90%的实心材料，例如至少95%的实心材料，例如至少98%的实心材料，例如全部都为实心材料。在一个实施例中，至少部分所述第一内包层部件的所述可热塌陷的孔或空隙在所述第一端至少部分地塌陷，例如在自所述第一端面起的一塌陷长度上。所述可热塌陷的孔或空隙的塌陷可以是大体上不连贯的，因而可在一段较短的光纤上获得扩展，或者所述塌陷也可以是朝着第一端面渐变的，因而可获得导光模式的模场的绝热扩展。大体上不连贯的塌陷可发生在短于约50 μ m的长度上，例如短于约40 μ m,短于约25μηι,短于约ΙΟμπι,短于约5μηι。不连贯的塌陷也可发生在短于光纤的横截面尺寸的长度上，例如横截面尺寸的二分之一，例如横截面尺寸的五分之一，例如横截面尺寸的十分之
O在一个实施例中，所述可热塌陷的孔或空隙在所述第一端面上完全塌陷，例如沿着自所述第一端面起的所述塌陷长度。当在部分内包层区中至少一部分内包层部件的孔或空隙塌陷时，该部分的有效折射率将增加，并且变得可与纤芯区的有效折射率相当。当该部分布置在靠近纤芯区，并进一步地被未塌陷内包层部件和/或具有低折射率外包层部件的外包层区包围时，纤芯区和内包层区的塌陷部分可呈现为一个扩大的导光区，即在横截面中该扩大的导光区包括纤芯区和所述内包层区中所述内包层部件塌陷的部分。在一个实施例中，改造所述加热，使得在光纤的所述至少一端的导光模式可以由纤芯、内包层及外包层的背景材料所确定的有效折射率分布来限制，该外包层可包括低折射率实心部件；所述折射率分布在光纤端提供所述扩展的导光区，外包层提供所述至少一个光纤端的实际包层，借由此，可将光束展宽至一增加的尺寸，该尺寸适于有效的/低损耗的耦合，例如熔接和连接。在这种情况下，通过光纤向第一端传输的光可以从纤芯区散开至至少部分地填充第一端处的扩大的导光区。因此，引导纤芯模式的模场直径可在光纤的塌陷部分增大。这允许了在光纤中引导的光在光纤长度上、内包层部件的孔或空隙塌陷的地方扩展。因此，能够低损耗地耦合至具有与扩大的纤芯区的模场直径大体上匹配的模场直径的光学器件。对孔或空隙的塌陷范围的控制提供了对第一光纤端的折射率分布、和例如内包层和外包层区材料的折射率的进一步控制。在一个实施例中，可以以低损耗将光从一个光纤的相对较小的纤芯区(纤芯具有横截面尺寸dj耦合至另一光纤的相对较大的纤芯区(纤芯具有横截面尺寸CU，且(1。2大于(Iel)。通过米用根据本发明的光纤作为小纤芯光纤,并相对于具有相对较大纤芯的光纤扩展光纤端的纤芯模式，可实现这种低损耗的耦合。通过使至少部分该内包层区中的内包层部件塌陷来实现模式的扩展。当小纤芯光纤的扩大的导光区的模场直径和具有相对较大纤芯的光纤的模场直径充分一致时，例如大体上一致时，可实现低损耗的耦合。
通常，耦合可通过允许光从一光学器件低损耗地传输到另一光学器件/低损耗地传输至一个光学器件的任何合适的方式来实现。这些方法包括熔接、自由空间光学、折射率匹配光胶等。在一个实施例中，所述耦合包括所述至少一个塌陷的光纤端和所述光学器件的熔融，借由此，光纤与光学器件可实现低损耗、高机械强度的耦合。内包层部件(且可选的包括空隙或孔的外包层部件，例如第二类外包层部件)的塌陷可发生在光纤和所述光学器件耦合之前或者之后。即，光纤端可在所述可塌陷孔或空隙塌陷之前与光学器件耦合，也可在所述可塌陷孔或空隙塌陷之后与光学器件耦合。塌陷也可发生在光纤端与光学器件耦合的同时，从而用于将两者耦合在一起的加热操作也提供孔或空隙的塌陷。在一个实施例中,在内包层部件的空隙并未通过例如加热光纤塌陷的一端处纤芯 的横截面尺寸为Clca。
外包层部件可包括多种形状和尺寸，例如从光子晶体光纤技术中已知的，包括所谓泄漏通道设计。在一个实施例中，内包层包括至少两类部件，例如多个第一类内包层部件和多个第二类内包层部件。第一类内包层部件可包括具有横截面直径Clim^1的可塌陷空隙或孔，第二类内包层部件可包括具有横截面直径dim ,2的可塌陷空隙或孔，对于圆形的孔或空隙，横截面尺寸通常为直径。对于横截面为非圆形的空隙或孔，横截面尺寸指的是横截面空隙或孔的外接圆的直径。当内包层部件包括不同横截面尺寸的空隙时，使用加热处理工艺可以使不同种类的内包层部件塌陷的长度可被独立地控制。在一个实施例中，大部分所述第一类内包层部件布置为比大部分所述第二类内包层部件更靠近纤芯区。在一个实施例中，d
inner, I 比 ^inner, 2 小。与多个所述第二类内包层部件相比，多个所述第一类内包层部件自第一端面起塌陷更长的部分，从而扩大的导光区包括所述内包层区中第一类内包层部件塌陷的部分。因此，纤芯区中朝着第一光纤端传输的导光模式可被展宽，从而在第一类内包层部件塌陷的位置处模场直径增加。第一类内包层部件的塌陷可以是渐变的，从而在所述纤芯区中传播的光可被绝热地耦合至所述扩大的导光区，因此光从纤芯区向扩大的导光区过渡时的耦合损耗被保持为最小，借由此，沿着光纤以第一波长传输到塌陷的光纤端的光的损耗可以是极小甚至可忽略。耦合损耗可以小于2dB，例如小于ldB，例如小于O. 5dB，例如小于O. 3dB，例如小于O. 2dB，例如小于O. ldB，例如小于O. 05dB或者更小。从在纤芯区中引导的光到在扩大的导光区中引导的光的绝热过渡(transition)可通过调节用于内包层部件的塌陷的热处理工艺和/或优化光纤设计参数(例如孔的尺寸和位置、不同种类部件的相对位置)来实现。可通过多种不同方法实现可热塌陷的孔或间隙的塌陷。这些方法中常用的是使用热以软化背景材料，借由此可热塌陷的孔或空隙收缩。在收缩中使用表面张力、通过压力控制和/或其它方法排出液体可辅助收缩。通常，加热可以通过任一适当的方式来实现，借由此能量被输送至内包层区，该适当的方式例如是热的、感应的、辐射性吸收或其它方式。
在一个实施例中，所述加热由熔接机来提供，由此可使用适于控制热处理的市场上可获得的设备。通常，本申请中的光学器件包括传播光的任何器件(例如光纤，例如光子晶体光纤或非微结构光纤)；输出光的任何器件(例如光源，例如激光器)；接收光的任何器件(例如探测器)；和/或任何可用于将一个光学器件连接到另一光学器件的任何器件，例如光连接器。在一个实施例中，根据本发明，所述第二光纤为可熔接光纤。在一 个实施例中，所述第二光纤为标准光纤，例如标准单模光纤，例如SMF-128光纤。在一个实施例中，所述热源为熔接机，例如Vytran FFS2000熔接机。在一个实施例中，所述光纤为非线性光纤。在一个实施例中，光纤纤芯区的导光模式至少在沿所述光纤的一个位置处具有小于约5微米的模场直径,在所述第一端面处具有大于约5微米的模场直径,例如大于约7微米，例如大于约9微米，例如大于约12微米，例如大于约15微米。在所述第一端面处的所述模场直径可小于约1000微米，可小于例如约500微米，可小于例如约250微米。在一个实施例中，所述光纤沿其长度具有至少一个这样的位置(位置1)，在该位置处，所述第一波长λ上的导光模式由于内包层部件的存在而被限制于纤芯区,其中λ在O. 4微米到2. O微米之间。在一个实施例中，纤芯区在沿所述光纤的至少一个位置处具有最大的横截面直径rrcF，其在O. 8微米到5. O微米之间。在一个实施例中，该尺寸小于3. O微米，例如在光纤用于产生非线性效应的情况下。在内包层部件在第一光纤端处塌陷的情况下，横截面尺寸将被扩展，且尽管纤芯区的尺寸小，光纤仍可将光以低损耗耦合至其它光学器件。在本发明的一个实施例中，内包层区在沿所述光纤的至少一个位置处具有横截面尺寸匕。11(1，其在3.0微米到15. O微米之间。当内包层部件塌陷时，形成了覆盖纤芯区和至少部分所述内包层区的扩大的导光区。根据本发明的具有小纤芯的光纤因此可以以低损耗将光稱合至具有约为3. 0-15. O微米的光斑尺寸/模场半径的其它光学器件。实际上，内包层部件的塌陷可能会导致扩大的导光区的横截面尺寸减小。在一个实施例中，在第一光纤端处的rS()lid在2. O微米到12. O微米之间。在一个实施例中，在所述第一光纤端处，扩大的导光区的横截面尺寸基本上与rS()lid相等。在所述第一光纤端处，扩大的导光区的最大的横截面尺寸在约2. O微米到约12. O微米之间。在一个实施例中，通过选取添加有软化剂的内包层预制件元件，及选取具有实心材料的外包层预制件元件来形成所制造的光纤的内包层中的可塌陷的孔或空隙，因而，对所制造的可熔接光纤的施加热确保了内包层孔或空隙会塌陷。在一个实施例中，所述纤芯区包括折射率为neOTe的材料,且neOTe大于叫。这允许例如设计具有高非线性系数的光纤，调整光纤的色散特性，和/或调整光纤的截止特性。内包层和外包层部件可适于特殊的色散和非线性特性，例如产生超连续光所需要的，例如产生蓝光、紫光、紫外或者红外光所需要的。在一个实施例中，所述纤芯区包括折射率为neOTe的材料，且neOTe小于叫。这允许了例如调整光纤的色散特性，和/或调整光纤的截止特性。在一个实施例中，所述纤芯区包括折射率为neOTe的材料,且η。·小于、等于或者大于n2。在一个实施例中，Ii1大于n2。在一个实施例中，所述外包层背景材料的折射率与Ii1相似。在一个实施例中，所述外包层背景材料的折射率与Ii1不同。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中neOTe大于叫。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中neOTe基本上等于叫。
在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中neOTe小于叫。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中所述纤芯元件为纯二氧化娃棒。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中所述纤芯元件为包括掺杂的二氧化硅的棒，例如掺锗、铝、氟、硼、铒或镱的二氧化硅或它们的组合。 在一个实施例中，所述光纤的所述纤芯包括掺杂二氧化硅，例如掺锗、铝、氟、硼、铒或镱的二氧化硅或它们的组合。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中所述内包层元件为纯二
氧化硅管。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中所述内包层元件为包括掺杂的二氧化硅的管，例如掺锗、铝、氟、硼、铒或镱的二氧化硅或它们的组合。在一个实施例中，所述光纤的所述内包层部件包括掺杂的二氧化硅，例如掺锗、铝、氟、硼、铒或镱的二氧化硅或它们的组合。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中所述外包层元件为包括纯二氧化硅外壳和掺杂内芯的棒，例如掺氟的内芯，或例如掺锗的内芯。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中所述预制件包括包覆层管。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中所述预制件包括缓冲元件，例如与外包层元件相比具有更小横截面尺寸的棒和/或管。在一个实施例中，提供了一种根据本发明的预制件，其中所述预制件包括给定数量的内包层元件，且所述数量在6到18范围内，例如等于6。通过提供根据本发明的制造可熔接光纤的方法，至少实现了本发明的一些目的，这种方法包括由根据本发明的预制件拉制光纤。通过提供包括根据本发明的光纤、或通过根据本发明的方法获得的、通过热处理可熔接光纤的至少一端或一部分而制备的可熔接光纤的热处理光纤，至少实现了本发明的一些目的。通过提供包括根据本发明的光纤、或通过根据本发明的方法获得的光纤和光学器件的耦合的物品，至少实现了本发明的一些目的，其中所述物品可为非线性光纤器件、和/或色散补偿光纤器件和/或有源光纤器件。通过提供包括根据本发明的光纤、或通过根据本发明的方法获得的光纤和光学器件的耦合的物品，至少实现了本发明的一些目的，其中该光纤的外部直径沿轴向大体上一致。在一个实施例中，所述光纤的至少一端为实心，例如通过塌陷光纤端中的任意孔或空隙所获得的实心端。这允许了在施加高温以产生高强度熔接的地方，对光纤的实心端进行熔接。在一个实施例中，外包层区包括第二类外包层部件，其包括可塌陷的孔或空隙。第二类外包层部件可被布置成大体上包围包括折射率为n2的实心材料的外包层部件。本申请中，术语“折射率”和术语“有效折射率”是有差别的。折射率是均匀材料的传统折射率。而有效折射率指给定波长λ的光通过给定材料时的折射率，给定材料可以是合成的(这指的是，合成材料包括两种或更多种子材料，典型地，具有一种折射率的背景材料和具有不同折射率的一种或更多种部件)。对于均匀材料，折射率和有效折射率自然是相同的。对于合成材料(例如微结构)，有效折射率将在下 文中进一步讨论。术语折射率也被用来描述合成材料中子材料的折射率(例如微结构材料中部件的折射率)。有效折射率通常不同于“加权的折射率”或“几何折射率”。当子材料的折射率已知时，可根据对给定的合成材料进行几何计算直接确定出这些折射率。对于本发明的光纤的一些应用，最重要的光波长通常在可见光到近红外区域(波长从约400纳米到2微米)。在这一波长范围内，用于制造光纤的最相关材料(如二氧化硅)通常被认为大体上与波长无关，或至少不强烈地依赖于波长。然而，对于非均匀材料，例如具有空隙或气孔的光纤，有效折射率通常强烈地依赖于材料的形态。进一步地，这种光纤的有效折射率可能呈现强烈的波长依赖性。对于给定的具有空隙或孔的光纤结构，其在给定波长下的有效折射率可以通过熟知的程序来确定(参见例如Jouannopoulos等著的“Photonic Crystal (光子晶体)”,普林斯顿大学学报，1995,或Broeng等著的OpticalFiber Technology (光纤技术)，第 5 卷,305-330 页，1999)。在微结构光纤领域内可以理解，包层的和/或纤芯中的术语“气孔”可包括包含有真空、气体或者液体的孔或空隙，在制造微结构光纤之后，所述孔或空隙全部或部分地被液体或气体填充。本申请中，术语“可熔接的光纤”旨在被广泛地解释为包括这样一种能力光纤能够被熔接至另一光纤、或者连接到另一光学器件，例如连接器，从而保证以低的光损耗将传输光耦合至所述其它光纤或所述其它光学器件。术语“光纤端”旨在表示光纤在光纤端处的纵向部分，包括光纤端面。本申请中，可热塌陷孔或者空隙可被理解为包括气体、真空或液体的孔或空隙，这些气体、真空或液体可例如通过排出被移除，并且可热塌陷孔或者空隙被可在加热时软化的材料包围。在一个实施例中，光纤可被用作中间光纤，即连接两段或更多段光纤的光纤。举例来说，对于不同光纤间的纤-纤熔接，根据本发明实施例的光纤可被用作中间光纤。不同的光纤通常在一个或多个参数上不同，例如纤芯直径、纤芯掺杂、折射率分布等。举例来说，这允许了直线的中间光纤(非拉锥形的中间光纤和/或非拉锥形的不同光纤)。有利的是，利用外直径与一种或多种不同光纤的外直径类似或相同的中间光纤，即匹配了一种或多种光纤的外直径。这种外直径的匹配提高了机械强度。需要注意的是，拉锥为优化根据本发明优选实施例的光纤提供了另外的方法。因此，根据本发明的拉锥形光纤或光纤段也被覆盖在本发明的优选实施例中。还需注意的是，采用增压以控制孔或空隙的塌陷或部分塌陷的方法也在本发明的范围内。同样，选定孔或空隙的增压也在本发明的范围内。可以理解，下文的详细描述仅是本发明的示例，旨在提供用于理解如权利要求所述的本发明的本质和特性的概述或框架。还包括附图，以提供对本发明的进一步的理解，附图被合并入且构成了本发明公开的一部分。本发明并不限于所描述的示例。附图示出了本发明的多种部件和实施例，其与说明书一起用于解释本发明的原理和操作。根据下文阐明的优选实施例的详细描述，结合附图，本发明的其它目的、部件和优点将更加明显。在本申请实施例中，在横截面视图中以圆圈示出孔或空隙形式的部件，其中直径(例如(I1)通常用于表示部件的尺寸或最大内尺寸。孔或空隙可以任何形式呈现，在这种情况下用于孔或空隙的特性化的相关尺寸是其最大的、内尺寸。
结合优选实施例，并参考附图，下文中将更加全面地解释本发明。附图如下图Ia和Ib示出本发明的实施例的示例。图2至4示出本发明的实施例的示例。图5示出预制件的示例。图6示出本发明的实施例的示例。图7示出根据本发明的光纤的图片。图8示出从图7所示的光纤测出的模场分布。附图是示意性的且为清楚起见被简化了。
具体实施例方式根据下文给出的详细描述，本发明进一步的应用范围将更加明显。然而，应当理解，详细描述和具体实施例虽然示意了本发明的优选实施例，但其仅以示例的方式给出，对所属领域技术人员来说根据这些详细描述，在本发明的精神和范围内的多种变化和改变都是显而易见的。图Ia示出光纤的一部分，包括纤芯10、可塌陷的内包层部件11(通常为孔或空隙)、外层实心(不可塌陷部件12)和背景材料12。图Ib示出光纤端(或可选地，沿着光纤长度方向上的一部分)，其中内包层塌陷从而提供扩大的纤芯区。图2至4示出本发明实施例的进一步示意图。可塌陷部件64也可设置在不可塌陷部件62的外侧，例如以此来提高光纤的性能，包括损耗、色散、非线性和/或其它性能。这种光纤设计的一个实例可参见图4a，其中，可塌陷的第二类外包层部件64布置在外包层区的不可塌陷部件62的外侧。当光纤被加热时，可塌陷部件61和64在加热区域塌陷，从而实心外包层部件62、72被实心材料区73包围。图6示出本发明实施例的另一示例，其中内包层包括第一类和第二类部件。第一类部件包括横截面尺寸为Clim^1的空隙或孔，第二类部件包括横截面尺寸为dimOT,2的空隙或孔，其中Clin^1小于dinnOT,2。由于较小的孔塌陷地更快、更容易，因此保证了内包层部件、中最内的环先于第二环塌陷。当内包层部件朝着光纤端塌陷，其中孔或空隙被塌陷以扩展MFD(模场直径)，在采用具有不同孔尺寸的内包层部件时，这种扩展会逐步发生。模场直径从光纤的未塌陷部分的纤芯区向塌陷端的扩大的导光区逐步扩展，有助于降低塌陷区/非塌陷区之间的过渡损耗。图7和8示出根据本发明得到的光纤的图片和模场分布。纤芯区10被具有内包层部件11的内包层区包围。外包层区包括多个实心外包层部件12。图8示出光纤端的模场分布，其中，(图中上半部的)内包层部件未塌陷，并且其中(图中下半部的)内包层部件塌陷。在上半部分，平均模场直径为3.4微米，而在具有塌陷的内包层部件的光纤端，平 均模场直径增加到14. I微米，以传输第一波长1064微米的光波。虽然参考具体实施例详细地示出和描述了本发明，但所属领域的技术人员可以理解，在不背离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明在形式和细节上作出多种变化，并且这些变化落入所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种光纤，至少包括具有第一端面的第一端，所述光纤包括 (a)纤芯区,其能够引导第一波长λ的光；及 (b)微结构包层区，其包围所述纤芯区，所述包层区包括 (bl)内包层区，包括布置在折射率为Ii1的内包层背景材料中的内包层部件，所述内包层部件包括可热塌陷的孔或空隙；及 (b2)外包层区，包括布置在外包层背景材料中的外包层部件，所述外包层部件包括折射率为n2的实心材料，其中n2低于叫。
2.根据权利要求I所述的光纤，其中，所述内包层部件至少在横截面尺寸和/或材料组成上不同于所述外包层部件。
3.根据权利要求I或2所述的光纤，其中，所述外包层部件包括下掺杂ニ氧化硅，例如F-掺杂ニ氧化硅。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的光纤，其中，所述外包层部件基本上为实心。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的光纤，其中，至少部分所述第一内包层部件的所述可热塌陷的孔或空隙在所述第一端处至少部分塌陷，例如在自所述第一端面起的ー塌陷长度上。
6.根据权利要求5所述的光纤，其中，所述可热塌陷的孔或空隙的所述塌陷是朝着第一端面渐变的。
7.根据权利要求5所述的光纤，其中，所述可热塌陷的孔或空隙的所述塌陷大体上是不连贯的。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的光纤，其中，所述可热塌陷的孔或空隙在所述第一端面上全部塌陷，例如沿着自所述第一端面起的所述塌陷长度。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的光纤，其中，所述可热塌陷的孔的所述塌陷使得在第一端面上定义了扩大的导光区，所述扩大的导光区包括纤芯区和所述内包层区中所述内包层部件塌陷的部分。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的光纤，其中，所述内包层部件包括多个第一类部件和多个第二类部件。
11.根据权利要求10所述的光纤，其中，所述第一类部件包括横截面尺寸为dim a的空隙或孔，和/或所述第二类部件包括横截面尺寸为dinn ,2的空隙或孔。
12.根据权利要求10或11所述的光纤，其中，大部分所述第一类部件被布置为比大部分所述第二类部件更靠近纤芯区。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的光纤,其中，dinnera小于dimOT,2。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的光纤，其中，与所述多个第二类部件相比，所述多个第一类部件在自第一端面起更长的部分上塌陷，从而所述扩大的导光区包括所述内包层区中第一类部件塌陷的部分。
15.根据权利要求14所述的光纤，其中，第一类内包层部件的塌陷是渐变的，从而在所述纤芯区传输的光被绝热地耦合至所述扩大的导光区。
16.根据权利要求15所述的光纤，其中，当所述第一波长的光从所述纤芯区耦合至所述扩大的导光区时发生的耦合损耗小于2dB，例如小于ldB，例如小于O. 5dB，例如小于O.3dB，例如小于O. 2dB，例如小于O. ldB，例如小于O. 05dB或更小。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的光纤，其中，所述外包层背景材料的折射率与Il1近似。
18.根据权利要求1-16中任一项所述的光纤，其中，所述外包层背景材料的折射率与ル不同。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的光纤，其中，所述光纤为非线性光纤。
20.根据权利要求1-19中任一项所述的光纤，其中，光纤的纤芯区的导光模式至少在沿着所述光纤的ー个位置具有小于约5微米的模场直径，且在所述第一端面的模场直径大于约5微米，例如大于约7微米，例如大于约9微米，例如大于约12微米，例如大于约15微米。
21.根据权利要求1-20中任一项所述的光纤，其中，纤芯区至少在沿所述光纤的ー个位置具有最大的横截面尺寸rrcF，其在O. 8微米至5. O微米之间。
22.根据权利要求1-21中任一项所述的光纤，其中，内包层区至少在沿所述光纤的一个位置上具有最大的横截面尺寸rS()lid，其在3. O微米至15. O微米的范围内。
23.根据权利要求14-22中任一项所述的光纤,其中,在所述第一光纤端处的扩大的导光区的最大横截面尺寸在约2. O微米至约12. O微米的范围内。
24.一种将用于沿其纵向传输光的光纤耦合至光学器件的方法，该方法包括 (A)提供在第一光纤端具有第一光纤端面的光纤，所述光纤包括 纤芯区，能够引导第一波长λ的光；及 微结构包层区，包围所述纤芯区，所述包层区包括 (bl)内包层区，包括布置在折射率为Ii1的内包层背景材料中的内包层部件，所述内包层部件包括可热塌陷的孔或空隙，及 (b2)外包层区，包括布置在外包层背景材料中的外包层部件，所述外包层部件包括折射率为n2的实心材料，其中n2低于Ii1 ； (B)通过加热所述光纤的所述第一端，使所述第一内包层部件的至少部分所述可热塌陷的孔或空隙塌陷；以及 (C)将所述塌陷的光纤端耦合至光学器件； 其中，所述内包层部件的所述孔或空隙的塌陷在至少部分所述内包层区中提供一有效折射率，该有效折射率大于外包层区的有效折射率。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，在所述可塌陷的孔或空隙塌陷之前，将所述光纤端耦合至光学器件。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，在所述可塌陷的孔或空隙塌陷的同吋，将所述光纤端耦合至光学器件。
27.根据权利要求24所述的方法，其中，在所述可塌陷的孔或空隙塌陷之后，将所述光纤端耦合至光学器件。
全文摘要
本发明涉及一种光纤，至少包括具有第一端面的第一端，该光纤包括能够引导第一波长λ的光的纤芯区；和包围所述纤芯区的微结构包层区。包层区包括内包层区和外包层区。内包层区包括布置在折射率为n1的内包层背景材料中的内包层部件，所述内包层部件包括可热塌陷的孔或空隙。外包层区包括布置在外包层背景材料中的外包层部件，所述外包层部件包括折射率为n2的实心材料，其中n2低于n1。本发明进一步涉及将这种光纤熔接至光学器件的方法和使用这种光纤的方法。
文档编号G02B6/032GK102687048SQ201080045782
公开日2012年9月19日 申请日期2010年8月16日 优先权日2009年8月14日
发明者M·D·马克 申请人:Nkt光子学有限公司
最新回复(0)