光子光纖具有堅固的有效表面的製作方法

2023-06-29 05:27:21 2

專利名稱：光子光纖具有堅固的有效表面的製作方法
技術領域：
本發明涉及用光學光纖(光纖)傳輸的領域，尤其涉及用光子光纖傳輸的領域。
根據與光纖折射係數(折射率)的半徑相結合的函數圖形的狀態人們通常為光纖鑑定係數分布圖。人們用傳統方式在橫坐標上表示到光纖的中心距離r，而在縱坐標上表示在包層折射係數和光纖折射係數之間的差別。對於具有梯級、梯形或三角形的各自形狀的圖形人們同樣用「梯級」、「梯形」或「三角形」的係數分布圖這個詞。這些曲線通常代表光纖理論分布圖或光纖規則，光纖生產的約束能夠導致明顯地不同的分布圖。根據該分布圖，這些係數的變動允許沿著光纖控制光線的傳播。
最近，叫做「光子的」的光纖出現了，英文也稱做「光子晶體光纖」(PCF)這些光纖不象傳統的光纖完全由象被摻雜的矽那樣的透明的固體材料組成；在截面上，一根光子光纖具有多個氣孔。這些氣孔與光纖軸平行，並且沿著光纖縱向地伸展。實際上，這些氣孔可以通過裝配毛細管或矽柱體生產預製件獲得，通過在光纖內保持氣孔的圖案獲得。拉制一根這樣的預製件將生產一根具有與毛細管相對應的光纖。
在該光纖材料中存在這些氣孔將引起材料的平均係數的變動；這些係數的變動象在傳統的光纖中那樣能夠用於被適合的波長的發光信號的制導。這種光子光纖的說明在WOA-00 49 435號文件中被提供該文件除了光子光纖的功能原理外，還描述了允許裝配這種光纖的方法。在右截面圖中，在該文件中所建議的氣孔圖案使用一種三角形的氣孔矩陣，就是說，這些可能的氣孔將按照它們彼此之間傾斜60°的三個方向形成線條。在該矩陣中刪除某些氣孔將允許對光線進行制導；尤其在一種實施方式中，光線中心的氣孔被刪除，以致在截面上，該光纖由按照三角形矩陣形成的氣孔所圍繞的固體核心組成。在第2實施方式中，在光纖中心預先準備了形成規則的六角形的頂點和中心的七個氣孔；在該中心六角形周圍，這些氣孔被安排在形成該光纖截面的路面的六角形的頂點上；儘管如此，它不在其它的六角形中心而是在中心六角形中心準備氣孔。該文件還建議使用不同直徑的氣孔，以便在它的中心周圍通過旋轉60°角取消該光纖的對稱性；這旨在修改光纖的雙折射。
在1999年11月的光波技術期刊17卷11號中，由R.F.Cregan等人發表的題為「從一種摻雜了Er3的光子晶體光纖自發發射的分布」一文研究了在一種光子光纖中的自發的發射。按照一種三角形矩陣氣孔被分配給具有六角形的形狀的光纖；在六角形的中心，該光纖不具有氣孔，並且矽用鉺摻雜。該文件研究在光纖的軸向泵送時自發發射的空間分布；它表明該分布是在光纖中的氣孔的分配函數，與模擬一致。在被摻雜的光纖的使用中沒有使用任何參考。
Thomas Sondergaard和Gratings在2000年四月光波技術期刊(Journal of Lightwave Technology)中18卷4號發表了題為「光子晶體分布的反饋光纖雷射器」一文討論了用來實現光纖雷射器的光子光纖的利用；它明確了用於信號或泵的方式表面比相應於傳統係數跳動的光纖的方式表面更加縮小或者更加重要。因此，光子光纖的利用允許實現小的泵送閾值的光纖雷射器—在脆弱的方式表面的情況下—或實現強功率的雷射器—在堅固的方式表面的情況下。該文件僅僅完成數字模擬，不包括全部實際的實施。
W.J.Wadsworth等人在2000年8月電子書信(Electronics Letters)期刊上發表題為「摻雜Yb3+的光子光纖雷射器」一文從實驗上闡明在一種光子光纖中的雷射效應；該光纖通過一種摻雜Yb、並共同摻雜AI的矽管圍繞純矽毛細管而被組成；然後該部件被拉伸以便形成一種光纖，在該光纖周圍，放置一種純矽連接管。在被摻雜的光纖核心中圍繞被摻雜的核心和光線的兩排氣孔非常接近。
EP-A-1 043 816描述了一種雙包層光纖；信號在被摻雜的光纖核心中被傳輸，並且一個泵在第1包層中被注入。為了將該泵的光線向被摻雜的核心引導，建議在第1包層中準備被更改的係數區。這些被更改的係數區尤其可以用氣孔組成。在一種實施方式中，準備三個被更改的係數區，它們被分布在第1包層的周邊。在另一種實施方式中，準備六個被更改的係數區，形成等邊三角形的頂點和各邊的中心。有人提出，被更改的係數區同樣應儘可能被分布在離光纖核心遠的地方，以便在光纖核心中避免更改偏振(極化)。
本發明的課題是在光子光纖中分布氣孔，以便改善有效表面。本發明建議，在一種實施方式中，一種光子光纖的氣孔的分布允許獲得一種堅固的有效表面；在另一種實施方式中，它建議一種雙包層的光纖，在該光纖中提供了改善在信號和泵之間的覆蓋(層)的氣孔。
更確切地說，本發明建議一種具有被分布在規則矩陣的點上的多個氣孔的光子光纖；在該光纖中-該光纖的氣孔被分布在中心定在光纖中心的矩陣點的至少兩個同心薄層上；-被分布在一個薄層上的光纖氣孔具有相同的尺寸，並且佔據該薄層的所有的點；-被分布在至少一個薄層上的光纖氣孔具有大於或等於被安排在該薄層內部的至少另一個薄層上的光纖氣孔尺寸的尺寸。
在一種優先的實施方式中，矩陣是三角形矩陣，而這些薄層具有六角形的形狀。
該光纖最好具有大於或者等於150μm2有效表面。本發明還建議一種具有象線光纖那樣的這種光纖的傳輸系統；本發明同樣建議一種包含該光纖的截面的光學放大器，該光纖至少摻雜一種稀土離子。本發明還涉及一種包含這樣的光纖截面的光纖雷射器。
通過閱讀在作為例子給出的本發明的實施方式之後的說明、並參照附圖本發明的其它的特徵和優點便顯露出來，附圖表明-

圖1是根據本發明的一種實施方式的光子光纖截面的概略表示法；
-圖2是圖1的光纖規則的係數分布圖的表示法；-圖3是在圖1的光纖半徑上的信號強度的表示法。
根據一種在光纖的縱向軸周圍儘可能保持該光纖的對稱性的圖案，在一種光子光纖中，本發明建議一種氣孔分布。本發明建議，在徑向方向，該分布是不對稱的例如，有可能取消某些氣孔，或者進一步減小氣孔尺寸。
在本說明的其餘部分，術語「矩陣」是指光子光纖中的氣孔的可能的一組位置；由於光纖的預製件通過毛細管和固態圓柱的裝配被形成，該「矩陣」通過在預製件中毛細管和柱體被定義。在上述的技術狀況的例子中，該矩陣是三角形這些管子和柱體按行安排，鄰近的兩行以相應於在該行中兩個鄰近的管子或柱體之間的距離的距離錯開。矩陣的另一種形狀是可能的一例如是一個正方形的矩陣。在所有情況下，該矩陣由一組點形成，在這些點中，如有必要，可以提供氣孔。
「薄層」是指點矩陣的子集，該子集在截面上儘可能保持對光纖中心的旋轉對稱性。該子集是以光纖中心作為共同中心的同心圓。在三角形矩陣的例子中，一個薄層通常由一組氣孔形成，這些氣孔被安排在六角形頂點以及如有必要被安排在六角形的邊上。第1薄層具有被安排在六角形頂點上的六個點，該六角形的中心是光纖的中心。在該圖的例子中，為這個薄層的所有的點提供了氣孔。第2薄層由被安排在規則的六角形的頂點和各邊的中心的12個點構成；該六角形的一個邊長等於形成第1薄層的六角形的邊長的兩倍；在圖1的例子中，也為這一薄層的所有點準備氣孔。第3薄層用24個點構成，這些點分布在六角形頂點上，以及在每邊的1/3和2/3的地方；在圖1的例子中的第3薄層上沒有氣孔。可以用相同的方式定義隨後的薄層。在本例中，通過繞光纖中心周圍旋轉60°角，每個薄層是不變的；因此，利用該矩陣的可用的點，每個薄層組成一個近似的圓。「薄層」的這一定義將推廣到其它類型的矩陣中。同樣，對於一個四邊形的矩陣，一個薄層可以用安排在四邊形或八邊形的頂點上的一組點構成；那麼，通過繞光纖中心周圍旋轉90°角，一個薄層將是不變的。W.J.Wadsworth等人在上面提及的文件中介紹了圍繞光纖中心的兩個「周期」的氣孔；每個周期是圓形的。
圖1根據本發明的一種實施方式示出一種光子光纖截面的概略表示法；在圖1的例子中，矩陣是三角形，在該矩陣的各點之間的距離是5μm；象上面所說明的那樣，每個薄層構成一個規則的六角形，光纖中心不具有氣孔；第2、第2和第4薄層具有直徑為0.5μm的氣孔。第3薄層不具有氣孔；第5薄層具有直徑為1.5μm的氣孔，而第6薄層具有直徑為2.0μm的氣孔。因此，在穿過構成不同薄層的六角形頂點的半徑時，從中心開始，碰到-在5、10和20μm的距離的直徑為0.5μm的氣孔；-在25μm的距離的直徑為1.5μm的氣孔；以及-在30μm的距離的直徑為2.0μm的氣孔。
該圖的光纖的薄層是同心的；當一個薄層具有氣孔時，這些氣孔將佔據該薄層的所有點在本例中，第1薄層包含六個氣孔，就是說第1薄層的所有可能的氣孔。
圖2示出沿穿過由這些氣孔構成的六角形的頂點的光纖的半徑的光纖係數分布圖。在縱坐標上顯示係數，而在橫坐標上顯示到光纖中心的距離。在該圖的例子中，在沒有氣孔時，該光纖是簡單的階躍係數光纖因此，該光纖的材料在半徑小於33μm時具有接近1.46的第1值的恆定係數、以及大於上述半徑即在該包層中具有接近1.44的值的係數。在沒有氣孔時，一種這樣的分布圖將意味著不是單模的光纖。由於有氣孔，本例的光纖對於所有的波長都是單模。
圖3示出依賴於圖1的光纖半徑的信號強度。在縱坐標上標明注入到光纖中的信號強度，而在橫坐標上標明到光纖中心的距離，單位為μm。細線表示光纖係數分布圖。該圖示出，這些氣孔的作用旨在為場設置障礙。尤其是，該場擴展到光纖中的一些部分，在這些部分中，在氣孔表面和矽表面之間的比率(氣孔填滿係數)最小；在圖3中，同樣覺察到在5μm和10μm的氣孔的附近強度有凹處；在第3行上沒有氣孔，這將導致在半徑為12μm的附近的強度的局部最大值。第4、第5和第6行的氣孔具有相同的效應，該效應被在該圖中的相對小的強度值所掩蓋。
圖1的光纖具有991μm2的有效表面。它還具有帶有0.071ps/nm2/km的斜率的21.2ps/nm/km的光色散。
更一般地說，該光纖可以用以下方式定義-該光纖的氣孔被安排在中心定在光纖中心的矩陣點的至少兩個同心薄層上；-被安排在一個薄層上的光纖的氣孔具有相同的尺寸，並佔據該薄層的所有點；-被安排在至少一個薄層上的光纖的氣孔具有大於或等於被安排在該薄層內部的至少另一個薄層上的光纖氣孔尺寸的尺寸。
換句話說，考慮到被點矩陣所強加的幾何約束，光纖的氣孔儘可能具有一種徑向對稱性。儘管如此，這些氣孔沿著光纖的半徑仍然可以具有可變的尺寸。
如圖1的例子所示，該光纖具有至少一個沒有氣孔的薄層；這種薄層的作用旨在使該場在光纖中擴展，這樣，將會增大有效表面。
根據本發明，氣孔徑向地具有越來越大的尺寸；換句話說，一個薄層的氣孔比安排在更內部的薄層的氣孔有更大的尺寸；這是在圖1的光纖中的情況，因為第5行的氣孔的尺寸大於順序為1、2和4行的氣孔的尺寸；而且，第6行的氣孔的尺寸大於順序為1、2、4和5行的氣孔的尺寸。這種氣孔尺寸的徑向增大改善了光纖內部的光線限制效應；實際上，這些更大的尺寸的氣孔從質量上看與平均係數的更多的下降相對應，並且，一種氣孔的薄層可以被認為是以一種與變化的氣孔尺寸成比例的係數的變動構成一種係數階躍。
這些不同的特性允許獲得一種大於或等於150μm2的有效表面的光纖。該光纖在所有的波長中是單模。
這些特性在有矽的摻雜和沒有矽的摻雜的情況下都可以被應用。該摻雜的作用旨在係數的變化，該摻雜可以是一種用於放大的稀土元素的摻雜。
該光纖可以象線光纖那樣在光纖傳輸系統中應用；也可以象元件那樣在一種光纖雷射器或光纖放大器中應用；當它具有適當的摻雜時尤其是這種情況。在放大器的場合，人們使用通過至少一種具有原子序號在57和71之間的稀土元素的摻雜。人們尤其能夠使用鉺、鐿、鍺或大家所熟悉的其它元素，因為它們在光學放大器中應用得這麼好。該光纖的有效的堅固表面對於這種應用尤其有利。
權利要求
1.一種光子光纖，該光子光纖具有多個被分布在一種規則的矩陣點上的氣孔，其特徵在於，-光纖氣孔被安排在中心定在光纖中心的矩陣點的至少兩個同心薄層上；-被安排在一個薄層上的光纖氣孔具有相同的尺寸，並且佔據該薄層的所有點；-被安排在至少一個薄層上的光纖氣孔具有不大於或等於被安排在該薄層內部的至少另一個薄層上的光纖氣孔尺寸的尺寸。
2.權利要求1所述的光纖，其特徵在於，矩陣是一種三角形矩陣，並且薄層具有六角形的形狀。
3.權利要求1～2所述的光纖，其特徵在於，它具有大於或等於150μm2的有效表面。
4.包含根據權利要求1～3所述的光纖的一種傳輸系統，該光纖可以是線光纖。
5.包含根據權利要求1～3所述的光纖的一種光纖放大器，所述的光纖用至少一種稀土元素摻雜。
6.包含根據權利要求1～3所述的光纖的一種光纖雷射器。
全文摘要
本發明建議一種堅固的有效表面的光纖,該光纖具有被分布在一種規則的矩陣點上的氣孔。這些氣孔被安排在中心定在該光纖中心的矩陣點的至少兩個薄層上。這些被安排在一個薄層上的光纖氣孔具有相同的尺寸,並且佔據該薄層的可能的所有點。而且,該光纖具有至少兩個薄層,薄層的氣孔具有不同的尺寸。
文檔編號H01S3/067GK1375710SQ0210750
公開日2002年10月23日 申請日期2002年3月14日 優先權日2001年3月16日
發明者多米尼克·巴雅特, 勞倫特·伯斯洛特 申請人:阿爾卡達公司