專利名稱：提供周期性諧振結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光波導的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及微結(jié)構(gòu)的光波導元件，特別涉及到在如光纖的光波導的包層結(jié)構(gòu)中引入光學活性材料的周期性“塞子”，以提供可調(diào)的周期性諧振結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
用以改變光信號特性的光學裝置包括如可調(diào)濾波器、衰減器、開關、極化旋轉(zhuǎn)器等類似的裝置。這些裝置用各種各樣的方法周期性地改變裝置的一個或多個區(qū)域的折射率，從而改變通過該裝置傳送之信號的相位/幅度。
常規(guī)的這一類裝置包含有諸如布拉格(Bragg)光柵和/或長周期光柵那樣的結(jié)構(gòu)以引入想要的周期性。典型地，常規(guī)的光柵是光纖或光波導芯區(qū)感光性折射率的周期性擾動。這些光柵是通過紫外暴光生成的，因而在本質(zhì)上是永久性的?？梢詫ζ淇蛇m用的波長范圍進行調(diào)節(jié)，例如，通過在光柵內(nèi)引入物理的張力變化、溫度變化、磁場變化或其它能在光柵內(nèi)引入物理變化的周圍環(huán)境的方法。
在一種不同的方案中，希望能得到一種全光纖的裝置，在這種裝置中，某種想要材料(液體/聚合體/微球體)的周期性結(jié)構(gòu)被引入光纖中而不要求氫裝填或感光性的纖芯。光活性材料的引入消除了用紫外激光源生成光柵結(jié)構(gòu)的必要，這被認為可以節(jié)省大量的時間和精力。而且，活性材料折射率的可選性使我們在決定折射率擾動差上能享有額外的一定程度的自由，這在通常總是希望盡可能的大，以便使不同模式之間或同一模式的不同極化之間的耦合可以在相對較短的耦合長度內(nèi)達到。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明致力于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在著的需求，其涉及到微結(jié)構(gòu)的光波導元件，特別涉及到在光波導的包層結(jié)構(gòu)中引入光學活性材料的周期性“塞子”，以提供可調(diào)的周期性諧振結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，在微結(jié)構(gòu)的光波導(例如光纖)中選定的空氣通道，被周期性用光學活性材料地充填，以便操縱沿著波導/光纖傳送的光的漸消形場(傳輸常數(shù)，極化等)。在一個特定的實施例中，在包層區(qū)域內(nèi)引入空氣通道使之包圍芯區(qū)並沿光纖的長度軸向延伸。然后將光學活性材料注入到一個或多個包層的空氣通道中，以便改變傳送著的光信號的光學特性，這里，采用一種“周期性”的過程將活性材料注入，以產(chǎn)生沿空氣通道長度放置的、不相連的周期性光學活性材料“塞子”。注入活性材料，使之呈現(xiàn)類似于眾所周知的光柵結(jié)構(gòu)那樣的周期Λ。根據(jù)本發(fā)明，這種周期性可被用來提供傳送模式的不同極化之間的耦合并產(chǎn)生一個極化旋轉(zhuǎn)器。
微結(jié)構(gòu)光纖內(nèi)傳輸特性的可調(diào)性可通過改變光學活性材料的周期性來得到，例如，通過在錐形的微結(jié)構(gòu)光纖段兩端加熱通道中的空氣，使之在周期性結(jié)構(gòu)的兩端引入壓力，造成對塞子之間空氣的壓縮從而改變微流體結(jié)構(gòu)的周期。作為對于包層中空氣/活性材料周期性的變體，可周期性地注入各自呈現(xiàn)不同光學特性的二種不同的光學活性材料(例如，一種為dn/dT＞0的材料，而另一種為dn/dT＜0的材料)。
依照本發(fā)明的操作，諸如溫度、光、電場或磁場等的施用將改變活性材料的光學特性，如折射率、損耗、散射或雙折射等)，這將反過來改變或影響裝置內(nèi)光信號的傳送特性。
在下述討論的過程中，通過參照所附的附圖，本發(fā)明其它的和更進一步的特征及其具體實施將會更加明顯。
圖1為依照本發(fā)明，一包含有周期性地注入了活性材料的典型微結(jié)構(gòu)光纖的示意圖；圖2說明了用以形成本發(fā)明周期性微結(jié)構(gòu)光纖的典型裝置；圖3說明了含有周期性光學活性塞子的微結(jié)構(gòu)光纖錐形段，其錐形用于將輸入的光信號耦合進含有塞子的包層；圖4為含有根據(jù)本發(fā)明形成的周期性塞子的微結(jié)構(gòu)光纖和含有連續(xù)充填包層結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖的傳輸光譜圖；圖5為一組三根含有光學活性材料周期性塞子的微結(jié)構(gòu)光纖的傳輸光譜圖。每一譜線對應于一不同的“蘸浸頻率”(即，作為結(jié)果得到的塞子不同的周期性)；圖6為含有根據(jù)本發(fā)明的周期性塞子的典型微結(jié)構(gòu)光纖的傳輸光譜圖，每一譜線對應于光纖不同的周圍溫度；而圖7為含有根據(jù)本發(fā)明周期性塞子的典型微結(jié)構(gòu)光纖的一套傳輸光譜圖，每一譜線對應于含有塞子的錐形光纖段的不同溫度。
具體實施例方式
參照圖1中的微結(jié)構(gòu)光纖10，可極好地理解相干微流體諧振的原理。如圖中所示，光纖10是由被內(nèi)包層14和外包層16包圍的芯區(qū)12構(gòu)成的。正如以下將詳述的，內(nèi)包層14含有周期性放置的光學活性材料18，在這個實施例中，活性材料18被放置在一組軸向放置使之包圍芯區(qū)12、并沿光纖10的長度延伸的、多個分開的空氣通道20內(nèi)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)狀態(tài)的一個重要的因素是活性材料18在通道20內(nèi)的周期性放置，其中分開的“氣泡”或活性材料18的“塞子”(見和圖1聯(lián)系在一起的照片)排列得使之呈現(xiàn)一周期Λ。正如以下將詳細討論的，周期性地隔開的活性材料塞子18的存在引起了傳送著的基模和高階模之間的相位匹配。為達到共同傳送著的波導模式間的耦合，相位的匹配要滿足下面的關系βfun-βhigh＝2π/Λ如圖1所示，其中，βfun和βhigh分別是基模和高階模的傳播常數(shù)，而Λ是活性材料段18的周期。如圖1所示，在微結(jié)構(gòu)光纖10中，基模的漸消型場與內(nèi)包層14的通道20相重疊，因而也穿過能提供與高次模耦合的活性材料18。當二個模式的相位匹配時，光功率在二個模式間交換。在確定的波長上，轉(zhuǎn)移到高階模的光的量是與耦合系數(shù)有關的。
通過下式，耦合系數(shù)依賴于周期性結(jié)構(gòu)中的折射率差和模場Efun和Ehigh之間的重迭k＝∫∫ωε0/2(△n)2EfunEhighdA正如下面將闡明的，一種典型的光學活性材料(三氟代甲苯)的折射率是1.405，因而在每一個通道20中液體和空氣之間的的折射率不同引起了一折射率差Δn＝0.405。雖然這個折射率差遠大于在感光性光纖光柵中得到的折射率變化，但耦合系數(shù)k是與基模和高階模的重疊有關的。對于具有和下面將描述的光纖的內(nèi)包層類似尺寸的常規(guī)光纖，其計算得到的耦合系數(shù)k大約在1×10-5/μm的數(shù)量級，這與常規(guī)長周期光柵的耦合系數(shù)的數(shù)量級是近似同一數(shù)量級的。應當注意到，雖然這里被討論的典型實施例采用了一微結(jié)構(gòu)光纖，對于采用任何微結(jié)構(gòu)光波導，例如條型光波導的裝置，本發(fā)明的原理是同等地適用的。
圖2說明了一種可用來形成圖1中光纖10那樣的周期性微結(jié)構(gòu)光纖的特定裝置。如圖所示，裝置30包含有一充有光學活性材料18的貯液器32。一馬達34被連接到一夾緊的裝置36上，而夾緊的裝置36被加到(如圖示)一環(huán)繞著光纖10的外部機架上。通過夾緊的裝置36重新定向馬達34的運動，使光纖10的端面22周期性地線性蘸浸(在圖2中用±y說明)到貯液器32中。一真空泵38被加到光纖10的對立的端面24上從而當經(jīng)由端面24施加真空時，液體塞子18和空氣(交替地)被吸入到光纖10的每個通道20中。在這個特定的實施例中，液體塞子18的周期Λ是通過調(diào)整馬達34的旋轉(zhuǎn)頻率ω來控制的，與一個循環(huán)的時間內(nèi)，空氣中的光纖的位移相比較，液體對空氣的比例也可通過調(diào)整光纖10蘸浸入液體18的位移來控制。一微結(jié)構(gòu)條型光波導可以類似地被夾緊在這樣的裝置內(nèi)以形成波導結(jié)構(gòu)包層內(nèi)活性材料的周期性放置。
正如迄今所描述的光纖10的特定實施例中，光纖10含有位于其內(nèi)包層14中的一組六個近似圓柱的通道20(在這種場合下，或稱“管道”)。在一根由8μm的摻雜鍺纖芯區(qū)域12組成的光纖中，傳送著的光信號并不與包層14內(nèi)的活性塞子18互相作用。如圖3所示，為使光纖中傳送的光和活性塞子18互相發(fā)生作用，光纖10需要成為漸漸變細的形狀并被拉長，以生成一個錐形區(qū)域40。在錐形區(qū)域40內(nèi)，模場擴展進入包層14從而成為能被活性塞子18所影響。
如圖3所示，在區(qū)域40光纖10已漸漸變細為一個在一段7cm長度上的、外部直徑約30μm(內(nèi)徑約為8μm)的細窄部分。在這個三氟代甲苯的實例中，周期性微流體塞子18是以約為460μm的周期Λ隔開放置的。正如上面所討論的，在錐形區(qū)域40內(nèi)傳送的光將從芯區(qū)12擴散出去并與周期性塞子18互相作用。由于周期性塞子18的存在，基模(LP01)和高階模(LP02)之間實現(xiàn)了相干耦合。產(chǎn)生的高階模于是通過向上的絕熱曲線形(adiabatic)錐形段42傳送，并不受擾動地轉(zhuǎn)化成進入內(nèi)包層14的44段。雖然高階模被引導在內(nèi)包層14以內(nèi)，但是，當它到達常規(guī)的單模光纖50的切口S時將被衰減。耦合到較高階模的諧振耦合本身顯現(xiàn)為以一波長為中心的諧振損耗峰值，此波長是由周期和相應模式的傳播常數(shù)決定的。為了得到在所要的波長上的耦合，所要求的擾動的周期可用上面所描述的等式給出，基于已知的纖芯和高階模式各自的有效折射率來得出，后者是可用一般的光束傳播方法計算出來的。假定在空氣隙中不存在液體時，計算得到的LP01模和LP02模的有效折射率之間的差別(Δneff01-02)等于0.0045，暗示了對于在1.5μm左右的諧振耦合，周期為435μm。應當注意到，由于漸消型場和塞子18的光學活性材料的相互作用，通道20中塞子18的存在將對有效折射率造成影響。
圖4說明了具有周期性微流體塞子(例如塞子18)的光纖和液體連續(xù)充填其內(nèi)包層的光纖的傳輸光譜。曲線A表示一連續(xù)充填光纖在波長1530nm至1600nm范圍內(nèi)的傳輸譜線，其傳輸量作為波長的函數(shù)呈現(xiàn)了非常小的差異。相反，曲線B表示一具有周期性塞子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件的傳輸，這種請況下，在大約1565nm的波長上，引入了明顯的損耗(濾波效應)。
正如上面有關圖2所討論的，圖5給出了用實驗方法測得的對應于不同的蘸浸頻率的傳輸光譜。如上所述，光纖包層中光學活性材料塞子的周期Λ是由蘸浸頻率決定的，即，是由光纖在一段時間間隔(t)內(nèi)蘸浸入光學活性材料的貯液器中的次數(shù)(n)以及微流體塞子沿著管道移動的速度(v)決定的。當注入液體時，在每一個時間間隔t中，液體由速度決定充填一定的距離，例如，該速度可以為1厘米/秒。這樣，當蘸浸頻率為125Hz時，光纖中液體的周期Λ將約為80μm。在錐型光纖段中(例如圖3中所示的光纖段40)，周期將按一預先確定的因子增加，該因子即為錐型光纖段的直徑與非錐型光纖段的直徑之比。在圖3的裝置中，錐型光纖段的直徑是非錐型光纖段直徑的四分之一，從而周期將增加約460μm。從上述公式推斷得到的計算周期和所觀察到的周期可能稍有不同，這是由于將液體注入到光纖中的過程對于馬達頻率的任何變化或?qū)⒐饫w蘸浸入液體的量是極其敏感的。此外，在傳輸光譜中的諧振位置非常容易受到有效折射率差的影響。
按照本發(fā)明的實踐，塞子18的周期可通過在錐形區(qū)域40的兩端同時加熱通道20中的空氣來加以調(diào)整。被加熱的空氣對周期性微流體塞子18的兩端施壓，引起塞子18之間空氣隙的縮小從而減小了臨近的塞子18之間的間隔(減小了周期Λ)。圖6說明了溫度變化對于含有根據(jù)本發(fā)明的周期性塞子的微結(jié)構(gòu)光纖的影響。圖6中的曲線A表示光纖(例如光纖10)端部保持在25℃時的傳輸光譜。在這種情況下，傳輸光譜在剛高于1590nm的波長上有一個凹口。通過將光纖10的兩端加熱到125℃，由于加熱后塞子18的周期減小的結(jié)果，裝置的中心波長將朝著約1583nm的值飄移。因此，通過控制施加到兩端的溫度，可很容易地調(diào)整波長。
圖7給出了直接加熱典型光纖10的錐形段40內(nèi)的塞子18后所測量到的一組不同的傳輸光譜。在這種情況下，光學活性材料的折射率隨溫度的增加呈現(xiàn)了減小(dn/dT約為-10-4/℃)。所以，由于液體和空氣之間的折射率差(Δn)變小了，耦合效率也減小了。曲線A在室溫(25℃)時呈現(xiàn)了一尖銳的諧振，此諧振在較高的溫度下變?nèi)?。同時應當注意的是，背景損耗隨溫度而減少了。這是預料之中的，因為在整個錐形段的平均損耗減少了。當加熱周期性塞子時，由于塞子之間的空氣往往會擴張而增加了由塞子形成的光柵結(jié)構(gòu)的周期，諧振傾向于朝著較高的波長飄移。
本質(zhì)上，本發(fā)明公開了放置在沿著微結(jié)構(gòu)光波導(例如光纖)內(nèi)包層的通道內(nèi)的周期性隔開的微流體塞子。因而，相干諧振結(jié)構(gòu)可以在這樣的波導內(nèi)形成，在這樣的波導中，諧振條件是通過調(diào)整活性材料塞子的周期(在一個實例中，通過調(diào)整“蘸浸頻率”)或在錐形中心區(qū)域的兩邊加熱光波導/光纖來加以控制的。此外，通過加熱其折射率作為溫度的函數(shù)而變化的液體，可使諧振得以衰減。對如上所討論的微結(jié)構(gòu)光纖可作出各種各樣的其它的變體，正如在下文的權(quán)利要求書中將限定的，這樣的變體被認為仍是歸于本發(fā)明的構(gòu)思與范疇內(nèi)的。
權(quán)利要求
1.一種微結(jié)構(gòu)光波導，其包括一沿長度放置的中央芯區(qū)；和一圍繞著所述中央芯區(qū)的內(nèi)包層，所述內(nèi)包層被微構(gòu)造成包含至少一個沿所述波導的長度放置的空氣通道，其特征為所述至少一個空氣通道包含有第一組放置得使之呈現(xiàn)所想要周期Λ的多個光學活性材料塞子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)光波導，其特征為至少一個空氣通道包含有沿軸向放置以圍繞芯區(qū)的多個空氣通道，至少二個對立的空氣通道各自包含有第一組的多個光學活性材料塞子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)光波導，其特征為至少一個空氣通道包含有第二組多個另選的的光學活性材料塞子，所述的另選的的光學活性材料呈現(xiàn)了與原光學活性材料不同的光學特性。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微結(jié)構(gòu)光波導，其特征為第一組多個光學活性材料塞子呈現(xiàn)隨溫度增加而減小的折射率，而第二組多個另選的光學活性材料的塞子呈現(xiàn)隨溫度增加而增加的折射率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)光波導，其特征為通過改變一可引起空氣通道內(nèi)塞子的空間距變化的環(huán)境因子，即可調(diào)整塞子的周期。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)光波導，其特征為光學活性材料包括液體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)光波導，其特征在于波導包括含有能使傳送信號在中央芯區(qū)和內(nèi)包層間產(chǎn)生耦合的錐形區(qū)域的光纖。
8.一種形成包含有在至少一個沿內(nèi)包層長度放置的空氣通道內(nèi)的多個光學活性材料塞子的微結(jié)構(gòu)光波導的方法，其特征為該方法包含以下步驟a)提供一個光學活性材料的貯液器；b)將一個真空泵源連到微結(jié)構(gòu)光波導的較遠的一端；c)在確定的一段時間內(nèi)，將微結(jié)構(gòu)光波導的對立的較近的一端下降到光學活性材料的貯液器內(nèi)；d)用真空將一定量的光學活性材料抽入到至少一個內(nèi)包層空氣通道內(nèi)；e)將所述微結(jié)構(gòu)光波導從所述貯液器移出；并且f)重復步驟c)-e)直到所想要的多個光學活性材料的塞子已被引入到所述微結(jié)構(gòu)光波導中。
9.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于控制步驟c)-e)的頻率以確定微結(jié)構(gòu)光波導中塞子的周期Λ。
10.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于此方法進一步包括加熱和拉伸最后的微結(jié)構(gòu)光波導以形成一中央錐形區(qū)域的步驟。
全文摘要
形成一種微結(jié)構(gòu)光波導使之在其內(nèi)包層空氣管道內(nèi)含有一連串周期性的光學活性材料“塞子”。該塞子被用作產(chǎn)生諧振和周期性結(jié)構(gòu)的光柵結(jié)構(gòu)。通過改變?nèi)拥目臻g距(例如對結(jié)構(gòu)加熱、改變結(jié)構(gòu)內(nèi)的壓力等)或在微結(jié)構(gòu)光波導形成過程中改變?nèi)拥淖畛蹰g距(例如，通過改變波導浸入光學活性材料貯液器的“蘸浸頻率”)使波導(在一實施例中為光纖)成為可調(diào)諧的。通常，可使用任何數(shù)量的不同類型的光活性材料形成塞子，其中二種或更多的不同的材料可被用在同一個結(jié)構(gòu)中，并以交替的方式被引入。
文檔編號G02B6/02GK1536379SQ200410031029
公開日2004年10月13日 申請日期2004年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月8日
發(fā)明者本杰明·J·埃格爾頓, 賈斯廷·D·金, 阿圖羅·黑爾, 查爾斯·克貝治, D 金, 克貝治, 黑爾, 本杰明 J 埃格爾頓 申請人:美國飛泰爾有限公司