CN1278146C - 具有大有效表面的光子光纤 - Google Patents

Abstract

本发明建议一种坚固的有效表面的光纤，该光纤具有被分布在一种规则的矩阵点上的气孔。这些气孔被安排在中心定在该光纤中心的矩阵点的至少两个薄层上。这些被安排在一个薄层上的光纤气孔具有相同的尺寸，并且占据该薄层的可能的所有点。而且，该光纤具有至少两个薄层，薄层的气孔具有不同的尺寸。

Description

具有大有效表面的光子光纤

技术领域

本发明涉及用光学光纤(光纤)传输的领域，尤其涉及用光子光纤传输的领域。

背景技术

根据与光纤折射系数(折射率)的半径相结合的函数图形的状态人们通常为光纤鉴定系数分布图。人们用传统方式在横坐标上表示到光纤的中心距离r，而在纵坐标上表示在包层折射系数和光纤折射系数之间的差别。对于具有梯级、梯形或三角形的各自形状的图形人们同样用“梯级”、“梯形”或“三角形”的系数分布图这个词。这些曲线通常代表光纤理论分布图或光纤规则，光纤生产的约束能够导致明显地不同的分布图。根据该分布图，这些系数的变动允许沿着光纤控制光线的传播。

最近，叫做“光子的”的光纤出现了，英文也称做“光子晶体光纤”(PCF)：这些光纤不象传统的光纤完全由象被掺杂的硅那样的透明的固体材料组成；在截面上，一根光子光纤具有多个气孔。这些气孔与光纤轴平行，并且沿着光纤纵向地伸展。实际上，这些气孔可以通过装配毛细管或硅柱体生产预制件获得，通过在光纤内保持气孔的图案获得。拉制一根这样的预制件将生产一根具有与毛细管相对应的光纤。

在该光纤材料中存在这些气孔将引起材料的平均系数的变动；这些系数的变动象在传统的光纤中那样能够用于被适合的波长的发光信号的制导。这种光子光纤的说明在WOA-00 49 435号文件中被提供：该文件除了光子光纤的功能原理外，还描述了允许装配这种光纤的方法。在右截面图中，在该文件中所建议的气孔图案使用一种三角形的气孔矩阵，就是说，这些可能的气孔将按照它们彼此之间倾斜60°的三个方向形成线条。在该矩阵中删除某些气孔将允许对光线进行制导；尤其在一种实施方式中，光线中心的气孔被删除，以致在截面上，该光纤由按照三角形矩阵形成的气孔所围绕的固体核心组成。在第2实施方式中，在光纤中心预先准备了形成规则的六角形的顶点和中心的七个气孔；在该中心六角形周围，这些气孔被安排在形成该光纤截面的路面的六角形的顶点上；尽管如此，它不在其它的六角形中心而是在中心六角形中心准备气孔。该文件还建议使用不同直径的气孔，以便在它的中心周围通过旋转60°角取消该光纤的对称性；这旨在修改光纤的双折射。

在1999年11月的光波技术期刊17卷11号中，由R.F.Cregan等人发表的题为“从一种掺杂了Er³的光子晶体光纤自发发射的分布”一文研究了在一种光子光纤中的自发的发射。按照一种三角形矩阵气孔被分配给具有六角形的形状的光纤；在六角形的中心，该光纤不具有气孔，并且硅用铒掺杂。该文件研究在光纤的轴向泵送时自发发射的空间分布；它表明该分布是在光纤中的气孔的分配函数，与模拟一致。在被掺杂的光纤的使用中没有使用任何参考。

Thomas Sondergaard和Gratings在2000年四月光波技术期刊(Journal of Lightwave Technology)中18卷4号发表了题为“光子晶体分布的反馈光纤激光器”一文讨论了用来实现光纤激光器的光子光纤的利用；它明确了用于信号或泵的方式表面比相应于传统系数跳动的光纤的方式表面更加缩小或者更加重要。因此，光子光纤的利用允许实现小的泵送阀值的光纤激光器—在脆弱的方式表面的情况下—或实现强功率的激光器—在坚固的方式表面的情况下。该文件仅仅完成数字模拟，不包括全部实际的实施。

W.J.Wadsworth等人在2000年8月电子书信(Electronics Letters)期刊上发表题为“掺杂Yb³⁺的光子光纤激光器”一文从实验上阐明在一种光子光纤中的激光效应；该光纤通过一种掺杂Yb、并共同掺杂AI的硅管围绕纯硅毛细管而被组成；然后该部件被拉伸以便形成一种光纤，在该光纤周围，放置一种纯硅连接管。两排气孔围绕着该核心，而且光线被有力地限制在光纤的被掺杂的核心之内。

EP-A-1 043 816描述了一种双包层光纤；信号在被掺杂的光纤核心中被传输，并且一个泵在第1包层中被注入。为了将该泵的光线向被掺杂的核心引导，建议在第1包层中准备被更改的系数区。这些被更改的系数区尤其可以用气孔组成。在一种实施方式中，准备三个被更改的系数区，它们被分布在第1包层的周边。在另一种实施方式中，准备六个被更改的系数区，形成等边三角形的顶点和各边的中心。有人提出，被更改的系数区同样应尽可能被分布在离光纤核心远的地方，以便在光纤核心中避免更改偏振(极化)。

发明内容

本发明的课题是在光子光纤中分布气孔，以便改善在光纤中光的限制效应。本发明建议一种双包层的光纤，在该光纤中提供了改善在信号和泵之间的覆盖(层)的气孔。

更确切地说，本发明建议一种具有被分布在规则矩阵的点上的多个气孔的光子光纤；在该光纤中

-该光纤的气孔被分布在中心定在光纤中心的矩阵点的至少两个同心薄层上；

-被分布在一个薄层上的光纤气孔具有相同的尺寸，并且占据该薄层的所有的点；

-被分布在至少一个薄层上的光纤气孔具有大于或等于被安排在该薄层内部的至少另一个薄层上的光纤气孔尺寸的尺寸。

在一种优先的实施方式中，矩阵是三角形矩阵，而这些薄层具有六角形的形状。

该光纤最好具有大于或者等于150μm²有效表面。本发明还建议一种具有象线光纤那样的这种光纤的传输系统；本发明同样建议一种包含该光纤的截面的光学放大器，该光纤至少掺杂一种稀土离子。本发明还涉及一种包含这样的光纤截面的光纤激光器。

通过阅读在作为例子给出的本发明的实施方式之后的说明、并参照附图本发明的其它的特征和优点便显露出来。

附图说明

图1是根据本发明的一种实施方式的光子光纤截面的概略表示法；

图2是图1的光纤规则的系数分布图的表示法；

图3是在图1的光纤半径上的信号强度的表示法。

具体实施方式

根据一种在光纤的纵向轴周围尽可能保持该光纤的对称性的图案，在一种光子光纤中，本发明建议一种气孔分布。本发明建议，在径向方向，该分布是不对称的：例如，有可能取消某些气孔，或者进一步减小气孔尺寸。

在本说明的其余部分，术语“矩阵”是指光子光纤中的气孔的可能的一组位置；由于光纤的预制件通过毛细管和固态圆柱的装配被形成，该“矩阵”通过在预制件中毛细管和柱体被定义。在上述的技术状况的例子中，该矩阵是三角形：这些管子和柱体按行安排，邻近的两行以相应于在该行中两个邻近的管子或柱体之间的距离的距离错开。矩阵的另一种形状是可能的—例如是一个正方形的矩阵。在所有情况下，该矩阵由一组点形成，在这些点中，如有必要，可以提供气孔。

“薄层”是指点矩阵的子集，该子集在截面上尽可能保持对光纤中心的旋转对称性。该子集是以光纤中心作为共同中心的同心圆。在三角形矩阵的例子中，一个薄层通常由一组气孔形成，这些气孔被安排在六角形顶点以及如有必要被安排在六角形的边上。第1薄层具有被安排在六角形顶点上的六个点，该六角形的中心是光纤的中心。在该图的例子中，为这个薄层的所有的点提供了气孔。第2薄层由被安排在规则的六角形的顶点和各边的中心的12个点构成；该六角形的一个边长等于形成第1薄层的六角形的边长的两倍；在图1的例子中，也为这一薄层的所有点准备气孔。第3薄层用24个点构成，这些点分布在六角形顶点上，以及在每边的1/3和2/3的地方；在图1的例子中的第3薄层上没有气孔。可以用相同的方式定义随后的薄层。在本例中，通过绕光纤中心周围旋转60°角，每个薄层是不变的；因此，利用该矩阵的可用的点，每个薄层组成一个近似的圆。“薄层”的这一定义将推广到其它类型的矩阵中。同样，对于一个四边形的矩阵，一个薄层可以用安排在四边形或八边形的顶点上的一组点构成；那么，通过绕光纤中心周围旋转90°角，一个薄层将是不变的。W.J.Wadsworth等人在上面提及的文件中介绍了围绕光纤中心的两个“周期”的气孔；每个周期是圆形的。

图1根据本发明的一种实施方式示出一种光子光纤截面的概略表示法；在图1的例子中，矩阵是三角形，在该矩阵的各点之间的距离是5μm；象上面所说明的那样，每个薄层构成一个规则的六角形，光纤中心不具有气孔；第1、第2和第4薄层具有直径为0.5μm的气孔。第3薄层不具有气孔；第5薄层具有直径为1.5μm的气孔，而第6薄层具有直径为2.0μm的气孔。因此，在穿过构成不同薄层的六角形顶点的半径时，从中心开始，碰到：

-在5、10和20μm的距离的直径为0.5μm的气孔；

-在25μm的距离的直径为1.5μm的气孔；以及

-在30μm的距离的直径为2.0μm的气孔。

该图的光纤的薄层是同心的；当一个薄层具有气孔时，这些气孔将占据该薄层的所有点：在本例中，第1薄层包含六个气孔，就是说第1薄层的所有可能的气孔。

图2示出沿穿过由这些气孔构成的六角形的顶点的光纤的半径的光纤系数分布图。在纵坐标上显示系数，而在横坐标上显示到光纤中心的距离。在该图的例子中，在没有气孔时，该光纤是简单的阶跃系数光纤：因此，该光纤的材料在半径小于33μm时具有接近1.46的第1值的恒定系数、以及大于上述半径即在该包层中具有接近1.44的值的系数。在没有气孔时，一种这样的分布图将意味着不是单模的光纤。由于有气孔，本例的光纤对于所有的波长都是单模。

图3示出依赖于图1的光纤半径的信号强度。在纵坐标上标明注入到光纤中的信号强度，而在横坐标上标明到光纤中心的距离，单位为μm。细线表示光纤系数分布图。该图示出，这些气孔的作用旨在为场设置障碍。尤其是，该场扩展到光纤中的一些部分，在这些部分中，在气孔表面和硅表面之间的比率(气孔填满系数)最小；在图3中，同样觉察到在5μm和10μm的气孔的附近强度有凹处；在第3行上没有气孔，这将导致在半径为12μm的附近的强度的局部最大值。第4、第5和第6行的气孔具有相同的效应，该效应被在该图中的相对小的强度值所掩盖。

图1的光纤具有991μm²的有效表面。它还具有带有0.071ps/nm²/km的斜率的21.2ps/nm/km的光色散。

更一般地说，该光纤可以用以下方式定义：

-该光纤的气孔被安排在中心定在光纤中心的矩阵点的至少两个同心薄层上；

-被安排在一个薄层上的光纤的气孔具有相同的尺寸，并占据该薄层的所有点；

-被安排在至少一个薄层上的光纤的气孔具有大于或等于被安排在该薄层内部的至少另一个薄层上的光纤气孔尺寸的尺寸。

换句话说，考虑到被点矩阵所强加的几何约束，光纤的气孔尽可能具有一种径向对称性。尽管如此，这些气孔沿着光纤的半径仍然可以具有可变的尺寸。

如图1的例子所示，该光纤具有至少一个没有气孔的薄层；这种薄层的作用旨在使该场在光纤中扩展，这样，将会增大有效表面。

根据本发明，气孔径向地具有越来越大的尺寸；换句话说，一个薄层的气孔比安排在更内部的薄层的气孔有更大的尺寸；这是在图1的光纤中的情况，因为第5行的气孔的尺寸大于顺序为1、2和4行的气孔的尺寸；而且，第6行的气孔的尺寸大于顺序为1、2、4和5行的气孔的尺寸。这种气孔尺寸的径向增大改善了光纤内部的光线限制效应；实际上定性地看，这些更大的尺寸的气孔与平均系数的更多的下降相对应，并且，气孔的薄层可以被认为是构成了一种系数阶跃，具有与变化的气孔尺寸成比例的系数变动。

这些不同的特性允许获得一种大于或等于150μm²的有效表面的光纤。该光纤在所有的波长中是单模。

这些特性在有硅的掺杂和没有硅的掺杂的情况下都可以被应用。该掺杂的作用旨在系数的变化，该掺杂可以是一种用于放大的稀土元素的掺杂。

该光纤可以象线光纤那样在光纤传输系统中应用；也可以象元件那样在一种光纤激光器或光纤放大器中应用；当它具有适当的掺杂时尤其是这种情况。在放大器的场合，人们使用通过至少一种具有原子序号在57和71之间的稀土元素的掺杂。人们尤其能够使用铒、镱、锗或大家所熟悉的其它元素，因为它们在光学放大器中应用得这么好。该光纤的有效的坚固表面对于这种应用尤其有利。

Claims (6)

1.一种光子光纤，该光子光纤具有多个被分布在一种规则的矩阵点上的气孔，其特征在于，

光纤气孔被安排在中心定在光纤中心的矩阵点的至少两个同心薄层上；

被安排在一个薄层上的光纤气孔具有相同的尺寸，并且占据该薄层的所有点；

被安排在至少一个薄层上的光纤气孔具有大于被安排在该薄层内部的至少另一个薄层上的光纤气孔尺寸的尺寸。

2.权利要求1所述的光纤，其特征在于，矩阵是一种三角形矩阵，并且薄层具有六角形的形状。

3.权利要求1或2所述的光纤，其特征在于，它具有大于或等于150μm²的有效表面。

4.一种传输系统，包括作为线路光纤的光子光纤，该光子光纤具有多个被分布在一种规则的矩阵点上的光纤气孔，并且其中：

所述光纤气孔被安排在中心定在光纤中心的矩阵点的至少两个同心薄层上；

被安排在一个薄层上的光纤气孔具有相同的尺寸，并且占据所述薄层的所有点；以及

被安排在至少一个薄层上的光纤气孔具有大于被安排在该薄层内部的至少另一个薄层上的光纤气孔尺寸的尺寸。

5.一种光纤放大器，包括具有多个被分布在一种规则的矩阵点上的光纤气孔的光子光纤部分，并且其中：

所述光纤气孔被安排在中心定在光纤中心的矩阵点的至少两个同心薄层上；

被安排在一个薄层上的光纤气孔具有相同的尺寸，并且占据所述薄层的所有点；以及

被安排在至少一个薄层上的光纤气孔具有大于被安排在该薄层内部的至少另一个薄层上的光纤气孔尺寸的尺寸。

6.一种光纤激光器，包括具有多个被分布在一种规则的矩阵点上的光纤气孔的光子光纤部分，并且其中：

所述光纤气孔被安排在中心定在光纤中心的矩阵点的至少两个同心薄层上；

被安排在一个薄层上的光纤气孔具有相同的尺寸，并且占据所述薄层的所有点；以及

被安排在至少一个薄层上的光纤气孔具有大于被安排在该薄层内部的至少另一个薄层上的光纤气孔尺寸的尺寸。

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