空心芯光子晶体光纤制造技术

一种具有工作波长的空心芯光子晶体光纤（ＨＣＰＣＦ），所述ＨＣＰＣＦ包括：具有第一折射率的芯区域；包围所述芯区域并包括按照具有间距的横向结构排列的多个微毛细管的包层区域，所述结构的间距比所述工作波长大至少五倍，所述包层区域具有比所述第一折射率大的第二折射率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】空心芯光子晶体光纤本专利技术涉及一种具有大间距的空心芯光子晶体光纤(HCPCF)。“大间距”意味着光 子结构的间距达到HCPCF工作的光波长的五倍或更大的尺寸量级。本专利技术还涉及一种具有 包括相对薄的连接微毛细管壁的横向结构的HCPCF。本专利技术还涉及制造HCPCF的方法。目前已知的HCPCF具有由二氧化硅微毛细管的包层包围的空心芯并产生光子 带隙(PBG)，该光子带隙将特定光波长范围内的电磁波俘获在芯缺陷(core defect)中。 HCPCF理论上围绕两个权衡因素设计对目标波长下的大PBG的需要以及利用可用方法制 造光纤的可行性。在所有已知的包层结构中，这两个因素之间的最佳折中是三角形格子 HCPCF。这样的三角形格子HCPCF的实例具有二氧化硅基底中的空气孔的三角形排列、超 过90%的空气填充率和约等于工作波长(λ)两倍的间距(Λ)，该间距是包层结构中的空 气孔中心之间的距离。例如，对于一个这样的HCPCF，以1550nm的红外线(IR)波长为中心 的最大约300nm的宽带隙需要3_4 μ m的间距。这种HCPCF的波导性能产生了诸如有效拉曼激光、气体激光器光纤设备、大功率 光孤子传输和有效电磁波诱导透明度的应用。 然而，获得光谱的可见光或紫外线(UV)区域的光纤波导所要求的间距是IR的光 纤波导的间距的1/2到1/4。这是因为PBG处于相对低的归一化频率kA 2 12处，其中传 播常数k = 2π/λ，间距与波导波长成线性比例。通常，对于任何已知的可见光或UV的光 纤波导，间距必须小于2 μ m。这样的HCPCF的制造带来了几个工程技术挑战。首先，使PBG的光学波长跨度最 大化所需要的包层结构的空气填充率必须大于90%。这通常涉及在进行堆叠以产生所要求 的结构期间蚀刻毛细管或者穿过间隙孔将玻璃杆插入在纤细的毛细管之间。第二，芯模与 位于芯周围的界面模(interface mode)耦合，该耦合显著地影响波导。这就意味着在制造 期间需要精确地设计和控制芯形状、厚度和尺寸。第三，在光纤拉制工艺期间难以精确控制 所需的小间距。由于所使用的制造技术(传统上，毛细管是被吹制的并且接着利用诸如气态氟化 氢(HF)的气体进行蚀刻)，这些小间距三角形格子HCPCF也遇到了例如因为可能会出现不 期望模态而使它们的光学性能不是最佳的问题。这些制造可见光和UVHCPCF传导和使传导 的光与二氧化硅重叠所固有的问题把它们的损耗(光学衰减)限制到大约ldB/m。除了制造困难之外，还存在阻止这样的三角形格子光纤用在需要宽带波导或可见 光或UV波导应用中的其他缺点。这些包括光纤的固有的窄光学传输带宽、基模和界面模之 间的重叠以及高的二氧化硅中光(light-in-silica)的比例。在权利要求中对本专利技术进行阐述。根据一个方面，提供了一种间距(“大”间距)比工作波长大五倍或更多倍的 HCPCF。这样的HCPCF具有各种令人惊讶的光学性能。这种光纤波导机制消除了当前已知 的HCPCF存在的一些局限性。该光纤具有处于高归一化频率(约20 < kA < 400)的传输 区域。该光纤展示出了相对低损耗的宽传输区域，该宽传输区域可以比例如上述已知的三角形HCPCF的传输区域大二十倍。该光纤相对容易制造，并且展示出低的表面模耦合、高的 芯中光(light-in-core)的比例和低的色散。根据另一方面，提供了一种具有横向结构的HCPCF，该横向结构包括连接节点的细 条(cane)包层壁的相对薄(小于间距Λ的5%并且优选地小于3% )部分，使得低折射率 包层结构成分(例如空气)的物理尺寸接近间距的物理尺寸，同时高折射率包层结构成分 (例如二氧化硅)的物理厚度仅仅是间距的3%或更少。因为使连接壁的厚度最小化意味 着对于这种光纤出现更少的包层模，并且支撑模(supported mode)的特性意味着它们与芯 模相互影响很少，所以这种HCPCF具有改进的光学特性。这种光纤的光学特性通过以下事实进行解释与例如已知的三角形HCPCF比较， 这种光纤不是通过PBG传导，而是通过包层模和芯模之间耦合极其微弱的机制传导。因此， 相应的光子结构不是具有带隙的那种，而是支持光子模的那种，这种光子模展示出芯模和 包层模之间的横向光场的高度失谐。根据进一步的方面，制造HCPCF时在制造期间的受控加压意味着在获得期望壁厚 度的制造期间可以控制壁厚度。另外地或可选地，利用液态HF基蚀刻剂对形成包层的细条的蚀刻还使壁厚度能 够控制，这意味着可以控制所获得的壁厚度并且可以获得期望壁厚度。利用这种制造方法 可以获得上述具有相对薄连接壁的HCPCF结构。 现在将参照所附附图对本专利技术的实例进行描述，其中图IA到IE分别是具有蜂窝形、可果美(kagome)(六芒星形)形、正方形和两种同 心环排列的毛细管的实例的HCPCF的图；图2A到2D分别是蜂窝状、可果美、正方形和同心环结构的有效折射率对归一化频 率的光子态密度的分布图；图3从左到右分别示出了利用单个单元、7个单元和19个单元芯缺陷制造的三个 实例的可果美结构HCPCF的扫描电子显微镜(SEM)和光学显微照片图像；图4是图3所示的实例的可果美HCPCF的物理尺寸的图表；图5A示出了 19单元缺陷光纤的传输和衰减光谱；图5B示出了单个单元缺陷光纤的传输光谱；图5C示出了单个单元缺陷光纤的测量的群延迟和多项式拟合以及色散；图6 (A、B和C)示出在700nm波长处测量的单个单元缺陷光纤的选择性激励模态 的实验上映像的近场轮廓和(D)示出在A中所示的模态的强度横截面；图7示出了利用施加到包层和芯的㈧OkPa、⑶20kPa和(C) 50kPa的气体压力和 相关的光谱制造的可果美光纤的包层的扫描电子显微镜图像；图8是图8中所示的实例光纤的间距和柱体厚度的图表；图9示出了实例HCPCF制造工艺的第一部分；以及附图说明图10示出了实例HCPCF制造工艺的第二部分。总体而言，第一公开的光纤是具有间距比工作波长大至少五倍的横向结构的 HCPCF。HCPCF还可以被称为带隙光纤、空气导光型带隙光纤或者微结构光纤。这里所使 用的术语HCPCF被理解成涵盖对于所属领域技术人员所熟知的所有这样可选的技术术语。 HCPCF具有由二氧化硅微毛细管3的包层2包围的空心芯1 (还参见图3)。“横向”意指垂直于波导方向的方向。波导方向是毛细管3中的孔6的长度方向。如图1中所示，光纤的 间距是毛细管3中的孔6的中心之间的距离5。图1B所示的实例的包层结构是六芒星形排列的可果美结构，其中在包层2的主体 中，微毛细管3具有近似六边形的周界，并且在它们之间出现近似三角形空间4。该实例的 光纤的间距在10 P m禾口 14 ii m之间。这种实例的可果美光纤的传输带可以发生在20-400的归一化频率kA的范围。因 此，具有至少10 y m的间距使得能够传输约lOOmiHBOOOnm范围内的波长。对于具体结构， kA的上限通过芯导模和包层孔的导模之间的相位匹配来设定。对于可果美格子，在kA大 于400时导波仍可以出现，但是具有较高的损耗。显示蜂窝状、可果美、正方形和同心环格 子的光子态密度的图2A到2D示出了对应于最小间距的位于30到200之间的工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有工作波长的空心芯光子晶体光纤（ＨＣＰＣＦ），所述ＨＣＰＣＦ包括：具有第一折射率的芯区域；包围所述芯区域并包括多个微毛细管的包层区域，所述多个微毛细管按照具有间距的横向结构排列，所述结构的间距比所述工作波长大至少五倍，所述包层区域具有比所述第一折射率大的第二折射率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿布戴尔费塔贝纳比德，弗朗索瓦伊夫迈克尔丹尼斯康提，彼得约翰罗伯茨，
申请(专利权)人：巴斯大学，
类型：发明
国别省市：GB[英国]