CN1649801A

CN1649801A - 从预形件拉伸微结构玻璃光学纤维的方法

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Publication number: CN1649801A
Application number: CN03809798.2A
Authority: CN
Inventors: 菲利普·圣约翰·拉塞尔; 布赖恩·J·曼根; 乔纳森·C·奈特; 伊恩·P·基尔布赖德; 蒂莫西·A·伯克斯
Original assignee: Crystal Fibre AS
Current assignee: Crystal Fibre AS
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2005-08-03
Also published as: US8215129B2; GB0421545D0; AU2003222586A1; US20110121474A1; JP2005520772A; GB2403219B; WO2003080524A1; US20050238301A1; GB2403219A; CA2479760A1; JP4472354B2

Abstract

制造微结构纤维的方法包括：提供一种具有多个长孔的预形件；至少有一个孔，但不是所有的孔，与一个连接器啮合，以便使这些孔与外部压力控制器连接；在控制与压力控制器连接的孔内气体压力的同时，拉伸预形件。还提供了一种连接器。

Description

从预形件拉伸微结构玻璃光学纤维的方法

技术领域

本发明涉及光子晶体纤维领域。

背景技术

光学纤维广泛应用于通信等领域。标准光学纤维通常完全由固体材料如玻璃制造，每个纤维沿其长度具有相同的横截面结构。横截面一部分(通常在中部)的透明材料比横截面其余部分的材料具有较高的折射率，并形成为一个光芯。光从环绕光芯的一个包覆区的材料通过全内反射导入这个光芯。大多数标准纤维都是由熔融二氧化硅玻璃并加入可控浓度的掺杂物制造，纤维的圆形外边界直径一般为125μm(微米)，标准纤维可以是单模式或多模式。

不同的纤维在一个系统中可提供不同的功能。例如，设计用于提供色散补偿的一段纤维可插入多段标准纤维之间。同样，一段纤维可以作为一个光放大器，或一个光耦合器，或一个传感器，或任何广范围的其它器件。

纤维光学中的一个长久未解决的问题是如何实现从一种纤维类型到另一种类型的平稳过渡，即“模式匹配”问题。成功过渡的要求是：无明显的损耗(最好小于0.1dB)，在立体模式或偏振模式之间没有转换(除非有要求)，没有背反射，以及有高的拉伸强度。

传统的解决办法是把纤维加热到其软化温度并拉伸为锥形。热源可以是火焰或二氧化碳激光束。可以实现模式场的变换，在这种变换中，模式面积缩小或放大。一个相关的工艺包括加热纤维而不拉细，这就使芯的掺杂物扩散到包覆层，因此使导引模式面积放大。这个技术的缺点在于：为了加工纤维必须洗提，然后再涂覆，这就弱化了纤维，并且这是一个长时和昂贵的工艺。

在过去几年中，验证了一种新型光学纤维，即所谓的光子晶体纤维(PCF)，带孔纤维，或微结构纤维[J.C.Knight，等，Optics Letters(光学通讯)，21卷，203页]。一般地说，一种微结构纤维是由单固体材料如熔融硅玻璃制造，其中嵌有一组孔。这些孔通常是空气孔，但也可以，例如是固体材料区(如掺杂夹杂物的二氧化硅，以改变其折射率)。这些孔平行于纤维轴布置，沿纤维整个长度延伸。大于邻近这类区域的，处于孔之间的一个固体材料区可以作为一个波导纤维芯。光可以按类似于标准光导纤维中的全内反射导引的方式导入这个芯。

在具有不同的断续排列的孔的微结构纤维中提供一个放大的实心区的一个途径是从结构中略去一个或更多的孔。然而，对于发生全内反射导引来说，孔的排列不必是断续的(尽管如此，仍可称这样一种纤维为一种光子晶体纤维)。

在微结构纤维导引光的另一种机制是基于光子带隙效应而不是全内反射。例如，通过适当设计一组环绕芯的较小的孔，可以把光约束在一个空心芯(一个放大的空气孔)内[R.F.Cregan等，Science(科学)，285卷，1537页]。在标准光学纤维中，空心芯的真制导是完全不可能的。

在宏观尺度上经过堆积玻璃元件(棍和管)形成有要求图案和形状的束，并在把它们熔化在一起固定就位就可以制出微结构纤维。因此，采用从标准纤维预形件拉抻标准纤维的相同类型的纤维拉伸台，就可以把这种原始预形件拉伸成一种纤维。例如，这种原始预形件可以从直径约为0.8mm的熔融二氧化硅元件成形。

通过改进的全内反射形式或光子带隙效应，沿光子晶体纤维整个长度分布的微空气通道可以提供在中心缺陷区导引光所要求的折射率分布图。从现有技术可知，改变这些空气孔的性能就可改变纤维性能。

从概念上讲，控制光子晶体纤维中空气孔尺寸的最简单方法是形成一种接近所需结构的较大尺度的预形件，例如，从具有不同的选择的孔径的毛细管形成的预形件。然而，在实际上，这样做成本很高，而且很难制造具有不同内径的毛细管，很难预料这类结构在拉伸时的行为。

国际专利申请NO.PCT/GB00/00599(University of Bath))说明，在光子晶体纤维已经拉伸后，可对其一个区域进行热处理，以使热处理区域的孔塌陷。

国际专利申请No.PCT/US99/18089(University of Bath)说明，光子晶体纤维的轴向性能可以通过改变拉伸时预形件的气体压力而变化。这种变化特别可用于产生在其不同部位交替出现正和负的色散的纤维，而在纤维整个长度上出现的净色散为零。

国际专利申请NO.PCT/GB00/00600(University of Bath)说明了在拉伸时产生光子晶体纤维结构可控变化的一种方法。这个申请说明的生产光子晶体纤维的工艺是：把一组二氧化硅毛细管堆积在一个二氧化硅管内；把这些管密封在一个可抽空的圆柱体内，同时使一些或全部毛细管从圆柱体的每一端伸出；然后抽空管的内部，并使一些或全部毛细管的内部通向大气，因此在拉伸时，它们长大。在一个特例中，这个申请指出用四个终端在圆柱体内的毛细管生产一种较高的双折射光子晶体纤维，因此，它们在拉伸时不长大，位伸的纤维具有双重旋转对称。

我们意识到，以前的制造方法只能对拉伸的纤维结构提供有限的控制。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种制造光子晶体纤维的改进方法，因而提供具有改进功能性的光子晶体纤维。

按照本发明，一种制造微结构纤维的改进方法包括：

(i)设置一种具有多个长孔的预形件；

(ii)至少有一个孔与一种连接器啮合，以便把这些孔与外部压力控制器连接；

(iii)在控制与压力控制器相连的孔内气体压力时，把预形件拉伸成纤维。

术语“外部压力控制器”是指能把孔内压力从大气压改变到另一选定值的任何合适的装置，例如，包括借助一个活塞施加一个静态增压和一个静态减压，而在拉伸时封住孔以保持一个压差。

因此，在拉伸纤维时，各个孔的尺寸可以根据每个孔在预形件中的位置并改变其孔内压力而控制。如果几个孔同时定位，那么，在拉伸过程中，实际纤维中出现的结构可能改变。纤维性能发生重要变化是可能的。例如，可以创建沿单段纤维拉伸，并在每个链之间绝热过渡的不同的器件。由包含均匀排列孔的一种预形件可以产生复杂排列的器件。

拉伸纤维横截面不同部分形成的孔可以加压到不同的值。例如，拉伸的纤维可以包含一个环绕芯区的包覆区，形成邻接芯区的包覆区的最内环的孔可以加压到相互不同的压力值。

一般地说，在拉伸纤维时，较大的孔倾向于长的更大，较小的孔的长大趋势较小。例如在包覆区的最内环，加压(包括卸压)可用于抵消这些倾向。

预形件优选地包括多个并列排列成束的长形元件，这些长形元件是管，每个管限定预形件中的一个孔。

另外，预形件包括一种限定这些孔的基体材料。

外部压力控制器可以提高孔内压力超过大气压。此外，外部压力控制器可以降低孔内压力到低于大气压。在拉伸纤维的整个过程中，孔内压力可以保持恒定。另一方面，拉伸时孔内压力可以变化。因此，沿拉制纤维的长度，孔的横截面积可以变化。这种压力可以是周期脉冲。

如前所述，压力控制器可以是任何提供静压或变化压力的适宜装置。例如，压力控制器可以是一个叶片泵，一个蠕动泵或一个圆筒活塞泵。

与连接器啮合的孔可以形成为拉伸纤维包覆区的一个孔。与连接器啮合的孔可以形成为拉伸纤维芯区的一个孔；拉伸纤维芯区可以是一个孔。芯区这个孔可以加压到比包覆区孔较低的一个压力。

最好是多个孔连接到外部压力控制器。

这种方法可以包括对更多的组加压到一个第二压力或不同的压力的步骤，其中每组至少包括一个孔。加压例如通过把它们连接到更多的外部压力控制器。例如，这种方法最好包括把至少一个孔(最好是多个孔)连接到一个第二外部压力控制器，同时，这种方法最好包括把至少一个孔(最好是多个孔)连接到一个第三外部压力控制器。

这种方法最好包括通过随时改变施加在一个孔或几个孔的压力而产生沿光子晶体纤维轴向排列的许多器件的步骤。这些器件的每一个可能是相同的；这就提供了一种批量生产沿单纤维间隔排列的大量特殊器件的方法；在生产后，这些器件可以分离(例如切开纤维)。另一方面，这些器件可以是不同的；因此，可以在一种单纤维中实现复杂的光学效应，如信号处理。

这种方法可以包括随时改变从预形件拉伸纤维的速率的步骤。

这种方法可以包括随时改变预形件进给速率的步骤。对于短的时间周期，预形件进给速率甚至可能是负值，因此，在与拉伸纤维方向相反的方向牵引预形件。

这种方法可以包括随时改变炉温的步骤。

这种加压最好导致在一部分横截面积与另一部分横截面积不相同的拉伸纤维中形成至少一个长形孔。在纤维的一个长度上至少有一个孔完全塌陷。这样一种结构可以用于在纤维的一个特定长度上产生和破坏局部的芯。同样，产生和破坏邻近一个芯区的孔可以用于产生具有放大或缩减的芯的纤维长度。

这种加压最好至少导致一部分介电基体区，这种基体区的纤维的一部分横截面积不同于另一部分横截面积。

这种加压在拉伸的纤维横截面中导致许多同心区，在这当中，交替的相邻区域分别具有较高的和较低的有效折射率。

这种加压可以导致拉伸的纤维至少在其一部分长度上是W剖面纤维。

这种加压可以导致包括一种长周期光栅的拉伸纤维。

压力的变化可以导致纤维对称性的变化，因此，纤维的一部分是双折射的。

纤维的两个部分最好是双折射的，但是，经过加压的变化，它们的主偏振轴是相互转动的。

按照本发明，提供了一种光子晶体纤维，这种纤维包括一个芯区和一个具有许多长孔的包覆区；这种纤维在其长度上包括一个第一区，其孔按第一种花样排列并最多具有双重旋转对称，因此纤维在第一区具有一个快速偏振轴和一个慢速偏振轴；这种纤维在其长度上包括一个第二区，其孔按第二种花样排列并最多具有双重旋转对称，因此纤维在第二区具有一个快速偏振轴和一个慢速偏振轴，第二区偏振轴相对于第一区偏振轴相互旋转；这种纤维还包括一个处于第一区和第二区之间的过渡区，在过渡区至少有一个孔的横截面发生变化，因此，第一花样变为第二花样。

因此，具有低双折射的一种光子晶体纤维可以绝热地转变为一种具有高双折射的纤维。通过拉伸以局部方式简单改变孔内压力分布，可以制造一种扭转补偿相匹配(PM)纤维链(设计为零微分群延时)，以便使慢速轴变为快速轴，反之亦然。

这种纤维的更多部分可以是双折射的，并具有转动偏振。任何适当的光子晶体结构都可用于提供双折射；例如，这种结构以一种正方格子为基础。

加压的变化可以导致拉伸纤维芯尺寸的变化，因此，至少有一个器件包括具有较大芯区的一个纤维部分，至少有一个器件包括具有较小芯区的一个纤维部分；因此，例如，提高环绕的孔的压力和塌陷，一个大的芯可以转变为一个小的芯，交变拉伸张力可以产生类似效应。

按照本发明，提供了一种光子晶体纤维，这种纤维包括一个芯区和一个具有许多长形孔的包覆区；这种纤维在其长度上包含一个区，与其邻接的长度相比，在这个区内，邻接芯区的孔具有较大的横截面积，而芯区具有较小的横截面积，因此，在使用中，这个区的纤维对导入光有增大的非线性响应。

加压的变化可以导致芯尺寸的变化，因此，至少有一个器件是一个非线性纤维部分，包括一个充分小的芯区，以便在使用中发生明显的非线性效应。因此，在其他中等芯纤维链的中心可以产生超小芯纤维，这可使它具有有效的非线性功能而无缝地装入通信系统。因为对纤维没有洗提和重新涂覆的要求，其抗拉强度未削弱。

拉伸的纤维可以包括许多芯区，这种变化最好导致至少把两个芯分离并压缩到纤维的一个区中，因此，至少有一个器件包含一个具有压缩的分离区的光耦合器。这些器件最好包含两个光耦合器，以形成一个Mach-Zehnder干涉仪。因此，经过一个简单的工艺，即降低沿双芯长度两点的两个芯之间的空气孔尺寸，可以在线生产Mach-Zehnder干涉仪。

这些器件最好包括由许多耦合器形成的切换和/或滤光器网格。

按照本发明，提供了一种光子晶体纤维，这种纤维包括至少三个芯区和一个具有许多长形孔的包覆区；这种纤维在第一对芯区之间至少有一个耦合器，在不同的第二对芯区之间至少有一个耦合器，每个耦合器包含纤维的一个区，在这个区中，耦合芯之间的孔的横截面积小于纤维邻接长度中的孔的横截面积，因此，使这些芯更加靠近。

这样一种结构对于拉伸的后加工具有相当的优越性，对选定的孔进行热处理而又保持其他的孔不受影响是很难的(甚至是不可能的)。在线制造使得耦合器在任何组的芯(两个或多个)之间产生，而使其他的不受影响；而且，这种纤维耦合器可以在不同的芯之间产生。

这种纤维可以包括两个以上的芯。这种变化最好导致把这些芯分离而压缩到纤维的若干部分，以在多于两个的每个芯之间形成光耦合器。因此，可以产生更复杂的器件网。

在每个光学器件之间形成的过渡区最好是充分平稳而绝热。此外，这种变化可以是急剧的。因此，在一次拉伸中，可以生产沿其长度不同位置具有不同性能的一种纤维，所有各段都是无缝低损耗过渡连接。

拉伸状态可以在形成过渡区的两种状态之间振荡，第一种状态与光学器件一种第一模式匹配，第二种状态与光学器件一种第二模式匹配，例如，一种状态可安排匹配一种单模式纤维，另一种状态可安排匹配一种特殊纤维，如一种色散补偿纤维(DCF)，一种放大器纤维或一种高非线性纤维。

按照本发明，提供一种包括有一个芯区和一个具有许多长形孔的包覆区的光子晶体纤维；这种纤维含有一个第一长度区，其中的孔按第一横向花样排列并提供第一功能；这种纤维含有一个第二长度区，其中的孔按第二种横向花样排列提供第二功能；这种纤维还含有一个过渡长度区，沿其长度至少有一个孔按横截面积振荡，这样，这个孔就在第一花样和第二花样之间振荡，因此，在使用中，光在按第一长度导入的模式和按第二长度导入的模式之间的过渡长度中耦合。

同样，这种方法可以包括经由沿拉伸纤维长度反复周期性(周期可能是几米)振荡其结构而制造扭转补偿无微分群延时纤维的步骤。由于周期必须是整数，因此很容易精确截断长度，实现无微分群延时工作。实际分散的精确度在所要求值的100×dL/L％以内。

同样，至少有一个孔在第一值和第二值之间振荡，因此，这个孔在第一花样和第二花样之间振荡，因此基本上避免了不需要的相匹配状态。

按照本发明，提供了一种包括一个芯区和一个具有许多长形孔的包覆区的光子晶体纤维，这种纤维的一段长度上，至少有一个孔的横截面积在一个第一值和一个第二值之间振荡，因此，这个孔在一个第一花样和一个第二花样之间振荡，这就基本上避免了不需要的相匹配状态。

这种方法可以包括生产具有分级性能的一种色散补偿纤维的步骤，这种性能与通信光带中的标准通信纤维的色散曲线一致(色散，斜率，曲率，曲率斜率等)。这可通过沿纤维长度适当选择函数形式而实现。可以计算色散曲线对几何形状的相关性，并用于解所需链性能的一个积分方程，由积分内的一个函数给出所要求的长度相关性。

在制造时，可以经过对拉伸纤维直接测量的反馈(例如一个孔或多个孔的直径)而控制拉伸参数，以生产所需要的结构。

这个方法最好包括校正拉伸参数和被拉伸纤维参数之间关系的步骤。

这个方法最好还包括按照校正结果改变拉伸参数以生产具有选择结构的纤维。因此，拉伸参数，如压力、温度、拉伸速率和纤维参数，如孔尺寸、间距之间的关系最好在以前的校正运行中确定。例如，经过大量的试验拉伸，以及在任何时候测量改变一个或多个参数的结果，可以实现这类校正。

施加到每个孔的压力最好由一个数字信号控制；就是说，可以按一种爆发式的方式，或一个固定压力的脉冲，或在一个给定的时间间隔施加更多的脉冲而施加压力，以便有效地施加更高的压力(当然，可以使用另一种模拟系统的连续变化的信号)。

可以按照拉伸纤维所要求的结构选择预形件的元件。例如，预形件的所有元件都可以是管子，它们排列成为拉伸纤维中的一种孔的三角形格子。预形件中至少有一个元件是实心杆，使用这样一种杆，经在拉伸纤维中提供比毛细管可提供的更大区域的实心介电材料，可以制造更复杂微结构的纤维。这种预形件还可以包括一个环绕这些管束的一种更大的管，以形成拉伸纤维的外壳区。

拉伸的微结构纤维可以安排经过光子带隙制导而把光导入一个芯。此外，这种拉伸的微结构纤维可以安排经过折射率制导把光导入一个芯；例如，这种芯可以从预形件的实心杆拉伸。

预形件中的孔可以以任何适当的途径连接不同的压力；一些可能的结构实例如下。

在预形件拉伸时，预形件的一部分可以保持不被拉伸，可以直接进行各个连接，例如通过一个孔，从一个或几个外部压力控制器连接到待由这种压力控制器加压的各个孔或一些孔。

另外，可以提供一种连接器把这些孔连接到外部压力控制器。

按照本发明，提供了一种连接器，用于把包含许多孔的微结构纤维预形件连接到一个压力源，这种连接器包括许多与一个或多个孔啮合的元件，每一个元件可连接到一个压力源。

最好不同的孔可以单个或成组连接到不同的压力源。

最好预形件可以包括许多管，其元件是终接一个或多个管的腔。每个腔最好在流体中与可连通压力源的一个通道连接。这个通道终接于一个阀门。

这些腔可以分布在连接器中，其一个面基本垂直于管子通过孔的方向；因此，这些腔可以并列在这个面内。这些腔可与这些孔邻接。这些腔最好在连接器一侧是凹口。通道可以从这些腔通向顶盖的相反一侧。此外，这些通道可以通向顶盖的另一侧。凹口最好排列环绕这些管端而被封住。

这些腔可以在连接器中沿管扦入孔的方向而分布，因此，至少一个管可以通过一个或几个腔，并在所通过的这些腔的通孔上由另外安排的一个腔中终结。这样一种连接器设计用于接收两个或多个不同长度的预形件管，因此，每种长度的管，或不同长度范围的管，在不同的腔内终结。

按照本发明，提供了一种制造微结构纤维的方法，包括：

(i)设置一种包括许多成束并列安排的元件的预形件，这些元件就是管；

(ii)通过把连接器连到管上，而至少把一个管连接到一种外部压力控制器上；

(iii)在控制与外部压力控制器相连的管内压力的同时，把预形件拉伸为纤维。

按照本发明，提供一种连接器，用于把具有许多管的作为微结构纤维的一个预形件连接到一个压力源，这种连接器包括安排接收一个或多个管的端部的通孔，还包含许多腔，穿过通孔的一个或多个管在这些腔内终结，并且每个腔都连接到一个压力源。

按照本发明，提供了一种制造微结构光学波导的方法，包括：

(i)设置一种有许多孔并列通过的一种预形件；

(ii)把一种压力控制器耦合到一个或多个孔，但不是所有的孔，以便控制这些孔的气体压力；

(iii)在控制与压力控制器耦合的孔内压力的同时，把预形件拉伸成一种光学波导。

按照本发明上述的一种方法还可以包括使连接器与预形件端部啮合的步骤，因此，连接器的元件至少与一部分孔啮合，把这些元件连接到一个或多个外部压力控制器，在拉伸时，把这些孔加压到一个或多个选定的压力。

例如，如按照本发明前述的那样，这种方法还可以包括把连接器安装到预形件端部的步骤，因此，至少一些管的端部穿过通孔进入腔内，把腔连接到一个或几个外部压力控制器，在拉伸时把孔加压到一个或多个选定压力。

按照本发明，也提供一种前述的本发明的一种方法制造的微结构纤维。

附图说明

下面作为例子并参考附图说明本发明的实施例。

图1是本发明方法使用的一个预形件例子；

图2是对图1预形件加压的第一种结构；

图3是对图1预形件加压的第二种结构，其中(a)为垂直横截面，(b)为底视图；

图4是对图1预形件加压的第三种结构；

图5是本发明的一种具有偏振轴的纤维，且偏振轴沿纤维长度绝热变化；

图6是本发明的一种具有小型非线性芯的纤维；

图7是本发明的在芯与芯之间有Mach-Zehnder干涉仪网络的一种纤维；

图8是本发明的使传播光在两种状态间耦合的一种纤维；

图9是对本发明一种方法使用的第二例预形件的一种结构；

图10是对图9预形件加压的第二种结构；

图11是本发明的一种纤维，其一个芯沿纤维长度消失而又重新出现；

图12是本发明的一种纤维，具有一个折射率制导部分，和一个空心芯、光子带隙制导部分。

具体实施方式

由以前的技术可知，光子晶体纤维的一种典型预形件20(图1)包含排列成三角形格子花样并一起保持在大管5内的一束薄管30。在预形件20的中心，设有一根实心棒15取代格子结构中的一根管30。一种光子晶体纤维10按通常的途径由预形件拉伸。在拉伸纤维10中，管30形成一层包含许多嵌在硅基体中的长形孔的包覆区。棒15在纤维内形成一个实心长芯。大管5形成一种保护纤维的外壳区。在这个实例中，光经过包覆区全内反射而导入芯区，与芯区折射率相比，包覆区有效折射率较低。

在拉伸成纤维10(图2)时，对预形件20的孔单独加压的第一种方法中，管30被安排从预形件20的外壳管5伸出。软管40连接在选定的管30的伸出端。软管40由O型环50保持定位。软管40以其另一端与外部压力控制器(图中未示出)连接。

从预形件20拉伸纤维10时，管30内的压力，以及被拉伸的孔，均随与软管40相连的外部压力控制器产生的压力变化而变化。软管40中的压力随时变化，在任何时候都以不同的压力施加到软管40的不同部分。因此，拉伸纤维10包覆区产生的孔的横截面沿纤维长度是变化的，纤维的孔与孔之间的横截面也是不同的。

在另一种方法(图3)中，不是把软管直接与预形件10连接，而使用一个中间连接器100。

连接器100是一个平盘，被切分为凹口110，115，120，125形式的若干腔。凹口110，115，120，125通过接收从预形件20伸出的管30端部而与这些管啮合。每个凹口110容纳一个管30的端部。每个凹口115容纳两个管30的端部。每个凹口120容纳一组七个管30的端部(或六个管加一个实心棒15)。每个凹口125容纳一组五个管30的端部。用一个垫板在凹口110，115，120，125封住管30。

通道130穿过连接器100到达阀门140。拉伸前，软管40连到阀门140上。软管40接到外部压力控制器上。在这种结构中，控制器产生的压力通过改变凹口110，115，120，125的压力而影响管30的压力。因此，例如，每个凹口120中的所有七个管都被加压到相同压力，而凹口110的管的压力则单独变化。

连接器的另一个形式示于图4。在这个例子中，预形件20是这样的结构：不同的管30从预形件20伸出不同的长度。中间连接器200包括堆积排列的三个腔210，220，230，分别与管30啮合。每个腔都有一个与软管40连接的阀门240。软管40的另一端与外部压力控制器相连接。

每个腔在其底部都有许多通孔(未示出)；每个孔封住或包括一个O型环，每个通孔通过一个管30。管30分为三种长度。最短的管30在堆积的底腔210终结。中等长度的管30穿过底腔210并在中腔220终结。最长的管30穿过腔210，220，并在腔230终结。

拉伸时，每个腔210，220，230加压(或部分或全部抽空)到不同的压力。最终纤维产生的每个孔的尺寸取决于形成这个孔的管30所终结的特定腔的压力。

纤维10中的孔的横截面，轴向形状及分布取决于管30中管与管之间的压力差如何及其随时间的变化。在稳定状态，孔尺寸和孔压力的关系按下式给定

P = \frac{σ}{r}

式中，σ是二氧化硅基体材料的表面张力，r是孔半径。

对于在纤维10待设置的任何特定器件来说，应确定孔待放大或缩小的位置，并按上述关系式用计算机计算产生所需孔径而要求的管30的压力。计算机按所需横向孔径及其随时间的变化编制程序。安排计算机按照上述关系式控制外部压力控制器施加的压力，以产生所需要的孔形状。要进行校正运行，以确认拉伸时所预测的纤维材料性能以及任何必要的参数调节模式。

图5-8是可以经本发明的方法生产的器件的例子。

这种方法生产的一种纤维例子是基本上不显示微分群延时(DGD)的光子晶体纤维300(图5)。具有那样性能的纤维在英国专利申请NO.O200603.9中(Blezephotonics有限公司)做了说明，在这里用国际专利申请PCT/GB2003/000060代替，该文件结合作为参考。在该专利申请中，提供了一个90°的扭转，或沿光子晶体纤维形成半长的摇摆滤光板的一系列扭转，以避免微分群延时，因此，传播光的偏振模式和纤维偏振轴相互转动。这样，在纤维第一半程传播光受到的任何微分群延时，在通过纤维第二半程传播时被消除。

在图5的纤维300中，拉伸时不必扭转纤维就实现了相同的效应。按照本发明在拉伸时改变孔中压力，从而改变纤维300包覆区的孔尺寸，纤维300的偏振轴逐渐调动。纤维300包括在基体材料310中形成的排列为正方格子的孔320组成的一个包覆区，和一个实心二氧化硅芯区330。在横向面A-A’(图5ii)，孔320的正方格子花样导致八个孔与芯330邻接。在这八个孔中，正方形角上的四个孔的尺寸与孔320相同。芯区330相对两侧的孔340的尺寸大于孔320尺寸。剩余两个孔350的横截面积小于孔320的横截面积。较大的孔340是在拉伸第一周期施加较高压力到形成该孔的管30中而产生的；较小的孔350是施加较低的压力到相应的管30而产生的。因此，这种纤维具有一个通过放大孔340的快速偏振轴，以及一个在快速轴垂直方向的慢速偏振轴。

一旦具有图5(ii)的孔形结构的纤维300已拉伸到所需长度时，拉伸虽继续进行，但要降低孔340的压力，提高孔350的压力。孔340，350的尺寸逐渐变化，直到在纤维300的中心的B-B’面(图5(iii))，它们的尺寸与孔320相同，使得包覆区是均匀的格子。施加的压力继续变化，因此，在C-C’面，孔340的尺寸是A-A’面的孔350的尺寸，而孔350的尺寸等于A-A’面的孔340的尺寸。剩余的纤维300长度采用固定压力拉伸，因此，从C-C’面向前，纤维具有通过孔350的一个快速偏振轴，和通过孔340的一个慢速偏振轴。在纤维300中传播光受到的微分群延时到B-B’面被消除，从B-B’面向前在纤维下一半程传播时，偏振轴发生转换。从A-A’面到B-B’和从B-B’面到C-C’面的距离约为1m，这对于提供无损耗(绝热)过渡已足够长。

这种方法生产的纤维的另一个例子是包括一种小型非线性芯区450的光子晶体纤维400(图6)。在横向面A-A’和C-C’(图6(ii)，(iii))，这种纤维具有均匀的横截面，包括一个由包覆区环绕的芯区430，包覆区由排列在三角形格子花样基体材料410中的孔420构成。芯区430直径约5μm(微米)。纤维400拉伸时，超过面A-A’后，提高邻接芯区430的六个孔440的压力，使其高于孔420的压力。孔440相对于孔420膨胀(图6(iii))，这种膨胀迫使二氧化硅材料离开芯区，形成一种直径约为2μm(微米)的小芯区450。孔440在面B-B’达到最大尺寸，然后再次降低压力，因此，在C-C’面芯区返回到它在A-A’面时的尺寸。

大孔440把光集聚到小芯区450，非线性效应(如自相调节和自聚焦)导致充分高的光强度。

本方法产生的纤维的另一个例子是光子晶体纤维500(图7)，它包括在按本发明方法的芯之间形成的一对Mach-Zehnder干涉仪。这种纤维包括由嵌在二氧化硅基体的孔502的三角形格子形成的一个包覆区，和排列为正方形格子并使三角形格子中的一些孔消失而形成的九个芯区(图7中只简略示出三角形格子)。一个Mach-Zehnder干涉仪包括在芯520和530之间形成的一对耦合器540，542，另一个干涉仪则包括在芯510，520之间形成的一对耦合器550，552。在耦合器540，542之间的纤维530上形成一个长周期光栅545，另一个长周期光栅555在耦合器550，552之间的纤维510上形成。

每一个耦合器540，542是在拉伸时降低芯520和530之间的孔的压力而形成的，因此，这些孔直径降低，并带动芯520，530更加靠近(图7(iii))。同样，每个耦合器是降低芯510，520之间的孔的压力而形成的，因此这些孔直径降低，并带动芯510，520更加靠近(图7(iV))。

在纤维500中以纤维芯的形式提供了多次波导，通过Mach-Zehnder干涉仪，信号可以很容易在芯510，520，530之间转换。

很容易理解，经过沿纤维长度在不同的点上的九个芯区的其他几个芯之间形成耦合器，可以在纤维500上形成其他更复杂的器件网络。

这种方法产生的纤维的另一个例子是光子晶体纤维600(图8)，它包括一段高双折射纤维长度，一段非线性纤维长度，以及介于这两段长度之间的区域，光可以在这两种纤维类型之间的这个区域绝热耦合。

图8(ii)-(Vii)为在横向面A-A’和横向面B-B’之间1m(米)间隔内的纤维600的横截面。纤维600包括由包覆区环绕的一个芯区，包覆区包括嵌在二氧化硅基体610中的孔620(图中只简略示出包覆区结构)。

在图8(ii)和(iii)中，纤维600有一种由与芯区630邻接并位于该芯区相对两侧的放大孔640导致的高双折射结构，这种放大孔是在拉伸预形件时对形成这些孔的相应管30加压而产生的。

在图8(vi)和(vii)中，纤维600具有由小型芯区650和六个邻接的放大孔660导致的一种高非线性结构(类似于图6(iii)实施例的结构)。

在图8(iv)，(v)和(vi)中，纤维600的结构在高双折射结构和非线性结构之间振荡。这种振荡通过拉伸时改变与芯区邻接的四个孔(但不包括孔640)的压力而实现。沿纤维过渡长度，孔尺寸和芯尺寸的变化都是很平缓的，光的传播基本上无损耗。

在纤维高双折射长度无损耗传播模式与纤维高非线性长度无损耗传播(的不同)模式之间，光在纤维600中的传播发生绝热耦合。当光沿这种振荡结构通过时，越来越多的光发生从高双折射模式到高非线性区的模式耦合。

当然，本发明的光子晶体纤维也可以从另外一种形式的预形件拉伸，例如图9和10中的预形件750。预形件750中的孔760不由伸出的管30限定，而由基体材料770限定，因此，预形件750是一种整体式单件预形件。例如，它可在一块玻璃上钻孔760而制成。此外，它可由溶胶—凝胶制造。

连接器700(图9)是把孔760连接到压力源的一种连接器的例子。与连接器100一样，这种连接器包括一个与软管40连接的阀门740。软管40另一端连接外部压力控制器。然而，通道730穿过连接器700从阀门740通到孔塞710。孔塞710经插入而与孔760啮合。

连接器800(图10)是把孔760连接到压力源的连接器的第二个例子。这种连接器阀门840和通道830，相当于连接器700中的阀门740和通道730。然而，这个连接器没有孔塞710或凹口110，115，120；而是通道830通过直接连接与孔760啮合，接合点用适当的密封剂密封(如用密封胶)，连接器800和预形件750采用任何适当方式(如夹具)保持定位。

很显然，本发明特别有利于在具有不同性能的纤维长度之间提供过渡。例如，本发明一个实施例是一种模式滤光器；即，包括承受小量模式的一个第一段，和承受大量模式的一个第二段的纤维。逐渐变化纤维横截面中孔的尺寸，就很容易在第一段和第二段(如需要可再返回)之间提供过渡。用相对短的段承受纤维中的小量模式，其他段承受大量的模式可充分消除那一段上过量的不需要的模式流。一个特别重要的例子是在第一段时只承受一个单模式的一段的时候。

本发明提供一个过渡的另一个例子是芯形状间的过渡。一个实施例是在第一段具有第一形状芯而在第二段具有第二形状芯的一种纤维。逐渐改变纤维横截面孔的尺寸可很容易在第一段和第二段间提供过渡(如需要可再返回)。孔尺寸的逐渐变化在第一段和第二段导入相同数量的模式。这样一种结构的应用提供了一种双色纤维，在这种纤维中，光从二极管棒耦合到泵波导。

本发明另一个实施例是其芯区在纤维长度上的一个点消失或显现的一种纤维。纤维900(图11)就是这样一种纤维。在横截面上，它包括具有许多孔910(为便于说明，只示出四个孔)的一个包覆区，以便在一个所需传播波导上提供一个光子带隙。纤维900分为A，B，C，B’，和A’五个区。A和A’区是光子带隙导引微结构纤维的长度，在这个长度，波长在带隙内的光导入形成芯920的一个大空气孔。B区包括一个长周期光栅，它把导入A区芯920的光的所需组分耦合到纤维900的包覆模式。传播光的不需要的组分仍在芯920中。然而，在C区，纤维900没有芯920，因此，消除了不需要的光。在B’区，经过第二长周期光栅，所需要的光从包覆模式耦合返回到芯920。然后，光的所需组分继续在A，区芯920中传播。因为拉伸纤维时，形成芯920的孔已塌陷，故C区没有芯920。突变过渡区930保持，其中芯920的横截面积降到零。

在另一个实施例中(未示出)，芯920是多芯纤维中的一个芯。

本发明另一个实施例是具有两个区的一种纤维，第一区经由全内反射把光导入一个实心芯，第二区经由光子带隙制导把光导入一个长形孔两个区由其长形孔已塌陷的一个过渡区连接。

这样一种纤维的例子是纤维1000(图12)。纤维1000包括具有许多嵌在二氧化硅基体材料的孔1010(为便于说明，只示出四个)的一个第一区A。孔1010为在空气中选定波长传播的光提供带隙。然而，在A区，光导入实心硅芯区1005；因为孔1010降低纤维1000包覆区有效折射率，从而发生制导，在芯区1005和含有孔1010的包覆区之间出现全内反射。

另一方面，在B区，纤维1000包括一个长空气孔1020形成的低折射率芯，孔1010提供的带隙使得选定波长的光限定在孔1020内。因为纤维1000拉伸时，孔1020已经塌陷，所以A区没有空气芯1020。存在一个突变过渡区1030，其中孔1020横截面积降到零。

本发明提供了经用于微结构纤维的两种不同制导机制很容易在纤维区域之间进行光转换的一种结构。这种纤维可以得益于每一种机制的优点；例如，只可能在折射率导引的器件可以在线结合到其他光子带隙导引的纤维中。在图12的例子中，孔1010即使在A区都保持光子带隙制导的周期性。当然，在另一个实施例中，折射率导引区如A区中的孔可以经选定的加压而转换为保持芯区有效折射率所需的任何形状。

以上所述是本发明一种方法可以生产的器件的一些例子。可以预料，由于微结构纤维预形件选定孔的控制加压，纤维可能的结构范围很广，因此，本发明这种方法也可以生产许多其他器件。同时，上述器件也可以不按本发明方法制造，例如，可由微结构纤维的后处理(例如热处理)制造。

Claims

1.一种制造微结构纤维的方法，包括：

(i)提供一个含有多个长形孔的预形件；

(ii)使至少一个孔与一个连接器配合，以便把这些孔连接到一个外部压力控制器；

(iii)在控制与压力控制器相连的孔的气体压力的同时，把预形件拉伸成纤维。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于这种预形件包括多个并列排列成束的长形元件，多个长形元件是管，每个管限定了预形件中的一个孔。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于这种预形件包括限定这些孔的一种基体材料。

4.按照权利要求1-3中任何一项所述的方法，其特征在于外部压力控制器提高孔内压力超过大气压力。

5.按照权利要求1-3中任何一项所述的方法，其特征在于外部压力控制器降低孔内压力低于大气压力。

6.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于在纤维整个拉伸期间，孔内压力保持恒定。

7.按照权利要求1-5中任何一项所述的方法，其特征在于拉伸时孔内压力是变化的。

8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于压力是周期脉冲的。

9.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于所述的多个孔都与外部压力控制器连接。

10.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于这种方法包括把更多的组加压到一个第二压力或几个压力的步骤，其中每个组至少有一个孔。

11.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于这种方法包括随时改变从预形件拉伸纤维速率的步骤。

12.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于这个方法包括随时改变预形件进给速率的步骤。

13.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于这种方法包括随时改变炉温的步骤。

14.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于加压导致在拉伸纤维中至少形成一个长孔，这种纤维一部分的横截面积不同于其另一部分的横截面积。

15.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于加压导致至少一部分介电基体区，这种纤维一部分的横截面积不同于其另一部分的横截面积。

16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于至少有一个孔在纤维的一个长度上完全塌陷。

17.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于加压在拉伸的纤维的横截面内导致多个同心区，其中交替邻近的区域分别具有较高和较低的有效折射率。

18.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于加压导致拉伸的纤维至少在一部分长度上呈现W形剖面纤维。

19.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于这种方法包括经随时改变施加在一个孔或几个孔的压力，产生多个沿光子晶体纤维轴向排列的器件的步骤。

20.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于加压导致拉伸的纤维包括一个长周期光栅。

21.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于加压的变化导致纤维几何形状的变化，使得纤维的一部分是双折射的。

22.按照权利要求21所述的方法，其特征在于经过加压的变化，纤维的两个部分是双折射的，并且该两部分的主偏振轴相互相对转动。

23.按照权利要求22所述的方法，其特征在于通过拉伸部分路径改变孔内压力分布，因此使慢速轴变为快速轴，反之亦然。

24.按照权利要求21-23中任何一项所述的方法，其特征在于纤维的另外部分可以是双折射，并具有转动偏振。

25.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于加压的变化导致拉伸纤维芯尺寸的变化，因此，这种纤维包括一个具有大芯区的纤维部分，和一个具有小芯区的纤维部分。

26.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于加压的变化导致芯尺寸的变化，因此这种纤维包括一个非线性纤维部分，它的一个芯区足够小，以在使用中发生明显的非线性效应。

27.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于拉伸的纤维包括多个芯区。

28.按照权利要求27所述的一种方法，其特征在于压力的变化导致压缩在纤维一个区的至少两个芯的分离，使得该纤维包括一个压缩的分离区的光学耦合器。

29.按照权利要求28所述的方法，其特征在于这种纤维包括形成Mach-Zehnder干涉仪的两个这样的光学耦合器。

30.按照权利要求28或29所述的方法，其特征在于这种纤维包括由多个这样的耦合器形成的开关和/或滤光器网络。

31.按照权利要求27所述的方法，其特征在于这种纤维包括两个以上的芯。

32.按照权利要求31所述的方法，其特征在于压力变化导致压缩在纤维多个部分的芯的分离，以在多个芯中的每个芯之间形成光学耦合器。

33.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于在多个光学器件的每个器件之间形成的一个过渡区充分逐渐地变为绝热。

34.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于拉伸条件是在两个状态间随时间振荡，第一状态与纤维内包括的第一光学器件模式匹配，第二状态与纤维内包括的第二光学器件模式匹配。

35.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于该方法包括经沿拉伸纤维长度反复周期性振荡其结构而制造扭转补偿无微分群延时的步骤。

36.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于经过环绕一种所需要的结构振荡其纤维结构，使之满足一种不需要的相匹配状态，因而拉伸时振荡其压力，以避免不需要的非线性效应。

37.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于该方法包括生产具有分级色散补偿纤维的步骤，这种性能与通信光带中的标准通信纤维的色散曲线匹配。

38.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于该方法包括校正拉伸参数和拉伸纤维参数之间关系的步骤。

39.按照权利要求38所述的方法，其特征在于该方法还包括按照校正结果改变拉伸参数，以生产具有选定结构的纤维。

40.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于施加到一个孔或每个孔的压力由一个数字信号控制。

41.按照以上任何一项权利要求所述的方法，其特征在于在拉伸纤维时，预形件的一部分保持不被拉伸，直接进行各自的连接，例如经过一个孔，即从一个或几个外部压力控制器连接到待用压力控制加压的每一个孔或一些孔。

42.按照权利要求1-40中的任何一项所述的方法，其特征在于设置一种连接器把孔连接到外部压力控制器。

43.一种把预形件连接到压力源的连接器，该预形件用于拉伸微结构纤维并具有多个孔，所述的连接器包括多个与一个或多个孔啮合的元件，每个元件都可连接到一个压力源上。

44.按照权利要求43所述的连接器，其特征在于不同的元件可以单独或成组连接到不同的压力源。

45.按照权利要求43或44所述的连接器，其特征在于该预形件包括多个管，所述的元件是腔，一个或多个管都以所述的腔为终点。

46.按照权利要求45所述的连接器，其特征在于每个腔与可连接到压力源的一个通道该流体连通。

47.按照权利要求45或46所述的连接器，其特征在于所述的腔分布在连接器中，在一个基本上垂直于管要通过通孔的方向的平面中。

48.按照权利要求47所述的连接器，其特征在于所述的腔邻接通孔。

49.按照权利要求48所述的连接器，其特征在于所述的腔是在连接器的一侧的凹口。

50.按照权利要求43-48中任一项所述的连接器，其特征在于所述的腔沿管通过通孔的方向分布在连接器内。

51.按照权利要求1-42中任何一项所述的方法，其特征在于还包括把权利要求41-50任何一项所述的连接器与预形件一端啮合的步骤，这步骤使连接器的元件至少与一些孔啮合；把这些元件连接到一个或多个外部压力控制器上的步骤，及在拉伸时把所述的孔加压到一个或多个选定的压力。

52.一种制造微结构光学波导的方法，包括：

(i)设置一个有多个孔并列排列在其中的预形件；

(ii)耦合一个压力控制器到一个或多个孔，但不是全部的孔，以控制这些孔的气体压力；

(iii)在控制与压力控制器耦合的孔内压力的同时，把预形件拉伸成波导。

53.按照权利要求1-43，51或52中的任何一项制造的一种纤维。