提供周期性谐振结构的微结构光波导制造技术

形成一种微结构光波导使之在其内包层空气管道内含有一连串周期性的光学活性材料“塞子”。该塞子被用作产生谐振和周期性结构的光栅结构。通过改变塞子的空间距（例如对结构加热、改变结构内的压力等）或在微结构光波导形成过程中改变塞子的最初间距（例如，通过改变波导浸入光学活性材料贮液器的“蘸浸频率”）使波导（在一实施例中为光纤）成为可调谐的。通常，可使用任何数量的不同类型的光活性材料形成塞子，其中二种或更多的不同的材料可被用在同一个结构中，并以交替的方式被引入。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微结构的光波导元件，特别涉及到在如光纤的光波导的包层结构中引入光学活性材料的周期性“塞子”，以提供可调的周期性谐振结构。
技术介绍
用以改变光信号特性的光学装置包括如可调滤波器、衰减器、开关、极化旋转器等类似的装置。这些装置用各种各样的方法周期性地改变装置的一个或多个区域的折射率，从而改变通过该装置传送之信号的相位/幅度。常规的这一类装置包含有诸如布拉格(Bragg)光栅和/或长周期光栅那样的结构以引入想要的周期性。典型地，常规的光栅是光纤或光波导芯区感光性折射率的周期性扰动。这些光栅是通过紫外暴光生成的，因而在本质上是永久性的。可以对其可适用的波长范围进行调节，例如，通过在光栅内引入物理的张力变化、温度变化、磁场变化或其它能在光栅内引入物理变化的周围环境的方法。在一种不同的方案中，希望能得到一种全光纤的装置，在这种装置中，某种想要材料(液体/聚合体/微球体)的周期性结构被引入光纤中而不要求氢装填或感光性的纤芯。光活性材料的引入消除了用紫外激光源生成光栅结构的必要，这被认为可以节省大量的时间和精力。而且，活性材料折射率的可选性使我们在决定折射率扰动差上能享有额外的一定程度的自由，这在通常总是希望尽可能的大，以便使不同模式之间或同一模式的不同极化之间的耦合可以在相对较短的耦合长度内达到。
技术实现思路
本专利技术致力于解决现有技术中存在着的需求，其涉及到微结构的光波导元件，特别涉及到在光波导的包层结构中引入光学活性材料的周期性“塞子”，以提供可调的周期性谐振结构。根据本专利技术，在微结构的光波导(例如光纤)中选定的空气通道，被周期性用光学活性材料地充填，以便操纵沿着波导/光纤传送的光的渐消形场(传输常数，极化等)。在一个特定的实施例中，在包层区域内引入空气通道使之包围芯区並沿光纤的长度轴向延伸。然后将光学活性材料注入到一个或多个包层的空气通道中，以便改变传送着的光信号的光学特性，这里，采用一种“周期性”的过程将活性材料注入，以产生沿空气通道长度放置的、不相连的周期性光学活性材料“塞子”。注入活性材料，使之呈现类似于众所周知的光栅结构那样的周期Λ。根据本专利技术，这种周期性可被用来提供传送模式的不同极化之间的耦合并产生一个极化旋转器。微结构光纤内传输特性的可调性可通过改变光学活性材料的周期性来得到，例如，通过在锥形的微结构光纤段两端加热通道中的空气，使之在周期性结构的两端引入压力，造成对塞子之间空气的压缩从而改变微流体结构的周期。作为对于包层中空气/活性材料周期性的变体，可周期性地注入各自呈现不同光学特性的二种不同的光学活性材料(例如，一种为dn/dT＞0的材料，而另一种为dn/dT＜0的材料)。依照本专利技术的操作，诸如温度、光、电场或磁场等的施用将改变活性材料的光学特性，如折射率、损耗、散射或双折射等)，这将反过来改变或影响装置内光信号的传送特性。在下述讨论的过程中，通过参照所附的附图，本专利技术其它的和更进一步的特征及其具体实施将会更加明显。附图说明图1为依照本专利技术，一包含有周期性地注入了活性材料的典型微结构光纤的示意图；图2说明了用以形成本专利技术周期性微结构光纤的典型装置；图3说明了含有周期性光学活性塞子的微结构光纤锥形段，其锥形用于将输入的光信号耦合进含有塞子的包层；图4为含有根据本专利技术形成的周期性塞子的微结构光纤和含有连续充填包层结构的微结构光纤的传输光谱图；图5为一组三根含有光学活性材料周期性塞子的微结构光纤的传输光谱图。每一谱线对应于一不同的“蘸浸频率”(即，作为结果得到的塞子不同的周期性)；图6为含有根据本专利技术的周期性塞子的典型微结构光纤的传输光谱图，每一谱线对应于光纤不同的周围温度；而图7为含有根据本专利技术周期性塞子的典型微结构光纤的一套传输光谱图，每一谱线对应于含有塞子的锥形光纤段的不同温度。具体实施例方式参照图1中的微结构光纤10，可极好地理解相干微流体谐振的原理。如图中所示，光纤10是由被内包层14和外包层16包围的芯区12构成的。正如以下将详述的，内包层14含有周期性放置的光学活性材料18，在这个实施例中，活性材料18被放置在一组轴向放置使之包围芯区12、并沿光纤10的长度延伸的、多个分开的空气通道20内。本专利技术结构状态的一个重要的因素是活性材料18在通道20内的周期性放置，其中分开的“气泡”或活性材料18的“塞子”(见和图1联系在一起的照片)排列得使之呈现一周期Λ。正如以下将详细讨论的，周期性地隔开的活性材料塞子18的存在引起了传送着的基模和高阶模之间的相位匹配。为达到共同传送着的波导模式间的耦合，相位的匹配要满足下面的关系βfun-βhigh＝2π/Λ如图1所示，其中，βfun和βhigh分别是基模和高阶模的传播常数，而Λ是活性材料段18的周期。如图1所示，在微结构光纤10中，基模的渐消型场与内包层14的通道20相重叠，因而也穿过能提供与高次模耦合的活性材料18。当二个模式的相位匹配时，光功率在二个模式间交换。在确定的波长上，转移到高阶模的光的量是与耦合系数有关的。通过下式，耦合系数依赖于周期性结构中的折射率差和模场Efun和Ehigh之间的重迭k＝∫∫ωε0/2(△n)2EfunEhighdA正如下面将阐明的，一种典型的光学活性材料(三氟代甲苯)的折射率是1.405，因而在每一个通道20中液体和空气之间的的折射率不同引起了一折射率差Δn＝0.405。虽然这个折射率差远大于在感光性光纤光栅中得到的折射率变化，但耦合系数k是与基模和高阶模的重叠有关的。对于具有和下面将描述的光纤的内包层类似尺寸的常规光纤，其计算得到的耦合系数k大约在1×10-5/μm的数量级，这与常规长周期光栅的耦合系数的数量级是近似同一数量级的。应当注意到，虽然这里被讨论的典型实施例采用了一微结构光纤，对于采用任何微结构光波导，例如条型光波导的装置，本专利技术的原理是同等地适用的。图2说明了一种可用来形成图1中光纤10那样的周期性微结构光纤的特定装置。如图所示，装置30包含有一充有光学活性材料18的贮液器32。一马达34被连接到一夹紧的装置36上，而夹紧的装置36被加到(如图示)一环绕着光纤10的外部机架上。通过夹紧的装置36重新定向马达34的运动，使光纤10的端面22周期性地线性蘸浸(在图2中用±y说明)到贮液器32中。一真空泵38被加到光纤10的对立的端面24上从而当经由端面24施加真空时，液体塞子18和空气(交替地)被吸入到光纤10的每个通道20中。在这个特定的实施例中，液体塞子18的周期Λ是通过调整马达34的旋转频率ω来控制的，与一个循环的时间内，空气中的光纤的位移相比较，液体对空气的比例也可通过调整光纤10蘸浸入液体18的位移来控制。一微结构条型光波导可以类似地被夹紧在这样的装置内以形成波导结构包层内活性材料的周期性放置。正如迄今所描述的光纤10的特定实施例中，光纤10含有位于其内包层14中的一组六个近似圆柱的通道20(在这种场合下，或称“管道”)。在一根由8μm的掺杂锗纤芯区域12组成的光纤中，传送着的光信号并不与包层14内的活性塞子18互相作用。如图3所示，为使光纤中传送的光和活性塞子18互相发生作用，光纤10需要成为渐渐变细的形状并被拉长，以生成一个锥形区域40。在锥形区域40内，模场扩展进入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微结构光波导，其包括：一沿长度放置的中央芯区；和一围绕着所述中央芯区的内包层，所述内包层被微构造成包含至少一个沿所述波导的长度放置的空气通道，其特征为：所述至少一个空气通道包含有第一组放置得使之呈现所想要周期Λ的多个光学 活性材料塞子。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：本杰明J埃格尔顿，贾斯廷D金，阿图罗黑尔，查尔斯克贝治，
申请(专利权)人：美国飞泰尔有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]