纤芯被充填的光纤及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种纤芯被充填的光纤结构，尤其涉及一种充填有光学活性材料的中空纤芯光纤，以及制造这种光纤以使其能够容易地与标准的光传输光纤相耦合的光纤的方法。
背景技术
近年来，中空纤芯光纤随着其各种各样用途的被开发，已经越来越流行。例如，可将液晶材料充填在中空纤芯光纤中，然后用作一种电力可控的长周期光纤光栅。作为举例，可参见Y.Jeong等人发表在IEEE的《光子学技术通讯》(IEEE Photonics Technology Letters)2000年5月第12卷第5期第519页及其后续页上的“电力可控的长周期液晶光纤光栅”(Electrically Controllable Long-Period Liquid Crystal Fiber Gratings)一文。这种光纤除了其纤芯区域被充填容纳有所希望的活性材料外，和普通的传输光纤具有相同的基本结构。Jeong等人所描述地装置中，液晶纤芯光纤是利用毛细管作用将中空纤芯的光纤充填以向列相的液晶材料来形成的。硅芯传输光纤和充填了液晶的光纤之间折射率的匹配(index matching)是利用二者中的低折射率(low index)向列相的液晶材料来达到的。
在中空纤芯光纤的另一种应用中，利用一种充填以一种能引起激光作用或超发光行为的特殊染色材料的中空纤芯光纤形成一种双光子泵激激光器。作为举例，可参见G.S.He等人发表在《光学通讯》(OpticalLetters)1995年12月1日第20卷第23期第2393页及其后续页上的“充填染料溶液的中空光纤系统中的双光子泵激空腔激光发射”(Two-photon-pumped cavity lasing in a dye-solution-filled hollow-fibersystem)一文。在He等人所讨论的独特的发射激光的装置中，中空光纤的内径是100μm，而光纤的二个开口端是浸在二个相同的液体耦合单元中，每个液体耦合单元均充有与纤芯中所充的染料溶液相同的染料溶液。每个液体耦合单元进一步包含有一个光学窗口，用以提供从充填液体的光纤向外和进入到系统其它部分的耦合。
正如在1980年5月6日授予Geddes等人的美国专利4,201,446中所公开的，液体纤芯的光纤也已经被用于测量温度。在Geddes等人的装置中，公开了一种液体纤芯的光纤，其液体纤芯的折射率随温度变化。因此，从光纤末端输出的传输光的最大角度可以用来测出液体纤芯光纤所通过的物质的温度。Geddes等人的液体纤芯光纤，包含一后来充填以温度敏感液体的透明毛细管。此毛细管然后将与常规的多模光纤相串接。在Geddes等人的文章中，並未讨论用这种方法所能达到的光的耦合度，而在这种方法中，已经知道，采用毛细管是会在毛细管和多模光纤的交界面引起反射的。
将光学活性材料(即：材料的光学特性可用各种方法来改变，包括强光束的通过和外部电场的施加)合并进中空纤芯光纤的能力具有巨大的潜在效益。例如，具有高的光学非线性特性的材料可被用来得到更紧凑更低功耗的光学装置。据称，充填和密封纤芯被充填光纤的在先技术方法对于大部分光系统应用不是切实可行的。特别地，活性材料不是密封在光纤内部的，而对于商业的装置应用，活性材料实质上必需密封在光纤内部。此外，尚不知有能够低损耗地将光耦合进和耦合出纤芯被充填光纤的的方法。
【发明内容】
本发明致力于解决在在先技术中遗留的这样那样的问题，本发明涉及一种纤芯被充填的光纤结构，尤其涉及一种制造这种光纤以使其能够容易地与标准的光传输光纤相耦合的光纤装置的方法。
根据本发明，活性纤芯材料首先被引进到中空纤芯光纤的一个部分，在此，中空纤芯光纤被制成含有一个包围中空纤芯的高折射率的包层环。活性纤芯材料可以是但不限于是一种液体，该液体具有能改变通过它的信号的光学特性的功能。一旦纤芯被充以所要求的量的活性材料，不容纳有活性材料的光纤端部将这样被坍缩，以使得高折射率的包层环被压缩而在纤芯被充填光纤部分的两侧形成一高折射率的纤芯，实质上，“掐”紧並密封地将活性材料封在光纤的所要求的部分内。
在优选的实施例中，这样进行坍缩过程以使得最终的光纤装置包含有对立的端头(opposing ends)，在这些端头上高折射率环材料形成了高折射率的纤芯区域，随后是一过渡区域，在该过渡区域中高折射率环材料向外朝着中央的、纤芯被充填的光纤部分绝热地逐渐变薄(adiabaticallytaper)。绝热地过渡可允许(allow for)从高折射率纤芯区域到高折射率环的低损耗的模式演变。
本发明的一个方面是，包含有高折射率纤芯区域的被坍缩光纤部分然后可以很容易地与标准的光传输光纤相耦合(通常，用常规的技术如熔接接续(fusion splicing))，从而形成了一个将光耦合进和耦合出纤芯被充填光纤的低损耗耦合装置。此外，被坍缩的端头提供了不透气的密封並保证了纤芯材料(大多数情况下为液体)保持在纤芯被充填光纤部分的内部。
在随后的讨论进程中，参照所附附图，本发明的其它和进一步的方面和效益将会更加明显。
【附图说明】
现在参考附图，其中，几个视图中的同一数字代表了同一部件。
图1包含有一段可充填以活性材料並根据本发明封装的典型中空纤芯光纤的等角投影视图；
图2以剖面侧视图图示说明被充填了活性纤芯材料(例如液体或固体)时图1的中空纤芯光纤段。
图3图示说明经坍缩将活性纤芯材料密封住並形成高折射率纤芯端区域后的图2的纤芯被活性材料充填的光纤段。
图4图示说明和常规光传输光纤的典型段相连时图3的经坍缩的光纤段。
【具体实施方式】
图1用图示说明了典型的一段可被充填以活性纤芯材料然后按本发明密封的中空纤芯光纤10。如图所示，中空纤芯光纤包括包围着中空纤芯14的高折射率包层环12，在包层环12外形成了一包围住高折射率包层环12的外包层环16。外包层环16具有比高折射率包层环12低的折射率。例如，中空纤芯14的典型直径是5μm，高折射率包层环12的典型宽度是4μm，而高折射率包层环12和外部的包层环16之间典型的折射率差是大约0.005。各种各样的常规材料，如锗掺杂的硅和硅可分别被用来制成高折射率包层环12和外部的包层16。应当理解，典型的中空纤芯光纤可包括其它类似的几何结构，特别地，可以包括附加的包层和外部保护层。对于本发明，包括有中空纤芯14和高折射率包层环12被认为是必需的。
图2包含了当其纤芯14被充填了用来改变光纤光学参数的活性材料(例如液体)20时，图1中光纤10的剖面侧视图。可用任何合适的方法将材料20引入到光纤10中，如通过利用抽吸压力或毛细管作用、或利用压缩了的空气或惰性气体迫使材料进入中空纤芯。也可用其它合适的方法用固体材料来充填中空纤芯14。材料20的特定成分对于本发明的制造方法是无关紧要的。一旦材料20已经被引入，根据本发明，光纤10即被坍缩以使得材料20困在光纤10内，並缩小高折射率包层环12的外部部分以形成固体的纤芯区域。
图3用图示说明了坍缩操作被完成后的光纤10。可以采用对光纤10的端部22和端部24加热的方法来完成坍缩过程。在一种典型的方法中，以可变的功率沿着端部22和端部24移动一热源，例如钨灯丝，使得光纤10逐渐变细並在两侧坍缩。作为一个例子，以最大功率20.5W将热源在7mm的距离上移动。如图所示，由于坍缩工序，形成了一个第一端头耦合部26，在此部分，高折射率的包层环12坍缩形成一个第一高折射率纤芯区域28。以类似的方式，可形成一个第二端头耦合部30，在此部分，高折射率的包层环12坍缩形成一个第二高折射率纤芯区域32。在本发明优选的一个实施例中，实行坍缩工序使得在光纤10的第一端头耦合部26和中心区域36之间制造出一个绝热地逐渐变细的区域34，而在第二端头耦合部30和中心区域36之间制造出一个类似的绝热地逐渐变细的区域38。这些绝热地逐渐变细的过渡区域34和38可能部分地被充填了活性材料20，因而也可能包含有在坍缩过程中曾存在于光纤内的任何气体的气泡。但是，通过控制坍缩工序使之制造出一个绝热的过渡，当信号通过区域26和34传输进入中心区域36时，在第一高折射率纤芯28内传输的光的模场将以低的损耗演变。类似地，当光信号从活性材料20射出时，在中心区域36和第二高折射率纤芯32之间的区域38中存在的绝热的圆锥形体将有效地导致低损耗的模式演变。
图4用图示说明了常规地与光传输光纤的不同部分40和42相耦合时图3的经坍缩的光纤段10。熔接接续是本技术领域中众所周知的一种典型的方法，在劈开光纤10，使得在其两端得到平整的表面后，这种方法可被用来将光纤10和光纤段40及42连接在一起。在本发明优选的一个实施例中，选择高折射率环12的宽度使得当光纤10坍缩时，高折射率纤芯区域28和32的直径将分别和光纤40及42的纤芯区域44和46基本上匹配。这种基本匹配提供了相对有效的、低损耗的光信号进出光纤10的耦合。此外，存在于经坍缩的光纤10内的作为结果发生的对称保证了当光信号从第一耦合部26通过中心区域36传输並从第二耦合部30离开时，低的偏振相关(polarization dependence)已被引入到信号中。
下面将讨论应用上面所描述的中空纤芯光纤的二个特殊的例子。在第一个例子中，有高度非线性材料密封在其中的中空纤芯光纤可被用作紧凑的光开关，而且在这种光开关中，相对低的光功率可被用于开关的操作。这样高度非线性的材料包括硫属化物，它具有的非线性系数n2典型地要比硅的非线性系数大2到3个数量级。当光通过非线性材料传输时，由于自相位调制的结果，导致了光相位漂移(an optical phase shift)。这个相位漂移是由公式Δφ＝(2πL/λ)n2I定义的，其中L是容纳有非线性材料的光纤的长度，I是传输光的光强度，而λ是波长。正如从上述公式可见的，由于硫属化物的n2比硅的n2大得多，可以利用较短的光纤长度和较低的功率水平的组合，导致一个π-相位漂移。在许多配置中，包括Mach-Zehnder干涉计和Sagnac干涉计中，可用容纳有非线性材料的中空纤芯光纤来设计光开关。
第二个例子涉及到一个容纳有电力可开关材料(例如液晶)的中空纤芯光纤。这样的装置可被利用，例如，作为调制器。施加到光纤纤芯上的电场将使材料的折射率改变。通过选择一种材料，当所施加的电场在大小上变化时，这种材料的折射率会从一高于包层环12的值到一较低的值变化，在光纤内传输的光场的分布将从主要分布在被充填的纤芯内改变为主要分布在包层环12内。假如充填材料和包层环12的吸收系数不同，取决于所施加的电场，光场将在不同程度上被衰减。
应当理解，虽然在前面的描述中已经阐明了本发明的特性和优点，但公开只是说明性的，其装置以及制造装置的方法均可在不超出这里附加的权利要求的范畴而加以改变。