CN1449504A - 聚合物光波导 - Google Patents

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Abstract

用光纤形式的光波导(10)，有至少部分由聚合物材料构成的至少一种纵向延伸的导光纤芯区域(11)，由聚合物材料构成的纵向延伸纤芯包层区域(12)，和位于纤芯包层区域中的诸如通道状开孔的多个限光元件(15)，该限光元件在纤芯区域的纵向方向延伸并分布在纤芯区域的周围，以及至少大多数的限光元件具有的折射率小于构成纤芯包层区域的聚合物材料折射率。还揭示了用于制作该光波导的预制棒。

Description

聚合物光波导
发明领域
本发明涉及用聚合物光纤形式的光波导。
背景技术
聚合物光纤作为低成本、宽带宽、易于安装的波导，具有应用上的潜力。这些特点使它们特别适用于比较短的波长、高速数据传输线，一般是在局域网和住宅信号传输的应用中。聚合物光纤也可以用于红光波段和近红外光波段的光传输，这一点可以使得有可能使用较为廉价的光源。
虽然聚合物光纤有上述这些潜在优点，但还不能在有效的商业水准上生产。这主要是由于需要大的横向光强度截面(光斑尺寸)和由现有制造技术所施加的随之而发生的限制。为了能使较简单的耦合和连结成可能，特别是在聚合物光纤预期应用中的范围，大光斑尺寸光纤是需要的。
带有常规阶越折射率的聚合物光纤可用大光斑尺寸拉制，这使光纤安装成本低廉。不过，这种光纤有非常大的模间色散。
单模聚合物光纤难以制造，总之，非常小的模尺寸总是限制光纤的应用。
用于制造渐变折射率聚合物光纤的技术非常复杂，在商业水准上制造这类光纤的固有成本过于昂贵。
已经发现采用现有制造技术几乎不能制造有前途的大光斑尺寸，单模聚合物光纤。
发明概要
大体上，本发明提供一种用光纤形式的光波导，它有：(a)至少一部分由聚合物材料组成的至少一个纵向延伸的导光纤芯区域，(b)由聚合物材料组成的纵向延伸纤芯包层区域，和(c)位于纤芯包层区域中的多个限光元件。
限光元件在纤芯区域纵向延伸并且分布在纤芯区域的周围，且大多数限光元件的折射率小于组成纤芯包层区域的聚合物材料的折射率。
本发明还提供用于制造上述光波导的预制棒，该预制棒有：(a)至少一部分由聚合物材料组成的至少一个纵向延伸的光波导纤芯区域，(b)由聚合物材料组成的纵向延伸纤芯包层区域，和(c)位于纤芯包层区域中的多个元件，它们在纤芯区域的纵向方向延伸并分布在纤芯区域的周围，且至少多数的限光元件的折射率小于组成纤芯包层区域的聚合物材料的折射率。本发明的较佳特征
纤芯包层区域较佳是由与组成纤芯区域(至少部分)相同的聚合物材料组成且在本文的下文中描述本发明。不过，须理解，当制造工序允许时，纤芯和纤芯包层区域可以由有相同或不同折射率的不同聚合物材料或由不同掺杂的聚合物材料组成。
相对于前面建议的方法，通过采用相同的聚合物材料形成纤芯和纤芯包层区域，使光纤的形成(或是从预制棒拉制，或是挤出)简化了，而具有所需光学性质的光纤可以方便地拉制或挤出。作为制造常规的纤芯-包层结构或渐变结构的替换方案，通过将限光元件设置在纤芯包层区域中，可减少上面提到的制造聚合物光纤的限制。
通过在纤芯包层区域中使用较低折射率的限光元件，那个区域将在整个体积中展现小于纤芯区域折射率的平均折射率，这样把光主要限制到纤芯区域中。
光波导较佳是可取单个纵向延伸导光纤芯区域，这将在下面描述。不过，须理解，可以形成带有共有共同纤芯包层区域的多于一个纤芯的多纤芯结构。
限光元件较佳是可包括纵向延伸的光通道型开孔，这些开孔根据特别需要可以抽空(evacuated)，可以充满空气或用其它流体(液体或气体)填充。不过，一些或所有这些限光元件可以包括玻璃或聚合物材料的固体材料细丝(filament)，其折射率小于纤芯和纤芯包层区域的折射率。
用通道状开孔形式的限光元件可有任意的截面形状。可以是圆形截面，尽管一些或所有这些开孔可能是椭圆形截面或拱形截面。此外，一些或所有这些开孔可以是多边形截面。
限光元件可以准随机分布，但首选用空间均匀或对称的形式分布在纤芯的周围。例如，它们可以分布在与纤芯区域的轴同心的一个共同圆的周围，或是分布在都与纤芯区域的轴同心的多个圆的周围。另外，从截面中看，限光元件可以用几何学分布在有规则的排列上，例如是多边形类蜂窝型排列。
限光元件可以是圆形同心排列或多边形同心排列分布在纤芯区域的周围，由各个元件界定的截面面积设置为随着纤芯区域的轴径向距离的增加而增加。
此外，限光元件可以是周期的晶格状结构分布在纤芯区域的周围。限光元件可以较佳地设置为占有至少30％的纤芯包层区域，最佳为30到80％。假如这样，在使用时在纤芯包层区域中形成的光子带隙将把光限制到纤芯区域中。
当限光元件是周期的晶格状分布时，纤芯区域可以采用中空纤芯或者相反用比包层聚合物材料折射率低的材料制成。不过，纤芯区域优先完成用聚合物材料构成。
如上所述的用光纤形式的光波导可带有聚合物材料制成的外部保护套管或护套。该材料可以和纤芯和纤芯包层区域材料不同。
本发明可通过下面体现本发明的光纤替换形式的详细描述和形成光纤的较佳方法而被完整理解。通过引用附图提供这样的描述。
附图概述
附图1到7是示出结合本发明不同实施例的光纤横向截面示意图。
本发明的详细描述
如图1所示，光纤10包括纵向延伸导光纤芯区域11，纵向延伸纤芯包层区域12和外部保护套管或护套13。为便于表示，纤芯区域11由虚线圆点14指示，但须理解事实上纤芯区域11没有明确限定的外部边界。
虽不明显限定，纤芯区域11或，或许更精确地说，导向光的光斑尺寸的直径范围在1μm到500μm之内(更典型为10μm到200μm)，而纤芯包层区域12的直径范围在10μm到5000μm之内(更典型为100μm到2000μm)。护套13的厚度通常为10到1000μm数量级。
在本发明的较佳形式中，纤芯区域11和纤芯包层区域12两者都采用相同聚合物材料制成且在两个区域间没有分界面，从这个意义上说它们是均质的。可以使用任意光学透明聚合物材料形成纤芯和纤芯包层区域，例如，包括聚甲基丙烯酸甲酯或含氟聚合物。
用纵向延伸通道状开孔形式的多个限光元件15处于纤芯包层区域12中，而各个限光元件15在光纤的整个长度延伸。如图所示，限光元件分布在纤芯区域11的周围(即，环绕)，均匀地位于两个与纤芯区域轴同心的共同圆形的整整一圈。不过，须理解，根据光纤需要和导向光所需的光斑形状，限光元件15不必设置为圆形对称或其它对称方式。将会理解，限光元件共同把光限制到纤芯区域中。
所制成的限光元件15通常由空气填充，不过也可根据光纤所需光学特性而把它抽空或由另一种流体填充，或用石英、掺杂石英或聚合物材料的固体材料细丝制成。
无论它们是何种形式，大多数导光元件15的折射率必需低于形成纤芯和纤芯包层区域11和12的材料折射率，这样从整体来看，纤芯包层区域在整个体积中的平均折射率小于纤芯区域11的折射率。
当用通道状开孔形式的各个导光元件15通常的直径范围在0.1μm到10μm之内，而根据各个开孔的尺寸，相邻的元件15通常的中心距离为2μm到20μm数量级。
图2和3示出了类似于图1示出的光纤截面的示意图，且对相同的部件使用相同的参考数字。不过，在图2的光纤中，用通道状开孔形式的导光元件15均匀分布于遍及整个纤芯包层区域11并以同心圆形排列来配置。类似地，在图3示出的光纤中，导光元件15均匀分布于遍及整个纤芯包层区域11，但以同心六边形排列来配置。
图4示出聚合物光纤的另一个替换方案；其中限光元件15，16，17和18以圆形同心排列分布在纤芯区域的周围，且在各自的排列中的元件截面面积随着与纤芯区域11同心轴的径向距离的增加而增加。在下面解释这样排列的理由。
已经发现，大模式区域的单模光纤比常规单模光纤对弯曲损耗更敏感，并且预测至少对聚合物光纤施加的某个效应正如石英光纤的情形。弯曲损耗来自于几何布置和由机械弯曲带来的应力。光纤的机械弯曲有效地改变了光纤折射率。这样，无论光纤是由什么组成的，机械弯曲在光纤材料上施加应力，使在中间轴内的材料被压缩，在中间轴外的材料被荷载着拉伸。于是通过弹性光效应在折射率分布上诱导一个变化。在某一曲率半径，应力诱导的折射率变化将达到在笔直状光纤的纤芯和纤芯包层区域间的折射率差的相同数量级。这是意味着最小允许的弯曲半径的临界弯曲半径，在其下光将不再真正地被限定在光纤纤芯区域内而会产生大损耗。
为实现单模传输(特别在大模式区域中)，在纤芯区域和纤芯包层区域中的有效折射率差需要非常小。这使得光纤易受弯曲损耗。
本发明在其最佳形式中，为保持单模传输，可选择使用大模式区域，而使光纤不易受弯曲损耗。
这样，如图4所示，限光元件15的第一个环由直径非常小的成通道形状的开孔构成，并且在连续扩大的通道状开孔的(同心)环16，17和18中，开孔尺寸增加。这提供了在光纤纤芯区域11中引导的所需弱折射率差，保证单模传输。而当光纤弯曲时，外部较大的开孔环(提供较大折射率差)防止泄漏。这样，这可看作渐变折射率单模光纤的空气-聚合物微结构的型式。
除了使用图4示出的设置以减小弯曲损耗，可以采用构成限光元件的通道状空气开孔的形状和尺寸来降低机械应力，同时制作光纤材料中的渐变折射率。通道状开孔通常由弹性远大于紧密包围开孔材料的介质(例如真空，空气或其它气体)填充。因此，开孔的变形可降低弯曲光纤产生的机械应力，这减小了光纤材料中的应力诱导的折射率变化和弯曲损耗。
在图5和6中示出的光纤截面示出了相对图4截面的变化，并提供能满足不同需要有特性的光纤。在图5示出的光纤方案中，最内层环为圆形截面的通道型开孔15，但是由椭圆型通道状开孔的同心环19，20和21所包围。不过，该结构还是展现了圆形对称。
与图5示出的设置形成对比，图6示出了关于X-X和Y-Y对称的不同对称结构。在这类情况中，纤芯区域11由限光元件15和16两个同心环包围，而外部环16由一不完整的通道状开孔17部分包围。于是在纤芯包层区域12中，除了两个椭圆开孔20的措施外，还设置了两个拱型通道状开孔22。
图7示出体现本发明特征结构的另一个光纤10，且所示设计表面上类似于图4所示。不过，在图7所示的光纤类型中，有两个由纤芯包层区域12包围的纤芯区域11A和11B。各个纤芯区域11A和11B也由导光区域15和16的内部环包围，其后的用类通道形式的开孔17和18的导光元件位于共同的纤芯包层区域12中，且由纤芯区域11A和11B所共有。
可用各种不同的方法制作在各个附图中描述并示出的各种光纤。例如，它们可从由一种聚合物材料制作的在材料中去纤芯开孔的预制棒拉制。此外，从作为挤压工艺的一部分，光纤可从设置来影响所需开孔的形成的挤出染料(extrusiondye)中拉制。
只要不背离由附加权利要求限定的本发明的范围，就可以对光纤的各种形式进行其它变化和修改。

Claims (24)

1.一种光纤形式的光波导，其特征在于，有至少部分由聚合物材料构成的至少一个纵向延伸的导光纤芯区域，由聚合物材料构成的纵向延伸纤芯包层区域，和多个位于纤芯包层区域中的限光元件，该限光元件分布在纤芯的周围并在纤芯的纵向方向延伸，并且至少大部分限光元件的折射率小于构成纤芯包层区域的聚合物材料的折射率。
2.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，构成纤芯包层区域的聚合物材料与至少部分构成纤芯区域的聚合物材料相同。
3.如权利要求1或2所述的光波导，其特征在于，限光元件包括纵向延伸通道状开孔。
4.如权利要求3所述的光波导，其特征在于，至少一些限光元件有圆形截面。
5.如权利要求3或4所述的光波导，其特征在于，至少一些开孔有椭圆形截面。
6.如权利要求3到5中任一项所述的光波导，其特征在于，至少一些开孔有拱形截面。
7.如权利要求3到6中任一项所述的光波导，其特征在于，至少一些开孔有多边形截面。
8.如前面任一项权利要求所述的光波导，其特征在于，限光元件以对称方式分布在纤芯区域的周围。
9.如权利要求8所述的光波导，其特征在于，限光元件围绕与以纤芯区域的轴同心的共同圆分布。
10.如前面任一项权利要求所述的光波导，其特征在于，限光元件以同心圆排列分布在纤芯区域的周围，而各个元件限定的截面面积随纤芯区域的轴距离的增加而增加。
11.如前面任一项权利要求所述的光波导，其特征在于，限光元件以同心多边形排列分布在纤芯区域的周围，而各个元件限定的截面面积随纤芯区域的轴距离的增加而增加。
12.如权利要求1到9中任一项所述的光波导，其特征在于，限光元件以周期性的晶格状结构分布在纤芯区域周围。
13.如权利要求12所述的光波导，其特征在于，限光元件占有纤芯包层区域的至少30％体积。
14.如权利要求12所述的光波导，其特征在于，限光元件占有纤芯包层区域的30到80％体积。
15.如权利要求12到14中任一项所述的光波导，其特征在于，周期性的晶格状结构以能够在纤芯包层区域中形成光子带隙的方式构建。
16.如权利要求15所述的光波导，其特征在于，纤芯区域以折射率小于纤芯包层聚合物材料折射率的材料所形成。
17.如权利要求16所述的光波导，其特征在于，纤芯区域包括中空纤芯。
18.如权利要求16所述的光波导，其特征在于，纤芯区域整个由聚合物材料构成。
19.如权利要求16所述的光波导，其特征在于，聚合物材料与构成纤芯包层区域的材料相同。
20.如前面任一项权利要求所述的光波导，其特征在于，波导带有外部保护套管或护套。
21.如权利要求20所述的光波导，其特征在于，外部保护套管或护套由与构成纤芯包层区域的材料不同的材料构成。
22.一种用于制作光波导的预制棒，其特征在于，该预制棒有至少部分由聚合物材料构成的至少一个纵向延伸的纤芯区域，由聚合物材料构成的纵向延伸纤芯包层区域，和多个位于纤芯包层区域中的元件，所述元件在纤芯区域的长度方向延伸并分布在纤芯的周围，并且大部分限光元件的折射率小于构成纤芯包层区域的聚合物折射率。
23.基本上如本文参照附图所述的光波导。
24.一种预制棒，用于制作如权利要求1到20中任一项所述的光波导。
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