发明内容

本发明的目的是提供一种缓解上述至少一个缺点的中空芯PCF。

在一个实施例中，目的是提供具有高光谱传输和高HOM抑制的中空芯PCF。

在一个实施例中，目的是提供具有高单模传输效率并且对弯曲基本上不敏感的中空芯PCF。

在一个实施例中，目的是提供一种中空芯PCF，其以简单的方式可以被设计成具有期望的低损耗传输带，其具有至少约50nm的带宽并且优选地具有小于约50dB/Km的传输损耗。

在一个实施例中，目的是提供具有包括在约400nm至约1200nm范围内的波长的传输带的中空芯PCF。

这些和其它目的已经通过如权利要求书所定义的以及如下文所描述的本发明或其实施例解决。

已经发现，本发明或其实施例具有许多其它优点，这对于本领域技术人员而言从以下描述中将是清楚的。

短语“径向距离”是指从中空芯的中心轴线沿径向方向确定的距离。短语“径向方向”是从芯中心轴线并且径向向外的方向。

本文的术语“基本上”应该被认为是指包括普通的产品差异和公差。

术语“约”通常用于包括测量不确定度内的内容。当在范围内使用时，术语“约”在本文应该被认为是指在该范围内包括测量不确定度内的内容。

应该强调的是，当在本文中使用的术语“包括/包含”应被解释为开放术语，即应当被认为是指明具体描述的特征(诸如元件、单元、整数、步骤组分及其组合)的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它描述的特征。

在整个说明书或权利要求书中，除非上下文另有指明或要求，否则单数包含复数。

除非另有指明或从上下文中清楚，否则直径、厚度和其它结构值在中空芯PCF的截面视图中可见。

本发明的中空芯光子晶体光纤(PCF)包括外包层区域和由外包层区域围绕的7个中空管。中空管中的每一个熔合到外包层以形成限定内包层区域和由内包层区域围绕的中空芯区域的环。中空管彼此不接触。已经发现，中空管各自具有被称为d2的平均外直径和被称为d1的平均内直径对于抑制不期望的高阶模态是有利的。比率dl/d2等于或大于约0.8。

相应的中空管的平均外直径d2和/或平均内直径可以从中空管到中空管相同或不同。

在一个实施例中，d1和/或d2对于中空管中的至少三个是基本上相同的，诸如对于所有七个中空管。

根据本发明以及针对现有技术的中空芯PCF的所有教导，令人惊讶地发现，具有存在七个非接触管的非接触内包层结构的中空芯PCF比具有六个非接触内包层管的上述中空芯PCF提供了高阶模态(HOM)的更大程度的抑制。特别地并且如示例中所示，已经发现具有七个非接触管的本发明的中空芯PCF对方位角数大于1(诸如第三阶HOM)的HOM的抑制增加，同时在低于2μm，优选低于1.5μm的至少一个传输带的基模中具有低损耗。

术语“传输带”在本文中用于指具有至少约10nm，诸如至少约25nm，并且优选地至少约50nm或甚至至少约100nm的传输波长的带宽的带。

术语“低损耗传输带”是指其基模中的光的传输带，传输损耗小于约100dB/km，优选小于约60dB/km，并且更优选小于约50dB/km。

进一步发现，通过增加比率d1/d2，可以在甚至更低的波长处实现低损耗传输带，诸如包括低于1200nm，诸如低于1μm，诸如低于800μm，诸如低于600μm的波长的低损耗传输带。有利地，比率d1/d2等于或大于约0.85，诸如等于或大于约0.9。

外包层包括固体包层材料并且优选完全是固体材料。

在一个实施例中，中空管布置为距相邻的中空管基本相等的距离。从而可以获得非常高的高斯光束质量。在一个替代实施例中，中空管以距相邻的中空管不同的距离布置。在后一实施例中，通过具有不同的管的外直径d2来提供相邻中空管之间的距离变化。在中空管的内直径d1和/或外直径d2不同的情况下，除非计算的是中空管厚度或另外指定，否则内直径d1和外直径d2分别计算为平均d1和d2值。因此，比率dl/d2由平均dl和d2值确定。已经发现，对HOM的最优抑制要求相邻中空管之间的最小距离相对较小，并且优选地小于中空管的外直径d2的大约一半。另一方面，该距离不应该太窄，因为这可导致在拉伸光纤期间由于表面张力和材料吸引力而完全消除沿整个光纤长度的部分或沿整个光纤长度的距离的风险。为了避免这种风险，期望相邻中空管之间的最小距离至少为d2的0.01倍。

有利地，相邻中空管之间的最小距离为至少约0.1μm，诸如至少约1μm，诸如至少约2μm，诸如至少约5μm。

在一个实施例中，相邻中空管之间的最小距离为约5μm或更小，诸如约4μm或更小。

已经发现最优的是相邻中空管之间的中心到中心的距离Λ在约1.01*d2和约1.5*d2之间，诸如在1.05*d2和1.2*d2之间。

中空管有利地具有基本上平行的中心轴线。实际上，由于工艺偏差，中空管的中心轴线可能略微偏离直线。例如，中空管可以以非常长的节距(诸如高达1km的节距，诸如1cm至100m的节距)围绕芯体成螺旋状。

由于中空芯PCF的结构，芯原则上可以设计有任何直径的芯区域。芯区域有利地基本上是圆形的。在一个实施例中，芯区域不是圆形的，而是椭圆形或角形的，诸如基本上五边形。芯直径D被定义为由7个中空管内切的最大圆的直径。

有利地，中空芯区域具有约10μm至约100μm，诸如约10μm至约60μm的芯直径D。

已经发现，最优芯直径D可以与中空芯PCF的传输带的中心波长一起缩放。

对于约1.0μm的中心波长，芯直径D有利地为约20μm至约50μm，诸如约25μm至约40μm。优选的芯直径D与中空芯PCF的传输带的中心波长直接成比例地缩放。

已经发现，即使在芯相对较大的情况下，中空芯PCF也可以具有非常高的光束质量。在一个实施例中，光束质量M²为约1.75或更小，诸如约1.6或更小，诸如约1.5或甚至更小。

在一个实施例中，平均外管直径相对于芯直径d2/D为约0.5至约0.75，诸如约0.65至约0.72，由此确保中空管之间的期望的最小距离和HOM(特别是第三和第四HOM)的非常有效的抑制。

此外，用中空芯PCF平均外管直径相对于芯直径d2/D获得的光束的模态质量为约0.5至约0.75，显示出非常高。

已经发现，中空管的壁厚显著影响了中空芯PCF的一个低损耗传输带或多个低损耗传输带。事实上，已经发现相关的壁厚t是中空管壁的芯中心面向区域。

因此，已经发现中空管的芯中心面向区域的壁厚t(或平均值t)主要影响相对于低损耗传输带的波长的位置。通常，中空芯PCF可具有一个或多个低损耗传输带，诸如1、2、3、4或甚至更多的低损耗的传输带。

有利地，中空芯PCF具有至少3个低损耗传输带，诸如至少4个低损耗传输带。为了获得低于1.2μm的一个或多个低损耗带，期望壁厚t高达约2.1μm，诸如高达约1μm，诸如在约150nm至约350nm的范围内或在约650nm至约850nm的范围内或在约900nm至约2.1μm的范围内。

例如，已经发现，对于本发明的一个实施例的中空芯PCF，如下光纤在1030-1064nm处具有低损耗传输：对于壁厚t＝150-350nm，优选200-300nm(具有最高波长的低损耗传输带-带I)，对于壁厚t＝650-850nm，优选700-800nm(第二高波长低损耗传输带-带II)，并且对于包括1030-1064nm的第三传输带的第一范围的5倍的壁厚，即5*150nm至5*350nm，对于包括1030-1064nm的第四传输带的第一范围的七倍等。

有利地，中空芯PCF被设计为使得中空芯以基模引导光并且包括在200nm和4000nm之间的波长的至少一个波长，诸如在400nm和2000nm之间，诸如在800nm和1600nm之间，诸如在1000nm和1100nm之间，其中损耗小于约1000dB/km。

有利地，中空芯PCF具有用于基模的低损耗传输带，其中传输损耗小于约100dB/km，优选地小于约60dB/km，并且更优选地小于50dB/km，其包括在1000nm和1100nm之间的区间中的波长，并且优选地至少包括1030nm-1064nm的波长。

在一个实施例中，中空芯PCF在对于基模的其低传输带中具有对于HOM的大于约2000dB/km的传输损耗，由此确保有效的单模传输。

进一步发现，中空芯PCF对弯曲基本上不敏感，例如已经发现，本发明的一个实施例的中空芯PCF具有在卷成约6cm的直径时在1030nm-1060nm处小于约5％/km的低损耗。

有利地，中空管中的每一个中空管的壁厚t基本上相同。优选地，中空管基本上相同并且以距相邻的中空管相同的距离布置。由此，中空芯PCF变得更容易设计用于期望的波长传输。

在一个实施例中，管中的至少一个管具有与中空管中的至少另一个管不同的壁厚t。优选地，中空管中的3个管具有一个壁厚并且其余4个中空管具有另一个壁厚。已经发现，通过这种布置，中空芯PCF可以变成双折射，很大程度上取决于壁厚t的差异和具有更大和更小壁厚t的中空管的相对位置。

在一个实施例中，中空管中的至少一个中空管具有比其它中空管中的至少一个中空管的壁厚大至少约5％的壁厚，优选地，中空管中的至少一个中空管具有比中空管中的至少一个其它中空管的壁厚大至少约10％的壁厚。

在一个实施例中，中空管中的每一个基本上是圆形的。在实践中，非常难以获得绝对圆形的中空管，首先由于其中相应的中空管熔合到外包层的内侧的轻微变形，并且其次因为中空管可能在光纤拉制期间被吸引到相邻的中空管。

在一个实施例中，中空管中的每一个具有长内直径D_l和与长内直径D_l垂直的短内直径Ds，其中D_l沿中空芯中心轴线的径向方向上确定。

有利地，比值Ds/D_l为约0.5至约0.99，诸如约0.8至约0.99。

在一个实施例中，Ds/D_l的比值大于约0.9，诸如大于约0.95，这实际上更容易制造。

在一个实施例中，Ds/D_l的比值小于约0.95，诸如小于0.9，这导致相对较大的芯直径D，并且因此可以有助于减小基模的传输损耗。

在一个实施例中，中空管中的至少一个包括布置在中空管的中空结构中的至少一个嵌套子管，其中子管熔合到中空管，优选地与到外包层(即距芯区域最远)的熔合体对准。

具有一个或多个嵌套管的中空管例如可以如WO15185761的PCF所述，其包括第二管状元件，其中相应第二管状元件内嵌有第三管状元件，不同之处在于中空芯PCF具有带有嵌套的第三管状管的7个第二管状元件。

子管有利地具有基本上小于中空管的平均内直径d的平均外直径d_sub。平均外直径d2_sub优选地高达中空管的约0.9*d2，诸如高达约0.9*d2，优选地，内部子管在其与芯中心轴线的最大径向距离处熔合到中空管。

在一个实施例中，中空管中的至少一个包括在一个或多个中空管的芯中心面向区域处布置的一个或多个结节，优选地，结节布置在中空芯区域的边界处，结节优选地布置为在工作波长处抗谐振，使得基模的光基本上从结节中排除。由此可以获得基模的甚至更强的约束，以进一步减少在中空芯PCF的芯区域中发送的基模中的光的损耗。

结节可以有利地呈结节状或珠状结构的形式，或壁的局部较厚区域沿着光纤的至少一部分长度延伸。在现有技术的光纤中，这种结节有时被称为结点或斑点，例如如US7,321712中所述。中空管的结节和其余部分有利地具有相同的材料。

芯区域和/或中空管原则上可以包括任何流体。优选地，芯区域和/或中空管彼此独立地包括在标准环境温度和压力(SATP)下确定为25℃的温度和恰好100000Pa的绝对压力的气体。合适的气体包括空气、氩气、氮气或包括任何所述气体的混合物。可选地，中空芯区域和/或中空管彼此独立地被真空化(抽空以具有非常低的气体压力)或填充有加压气体。

在一个实施例中，中空芯区域和/或中空管在标准温度下被抽空至约1毫巴或更低的压力，诸如至约0.1毫巴或更低的压力，诸如至约0.01毫巴或更低的压力。

在一个实施例中，中空芯区域和/或中空管在标准温度下被加压到高达2巴的压力，诸如高达约1.5巴。

原则上，外包层区域可具有任何尺寸，只要其为中空芯PCF提供用于中空管的足够机械支撑。在一个实施例中，外包层区域具有至少约125μm，150μm，诸如至少约200μm的外直径。

通常，期望中空芯PCF是单一材料，其优选为玻璃，更优选为二氧化硅，其可选地掺杂有折射率改变掺杂剂。在一个实施例中，一个或多个诸如全部中空管是掺杂二氧化硅，并且外包层区域是未掺杂二氧化硅。掺杂剂可以例如包括诸如F、Ge、P、B或其组合的折射率改变材料。

此外已经发现，通过提供外包层区域以包括围绕所述内包层区域的光子带隙结构，可以减小约束损耗。

光子带隙结构可以借助于任何方式提供，例如，通过为外包层区域提供包括具有不同折射率的同心环的折射率光栅和/或通过包括具有不同折射率的微结构。

在一个实施例中，外包层区域包括具有折射率N_oc的外背景材料和具有与背景材料的折射率不同的折射率的多个内含物。内含物有利地具有比背景材料的折射率更低的折射率。内含物优选基本上平行于芯区域延伸。内含物可以在中空芯PCF的长度段中延伸或者基本上在中空芯PCF的整个长度中延伸。

在一个实施例中，外背景材料中的多个内含物以截面图案布置，该截面图案包括围绕内包层区域的至少两个内含物环，诸如至少3个环，诸如至少4个内含物环。

短语“内含物环”是指距芯具有基本上相等的径向距离并且以围绕芯的环配置对准的外包层内含物的内含物。通常，内含物环不是完全圆形的，而是用许多软角度成形，诸如以六角形形状。优选地，内含物环的所有内含物具有基本上相同的尺寸，并且优选地具有相同的固体材料、空隙和/或气体。

背景材料可以有利地为二氧化硅，诸如未掺杂的二氧化硅或掺杂的二氧化硅。掺杂剂可以例如包括诸如F、Ge、P、B或其组合的折射率改变材料。

在一个实施例中，外背景材料中的多个内含物以基本上六边形的图案布置。

在一个实施例中，多个内含物是空隙或气体，诸如空气。

内含物的直径有利地被选择为使选定的波长或波长范围的损耗最小化。因此可以选择直径以针对期望的传输分布进行优化。

在一个实施例中，内含物具有基本上相同的直径。

有利地，多个内含物具有这样的平均直径(d_inc)，其高达约2.5μm，诸如高达约2μm，诸如在约1.1μm和1.8μm之间，诸如在约1.15μm和约1.7μm之间，诸如在约1.2μm和约1.5μm之间，诸如约1.3μm。

此外，相应内含物之间的距离示出与优化(最小化)约束损耗有关。在用于优化约束损耗的一个实施例中，多个内含物以这样的节距(Λinc)布置，其高达约6μm，诸如高达约5μm，诸如高达约4μm，诸如在约2μm和4μm之间。

在一个实施例中，内含物以这样的节距(Λ_inc)布置，其高达约3.5μm，诸如高达约3μm，诸如高达约2.5μm，诸如在约1.1μm和2μm之间。

本发明还包括用于将激光传送到用户设备的激光系统，该激光系统包括激光光源和用于将来自激光光源的光传送到用户设备的光纤传送光缆，其中光纤传送光缆包括如上所述的中空芯PCF。

包括中空芯PCF的光纤传送光缆可以优选地具有这样的长度，其高达50m，诸如约0.3m至约20m，诸如约1m至约15m。

有利地，激光光源被配置用于生成激光脉冲并且光学地连接到光纤传送光缆，优选地，激光光源是飞秒激光源。

在一个实施例中，激光光源可以被布置为将光直接馈送到中空芯PCF，例如，通过熔合到中空芯PCF。在一个实施例中，激光光源被布置用于经由一个或多个光学元件和/或经由自由空间将光馈送到中空芯PCF。

在一个实施例中，激光光源具有约30fs到约30ps，诸如约100fs到约10ps的泵持续时间。

在一个实施例中，激光光源具有在激光光源出口处确定的的峰值功率，其至少为约5kW，诸如至少约10kW，诸如至少约30kW，诸如至少约50kW。

激光光源有利地是锁模激光光源。在一个实施例中，激光光源是主动锁模激光器。在一个实施例中，激光光源是被动锁模激光器。锁模激光器优选地包括一个或多个放大器。

在一个实施例中，中空芯PCF被配置用于引导光，优选单模光，其包括约200nm至约4.5μm范围内的至少一个波长，优选1000nm至约1100nm范围内的至少一个波长。

在一个实施例中，中空芯PCF被配置用于引导连续的光波长，优选跨越至少约0.1μm，诸如至少约0.3μm，诸如至少约0.5μm。

在一个实施例中，中空芯PCF具有适于连接到用户设备的第一光纤端和经由光纤耦合结构光学连接到激光光源的输出光纤的第二光纤端。光纤耦合结构优选地提供对第一光纤端的保护，并且优选地提供对第一光纤端的端面的保护，以确保端面和/或中空芯不被灰尘、湿气或类似物污染。此外，为了确保安全的低损耗连接，耦合结构可以包括透镜，诸如聚焦透镜、渐变折射率元件或其它元件，诸如本领域已知的通常用于中空芯光纤的耦合结构。

在一个实施例中，光纤耦合结构包括聚焦透镜，例如诸如在US8,854,728中描述的。

在一个实施例中，光纤耦合结构包括诸如在US2003/0068150中描述的渐变折射率元件(GRIN)。

在一个实施例中，光纤耦合结构包括诸如在US7,373,062中描述的保护元件。

在一个优选实施例中，第一光纤端被安装在套圈结构中，优选地具有如在PA201570876 DK中所述的标题为“光子晶体光纤组件(PHOTONIC CRYSTAL FIBER ASSEMBLY)”的套圈结构，并且该申请在此通过引用并入本公开，条件是在本文明确公开的主题与所并入的主题之间存在任何不一致的情况下，本文明确公开的主题的内容占优。

如本文所述的中空芯PCF可以有利地通过从预制件拉制而产生，其中在控制中空管内的压力的同时执行拉制，例如如在US6,954,574、US8215129、US7,793,521和/或PA201670262 DK中所述的，标题为“用于预制件的环形元件、预制件和从预制件拉制的光纤(ARING ELEMENT FOR A PREFORM,A PREFORM AND AN OPTICAL FIBER DRAWN FROM THEPREFORM)”。

预制件有利地通过为外包层区域提供一个中空管和为内包层提供7个中空管来产生，其中用于外包层区域的中空管具有这样的内直径，其比7个中空管的外直径大两倍，诸如至少3倍，诸如至少大4倍，或者如果7个中空管的外直径不同，则是用于内包层的7个中空管的最大外直径。优选地，外包层区域具有足够大的内直径以将7个中空管布置在内侧并与用于外包层区域的中空管接触，使得7个中空管彼此不接触。为了在用于外包层区域的中空管内侧布置7个中空管，可以在中空管的每个端部处布置一小段支撑元件(例如玻璃管或玻璃棒)。在将7个中空管熔合到用于外包层区域的中空管之后，可以切断包括支撑元件的熔合中空管的端部。

然后优选地通过同时对相应中空管内的压力进行单独或共同的压力控制来将预制件拉入光纤牵引塔中。

在一个实施例中，通过在孔和压力供应源之间布置压力管来提供预制件的一个或多个中空管(也称为“细长孔”或仅“孔”)中的每一个中空管的压力控制。压力供应源确保在从预制件拉制光纤期间经由压力管将中空管内的压力控制到期望的水平。

压力管有利地是中空压力管。短语“在管中”是指在压力管的中空部分。

因此，在一个实施例中，该方法包括将压力管的第一端插入预制件的第一端处的预制件的孔中，并且在拉制期间使预制件的孔经由压力管经受受控压力。有利地，包括压力管的第一端的至少压力管长度段被插入预制件的细长孔中。压力管长度段应该优选地具有这样的长度，其至少约0.5mm，诸如约1mm至约20cm，诸如约2mm至约5cm，诸如0.5cm至1cm。

在实践中，期望压力管长度段具有足以在压力管长度段和细长孔之间提供密封的长度，但它不应该太长，因为包括压力管长度段的预制件的长度段在一个实施例中可以不被拉制成光纤，或者如果在一个替代实施例中它被拉制成光纤，则所得到的光纤将具有与从没有管长度段的预制件材料拉制的光纤不同的特性。

已经发现，通过简单地将压力管的第一端插入孔中并且可选地提供压力管长度段扩张以使得其外表面适配细长孔的周边表面，和/或施加密封材料，诸如胶水、环氧树脂、油脂和/或橡胶或任何其它柔韧的密封材料，可以获得安全的气体连接。

压力管有利地具有选择的外直径和周边，以使得其适配到预制件的孔中。孔的截面形状可以是圆形或椭圆形或任何其它合适的形状。限定孔的表面也被称为细长孔的周边表面。压力管优选地具有与预制件的孔的截面形状相对应的外截面形状，然而其平均直径略小于预制件的孔的平均直径，使得压力管的第一端可以插入孔中。

在一个实施例中，压力管或至少压力管的压力管长度段具有这样的平均外直径，其是孔的平均内直径的约80％高至100％，诸如孔的平均直径的约90％至约99％。

有利地，压力管具有位于孔外侧的供应段，即压力管的从孔引导到与压力供应源的气体连接的部分。

在一个实施例中，压力管的供应段具有供应开口，该供应开口与用于控制孔内压力的压力源进行气体连接。

在一个实施例中，压力管的供应段具有位于压力调节室内的供应开口。通过例如由压力源调节压力调节室内的压力，压力管内的压力也被调节，并且从而调节细长孔内的压力。

在一个实施例中，压力管的供应段具有供应开口，该供应开口直接连接到压力源以调节压力管内的压力并由此调节长细孔内的压力。

原则上压力管可以是任何材料。在一个实施例中，压力管是可热成型材料，例如，可以在光纤拉制塔上模制或拉制的材料。有利地，压力管是可选地包括聚合物涂层的二氧化硅。在一个实施例中，至少压力管的供应段具有外部聚合物涂层，并且可选地，压力管长度段不含聚合物涂层。聚合物涂层增加了压力管的柔韧性并降低了压力管破裂的风险。

通过为二氧化硅压力管提供具有未涂覆的压力管长度段的压力管长度段和为压力管供应段提供聚合物涂层，可以获得期望的压力管的大的中空部分截面直径，而同时压力管供应段可以是理想柔韧的和抗破裂的。

如上所述，预制件的几个孔可以用如上所述的压力管进行压力控制。压力管可以连接到相同的压力源或不同的压力源。

除非存在不结合这些特征的特定原因，否则如上所述的本发明的所有特征和包括范围和优选范围的本发明的实施例可以在本发明的范围内以各种方式进行组合。