CN1489712A - 具有定制色散分布的光子晶体光波导 - Google Patents

Abstract

具有定制色散分布的工作模式的一种光波导，它包括：(i)包围波导轴线的一个介质限制区域，该限制区域包括一个至少具有一个光子带隙的光子晶体，其中该限制区域在运行过程中引导第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播；(ii)沿该波导轴线延伸的、被围绕该波导轴线的限制区域包围的一个介质芯区域，其中该芯支持至少一个该第一频率范围内的波导模；以及(iii)被围绕该波导轴线的限制区域包围的一个介质色散定制区域，其中该色散定制区域引入一个或多个该第一频率范围内的附加模，它们与该波导模互相作用来产生该工作模。

Description

具有定制色散分布的光子晶体光波导

对相关申请的交叉参考

本申请要求2001年1月25日归档的美国临时专利申请60/264,201、2001年1月29日归档的美国临时专利申请60/264,775、2001年1月30日归档的美国临时专利申请60/265,051、2001年2月14日归档的美国临时专利申请60/268,793以及2001年11月8日归档的美国临时专利申请60/337,603的优先权，其内容特此参考编入。

背景技术

本发明涉及光波导领域以及这种波导内的色散定制。

光波导引导光学信号沿一条或多条希望的通道传播。因此，它们能够被用来在不同地点之间传送光学信号信息，从而它们构成了光学电信网络的基础。在光波导中最流行的型式是基于折射率引导的光学纤维。这些纤维包括沿波导轴线延伸的一个芯区域以及在该波导轴线周围包围该芯的、其折射率低于该芯区域折射率的一个覆盖层区域。因为折射率不同，在较高折射率的芯中实际上沿该波导轴线传播的光线能够受到来自芯-覆盖层界面的总体内部反射(TIR)。结果，该光学纤维引导电磁(EM)射线的一个或多个模在该芯内沿该波导轴线传播。这些波导模的数量随芯直径增加而增加。值得注意的是，该折射率引导原理排除了任何低于最低频波导模的覆盖模的存在。几乎所有的商用折射率引导光纤都是硅基的，其中芯与覆盖层之一或两者含有杂质，以便产生折射率差别并生成该芯-覆盖层界面。举例来说，常用的硅光纤的折射率约为1.45，对1.5微米范围内的波长其折射率差大约达到2～3％。

沿光波导传送光学信号的一个问题是在那个波导内存在彩色或群速色散。这种色散是该波导射线的不同频率沿该波导轴线以不同速度(譬如群速)传播的程度的度量。因为任何光学脉冲都包括一个频率范围，所以色散使一个光学脉冲由于它的不同频率分量以不同速度传播而沿时间展宽。由于这种展宽，一个光学信号中的相邻脉冲或“比特”也许开始重叠，从而影响信号的探测。所以，在没有补偿的情况下，光学传输长度上的色散会使一个光学信号的比特率或带宽出现一个上限。

色散包括两个方面；材料色散以及波导色散。材料色散来自该光波导的材料构成部分的折射率对频率的依赖性。波导色散来自波导模的空间分布随频率的变化。当一个波导模的空间分布变化时，它对该波导的不同区域采样，所以能“看见”该波导的平均折射率中能有效改变其群速的变化。在传统的硅光纤中，材料色散与波导色散在大约1310nm时彼此抵消，从而形成一个零色散点。人们一直对硅光纤加以改进，以便将该零色散点移到1550nm附近，这相当于硅材料吸收中的一个极小值。

遗憾的是，尽管在零色散点运行时脉冲展宽程度最低，但是因为不同频率仍然在很大距离上保持相位匹配，所以这也增加了该光纤中的非线性相互作用，譬如四波混合(FWM)。对于多路信号在一条公共光纤中以不同波长传送的波长分割多路传输(WDM)系统，这个问题格外突出。在这些WDM系统中，交叉相位调制引起这些不同波长信道之间的串扰。为了解决这个问题，WDM系统通过能引入足够大色散的光纤来发射信号以便使FWM最小，然后通“色散补偿纤维”(DCF)发射这些信号来抵消原来的色散并使该补偿后信号中的脉冲展宽最小。色散补偿纤维的重要准则是：它提供足够大的色散来补偿该传输光纤的总色散、它在每个WDM信道上补偿该色散、而且它不引入过多的损耗或非线性影响。所以，DCF的一个有用度量指标是品质因数(FOM)，它是该DCF提供的色散(譬如以ps/(nm-km)为单位)与该DCF引入的损耗(譬如以dB/km为单位)之比。

在光纤传输系统中，该传输光纤与该DCF中的损耗通常由该光学信号的周期光学放大与/或探测以及随后的再生加以补偿。不过实际上，即使采用具有很高FOM的DCF，但因为色散的存在可能增强其他非线性影响(譬如使色散补偿变得复杂的自相位调制(SPM))，所以在这些色散、放大与/或再生之间仍对光纤长度有一个限制。

发明内容

本发明的特点是具有定制色散分布的光波导。举例来说，这些波导可以支持长距离传输中使用的、能在一个或多个选定波长上产生很小甚至零色散的一个波导模。举例来说，该波导还可以支持色散补偿中使用的、在一个或多个选定波长上给出很大的色散量的一种波导模。值得注意的是，这些光波导的基础是光子晶体限制原理，而不是折射率引导限制原理。结果，这些波导可以具有一个低折射率的芯(譬如空气)，从而使该芯中的非线性作用最少，并能够在零色散或接近零色散情况下进行光学传输。而且，这些波导可以包括折射率相差很大的组成部分，这将有助于设计具有大色散与/或可设计分布的色散补偿波导。

我们现在概述本发明的不同方面、特点以及优点。

一般来说，本发明在一个方面的特点是具有带有定制色散分布的工作模的一个光波导。该波导包括：(i)包围波导轴线的一个介质限制区域，该限制区域包括具有至少一个光子带隙的一个光子晶体，其中该限制区域在运行期间引导第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播；(ii)沿该波导轴线延伸的、被围绕该波导轴线的限制区域包围的一个介质芯区域，其中该芯支持至少一个该第一频率范围内的波导模；以及(iii)被围绕该波导轴线的限制区域包围的一个介质色散定制区域，其中该色散定制区域引入一个或多个该第一频率范围内的附加模，它们与该波导模相互作用来产生该工作模。

一般来说，本发明在另一个方面的特点是具有带有定制色散分布的工作模的一个光波导。该波导包括：(i)包围波导轴线的一个介质限制区域，其中该限制区域在运行期间引导第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播；(ii)沿该波导轴线延伸的、被围绕该波导轴线的限制区域包围的一个介质芯区域，其中该芯支持至少一个该第一频率范围内的波导模，而且其中该芯具有一个低于该介质限制区域折射率的平均折射率；以及(iii)被围绕该波导轴线的限制区域包围的一个介质色散定制区域，其中该色散定制区域引入了一个或多个该第一频率范围内的附加模，它们与该波导模相互作用来产生该工作模。

一般来说，本发明在一个方面的特点是一个光波导，它包括：(i)包围波导轴线的一个介质限制区域，该限制区域包括一个能产生至少一个光子带隙的光子晶体结构，其中该限制区域在运行期间引导第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播；(ii)沿该波导轴线延伸的、被围绕该波导轴线的限制区域包围的一个介质芯区域，其中该芯支持至少一个该第一频率范围内的波导模；以及(iii)被围绕该波导轴线的限制区域包围的一个介质色散定制区域，其中该色散定制区域的存在使该波导芯模形成一个工作模，该工作模在该第一频率范围内的至少一个频率子集合上穿入该色散定制区域。

一般来说，本发明在另一个方面的特点是一个光子晶体光波导，它包括：(i)沿波导轴线延伸的一个介质芯区域；(ii)由在该波导轴线周围包围该芯的至少三个介质层构成的一个第一集合，该第一集合中相邻层之间折射率的差对该第一集合中的每个随后的层改变符号；以及(iii)位于该芯与该第一多层集合之间的至少一个附加介质层，其中该附加介质层的厚度与该第一多层集合中每任意三个连续层的厚度的差大于10％。举例来说，该第一多层集合可以引导该第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播。而且，该附加介质层与该第一多层集合中每任意三个连续层的厚度的差可以大于30％、大于150％或者甚至大于500％。

一般来说，本发明在另一个方面的特点是一个光子晶体光波导，它包括：(i)沿波导轴线延伸的一个介质芯区域；(ii)在该波导轴线周围包围该芯的、交替排列的若干较高折射率介质层与若干较低折射率介质层；以及(iii)位于该芯与该若干交替排列介质层之间的至少一个附加介质层，其中该附加介质层的厚度与该若干交替排列介质层中每任意三个连续层的厚度的差大于10％。举例来说，该若干交替排列介质层可以引导该第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播。而且，该附加介质层与该若干交替排列层中每任意三个连续层的厚度的差可以大于30％、大于150％或者甚至大于500％。

一般来说，本发明在另一个方面的特点是一个光波导，它包括：(i)包围波导轴线的一个介质限制区域，其中该限制区域在运行期间引导第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播；(ii)沿该波导轴线延伸的、被围绕该波导轴线的限制区域包围的一个介质芯区域，其中该芯具有一个低于该介质限制区域折射率的平均折射率、界定一束光线、并支持至少一个该第一频率范围内的波导模；以及(iii)被围绕该波导轴线的限制区域包围的一个介质色散定制区域，其中该色散定制区域的存在使该波导模形成一个穿越该光线的工作模。

一般来说，本发明在另一个方面的特点是一个光波导，它包括：(i)包围波导轴线的一个介质限制区域，其中该限制区域在运行期间引导第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播；(ii)沿该波导轴线延伸的、被围绕该波导轴线的限制区域包围的一个介质芯区域，其中该芯支持至少一个该第一频率范围内的波导模；以及(iii)被围绕该波导轴线的限制区域包围的一个介质色散定制区域，其中该色散定制区域的存在使该波导芯模形成多个不连续的工作模，每个工作模在该第一频率范围内的一个不同的频率子集合上穿入该色散定制区域。该介质限制区域可以采用TIR折射率来引导或者采用光子晶体结构来引导该射线。

上述任一种波导的实施例可以包括如下特点中的任何一个。

该芯可以具有低于该介质限制区域中最高折射率组成部分的折射率的平均折射率。该芯的平均折射率可以低于1.3、低于1.2或者甚至低于1.1。该芯可以包含气体。该芯可以具有实际上均匀的折射率。

该限制区域可以包括至少两种具有不同折射率的介质材料。该较高折射率介质材料的折射率与该较低折射率介质材料的折射率之比可以大于1.1、大于1.5或者甚至大于2。该限制区域内的两种介质材料构成该光子晶体。而且，该光子带隙可以是全方向光子带隙。该光子带隙能够足以使从该芯入射到该限制区域的、具有偏振的、该第一频率范围内的EM射线对平面几何形状具有反射性，该反射率对0°到至少80°范围内的入射角大于95％。

该光子晶体可以是两维周期光子晶体或者一维周期光子晶体。

该限制区域可以包括在该波导轴线周围包围该芯的、交替排列的两种介质材料层。这些交替排列介质层的折射率与厚度能够足以产生该光子带隙(譬如全方向光子带隙)。这些交替排列介质层中至少某些层的折射率实际上满足如下等式：

$\frac{d_{\mathrm{hi}}}{d_{\mathrm{lo}}}=\sqrt{\frac{n_{\mathrm{lo}}^2-1}{n_{\mathrm{hi}}^2-1}}$

其中d_hi与d_lo分别为相邻的较高折射率层与较低折射率层的厚度，n_hi与n_lo分别为相邻的较高折射率层与较低折射率层的折射率。该限制区域可以包括至少12对交替排列的层。在长距离传输应用情况下，该限制区域可以包括足够数量的成对交替排列层，以便对该第一频率范围内的频率将该波导模的辐射损耗限制到0.1dB/km以下。在色散补偿情况下，该限制区域可以包括足够数量的成对交替排列层，以便对该第一频率范围内的频率将该波导模的辐射损耗限制到1dB/km以下。

该第一频率范围可以相当于大约1.2微米至1.7微米范围内的波长。另一种选择是，该第一频率范围可以相当于大约0.7微米至0.9微米范围内的波长。该第一频率范围的带宽与该第一频率范围的中心频率之比可以至少约为10％。

该波导轴线可以基本为直线，或者它可以包括一段或多段弯曲部分。该芯可以具有一种圆形截面、一种六角形截面或者一种矩形截面。该工作模的有效折射率的变化可以在该第一频率范围内大于10％、在该第一频率范围内大于50％或者甚至在该第一频率范围内大于100％。

该介质定制区域可以相对于该波导轴线位于该芯与该限制区域之间。该色散定制区域可以包括在该波导轴线周围包围该芯的、能引入一个或多个附加模的一个或多个介质层。举例来说，这些层可以与该芯相邻、与该限制区域相邻、或者它们可以被一个或多个附加层与该芯或与该限制区域分隔。引入该一个或多个附加模的一个或多个介质层可以只包括惟一的一个介质层，而且一个介质层可以具有足以只引入一个附加模的厚度，或者它可以具有足以引入多个附加模的厚度。

该色散定制区域可以在该光子晶体中形成至少一个缺陷，以便将一个或多个附加模引入该第一频率范围。换句话说，由该色散定制区域引入的一个或多个模可以相当于该光子带隙中的一个或多个缺陷状态。该波导芯模与由该色散定制区域引入的一个或多个模之间的相互作用可以使该工作模在该第一频率范围内的一个频率子集合上穿越该光线。

该限制区域以及该色散定制区域可以包括在该波导周围包围该芯的、由两种具有不同折射率的介质材料构成的交替排列层。该较高折射率介质层的折射率与该较低折射率介质层的折射率之比可以大于1.1、大于1.5或者甚至大于2。该色散定制区域中的一层或多层的厚度可以与该限制区域中的相应层不同。举例来说，该色散定制区域中至少有一层可以具有能在该光子晶体中引入一个缺陷以便支持该第一频率范围内的一个或多个附加模的厚度。

该色散定制分布可以包括对长距离传输可能有用的、该第一频率范围内的一个零色散频率点。举例来说，该波导模可以是一个TE模。

该色散定制区域可以将多个附加模引入该第一频率范围，而且其中该波导模与该多个附加模相互作用来产生多个不连续的工作模，每个工作模都具有一个定制色散分布。举例来说，每个工作模可以在该第一频率范围内的不同频率上有一个零色散点。

该定制色散分布可以被用来进行色散补偿，并可以包括该第一频率范围内的一个第一频率点，该点具有绝对值大于200ps/(nm-km)、大于1,000ps/(nm-km)或者大于10,000ps/(nm-km)的色散D。D的符号可以为负亦可为正。该第一频率点的相对色散斜率的绝对值大于大约0.02nm^-1，或者甚至大于大约0.1nm^-1。该定制色散分布在该第一频率点的品质因数可以大于大约200ps/(nm-dB)，或者甚至大于大约500ps/(nm-dB)。该波导模可以是TE模、EH₁₁模以及HE₁₁模中的任何一种。

该限制区域、芯以及色散定制区域可以包括至少两个具有不同截面折射率分布的轴向分段。举例来说，这两个分段的截面分布可以实际相同，但相差一个比例因子(该因子可以大于大约1％、2％或5％)。

该波导的至少一个第一末端包括一个耦合分段，该分段上的折射率截面连续变化，以便改变该工作模的场分布。而且，可以有一个耦合到上述第一波导的第二波导，其中该第二波导的邻近该第一波导的截面包括含有掺杂硅的区域以便改善该工作模对该第二波导的耦合。另一种方法是，或者说除此以外，该第二波导的邻近该第一波导的截面可以包括一个与该第一波导的色散定制区域接触的空心环，从而改善该工作模到该第二波导的耦合。

在另一个方面，本发明包括一个光学电信系统，该系统包括有：用于传送至少一个第一光学信号的一个传输波导；以及一个色散补偿波导，它包括上述任何一种光波导，其中该色散补偿波导被耦合到该传输波导，而且具有一个经过选择的定制色散分布来补偿该传输波导带给该第一光学信号的色散。在该系统的某些实施例中，该传输波导可以传送多个各自具有相应频率的光学信号，而且其中该色散补偿波导的定制色散分布被选择得能补偿该传输波导带给每一个光学信号的色散。而且，在该系统的某些实施例中，该色散补偿纤维可以被放置在光学功率被设计得达到至少25dBm的系统之中。

一般来说，本发明的另一个方面的特点是一种对光学信号中的色散进行补偿的方法，该方法包括将该光学信号耦合到一个具有定制色散分布的光子晶体纤维。举例来说，该光子晶体纤维可以具有前面所述的任何一个特点。

一般来说，本发明的另一个方面的特点是一种对具有选定色散分布的色散补偿纤维进行设计的方法。该方法包括：(i)在一个初始波导设计中引入一个色散定制区域，该初始设计包括包围波导轴线的一个介质限制区域，该限制区域引导第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播，该初始设计还包括沿该波导轴线延伸的、被围绕该波导轴线的限制区域包围的一个介质芯区域，其中该介质限制区域包括具有光子带隙的一种光子晶体结构，而且其中该介质色散定制区域在该波导周围被该限制区域包围；以及(ii)选择该色散定制区域的折射率分布以便引进一个或多个该第一频率范围内的模，这些模与该波导模相互作用来产生一个具有该选定色散分布的工作模。该光子晶体色散补偿纤维可以具有前面所述的任何一个特点。

除非另作定义，这里所用的所有技术与科学术语与具有本发明所属技术的普通技能的人所共同理解的含义相同。尽管与这里所述方法及材料相似或等价的方法及材料也可以被用来实现或测试本发明，但下面将描述合适的方法与材料。这里提到的所有出版物、专利申请、专利以及其他参考资料均全部参考编入。如有冲突，将以本书面材料(包括定义)为准。此外，这些材料、方法以及示例只具有演示性质，并非打算加以限制。

从下面的详细说明与例图以及权利要求，可以很容易看出本发明的其他特点、目的以及优点。

附图说明

现在将仅仅借助示例并参考所附例图来对本发明作进一步说明。这些例图包括：

图1是具有定制色散分布的一个波导100的截面的一幅示意图。

图2是一个布雷格(Bragg)纤维波导200的截面的一幅示意图。

图3是具有全方向带隙的一个布雷格纤维波导的一条光子频带图。

图4是一个25层布雷格纤维的几个模的辐射损耗的一幅曲线图。

图5是该25层布雷格纤维的几个模的材料耗散损失的一幅曲线图。

图6是该25层布雷格纤维的模的有效折射率的一幅曲线图。

图7是该25层布雷格纤维的模的群速的一幅曲线图。

图8是该25层布雷格纤维的模的色散D的一幅曲线图。

图9是具有色散定制区域的一个布雷格纤维900的截面的一幅示意图。

图10是布雷格纤维900的模的有效折射率的一幅曲线图。

图11是布雷格纤维900的模的群速的一幅曲线图。

图12是一个色散补偿布雷格纤维的模的色散D的一幅曲线图。

图13是该色散补偿布雷格纤维的模的耗散损失的一幅曲线图。

图14是该色散补偿布雷格纤维的模的品质因数(FOM)的一幅曲线图。

图15是该色散补偿布雷格纤维在1.59微米的模的电场分布的一幅曲线图。

图16是该色散补偿布雷格纤维在1.55微米的模的电场分布的一幅曲线图。

图17是具有色散定制区域130的一个光子晶体纤维100的一个代表性频带图。

图18是具有多个工作模的、每个模具有一个定制色散分布的布雷格纤维的色散(圆圈)以及不具有色散定制区域的一个布雷格纤维的色散(虚线)的一幅对比图。

图19是具有多个工作模的布雷格纤维的色散D(上图)与耗散损失(下图)的曲线图。

图20是包括多个波导分段2010与2012的一个组合波导2000的一幅示意图。

图21是组合波导2000的集合色散D(实线)与各个单独分段的色散D(虚线)的一幅曲线图。

图22是光学电信系统的一幅示意图，该系统实现了文中所述的、具有定制色散分布的一个或多个波导。

具体实施方式

本发明的特点是具有定制色散分布的一个光子晶体纤维波导100。波导100的截面如图1所示，它包括一个沿波导轴线延伸的介质芯110、一个介质色散定制区域130以及一个包围该芯及该色散定制区域的介质限制区域120。限制区域120包括一种引导第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播的光子晶体结构。该限制原理的细节将在后面进一步加以说明。在没有色散定制区域130的情况下，芯110支持至少一个该第一频率范围内的波导模。色散定制区域130的存在引入至少一个该第一频率范围内的附加模，该附加模与该波导模相互作用来改变它的色散性质并产生一个具有该定制色散分布的工作模。波导100还可以包括一个包围该限制区域120的附加覆盖层140，以便对该波导提供整体结构支持。因为覆盖层140对该波导的光学性质(譬如辐射损耗及色散)实际不起作用，所以我们不对它作进一步讨论。

在随后的说明中，为了简化数字计算，我们假设纤维波导100具有一个圆形截面，其中芯110具有一个圆形截面，而且区域120与130具有环形截面。但是在其他的实施例中，该波导以及它的组成区域可以具有不同的几何截面，譬如矩形或六角形截面。而且，如同下面所说，芯区域110与周围区域120及130可以包含多种具有不同折射率的介质材料。在这些情况下，我们可以说到给定区域的一个“平均折射率”，它指该区域中各组成部分的加权折射率的和，其中每一个折射率按照它的组成部分在该区域中的面积份额进行加权。然而在所有情况下，区域110、120与130中任何区域之间的边界都根据折射率的变化来确定。该变化可能是由两种不同的介质材料的边界造成的，或者由相同介质材料中的不同杂质浓度(譬如硅中的不同杂质浓度)造成的。

我们首先描述不具有该介质色散定制区域的一个光子晶体波导纤维中的芯与限制区域。参看图2，一个光子晶体纤维200的截面具有一个沿波导轴线向纸平面外延伸的介质芯区域210，以及一个包围芯210的介质限制区域220，该限制区域包括由具有不同折射率的介质材料构成的交替排列层222与224。一个多层集合(譬如若干层222)形成了具有折射率n_hi与厚度d_hi的一个高折射率多层集合，而另一个多层集合(譬如若干层224)形成了具有折射率n_lo与厚度d_lo的一个低折射率多层集合，其中n_hi＞n_lo。为方便起见，图2只画了少量介质限制层。实际上，限制区域220可以包括更多的层(譬如20层或更多)。波导200的结构作为远距离传输纤维来说可以具有许多优点，这在2001年1月25日归档的、题为“Low-loss photonic crystal waveguide having large core radius”(具有大芯半径的低损耗光子晶体波导)的、共同拥有的美国申请(＿＿＿＿)中已有描述，特此参考编入。

介质限制区域220引导第一频率范围内的EM射线在介质芯210中沿该波导轴线传播。该限制原理以区域220中的光子晶体结构为基础，该结构形成一个包括该第一频率范围的带隙。因为该限制原理不是折射率引导，所以该芯不需要具有比紧邻该芯的限制区域部分更高的折射率。相反，芯210可以具有比限制区域220更低的折射率。举例来说，芯210可以是气体或真空。在这种情况下，在该芯中被引导的EM射线将具有比在硅芯中被引导的EM射线低得多的损耗与低得多的非线性相互作用，这反映许多气体相对于硅或其他这类固态材料而言具有较小的吸收以及非线性相互作用常数。举例来说，在另外的实施例中，芯210可以包括一种多孔的介质材料来为周围的限制区域提供结构支持，并同时形成一个主要为空气的芯。因此，芯210不需要具有均匀的折射率分布。

限制区域220的交替排列层222与224构成了一种被称为布雷格(Bragg)纤维的结构。这些交替排列层类似于平面介质组合反射镜(也被称为布雷格反射镜)中的交替排列层。限制区域220的环形层与介质组合反射镜的交替排列平面层都是光子晶体结构的示例。John D.Joannopoulos等人在 Photonic Crystals(光子晶体)(Princeton UniversityPress，Princeton NJ，1995)一书中对各种光子晶体结构做了概括性描述。

按照这里的用法，一个光子晶体是具有折射率调制的、在该光子晶体中产生一个光子带隙的一种介质结构。根据本文的用法，一个光子带隙是在该介质结构中不存在允许延伸状态(即传播、非局限状态)的一个频率范围。通常该结构是一种周期介质结构，但举例来说，它也可以包括较复杂的“准晶”。将该光子晶体与从该带隙结构获得的“缺陷”区域进行组合，该带隙就可以被用来限制、引导以及/或者局限光线。而且，对该带隙以下与以上的频率都存在允许延伸状态，从而甚至能使光线被局限在较低折射率区域之内(这与折射率引导的TIR结构正好相反)。术语“允许”状态是指那些与它们的耦合还未被该系统的对称性或守恒定律所禁止的状态。举例来说，在两维系统中，偏振是守恒的，所以只有那些具有相似偏振的状态才需要从该带隙中排除。在一个具有均匀截面的波导中(譬如典型的纤维)，波矢β是守恒的，所以为了支持光子晶体波导模，只有那些具有给定β的状态才需要从该带隙中排除。而且，在一个具有圆柱对称的波导中，“角动量”指数m是守恒的，所以只有那些具有相同m的模才需要从该带隙中排除。简而言之，与所有状态不管对称与否均要被排除的“完全”带隙相比，高度对称系统对光子带隙的要求是相当松的。

因而，介质组合反射镜在该光子带隙中具有强反射性，这是因为EM射线不能够通过该组件传播。类似地，限制区域220中的这些环形层之所以能提供限制是因为它们对该带隙中的入射线具有强反射性。严格地讲，只有当该光子晶体中的折射率调制具有无限范围时，一个光子晶体在该带隙中才是完全反射的。否则，入射射线能够通过与该光学晶体任一侧的传播模相耦合的易消失模“穿过”该光学晶体。但是实际上，这种穿透的速率随光子晶体厚度(譬如，随交替层的数量)增加而指数下降。它也随该限制区域中折射率差的幅值增加而下降。

此外，一个光子带隙只能在传播向量的一个相对小的区域上延伸。譬如说，一个介质组件对法向入射线可以具有强反射性，但对倾斜入射线只能部分地反射。一个“完全光子带隙”是一个在所有可能波矢与所有偏振上延伸的带隙。一般而言，一个完全光子带隙只与一个在三维方向上具有折射率调制的光子晶体相关。但是，在EM射线从一个相邻的介质材料入射到光子晶体的情况下，我们也能够定义一个“全方向光子带隙”，这是在该相邻介质材料能够支持各个传播EM模的所有可能波矢与偏振范围上的一个光子带隙。等价的定义方法是，一个全方向光子带隙可以被定义为针对该光线上方的所有EM模的一个光子带隙，其中该光线确定了与该光子晶体相邻的材料所支持的最低频率传播模。举例来说，在空气中该光线大约由ω＝cβ给定，其中ω是该射线的角频率，β是波矢，而c是光速。美国专利6,130,780中公布了一个全方向平面反射镜的描述，其内容特此参考编入。此外，在已出版的PCT申请WO 00/22466中公布了使用交替排列介质层来为圆柱波导几何形状提供(局限于平面的)全方向反射的方法，其内容特此参考编入。

当限制区域220中的交替排列层222与224对芯210产生一个全方向带隙时，这些波导模都会受到强烈限制，因为从原理上讲，从该芯入射到该限制区域的任何EM射线都会被完全反射。但如上所述，这种完全反射只是在具有无穷多层的情况下才会发生。在有限数量层(譬如大约20层)的情况下，对0°至80°范围内的所有入射角以及具有该全方向带隙中的频率的所有EM射线偏振，一个全方向光子带隙在平面几何形状中可以对应于至少95％的反射率。此外，即使波导200具有其带隙并非全方向的限制区域，它也仍然支持被强烈引导的模，譬如其辐射损耗在该带隙内的频率范围中低于0.1dB/km的模。一般来说，该带隙是否为全方向带隙，这将取决于该光子晶体的交替排列层产生的带隙的大小(它通常根据这两层的折射率的差来换算)以及最低折射率组成部分。

图3是波导200的一个频带图的一幅典型图形，其中角频率ω以2πc/a为单位表示，轴向波矢β以2π/a为单位表示，而a是该限制区域中高折射率层与低折射率层的复合厚度。暗色区域310对应于该限制区域中支持的模的连续光谱(其中该计算过程假设了一个无穷径向范围的限制区域，从而产生若干模的一个连续光谱)。各暗色区域之间的几个间隙对应于带隙区域，其中的线条对应于实际上被局限在该芯的波导模330。值得注意的是，图3包括了一个全方向带隙区域(淡阴影区域340)，因为对所有波矢而言，在光线350上方的带隙之内存在一个频率子集合。一个特定频率范围之内的波导模的数量取决于该芯的大小。但是值得注意的是，即使在该芯大得足够支持多个模的情况下，如果该波导被用在一个足够长的距离上，那么这多个模中的差动损耗通常也会导致“有效”单模运行。之所以产生该差动辐射损耗是因为每个模穿入该限制区域的程度通常是变化的。一般来说，最低损耗模是TE₀₁模，其中该模命名方法遵循金属波导中采用的惯例。

使该带隙大小取极大值、从而使射到该反射镜的场衰减率最大的布雷格反射镜的经典设计是“四分之一波组件”。在这样一种设计中，高折射率层的光学厚度等于低折射率层的光学厚度，这样就产生一个四倍于该层厚度的中心带隙波长。但是，该光学厚度取决于该入射角。在一个布雷格反射镜中，这些厚度通常按照法向入射光线选择，所以d_hi/d_lo＝n_in/n_hi。但是对于圆柱形波导200而言，希望的模通常沿该光线分布，而与这些模具有零群速的法向入射的β＝0点之间相差很远(其中β是沿波导轴线的波矢)。所以，使层222与224的参数对 $\mathrm{\ω}\≅\mathrm{c\β}$ 进行优化，其中该芯的折射率假设近似为1，那么四分之一波条件就相当于

$\frac{d_{\mathrm{hi}}}{d_{\mathrm{lo}}}=\sqrt{\frac{n_{\mathrm{lo}}^2-1}{n_{\mathrm{hi}}^2-1}}---\left(1\right)$

严格地讲，式(1)不是精确最优的，因为该四分之一波条件已经按照该圆柱几何形状进行了修正，这可能需要每层的光学厚度随它的径向坐标平滑地变化。而且，除了使中心带隙的场衰减极小化之外，还可能存在其他的设计准则(譬如使带宽上的平均非线性极小化)。但是一般说来，我们发现式(1)为优化许多希望的特性提供了极好的近似，特别是对于芯半径比中心带隙波长大许多倍的情况。

对波导200的一组合适的参数如下：一个半径R等于15.35微米的空心圆形芯以及一个限制区域，该限制区域包括由25层高折射率(n_hi＝2.8)与低折射率(n_lo＝1.5)玻璃(譬如硫属玻璃)交替排列的同心层，其厚度分别为0.153微米与0.358微米(即d_hi＝0.153微米与d_lo＝0.358微米)。较大的芯半径会导致大量的波导模。长距离传播中感兴趣的模通常是TE₀₁模，这是一种对该限制区域穿透最少、从而具有最低损耗的模。所有其他波导模都具有较高的衰减率，所以在长距离传播后可以忽略。TE₀₁模沿大约50％的频率范围延伸，其上、下均受带隙边缘约束。在整个频率范围内，它在光线的上方，所以(i)它不可能由TIR原理引导，而且(ii)它在该空气芯中不易消失。事实上，该模频率位于该光线上方小于0.25％的各个地方，这就意味着该限制区域的作用很小。举例来说，在该频率范围中部的中心带隙处，低于0.01％的光学功率在覆盖层之中。而且，该TE₀₁模是一个具有方位角对称性的m＝0模，所以它是一种不会产生偏振模色散(PMD)的单态。

图4对最低损耗模TE₀₁以及次最低损耗模TE₀₂显示了该25层波导的辐射损耗。引人注目的是，这些辐射损耗率充分低于传统的硅纤维，即使采用这么少的层也要低0.001dB/km。此外，TE₀₂模在整个范围内都具有明显较高的损耗。因而，如果这是占主导地位的损耗原因，那么TE₀₁模就应当成为主导传播模，而且可以在足够的传播长度上避免模态损耗。

但是，除了辐射损耗外，还存在由于材料吸收产生的材料吸收损耗。因为该芯是空心的，所以这种材料吸收比较小，但是，仍然存在该波导模的易消失分量穿入该限制区域所造成的吸收。最低损耗模仍然是TE₀₁与TE₀₂，这些材料吸收损耗如图5所示，其中我们假设在该限制区域内有一个0.1dB/m的材料损耗率，这是高折射率硫属玻璃的一个典型值。如图5所示，即使该限制区域具有比硅高1000倍的材料吸收，该25层波导中最低损耗模的有效吸收损耗也比硅中的损耗低0.005dB/km。另外，该25层波导中的次最低损耗模具有相当高的损耗(大约高3倍)，这个现象又可以被用作一个能有效产生单模特性的模态滤波器。基于类似的原因，该25层波导中的非线性相互作用对该最低损耗模而言大为降低，这是因为它的能量密度实际上局限在该空心的芯之内。

现在我们考虑该25层波导的色散性质。图6表示TE₀₁模的有效折射率n_eff＝βc/ω，图7表示它的群速ν_g＝dω/dβ。最后，图8表示该波导色散D，它的定义为

$D=-2\mathrm{\πc}\left(\frac{{\∂}^2\mathrm{\β}}{\∂{\mathrm{\ω}}^2}\right)/{\mathrm{\λ}}^2.$

在与该限制区域的带隙对应的补偿范围内，该波导的群速与色散相对不变，而且类似于一个具有相同芯半径的空心金属波导的数值(对应于图7与图8中的虚线)。另一方面，在该带隙的边缘，随着电磁能开始更深地穿入该限制区域，作为波长的函数的色散也剧烈变化。这一增强的穿透使得由该波导辐射看到的平均折射率增加，这就引起这个模的群速在接近这些边缘时的增加，并相应地引起波导色散的很大变化。如图8所示，该25层波导包括一个零色散点，而且还包括若干具有很大色散的点。这些点分别对于信号传输与色散补偿有用，但是由于它们接近该带隙边缘，所以损耗严重。下面将要进一步说明，在该芯与该限制区域之间引入一个色散定制区域就可以使这些点向损耗小得多的该带隙中央移动。

在描述包括该色散定制区域的实施例之前，我们要指出，对这里公布的任何实施例，该介质限制区域都可以包含与多层布雷格设计不同的光子晶体结构。举例来说，可以不采用作为(局限于平面的)一维周期光子晶体的一个示例的布雷格设计，而将该限制区域选择得能形成(局限于平面的)两维周期光子晶体，譬如与蜂房结构对应的一种折射率调制。对此可以参见R.F.Cregan et al，Science  285：1537-1539，1999。

图9表示光子晶体纤维900的一个截面，它包括一个介质芯区域910以及一个介质限制区域920，该限制区域包括由不同折射率的介质材料构成的交替排列层922与924。纤维900与纤维200完全相同，但邻近芯910的最初的几层928中的一层或多层的厚度发生变化以便形成一个色散定制区域930。与图2相同，为方便起见，图9只显示限制区域920中一开始的几个耦合层。

通过改变928所代表的这些层的厚度，该芯中的波导模(譬如TE₀₁模)就会在该波导波长的一个子集合上更深地穿入这些交替排列层。这个子集合的特定范围取决于层928的厚度变化，这种变化可以选择得能将该子集合置于该带隙之内。这个增强的穿透引起波导模的群速的局部下降，从而相对于波导200而言引入了额外的负色散。结果，在与对该色散定制区域的贯穿加强相对应的波长附近，从波导900的波导模得到的一个工作模的色散就可以变为零。举例来说，设最靠近内部的两层的厚度(分别从0.358微米与0.153微米)变为0.256微米与0.137微米，图10与图11就分别显示了所得波导的有效折射率及群速(实线)与该波导原始参数(虚线)的关系。图11表示，作为波长函数的群速在1.55微米附近是平坦的，这相当于该带隙中部的一个零色散点。此外，厚度的这种变化可以使得一个主要局限在层928中的模穿入该芯，并导致该群速的局部增加，而且与波导200相比还引入了额外的正色散。

定性地讲，层928的厚度的变化(在这个示例中，它相当于引入色散定制区域930)在限制区域920的光子晶体结构中产生缺陷，并使局限在缺陷928的区域内的一个缺陷模进入该带隙。该缺陷模与该芯中的至少一个波导模(譬如TE₀₁模)相互作用来改变它的色散关系ω(β)，并形成一个具有定制色散分布的工作模。

在另一个示例中，可以对层928的厚度进行优化以便在该带隙中部(即大约1.55微米处)产生很大的色散。特别是，图12在1.55微米附件对纤维900显示了作为波长函数的色散D，其中最内部的高折射率层(n＝2.8)的厚度是0.376微米，其余高折射率层(n＝2.8)的厚度是0.173微米，低折射率层(n＝1.5)的厚度是0.406微米(其中该工作模由该芯中的TE₀₁模获得)。如图12所示，这些参数在大约15.0nm的带宽上产生一个色散D＝-41,000ps/(nm-km)。在相同波长范围内由层928中的材料吸收引起的耗散(以及该限制区域的随后各层中低得多的耗散)如图13所示，在图中我们再次假设这些覆盖层中的材料耗散率为0.1dB/m。这样就得到该15nm带宽上在1,300ps/(nm-dB)至3,200ps/(nm-dB)之间变化的品质因数(FOM)，见图14。

在这个示例中，一个基本局限在该芯的模与一个由平均折射率明显高于该芯折射率的色散定制区域引入的、实际上的局部模之间的相互作用引起了这个大的色散。这种相互作用产生了具有该定制色散性质的工作模。随着该波长的变化，该工作模的特性也从一个基本局限于该芯的模变为一个延伸到该色散定制区域的模。举例来说，图15与图16表示该示例中波长分别为1.59微米与1.55微米时该工作模的电场分布。

在另外的实施例中，可以通过改变与该芯相隔许多层的一层或多层厚度来形成该色散定制区域。换句话说，构成该色散定制区域的“缺陷”可以在原来的限制区域的中部。在这种情况下，我们认为该色散定制区域包括从该芯到引入该缺陷的各层(并包括引入该缺陷的各层)。包围该缺陷的其余的层构成该限制区域，并为其中的这些介质区域形成该带隙。此外，在另外的实施例中，不是改变这一层或多层的厚度，或者说除了改变这一层或多层的厚度之外，还可以通过改变这一层或多层的折射率来构成该色散定制区域。在另一些实施例中，该色散定制区域可以具有比围绕该波导轴线的一层或多层更加复杂的几何形状。举例来说，在该限制区域涉及具有两维折射率调制的一种光子晶体结构的情况下(譬如蜂房结构)，该色散定制区域可以是能在那个折射率调制中引入缺陷的一个介质区域。

所以一般说来，该介质色散定制区域是一个被该限制区域包围的区域，它向该限制区域的带隙引入至少一个模，这个模与波导芯模相互作用以便产生具有该定制色散分布的工作模。我们要指出，在某些实施例中，该色散定制区域还可以包括多个不连接的子区域。定性地说，对波导100，可以参考图17所示的示意频带图来理解这种相互作用，作为示例，图中假设该芯的平均折射率低于该色散定制区域的折射率。参看图17，该限制区域界定了至少一个光子带隙1700。在没有该色散定制区域的情况下，该限制区域就在该带隙中引导该芯内的至少一个芯模1710(虚线)。这个芯模在光线1720的上方。如果不存在任何与芯模1710的相互作用，那么该色散定制区域就向该带隙引入至少一个缺陷模1730(虚线)。因为该缺陷模具有大于该芯的平均折射率，所以该缺陷模可以穿越光线1720。在缺陷模位于光线1720下方的频率处，该缺陷模是一个实际上局限于该色散定制区域内的表面态。该表面态被该限制区域的光子带隙有效地限制在一侧，被来自该芯的总体内部反射限制在另一侧。忽略这些模之间的相互作用，我们就可以将模1710与1730称为“非扰动模(unperturbed mode)”。如图17所示，这些非扰动模在频率与波矢构成的空间内的区域1750中互相穿越。正是在区域1750中，这些非扰动模事实上彼此相互作用而形成该波导的实际模。特别是，该相互作用产生了一个较低频混合模1760(实线)，它是波矢的函数，其特性在类似芯与类似缺陷的模之间变化。图17显示了混合模1760中的一个拐点，它相当于一个零色散点。而且，混合模1760延伸到光线1720下方，在这里它是一个表面态。

附加的波导模也可以与缺陷模1730相互作用。举例来说，图17显示了一个与缺陷模1730相互作用的附加“非扰动”芯模1712。结果存在三个混合模：上述的低频混合模1760与混合模1762及1764(均为实线)。混合模1764的特性在较小波矢处从非扰动缺陷模1730的特性开始，在较大波矢处变化到非扰动芯模1712的特性。混合模1762的特性在较小波矢处由非扰动芯模1712的特性开始，在中间波矢范围上变化到非扰动缺陷模1730的特性，在较大波矢处再变化到非扰动芯模1710的特性。值得注意得是，混合模1762与1764也显示一个拐点以及色散的急剧变化。此外，混合模1762的特性由一个类似芯的模变化到该光线上方相空间内的一个类似缺陷的模。混合模1760、1762与1764中的任何一个模都可以被用来作为光学传输与/或色散补偿的一个工作模。

在另一些实施例中，还能够调整色散定制区域130的参数来生成多个各具有一个定制色散分布的工作模。举例来说，该色散定制区域可以做得足够大(譬如与该芯尺寸相当)以便引入多个缺陷模，每个缺陷模都与一个波导芯模互相作用来产生这多个工作模。在下面的示例中，我们为波导100准备能够提供多个工作模、而每个工作模都在不同波长上具有一个零色散点的参数。这样的一个波导可以被用在每个波长信道对应于一个零色散点的WDM传输系统中。如果有必要，这些信道可以相距足够远以便限制由于非线性相互作用一一譬如四波混合(FWM)——所造成的信道串扰。

在这个特定示例中，该结构已经过优化以便在γ₀≈1239、1308、1387、1477、1579、1697、1834与1992nm产生零色散点。这些参数值如下：i)半径14.84μm的空气芯(n＝1)，它形成芯区域110；ii)包围该芯的、n＝1.5的一个介质层，其9.9μm的厚度形成色散定制区域130；以及iii)分别具有折射率n＝2.8/1.5、厚度0.148/0.347μm的34个交替排列层，它们形成限制区域120。

如同前面的示例一样，在没有该色散定制区域的情况下，该芯支持至少一个由该限制区域沿该波导轴线引导的模。而且，即使在该芯支持多个模的情况下，这多个模之间的差动损耗通常也会产生一个在该波导足够长时能保留最低损耗芯模(譬如传TE₀₁模)的模态滤波器，从而实际上提供单模运行。在具有该色散定制区域的情况下，这个芯模与由该色散定制区域引入的、部分地在该色散定制区域中被引导的若干缺陷模相互作用。结果，我们采用该波导芯模与这多个缺陷模之间的相互作用来产生若干不连续的工作模，并迫使每个工作模具有一个其中色散D穿过零点的区域。更一般地讲，我们可以采用该相互作用来定制该工作模的色散关系ω(β)。图18将TE₀₁芯模的、忽略了与该色散定制区域的任何相互作用的有效折射率(粗虚线)与考虑到与这些缺陷模的相互作用时所得的该多个工作模的有效折射率(圆圈)加以比较。很明显，每个工作模都趋向于该芯模的特性，直到与该色散定制区域的模的相互作用迫使它发生改变为止。

所以，这些芯模与那些至少部分地在该色散定制区域中被引导的模之间的相互作用就产生了这些所得到的工作模具有混合特性的若干区域。特别是，这些工作模被迫具有某些波长，在这些波长上它们的特性实际上就像一个被引导通过该色散定制区域的模，它们还被迫具有其他波长，而在这些其他波长上它们的特性就像一个芯模。这种不连续特性使得这些工作模在多个波长上具有希望的特性。所以在这个示例中，该色散定制区域的存在产生了多个工作模，它们使该场从该低折射率的芯振荡穿入该高折射率的色散定制区域。

图19表示这多个工作模的色散(上图)以及耗散损失(下图)。在进行损耗计算时假设了材料损耗大约为0.1dB/m，这对硫属玻璃而言是能够获得设想的高折射率的典型值。

这个示例中的波导的一个额外优点是，该多个工作模的不连续性产生了一类“通道间”色散，其中不同工作模以不同的速度穿过它们的零色散点。所以，虽然每个单独的波长信道看见“零”色散，但这多个信道没有获得相位匹配，所以使非线性影响达到最小。此外，在这个示例中，该色散定制区域不仅被用来控制零色散波长的数量与位置，而且被用来将这些波长处的色散斜率控制与限制在35ps/(nm²km)以下，从而使得在每个WDM波长信道中变宽的高阶脉冲极小化。

在其他的实施例中，可以优化该色散定制区域的厚度，以使该多个工作模中的每一个在一个相应的WDM波长信道中具有一个大的色散值与一个小的耗散损失。在另一些实施例中，上述多工作模波导的限制区域可以用一个基于折射率引导TIR原理的限制区域来代替。在这些实施例中，该限制区域可以包括一个折射率低于该芯与该色散定制区域的单独介质层。

所以，多工作模波导的特征可以总结如下：i)一个芯区域，它支持单模或多模特性；ii)一个色散定制区域，它支持能量从该芯模周期穿入该色散定制区域以便产生该多个工作模；以及iii)一个光子晶体或折射率引导的限制区域，它实际上将光线局限在该芯与色散定制区域之内。

我们要指出，在上述的所有色散计算中，我们只计算了波导色散而忽略了材料色散。这种材料色散的精确值将取决于所讨论的准确材料构成以及工作模频率。但是一般说来，相对于波导色散中由该色散定制区域引起的、能够区分的变化值而言，任何材料色散的值都很小(譬如说，大约30ps/(nm km))。所以，无论波导的一个特定实现中的材料色散如何，它通常只在该波导的总体色散中引起一个很小的偏移，在设计该色散定制区域时可以很容易加以解决。

一般来说，技术中已知的计算方法都可以被用来确定这里描述的介质波导的模态性质。此外，迭代计算方法也可以被用来确定能优化所选波导性质的波导技术指标。下面我们概述作为这种计算的基础的某些基本物理性质。特别是，结构所支持的EM模可以根据麦克斯韦尔(Maxwell)方程以及该结构的边界条件来进行数值求解。此外，对全介质的、各向同性的结构，麦克斯韦尔方程可以被简化成

$\▿\×(\frac{1}{\mathrm{\ϵ}\left(r\right)}\▿\×H\left(r\right))=\left(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c^2}\right)H\left(r\right)---\left(2\right)$

·H(r)＝·E(r)＝0                    (3)

$E\left(r\right)=\left(\frac{-\mathrm{ic}}{\mathrm{\ω\ϵ}\left(r\right)}\right)\▿\×H\left(r\right)---\left(4\right)$

其中H与E分别是宏观磁场与电场，ε是该结构的标量介电常数。为求解这样一种结构的EM模，需要在发散方程(3)的制约下求解由式(2)给定的特征值方程(其中H是特征函数，ω²/c²是特征值)来给出H。此后，就可以根据式(4)从H确定E。

对称性常常可以被用来简化计算。譬如说，对于这里所说的许多特定示例，我们可以假设沿该波导轴线的连续平移对称性(即均匀截面)，并将该轴线标记为z轴。当然，在实际中，这些结构与这种均匀性可以有小的差别。而且，这些结构会具有有限的空间范围。尽管如此，根据在相对于该波导直径而言相当大的长度上具有均匀截面的假设，该波导支持的EM模可以被示意性地写作F(x，y，z)＝exp[i(βz-ωt]F(x，y)，其中F是该电磁场分量中的任意一个分量。F的表达式中的参数β是沿该波导轴线的波矢。

上述的多层波导可以采用多层协同拉伸技术、协同挤压技术或沉积技术来制造。合适的高折射率材料可以包括硫属玻璃，譬如二组分及三组分玻璃系列、重金属氧化物玻璃、非晶质合金以及高折射率掺杂聚合物。合适的低折射率材料可以包括氧化物玻璃，譬如硅硼玻璃、卤化物玻璃以及聚合物(如聚苯乙烯)。此外，低折射率区域可以采用空心结构支持材料(譬如硅球或空心纤维)来制造，以便隔离若干高折射率层或区域。

在所有上述特定的实施例中，我们已经假设该波导沿该波导轴线具有均匀截面。但是，在另一些实施例中，该波导截面可以不保持均匀。举例来说，参看图20，一个复合波导2000包括具有不同折射率截面的多个分段2010与2012。复合波导2000还可以包括分段2010与2012之间的一个耦合分段2014，其中该耦合分段2014的折射率截面在分段2010与2012的折射率截面之间平滑变化，以便隔热连接分段2010与2012中支持的模。复合波导2000中的多个分段提供了用于定制它的集合色散的附加自由度。所以，每个分段都可以被选择得能对复合波导的集合色散提供特定的份额。

在一个示例中，分段2010与2012可以具有完全相同的折射率截面，但相差一个统一的比例因子，譬如说，相对于分段2010中的相应区域而言，分段2012中的芯与层厚度的每一个都要用一个常量进行调整。这样一种调整可以通过改变形成该多层波导的多层挤压过程中的拉伸速度来实现。举例来说，一个第一拉伸速度可以被用来形成该第一分段，从该第一拉伸速度到第二拉伸速度的平稳转变可以被用来形成该耦合分段，而该第二拉伸速度可以被用来形成该第二分段。

在各分段之间采用一个统一的比例因子在分析意义上特别有用，这是因为每个分段的色散性质可以据此进行换算。从可按比例换算的麦克斯韦尔方程可以直接得到这个结论。结果，如果一个波导对该波导支持的每个模“n”具有色散函数D_n(λ)，而且该波导的折射率截面的尺寸按照因子“c”统一换算，那么对该换算后的结构所得的色散函数应当为D_n(λ/c)/c。结果，一个单独的色散曲线就可以被用来产生完整的一组具有类似形状、但具有不同比例因子的色散曲线。所以，我们就可以将与彼此之间比例稍有不同的多个分段(譬如2010与2012)相对应的多条曲线加到一起来优化复合波导2000的总体性能。

举例来说，在图21中，我们显示了复合波导的集合色散(实线)，该复合波导包括一个其折射率截面与前面参考图10至图16所述结构完全相同的第一分段，以及一个具有相同折射率截面但相差一个比例因子1.0275的、等长的第二分段。图21中也显示了这些单独分段的色散曲线(虚线)。图21表明，色散补偿的带宽可以从15.0nm加宽到28.5nm。更一般地说，该示例显示了在一个较大的波长范围上生成一个定制集合色散曲线的附加自由度。特别是，按照系统的方式将几个色散曲线加到一起，就可以定制该集合色散曲线以便在一个宽波长范围内匹配并补偿任意色散分布。所以举例来说，该方法可以被用来在WDM传输纤维的多个波长信道中的每一个信道上提供色散补偿。而且，该方法可以被用来在一个更大的带宽上优化该FOM，这是因为这些不同的分段将具有不同的耗散损失。举例来说，在上述复合波导情况下，该带宽增加2倍，但是该带宽中的最低品质因数从1300ps/(nm-dB)只下降到970ps/(nm-dB)。

我们要指出，尽管这些复合纤维为匹配色散分布提供了额外的自由度，但另一方面，具有单一均匀截面的色散补偿纤维也可以被用来匹配希望的色散分布。特别是，这里所描述的光子波导纤维不仅提供很大的色散绝对值，而且它们也在该波导频率范围内提供一个宽范围的色散斜率，譬如图12所示。此外，前面几节中描述的比例原则可以被用来调整该光子波导的长度比例，从而将希望的斜率调节到特定的波长范围。一旦该色散斜率得以匹配，就可以选择该色散补偿纤维的一个单一长度来实际抵消那个波长范围上的色散。

这里描述的光波导可以被用于光学电信系统。图22表示一个光学电信系统2200的一幅示意图，它包括一个源节点2210与一个探测节点2220，它们由一个光学传输线2230耦合。该光学传输线可以包括一段或多段传输纤维2232以及一段或多段色散补偿纤维2234。源节点2210可以是沿该传输线传送的光学信号的原始光源，或者它可以是一个将该光学信号重新定向到传输线2230、对它进行光学放大以及/或者对其进行电气探测并进行光学再生的中间节点。此外，源节点2210可以包括用于对不同波长的多路光学信号进行多路传输或多路分解的部件。类似地，探测器节点2220可以是沿该传输线传输的光学信号的最终目的地，或者它可以是一个重新定向、光学放大以及/或者电气探测并光学再生该光学信号的中间节点。另外，探测器2220还可以包括用于对不同波长的多路光学信号进行多路传输或多路分解的部件。该色散补偿纤维的位置可以被安排得能对该光学信号中由于该传输纤维引起的色散进行预补偿或后补偿。此外，沿该传输线传输的光学信号可以是包含具有相应波长的多路信号的一个WDM信号。该系统合适的波长包括大约1.2微米至大约1.7微米的范围内的波长，这相当于今天使用的许多长途系统，还包括大约0.7微米至大约0.9微米的范围内的波长，这相当应于当前正在考虑的某些都市系统。

在该系统的某些实施例中，该传输纤维可以是这里描述的波导中的一种。举例来说，该传输纤维可以是上述的具有色散定制区域的一种波导，该色散定制区域能够引导该光学信号并在该波导光学信号的一个或多个波长上产生零色散。举例来说，当这些光子晶体波导被用作该传输线时，将(绝大部分光能所集聚的)该芯材料选成具有很小非线性相互作用系数的材料(譬如该芯可以是空心的)就能使引起信道串扰的非线性相互作用变得很小。因为该非线性相互作用很小，所以系统2200就可以在具有很小色散或者零色散的波长上运行。此外，如果采用在多个波长上具有零色散的波导，那么这多个波长上的群速差就可以限制由非线性相互作用引起的信道串扰。另外，为了限制由非线性相互作用引起的信道串扰，与多个零色散波长对应的波长可以相隔得足够远。所以，如果使用这里描述的波导作为传输线，那么该传输线就能够对该WDM信号的一个或多个波长信道按照零色散(或者至少非常小的色散)运行。因而，色散补偿也许不再必要，从而也不再需要色散补偿纤维2234。虽然如此，对那种少量色散最终将会被积累起来、长度很大的光学传输纤维，仍然可以使用色散补偿纤维。

在该系统的另一些实施例中，该色散补偿纤维可以是这里描述的波导中的一种。举例来说，这种纤维中的色散定制区域可以选择得能够产生很大的色散绝对值，譬如说大于200ps/(nm-km)的值，这与如今可以购得的色散补偿纤维相当。而且，这里描述的纤维可以产生大得多的色散值，譬如大于1,000ps/(nm-km)，甚至大于10,000ps/(nm-km)。这里描述的纤维可以被设计得在很大带宽(譬如带宽大于大约10nm，或者甚至大于100nm)上与一个希望的色散匹配。此外，这里描述的波导的耗散损失可以相对于它们造成的色散而言做得很小。举例来说，这里描述的色散补偿纤维的品质因数(FOM)可以在大于10nm的带宽上高于200ps/(nm-dB)，或者甚至高于500ps/(nm-dB)。如果这里描述的色散补偿纤维被用于系统2200，那么该传输纤维可以相当于传统的折射率引导纤维(譬如硅光学纤维)，或者它们可以相当于这里描述的传输纤维。该补偿方案可以包括预补偿、后补偿以及内嵌补偿中的一项或多项。

最后，我们简单地说明这里描述的传输及色散补偿纤维与连接到它们各端的相邻纤维及/或光学系统之间的耦合。一般而言，彼此相连的纤维的各个模之间的耦合效率正比于该第一纤维的一个模与该第二纤维的一个模在空间上的重叠程度。在这里描述的光子晶体纤维中，该最低损耗模通常与TE₀₁模相关。所以，在该光子晶体纤维具有很大长度的应用情况下，最好采用TE₀₁模运行。另一方面，对色散补偿而言通常不需要很大的纤维长度。所以，对色散补偿而言，最好采用能使该色散补偿纤维与该传输纤维之间的耦合极小的模运行。举例来说，折射率引导的硅纤维通常采用双退化的HE₁₁模(打个比方说，它们可以相当于该芯中央的线性偏振光)运行。这样一种模可能与具有方位角对称性、电场分布在距该芯中央距离处取极大值的TE₀₁模没有太多重叠。然而，这里描述的光子晶体纤维也支持EH₁₁或HE₁₁波导模态，它也与传统光学纤维中的HE₁₁模没有太多重叠。所以，色散定制区域可以被选得能与那个模相互作用以便产生具有希望色散性质的工作模。

另一种方法是，或者说除此之外，一个模耦合区域可以被用来优化第一纤维中的一个第一模与第二纤维中的一个第二模之间的耦合。举例来说，为了将来自这里描述的一种光子晶体纤维的一个m＝1工作模耦合到硅光学纤维的HE₁₁模，该硅纤维可以包括一个模耦合区域，该区域的折射率截面随轴向位置而变化以便使该工作模被平滑耦合到该HE₁₁模。在一个示例中，该耦合区域可以具有一个空心环形截面，它在该环形截面内用折射率引导光线，并随后沿该轴线方向充满以便形成一条传统光纤。该环的直径与厚度应当被选得能优化来自该工作模的耦合，该工作模的场分布在距该芯中央的距离处取极大值。在另一个示例中，该耦合区域中的硅纤维的截面可以掺入杂质来优化耦合，举例来说，这种掺杂可以形成一个环形图案。该掺杂图案应当在该耦合区域的轴向范围逐渐消失。此外，在其他实施例中，它可以是包含该耦合区域的光子晶体纤维。

我们已经描述了本发明的许多实施例。不过应当理解，可以进行各种修改而不偏离本发明的精神与范围。所以，其他实施例也在如下权利要求的范围之内。

Claims (95)

1、一个具有带有定制色散分布的工作模的光波导，该波导包括：

包围波导轴线的介质限制区域，该限制区域包括具有至少一个光子带隙的一个光子晶体，其中该限制区域在运行期间引导第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播；

沿该波导轴线延伸的、被围绕该波导轴线的限制区域包围的介质芯区域，其中该芯支持至少一个该第一频率范围内的波导模；以及

被围绕该波导轴线的限制区域包围的介质色散定制区域，其中该色散定制区域引入一个或多个该第一频率范围内的附加模，它们与该波导模相互作用来产生该工作模。

2、权利要求1的波导，其中该芯具有一个低于该介质限制区域内最高折射率组成部分的折射率的平均折射率。

3、权利要求1的波导，其中该芯的平均折射率低于1.1。

4、权利要求1的波导，其中该芯包括气体。

5、权利要求1的波导，其中该限制区域包括至少两种具有不同折射率的介质材料。

6、权利要求5的波导，其中较该高折射率介质材料的折射率与该较低折射率介质材料的折射率的比大于1.1。

7、权利要求6的波导，其中该较高折射率介质材料的折射率与该较低折射率介质材料的折射率的比大于1.5。

8、权利要求7的波导，其中该较高折射率介质材料的折射率与该较低折射率介质材料的折射率的比大于2。

9、权利要求5的波导，其中该限制区域内的两种介质材料构成该光子晶体。

10、权利要求1的波导，其中该光子带隙是一个全方向光子带隙。

11、权利要求1的波导，其中该光子带隙足以使该第一频率范围内从该芯入射到该限制区域的、具有任何一种偏振的EM射线对平面几何形状具有反射性，该反射率对0°到至少80°范围的入射角大于95％。

12、权利要求1的波导，其中该光子晶体是一个两维周期光子晶体。

13、权利要求1的波导，其中该光子晶体是一个一维周期光子晶体。

14、权利要求5的波导，其中该限制区域包括由两种介质材料构成的、在该波导周围包围该芯的交替排列层。

15、权利要求14的波导，其中该交替排列介质层的折射率与厚度足以产生该光子带隙。

16、权利要求15的波导，其中该光子带隙是一个全方向光子带隙。

17、权利要求15的波导，其中该交替排列介质层中至少某些层的折射率与厚度实际满足如下等式：

$\frac{d_{\mathrm{hi}}}{d_{\mathrm{lo}}}=\sqrt{\frac{n_{\mathrm{lo}}^2-1}{n_{\mathrm{hi}}^2-1}}$

其中d_hi与d_lo分别为相邻的较高折射率层与较低折射率层的厚度，n_hi与n_lo分别为相邻的较高折射率层与较低折射率层的折射率。

18、权利要求15的波导，其中该限制区域包括至少12对这种交替排列介质层。

19、权利要求15的波导，其中该限制区域包括足够数量的成对交替排列介质层，以便在该第一频率范围内的频率上将该波导模的辐射损耗限制在1dB/m以下。

20、权利要求15的波导，其中该限制区域包括足够数量的成对交替排列介质层，以便在该第一频率范围内的频率上将该波导模的辐射损耗限制在0.1dB/m以下。

21、权利要求1的波导，其中该第一频率范围相当于大约1.2微米到1.7微米范围内的波长。

22、权利要求1的波导，其中该第一频率范围相当于大约0.7微米到0.9微米范围内的波长。

23、权利要求1的波导，其中该第一频率范围的带宽与该第一频率范围的中心频率的比至少为大约10％。

24、权利要求1的波导，其中该波导轴线实际是直线。

25、权利要求1的波导，其中该芯具有圆形截面。

26、权利要求1的波导，其中该芯具有六角形截面。

27、权利要求1的波导，其中该芯具有矩形截面。

28、权利要求1的波导，其中该工作模的有效折射率的变化在该第一频率范围上大于10％。

29、权利要求1的波导，其中该工作模的有效折射率的变化在该第一频率范围上大于50％。

30、权利要求1的波导，其中该工作模的有效折射率的变化在该第一频率范围上大于100％。

31、权利要求1的波导，其中该介质定制区域相对于该波导轴线位于该芯与该限制区域之间。

32、权利要求31的波导，其中该色散定制区域包括在该波导周围包围该芯的、引入一个或多个附加模的一个或多个介质层。

33、权利要求32的波导，其中引入该一个或多个附加模的一个或多个介质层与该芯相邻。

34、权利要求32的波导，其中该色散定制区域包括至少一个位于该芯与引入该一个或多个附加模的一个或多个介质层之间的附加介质层。

35、权利要求32的波导，其中引入该一个或多个附加模的一个或多个介质层与该限制区域相邻。

36、权利要求32的波导，其中该芯界定了一束光线，而且其中该波导芯模与该色散定制区域引入的一个或多个模之间的相互作用使该工作模在该第一频率范围内的一个频率子集合上穿越该光线。

37、权利要求1的波导，其中由该色散定制区域引入的一个或多个模相当于该光子带隙内的一个或多个缺陷状态。

38、权利要求32的波导，其中引入该一个或多个附加模的一个或多个介质层只包含一个介质层。

39、权利要求38的波导，其中该惟一的一个介质层具有只支持一个附加模的厚度。

40、权利要求38的波导，其中该惟一的一个介质层具有支持多个附加模的厚度。

41、权利要求1的波导，其中该色散定制区域在该光子晶体中形成至少一个缺陷，以便将该一个或多个附加模引入该第一频率范围。

42、权利要求31的波导，其中该限制区域与该色散定制区域包括由两种具有不同折射率的介质材料构成的、在该波导轴线周围包围该芯的交替排列层。

43、权利要求42的波导，其中该较高折射率介质层的折射率与该较低折射率介质层的折射率的比大于1.1。

44、权利要求43的波导，其中该较高折射率介质层的折射率与该较低折射率介质层的折射率的比大于1.5。

45、权利要求44的波导，其中该较高折射率介质层的折射率与该较低折射率介质层的折射率的比大于2。

46、权利要求42的波导，其中该色散定制区域中的一层或多层的厚度不同于该限制区域中相应层的厚度。

47、权利要求42的波导，其中该色散定制区域中至少有一层具有在该光子晶体中引入一个缺陷以便支持该第一频率范围内的一个或多个附加模的厚度。

48、权利要求1的波导，其中该芯具有一个实际上均匀的折射率。

49、权利要求1的波导，其中该定制色散分布包括该第一频率范围内的一个零色散频率点。

50、权利要求49的波导，其中该波导模是一个TE模。

51、权利要求49的波导，其中该第一频率范围相当于大约1.2微米到1.7微米范围内的波长。

52、权利要求49的波导，其中该第一频率范围相当于大约0.7微米到0.9微米范围内的波长。

53、权利要求1的波导，其中该色散定制区域将多个附加模引入该第一频率范围，而且其中该波导模与该多个附加模相互作用来产生多个不连续的、各具有一个定制色散分布的工作模。

54、权利要求53的波导，其中这些工作模中的每一个在该第一频率范围内的一个不同的频率上具有一个零色散点。

55、权利要求53的波导，其中该第一频率范围相当于大约1.2微米到1.7微米范围内的波长。

56、权利要求53的波导，其中该第一频率范围相当于大约0.7微米到0.9微米范围内的波长。

57、权利要求1的波导，其中该定制色散分布包括一个该第一频率范围内的第一频率点，它具有一个绝对值大于200ps/(nm-km)的色散D。。

58、权利要求57的波导，其中该定制色散分布包括一个该第一频率范围内的第一频率点，它具有一个绝对值大于1,000ps/(nm-km)的色散D。。

59、权利要求57的波导，其中该定制色散分布包括一个该第一频率范围内的第一频率点，它具有一个绝对值大于10,000ps/(nm-km)的色散D。

60、权利要求57的波导，其中D的符号为负。

61、权利要求57的波导，其中D的符号为正。

62、权利要求57的波导，其中该第一频率点的相对色散斜率具有大于大约0.02nm^-1的绝对值。

63、权利要求62的波导，其中该第一频率点的相对色散斜率具有大于大约0.1nm^-1的绝对值。

64、权利要求57的波导，其中该定制色散分布在该第一频率点具有一个大于大约200ps/(nm-dB)的品质因数。

65、权利要求64的波导，其中该定制色散分布在该第一频率点具有一个大于大约500ps/(nm-dB)的品质因数。

66、权利要求57的波导，其中该第一频率范围相当于大约1.2微米到1.7微米范围的波长。

67、权利要求57的波导，其中该第一频率范围相当于大约0.7微米到0.9微米范围的波长。

68、权利要求57的波导，其中该波导模是一个TE模。

69、权利要求57的波导，其中该波导模是一个EH₁₁模。

70、权利要求57的波导，其中该波导模是一个HE₁₁模。

71、权利要求1的波导，其中该限制区域、芯以及色散定制区域包括至少两个具有不同截面折射率分布的轴向分段。

72、权利要求71的波导，其中这两个分段的截面分布实际相同，但相差一个比例因子。

73、权利要求71的波导，其中该比例因子大于1％。

74、权利要求1的波导，其中该波导的至少一个第一末端包括一个耦合分段，该耦合分段上的折射率截面连续变化来改变该工作模的场分布。

75、权利要求1的波导，它还包括一个耦合到上述第一波导的第二波导，其中该第二波导的邻近该第一波导的截面包括含有掺杂硅的区域，以便改善该工作模到该第二波导的耦合。

76、权利要求1的波导，它还包括一个耦合到上述第一波导的第二波导，其中该第二波导的邻近该第一波导的截面包括一个与该第一波导的色散定制区域接触的空心环，从而改善该工作模到该第二波导的耦合。

77、一个光学电信系统，它包括：

用于传送至少一个第一光学信号的传输波导；以及

色散补偿波导，它包括权利要求1的光波导，其中该色散补偿波导被耦合到该传输波导，而且它具有选择得能够补偿该传输波导带给该第一光学信号的色散的一个定制色散分布。

78、权利要求77的系统。其中该传输波导在运行期间传送各具有一个相应频率的多个光学信号，而且其中该色散补偿波导的定制色散分布被选择得能够补偿该传输波导带给该第一光学信号的色散。

79、权利要求77的系统。其中该色散补偿纤维位于光学功率被设计得达到至少25dBm的系统内部。

80、一种用于对光学信号中的色散进行补偿的方法，该方法包括：

将该光学信号耦合到一个具有定制色散分布的光子晶体纤维。

81、权利要求80的方法，其中该光子晶体纤维包括一个内含一个一维周期光子晶体的限制区域。

82、权利要求80的方法，其中该光子晶体纤维包括一个内含一个两维周期光子晶体的限制区域。

83、一种对具有选定色散分布的色散补偿纤维进行设计的方法，该方法包括：

将一个色散定制区域引入该波导设计，该波导设计包括一个包围波导轴线的介质限制区域，该限制区域引导第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播，该波导设计还包括一个沿该波导轴线延伸的、被围绕该波导轴线的限制区域包围的介质芯区域，其中该介质限制区域包括具有光子带隙的一个光子晶体结构，而且其中该介质色散定制区域被围绕该波导轴线的限制区域包围；而且

选择该色散定制区域的折射率分布以便引入一个或多个该第一频率范围内的模，它们与该波导模相互作用来产生一个具有该选定色散分布的工作模。

84、一个具有带有定制色散分布的工作模的光波导，该波导包括：

包围波导轴线的介质限制区域，其中该限制区域在运行期间引导第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播；

沿该波导轴线延伸的、被围绕该波导轴线的限制区域包围的介质芯区域，其中该芯支持至少一个该第一频率范围内的波导模，而且其中该芯具有低于该介质限制区域折射率的平均折射率；以及

被围绕该波导轴线的限制区域包围的介质色散定制区域，其中该色散定制区域引入一个或多个该第一频率范围内的附加模，它们与该波导模相互作用来产生该工作模。

85、一个光波导，它包括：

包围波导轴线的介质限制区域，该限制区域包括产生至少一个光子带隙的光子晶体结构，其中该限制区域在运行期间引导第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播；

沿该波导轴线延伸的、被围绕该波导轴线的限制区域包围的介质芯区域，其中该芯支持至少一个该第一频率范围内的波导模；以及

被围绕该波导轴线的限制区域包围的介质色散定制区域，其中该色散定制区域的存在使该波导芯模形成一个工作模，该工作模在该第一频率范围内的至少一个频率子集合上穿入该色散定制区域。

86、一个光子晶体光波导，它包括：

沿波导轴线延伸的介质芯区域；

由在该波导轴线周围包围该芯的至少三个介质层构成的第一集合，该第一集合中相邻层的折射率的差对该第一集合中的每个随后的层改变符号；以及

位于该芯与该第一多层集合之间的至少一个附加介质层，其中该附加介质层的厚度与该第一多层集合中每任意三个连续层的厚度相差大于10％。

87、权利要求86的波导，其中该第一多层集合引导第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播。

88、权利要求86的波导，其中该附加介质层的厚度与该第一多层集合中每任意三个连续层的厚度相差大于30％。

89、权利要求86的波导，其中该附加介质层的厚度与该第一多层集合中每任意三个连续层的厚度相差大于150％。

90、一个光子晶体光波导，它包括：

沿波导轴线延伸的介质芯区域；

彼此交替排列、并在该波导轴线周围包围该芯的若干较高折射率介质层与若干较低折射率介质层；以及

位于该芯与该若干交替排列介质层之间的至少一个附加介质层，其中该附加介质层的厚度与该若干交替排列介质层中每任意三个连续层的厚度相差大于10％。

91、权利要求90的波导，其中该若干交替排列介质层引导第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播。

92、权利要求90的波导，其中该附加介质层的厚度与该若干交替排列介质层中每任意三个连续层的厚度相差大于30％。

93、权利要求90的波导，其中该附加介质层的厚度与该若干交替排列介质层中每任意三个连续层的厚度相差大于150％。

94、一个光波导，它包括：

包围波导轴线的介质限制区域，其中该限制区域在运行期间引导第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播；

沿该波导轴线延伸的、被围绕该波导轴线的限制区域包围的介质芯区域，其中该芯具有一个低于该介质限制区域折射率的平均折射率、界定一束光线而且支持至少一个该第一频率范围内的波导模；以及

被围绕该波导轴线的限制区域包围的介质色散定制区域，其中该色散定制区域的存在使该波导模形成穿越该光线的一个工作模。

95、一个光波导，它包括：

包围波导轴线的介质限制区域，其中该限制区域在运行期间引导第一频率范围内的EM射线沿该波导轴线传播；

沿该波导轴线延伸的、被围绕该波导轴线的限制区域包围的介质芯区域，其中该芯支持至少一个该第一频率范围内的波导模；以及

被围绕该波导轴线的限制区域包围的介质色散定制区域，其中该色散定制区域的存在使该波导模形成多个不连续的工作模，每个工作模在该第一频率范围内的一个不同的频率子集合上穿入该色散定制区域。

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