光学结构的制造方法

本申请要求1998年7月30日提交的美国临时申请60/094,609的权益。

发明的背景本发明涉及一种光晶体的制造方法和含光晶体的无源元件。具体地说，所述方法包括一步或多步挤出步骤制得蜂窝状或带通道的挤出物，接着粘性烧结该挤出物。加热所述经烧结带通道的玻璃体并拉制成最终直径。

光晶体是一种介电常数周期性变化的结构物。该周期性结构物可以是一维的、二维的或三维的。光晶体允许某些波长的光线透过而阻止透过其它波长的光线。因此认为光晶体具有容许透过的光波段和带隙，所述带隙限定了排除在该晶体之外的光波段。

目前，在通讯应用中感兴趣的波长约为800-1800nm。特别感兴趣的波段约为1300-1600nm。

波长在带隙之内的光线不能透过光晶体。在带隙之上或之下波段中的光线能透过光晶体。光晶体具有一系列带隙，类似于布拉格散射方程的解。带隙是由介电常数变化的图样和周期决定的。因此介电常数变化的周期性排列对某些波长的光线起布拉格散射体作用，类似于晶格中的原子对x-射线的布拉格散射作用。

在光晶体介电常数的周期性变化中引入缺陷可改变容许或不容许透过晶体的光的波长。不能透过光晶体却可透过缺陷区的光线将被俘获在缺陷区。因此，晶体中的点状缺陷可作为局部“光空穴”。同样，光晶体中的线状缺陷可作为一个波长在带隙的模(mode)的光波导，晶体晶格用于将导向的光线禁锢在晶体中的缺陷线上。在三维光晶体中的特殊线状缺陷将起光波导通道的作用，专用于波长在带隙的光线。光晶体的结构和作用的评述可参见Joannopoulos等在自然杂志(vol.386,March 13,1997,pp.143-149)的文章“光晶体：对光线的一种新的转折”。

第一级带隙现象可在当介电常数的变化周期等于发生布拉格散射的光的波长数量级时观察到。因此，对于感兴趣的波长(即如上所述约在1300-1600nm的范围内)，当介电常数的变化周期约为500nm时可观察到第一级带隙。但是，在介电周期约为0.1-5微米的晶体中会发生光晶体效应，具有这种特别高周期的二维或三维光晶体是难以制造的。

Tuchinskiy的美国专利5,774,779描述了一种多通道结构的制造方法。将多根棒捆扎在一起并通过挤出来减小直径。可使用已经一次或多次挤出的棒来重复进行所述捆扎和挤出步骤。但是，未提到拉制步骤，因此用单位面积中通道数表示的通道密度未大得足以形成光晶体。

需要一种两维或三维光晶体的制造方法，这种方法是可重复的、通用的并适用于现有的实验室条件。

发明的概述本发明的主要目的是将挤出技术(包括粉末挤出技术)和玻璃拉制技术组合在一起来解决所有类型的光晶体的制造问题。术语“拉伸”是指一种将粘性的玻璃体沿预定线度拉伸的步骤。为了拉伸该粘性物体而不使之发生撕裂，可适当调节该粘性物体的粘度和施加在该粘性物体上的拉伸张力。可通过控制该粘性物体的温度来控制该物体的粘度。

本发明的第一方面是一种具有带隙的光晶体的制造方法。将至少包括一种玻璃粉末以及一种粘合剂的材料通过一个模头挤出成具有相互隔开的第一表面和第二表面的挤出物，所述各个表面具有许多开口。在各个表面上的各个开口是沿两个表面之间的线度延伸的通道的末端。

用于制造所述晶体的合适的玻璃粉末包括PyrexTM和基本纯二氧化硅粉末。随后加热该挤出物至第一温度以除去粘合剂，再加热至更高的第二温度以粘性地烧结玻璃粉末颗粒，形成烧结的挤出的玻璃体。进一步加热该烧结的玻璃体并沿两个表面之间的线度拉制之，以降低沿两个表面之间延伸的通道的直径。将拉制成的玻璃体称为玻璃棒或玻璃光纤，它具有沿该光纤或棒的长轴延伸的许多通道。拉制温度通常高于烧结温度，尽管对于某些组成的玻璃和拉制张力该拉制温度可低于烧结温度。

如果挤出后挤出物太大不能与拉制炉适配，则可使用任选的一系列加工步骤。即可使用下列步骤减小挤出物的横截面积(与挤出物两个表面之间的线度垂直的截面)并由此减小许多通道的尺寸。

-在所述通道内填充柔韧的物料；-沿通道的方向使所述挤出物穿过一个或一系列缩减模头；和-除去所述柔韧物料。

所述柔韧物料(如60/068230号临时申请所述它可以是微晶蜡)用于在所述挤出物穿过一个或一系列缩减模头时保持所述通道。缩减模头可以是漏斗形的，其进口的大小与挤出物的横截面尺寸相当，出口与进口相比其尺寸下降到2倍或更大。在缩减步骤后，除去所述柔韧物料。

为了使带通道的玻璃光纤起光晶体的作用，通道开口阵列周期性地排列在玻璃光纤的表面上。对于目前通讯中特别感兴趣的波长，拉制的最终玻璃光纤或玻璃棒阵列的周期约为0.4-5微米。本文公开并描述的新方法能制得周期小于40微米，较好小于5微米，更好小于1微米的阵列。

同时，通道的介电常数与构成通道壁的材料的介电常数必须约相差到3倍以形成适用的带隙。例如，可在通道中充入空气或抽空以使介电常数具有所需的相差倍数。或者，通道中可主要填入与玻璃体相比具有合适介电常数的各种固体或流体。

光晶体所需的尺寸取决于其用途。重要的是被入射在晶体上的光束(该光束将透过晶体或晶体中的缺陷传播)照射的晶体面积。光束的面积可例如用该光束的波模场直径(mode field diameter)来表征。对于目前在光通讯中最感兴趣的波长(即约1300-1600nm)，预计波模场直径可小于约10微米。因此在侧面照射晶体的情况下沿周期性结构的长度测得的光晶体的合理长度为3-12微米。

与光晶体周期性结构的长度方向垂直的平面面积可选为约100平方微米至约1.25平方毫米。使用本文所述的捆扎技术可得到更大的截面积。但是，捆扎不能很好地在形成捆扎物的元件(如玻璃棒)中形成均匀的周期。在玻璃棒相互间能形成一定的取向并且在加热和拉制过程中能保持该取向的情况下，在捆扎元件中保持共同的周期性更为可行。例如，正方形、矩形或正六边形玻璃棒可排列成在拉制过程中将保持不变的紧密捆扎物或其它预定的图案。

与传播的光波长相比这种面积的选择性较大并为用于耦合器和分光器的光导路径形式的线状缺陷提供条件。但是，应理解在计算光晶体或具有缺陷的光晶体中的带隙时采用晶体结构的范围基本是无限的这一基本假定。什么物料能构成具有有效的“无限”尺寸的晶体是必须用实验回答的问题。

在实践中，通过适用的技术从拉制玻璃体上切片仅可限定使用已公开的和本文描述的方法制得的光晶体的长度的下限。与光学回路所需的长度相比潜在的长度上限非常大。可合理地预期本方法产生的光纤晶体的长度在数十厘米或更大的数量级。

欲挤出的玻璃材料的粒径较好小于约5微米。该粒径使挤出物具有良好的粘性，同时使挤出的通道壁厚不小于10倍的粒径(直接从颗粒挤出和从任选的减小颗粒挤出的实际上限)。但是当尺寸减少大部分发生在粘性烧结步骤后的情况下可使用较大的粒径，因为在烧结过程中颗粒失去个性。

可使用挤出模头，在挤出步骤中它可在细长挤出物中引入局部的或线状缺陷。因此在挤出步骤中可形成空腔谐振器、一个波导或许多波导。当然在挤出步骤中必须保持挤出物的完整性。因此在完全穿越光晶体表面的空穴型缺陷的情况下，在整个拉制步骤中必须保留最外层环形层(即包层)。在拉制步骤后，可使用已知的机械或化学方法除去用于保持挤出物完整性的层。如果该层对信号光是透明的，则在拉制后可保留该层。

或者，可在拉制壁结构除去部分前使用机械或化学方法在挤出物中形成局部的或线状的缺陷。或者，可通过插入或回填通道来产生缺陷。当使用缩减模头挤出时，则可在该步骤前或者该步骤后插入通道。

特别适用的光晶体部件是具有两条相交波导路径的晶体部件。选择晶体周期使光线沿线状缺陷传播，即使晶体中的波导位于带隙。因此，即使两条波导路径垂直相交，传播的光线也能沿直角拐弯，而基本无损耗。可能发生的损耗仅是由于通过光输入端的反向散射造成的。此处还应注意所述光线沿曲线传播而基本无损耗包含一个默认的假定：晶体是无限大的。

本方法还适合于制造具有特殊预定的通道图样的光波导光纤，所述图样沿波导的长轴延伸并在波导的两端终止。当然也可使用其它通道图样。例如，通道可以沿长轴断续地、无规地分布而非周期性地分布，或者只在几段波导长度内延伸。同时发现具有周期性或无规图案并且与长轴相交的通道可形成特殊的适用于光波导通讯系统的传播性能。形成与长轴相交的通道的方法包括穿刺步骤，它可在拉制过程中或者拉制步骤后实施。

一种值得研究的示范性构造是其中的波导光纤的纤芯部分是实心玻璃的构造。波导的纤芯部分被带通道的结构所围绕并与之接触，这种带通道的结构实际上构成波导的包层。发现这种结构构成在异常宽波长范围内传播单模的波导光纤。例如，可参见Birks等的“无穷长的单模光晶体光纤”，Opt.Lett.22(13),961,(1977)。预计当改变通道数量、改变周期性，或者采用多于一种通道大小时，可改变这种波导的性能。在后一种情况下，可使用两种或多种通道尺寸，各种尺寸与选用的周期性图样相适配。制造模头用于挤出糊浆或塑性材料是成熟的技术。线状缺陷、空穴缺陷或者具有不同尺寸和周期组合的多孔包层所需的模头是已知的。因此在本文中不对模头作进一步讨论。

对于与这种多通道尺寸光晶体结构有关的带隙的描述可参见例如Anderson等“较大的两维光子带隙”，Phys，Rev.Letters,V.77,No.14,p.2949-2952，1996年9月30日。在该参考文献中，描述了具有带隙并且不同尺寸的通道种类为2种的结构的例子。

本方法另一种潜在适用的例子是一种光波导光纤，它包括一中央通道和围绕该通道的较小尺寸通道的周期性阵列。理论上这种构造存在带隙，但是未经实验验证。如上所述，使用模头技术用于制造这种挤出物，随后缩减尺寸、粘性烧结并拉制成波导光纤。

本发明的第二方面是使用这种方法制造上面第一方面所述的许多玻璃棒或玻璃管。在将玻璃棒加热并拉制成较小直径的棒或光纤步骤之前，可将两根或多根棒捆扎在一起并作为一个单元进行拉制。可用一步拉制该单元，或者重复拉制和再捆扎步骤直至达到所需的尺寸。形成的细长物可以是：一种“多晶”物，即一束具有相同周期但不同方向的光晶体，从而在一种光晶体至下一种光晶体能保持周期性；或者一束具有多于一个周期的光晶体，即多于一组通带和带隙。

如上所述，根据捆扎方法和被捆扎玻璃棒的形状，该捆扎方法可制得多晶体形式或含有一束光晶体的光晶体。

本发明另一方面是使用本文公开的和描述的方法制得的光晶体。

本发明再一方面是一种光晶体的制造方法，它将两种或多种具有不同介电常数的玻璃粉末与一种或多种合适的粘合剂相混合，共挤出成细长的挤出物，该挤出物中具有一种玻璃/粘合剂型细丝，该细丝的周期性排列由挤出物的一端延伸至另一端，而被构成另一玻璃/粘合剂型细丝的壁相互隔开。在本领域中有时将由玻璃/粘合剂构成的壁称为基质玻璃。另一种至少含两种类型玻璃的晶体制造方法包括回填或填充由初始挤出形成的通道。在初始挤出步骤后，本发明在这一方面基本使用在本发明第一方面所述的步骤。

附图简述图1是经粘性烧结的挤出结构的示意图；图2a是说明经粘性烧结的挤出物在拉制炉中的示意图；图2b是挤出物或拉制物的横截面；图2c是拉制前一束挤出物的示意图；图3是光晶体的通带和带隙图；图4是挤出或拉制的光晶体过长轴的横截面，其中显示出周期性特征；图5是一种带有光波导路径的2-D光晶体；图6是具有实心玻璃纤芯和光晶体包层的光波导光纤；图7是一种波导光纤，它带有大的中央通道和围绕该通道由小的开口或细丝组成的光晶体；图8是将不同尺寸的通道叠合在一起，形成具有第一通道大小的第一周期性结构嵌入具有第二通道大小的第二周期性结构的实施例；图9是缩减模头的示意图。

发明的详细描述光晶体技术是仍在快速发展的技术，其中正在试验两维或三维晶体的基本形状、性能和用途。

挤出方法特别适用于制造各种光晶体，因为挤出技术：-是成熟的，能挤出各种材料和形状；-能制得周期性的结构，这种结构具有很小的壁厚，高的正面开口面积，以及高的用单位横截面积的通道(开口)数表示的通道(开口)密度；-可例如使用涂覆的模头和混合机来保持不受污染，从而使挤出结构的纯度仅受进料纯度的影响；-与玻璃进料(如与粘合剂相混合的无定形二氧化硅粉末)相容；以及-通过缩减挤出，简单地改变初始和缩减挤出步骤制得的挤出物的横截面积，能形成各种通道密度。

挤出方法可从文献中查到，因此本文不作详细描述。本发明使用的挤出方法和设备可例如参见Bagley的美国专利3,790,654和Cunningham等的美国专利4,902,216。这些专利的说明书在此引为参考。这种技术能同时挤出几万个通道。

在一个用模头对材料(如二氧化硅粉末或PyrexTM粉末)进行初始挤出的示范性例子中，得到的通道密度约为每平方厘米62个通道。随后使初始挤出的挤出物通过一个缩减模头(可以是一个漏斗)可使通道密度约为每平方厘米6200个通道。接着对粘性烧结的挤出基材进行热拉制，达到更高的通道密度。

参见图9，缩减模头本体78具有用于加入挤出物72的输入漏斗74。一种向挤出物施加向前推力(图中未表示)的方式使得该挤出物穿过缩减区域76并输出成缩减的挤出物80。

经缩减挤出后，通道中心的最小间距(假定壁厚均匀)为30微米的数量级，该值的极限设定是根据要求最小壁板厚度约为10倍粒径。当然在挤出后加热并拉制也可获得该壁厚度。也就是说，缩减步骤是非必要的，并且通常在拉制炉的大小有限的情况下使用。

为了获得特定的间距使光晶体适合某些用途，在光谱的近红外部分，要求间距约为λ/3或0.5微米。但是，特定的间距可大于亚微米的水平，如数微米数量级，仍能制得适用的光晶体结构。在这两种情况下都可使用挤出方法制造光晶体结构。在挤出结构物并随后任选地使该挤出物通过缩减模头后，加热形成的挤出物以除去粘合剂，随后粘性烧结之，加热并拉制得到的烧结物以进一步降低烧结物的厚度尺寸达到所需的数十微米数量级(光学活性结构的特征数量级)的间距。

挤出技术和拉制技术的组合提供了一种独特的和多用的光晶体制造方法。挤出方法能提供各种横截面形状同时保持该形状的尺寸精确度。精确度达到或超过挤出方法精确度的拉制方法的尺寸精确度使这两种方法的组合成为制造光晶体的有力工具。

所述周期性的阵列无需包括任何类型的通道，因为挤出方法(如回填或共挤出方法)能利用一种或多种原料并将一种原料的周期性阵列嵌入其它基质中。也就是说，光晶体是一种实心的玻璃体，实心材料的介电常数呈周期性变化。

图1所示的粘性烧结的或挤出的挤出物是正方形通道的周期性阵列。挤出物是由二氧化硅粉末在粘合剂中的挤出物制成的。加热该挤出物以除去粘合剂。随后提高挤出物的温度以进行粘性烧结。该阵列的规律性是值得注意的。根据光晶体选定的最终构造，挤出和拉制玻璃体的通道8或壁(网壁)6可作为晶体的周期性特征。

拉制方法的示意图如图2a所示。挤出的、如有必要缩减的和粘性烧结的玻璃体10悬挂在拉制炉12中。图中未显示悬挂装置(包括将玻璃体送入拉制炉中的装置)，但是它们是本领域众所周知的。线圈14代表拉制炉12的加热元件。加热区靠近拉制炉一端的位置使得炉温分布适于用夹具装置18由烧结玻璃体10拉制连续和均匀的玻璃棒或玻璃光纤16。另一些夹具装置是已知的，包括与拉制的玻璃棒或玻璃光纤16一起平移的夹具装置。如果未烧结的玻璃体的抗拉强度足以承受拉伸张力的话，则可在拉制过程中粘性烧结挤出和缩减的玻璃体10。如上所述，当挤出物或挤出并烧结的玻璃体具有足够小的直径时，则可不实施缩减步骤，在挤出步骤后立即进行拉制。可挤出一种预制件，其直径比所需几何图形大不超过5cm，相信这种尺寸能适合大多数拉制炉。

在本发明的另一个实例中，分两步进行拉制步骤。先将粘性烧结的玻璃体拉制成玻璃棒或光纤，随后对其进行包层并拉制成光纤，包层的直径通常为数百微米数量级，光晶体纤芯的直径通常为数十微米数量级。这种方法适合于制备具有很高通道密度的结构物。

图2b所示的横截面代表带通道的挤出玻璃体、带通道的挤出并缩减的玻璃体或者挤出、缩减并拉制的玻璃体。所示的通道为周期性阵列22，其形成于玻璃体20中。

当然可形成图2b的结构使得周期性阵列22是玻璃细丝末端的阵列，其中玻璃阵列22的介电常数与玻璃基质20的介电常数不同。因此在描述具有通道的玻璃体时，申请人同时描述一种含有第一和第二玻璃的玻璃体，其中一种玻璃镶嵌在另一种玻璃中形成介电常数差异的周期性阵列。

本发明的一个重要的特征是在随后加工步骤(该步骤减小挤出形状的横截面尺寸大小)中基本保持该挤出形状的能力。

如图2c的表面28所示，为制得具有预定周期和大表面积的光晶体，可例如使用套管24作为拉制辅件，将许多挤出的或挤出并缩减的带通道玻璃体(图2c中的26)捆扎在一起，作为一个单元进行拉制。或者，如图2c所示将具有不同周期的带通道玻璃体捆扎在一起，并作为一个单元进行拉制，从而制得一组具有不同带通和带隙波长的光晶体。如此拉制的单元具有数个交替的周期并具有不同的晶体结构或者由光轴不一致的晶体组成。某些带通道的玻璃体故意制成具有无规的周期。该领域所需的数据与本文所公开和描述的方法组合的通用性很适配。

图3显示通带和带隙波长范围的相对大小。以相对值为单位的光频率作为y轴，以相对值为单位的光波矢量为x轴。第一、第二、第三带隙30、32和34分别在虚线所示的频率范围内。透过的或传播的频率带高于或低于各个带隙。

使用本文所述方法制得的光晶体的一个实例如图4所示，挤出步骤和随后对挤出物的烧结和拉制制成的细长玻璃棒或光纤40具有在玻璃基质36中延伸的通道38的周期性阵列。

使用本文公开的方法制得的光晶体的另一个实例示于图5。图中通道的周期性图案改成包括两条线状缺陷44和46相交的图样。选择线状缺陷的宽度使线状的交叉缺陷作为波长在晶体带隙中的光线的波导路径。光晶体导光甚至在急转弯附近也不产生过量损耗。箭头48和50表示光线的传输方向。波导路径是在第一挤出步骤中在晶体中形成的，并在加热和拉制步骤中保持在该晶体中。注意本实例中光传播方向与光晶体的中心线不成零夹角，从而光线从光晶体棒或光线的侧面进入并输出。

带有光晶体包层的波导如图6所示。实心玻璃纤芯56被光晶体52所包围。圆54代表构成介电常数周期性排列的材料或通道的位置。发现这种可容易地用本文所述的新方法制得的波导结构提供异常宽的波长范围，在该波长范围内波导传播单模光(参见上述参考文献)。

一种大家会感兴趣的波导结构示于图7。在这种结构中，纤芯区58是在光晶体基质玻璃62中的空心圆柱体。如前面那样圆60代表嵌入玻璃62中介电常数的周期性阵列。圆60代表沿该波导长度延伸的各通道或玻璃细丝。

作为所述新方法通用性的一个例子，图8表示两组周期性特征66和64嵌入基质玻璃70中。圆和点分别代表一组周期性阵列。可选择该特征的大小和周期以形成特别的带隙。同样挤出技术很适合制造这种叠合的或交织的结构。

尽管上面公开并描述了本发明的各种实例，但是本发明仅由所附权利要求所限定。