CN101160539A - 光学纤维簇加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制备光学纤维接头的过程，其中光学纤维或者其未牵引的坯料与纵向元件接触，并且在最终光学纤维接头牵引前，经由脊－槽配合连接到所述纵向元件。所述纵向元件可以是另一条光学纤维或者其坯料或者是可去除和/或可加工的桥接元件。

Description

光学纤维簇加工方法
技术领域
本发明涉及制备光学纤维接头的过程，并且涉及利用所述纤维接头工艺制备包含有光学纤维的光学纤维簇的过程。包含光学设备的簇在纤维激光器和放大器中是有用的，特别是当从多模泵浦源向一个或者多个双包覆纤维耦合光的时候，所述纤维包括位于纤维芯部的活性元件。
背景技术
从双包覆纤维激光器输出的功率近来已经显著提高。在近来的实验中，已经从基本上单模设备中实现了数百瓦的功率，使得纤维激光器成为例如材料加工领域的灯和二极管泵浦(ND：玻璃)Nd:YAG的重要竞争对手。除了连续波操作，在纤维激光器中还说明了脉冲操作和低到毫微微秒范围且峰值功率大大超过100kW的脉冲放大。
基于双包覆纤维的纤维激光器相对于固体激光器提供了几个好处。双包覆纤维激光器的主要性能优势在于容易管理设备内的热能载荷。这种纤维的表面对活性体积比较高，保证了优良的热耗散性。而且，光束模态质量较大程度上由活性芯部和周围材料的尺寸和折射系数曲线确定，并且因此独立于泵浦功率和热能载荷。与之相较，固态激光器采用大块晶体作为它们的增益介质，已知这对于诸如热透镜的效应是敏感的，在设计激光腔的时候，这种效应必须加以考虑。在这方面，纤维提供了非常稳定的增益元件。另外，纤维激光器诸如空间紧凑、高度整合、操作简单、耐用和操作可靠的进一步益处促使高功率纤维激光器和纤维放大器适用到几种商业和军事应用场合，例如作为微加工、热打印、焊接、打标、医疗应用和遥感的能源。
传统双包覆活性纤维包括掺杂稀土的单模或者多模芯部、直径为几百微米的石英内包覆层和第二低系数外包覆层，所述外包覆层包括低系数聚合物，诸如硅树脂。内外包覆层之间的数值孔径(NA)在0.35-0.47范围内，取决于涂覆材料的折射系数。内包覆层用来耦合来自诸如高功率二极管激光器、二极管激光器条和阵列的低亮度多模泵浦源的泵浦辐射，用于在活性芯部吸收。典型地，泵浦区域和掺杂的芯部较小，该芯部要求较长的设备长度来吸收泵浦辐射的主要部分。芯部材料的泵浦吸收可以通过纤维结构设计来提高，其中单模芯部从圆形包覆层中心偏离，或者内包覆层的圆形对称被打破。
与双包覆纤维设备相关的通病是如何有效地将足够数量的低亮度源耦合到内包覆层，且不会显著增加纤维激光器的成本。通过要求信号光同步耦合入和耦合出活性芯部，改善了泵浦耦合问题。能单独将光耦合到双包覆纤维结构内而不影响信号耦合，允许使用双向泵浦的包覆泵浦纤维激光器和纤维放大器。双向泵浦的纤维激光器和放大器的输出功率定标(scaling)更为直接，因为多个泵浦点沿着纤维长度添加进来。另外，双向泵浦结构的热能管理得到了简化。但是，因为大模面积(LMA)或者多模纤维适合高功率CW纤维激光器和短脉冲纤维放大器，所以将信号仔细和稳定地耦合入和耦合出双包覆纤维的问题变得更加重要。LMA纤维需要克服由纤维的非线性导致的输出功率(短脉冲应用场合的峰值功率)限制。对于这些纤维来说，基模激励对获得近乎单模的操作来说是关键性的。(例如见US5818630)。
已经研发出纤维结构，其能将泵浦光耦合进信号纤维。大多数这种结构进行了优化以操作在具有单模芯部的低功率水平。在kW水平，为了增大输出功率，信号纤维的芯部尺寸需要加大。加大芯部尺寸需要克服纤维芯部的热能限制并且需要增大非线性阈值，所述非线性诸如受激Raman散射，受激Brillouin散射和自相(self-phase)调制。在具有衍射受限的输出光束质量的高功率纤维激光器中，减少光学纤维的微弯曲对于消除信号芯部的模式混合是关键性的。另外，拼接点的数目需要最小化，因为它们也可能是模式混合的点，并且它们增大纤维的背景损失(因此降低纤维激光器的效率)。
光子纤维
最近，“光子纤维”出现在市场上，这些纤维还已知为“光子晶体纤维”(PCF)(见US6778562)。类似于传统纤维，这些纤维不能完全由诸如掺杂的石英的固态透明材料组成。作为截面示出，光子纤维呈现出许多其他气体的气孔，甚至是真空气孔。这些孔仅知的功能是引起纤维系数的较大变化，这种变化，类似于在纤维中由掺杂试剂引起的变化，有助于在纤维中引导光(见US6778562，FR2822242，CA2362992，WO00/49435，US2004/07 1423，US20040052484和CA2368778)。
这些光子纤维的孔平行于纤维轴线，并且沿着纤维纵向延伸。实践中，这些孔可以通过根据受到牵引的纤维中需要的气孔图案，组装石英圆柱或者毛细管产生预制坯来获得。最后，拉紧该预制坯，提供了带孔的纤维，这些孔相应于毛细管的图案。所述US6778562公开了将光子纤维与传统光学纤维困扎和拉紧在一起，以给出具有由光学纤维包围的光子纤维的簇结构。这种拉紧通常闭合光子纤维的开口。
光学耦合器
将光耦合到纤维中的一个通用方法是使用大体积(bulk)光学件来将直接来自低亮度源或者来自多模纤维的光耦合到双包覆纤维中。为了让双包覆纤维的两端都能自由耦合，可以利用大体积棱镜(见US4815079)或者V形槽将光耦合到纤维中，其中所述V形槽形成到纤维的侧面(见US5854865或者L Goldberg and J.Koplow，High power side-pumped Er/Yb doped fiberamplifer，Technical Digest of the Optical Fiber Communication Conference(OFC)，2，19-21，1999)，如图1(a)所示。这些方法的难度在于足够好地匹配和对准不同的部件，以得到可接受的耦合效率。角度抛光多模纤维端部或者例如通过钎焊、UV处理或者环氧化(US6370297)，将纤维连接到双模纤维侧面，可以避免使用大体积部件，如图1(b)所示。但是，不同的表面和部件也需要抛光、抗折射涂覆和维护良好的对准，这进一步让这些系统制造复杂并且成本增加。
WO96/20519、US5999673，“A coupling arrangement between amulti-mode light source and an optical fiber through an intermediate optical fiberlength”是与US6370297类似的泵浦布置，但是这里的泵浦光是通过中间纤维长度来引入到泵浦包覆层的，所述中间纤维长度被熔合并且朝向信号纤维成锥形，如图2所示。这样降低了热损坏的可能性，但是没有解决制造困难的问题。
另一种方法是使用单独的部件，诸如熔合的纤维簇(US4291940、US5864644、US6397636、US6434302和US6778562)或者熔合的纤维锥体(US599673)，它们拼接到双包覆纤维中，如图3所示。这些技术方案避免了在泵浦耦合时使用任何大体积光学部件，并且也不需要在耦合表面上进行任何的抗折射涂覆，因为它们是全熔合方案。在这些结构中，几种多模纤维典型地捆扎在一起，被加热且拉紧以形成熔合纤维簇，该熔合纤维簇的直径小于这些纤维簇加热和拉紧加工之前的组合直径。通过纤维簇实现多模光高传输性的难度在于，在加热和拉紧这些簇，同时将这些纤维熔合在一起以形成符合双包覆纤维的直径的簇的过程中，保持纤维变形较小。这应该通过将纤维熔合在一起，使得避免熔合的纤维之间存在任何间隙和不连续位置来完成。实现该目的的通用方法是向所述簇的扭转和牵引部分施加张力，此后加热和拉紧所述簇，使得纤维熔合到一起(US4291940、US5864644和US6434302)。但是，使用这些方法让高功率熔合簇耐受超过数百瓦的输出功率变难，因为即使熔合在一起的圆形纤维直径几个微米的变化也会引起在纤维之间形成间隙。通过使用坯料(precursor)材料(US6397636)或者制造特殊的光子纤维(US6778562)以使纤维之间出现间隙最少，改善了这些方法。这些方法两者都减少了熔合的纤维之间出现任何间隙或者不连续位置的风险，但是还是遗留了这样的一个问题：仔细控制熔合纤维，最重要是拉紧纤维时，信号纤维芯部尺寸的变化。这些芯部尺寸变化引起了信号损失，而且还能激发更高阶的模，因此让纤维激光器或者纤维放大器的光束质量下降。
另一个全纤维耦合构架由US6434295引入，该专利说明了一种纤维簇构架，其中多个多模泵浦耦合到单个多模泵浦纤维中。该泵浦纤维进一步夹在两条双包覆纤维之间，以形成熔合的截面，其中全部纤维共用内包覆层，且三分之二的泵浦光耦合到该双包覆纤维。耦合入的泵浦光进一步行进到纤维环，该环典型长度相应于10dB的泵浦吸收。泵浦纤维中的残余泵浦光行进到第二耦合模块，在这里另外三分之二的泵浦功率被吸收。该发明中的这种方法类似于使用熔合的纤维簇，其中单独的耦合器模块用来将泵浦光耦合到双包覆纤维中。放大器纤维围绕泵浦纤维布置，选择加热以及纤维牵引参数以形成熔合耦合，从而保证在纤维内包覆层和石英纤维之间良好的熔合。不幸的是，这种耦合器仍然是分开制造的，并且对于熔合过程中的任何干扰都极度敏感，这种干扰能激发更高阶的模并且导致额外的信号和泵浦损失。因此，在基于大模面积纤维的高功率纤维激光器/放大器中使用这种耦合器，对保持光束质量接近单模特性带来了额外的难度。
发明内容
制造上述现有技术的光学设备，诸如纤维激光器、耦合器和放大器需要在其自身进行削尖和拉紧措施，这会引起纤维横截面的变化，特别是单包覆和双包覆纤维芯部截面的变化。这会导致该设备产生的光束质量下降。而且，该设备需要几个制造步骤，这让它们的制造费力费钱。而且，该设备难于彼此耦合，以及和诸如激光二极管的光源耦合，特别是在使用许多二极管的情况下(多泵浦点沿着纤维长度安装)。
本发明的目的是提供一种熔合的全纤维熔合方法，用来将多模泵浦光耦合到纤维内。这种布置可以在不存在削尖和拉紧过程的条件下实现，所述的削尖和拉紧过程将引起芯部尺寸变化，让纤维激光器和放大器的光束质量下降。
本发明的另一个目的是整合用来在纤维制造过程中将泵浦光注射到双包覆纤维的手段，从而让该结构中的任何芯部尺寸变化最小，以及避免制造单独的泵浦耦合器。
本发明进一步的目的是允许用多个离散纤维耦合激光二极管在分布式泵浦构架(沿着纤维长度有多个泵浦点)内泵浦纤维增益介质。
上述问题现在已经被包含光学纤维的簇所解决，该簇基本上特征在于，至少两条光学纤维通过至少一个纵向元件在长度上彼此连接。所述纵向元件可以是光学纤维或者是其未经过牵引的坯料或者桥接元件，其可以加工和/或去除，从而将至少两条纤维彼此拆开。所述纤维在一种过程中接合，其中光学纤维或者其未经牵引的坯料与纵向元件接触，且在牵引最终纤维接头前，经由脊-槽配合连接到所述纵向元件。产生的这种新型微结构纤维具有许多优势。
借助于光学纤维簇，这里指的是任何纤维簇，该簇能够接收光学信号，将其放大，和/或改动之和/或将其进一步传输。借助于光学纤维，指的是传输光学信号的正常纤维以及坯料或者半加工产品两者。因此，除了传统意义上的纤维簇外，玻璃杆和管簇也可以根据所要求保护的本发明设置有可加工和/或可去除的桥接元件，并且任选在其局部去除之后跟着拉紧成传统意义上的纤维簇。借助于“长度上彼此连接”，指的是光学纤维沿着它们的整个长度或者仅沿着它们整个长度的一部分彼此连接。
借助于“可加工和/或可去除”，指的是，首先通过加工方法，桥接元件的材料是可加工和/或可去除的。其次，该术语指的是桥接元件如此构造、布置和/或具有这种材料，使得能对其进行加工和/或去除操作。这例如指的是在周围纤维之间形成有槽，可以通过这些槽从外部加工桥接元件。还可以表示桥接元件上有孔，可以通过这些孔从内部加工桥接元件。自然地，所述内部和外部可达性相结合也是可以的。桥接元件的示例在本发明以下的详细说明中描述。借助于加工，指的是任何操作，该操作涉及和改变将桥接元件与光学纤维联合起来的桥接元件或任何材料。实践中，其可以表示通过物理装置诸如激光器进行加工，或者通过机械方法诸如硬质金属制成的刀片来加工。其还可以表示通过化学装置，诸如蚀刻、浸淋或者溶解来加工。
借助于去除可去除的纵向桥接元件的一个或者多个节段，光学纤维在这些节段上彼此脱离，并且可以用来光学耦合，该耦合可以发生在纤维簇的端部和/或中部。于是，本发明允许以超过1kW的泵浦功率从单点泵浦纤维激光器，以及将该泵浦功率分成多点并且将之沿着整个纤维激光器长度分布，而不会让沿着该路线存在任何额外的信号拼接。在这种结构中，所述纤维通过桥接元件彼此连接，以形成固态全熔合纤维结构。
在本发明中，光学纤维及其耦合器件两者都以高度简化且经济的方式一起制造。例如活性纤维及其泵浦耦合器的集成制造大约比单独制造便宜20％。而且，可以避免产品上出现不想要的机械和光学特性方面的变化。
光学纤维簇通过特别的过程来制造，以制备光学纤维接头。其中，光学纤维或者其未牵引的坯料与纵向元件接触，且以一种方式连接于其上，这里，从所述光学纤维或者其坯料以及所述纵向元件中选出的第一对象设置有脊、而从所述光学纤维或者其坯料以及所述纵向元件中选出的第二对象设置有槽，脊配合在槽中，光学纤维或者其坯料以及纵向元件彼此连接，且在光学纤维或者其坯料的情况下，所连接的光学纤维以及光学纤维坯料经过牵引，来给出所述光学纤维接头。纵向元件可以是光学纤维或者其未牵引的坯料或者桥接元件，其可以加工和/或去除，从而彼此拆开两条纤维。
所述纵向元件可以设置有几条平行交错的脊和槽，且所述纵向元件的脊和槽彼此啮合。优选地，这些平行的脊和槽形成锯齿形的图案，他们啮合在一起。光学纤维或者其坯料以及纵向元件通过熔合彼此连接。
然后，去除(蚀刻、熔化、切削等)桥接元件时，放松光学纤维，让进一步的耦合变得容易。如果纤维彼此隔开一定距离连接，露出桥接元件用来加工，这是具有优势的。特别是当从外面加工桥接元件以释放纤维(与例如通过桥接元件上的孔例如以蚀刻进行内加工相对照)时，更是这样。
根据本发明的实施例，桥接元件由这样的材料构成，该材料基本上与纤维的外层具有相同的折射系数。优选地，桥接元件与纤维的外层用相同材料制成。这意味着桥接元件不仅用作纤维之间的连接器件，而且是光学活性的并且帮助引导光。通常，其帮助传播光，从而例如增大泵浦光的模式混合并且改善泵浦光向活性纤维的吸收。典型地，桥接元件的材料是光传播材料，诸如石英玻璃，或者是比光学纤维的材料更容易加工和/或去除的材料。优选地，所述材料是掺杂有诸如三价磷(phosphorous)材料的石英玻璃，桥接元件的石英玻璃经过掺杂，从而使其可加工/可去除。为了保证光不受阻碍地穿过桥接元件传播，桥接元件优选通过熔合连接到至少一条纤维。然后，无边界层防止泵浦辐射穿过桥接元件传播以及被吸收到激光器内。
桥接元件根据本发明这样构造和连接，使得其可以以技术上可接受的方式加工和/或去除。其可以通过熔合以通常方式连接到纤维。为了以有序方式连接纤维和桥接元件，这样允许加工该桥接元件，通过凸凹耦合连接是有优势的。最优选地，通过耦合所述桥接元件和纤维上许多交错的脊和槽来进行耦合。所述脊和槽可以通过锯削形成。在凹凸耦合之后，优选桥接元件和纤维熔合到一起，从而实现光学同质接头。
在本发明的一个实施例中，桥接元件是单独的元件，所述簇的至少两条纤维连接到该单独元件。优选地，其是具有腔或者孔的纵向元件，所述腔或者孔可以通过所述毛细管进行内部加工。这种元件具有两个优势。首先，其非去除部分的腔或者孔可以用功能性物质填充，该物质改变了簇的特性，特别是光学特性。一种这种物质是光学应力感生材料。其次，为了移动所述元件的至少一部分，蚀刻物质可以抽吸或者压入所述腔或者孔，该物质蚀刻掉所述部分并且释放所述纤维。为了最后提到的这个目的，所述元件优选具有薄壁。因此，具有腔或者孔的桥接元件壁较之所述纤维具有更小的横截面。最优选地，桥接元件是单孔毛细管。该毛细管不同于现有技术中的多毛细管光子纤维，后者的毛细管是闭合的且因纤维牵引而具有不同的内径，和/或如此细小以致引入功能性物质在技术上是不可能的。优选地，孔的直径从20到200μm。
根据本发明的另一种实施例，纵向桥接元件是从其中一条纤维突出并且沿着该条纤维延伸且连接到其他纤维上的凸起。当这种凸起通过熔合连接到其他纤维时，其将所述纤维联合起来。然后通过锯削或者激光焊接去除所述凸起，参见以下，从而从彼此释放这些纤维。优选地，所述凸起啮合所述纤维，并且该凸起沿着该纤维通过所述凹凸耦合延伸到其他纤维。最优选地，这种啮合通过凹凸耦合以后熔合而进行。
根据本发明的一种实施例，桥接元件是牺牲层，其典型包围所述光学纤维。这种包覆材料优选是石英玻璃，掺杂有诸如三价磷材料，增大了湿法蚀刻速度。所述光学纤维经由该牺牲玻璃层接合到一起。纤维以这样的方式连接到所述桥接元件，使得在周围纤维之间形成的涂覆材料上存在缺口，可以通过所述缺口从外部加工所述牺牲层。然后通过湿法或者干法蚀刻去除所述牺牲层，从而从彼此释放所述纤维。优选地，所述牺牲层啮合所述纤维，且所述牺牲层沿着所述纤维通过所述凹凸耦合延伸到其他纤维。最优选地，通过凹凸耦合以后熔合进行所述啮合。
在本发明中，桥接元件的数目可变。尽管重点放在将许多光学纤维保持在一起的仅仅一个桥接元件的构造上，但是参见以下，保护范围沿延伸到具有多于一个桥接元件的簇。例如见图7，其示出了使用两个桥接元件。
优选所述簇的大部分长度包括围绕所述纤维的外包覆层和包括所述光传播材料的桥接元件。所述包覆层最优选由折射系数比所述光传播材料低的材料构成。
在本发明的替代实施例中，所述纤维和桥接元件布置成这样的几何形状，仅允许在由所述几何形状限定的有限数目的方向上发生弯曲。优选，所述簇的纤维布置成这样的几何形状，即在一个方向上比另一个方向上具有显著更大的宽度，从而仅允许围绕所述一个方向的轴线弯折。
要求保护的簇的光学纤维可以是任何类型和数目的，取决于目的应用场合。优选地，光学纤维从单包覆纤维和多模纤维中选择，其中所述单包覆纤维带有折射率高于所述光传播材料的芯部和由所述光传播材料构成的包覆层，所述多模纤维基本上由所述光传播材料构成。典型地，所述单包覆纤维是信号纤维或者他们的坯料且所述多模纤维是泵浦纤维或者他们的坯料。借助于坯料，这里指的是他们可以是未牵引的杆和/或纵向元件，仅当用上述外包覆层涂覆和/或牵引后，才形成工作的信号或者泵浦纤维结构。但是，信号纤维还可以是多包覆层，如果希望例如提高纤维特性的话。信号纤维还具有芯部(13)，信号光在所述芯部行进。纤维12的芯部13可以掺杂活性原子，诸如铒(Er)，钕(Nd)或者镱(Yb)、铥(Th)或者其他稀土原子，从而通过光学激发或者这些原子的泵浦在激光器或者放大器内提供增益。典型地，泵浦纤维没有包覆层。但是，即使在泵浦纤维中，在某些情况下使用包覆层来提高纤维结构的特性也是有好处的。
根据本发明的设备中的簇典型具有这样的结构，即其中一条单包覆纤维和其中一条多模纤维经由桥接元件彼此靠近地连接在一起。根据一种主实施例，所述单包覆纤维、所述桥接元件和所述多模纤维以所述顺序平行对齐形式布置并且被外包覆层包围。然后，所述元件可以具有不同的横截面积，例如所述多模纤维可以具有比所述单包覆纤维和所述桥接元件大的横截面积，形成所谓的电键插孔轮廓。如果其中一条单包覆纤维以向外的顺序与两个桥接元件和两条多模纤维平行对齐，并且由外包覆层(见以下示例)包围，则可以获得进一步的结构。一个桥接元件可以连接到三条多模纤维和一条单包覆纤维并且由外包覆层包围。该构造可以布置成具有4片苜蓿形截面的结构。
当使用根据本发明的桥接元件时，一个重要的优势在于，其易于去除来拆开所述光学纤维。因此，要求保护的簇可以具有由至少两条彼此拆开的所述光学纤维构成的节段。通过至少局部加工和/或去除所述纤维之间的桥接元件的相应长度部分来进行拆开。典型地，所述桥接元件的部分通过从以下选出的方法去除：湿法蚀刻、干法蚀刻、CO2、UV、超高速激光微加工以及离子铣削或者这些方法的组合。
如果簇生料具有包围纤维和桥接元件的包覆层，则其例如通过切削和/或熔化先于去除桥接元件而去除。
在本发明的一种实施例中，所述簇部分包括具有松散光学纤维的端部节段。典型地，在所述簇的端部节段从彼此拆开所述光学纤维以后，所述纤维(再次)用与所述外包覆层基本上相同的材料单独覆盖。如果至少一个簇部分被削尖，则削尖的簇部分构成削尖的端部。如果所述簇的另一个端部被削尖，则所述簇可以形成典型耦合器设备。在本发明的进一步实施例中，所述纤维簇由簇节段构成，其中至少两条光学纤维从彼此分开。在这种簇中间节段中，至少其中一条纤维优选被切开，从而建立光学连接。所述簇节段可以是所述簇的另一个端部节段。如果所述簇的另一个端部由光学纤维构成，其也可以从彼此拆开，则所述簇可以形成典型的纤维放大器设备。
本发明涉及用来制备形成光学结构的光学纤维接头的过程。而且，本发明涉及用来制备包含光学纤维的簇的过程。在本发明中，通过至少一个纵向元件在长度上将至少两条光学纤维彼此连接来制备簇。所述纵向元件可以是光学纤维或者其未牵引的坯料或者桥接元件，所述桥接元件可以加工和/或可以去除，从而从彼此拆开所述两条纤维。关于所述簇的该过程的细节在上面进行了公开，并且在以下的权利要求1到48中进行了公开。
本发明的主要优势如下：
-当与端部泵浦结构比较时，从激光波导提供机械可靠和稳定的耦合来泵浦波导；
-牵引之后确定纤维长度；
-独立选择泵浦纤维几何形状和活性纤维几何形状；
-实现纤维几何形状，允许最终纤维仅在有限数目的方向上发生弯曲；
-从泵浦波导到信号波导的优良和经济高效的光学耦合；
-提高M2值和光束参数乘积(product)；
-鉴于泵浦包覆层的非圆几何形状，从泵浦光向掺杂的芯部有效地传输能量，该泵浦包覆层迫使光线与芯部交界；
-当制造激光设备时需要更少的操作步骤；
-用几个泵浦结构自由操作。
附图说明
以下，通过示例和以下附图更为贴近地说明本发明，其中：
图1(现有技术)(a)描述了V槽侧泵浦，(b)描述了角度抛光侧泵浦；
图2(现有技术)描述了通过中间光学纤维长度在多模光源和光学纤维之间的耦合布置；
图3(现有技术)描述了在熔合簇中心包含信号纤维的熔合多模耦合器。耦合器进一步拼接到活性双包覆纤维；
图4描述了通过本发明的两个桥接元件进行接合；
图4a)描述了接合前使用毛细管的预制坯和b)作为桥接元件的全玻璃接头；
图5描述了要求保护的簇的苜蓿形实施例；
图6描述了要求保护的簇的电键插孔形实施例；
图7描述了所述簇的双电键插孔形实施例；
图8描述了所述簇的线性对齐和紧凑实施例；
图9描述了所述簇的另一种紧凑实施例；
图10描述了要求保护的簇的苜蓿形实施例，其中桥接元件是光学纤维上的牺牲包覆层；
图11描述了本发明的纤维激光器或者纤维放大器簇；
图12描述了本发明另一种纤维激光器或者纤维放大器簇；
图13描述了根据本发明的泵浦耦合器；
图14描述了本发明进一步的线性对齐纤维激光器或者纤维放大器。
具体实施方式
本发明允许从单点以超过kW的泵浦功率泵浦纤维激光器，以及允许将泵浦功率分成多点且沿着整个纤维激光器长度分布泵浦功率且不会让额外的信号沿着该路线拼接。在该结构中，信号纤维和泵浦纤维经由桥接元件(典型为毛细管)熔合在一起，形成固体全熔合内包覆结构，其中泵浦光在信号纤维和泵浦纤维之间自由传播，并且为活性芯部元件提供泵浦光。纤维可以通过例如蚀刻或者激光微加工(CO2、准分子或者超高速激光)以及离子铣削从它们之间去除毛细管而彼此拆开。全部纤维然后可以用标准熔接技术处理，拼接多模纤维或者熔合多模纤维簇(bundle)来形成泵浦纤维。而且，具有掺杂的芯部的信号纤维可以拼接成输入和输出信号纤维。在拆开过程中，掺杂的芯部不会经历任何芯部直径变形，因此输入和输出信号纤维之间的拼接可以良好匹配而不会激发出不希望的更高阶模。
桥接元件的目的在该结构中是三重的。首先，将活性纤维元件和泵浦纤维熔合到一起，形成固态全熔合内包覆结构，其中泵浦光在信号和泵浦纤维之间自由传播且为活性芯部元件提供泵浦光，如图5、6和7所示。其次，桥接元件作为分隔元件用来注射泵浦光，就像其可以局部除去一样，例如被蚀刻或者激光切掉，让该纤维从复合纤维端部自由用于拼接信号和泵浦纤维。其三，桥接元件为双包覆设备带来额外的功能性。例如，在毛细管用作桥接元件的情况下，毛细管中间的气孔改善所述结构中泵浦光的模式混合，因此改善活性纤维中泵浦光的吸收。另外，该结构中的气孔可以用适当的材料填充，例如用来增加所述纤维的二次折射。
每个元件在该结构中的数目可以根据应用场合的不同需求而改变。结构可以构成一个或者多个泵浦纤维以及多信号纤维。不用活性芯部元件的情况下，所述熔合的簇用作纯泵浦耦合器。而且，将活性元件和泵浦元件熔合在一起的毛细管数量可以改变。也可以在不使用如图8、9和10中所述的毛细管的情况下熔合所述纤维。但是，在图8和9的情况下，分开拆开点(纤维表面上沿着纤维长度定位的垂直槽)必须在牵引微结构进行完之前进行。也可以例如用CO2或准分子激光、离子铣削或者和图10的情况一样用湿法或者干法蚀刻在熔合点劈分微结构纤维来实施拆开。
微结构纤维
在制作双包覆纤维设备中使用的微结构纤维包括三个元件：信号纤维14，其带有活性芯部元件13；毛细管11，其具有气孔12；和一个或者多个泵浦元件10，如图5所示。三个元件熔合到一起形成一种结构，其中信号纤维和泵浦纤维一起形成固态全熔合内包覆结构，在该包覆结构中泵浦光在信号和泵浦纤维之间自由传播并为活性芯部元件提供泵浦光。
毛细管作为桥接元件
毛细现象背后的意义在于，可以通过馈送例如氢氟酸(HF，室温)或者六氟化硫(SF6，升高温度，800℃)到气孔12内而从纤维端部蚀刻毛细部分11。
使用HF的蚀刻过程如下：
SiO2+4HF→SiF4+2H2O
当使用45％HF溶液且假设消耗70％的氢氟酸的时候，毛细管直径增大约6％。如果外径是内径的两倍，则HF酸需要在毛细管中经历12遍。更大的孔径减少了HF在毛细管中经历的次数。可以在去除涂层之前进行毛细管蚀刻，且泵浦和芯部元件之间的全部玻璃都要去除。
这种蚀刻将把带有活性芯部13的信号纤维14从泵浦纤维10分开，如图11所示。在蚀刻进行完以后，可以利用标准拼接技术拼接将自由纤维端部13、14拼接到纤维耦合泵浦二极管和输出(和输入)信号纤维。拼接以后，暴露的纤维部分将利用纤维涂层所用的相同聚合物进行再次涂覆。
从所述结构局部分开纤维元件的替代方法是使用激光微加工牵引后的纤维或者微加工纤维牵引前的预制坯(preform)。在后一种情况下，直接向预制坯的毛细管部分制作周期性的孔。孔之间分开的距离由预制坯的尺寸和最终纤维中希望的吸收长度来决定。例如，对于纤维几何形状如图5所示且目标芯部尺寸为30μm的10cm长的预制坯来说，预制坯上孔的间隔在1到2mm范围内。孔的宽度由纤维长度决定，所述纤维长度是为了拼接的目的。典型地，最终纤维中的该长度是50cm，这相应于预制坯上约200μm长的孔。向预制坯加工完这些孔后，所述纤维被牵引和涂覆。然后通过在分开点之间劈开双包覆纤维，去除涂层并且从复合纤维端部向信号和泵浦纤维拼接信号和泵浦纤维来简单地制作双包覆设备。
除了作为分隔元件，该结构中的毛细管或者轴向延伸的气孔还带来了双包覆纤维中的额外功能性。包围气孔并且将全部元件熔合在一起的玻璃桥保证该结构中的泵浦光充分模式混合，如图所示(见图5和6中的非圆形对称)。这样减少了双包覆纤维中螺旋模式的数目，因此改善了掺杂的芯部吸收的泵浦光量。微结构纤维内的气孔以及几何特征的灵活性的进一步好处在于，通过紧密靠近掺杂的芯部附近布置气孔或者通过用应力感生材料填充气孔，可以提高纤维的二次折射。可以通过将所有元件布置在线性机构中增加这种极化保持效果，所述线性结构仅允许纤维在两个方向弯曲，如图7所示。气孔还可以用改善纤维非线性的材料(例如，极化纤维，Raman增强纤维)填充。
固态玻璃桥接元件
微结构纤维也可以用全玻璃桥接元件接合。在这种情况下，特别的接头结构用标准玻璃研磨方法制作，如图4b所示。这种玻璃接头也可以通过将激光微加工方法或者激光辅助湿法蚀刻方法施用于牵引过的纤维或者纤维牵引前的预制坯，从而从所述结构局部分开。在后一种情况下，直接在预制坯内的杆之间制作周期性的孔。所述孔之间的间隔距离由预制坯的尺寸以及希望的最终纤维吸收长度来决定。例如，对于纤维几何形状如图8和9所示且目标芯部尺寸为30μm的10cm长预制坯来说，预制坯内孔的间隔在1到2mm范围内。孔的宽度由纤维的长度决定，该长度用于拼接目的。典型地，最终纤维内该长度是50cm，这相应于预制坯内约200μm长的孔。在向预制坯加工完这些孔以后，纤维被牵引和涂覆。然后可以在分割点之间劈开双包覆纤维，去除涂层并且从复合纤维端部到信号和泵浦纤维端部拼接信号和泵浦纤维，从而简单地制作双包覆设备。
牺牲包覆层作为桥接元件
微结构纤维还可以用牺牲包覆层接合在一起，所述牺牲包覆层在如图10所示的簇内作为桥接元件。在这种情况下，结构的接头用图4c)中的方法制作。光学纤维14被用作桥接元件的牺牲包覆层19包围。优选地，这种包覆材料是石英玻璃，这种石英玻璃掺杂有诸如含三价磷(phosphorous)的增加湿法蚀刻率的材料。在接头部分，沿着其长度在这些圆形物体上锯削一些槽。桥接元件上的这些槽优选不延伸到牺牲包覆层上。泵浦元件10连接到桥接元件，使得在周围纤维之间的涂覆材料上形成缺口，通过该缺口，可以从外部加工用作桥接元件的牺牲层。可以通过至少局部加工和/或去除纤维之间用作桥接元件的光学纤维的牺牲层的相应长度部分来实施拆开。典型地，桥接元件的所述部分通过从湿法蚀刻和干法蚀刻中选择的方法去除。
如何生产纤维
所有预制坯元件首先用通用技术制作，并且它们为对称形状(圆形、矩形、六边形、八边形)的管或者杆。杆和管的典型形状是圆形的。在接头部分，沿着其长度在这些圆形物体上锯削一些槽。形成的截面如图4所示。此后，所述元件固定在一起，因此预制坯1的“齿”配合到预制坯2的槽内。毛细管(4a)、全玻璃接头(4b)和光学纤维可以用作桥接元件。此后，预制坯(用火焰或者炉子)熔合到一起，且牵引微结构纤维。
示例
示例1
在本发明的一个实施例中，构建了电键插孔(Key Hole)纤维结构(苜蓿形纤维)，图5。纤维结构包括泵浦纤维10、在中部带气孔12的毛细管11、带活性芯部13的信号纤维14、低系数聚合物涂层15。
示例2
在第二示例中，建立了电键插孔结构类型2，图6。纤维结构包括泵浦纤维10、在中部带气孔12的毛细管11、带活性芯部13的信号纤维14、低系数聚合物涂层15。
示例3，带受迫弯曲方向的纤维
本发明的合成纤维，就其尺寸、形状、其每个元件的数目和位置来说，允许许多不同的构造。这些构造中的某一些可以用来改善纤维激光器或者从这些纤维制成的放大器的特性。例如，显然图7中的纤维几何形状让该纤维沿着一个方向很难弯曲，而沿着垂直方向非常容易弯曲。这种属性可以用在纤维的弯曲方向对于控制活性纤维的模态(modal)属性而言非常重要的场合。因此，活性纤维几何形状以及关于其他元件的取向可以在预制坯制造阶段固定下来，并且空间关系在牵引纤维过程中以及以后保持不变。本发明的纤维的这种属性是最重要的，尤其在多模大模面积活性纤维几何形状和系数曲线的情况下，此时可以通过纤维适当大小和方向的弯曲控制模态谐振或者泄漏到芯部以外的模态泄漏。电键插孔纤维结构3包括泵浦纤维10、其中部带有气孔12的毛细管11、带有活性芯部13的信号纤维14、低系数聚合物涂层15，这样的纤维结构在图7中示出。
示例4
在本发明进一步的实施例中，建立了固态键纤维结构1。该纤维结构在图8中表示，包括泵浦纤维10、带活性芯部13的信号纤维14、低系数聚合物涂层15。
示例5
本发明的这种实施例包括固态键结构2。图9中表示的纤维结构包括泵浦纤维10、带活性芯部13的信号纤维14、低系数聚合物涂层15。
示例6
本发明的这种实施例包括苜蓿形纤维结构，其使用包围光学纤维的牺牲包覆层作为桥接元件。该纤维结构在图10中表示，包括泵浦纤维10、带活性芯部13的光学纤维14、低系数聚合物涂层15以及包围光学纤维14作为桥接元件19的牺牲包覆层。
示例7
本发明的这种实施例表示了从该结构中去除了毛细管11以后，纤维激光器/纤维放大器构造中的电键插孔纤维结构，以及带活性芯部13的信号纤维14和泵浦纤维10可以用于拼接。纤维沿着长度16熔合到一起。所述纤维结构在图11中表示。
示例8
本发明的这种实施例描述了去除涂层以后，纤维激光器/纤维放大器结构中的键纤维结构1，所述涂层在所述纤维彼此劈开的地方包围泵浦纤维10和带活性芯部13的信号纤维14。分开以后，信号纤维14和泵浦纤维10可用来拼接。纤维沿着长度17熔合在一起。所述的纤维结构在图12中表示。
示例9
在本发明的另一种实施例中，在去除毛细管11并且熔合的纤维簇加热和拉紧以后，电键插孔纤维机构1形成泵浦耦合器构造。松弛的泵浦纤维10和熔合簇的锥形输出端可用来拼接到纤维耦合的泵浦二极管以及拼接到双包覆纤维。纤维沿着长度16熔合到一起。所述纤维结构在图13中表示。
示例10
从所述结构中去除毛细管11以后，可以在纤维激光器/纤维放大器构造中建立电键插孔纤维结构1，以及带活性芯部13的信号纤维14和泵浦纤维10可以用来拼接。纤维沿着长度16熔合到一起。所述纤维结构在图14中表示。

Claims (48)

1.一种用来制备光学纤维接头的过程，其中光学纤维或者其未牵引的坯料与纵向元件接触，且连接于其上，其特征在于，从所述光学纤维或者其坯料以及所述纵向元件中选出的第一对象设置有脊，而从所述光学纤维或者其坯料以及所述纵向元件中选出的第二对象设置有槽，所述脊配合到所述槽中，所述光学纤维或者其坯料以及所述纵向元件彼此连接，且在所述光学纤维坯料的情况下，所连接的光学纤维坯料和所述纵向元件经过牵引，得出所述光学纤维接头。
2.如权利要求1所述的过程，其特征在于，所述第一对象设置有几个平行交错的脊和槽，所述第二对象设置有几个平行交错的槽和脊，而所述第一对象的脊和槽与所述第二对象的相应槽和脊啮合。
3.如权利要求2所述的过程，其特征在于，所述平行交错的脊和槽形成两个啮合的锯齿形图案。
4.如权利要求1至3任一项所述的过程，其特征在于，所述光学纤维或者其坯料以及所述纵向元件通过熔合而彼此连接。
5.如权利要求1至4任一项所述的过程，其特征在于，所述纵向元件是另一条光学纤维或者其坯料。
6.如前述权利要求任一项所述的过程，其特征在于，所述纵向元件是纵向桥接元件(11)，其连接到所述光学纤维和至少另一条光学纤维(14)，以形成一簇光学纤维。
7.如权利要求6所述的过程，其特征在于，所述桥接元件(11)可以加工和/或可以去除，从而彼此拆开所述至少两条纤维(10、14).
8.如权利要求7所述的过程，其特征在于，所述纤维(10、14)仅靠所述桥接元件(11)而彼此连接。
9.如权利要求8所述的过程，其特征在于，所述光学纤维(10、14)彼此隔开一定距离而连接，所述距离将所述桥接元件(11)暴露，用来加工。
10.如权利要求6至9任一项所述的过程，其特征在于，所述桥接元件(11)由这样的材料构成，其基本上与所述纤维(10、14)的外层材料具有相同的折射系数。
11.如权利要求10所述的过程，其特征在于，所述桥接元件(11)的材料与所述纤维(10、14)的外层材料相同，并且是诸如石英玻璃的光传播材料。
12.如权利要求10所述的过程，其特征在于，所述桥接元件的材料比所述光学纤维(10、14)的材料更容易加工和/或去除，且所述桥接元件的材料优选包括进行了掺杂使其可加工和/或可去除的石英玻璃。
13.如权利要求6至12任一项所述的过程，其特征在于，至少其中一条光学纤维(10、14)通过熔合连接到所述桥接元件(11)。
14.如权利要求6至13任一项所述的过程，其特征在于，所述桥接元件是单独的元件(11)，至少两条纤维(10、14)连接于其上。
15.如权利要求14所述的过程，其特征在于，所述桥接元件是具有腔或者孔(12)的纵向元件(11)。
16.如权利要求15所述的过程，其特征在于，所述纵向元件是毛细管(11)，其可以通过所述毛细管经受内部加工。
17.如权利要求15或者16所述的过程，其特征在于，所述具有腔或者孔(12)的纵向元件(11)的壁横截面积比所述纤维小。
18.如权利要求15、16或者17所述的过程，其特征在于，所述腔或者孔(12)用功能性材料诸如光学应力感生材料填充。
19.如权利要去6至13任一项所述的过程，其特征在于，所述桥接元件是从所述至少两条纤维其中一条(10)突出的凸起，并且该凸起连接到所述至少两条纤维中的另一条(14)。
20.如权利要求1至14任一项所述的过程，其特征在于，所述桥接元件是其中一条所述光学纤维(14)上的包覆层。
21.如权利要求20所述的过程，其特征在于，所述光学纤维的包覆层是牺牲包覆层(19)，且可以加工和/或去除，从而彼此分离所述纤维。
22.如权利要求20和21所述的过程，其特征在于，所述纤维仅通过所述纤维(14)的牺牲层(19)而彼此连接。
23.如权利要求20、21和22所述的过程，其特征在于，所述牺牲层(19)由这样的材料构成，其与所述纤维的外层材料具有基本上相同的折射率，且所述纤维的外层材料是诸如掺杂的石英玻璃的光传播材料。
24.如权利要求20、21、22和23所述的过程，其特征在于，所述光学纤维是单包覆纤维(14)或者是多模纤维(10)，其中所述单包覆纤维带有折射率比所述光传播材料高的芯部和由所述光传播材料构成的包覆层，所述多模纤维基本上由所述光传播材料构成。
25.如权利要求11至24任一项所述的过程，其特征在于，其包括外层(15)，该外层包围所述纤维(10、14)和桥接元件(11)并且基本上由折射率比所述光传播材料低的材料构成。
26.如权利要求6至25任一项所述的过程，其特征在于，所述纤维和所述桥接元件布置成这样的几何形状，该形状仅允许在由该形状限定的有限数目的方向上弯曲。
27.如权利要求11至26任一项所述的过程，其特征在于，所述光学纤维从单包覆纤维(14)或者是多模纤维(10)中选择，其中所述单包覆纤维带有折射率比所述光传播材料高的芯部和由所述光传播材料构成的包覆层，所述多模纤维基本上由所述光传播材料构成。
28.如权利要求27所述的过程，其特征在于，所述单包覆纤维(14)是信号纤维或者其坯料，而所述多模纤维(10)是泵浦纤维或者其坯料。
29.如权利要求27或者28所述的过程，其特征在于，至少一条所述单包覆纤维(14)和/或至少一条所述多模纤维(10)经由所述桥接元件彼此靠近连接。
30.如权利要求29所述的过程，其特征在于，所述单包覆纤维(14)、所述桥接元件(11)和所述多模纤维(10)以所述顺序布置成平行对齐形式且被所述外包覆层(15)包围。
31.如权利要求30所述的过程，其特征在于，所述单包覆纤维(14)、所述桥接元件(11)和所述多模纤维(10)具有不同的横截面积。
32.如权利要求32所述的过程，其特征在于，所述多模纤维(10)比所述单包覆纤维(14)和所述桥接元件(11)具有更大的横截面积。
33.如权利要求29或者30所述的过程，其特征在于，其中一条所述单包覆纤维(14)以向外的顺序与两个桥接元件(11)和两条多模纤维(10)平行对齐，且被所述外包覆层(15)包围。
34.如权利要求29所述的过程，其特征在于，一个桥接元件(11)连接到三条多模纤维(10)和一条单包覆纤维(14)，并且被所述外包覆层(15)包围。
35.如权利要求34所述的过程，其特征在于，所述三条多模纤维(10)和一条单包覆纤维(14)以具有四片苜蓿形截面的布置而布置在所述桥接元件(11)周围。
36.如权利要求6至35任一项所述的过程，其特征在于，所述簇的节段由所述至少一条光学纤维(10、14)构成，该光学纤维从所述桥接元件拆开。
37.如权利要求36所述的过程，其特征在于，所述拆开至少通过局部加工和/或去除所述纤维(10、14)之间所述桥接元件(11)的相应长度部分来实施。
38.如权利要求37所述的过程，其特征在于，所述桥接元件(11)的部分通过从以下选择的方法去除：湿法蚀刻、干法蚀刻、CO2、UV和超高速激光微加工以及离子铣削或者这些方法的组合。
39.如权利要求36、37或者38所述的过程，其特征在于，所述簇节段包括拆开的纤维的端部节段。
40.如权利要求39所述的过程，其特征在于，所述端部节段的拆开纤维单独用与所述外包覆层(15)材料基本上相同的材料覆盖。
41.如权利要求36至40任一项所述的过程，其特征在于，至少一个另外的簇部分被削尖。
42.如权利要求41所述的过程，其特征在于，所述被削尖的簇部分构成削尖的端部部分(17)。
43.如权利要求36至42任一项所述的过程，其特征在于，另外的簇节段由所述至少两条光学纤维(10、14)构成，它们彼此拆开。
44.如权利要求43所述的过程，其特征在于，所述簇节段是中间节段，且至少一条所述光学纤维被切开来建立光学连接。
45.如权利要求43所述的过程，其特征在于，所述另外的簇节段是所述簇的另一个端部节段。
46.一种光学纤维结构，其特征在于，其通过前述权利要求任一项所述的过程制备。
47.如权利要求46所述的光学结构，其特征在于，该光学结构是光学纤维接头。
48.如权利要求46所述的光学结构，其特征在于，该光学结构是光学纤维簇。
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