CN101405635B

CN101405635B - 用于多包层光纤的多模光纤外包层耦合器

Info

Publication number: CN101405635B
Application number: CN200780009246.3A
Authority: CN
Inventors: 弗朗索瓦·工希尔; 马克·加纳安; 尼尔森·瓦冲
Original assignee: ITF Laboratories Inc
Current assignee: ITF Laboratories Inc
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2027-02-06
Also published as: CN101405635A; EP1982220B1; AU2007214209B2; US20100183261A1; EP2660637B1; CN105204118A; CA2535472A1; EP1982220A1; US7933479B2; EP1982220A4; CA2535472C; EP2660637A1; WO2007090272A1; AU2007214209A1

Abstract

一种多模光纤耦合器具有这种结构，在该结构中多个锥形泵浦光纤侧向耦合在多包层光纤例如双包层光纤(DCF)上。这种耦合器通过首先形成多个锥形泵浦光纤然后将它们围绕着多包层光纤定位从而形成光纤束来制造。随后，光纤束被扭曲和熔合，使得输入泵浦光纤朝腰部会聚，并从腰部发散。泵浦光纤的发散部分可以从这种结构去除。同时，在腰部处，这种结构可以被劈开，并且具有会聚泵浦光纤的部分与多包层光纤接合，该多包层光纤类似于或等同于所述束中央处的多包层光纤。

Description

用于多包层光纤的多模光纤外包层耦合器

技术领域

本发明涉及光纤耦合器。具体地，本发明涉及适合于将多模泵浦光纤耦合到多包层光纤特别是双包层光纤的外导向包层内的耦合器。

背景技术

多模光纤被用在许多应用中，像通信网络、传感器系统、航空电子技术以及医疗仪器。虽然多模光纤最初的应用多与通信有关，但目前其应用的一部分在于那些以传送光能为主要需求的应用。随着激光器、二极管以及激光二极管棒功率的增加和亮度的提高，还发现多模光纤经常用在工业激光器应用中。特别地，光纤激光器在其设计方面已经得以改进，目前其能够传送数百瓦特的输出。高功率光纤激光器全部都基于双包层光纤(DCF)。在这样的光纤里，激光被传输至双包层光纤的纤芯，而光功率泵浦光却在光纤的第一个光包层内进行导向。第二个光包层生成了外波导。因为包层比纤芯大，所以更大的光功率可以注入光纤内，即更高的泵浦功率可以提供给双包层光纤的增益纤芯，由此为激光器提供更大的输出功率。有关这种结构的概述描述在Kafka的美国专利US4,829,529里。虽然泵浦功率和纤芯光可以用笨重的光学元件像透镜、反射镜和二向色滤光注入，但是商业化和工业化的推动使之正朝着用光纤部件向双包层光纤提供耦合的方向前进。这些部件被设计成采用那些连接在光纤尾部的激光二极管、激光二极管棒或任何泵浦功率光源上的一个或数个多模光纤，并被设计成将该一个或数个多模光纤连接在双包层光纤的包层上。

有两种将泵浦光耦合进双包层光纤的途径。一种途径是用端面注入光，称为端面泵浦；另一种途径设法从侧面耦合光，称为侧面泵浦。

许多专利都给出了实现端面泵浦的器件和技术。最简单的技术是接合直径和数值孔径(NA)都比DCF小的单根多模光纤。如果需要多根光纤，可以如美国专利US4,392,712或US4,330,170中公开的那样，对光纤束进行熔合、锥形化以及劈开。锥形化的光纤束(或TFB)的一半最终被接合在DCF上，如美国专利US6,823,117所述。

因为光纤束成锥形，所以在光纤束与DCF之间可以保持基本的亮度守恒(conservation)。光纤束的锥形化增大了多模结构中光线的纵向角θ_z，但光束直径却减小。对于具有最大纵向角θ_z的导向光线，泵浦光纤的数值孔径NA_b用以下等式给出：

n_cosinθ_z＝NA_b

其中，n_co是泵浦光纤其纤芯的折射率。

因而，亮度守恒用下列关系表述：

其中，是注入泵浦的DCF包层的直径，NA_DCF是该包层的数值孔径。利用这个关系，可以制作多光纤组合器，像7×1(7根多模光纤2入一根输出光纤)或19×1。在恰当选择光纤的直径和数值孔径下，这些耦合器可以将光纤尾部泵浦的亮度转换到DCF。

然而，在双包层光纤激光器里，纤芯内的功率必须被输出到某处。使用这些部件，只可能从一个端面输入双包层光纤。对于需要更多输入光纤的激光器，或者尤其是对于放大器，其需要在光纤束间增加单根光纤来输入或输出信号。这使光纤束的设计变得复杂化，因为这会对光纤束的几何形状产生限制，如Di Giovanni的美国专利US5,864,644和Fidric的美国专利US6,434,302所示。随后，信号光纤被锥形化，并且为减小光纤束内的信号纤芯与DCF的纤芯之间的接合损耗，必须满足某些锥度比。因为几何形状的缘故，最普通的器件是(6+1)×1组合器(围绕1单根光纤的6根泵浦光纤入DCF)。在这种结构里，束间的所有光纤都具有相同的直径。当信号光纤是大纤芯光纤时，模式通常很少，从而锥形化更加有限，如Gonthier等人在美国专利申请公开No.2005/0094952A1所述的。对于偏振保持光纤这样的信号光纤，情况相同。因此，在这种情形下，因为中央的光纤不是泵浦光纤，所以从泵浦光纤到DCF的亮度损失将恶化大约15％。

因而，端面泵浦的优势在于多根泵浦光纤可以组合，并且亮度能得以最大地保留，只要所有泵浦端口都被使用。但是，如果需要的是信号直通光纤并且DCF只有两个端面，那么就会对结构几何形状和信号光纤产生限制。

第二种途径即侧面泵浦可以用不同的方式实现，但是这些方式都多少与Kawasaki等人在美国专利US4,291,940里首先公开的熔合耦合器有关，该专利描述的是双锥形光纤耦合器。当两根或更多根多模光纤被纵向熔合并被锥形化时，光会从一根光纤泄漏，这是因为在下锥形部分处模的纵向角增大，并变成耦合到其他多模光纤上。随着直径在上游锥形输出部分处再次增大，模的纵向角减小到低于输出光纤的数值孔径的一个值，从而生成低损耗光纤部件。这类简单器件能很容易地将光耦合进DCF中，但是它们易于在多模波导里产生均匀的功率分布，从而大量功率会保留在多模泵浦光纤里。然而，这种耦合可以如MacCormack等人的美国专利US6,434,295所述那样进行优化。在简化的耦合模型中，可以假设多模熔合双锥形耦合器内的耦合或功率分布与耦合器内熔合光纤的相对面积成正比。因而，对具有相同直径的泵浦光纤和DCF光纤的耦合将导致泵浦光50％的耦合。如果制作一种用相同直径的一根泵浦光纤耦合两根DCF光纤的耦合器，那么将有66％的泵浦光被传送到DCF光纤内。另外，MacCormack提出通过使耦合器横向地不对称来提高这种耦合。如果泵浦光纤的数值孔径小于DCF光纤的数值孔径，那么按照亮度守恒定律，泵浦光纤可以与数值孔径的比率成正比地锥形化。随后，耦合器被熔合在这个不对称区域内，该不对称区域的比率支持着(in favour of)DCF。举个例子，如果泵浦光纤具有0.22的数值孔径和DCF具有0.44的数值孔径，那么泵浦光纤可以被锥形化2倍，由此其面积减小4倍。两根光纤之间面积的比从未锥形化泵浦光纤情形下的50％/50％变化为对于带有锥形化泵浦光纤的非对称耦合器的20％/80％，从而现在能耦合80％的泵浦光到DCF里。然而，不幸的是，因为泵浦光纤内保留的功率，按照亮度的使用来说这项技术并非十分有效，而为了获得非常好的耦合效率，需要泵浦光纤与DCF之间面积相差最大，但是亮度损失却与这个相差比直接成正比。因此，耦合越好，亮度越差。

美国专利US4,586,784提出另一种生成耦合效率不对称的方式。它同样基于的是纵向熔合在一起的光纤，但在与其他多模光纤相熔合的泵浦光纤内采用的却是纵向锥形化，以生成耦合的更大不对称。在美国专利US5,999,673中，还提出一种熔合在DCF光纤上的锥形布置，但在这种情形下单根泵浦光纤被锥形化为非常小的直径，大大高于2倍。这导致在泵浦光纤内传播的光线的角度增大。然而，因为是锥体熔合在DCF上，所以在光线达到不会再被DCF导向的角度之前，光开始从泵浦光纤泄漏进DCF内。为确保这样，激光二极管向泵浦光纤的发射条件被控制得使从激光器耦合出的光线的纵向角不超过DCF的纵向角，即使这些光线已经穿过熔合在耦合器上的锥形化部分。激光尾部(pigtail)的角度与DCF的临界角之间的关系给定为未锥形化泵浦光纤和DCF光纤的面积总和与输出DCF光纤的面积的比的平方根，其中假设光纤被锥形化为可以忽略的直径。这项技术具有能产生接近100％耦合效率的优点，然而，这样的布置不能使亮度最佳。采用这种关系时，亮度的相对损失等于DCF的发散角与临界角的比。对于两根相同直径的光纤，其给出的值是40％，这比(6+1)×1组合器要差。另外，如果激光器与耦合器之间的泵浦光纤长度适当的话，泵浦源易于满足泵浦光纤的数值孔径，从而改变泵浦光纤内光线的发散角。因为与DCF不匹配，所以这会在耦合器输出处导致损失。

因此，侧面泵浦的优点是信号光纤是经常连续性的，它们可以一个接一个地级联来提高耦合功率的量，并且它们不会受到端面泵浦组合器所受到的几何形状限制的困扰。侧面泵浦的缺点在于它们在亮度保持方面效果差很多。这对放大器的长度和激光器的腔长有直接的影响，因为增益介质的吸收随着直径增大而变差，要耦合给定尾部泵浦光纤的泵浦源的话，需要较大直径的光纤，从而较长的增益光纤。另外，如果需要几次泵浦，那么采用单根泵浦光纤就限制了设计布置的灵活性。

因此，需要提供一种改进的耦合途径将泵浦光纤的光功率耦合进DCF光纤内，同时优化连续DCF的侧向泵浦使其具有端面泵浦组合器较好亮度效率这样的优点。

发明内容

本发明的一个目标在于提供一种耦合器，其将泵浦光纤侧向地耦合到多包层光纤尤其是DCF的外导向包层。

本发明的另一个目标在于改善侧向泵浦耦合器的亮度效率。

本发明的又一个目标在于提供一种获得这样耦合器的方法。

本发明的其他目标和优点从下面的描述可以显而易见。

实际上，本发明提供一种具有这样结构的耦合器，即在该结构中，多个锥形泵浦光纤侧向耦合在多包层光纤像DCF上。优选地，DCF少量或没有锥形化，由此保留着DCF纤芯的模型性质并将损失的信号降至最小。本发明的耦合器可以采用单模光纤耦合到大纤芯DCF，并且既可以具有偏振保持DCF光纤又可以具有非偏振保持DCF光纤。这种耦合基于的是泵浦光纤的数值孔径，而不是泵浦源注入进泵浦光纤的光线的发散角，通常，DCF的数值孔径值大于泵浦光纤的数值孔径值。

锥形的泵浦光纤纵向地熔合在DCF上，并且这些光纤的熔合程度沿纵向变化，使得泵浦光纤的下游或会聚锥体牢固地熔合在DCF上，同时泵浦光纤的上游或发散锥体极少熔合或根本不熔合。残余的泵浦功率由此在不必熔合到DCF上的输出泵浦光纤内被降至最小。而且，这些输出泵浦光纤可以从光学结构整体移出。还可以在本发明的耦合器中采用较大的光纤直径，像400μm或600μm。

本发明制造多模光纤外包层耦合器的方法基本上包括步骤：

a)形成多个锥形泵浦光纤；

b)以期望的排列围绕剥掉保护外套的中央多包层光纤定位所述多个锥形泵浦光纤，由此形成光纤束；以及

c)扭曲所述光纤束并将它熔化，以形成这种一种结构，在这种结构里，所述锥形泵浦光纤朝腰部会聚的部分变成输入泵浦光纤，而所述锥形光纤从腰部发散的部分变成输出泵浦光纤。

优选地，所述输入泵浦光纤牢固地熔合在所述中央多包层光纤上，而所述输出泵浦光纤非常小地熔合或根本不熔合在所述中央多包层光纤上。

同时，所述输出泵浦光纤通过加热和基本上从腰部拉出而整个从所述结构去除，并且在拉出所述输出泵浦光纤后留下的任何段通常被再加热和熔合在所述多包层光纤上。

在第二实施例中，所述束在腰部被劈开，形成具有与多包层光纤基本上相同直径的劈开面，并且所述束具有熔合在其侧向上的输入泵浦光纤的部分与输出多包层光纤接合，该输出多包层光纤类似于或等同于在所述束中央处的多包层光纤，并且优选是增益光纤。

附图说明

现在，参看附图描述本发明，在附图中：

图1是图解现有技术用接合在一根输出光纤上的7根输入光纤制作锥形熔合光纤束的步骤(a)至(e)的透视图；

图2是现有技术中用来对准、扭曲、熔合和锥形化光纤束的光纤保持器的阶段(a)和(b)的透视图；

图3a和3b是现有技术光纤束的劈开端面的照片；

图4是图解另一现有技术制作锥形熔合光纤束的步骤(a)至(f)的透视图，在光纤束中央的信号光纤接合在一根输出DCF上；

图5是图解依照本发明制作光纤束的步骤(a)至(e)的透视图；

图6是熔合在用本发明制造的DCF光纤上的锥形泵浦光纤的非对称熔合剖面的横截侧面；以及

图7是在锥形泵浦光纤的腰部劈开的光纤束端面的照片。

具体实施方式

为更好理解本发明，首先图解和描述一些现有技术的例子。现有技术中采用的端面泵浦结构经常需要在光纤束与DCF之间进行接合。产生这种结构的技术图解在图1中，其中在步骤(a)，六根外侧光纤10、11、12、13、14和15纵向地定位在中央光纤16周围。接着，在步骤(b)，这些外侧光纤10、11、12、13、14和15绕中央光纤16扭曲，形成光纤束。其后，在步骤(c)，熔合这个光纤束并拉伸，直至其在用线A-A表示的腰部处具有与要接合的DCF相同尺寸的直径。然后，在线A-A处劈开，并用DCF光纤18的末端对准该劈开的末端，如步骤(d)所示。最后，如图1的步骤(e)所示，光纤束腰部的对准末端与DCF光纤18的末端相接合，形成端面泵浦的多模组合器20。

为实现图1所示的步骤(a)、(b)和(c)，可以使用如图2所示的机构或夹具，它们在现有技术里是已知的。如图2的阶段(a)所示，将数个多模光纤10、11、12保持在机械保持器26和28的夹钳22和24中。在图2中，为简化起见只示出三根这样的光纤，但是已知的是这样的机构可以处理任何数目的光纤，例如从两根到超过60根，例如在Vakili等人的美国专利US6,823,117中给出地。因而，在图2的阶段(a)，为描述的目的，光纤10、11和12与图1所示相同，都在保持器26和28之间的预定长度上剥去它们的保护外套，并且如果适宜，它们的外包层或包层可以用适当的酸溶液刻蚀掉。刻蚀掉外部包层容许光纤间更容易耦合，同时去除这些包层不会引起损耗，这是因为玻璃—空气界面可以确保这种导向。因此，在图2所示机构的阶段(a)，光纤10、11、12正确地对准，然后它们以期望的方式扭曲，机械保持器26和28如箭头30、32所示可以旋转。接着，采用相同的机构，但如图2的阶段(b)所示，用适宜的热源34将扭曲的光纤10、11、12熔合在一起，并拉伸到期望的程度，机械保持器26和28如箭头36和38所示可以侧向移动。

在图1所示的例子中，采用图2阶段(a)和(b)所述的流程，但是对如图1步骤(a)所示正确对准的相同直径的几根光纤10、11、12、13、14和15，将其扭曲在一起形成紧密填充成六角形的布置，如图1步骤(b)所示。虽然这种紧密填充的布置对多模组合器并非必需，但是却是非常期望地，这是由于它能为熔化过程提供非常稳定的结构，尤其对于具有直通(feed-through)信号光纤的光纤束，这是很重要的。一旦如图1步骤(b)所示扭曲，光纤就可以用粘合剂在扭曲结构两端固定起来。这样做是为了确保在包括熔化过程在内的下一步骤期间保持稳定，通常这用热源来实现，热源可以是氧—丙烷微火焰、CO2激光器或微烘炉。为避免过度应力和变形，应当使用较宽且带有火焰的热源，这可以通过在熔化区域之上刷(brush)火焰来实现。在熔化过程中，需要对这个结构进行拉伸，以校正变形并确保更好的熔化。在熔化和/或拉伸期间或之后，如图1步骤(c)所示，对光纤束实施锥形化，使得它的腰部与图1步骤(d)所示的作为输出光纤的包层波导的尺寸相匹配。例如，如果多模输入光纤直径为125μm，那么7根这样的光纤将形成375μm的直径束。如果输出光纤直径为125μm，像125μm低折射率聚合物涂覆光纤，那么光纤束必须被熔化且锥形化，使得它的腰部从375μm减小到125μm。然后，在图1步骤(c)的线A-A处，使用例如硬质合金刀片同时在劈开点施加张力或弯曲应力，从中间将光纤束劈开。图3a是光纤束的端面在锥形化之前的照片，图3b是在熔化和锥形化之后在腰部劈开的相同光纤束的照片。接下来，移去其中一个半光纤束，并用输出光纤替换该半光纤束，同时将另一个半光纤束与输出光纤的端面对准，如图1的步骤(d)所示，然后接合该两个端面，形成如图1的步骤(e)所示的组合器。用合适的热源完成接合，该热源可以与熔化过程所用的热源相同。考虑上面讨论的亮度定律，除因实验缺陷引起的损耗外，该光纤束是低损耗的。在上面的例子里，如果输出光纤的NA是0.45，因为锥形化倍数是3倍，输入光纤的NA应低于0.15。通过刻蚀输入光纤的包层可以优化这种结构。通常所用的具有105μm纤芯和125μm包层的光纤可以刻蚀到105μm。从而，束的直径是315μm而不是375μm，所需的锥形化倍数是2.5倍。在因为亮度而产生损耗之前，输入光纤的NA达到0.18。

前面参看图1和图2描述的过程可以在具有直通信号光纤的布置里采用。这需要信号光纤放置在束的中间，并向这种布置施加一些非对称。在这种情形中，双包层信号光纤的尺寸可以与泵浦光纤的尺寸相匹配，但其他尺寸可以是常见的像具有105μm纤芯/125gm包层的泵浦光纤、25μm纤芯/250gm包层DCF或200μm纤芯/22μm包层泵浦光纤以及25μm纤芯/400μm包层DCF。在这种情形中，任何特殊的直通信号光纤都必须被设计成具有与泵浦光纤相同的尺寸，或如图4所示，在图4步骤(a)中结构中间处示出的较大信号光纤16A通过刻蚀和/或锥形化来调整尺寸，变成与图4步骤(b)所示的周围泵浦光纤10、11、12、13、14和15相同的尺寸。接下来，图4中剩余步骤(c)至(f)基本与图1中步骤(b)至(e)相同，除中央的泵浦光纤16用信号光纤16B替换外。然而，应当注意，为保持增益光纤的传输，在图4步骤(c)中实施的熔化必须很小，以保持信号纤芯内的模型形状，从而产生损耗。随手，光纤束被锥形化成DCF包层的直径，如图4步骤(d)所示。然后，在如图4步骤(e)所示将束的纤芯与DCF的纤芯精确对准之后，将它们接合起来，形成如图4步骤(f)所示的组合器结构20。为减小这种已知系统的损耗，纤芯可以通过扩散和锥形化或刻蚀直通信号光纤进行预处理，如在属于本申请人的美国专利申请公开No.2005/0094952所公开的。然而，这通常需要在设计和制作时几个精巧的步骤，因为任何疵点都会引起损耗，特别是对于低数值孔径、大纤芯或偏振保持光纤。因此，这种束和接合方式会引起各种问题，特别是当直通信号光纤要插入束里、并被熔化和锥形化然后接合在DCF的纤芯上时。除上述提到的损耗问题外，熔化光纤束会在信号光纤内产生应力，并且为将这种应力降至最小，需要非对称的光纤束。而且，从光纤束信号光纤输出的模场必须于DCF的模场匹配。最后，因为两种不同的结构接合在一起，所以接合本身还存在着基本问题；这个问题随着光纤直径变大而变得更加明显，因为光纤需要更多的热量因而在制作过程中更容易变形。因此，端面泵浦的方式对于组合泵浦而言通常是令人满意的，但是因为光纤束中和接合中的光纤变形以及接合自身的不匹配原因，可能会遭受信号传输情形中的问题。

为减小或消除上述现有技术中的问题，本发明提出通过在组合器中接合的两侧处使用匹配的DCF光纤或者替代地通过整个去除接合来促进拼接。

图5图解依照本发明的组合器的形成过程。如图5步骤(a)所示，最初的束以与图4步骤(a)所示相同的光纤布置开始，但在这种情形中，中央的光纤束18与输出DCF光纤18相同。在该具体例子中环绕的泵浦光纤10、11、12、13、14以及15与图4所示的相同。为了能够将该束与DCF光纤相组合，束的直径必须基本上减小到DCF光纤的直径。在端面泵浦的方案里，如图4所示，中央的信号光纤16A首先被减小到基本上与光纤10-15相同的光纤16B的直径。然后，在扭曲和熔化之后，整个束被锥形化，使得在其腰部，其基本上具有与DCF光纤18相同的直径，之后其在腰部被劈开，并用光纤18接合形成组合器20。

按照本发明，如图5步骤(b)所示，中央的DCF光纤保持不变，因为不希望对DCF进行变形，而只对泵浦光纤10、11、12、13、14和15锥形化。泵浦光纤的锥形尺寸被制作得与光纤直径相比非常小，即小于10％，从而制造出当如图5步骤(c)所示扭曲和熔化时、在腰部基本上等于DCF的结构。这可以通过预锥形化所有的泵浦光纤，然后将它们扭曲并熔化在中央的DCF周围生成束来实现，从而在锥形化泵浦光纤的腰部，它的直径基本上等于DCF的直径。在这种布置中，只要锥体在其长度上至少适度地熔化在中央的DCF上，前面所述的亮度定律就适用。这意味着按照未锥形化束和DCF的比例，输出DCF的数值孔径应当比泵浦光纤的数值孔径大。如果该束沿图5步骤(c)所示的纤B-B劈开，该线表示最小的腰部，那么如图5步骤(d)所示，将得到的劈开端面40与相同的DCF的端面42对准，并如图5步骤(e)所示，将它们接合起来形成组合器21，所得的接合非常好，并且在信号传输时损耗非常低，同时泵浦耦合优良。

以这种方式，对于DCF和对于泵浦光纤，制作几种具有不同光纤尺寸的耦合器试验模型。用两种结构制作试验模型(6+1)×1。第一种结构采用20μm纤芯/400μm包层直径，纤芯为0.06数值孔径、包层为0.46数值孔径的低折射率聚合物涂覆DCF。泵浦光纤具有200μm纤芯和220μm直径的包层。首先，剥掉这些泵浦光纤的各个护套，并用氟化酸刻蚀10μm包层。随后，劈开光纤，并将其放置在例如图2所示的光纤保持夹具上。这些光纤被放置在六边形网格上，然后泵浦光纤被锥形化为40μm的直径。监测其中一根泵浦光纤的传输，在拉伸之后显示出10％的损耗。然后，在插入中央位置的光纤保持夹具之前，剥掉DCF光纤的保护外套。随后将这7根光纤的布置一起扭曲。在其长度上用火焰刷烧(flame brush)该光纤束，以去除由扭曲而引起的应力。然后在其输入侧到腰部牢固地熔合。在这个过程中，监测相同泵浦光纤内和DCF内的泵浦传输，同时监测纤芯内的信号。在腰部的接触处，观察到泵浦光纤与DCF之间有20％的功率转移。尽管沿锥形区域长度的均匀熔合可以提供泵浦光纤与DCF之间的正确耦合，但是对于该过程而言这是不切实际的，因为动态监测下游锥形区域内的泵浦功率转移是不可能的。因为这种结构的对称性，所以在泵浦光纤的会聚区域或下游锥形区域内从泵浦光纤耦合到DCF的一些功率被耦合回到泵浦光纤内。因而，没有任何对DCF内将要保留到DCF内的耦合功率的正确测量。为了正确地测量下游锥体内的功率转移，发现通过仅熔合光纤束的下游锥形部分而不熔合光纤束的上游锥形部分，可以实现非对称耦合，如图6所示。该图表示图5步骤(c)所示结构的纵向横截面图，其中中间的DCF光纤18被锥形泵浦光纤围绕着，会聚锥体44朝向中央的DCF向下地倾斜，并与DCF熔合，从而在用线C-C表示的腰部，在中央的DCF光纤与围绕的泵浦光纤之间留有非常小的空间。然后，随着锥体开始分叉，例如在线D-D之后，根据这附图，从这个点开始泵浦光纤的这个锥体46基本上不熔合在中央的DCF光纤18上。因为这种耦合取决于熔合的程度和熔合的长度，所以通过不熔合输出锥体，耦合长度被制作得比锥体长度更长，因此光几乎全部被耦合到下游锥体处的DCF，而只有每光纤低于1％的光被耦合回到输出泵浦光纤。

由于熔合的进行，泵浦传输提高到超出85％。当泵浦传输约为80％时，信号恶化开始可以测量。当信号损耗为5％时，熔合停止。该过程成功复制超过20个样品。该过程显示出泵浦耦合与信号损耗之间的权衡。这是由于熔合过程引起的微弯曲的原因。当施加较长的熔合时间时，泵浦耦合可以达到超过94％，而信号损耗为20％～30％。为了将变形降至最小，在熔合步骤期间实施很小的拉伸，该拉伸足以保持该结构笔直，但不产生任何显著的锥度(低于10％的锥度)。另外，发现熔合过程所用的时间优选应当很短，即几分钟，以避免出现显著的变形和显著的损耗。在熔合步骤之后，将一些耦合器封装起来，留下输出泵浦光纤作为监测端口，以测量输入的泵浦功率。这样得到的耦合器发挥作用，不需要任何劈开也不需要与输出DCF接合。在这种结构中，生成的耦合器是侧面耦合器，其在输出处没有任何劈开和接合，从而给出非常良好的信号传输，并且亮度保持效率等于端面泵浦耦合器的亮度保持效率。这样的耦合器示出在图5的步骤(c)中，在该步骤里，线B-B处没有做任何劈开，并且依照图6所示的实施例制成越过线B-B的端部，即上游锥形化的输出泵浦光纤基本上没有熔合在中间的DCF光纤上。

然而，去除输出泵浦光纤是期望的，以简化封装并缩短封装长度，以及使直接在封装内插入增益双包层光纤成为可能，从而在放大器组件内节省一个接合。这种去除当然也可以如参看图5所述的那样来实现，即通过在步骤(c)沿线B-B劈开耦合器结构，采用与标准锥形化光纤束相同的方法，然后将半个耦合器熔合在输出DCF光纤上，该输出DCF光纤与输入结构中央的光纤相同。在这种情形中，对于泵浦耦合，观察到几个百分点的增益，并且对于非偏振保持DCF，纤芯信号的接合损耗也只有几个百分点。使用偏振保持DCF时，这种接合对偏振消光系数有损害效应，并且损耗较大。

而且，输出泵浦光纤的去除还可以通过加热这些光纤，然后如图6线D-D所示、在这些输出光纤还没有熔合在中央光纤上时从该结构拉离这些光纤来实现。

泵浦耦合与信号损耗之间的权衡主要取决于所用的光纤类型。使用具有与前述DCF相同数值孔径即纤芯0.06、包层0.46的25μm纤芯/250μm包层DCF光纤制作相同的(6+1)×1结构。在这种情形下，泵浦光纤小于105μm纤芯/125μm包层。除泵浦光纤的锥体直径不同外，制作步骤全部相同，该泵浦光纤的锥体直径为15μm，对应于锥体泵浦光纤中大约50％的损耗。这可以加以实现，因为较小的光纤用比较大光纤更低的应力来扭曲，较小光纤比较柔韧。这自然降低了输出泵浦光纤内的功率量，从而改进了耦合。光纤较小时，火炬发出的热量被减小，以便不熔化光纤。在这种情形下，泵浦耦合平均高于90％，信号损耗低于5％。这对偏振保持DCF和非偏振保持DCF都是正确的。在熔合步骤之后，将一些耦合器封装起来，留下输出泵浦光纤作为监测端口，来测量输入的泵浦功率。采用与标准锥形化光纤束相同的工艺劈开其他耦合器。这样劈开的照片示出在图7中。该照片示出相对于DCF，泵浦光纤是多么的小。在这种情形下，泵浦光纤的去除也可以通过加热输出光纤并将输出光纤拉出来实现。在这样去除之后，留在DCF上的输出泵浦光纤的小段被再次加热，并熔合在DCF上，从而在连接点处使表面光滑。然而，不幸的是，并非输出光纤内所有的泵浦光都被保存下来，这是因为一些光线确实超出了DCF光纤的临界角，但是整体的耦合被改善。图7示出本发明与图3b所示的现有技术之间光纤束结构的显著差异。

另外，图7还示出即使光纤在扭曲过程中对称地放置，它们也会在熔合过程中移动，在非对称结构中在腰部熔合。但这不会影响泵浦功率的耦合，并且显示出在腰部围绕着DCF的光纤的偏移并非决定性的。同时，可以从该结构去除一些泵浦光纤，而不会影响耦合。

因此，无论采用光纤束被劈开并被接合的实施例，还是采用利用纵向依赖的熔合的实施例，都惊奇地发现，与所有光纤都必须紧凑布置以减小作用在信号光纤上的不均匀应力这种端面泵浦途径相反，在本发明的实施例里，泵浦光纤不必相互接触。实际上可以去除泵浦光纤，而这将提高耦合的效率，这是因为在输出泵浦光纤内有较少的残余功率。因为锥形化光纤与全尺寸光纤相比向光纤束施加极小的应力，所以这是可能的。因为每端口功率的损耗，亮度保持效率恶化，但该亮度保持效率比美国专利US5,999,673中所提供的单泵浦光纤要高。因此，(6+1)×1结构可以很容易地制成(5+1)×1、(3+1)×1或(2+1)×1。随着端口数目增加，光纤束的直径也增加。因而，泵浦光纤可以具有较大的数值孔径。在所有光纤具有相等直径的(6+1)×1结构中，泵浦光纤的NA与DCF的NA之间需要3倍的倍数，而对于(2+1)×1，只需要2倍。因此，具有0.46NA的输出CF的(6+1)×1可以采用(6+1)×1结构中NA为0.15的泵浦光纤和(2+1)×1结构中NA为0.22的泵浦光纤。还发现，减少泵浦光纤的数目可以稍微提高耦合比。这是可以理解的，因为从一根泵浦光纤泄漏的一些光可以更容易地到达另一根泵浦光纤。

另一方面，当DCF具有比泵浦光纤的直径更大的直径时，更多的泵浦光纤可以围绕着DCF。例如，400μm直径的DCF可以具有九个200μm直径的泵浦光纤，从而生成(9+1)×1的光纤束。再次，如果并非所有的端口都被使用，那么它们可以在制作束之前从束去除。

一般而言，端面泵浦途径和侧面泵浦途径都既具有优点又具有缺点，最佳的结构选择主要取决于可用的泵浦源和DCF的设计。因为亮度效率的问题，对于笔直的多模光纤组合而言，端面泵浦是最佳的选择。然而，当信号需要直通光纤时，选择就主要取决于泵浦耦合的效率、亮度效率与信号损耗之间在权衡。本发明提供了优化这种在信号损耗、泵浦耦合与亮度效率之间权衡的方法。

在上述实施例中很重要的一点是所有的泵浦光纤都被假设全部充满泵浦光，即光线在光纤内的发散由光纤的数值孔径给出。在未充满的状态下，即光纤内传播的输入激光泵浦光不会激发所有可用角度空间的情况下，本发明这种器件的泵浦耦合效率将更好地发挥作用。

应当注意，本发明不限于上面描述的具体实施例，只要不脱离本发明和下面权利要求的范围，对所属领域技术人员显而易见的各种改变都是可以做出的。

Claims

1.一种具有这种结构的耦合器，该结构包括多包层光纤和多个锥形泵浦光纤，每个锥形泵浦光纤包括会聚锥形部分和发散锥形部分，该会聚锥形部分侧向耦合在多包层光纤上且该发散锥形部分不侧向耦合在多包层光纤上，其中所述多包层光纤基本上没有锥形化，并且其中所述锥形泵浦光纤和所述多包层光纤的数值孔径被如此调节，使得提供期望的泵浦耦合和期望的亮度效率。

2.依照权利要求1的耦合器，其中所述多包层光纤是双包层光纤。

3.依照权利要求1的耦合器，其中所述多包层光纤具有选自单模到大芯构造的信号传输芯。

4.依照权利要求1的耦合器，其中所述多包层光纤的数值孔径比所述锥形泵浦光纤的数值孔径大。

5.依照权利要求1的耦合器，其中所述锥形泵浦光纤的会聚锥形部分朝着所述结构上的腰部会聚，所述锥形泵浦光纤的发散锥形部分从所述腰部发散开。

6.依照权利要求5的耦合器，其中所述会聚锥形部分牢固地熔合在所述多包层光纤上，而所述发散锥形部分非常小地熔合或根本不熔合在所述多包层光纤上。

7.依照权利要求6的耦合器，其中所述发散锥形部分被从所述结构去除，只留下熔合在所述多包层光纤上的会聚锥形部分。

8.依照权利要求5的耦合器，其中该结构在腰部处被劈开，具有所述会聚锥形部分的部分接合在输出多包层光纤上，该输出多包层光纤等同于所述会聚锥形部分耦合在其上的多包层光纤。

9.依照权利要求8的耦合器，其中所述输出多包层光纤是增益光纤。

10.依照权利要求1的耦合器，其中所述多包层光纤用偏振保持光纤制成。

11.依照权利要求1的耦合器，其中所述多包层光纤用非偏振保持光纤制成。

12.一中制造如权利要求1所述耦合器的方法，包括步骤：

a)形成多个锥形泵浦光纤；

c)扭曲所述光纤束并将它熔化，以形成这种结构，在这种结构里，所述锥形泵浦光纤朝腰部会聚的部分变成输入泵浦光纤，而所述锥形光纤从腰部发散的部分变成输出泵浦光纤。

13.依照权利要求12的方法，其中所述输入泵浦光纤牢固地熔合在所述中央多包层光纤上，而所述输出泵浦光纤非常小地熔合或根本不熔合在所述中央多包层光纤上。

14.依照权利要求13的方法，其中所述输出泵浦光纤通过加热和从腰部拉出而从所述结构去除。

15.依照权利要求14的方法，其中在拉出所述输出泵浦光纤后留下的任何段被再加热和熔合在所述中央多包层光纤上。

16.依照权利要求12的方法，其中所述锥形泵浦光纤用非常小的锥直径形成，使得腰部处的束基本等于所述多包层光纤的直径。

17.依照权利要求16的方法，其中所述泵浦光纤在腰部处的锥直径小于所述泵浦光纤直径的10％。

18.依照权利要求16的方法，其中所述束在腰部被劈开，并且所述束具有侧向熔合输入泵浦光纤的部分与输出多包层光纤接合，该输出多包层光纤等同于在所述束中央处的多包层光纤。

19.依照权利要求12的方法，包括将双包层光纤用作所述中央多包层光纤。

20.依照权利要求19的方法，其中所用的双包层光纤具有比所述泵浦光纤的直径大的直径。

21.依照权利要求19的方法，其中所用的双包层光纤具有比所述泵浦光纤的数值孔径大的数值孔径。