CN102782539A - 具有不对称芯的光纤及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种有源光纤，其构造为具有不对称形状的芯，所述芯具有至少一个长轴和横向于所述长轴延伸的最短轴。所述有源光纤的最外包覆层被构造为具有表示短轴的取向的标记物。所述标记物允许弯曲所述纤维以使最短轴沿着弯曲部的平面延伸并且位于弯曲部的平面中，从而使得在光沿着弯曲部传播时由不对称形状的芯引导的模式失真最小化。

Description

具有不对称芯的光纤及其制造方法
技术领域
本公开涉及构造有非圆形芯的光纤，所述非圆形芯被构造为使得沿着光纤的曲线形延伸部基模的有效面积的减少最小化。
背景技术
在不具有大模面积(LMA)有源光纤的情况下，不可能出现高功率光纤激光器系统。随着光纤激光器系统的功率级别增长，对于激光辐射的质量提出了严格的要求。如本领域普通技术人员所公知的(“posita”)，沿着芯引导的模越少，光质量越高。因此，在构造能够以支持期望波长下的基本单一的、近似折射受限的基模的MM光纤的方法做出了大量的努力。一旦MM光纤被恰当地激发，MM芯进一步沿着光路向下引导这种模，而基本不失真。在基本顺直的光纤的背景下，MM芯在很大程度上是正确的。然而，实际上，光纤通常具有弯曲或曲线形的延伸部。
通常对于标准的光纤，例如芯具有阶跃折射率轮廓的光纤，当基模沿着曲线形的延伸部传播时，其有效面积，即在横向尺寸上模有效覆盖的区域的定量测量减小。基模朝向芯的外周的位移使得重叠区域缩减，即与具有增益介质和基模的芯区域共用的区域。同时，高阶模沿着弯曲部朝向芯外周的位移不如基模的情况下那样大。高阶模(HOM)沿着弯曲部朝向芯外周的相对微小的位移可使得HOM的放大率实质上比这些模沿着芯的顺直延伸部的放大率大。HOM的放大率越大，输出束的质量越低。
随着芯面积增加，上述公开的效果变得越来越显著。这些现象看起来是限制芯面积扩大的主要因素之一，因此，也是限制具有阶跃折射率轮廓和至少等于大约30μm芯直径的有源光纤的功率级别的主要因素之一。
图1A和图1B确认了上述情况。图1A示出了沿着9cm半径延伸的32μm芯中的基模位移；图1B示出了沿着15cm半径的110μm芯的模的位移。显然，芯直径越大，模式失真越大。
使得由于弯曲引起的模式失真最小化的光纤制造方法以及光纤构造是公知的。一种已知的结构被构造为具有抛物形折射率轮廓，与阶跃折射率轮廓相比，抛物形折射率轮廓提供了模面积沿着光纤弯曲部较少的减少。还已知不通过基模但是通过一种高阶模的工作的光纤构造，每个高阶模均具有比基模高的Δneff，即相应的芯和模的折射率之间的差。因此，高阶模不像基模那样易于受到光纤弯曲的影响。
发明概述
公开教导了使得沿着MM有源和/或无源光纤的曲线形延伸部的模式失真最小化的MM芯的可选构造、并入光纤的高功率光纤激光器系统以及在激光器系统中使用所公开的光纤构造的方法。
公开的光纤基于表示模式失真的程度的参数S和芯的半径之间的关系。所述关系可近似如下：1
(1J.M.Fini“Design of LMA amplifier fibers resistant to bend-induceddistortion”，Vol.24，No.8/Augusy/2007，Journal of Optical Society of America)
Δnbend＝ncore*Rcore/Rbend，此处，Δnbend为由于弯曲引起的芯的相应的相对外周段的折射率之间的差，Rcore为芯半径，Rbend为光纤的弯曲半径；
Δneff＝ncore-neff，此处，Δneff为相应的模和芯的折射率之间的差；
基于前面的描述，当Δneff≤Δnbend时，基模位移，这与外芯区域(即，与偏移方向相反的区域或者相对于弯曲中心的区域)的外观相关联。
失真的参数S＝Δnbend/Δneff
由于Δneff～C*(1/Rcore)2，S与R3 core成比例。因此，半径越小，失真越小。
根据公开，有源光纤或无源光纤设置有芯，所述芯具有以不同尺寸的轴为特征的非圆形构造。为了使得沿着弯曲部的模式失真最小化，光纤被定位为以使其最小的轴位于弯曲部的平面中。所公开的光纤的外包覆层被适当地标记以使短轴的取向便于恰当的缠卷以及进一步的安装。
附图说明
通过下列附图的示例进一步详细地描述本公开。
图1A和图1B示出了在沿着分别具有较小半径和较大半径的弯曲部延伸的光纤的圆形形状的芯中模式行为。
图2A和图2B分别示出了依照被公开构造的示例性的椭圆形形状的不对称芯的侧视图和剖视图。
图3示出了对带有表示图2B的不对称芯的短轴方向的识别符号的公开光纤的包覆层进行标记的技术。
图4示出了公开的光纤的不对称芯的变型例。
图5示出了当芯的短轴位于弯曲部的平面中时由图6中的芯支持的模式失真。
图6示出了当不对称芯的短轴位于与所述弯曲部的平面垂直的平面中时由图6中的芯支持的模式失真。
图7为示出对于图5和图6中相应的两个弯曲部平面模面积失真的程度与弯曲部半径的相关性的曲线图。
图8和图9分别示出了公开的光纤的不对称芯的另一示例性形状。
图10A和图10B在所公开的不对称芯的公开的制造工艺中使用的示例性技术。
图11示出了公开工艺的阶段中的一个。
图12为合并了公开的光纤的光纤激光器系统。
图13为封闭图12中所示的系统的壳体的下半部的视图。
图14示出了图12的系统的相应的无源光纤和有源光纤的构造。
图15示出了公开的光纤的另一变型例。
发明详述
现在将更加详细地参照公开的系统。在附图和说明书中尽可能使用相同或相似的附图标记来指代相同或相似的部件或步骤。包括但不限于诸如上、下等词语的方向性术语应针对纸张的平面进行排他性解释。附图为简化的形式并且远非精确的比例。
图2A和图2B示出了所公开的LMA光纤10的许多可能构造中的一种。光纤10包括一个或多个包覆层18(仅示出了一个)以及MM芯12，MM芯12由包覆层围绕并且掺杂有一种稀土元素或稀土元素的组合。多模芯12构造为支持期望波长下的单个横模(优选地基横模)或非常少的基模。如公开的光纤的示例实施例所示，芯12具有椭圆形形状的截面。光纤10可以为或者可以不为偏振保持光纤；光纤还可以为有源的或无源的。
多模椭圆形芯12构造为具有短轴14和长轴16(图2B)。依照本公开，具有不对称形状的芯12的有源光纤10沿着弯曲部定位，以使短轴14沿着弯曲部的平面并且在弯曲部的平面中延伸。
图3示出了为用户提供用于使光纤10沿着弯曲部恰当定位的简单且有效的结构的技术中的一种。特别地，在公开的制造工艺的牵引步骤中，外包覆层18设置有标记物20，从图2A中也可看出，标记物20表示短轴14的取向。这可通过自漆料储器25沿着期望方向向包覆层施加漆料来简单地实现。
图4示出了设置有均具有半径R的相对曲线形延伸部的略变型芯22以及均具有长度L且桥接曲线形延伸部的两个直线形延伸部。与图3的芯12中的基模类似的芯22中的基模沿着长轴伸延。
图5和图6示出了图4中的芯22中的模形状变化。由于芯22不对称，模式行为取决于弯曲部延伸的平面。在图5中，弯曲部的中心位于短轴14上，即，光纤沿着位于弯曲部的平面中的短轴弯曲。模24基本保持其形状并且仅相对于芯22的中心略微移位。相反地，当弯曲部在长轴16的平面中延伸时，如图6所示，通过减小的模面积以及模从芯22的中心朝向周边的偏移清楚地显示了模式失真。
图7示出了对于两个不同的弯曲部平面：0度和90度来说模面积与弯曲部半径的相关性。0度曲线图清楚地显示了较大的模式失真。
参照图8和图9，芯形状以及因此模式强度轮廓不限于椭圆形形状并且能够被制造为具有任何规则的形状或不规则的形状。规则的形状可以为例如多边形形状，多边形形状无限制地包括三角形、矩形、星形等。图8示出了由矩形表示的多边形形状的实施例。图9示出了包括通过向内弯曲的侧边桥接的两个直线形侧边的不规则形状的实施例。依照本公开的芯的几何形状的关键之处在于存在多个轴，多个轴中的一个为最小的。通常，芯的形状为通过预型件的切割数量、切割延伸的深度和方向以及加工温度的函数。
图10A和图10B示意性地示出了制造具有椭圆形芯12的光纤10的方法。预型件30(图10A)设置有直径相对的切割32。在光纤被牵引出时，圆形芯34接受图10B所示的芯的椭圆形形状。
图11示出了用于构造矩形芯的技术。为了容纳矩形芯，在预型件42中制作各自包括一对直径相对的且不同尺寸的凹痕40的两对切割。通常，切割可以或者可以不均匀并且可以直径不对称地定位，具有不同的深度和方向，这均取决于期望的芯形状。
图12示出了设置有大模面积光纤52的光纤激光器系统50，大模面积光纤52构造为具有多模(MM)芯，MM芯掺杂有一种或多种稀土元素并且具有例如椭圆形形状的截面。激光器系统50可进一步包括分别支持基模传播的输入和输出无源光纤56和58。无源光纤均可具有单模或多模结构；如果无源光纤构造为多模光纤，实质上仅在这种光纤的输入处激发出基模。完整的系统50为依照侧部泵激方案将泵浦光发射到有源光纤52中的无源MM输送光纤60。
图13图解地示出了光纤块的壳体62的底部64。尽管光纤块62可具有各种形状，所示的一种形状具有椭圆形形状。底部64设置有引导件66，引导件66构造为沿着具有两个弯曲部68的路径容纳并且引导图12中的有源光纤52。因此，有源光纤具有与引导件66的相对弯曲部68相对应的两个曲线形延伸部。依照本公开，有源光纤设置有不对称形状的芯并且沿着弯曲部延伸，以使芯的最短轴沿着每个弯曲部68的曲线形段延伸。
随着高功率光纤激光器的激增，通常对输出光的质量和功率提出了严格的要求。为了防止从输入光纤56发射到MM芯54中的信号光的不可接受的功率损耗以及在MM芯54中高阶模的激发，有源光纤52的基模的模场直径与输入光纤56的基模的模场直径基本匹配。这些可通过下面两个构造来实现。
参照图14并且考虑图12中的后者，无源输入和输出光纤56、58分别构造为优选地但不一定具有基本均匀的椭圆形的SM芯54。因此，当无源和有源光纤毗邻拼接时，各个芯被对准，这使得基本仅激发有源光纤52中的基模。结合图12讨论的图16示出了提供最小光损耗的另一构造。特别地，通过分别具有不同芯轮廓的交替区域62、64牵引出有源光纤52。区域62具有典型的圆形芯，而区域64被构造为具有不对称形状的芯以及在外周上的识别符号，所述识别符号表示芯的短轴的正确取向。相应的输入和输出区域62的圆形芯分别定形且定尺寸为使得由输入无源光纤56(图12)支持的SM信号光的MFD与有源光纤60的基模的MFD基本匹配。类似地，SM无源输出光纤58构造为使得传播通过这些光纤之间的毗邻拼接区域的圆形轮廓的基模基本不损失任何功率。有源光纤52被进一步构造为使得其在区域62和64之间具有过渡区域，圆形轮廓沿着所述过渡区域转换为椭圆形轮廓并且变换回圆形轮廓。
尽管图示和描述的被认为是最具实现性和优选的实施方案，偏离于所描述和所图示的特定设计和方法的设计和方法对于本领域技术人员来说是显而易见的并且可以在不偏离本发明的主旨和范围的情况下使用。本发明不限制为所描述和图示的特定构造，而是应当被解释为与可落在随附的权利要求的范围之内的所有变型例紧密结合。

Claims (20)

1.一种有源光纤，其包括：不对称形状的芯的至少一个延伸部，所述芯具有至少一个长轴和比所述长轴小且横向于所述长轴延伸的短轴；以及最外包覆层，其围绕所述芯并且具有标记物，所述标记物表示所述短轴的取向。
2.如权利要求1所述的光纤，其中，所述短轴沿着所述至少一个延伸部的弯曲区域延伸并且与所述至少一个延伸部的所述弯曲区域共平面。
3.如权利要求1所述的光纤，其中，所述芯不掺杂或者掺杂有一种或多种稀土族离子并且构造为支持在除了所述芯基本支持基模或非常少的模的一个期望波长之外的波长范围内的多个模。
4.如权利要求3所述的光纤，其中，所述基模具有与所述不对称芯的形状一致的形状。
5.如权利要求4所述的光纤，其中，所述芯的所述形状为规则的或不规则的。
6.如权利要求5所述的光纤，其中，所述芯的所述规则形状包括多边形形状或椭圆形形状。
7.如权利要求1所述的光纤，进一步包括与所述芯和最外包覆层同心的至少一个附加包覆层，所述芯和所述包覆层被构造为限定大模面积(LMA)光纤构造。
8.如权利要求7所述的光纤，其中，所述LMA光纤构造包括偏振保持结构或非偏振保持结构。
9.如权利要求1所述的光纤，其中，所述芯具有至少一个附加的对称形状的延伸部。
10.一种制造有源光纤的方法，包括：
(a)使用掺杂有一种或多种稀土族离子的不对称形状的芯牵引所述光纤的至少一个延伸部，从而使所述芯构造为具有多个轴，所述多个轴中的一个为最短轴；以及
(b)与(a)同时进行，对所述光纤的围绕所述芯的最外包覆层做标记，以表示所述最短轴的取向。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括：在牵引所述光纤之前，在预型件上提供多个切割，所述切割：
以均匀或不同的角距离彼此间隔开，
以均匀的角度或不同的角度以及均匀的形状和尺寸或者不同的形状和尺寸相对于彼此延伸。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：弯曲所述光纤，从而形成具有平面的弯曲部，其中所述最短轴沿着所述弯曲部的所述平面延伸并且位于所述弯曲部的所述平面中。
13.如权利要求10所述的方法，其中，牵引所述光纤进一步包括：牵引具有芯的至少一个附加延伸部，所述芯具有圆形形状。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：牵引多个交替的一个和附加的光纤延伸部，以及对每一个延伸部或每个附加延伸部的开始处和结束处进行颜色编码。
15.包括至少一个光纤增益块的光纤激光器系统，设有：
输入和输出无源光纤，其分别具有彼此面对的间隔开的端面；
无芯泵浦光输送光纤，其引导泵浦光；以及
有源光纤，其与所述输送光纤为并排结构延伸并且接收来自所述输送光纤的所述泵浦光，所述有源光纤具有：
相对的端面，其分别与所述输入和输出无源光纤的相应的间隔开的端面毗邻拼接，
不对称形状的芯的至少一个延伸部，所述芯具有至少一个长轴和横向于所述长轴延伸的最短轴，以及
最外包覆层，其围绕所述芯并且具有表示所述最短轴的取向的标记物。
16.如权利要求15所述的光纤激光器系统，其中，所述有源光纤的所述芯被构造为能够基本支持期望波长的基模或非常少的模的多模(MM)芯，所述输入和输出无源光纤均被构造为具有不对称形状的芯，所述芯被构造为与所述有源光纤的所述芯基本等同，从而以所述期望波长传播通过所述毗邻拼接端面的信号光具有最小的损耗。
17.如权利要求15所述的光纤激光器系统，其中，所述有源光纤被构造为具有多个附加延伸部，所述多个附加延伸部与所述一个延伸部侧面相接并且均具有所述芯的具有圆形形状的部分。
18.如权利要求16所述的光纤激光器系统，其中，所述输入和输出无源光纤均为多模或单模(SM)光纤。
19.如权利要求15所述的光纤激光器系统，其中，所述增益块具有壳体，所述壳体设置有引导件，所述引导件具有至少一个弯曲部，所述弯曲部位于平面中并且容纳所述有源光纤的所述一个延伸部，以使所述不对称芯的所述最短轴在所述弯曲部的所述平面中延伸。
20.如权利要求15所述的光纤激光器系统，其中，所述有源光纤为选自偏振保持光纤或非偏振保持光纤的大模面积光纤。
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