CN102866462A - 实现lp01模场直径低损耗变换的光纤模场适配器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现LP01模场直径低损耗变换的光纤模场适配器，包括光纤激光器的输出端光纤（10）、大孔径输送光纤（30）和热膨胀芯光纤（20），光纤激光器为V值小于3.83的单模或近单模光纤激光器；热膨胀芯光纤（20）由热膨胀芯光纤包层（21）和位于热膨胀芯光纤包层（21）内的热膨胀芯光纤纤芯（22）组成；大孔径输送光纤（30）的端部经拉锥处理，自然形成与大孔径输送光纤（30）依次相连的锥形区域（40）和拉锥后小孔径区域（50）；热膨胀芯光纤（20）的两端通过电弧放电分别与光纤激光器的输出端光纤（10）和拉锥后小孔径区域（50）熔接。本发明还同时公开了上述光纤模场适配器的制备方法。

Description

实现LP01模场直径低损耗变换的光纤模场适配器

技术领域

本发明属于光纤激光器领域；涉及到一种用于不同几何结构光纤之间的LP₀₁模式模场转换适配器，尤其适用于单模或近单模高功率光纤激光器输出端光纤到大口径输送光纤之间的低损耗模场直径转换。 

背景技术

高功率光纤激光器可广泛应用在金属切割焊接等加工领域。要提高金属加工的速度和效率，激光器输出光必须具有较高的亮度，也即较高的光束质量，理论上当激光器输出单模高斯分布光场时是该激光器具有最高的光束质量（即M²=1）。 

为获得单模激光，目前，一种相对简单的光纤激光器解决方案是采用较小纤芯直径的掺稀土元素双包层光纤作为增益光纤，同时也采用相应较小的光纤外包层直径以提高泵浦光的包层吸收效率。激光器主体部分中与增益光纤相匹配的被动光纤亦为单模或近单模光纤，并具有相同的包层直径。这种解决方案的优势表现在：首先，该类激光器的光纤结构保证了只有基模LP₀₁才能在光波导中稳定传播并获得增益放大；其次，由于增益光纤外包层直径较小，泵浦吸收效率得到了提高，增益光纤长度也会随之缩短，从而有效降低了激光器的成本；同时，较小的光纤外径赋予光纤较大的柔性，有利于光纤的铺设，弯曲和缠绕，从而大大降低了工程实施的难度。但是，这种单模激光器的结构在实际应用中也面临着诸多挑战，特别是由于纤芯直径较小，随着光纤激光器功率的增加，非线性效应尤其是拉曼效应将严重制约激光器转换效率。为了有效抑制拉曼效应，需要尽量缩短激光器主体结构中被动光纤的长度。实际应用中可以采用具有较大纤芯直径和较小数值孔径的特种光纤作为输送光纤，通过输送光纤将高亮度的激光输送至待加工金属物件。由于输送光纤的末端要与特殊光学组件（比如圆柱形石英晶体）进行连接处理，工艺上通常要求输送光纤的包层直径不能小于300微米。因此，激光器输出端的单模光纤必须与一条具有较大纤芯直径和较大包层直径的输送光纤进行熔接处理。 

在安装输送光纤到激光器输出端时，通常不能直接将输送光纤与激光器输出端光纤进行简单的熔接操作，这是因为：首先，两段光纤中光的LP₀₁模场直径相差较大，直接对接会由于模场失配而造成较大光功率损耗,模场直径是衡量单模光纤光学特性的一个重要参数，它表征了一个特定波长的光在传播方向横截面上的光场大小，模场直径的大小不仅取决于光纤 的物理结构，还和光波导中所传播的光场的波长有关。当光信号传播经过模场直径存在突变的光纤连接处时，模场失配就会导致光场损耗发生，其中损耗大小可由下式进行估算： 

$\mathrm{Loss}\left(\mathrm{dB}\right)=2O\log \frac{1}{2}(\frac{\mathrm{MDF}1}{\mathrm{MDF}2}+\frac{\mathrm{MDF}2}{\mathrm{MDF}1})$

其中，MDF1和MDF2分别为连接处两端光纤中各自的模场直径值。由于通常单模激光器输出端光纤与输送光纤的LP₀₁模场直径存在较大差异，直接将二者进行光纤熔接必然会由于模场失配而造成较大的熔接损耗。其次，两段光纤包层外径不一致会增加光纤熔接操作的难度，在熔接操作时，两段外径相差较大的光纤接受电弧放电而产生的热效应并不一致，高温下熔接区域的物理形变对来自光纤表面张力的影响非常敏感，从而导致相连区域机械形变复杂，这不仅影响到熔接区域的光学性质，而且降低了熔接操作的可重复性，反映在批量生产中导致熔接操作一致性差。基于以上原因，通常在进行输送光纤与单模光纤激光器的连接操作时，必须采用特殊工艺制作一种光纤模场适配器作为连接媒介，实现LP₀₁模场直径在两种光纤之间低损耗变换，从而有效地将单模激光器产生的高亮度光输送至待加工物件。 

目前已知的一种解决模场失配光纤间的连接方案是对较小模场直径的光纤采用特殊加热方式（如丙烷焰燃烧器）预先进行长时间加热，从而达到扩散纤芯，增加模场直径的目的。但是该方案无法在工业界广泛应用的电弧放电型熔接机上进行操作，另外长时间高电强度的加热对光纤可能造成永久性损伤。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新型的全光纤模场适配器，用于对单模或近单模激光器产生的光场进行低损耗LP₀₁模场直径变换，从而将高功率光纤激光器的输出光高效率地耦合进大孔径的输送光纤。 

为了解决上述技术问题，本发明提供一种实现LP₀₁模场直径低损耗变换的光纤模场适配器，包括光纤激光器的输出端光纤和大孔径输送光纤，光纤激光器为V值小于3.83的单模或近单模光纤激光器； 

光纤激光器的输出端光纤由激光器输出端光纤包层和位于激光器输出端光纤包层内的激光器输出端光纤纤芯组成； 

大孔径输送光纤由大孔径输送光纤包层和位于大孔径输送光纤包层内的大孔径输送光纤纤芯组成； 

激光器输出端光纤纤芯中传播的LP₀₁模场直径小于大孔径输送光纤纤芯中传播的LP₀₁模场直经； 

光纤模场适配器还包括热膨胀芯光纤，所述热膨胀芯光纤由热膨胀芯光纤包层和位于热膨胀芯光纤包层内的热膨胀芯光纤纤芯组成； 

大孔径输送光纤的端部经拉锥处理，自然形成与大孔径输送光纤依次相连的锥形区域和拉锥后小孔径区域；锥形区域由锥形包层和位于锥形包层内的锥形输送光纤纤芯组成，拉锥后小孔径区域由拉锥后小孔径包层和位于拉锥后小孔径包层内的拉锥后小孔径输送光纤纤芯组成； 

热膨胀芯光纤的两端通过电弧放电分别与光纤激光器的输出端光纤和拉锥后小孔径区域熔接。 

作为本发明的实现LP₀₁模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的改进： 

熔接后与激光器输出端光纤纤芯相连的热膨胀芯光纤纤芯的端部称为熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部；熔接后与拉锥后小孔径输送光纤纤芯相连的热膨胀芯光纤纤芯的端部称为熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部； 

热膨胀芯光纤纤芯传播的LP₀₁初始模场直径介于激光器输出端光纤纤芯中传播的LP₀₁模场直径大小的90%到97%之间； 

熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部中传播的LP₀₁模式模场直径是激光器输出端光纤纤芯中传播的LP₀₁模式模场直径的98%~102%， 

熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部中传播的LP₀₁模式模场直径是拉锥后小孔径输送光纤纤芯中传播的LP₀₁模式模场直径的98%~102%。 

本发明还同时提供了上述实现LP₀₁模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的制备方法，包括如下步骤： 

1）、制备热膨胀芯光纤： 

热膨胀芯光纤波导结构的设计应满足以下要求： 

首先，包层外径应与光纤激光器的输出端光纤的包层外径一致； 

其次，原始状态下热膨胀芯光纤中LP₀₁模场直径应小于光纤激光器的输出端光纤中的模场直径，并应留有大于5%的膨胀余量；同时为避免光场进入热膨胀芯光纤之后出现明显的颈状细化现象，热膨胀芯光纤纤芯传播的LP₀₁初始模场直径介于激光器输出端光纤纤芯（12）中传播的LP₀₁模场直径大小的90%到97%之间； 

第三，在保证所设计的热膨胀芯光纤能切仅能支持一个轴对称模即LP ₀₁模稳定传播的前提下（V值小于3.83），通过掺杂尽量提高纤芯与包层的折射率差值Δn，以此来提高所设计光纤的热膨胀能力； 

热膨胀芯光纤包层外径=激光器输出端光纤包层的外径； 

热膨胀芯光纤纤芯的设计要满足以下两个定量条件和一个定性条件： 

第一定量条件，初始模场直径与激光器输出端光纤相比，比值要介于90%到97%之间； 

第二定量条件，V值小于3.83； 

定性条件为：Δn要≥0.002； 

2）、将大孔径输送光纤的端部经拉锥处理： 

自然形成与大孔径输送光纤依次相连的锥形区域和拉锥后小孔径区域；拉锥后小孔径包层的外径=激光器输出端光纤包层的外径； 

拉锥后小孔径输送光纤纤芯的直径=激光器输出端光纤纤芯的直径； 

3）、熔接： 

熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部中传播的LP₀₁模式模场直径是激光器输出端光纤纤芯中传播的LP₀₁模式模场直径的98%~102%， 

熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部中传播的LP₀₁模式模场直径是拉锥后小孔径输送光纤纤芯中传播的LP₀₁模式模场直径的98%~102%。 

即，要求熔接后的激光器输出端光纤纤芯中传播的LP₀₁模式模场直径比熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部中传播的LP₀₁模式模场直径差别小于±2%，拉锥后小孔径输送光纤纤芯中传播的LP₀₁模式模场直径与熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部中传播的LP₀₁模式模场直径差别小于±2%。 

作为本发明的实现LP₀₁模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的制备方法的改进：按照上述方法制备而得的热膨芯光纤纤芯的受热时，LP₀₁模式模场直径增加速度显著高于另外两种光纤（即，光纤激光器的输出端光纤和大孔径输送光纤）中LP₀₁模式模场直径的变化。 

作为本发明的实现LP₀₁模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的制备方法的进一步改进：大孔径输送光纤包层的外径≥300微米，且大孔径输送光纤包层的外径＞热膨胀芯光纤包层的外径。 

在本发明的制备方法中： 

步骤3）的熔接为：在进行光纤熔接操作中，熔接机参数设定需要针对各自光纤组合进行优化，具体操作工艺如下：首先选取一个中心波长接近工作波长（如1.08um）的宽带光源（例如SLED光源）耦合进待熔接光纤1，将待熔接光纤2的出光端面进行平切割（切割角度应小于0.5），剥离涂敷层并进行包层模去除处理后将切割端面导入光功率计；在电弧放电熔接的过程中实时监测经纤芯传输的功率；根据所记录的功率-时间曲线对电弧放电时间以及电弧强度 等参数进行调整直至经过熔接点的传输功率最大化。 

步骤1）的制备热膨胀芯光纤，在石英纤芯原料中加入以下铝(Al)和磷（P）作为掺入料（目的是增强受热时扩散效应），然后按照改进型化学气相沉积法（MCVD），垂直轴相沉积法（VAD），直接纳米离子沉积法（DND）等公知的方法制备。以MCVD方法为例，依次进行以下步骤（其中①-③为预制棒的生长制作步骤）： 

①、以氢氧焰作为热源，用于加热沿轴相旋转的起始石英管； 

②、首先进行预制棒的生长，通入SiCl₄与O₂的混合反应气体（SiCl₄与O₂的体积比为1：1），在石英管内壁沉积纯的SiO₂组成光纤的包层，使SiO₂达到设计的包层厚度；例如(在实施例1中)包层部分区域厚度与掺杂区域厚度比满足238：12； 

③、导入掺杂气体进行掺杂形成高折射率的纤芯，掺杂组分与浓度分别为9mole%的Al和6mole%的P，从而使Δn满足设计要求，所述Δn为纤芯与包层折射率的差值；得预制棒； 

热膨胀芯光纤波导结构的设计应满足的要求同上；掺杂浓度的控制遵循以下两个原则：第一，1mole%的Al可贡献0.001的Δn增加；第二，Al与P共掺时，1mole%的P可抵消1mole%Al对Δn增加的贡献；通过掺入9mole%的Al和6mole%的P，我们可最终实现纤芯折射率增加0.003（即，使Δn为0.003）； 

④、将预制棒送给进高温炉拉制成光纤，得热膨胀芯光纤（为折射率分布截面为节跃型分布的热膨胀芯光纤）； 

热膨胀芯光纤包层（21）外径=激光器输出端光纤包层（11）的外径。 

本发明基于光纤拉锥与热膨胀芯光纤技术，即对输送光纤进行拉锥处理从而通过改变光纤物理结构来实现光学性质的改变，同时采用热膨胀芯光纤作为桥梁，实现输出光LP₀₁模式在两种光纤之间模场直径的吻合。光纤之间的物理连接可通过光纤电弧放电熔接操作来实现，为降低熔接操作中的不确定因素，输送光纤拉锥端外径应与热膨胀芯光纤外径一致。 

该发明的优点是：首先，热膨胀芯技术的采用大大降低了改变光纤折射率分布的难度。目前现有的加热改变光纤折射率的技术多注重于对加热手段的改进，通常采用对光纤进行长时间高温加热来达到改变模场分布的目的，在实施过程中，该方法存在许多不足之处，比如折射率改变速率太慢，而且长时间对光纤进行高温处理会导致光纤结构损伤，强度降低等情况发生。而热膨胀芯光纤技术则是对光纤结构进行改造，在特种光纤制造过程中，在纤芯部分掺入铝或磷元素，以增加掺杂区域的折射率。铝掺杂元素在受热条件下易于快速向相邻的低掺杂浓度区域扩散。当通过电弧放电等方式对光纤进行加热时，由于掺杂浓度梯度的存在，纤芯中所含的掺杂元素会迅速向相邻的包层部分扩散，导致被扩散区域折射率增加，扩散源 区域折射率下降，因此通过对掺杂浓度的控制，光纤折射率分布在一定程度上随着温度变化而具有了可调制性。在本发明中，我们采用热膨胀芯光纤作为媒介，相对简单的实现了该媒介光纤两端LP₀₁模式模场直径的变化。通过在两端熔接过程中精确控制折射率分布的变化，从而相对简单地实现了媒介光纤两端LP₀₁模场直径的适配，达到了熔接损耗最优化的目的。 

综上所述，在发明中引入一种纤芯比较容易扩散的特种光纤（热膨胀芯光纤）作为媒介，同时采用拉锥方案减小输送光纤的LP₀₁模场直径，并将二者结合起来制作一种实现LP₀₁模场直径低损耗变换的光纤模场适配器。 

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。 

图1为本发明一个实施例的结构示意图。 

图2A为图1中光激光器的输出端光纤10的折射率分布图； 

图2B为图1中热膨胀芯光纤20未受热时的折射率分布图； 

图2C为图1中大孔径输送光纤30的折射率分布图； 

图2D为上述三段光纤中LP₀₁模式的模场分布； 

图3为实施例中输送光纤拉锥时LP₀₁模场直径与外包层直径的对应关系； 

图4A为实施例中热膨胀芯光纤折射率分布的变化示意图；图4B-C分别为实施例1中热膨胀芯光纤两端LP₀₁模场的匹配。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例方案对本发明进行进一步的详细描述。 

图1给出了一种实现LP₀₁模场直径低损耗变换的光纤模场适配器，包括光纤激光器的输出端光纤10和大孔径输送光纤30，光纤激光器为单模或近单模光纤激光器（V值均小于3.83）； 

光纤激光器的输出端光纤10由激光器输出端光纤包层11和位于激光器输出端光纤包层11内的激光器输出端光纤纤芯12组成。 

大孔径输送光纤30由大孔径输送光纤包层35和位于大孔径输送光纤包层35内的大孔径输送光纤纤芯36组成。 

光纤模场适配器还包括热膨胀芯光纤20，热膨胀芯光纤20由热膨胀芯光纤包层21和位于热膨胀芯光纤包层21内的热膨胀芯光纤纤芯22组成。 

大孔径输送光纤30经拉锥处理，自然形成与大孔径输送光纤30依次相连的锥形区域40和拉锥后小孔径区域50；锥形区域40由锥形包层33和位于锥形包层33内的锥形输送光纤纤芯34 组成，拉锥后小孔径区域50由拉锥后小孔径包层31和位于拉锥后小孔径包层31内的拉锥后小孔径输送光纤纤芯32组成；大孔径输送光纤包层35、锥形包层33和拉锥后小孔径包层31依次相连，大孔径输送光纤纤芯36、锥形输送光纤纤芯34和拉锥后小孔径输送光纤纤芯32依次相连； 

热膨胀芯光纤20的两端通过电弧放电分别与光纤激光器的输出端光纤10和拉锥后小孔径区域50熔接； 

熔接后与激光器输出端光纤纤芯12相连的热膨胀芯光纤纤芯22的端部称为熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部23；熔接后与拉锥后小孔径输送光纤纤芯32相连的热膨胀芯光纤纤芯22的端部称为熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部24； 

热膨胀芯光纤纤芯22传播的LP₀₁初始模场直径介于激光器输出端光纤纤芯12中传播的LP₀₁模场直径大小的90%到95%之间； 

熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部23中传播的LP₀₁模式模场直径是激光器输出端光纤纤芯12中传播的LP₀₁模式模场直径的98%~102%， 

熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部24中传播的LP₀₁模式模场直径是拉锥后小孔径输送光纤纤芯32中传播的LP₀₁模式模场直径的98%~102%。 

备注说明：热膨胀芯光纤纤芯22在经熔接处理时被加热部分（即热膨胀芯光纤纤芯22的两个端部---熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部23和熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部24）的结构会发生改变。 

实施例1、一种实现LP₀₁模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的制备方法： 

在本例中，原始提供的光纤激光器的输出端光纤10和大孔径输送光纤30的各项性能参数如下： 

（一）、 

激光器输出端光纤包层11的直径（外径）为250μm，激光器输出端光纤纤芯12的直径为12.5μm，数值孔径NA为0.08（由于n_cladding为1.458，因此Δn为0.0022）。激光器输出端光纤纤芯12的V值为2.91，其中传播的1.08um的光场的基模LP₀₁模场直径（MFD）为12.25um。其中，数值孔径NA，V值，和MFD可分别通过下列公式描述： 

$\mathrm{NA}=\sqrt{{(n_{\mathrm{cladding}}+\mathrm{\Δn})}^2-n_{\mathrm{cladding}}^2}---\left(1\right)$

$V=\frac{\mathrm{\π}\×\mathrm{NA}\×D_{\mathrm{Core}}}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

$\mathrm{MFD}=D_{\mathrm{core}}\×(0.65+\frac{1.619}{V^{3/2}}+\frac{2.879}{V^6})---\left(3\right);$

其中，n_cladding为光纤包层石英材料的折射率，Δn为纤芯与包层材料折射率的差值，D_Core为纤芯的直径，λ为光纤中所承载的光场的中心波长。当V值小于2.405时，只有基模LP₀₁才能在光纤中传播；当V值大于3.83时，光纤将开始支持更高阶轴对称模即LP₀₂模在其中传播，而当V值介于2.405与3.83之间时，光纤仍然能且仅能支持单个轴对称模即LP₀₁模存在其中。 

（二）、 

大孔径输送光纤包层35的直径为400μm，大孔径输送光纤纤芯36的直径为20μm，数值孔径NA为0.06（由于n_cladding为1.458，因此Δn为0.0012）。该大孔径输送光纤的V值为3.49，其中传播的1.08um的光场的基模LP₀₁模场直径（MFD）为18um。 

根据上述给出的光纤激光器的输出端光纤10和大孔径输送光纤30的性能数据，依次进行以下步骤： 

1）、制备热膨胀芯光纤20： 

热膨胀芯光纤20波导结构的设计应满足以下要求： 

首先，包层外径应与光激光器的输出端光纤10一致，即为250um； 

其次，原始状态下热膨胀芯光纤中LP₀₁模场直径应小于激光器输出端光纤中的模场直径，并应留有大于5%的膨胀余量，同时为避免光场进入热膨胀芯光纤之后出现明显的颈状细化现象,原始状态下LP₀₁模场直径亦不应小于输出光纤中模场直径的90%，因此，以光激光器的输出端光纤10中模场直径（12.25um）为参照，在该实施例中初始状态下LP₀₁模场直径应设计在介于11.025<MFD<11.875的范围之内； 

第三，在保证所设计的热膨胀芯光纤20能切仅能支持一个轴对称模即LP₀₁模稳定传播的前提下（V值小于3.83），应通过掺杂尽量提高纤芯与包层的折射率差值Δn，以此来提高所设计光纤的热膨胀能力。 

基于以上设计要求，我们设计的热膨胀芯光纤包层21的直径为250μm，纤芯22的直径为12μm，Δn为0.003，（由于n_cladding为1.458，因此数值孔径NA为0.094）。该热膨胀芯光纤的V值为3.27，其中传播的1.08um的光场的基模LP₀₁模场直径（MFD）为11.12um。 

在石英纤芯原料中加入以下铝(Al)和磷（P）作为掺入料（目的是增强受热时扩散效应），然后按照改进型化学气相沉积法（MCVD），垂直轴相沉积法（VAD），直接纳米离子沉积法 （DND）等公知的方法制备。以MCVD方法为例，依次进行以下步骤（其中①-③为预制棒的生长制作步骤）： 

①、以氢氧焰作为热源，用于加热沿轴相旋转的起始石英管； 

②、首先通入SiCl₄与O₂体积比为1:1的混合气体（反应温度为1300C），在石英管内壁沉积纯的SiO₂灰状沉积物（soot）组成光纤的包层，根据设计要求，包层沉积厚度应满足以下条件：当沉积物(soot)最终烧结为预制棒时，包层厚度:掺杂纤芯厚度=238:12； 

③、导入掺杂气体进行掺杂形成高折射率的纤芯，为了有效地提高纤芯折射率，并保证纤芯部分具有足够的热膨胀性，可掺入较高摩尔浓度的铝，同时掺入一定剂量的磷，磷的掺入将与铝元素发生电化学反应，在一定程度上可以抑制折射率的过度增加，从而将折射率控制在所需水平。 

由于该实施例中所设计的热膨胀芯光纤20纤芯与包层的折射率差值Δn为0.003（根据公式（1）NA为0.094）。因此，在预制棒的纤芯部分制备过程中，通过掺入Al₂O₃的P₂O₅，使Δn满足上述设计要求。掺杂浓度的控制遵循以下两个原则：第一，1mole%的Al可贡献0.001的Δn增加；第二，Al与P共掺时，1mole%的P可抵消1mole%Al对Δn增加的贡献。通过掺入9mole%的Al和6mole%的P，我们可最终实现纤芯折射率增加0.003（即，使Δn为0.003）。当纤芯部分生长达到设计厚度时，提升加热温度至约2300C使石英管内壁所沉积的反应物融化坍塌成为实心预制棒。 

④、将预制棒送给进高温炉拉制成光纤，得到热膨胀芯光纤20（为折射率分布截面为节跃型分布的热膨胀芯光纤）； 

热膨胀芯光纤包层21外径=激光器输出端光纤包层11的外径=250μm； 

热膨胀芯光纤纤芯22的初始直径为12μm，与之相对应的数值孔径NA值为0.094； 

根据公式（1），（2），和（3），计算热膨胀芯光纤纤芯（22）传播的LP₀₁初始模场直径MFD。 

该实施例中的热膨胀芯光纤中，n_cladding为1.458，根据上文中告知的Δn为0.003，D_Core为12μm，λ为1.08um，因此得出MFD为11.12。对该热膨胀芯光纤经折射率测量仪（RIP）进行折射率分布进行检测，进一步验证了Δn与D_Core符合设计要求。 

2）、大孔径输送光纤30的端部经拉锥处理： 

我们已知：大孔径输送光纤包层35的直径为400μm，大孔径输送光纤纤芯36的直径为20μm，数值孔径NA为0.06。 

因此，为了实现与热膨胀芯光纤20实现外径匹配，将大孔径输送光纤30的端部进行拉锥处理，所得的拉锥后小孔径包层31的直径为250μm，拉锥后小孔径输送光纤纤芯32的直径为12.5μm。 

拉锥后小孔径输送光纤纤芯32的长度为5mm~10mm，热膨胀芯光纤纤芯22的长度为10mm，锥形输送光纤纤芯34的长度为10mm。 

3）、熔接： 

在对该实例中光纤进行熔接操作中，熔接机参数设定需要针对各自光纤组合进行优化，具体操作工艺如下：首先选取一个中心波长接近工作波长（比如1.08um）的宽带光源（例如SLED光源）耦合进第一个待熔接光纤1，将第二个待熔接光纤的出光端面进行平切割（切割角度应小于0.5），剥离涂敷层并进行包层模去除处理后将切割端面导入光功率计；在电弧放电熔接的过程中实时监测经纤芯传输的功率。根据所记录的功率-时间曲线对电弧放电时间以及电弧强度等参数进行调整直至经过熔接点的传输功率最大化。 

当对热膨胀芯光纤20进行熔接处理时，我们采用上述工艺对熔接程序预先进行优化，以Fujikura100M电弧熔接机为例（下同）,优化后得熔接程序主要参数如下： 

对于输出端光纤10与热膨胀芯光纤20的熔接程序，电弧强度设定为290bit，放电时间设定为2.3秒，电极间隔为3mm； 

对于热膨胀芯光纤20与拉锥后小孔径输送光纤的熔接程序，电弧强度设定为350bit，放电时间设定为11.5秒，电极间隔同样为3mm。 

熔接操作之后，经折射率测量仪检测确认，热膨胀芯光纤纤芯22的端部24处折射率近似呈高斯分布，其半高宽（FWHM）直径（径折射率测量仪检测，该实施例中经过熔接操作后折射率分布呈近似高斯分布）增加至14μm，数值孔径NA则降为0.066，而与之相连的拉锥后小孔径输送光纤纤芯32的纤芯特性改变可忽略不计；同样，热膨胀芯光纤纤芯22的端部23经过熔接之后期半高宽直径变为13.2μm，其数值孔径NA变为0.085，而与之相连的输出端光纤纤芯12几乎没有改变。 

备注说明：纤芯直径变化是由于热膨胀芯光纤受热后纤芯部分掺杂元素扩散引起的。 

实施例1的各项性能参数如表1所示。 

表1 

为了证明本发明的实现LP₀₁模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的作用，发明人进行了如下的实验： 

光纤作为一种光传导的波导介质，通过对光纤结构中各个部分折射率分布进行分析，理论上可以通过采用传播矩阵法求解波动方程，从而计算出光在其中传播时的模式分布。图2A,B和C分别为本实例中光纤激光器的输出端光纤10，热膨胀芯光纤20，以及大孔径输送光纤30在初始状态的纤芯部分折射率分布示意图。 

图2D所示为通过理论模拟得出的1.08um的光在上述三段原始状态光纤中LP₀₁的光场分布曲线，其中曲线41对应于光纤激光器的输出端光纤10的LP₀₁模式，曲线42对应于尚未加热处理时的热膨胀芯光纤20的LP₀₁模式，曲线43对应于大孔径输送光纤包层35（400um外径）的LP₀₁模式。进一步分析可计算出三段光纤光纤激光器的输出端光纤10，热膨胀芯光纤20，大孔径输送光纤30中的LP₀₁模式模场直径分别为12.25um，11.12um,18um，容易看出在激光器输出光纤10与输送光纤30之间存在较为严重的模场失配。 

为了解决光纤激光器的输出端光纤10与大孔径输送光纤30之间严重的模场失配问题，首先需要对大孔径输送光纤30进行拉锥处理。如实施例1的步骤2）所述，大孔径输送光纤30外径由拉锥前的400um通过拉锥操作缩小至250um，同时纤芯部分由拉锥前的20um减少至12.5um，随着拉锥过程造成的光纤物理尺寸的变化，所对应的LP₀₁模场直径也会相应改变，图3给出了拉锥过程中LP₀₁模场直径与外包层直径的对应关系，如图3所示，当把大孔径输 送光纤30外径通过拉锥缩小至250um时，光纤中所传导的1.08um光场的LP₀₁模场直径将随之减小至14.74um。为了尽量减少LP₀₁模式在被拉锥区域传播过程中的能量损耗，从几何形状上来说锥形区域必须是一个绝热锥，即进入该锥形区域的LP₀₁模在传播过程中能量被有效保留在LP₀₁模式内，而不会泄漏至包层模或者转给高阶模。在实施过程中，拉锥部分的最小长度需要满足一定要求从而保证该锥形区域为绝热锥。这里我们采用了参考文献[1]中所定义的绝热锥概念，即对应于任意拉锥后的纤芯直径r_core所对应的纤芯锥斜率（dr_core/dz）应小于绝热锥长度系数L， 

$L=\frac{r_{\mathrm{core}}\&times;({\mathrm{\&beta;}}_1-{\mathrm{\&beta;}}_2)}{2\mathrm{\&pi;}}$

其中β₁β₂分别对应于LP01模与高阶模LP₁₁模的传输常数。由于该实施例中拉锥比率较小（0.625），计算可得只要拉锥长度大于1.2mm即可获得绝热锥。但是为了增加拉锥过程的稳定性，该实施例中我们将拉锥区域长度设定为远大于最低要求的10mm。 

参考文献为: 

[1]J.D.Love,W.M.Henry,W.J.Stewart,R.J.Black,S.Lacroix,andF.Gonthier,Taperedsingle-modefibersanddevices—Part1:Adiabaticity。 

对大孔径输送光纤30进行拉锥处理之后，我们通过一段10mm长的热膨胀芯光纤20进一步完成模场直径的适配转换。如前所述，当对热膨胀芯光纤20进行加热时，由于掺杂元素铝和磷的扩散，热膨胀芯光纤的折射率分布会发生改变，从而引起LP₀₁模场直径的变化。如图2D模拟结果所示，光纤激光器的输出端光纤10与初始状态的热膨胀芯光纤20中的LP₀₁模场直径相差不大，分别为为12.25um和11.12um，于是在进行这两段光纤的熔接操作时，应采用相对较短的放电时间和较低的电弧强度（电弧强度设定为290bit，放电时间设定为2.3秒），从而将热膨胀芯光纤纤芯部分的扩散控制在很小的范围内，以达到熔接点两端光场LP₀₁模场直径相匹配的目的。而对于热膨胀芯光纤20与大孔径输送光纤30拉锥端（即拉锥后小孔径区域50）的熔接操作，由于二者LP₀₁模场直径存在较大差别（分别为12.25um与14.74um），所以应采用相对较长的放电时间和较高的电弧强度（电弧强度设定为350bit，放电时间设定为11.5秒），这样随着铝，磷等元素向包层扩散，热膨胀芯光纤中纤芯直径进一步增加，同时纤芯与包层间的折射率差值逐渐减少（相当于减少NA），相对应的LP₀₁的模场直径将大幅增加，最终将接近孔径输送光纤30拉锥端中的LP₀₁模场直径。 

图4A给出了本实例中热膨胀芯光纤20纤芯部分折射率变化的示意图，其中51为初始状态时纤芯的折射率分布，52为与光纤激光器的输出端光纤10熔接之后纤芯部分折射率分 布曲线，可以注意到由于熔接过程中相对较为温和的加热效应，纤芯折射率分布的改变并不显著。曲线53为与拉锥后小孔径区域50相熔接后的热膨胀芯光纤折射率分布，明显可见长时高强度的电弧放电明显改变了纤芯部分折射率分布。 

图4B所示为本实例中光纤激光器的输出端光纤10与热膨胀芯光纤20进行熔接优化后的LP₀₁模场匹配，曲线54为1.08um的光场在光纤激光器的输出端光纤10中的LP₀₁模场分布，而曲线55为该光场在熔接点另一侧热膨胀芯光纤20中的LP₀₁模场分布（备注说明：此时尚未与拉锥端输送光纤熔接），其相对应的模场直径为12.21um，这与激光器输出端光纤10中LP₀₁模场直径相差小于1%，二者模场直径已经非常接近。优化之后的该连接处熔接损耗经验证为0.07dB。 

图4C所示为本实例中热膨胀芯光纤20与拉锥端输送光纤（拉锥后小孔径区域50）的LP₀₁模场匹配。其中曲线56为光场在拉锥端输送光纤中的LP₀₁模场分布，而曲线57为熔接优化后靠近熔接点处热膨胀芯光纤中的LP₀₁模场分布，所对应的LP₀₁模场直径分别为14.74um和14.33um。显然，通过采用热膨胀芯光纤技术，我们有效地实现了三段光纤中LP₀₁模场直径的相互匹配,达到了LP₀₁模场直径低损耗变换的目的。优化之后熔接操作与拉锥操作所造成的总损耗为0.08dB。因此，该实施例中LP₀₁模通过该模场适配器的损耗为0.15dB。 

实施例2 

采用与实施例1完全相同的大孔径输送光纤30（400um包层，20um纤芯，0.06NA），并采用200um包层，10um纤芯，0.08NA（Δn=0.0022）的单模光纤作为光激光器的输出端光纤10（其中LP₀₁模场直径为11.23），与实施例1类似，通过对大孔径输送光纤30拉锥（即，自然形成与大孔径输送光纤30依次相连的锥形区域40和拉锥后小孔径区域50）和采用合适的热膨胀芯光纤20，构成LP₀₁模场直径低损耗变换的光纤模场适配器。其中所需的热膨胀芯光纤20可采用与实施例1中相同方法制备，即同样采用MOCVD方法进行预制棒制作，并适当减小包层材料的相对沉积厚度（即使使预制棒中为掺杂部分厚度与掺杂部分厚度比达到189:11），使得拉纤之后包层直径为200um（实施例1中热膨胀纤包层厚度为250um）。在预制棒的纤芯部分制备过程中，通过掺入9mole%的Al和6mole%的P，使Δn达到设计要求。制成的热膨胀芯光纤20在初始未受热状态下，其主要参数为：包层直径200um，纤芯直径11um，Δn=0.003(数值孔径0.094NA），其对应的LP₀₁模场直径为10.63，为激光器输出端光纤中的LP₀₁模模场直径的94.7%，该实施例中光纤模场适配器具体制作程序如下： 

首先将大孔径输送光纤30拉锥使外径由400um减小至200um，拉锥区间长度为10mm 以保证锥形区域位绝热锥，拉锥之后输送光纤参数变为：包层直径200um，纤芯直径10um，数值孔径0.06NA,其对应的LP₀₁模场直径为14.54。 

然后进行光激光器的输出端光纤10与热膨胀芯光纤20的熔接，预先对该熔接操作参数进行优化，应采用相对较短的放电时间和较低的电弧强度（电弧强度设定为260bit，放电时间设定为2秒），熔接之后热膨胀芯光纤20模场直径增加约5%，（纤芯直径11.5um，Δn=0.0027，数值孔径0.089NA，其对应的LP₀₁模场直径为11.16），该连接处熔接损耗经验证为0.06dB。 

最后进行热膨胀芯光纤20与拉锥之后的输送光纤（即拉锥后小孔径区域50）熔接。同样需预先对该熔接操作参数进行优化，应采用优化后的程序进行实际操作。该处熔接同样采用相对较长的放电时间和较高的电弧强度（电弧强度设定为330bit，放电时间设定为11秒），熔接之后热膨胀芯光纤20中LP₀₁模场直径明显增大（纤芯直径14um，Δn=0.0015，数值孔径0.066NA，其对应的LP₀₁模场直径为14.33），该熔接操作与拉锥操作所造成的LP₀₁模传输总损耗为0.08dB。因此，该实施例中LP₀₁模通过该模场适配器的损耗为0.14dB。 

实施例2的各项性能参数如表2所示。 

表2 

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不 限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.实现LP₀₁模场直径低损耗变换的光纤模场适配器，包括光纤激光器的输出端光纤（10）和大孔径输送光纤（30），所述光纤激光器为V值小于3.83的单模或近单模光纤激光器；

光纤激光器的输出端光纤（10）由激光器输出端光纤包层（11）和位于激光器输出端光纤包层（11）内的激光器输出端光纤纤芯（12）组成；

大孔径输送光纤（30）由大孔径输送光纤包层（35）和位于大孔径输送光纤包层（35）内的大孔径输送光纤纤芯（36）组成；

激光器输出端光纤纤芯（12）中传播的LP₀₁模场直径小于大孔径输送光纤纤芯（36）中传播的LP₀₁模场直经；

其特征是：

所述光纤模场适配器还包括热膨胀芯光纤（20），所述热膨胀芯光纤（20）由热膨胀芯光纤包层（21）和位于热膨胀芯光纤包层（21）内的热膨胀芯光纤纤芯（22）组成；

大孔径输送光纤（30）的端部经拉锥处理，自然形成与大孔径输送光纤（30）依次相连的锥形区域（40）和拉锥后小孔径区域（50）；所述锥形区域（40）由锥形包层（33）和位于锥形包层（33）内的锥形输送光纤纤芯（34）组成，所述拉锥后小孔径区域（50）由拉锥后小孔径包层（31）和位于拉锥后小孔径包层（31）内的拉锥后小孔径输送光纤纤芯（32）组成；

热膨胀芯光纤（20）的两端通过电弧放电分别与光纤激光器的输出端光纤（10）和拉锥后小孔径区域（50）熔接。

2.根据权利要求1所述的实现LP₀₁模场直径低损耗变换的光纤模场适配器，其特征是：

熔接后与激光器输出端光纤纤芯（12）相连的热膨胀芯光纤纤芯（22）的端部称为熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部（23）；熔接后与拉锥后小孔径输送光纤纤芯（32）相连的热膨胀芯光纤纤芯（22）的端部称为熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部（24）；

所述热膨胀芯光纤纤芯（22）传播的LP₀₁初始模场直径介于激光器输出端光纤纤芯（12）中传播的LP₀₁模场直径大小的90%到97%之间；

熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部（23）中传播的LP₀₁模式模场直径是激光器输出端光纤纤芯（12）中传播的LP₀₁模式模场直径的98%~102%，

熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部（24）中传播的LP₀₁模式模场直径是拉锥后小孔径输送光纤纤芯（32）中传播的LP₀₁模式模场直径的98%~102%。

3.如权利要求1或2的实现LP₀₁模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的制备方法，其特征是包括如下步骤：

1）、制备热膨胀芯光纤（20）：

热膨胀芯光纤（20）波导结构的设计应满足以下要求：

首先，包层外径应与光纤激光器的输出端光纤（10）的包层外径一致；

其次，原始状态下热膨胀芯光纤（20）中LP₀₁模场直径应小于光纤激光器的输出端光纤（10）中的模场直径，并应留有大于5%的膨胀余量；同时为避免光场进入热膨胀芯光纤（20）之后出现明显的颈状细化现象，所述热膨胀芯光纤纤芯（22）传播的LP₀₁初始模场直径介于激光器输出端光纤纤芯（12）中传播的LP₀₁模场直径大小的90%到97%之间；

第三，在保证所设计的热膨胀芯光纤（20）能切仅能支持一个轴对称模即LP₀₁模稳定传播的前提下（V值小于3.83），通过掺杂尽量提高纤芯与包层的折射率差值Δn，以此来提高所设计光纤的热膨胀能力；

热膨胀芯光纤包层（21）外径=激光器输出端光纤包层（11）的外径；

热膨胀芯光纤纤芯（22）的设计要满足以下两个定量条件和一个定性条件：

第一定量条件，初始模场直径与激光器输出端光纤相比，比值要介于90%到97%之间；

第二定量条件，V值小于3.83；

定性条件为：Δn要≥0.002；

2）、将大孔径输送光纤（30）的端部经拉锥处理：

自然形成与大孔径输送光纤（30）依次相连的锥形区域（40）和拉锥后小孔径区域（50）；拉锥后小孔径包层（31）的外径=激光器输出端光纤包层（11）的外径；

3）、熔接：

熔接后热膨胀芯光纤纤芯小端部（23）中传播的LP₀₁模式模场直径是激光器输出端光纤纤芯（12）中传播的LP₀₁模式模场直径的98%~102%，

熔接后热膨胀芯光纤纤芯大端部（24）中传播的LP₀₁模式模场直径是拉锥后小孔径输送光纤纤芯（32）中传播的LP₀₁模式模场直径的98%~102%。

4.根据权利要求3所述的实现LP₀₁模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的制备方法，其特征是：按照上述方法制备而得的热膨芯光纤纤芯（22）的受热时，LP₀₁模式模场直径增加速度显著高于另外两种光纤中LP₀₁模式模场直径的变化。

5.根据权利要求4所述的实现LP₀₁模场直径低损耗变换的光纤模场适配器的制备方法，其特征是：大孔径输送光纤包层（35）的外径≥300微米，且所述大孔径输送光纤包层（35）的外径＞热膨胀芯光纤包层（21）的外径。

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