CN115151514A - 结构化二氧化硅包层二氧化硅光纤 - Google Patents

结构化二氧化硅包层二氧化硅光纤 Download PDF

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Abstract

描述了一种新型全二氧化硅光纤；结构化二氧化硅包层二氧化硅(SSCS)光纤，其包层被结构化为在芯内提供模混合；和/或具有平均有效折射率。其横截面基本对称，可以用于从纤维激光器或其它有限模光子源提供更平坦、更无散斑的输出，以及其它目标。围绕稀土掺杂的激光器芯构建新纤维结构为包层泵浦提供了更好的纤维激光器/放大器。结构化二氧化硅包层包含成对层，其中，下掺杂二氧化硅层之后是纯的、或较少下掺杂的、甚至上掺杂的二氧化硅层，并且成对层的数量通常为5至约25，通常在成对层内，硅酸盐的较高RI层与下掺杂二氧化硅的厚度之比非常宽，取决于SSCS光纤的有意用途，在约0.0625至约16之间。在一些版本中，主要的芯材料可以是上掺杂的二氧化硅，其中纯二氧化硅或下掺杂的二氧化硅为主要的第二组分。

Description

结构化二氧化硅包层二氧化硅光纤
博莱什J斯库特尼克,BJ公司(BJ Associates),西哈特福德,康涅狄格州,美国沃尔夫冈纽伯格，维也纳，奥地利和安德烈B.格里申科，里加，拉脱维亚
介绍
技术领域
随着时间的推移，用于光纤应用的光子源继续变得更小、更紧凑；并提高功率密度。出于多种原因(例如局部损伤)，许多医疗和工业应用正在使用纤维激光器和脉冲光束来提供高功率密度，并将被照射物体的温度保持在被处理表面的最低限度。在该过程中，光源已经从大的漫射光束变为非常局部的少模或单模光束。
现在，大多数辐射束源是高度高斯的，甚至在形状上更受限制，具有非常局部的高中心峰，辐射衰减相对较快。对于一维应用，诸如激光切割，这不是问题，而实际上可能是益处。然而，在原子/分子水平上，这样的过程是多维的，并且可能会产生有害结果。对于二维和更高的应用(诸如激光清洁、焊接和机加工)，大多数情况将受益于更广泛的无散斑功率分布。将输出平滑到更加无散斑的分布将有益于应用处理。本文公开的光纤通过在预制件制作期间以直接方式将模混合并入其基本结构中，使得这样的输出更有可能实现。制作一种新型全二氧化硅光纤。如本文所述。这些具有全二氧化硅光纤的所有优点以及在实现有效数值孔径和新模承载/混合特性方面的新灵活性。
此外，纤维激光器本身，即意指被包层泵浦，将受益于将激光器芯结合为结构化二氧化硅包层光纤的最内芯，这也将在本文中介绍。
背景技术
在此之前，全二氧化硅光纤在芯二氧化硅周围都有包层二氧化硅，其中，芯二氧化硅的折射率高于包层二氧化硅的折射率，数值孔径(NA)仅与两种材料在其界面处的折射率(RI)差异有关，并且一般光学和物理特性取决于制造用于拉制光纤的预制件的具体类型的二氧化硅。
过去，产生模混合纤维的方法是通过引入偏心芯、使用非圆形芯或在纤维横截面的折射率分布中引入不对称干扰来破坏光纤的横截面对称性。在过去40年左右的时间里，有很多这样的努力的示例，特别是在关于纤维激光器和/或纤维放大器的专利和文献中。
本发明中所述的新颖全二氧化硅纤维，提供了全二氧化硅光纤，这样的全二氧化硅光纤是良好的模混合纤维，具有沿纤维的对称横截面，以及其它目标。
发明的内容和目标
主要目标在于提供一种新的(新颖的)全二氧化硅光纤结构，该结构具有结构化的二氧化硅包层，并且其中，可以通过改变二氧化硅层的结构而不是改变组分内的掺杂水平来改变预制件之间的数值孔径(NA)。
另一目标在于提供一种模混合光纤的新方法，其具有基本对称的圆形横截面结构。
进一步目标在于提供具有改进的包层泵浦特征的纤维激光器、纤维放大器等，其具有基本对称的横截面结构。
另外，目标在于提供具有更多无散斑输出的光纤，其具有更兼容的横截面，用于对远程站点的光纤传输。
此外，目标在于提供一种特制纤维，其可以用于将纤维激光源连接到标准光纤，以用于医疗应用中的实际治疗。
又另一目标在于提供一种特制光纤，其用于工业或军事应用，与标准光纤兼容。
描述了一种新型全二氧化硅光纤。一种结构化二氧化硅包层二氧化硅(SSCS)光纤，其包层被结构化以在芯中提供模混合。其横截面基本对称。其可以用于从纤维激光器或其它有限模光子源提供更平坦、更无散斑的输出。围绕激光器芯构建新的纤维结构为包层泵浦提供了更好的纤维激光器/放大器。结构化二氧化硅包层包含成对层，其中，下掺杂的二氧化硅层之后是纯的或更少下掺杂的二氧化硅层，并且成对层的数量优选地为5至约25，并且通常在成对层内，纯二氧化硅与下掺杂二氧化硅的厚度比相当宽，在约0.0625至16之间，具体取决于SSCS纤维的有意用途。在一些版本中，主要的芯材料可以是上掺杂的二氧化硅，其中纯二氧化硅或下掺杂二氧化硅为第二组分。
附图说明
在图1中示出了预制件和拉制纤维的基本横截面。
图2呈现了图1中的纤维的折射率分布。
图3是纤维的横截面图，其中纯较低掺杂的二氧化硅围绕基本SSCS结构。
图4示出了根据本发明的新型纤维激光器或纤维放大器的横截面图。
具体实施方式
在本文中，我们描述了一种新颖类型的全二氧化硅光纤结构，由具有类似内部结构的预制件拉制。在预制件和所得光纤中，包层由纯较低折射率(包层型)材料和纯较高折射率(芯型)材料的交替层构成，称为成对层，其中，在一些示例中，所述包层型层通常与所述芯型层一样厚或更厚。这种新的包层称为结构化二氧化硅包层(SSC)，并且最常见地将围绕/包覆纯二氧化硅或更高折射率材料的芯，从而形成光纤的基本SSCS结构。在许多示例中，将在将保护涂层/护套放置在所得光纤上之前，在SSC上施加附加的低折射率(RI)材料，以提供对全二氧化硅光纤的静态或动态疲劳的更大抵抗力。
分层二氧化硅结构还可能在成对层中的较薄较低折射率层之后具有较厚较高折射率层，与上述那些结构相比，这将产生更接近芯的平均折射率的结构化区段(section)。低折射率差异在被主要设计成增强模混合光纤的纤维/预制件中更有益，在光纤/预预制件的芯区段内具有结构化的二氧化硅区段。后者在本发明人其中两位的伴随专利申请US62/981151中被描述和要求保护。在相关联发明中，在芯内具有结构化二氧化硅区段的光纤是不对称芯或非圆形芯光纤，这与本发明中所述的当前光学预制件和纤维的对称圆形横截面有很大不同。
新颖的SSCS光纤提供了新的全二氧化硅光纤，其方式与本发明人之一在1980年代发现的硬包层二氧化硅纤维提供改进的塑料包层光纤的方式非常相似(参见；US 4,511,208，B.J.Skutnik)。在本申请中，新颖纤维和从中拉制它们的新型预制件提供了更好的模混合输出，并能够产生更好的包层泵浦纤维激光器、纤维放大器等，以及其它不同的特性。
在SSCS光纤中，除了改变低折射率层化学成分的现有方式外，还可以在不改变材料的情况下调整有效数值孔径。相反，在光学预制件制造中，较低掺杂二氧化硅层关于较高折射率二氧化硅层的相对厚度可以改变结构化二氧化硅包层的有效折射率。因而，结构化二氧化硅包层的使用有效地为光纤的设计提供了附加的自由度以及其它新特性。
成对层的数量，以及所需的各个层的实际厚度，取决于具体应用中的渐逝场结构和应用中使用的光纤的芯尺寸。在其中芯尺寸较小的一些情况下；接近或小于100μm，如果预制件和光纤的结构在SSC上具有附加的包层材料，则将是有益的；在拉制的光纤上添加保护涂层之前。模混合特性和包层效率的有效性在某种程度上还取决于给定应用中使用的光波长、成对层的数量以及SSC内各个层的厚度。
为了便于讨论，本文中通常都使用纯二氧化硅作为芯材料(较高折射率材料)和氟掺杂硅作为下掺杂材料(较低折射率材料)。本发明同样适用于由上掺杂二氧化硅(诸如Ge掺杂的硅)制成的芯，以及渐变折射率芯材料。结合较高RI掺杂的硅作为芯材料，包层或较低RI掺杂的材料可以是纯硅。
新纤维能够以高精度制造，因为其结构特征被精心设计到预制件中。在纤维拉制过程中，通常使用大的拉制比，这允许非常明确的层和结构。本发明的关键在于预制件是通过等离子气相沉积PVD方法制造的，可以使用外部蒸汽(POVD)或封闭蒸汽(PCVD)方法。精确控制蒸汽成分，尤其是在不同折射率的材料之间变化时，对于在预制件的结构化二氧化硅包层区段内形成明确定义的层至关重要。使用标准的纤维拉制塔和技术精心拉制预制件，拉制的光纤将具有与预制件成比例等效的对称性。这些结构化二氧化硅包层二氧化硅光纤非常适合为诸如纤维激光器等低模高功率源提供无散斑输出远端输出。在适当选择最内部有源芯的情况下，其还可以用于纤维激光器和放大器的设计。
本发明的一些示例是具有大到中等NA以进行多模传输的光纤。在这些光纤中，基本结构是较厚的低折射率层，然后是每个成对层中的较高折射率层。较低RI层与较高RI层的厚度比将在约2至15的范围内。实际厚度将取决于现有等离子体气相沉积设备/过程的条件和能力。对于大多数模混合类型的应用，成对层数的范围在一定程度上取决于光纤的应用领域，包括所采用的光源。通常，有用的成对数量将在约5至30的范围内。这些参数的更优选范围可能是厚度比在7至15的范围内，并且成对层的数量在约10至25的范围内。
在应用将从中到小NA受益的情况下，结构化二氧化硅包层将更好地由更厚的高折射率层和更薄的低折射率层来提供。使用相同的起始材料，但改变厚度比，以便受益于与每个成对层中的较低RI层相比，较高RI层的相对厚度更大。具有非常低NA的光纤，因为结构化二氧化硅包层的有效折射率接近芯材料的有效折射率，可以从适当设计的预制件来拉制。
可替选地，可以使用上掺杂的二氧化硅作为较高RI层，使用氟硅酸盐(fluorosilicate)作为较低RI层来实现较高RI的结构化二氧化硅区段，从而视需要调整相对厚度以实现纤维的非常低的有效NA。
较高RI层与较低RI层的比可在约3至20的范围内有用。通常有用的成对数量范围将在5至30的范围内。对于这些参数的更优选的范围可能是厚度比在7至15的范围内，成对层的数量在约10至25的范围内。
更特别地，对于模混合应用，稍微不同的横截面可能有益于这种情况。在芯材料上添加薄层，其中，添加层的折射率高于芯材料的折射率，然后是上述正常结构化二氧化硅包层，从选择的较低折射率层开始，依此类推。这种配置可以增加渐逝场效应并因而增加结构化二氧化硅包层的模混合的效率。
在图1至4中描绘了在结构化二氧化硅包层的每个成对层内具有与较厚较高RI层相比的较薄较低RI层的一些示例，如下所述。
将纯二氧化硅芯棒101放置在POVD室中，以添加一系列在下掺杂层123与纯二氧化硅层121之间交替的层，形成图1中所示的结构化区段103。纯二氧化硅芯102的直径与结构化二氧化硅包层104的直径之间的差异定义了模混合、结构化二氧化硅包层103的总厚度。在包层103内，有许多分层对120，对于不同的情况可以是不同的，通常在8至30对的范围内。在每个分层对120内，纯二氧化硅层121通常比下掺杂二氧化硅层123厚得多。两种厚度之比的范围通常约为3至20。这在图1和图1A中进行了总结。这两个参数的特别有用范围是成对层内的厚度比为7至13，成对层数量为12至20。
当然，从适当尺寸的二氧化硅芯开始，内芯101、201…可以由更薄的二氧化硅棒制成，在二氧化硅棒上通过等离子体沉积附加的纯二氧化硅来沉积纯二氧化硅，从而在一些情况下实现期望的芯直径。
图2以横截面示出了预制件100的折射率(RI)分布。图2A和图2B示出了RI在横截面上如何变化。线表示在芯材料的折射率之间的下掺杂二氧化硅层的折射率下降。RI变化的剧烈程度表明沉积过程中材料的急剧变化，而无散斑底部确定了每个下掺杂层中掺杂剂水平的无散斑性。在一系列示例中，(delta)n＝5x10-3。
在图3中，添加了包层类型层307，其恒定RI小于芯301的RI，通常小于结构化二氧化硅包层303的平均RI。在当前情况下，包层类型层307可以是氟硅酸盐沉积，在预制件制造期间沉积，或者是在光纤拉制过程期间应用的塑料包层，以提供额外屏障来包含穿过所述SSCS光纤传输的光。
图4示出了根据本发明的包层泵浦纤维激光器/放大器的横截面示意图。稀土掺杂芯410被纯二氧化硅芯/包层401包围，并且“第二”包层SSC 403包围纯二氧化硅初始包层，以提供更高效的包层泵浦设备。
总之，结构化二氧化硅包层包含成对层，其中，例如，在一种类型的SSCS光纤中，较低折射率层之后是较薄的纯二氧化硅层。成对层的数量通常为3至约30，并且通常在成对层内，较低折射率材料的厚度与较高折射率材料的厚度之比在2与20之间。
在SSCS光纤的另一变体中，在SSCS中期望较低到非常低的有效NA，成对层内的厚度可以相同或相反；即，薄的(下掺杂的)、较低折射率层之后是较厚的较高折射率(例如，纯二氧化硅)材料。在成对层内，这里的厚度比是相对于较厚较高RI层，较高折射率层与较低折射率层之比通常在2与20之间。成对层的数量通常为约3至30。
在任一版本中，光纤都可以具有在拉制过程中施加在结构化二氧化硅包层上的低折射率聚合物材料，并在光纤上添加外护套以提供机械保护。
在本发明的一些版本中，预制件的结构化二氧化硅包层区域进一步被一层下掺杂的二氧化硅或其它反射涂层包围，并且当从预制件拉制光纤时，可以将较低折射率的材料施加到光纤。所有的纤维通常都具有最外层涂层，以在应用/使用中提供机械保护。
虽然主要设想纯二氧化硅(Si)为芯材料，而下掺杂二氧化硅将是氟-二氧化硅(fluoro-silica)，但也可以使用其它材料，诸如与作为“下掺杂”材料的纯二氧化硅配对的芯材料的渐变折射率二氧化硅或上掺杂二氧化硅。取决于有意用途，也可以使用其它下掺杂二氧化硅来代替氟-二氧化硅(F-Si)。

Claims (22)

1.一种光纤，包括具有平均折射率的结构化二氧化硅包层和折射率高于所述结构化二氧化硅包层的平均折射率的二氧化硅芯。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中，所述结构化二氧化硅包层包括许多成对层，所述许多成对层是下掺杂二氧化硅和然后的较少下掺杂或上掺杂或甚至纯二氧化硅，所述较少掺杂、上掺杂或甚至纯二氧化硅层通常比所述下掺杂层薄。
3.根据权利要求2所述的光纤，其中，所述下掺杂层厚度与所述较少下掺杂二氧化硅层厚度之比在约2至15之间。
4.根据权利要求2或3所述的光纤，其中，所述成对层的数量在约2与30之间。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光纤，进一步包括外涂层，其中，所述外涂层从以下组中选择：纯二氧化硅、高折射率塑料、以及下掺杂二氧化硅、低折射率塑料包层材料。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的光纤，其中，在所述二氧化硅芯内是最内芯，所述最内芯掺杂有稀土材料，所述最内芯的折射率高于所述芯二氧化硅，并且所述掺杂最内芯允许所述光纤充当包层泵浦纤维激光器或纤维放大器。
7.一种制作根据权利要求1所述的光纤的方法，所述光纤具有结构化二氧化硅包层和更高折射率的二氧化硅芯，所述方法包括：
制备预制件，所述预制件具有被圆形分层对的区段包围的圆形二氧化硅芯，所述圆形分层对是下掺杂层和随后的通常更薄的更高折射率二氧化硅层；和
以标准拉制参数拉制所述预制件，以产生具有所选纤维芯尺寸的光纤。
8.一种制作根据权利要求6所述的光纤激光器/放大器的方法，所述光纤激光器/放大器具有结构化二氧化硅第二包层、二氧化硅第一包层以及稀土掺杂最内芯，所述方法包括：
制备预制件，所述预制件具有被二氧化硅第一包层和然后的圆形分层对的区段包围的圆形最内稀土掺杂芯，所述圆形分层对是下掺杂层和随后的更厚的纯二氧化硅层；和
以标准拉制参数拉制所述预制件，以产生具有所选纤维芯尺寸的光纤。
9.一种新子类的全二氧化硅光纤，所述新子类的全二氧化硅光纤对于甚至从低模功率源进行无散斑输出特别有用，所述新子类的全二氧化硅光纤包括：
芯，所述芯具有折射率或者折射率分布；
结构化二氧化硅包层，所述结构化二氧化硅包层包围所述芯，具有低于所述芯的平均折射率，所述结构化二氧化硅包层由不同折射率和厚度的许多交替层构成；
其中，所述结构化二氧化硅包层由较低折射率二氧化硅的和较高折射率二氧化硅的交替层、成对层构成，并且所述层具有不同厚度；并且
其中，在给定成对层中，所述较低折射率层的厚度与所述较高折射率层的厚度之比落在3至20的范围内；并且包括所述结构化二氧化硅包层的所述成对层的数量从5至30变化。
10.根据权利要求9所述的光纤，其中，所述较低折射率层的厚度与所述较高折射率层的厚度之比在约7与15之间。
11.根据权利要求9所述的光纤，其中，所述成对层的数量在约10与25之间。
12.一种光纤，包括具有平均折射率的结构化二氧化硅包层和折射率高于所述结构化二氧化硅包层的平均折射率的二氧化硅芯。
13.根据权利要求12所述的光纤，其中，所述结构化二氧化硅包层包括许多成对层，所述许多成对层是下掺杂二氧化硅和然后的较少下掺杂或甚至纯二氧化硅，所述较少下掺杂或甚至纯二氧化硅层通常比所述下掺杂层厚。
14.根据权利要求13所述的光纤，其中，所述较高折射率二氧化硅层厚度与所述下掺杂层厚度之比在约2至15之间。
15.根据权利要求13或14所述的光纤，其中，所述成对层的数量在约2与30之间。
16.根据权利要求12至15中的任一项所述的光纤，进一步包括外涂层，其中，所述外涂层从以下组中选择：附加的纯二氧化硅、高折射率塑料、以及下掺杂二氧化硅、低折射率塑料包层材料。
17.根据权利要求12至16中的任一项所述的光纤，其中，在所述二氧化硅芯内是最内芯，所述最内芯掺杂有稀土材料，所述最内芯的折射率高于所述二氧化硅芯，并且所述掺杂最内芯允许所述光纤充当包层泵浦纤维激光器或纤维放大器。
18.一种制作根据权利要求12所述的光纤的方法，所述光纤具有结构化二氧化硅包层和二氧化硅芯，所述方法包括：
制备预制件，所述预制件具有被圆形分层对的区段包围的圆形二氧化硅芯，所述圆形分层对是下掺杂层和随后的通常更厚的更高折射率二氧化硅层；和
以标准拉制参数拉制所述预制件，以产生具有所选纤维芯尺寸的光纤。
19.一种制作根据权利要求17所述的光纤激光器/放大器的方法，所述光纤激光器/放大器具有结构化二氧化硅第二包层、二氧化硅第一包层以及稀土掺杂最内芯，所述方法包括：
制备预制件，所述预制件具有被二氧化硅第一包层和然后的圆形分层对的区段包围的圆形最内稀土掺杂芯，所述圆形分层对是下掺杂层和随后的更厚的纯二氧化硅层；和
以标准拉制参数拉制所述预制件，以产生具有所选纤维芯尺寸的光纤。
20.一种新子类的全二氧化硅光纤，所述新子类的全二氧化硅光纤对于甚至从低模功率源进行无散斑输出特别有用，所述新子类的全二氧化硅光纤包括：
芯，所述芯具有折射率或者折射率分布；
结构化二氧化硅包层，所述结构化二氧化硅包层包围所述芯，所述结构化二氧化硅包层具有低于所述芯的平均折射率，所述结构化二氧化硅包层由不同折射率和厚度的许多交替层构成；
其中，所述结构化二氧化硅包层由较低折射率二氧化硅的和较高折射率二氧化硅的交替层、成对层构成，并且所述层具有不同厚度；并且
其中，在给定成对层中，所述较高折射率层的厚度与所述较低折射率层的厚度之比落在3至20的范围内；并且包括所述结构化包层的所述成对层的数量从5至30变化。
21.根据权利要求20所述的光纤，其中，所述较高折射率层的厚度与所述较低折射率层的厚度之比在约7与15之间。
22.根据权利要求20所述的光纤，其中，所述成对层的数量在约10与25之间。
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