CN1330117C - 保护光纤线路免受激光辐射损坏的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光工程和纤维光学。本发明的用于保护光纤线路免受其激光辐射损坏的装置以包括包层(6)及其核(7)的光纤的段的形式实现。位置(8)为虚线，表示光纤模场位置。所述虚线之间的距离与光导模场的直径(D)相等。位置(10)表示反射包层直径减小的光导的段。所述装置操作如下：光学放电波传播期间在核(7)内的高温产生10⁴atm的压力。10⁴atm的压力接近光学放电加热的光纤材料的强度极限，结果使光学放电波停止。基于这种原因，光纤线路具有至少一个拥有厚度减小的熔凝石英包层和不变形的核的光导的段。

Description

保护光纤线路免受激光辐射损坏的装置

技术领域

本发明涉及激光工程及纤维光学并可应用于光学通信系统、处理材料的纤维激光设备、以及医药和其他1瓦特或更高量级光功率的光辐射通过光纤传输的领域中。

背景技术

如今，在光学通信系统中信息传输速率急剧增加。

采用波长分割多路复用(WDM)，通过光纤传输信息的增长的速率需要大量由一单独光纤承载的信道。在光学通信线路中使用光学放大器的需求也在增长。

通过一单独光纤传输的信道的数量增长，光学放大器(具有大输出功率的铒光学放大器和拉曼纤维放大器)的使用，以及将光送入光纤的光学放大器的输入，即使现在已经导致光纤中平均光学辐射功率增长到1瓦特量级的水平。

对于这样的功率水平，光辐射造成的光纤损坏的现象可能发生。这一现象在二氧化硅玻璃光纤中(正是这种光纤成为当前光学通信线路的基础)称作“灾变破坏”或“熔合效应”。实际上，激光辐射造成的光纤破坏类似导火线的燃烧。

在本说明书中，上述现象称为通过光纤的亚音速光学放电波(optical discharge wave)的传播(即，以亚音速的速率传播)，这反映了发生过程的物理性质，或者，为简便起见，称为光学放电波传播。

有关光学辐射造成的单模光纤破坏的信息于1987年首次出版(拉曼·卡什亚普，光纤中自推进自聚焦破坏(Self-propelled Self-FocusingDamage in Optical Fibres)，Proc.Conf.Lasers’87，塔霍湖，内华达州，1987年12月7日-11日，页码：859-866)。

以上工作充分地证明了：在1瓦特光功率的激光辐射在光纤上传播时，可出现光学放电波；见图1，其中1为光纤，2为光学放电波中等离子体辉光区，3为表示激光辐射进入光纤的方向的箭头，4为表示光学放电波通过光纤传播的方向的箭头。但是进行上述工作的作者却以一种不同的方式解释该现象。表面上看，好象是明亮的白色或蓝色辉光区(看起来像是小“星”)通过光纤核的移动，以大约1米/秒的速率朝向激光辐射传输，明亮的辉光区是低温等离子区域。根据其辉光谱，“星”温估计为大约5400K(见D·P·汉德，P·St·J·鲁塞尔，光纤中单热冲击波和光学破坏：光纤熔合(Solitary thermal shock waves andoptical damage in optical fibres：the fibre fuse)。Optics Letters，第9期，第13卷，页码：767-769，1988)。

但是当上述功率输入到光纤中时该过程却不会自发出现。为引发该过程，需要在具有1瓦特功率量级辐射的光纤中形成一个激光辐射吸收增长的区域，例如，通过将光纤段加热到约1000℃(在电弧中或由燃烧器加热)，通过在光纤端面应用激光辐射吸收物质，或者通过以适度的小半径弯曲光纤。尤其，光学放电波传播过程能够通过使光纤输出端(激光辐射输出的端)与光吸收面(包括金属面)接触而引发。

实际上，引发这一过程之后在光纤核中产生稠密等离子体，其一方面吸收通过光纤传播的辐射，另一方面通过热传导将热能传输到周围冷材料层。而位于激光辐射场内的受热核区域开始吸收辐射。其中通过光纤核的光学放电传播的原理与在气体和固体中慢速化学燃烧锋面的传播原理类似(L·D·兰道，E·M·利夫希茨，液体动力学(Hydrodynamics)，莫斯科，Nauka，1986。第14章，128节，慢速燃烧(Slow combustion)，页码：662-670)。“慢速(slow)”一词在此处意为“以亚音速的速率传播”。

当放电波传播时，大小约为几微米的空腔(或空隙)大多数情况下在光纤核中形成，其中空腔沿光纤核可以产生一个周期性结构(见图2)。这种空腔的构成完全破坏了光纤光导性质。

已知一种当光学放电波在光纤中出现时保护光学通信线路免受全部破坏的方法(D·P·汉德，T·A·伯克斯，Single-mode tapers as‘fibre fuse’damage circuit-breakers，Electronics Letters，第1期，第25卷，页码：33-34，1989)。

该方法包括提供和应用独特的断路器来防止光学放电波通过光纤的传播。众所周知，辐射造成光纤损坏的过程主要依靠光纤中的激光辐射强度。为至少在光纤线路的某些段降低激光辐射强度，该作者提出在光纤线路中包括具有腰部(waist)的光纤段，见图3，其中5为光纤腰部区域；6为光纤反射包层，优选由二氧化硅制成，在图3中为阴影线；7为光纤核；虚线8表示在光纤中激光辐射模场的边界并且其随核直径而变化；9为光纤的轴线。由图3可见，具有腰部的光纤段是光纤的一部分，在此部分光纤的横截面直径减小，所有其他尺寸定义了光纤横截面的构造，例如，也成比例减小的光纤核直径。图3中的腰部能够看作两组连接的锥形的结合。当光通过腰部区域时，光纤中模场直径改变(增加)，这造成辐射强度的降低并且，在有利条件下，抑制光学放电传播过程。模场直径(mode field diameter)通常称为MFD，表示光纤中常用的值，其定义在单模光纤中辐射场占据的空间区域的侧向尺寸，如G·凯泽在其所著的书“光纤通信(Optical FibreCommunications)”(第三版)，麦格劳·希尔，页码：63-64，2000及其参考书目中所定义的。

图5为用实验方法通过测量维持光学放电波所需的光纤核中最小激光辐射功率与不同类型光纤的模场直径之间的相关性获得的关系图：锗硅光纤(即，核主要包含二氧化硅SiO₂和二氧化锗GeO₂)和磷硅光纤(即，核主要包含二氧化硅SiO₂和五氧化二磷P₂O₅)。实验点附近的数字表示光纤类型：1-磷硅光纤，2-7-锗硅光纤。随着光纤中模场直径的增长，维持光学放电传播需要的功率阈值增长。大多数相关现有技术基于该效应。

结果，仅在放电波起始点和抑制点之间的光纤段，而非全部光纤线路被损坏。作者重点指出在装置中实现的该方法仅适用于单模光纤，因为正是在这种线路中有腰部的光纤中辐射强度能够降低。因此，该方法抑制不期望的作用并防止位于所述的光纤段和激光辐射源之间的通信线路部分的损坏。

用于保护光学通信线路的现有技术装置具有以下基本缺点：

a)在该装置中光纤核参数被改变，这导致有用信号的额外的损失和失真，例如，由于其部分反射；

b)当功率增大时，光纤核中，包括腰部区域，辐射强度增大，这导致光学放电波不间断地通过腰部区域。因此，当辐射功率增大时该装置失效。

现有技术装置的缺点还包括其制造复杂性，光纤需要被加热并精确地拉长。

发明内容

为使本发明能够被明确的理解，作者在说明书中引入了多种光纤参数的定义。首先引入光纤横截面的参数d。如果光纤关于轴圆柱对称，那么所述光纤段的横截面参数d定义为所述横截面中光纤熔凝石英包层的直径，如果光纤的形状不是圆柱对称的，那么参数d定义为从光纤核横截面几何中心到熔凝石英包层边界的最小距离的两倍(如果为圆柱光纤，参数定义与上述光纤包层直径d的定义相符)。

考虑到上述问题，本发明的目的在于提供一种用于保护光纤线路免受通过暴露在激光辐射中的光纤传播的光纤放电波损坏的装置，当激光辐射功率增加时，该装置能够保持其效率，不使光学通信线路产生额外的光学损失。

为达到以上目的，本发明提供一种用于保护光纤线路免受激光辐射损坏的装置，该装置包括：有核和包层的光纤段，核在该段全长直径不变，所述光纤段的包层在所述光纤段至少长度L≥10D的一部分具有在D＜d≤min(4D，40μm)范围内的横截面参数d，其中D为模场直径。

光纤包层由熔凝石英玻璃制成。

所述光纤段直接在要保护的光纤线路中形成。

所述光纤段还通过接合或由光连接器连接包括在要保护的光纤线路中。

另外，所述光纤段可为圆柱形，其核在该段全长具有不变的直径，并且在所述光纤段至少长度L≥10D的一部分包层直径在D＜d≤min(4D，40μm)的范围内，其中D为模场直径。

所述圆柱形光纤段能够在要被保护的光纤线路中直接形成或通过接合或由光连接器连接被进一步包括在要被保护的光纤线路中。

根据本发明的装置采用一种极为不同的抑制光学放电波传播的物理原理，也就是，在通过光纤核传播的光学放电的等离子体中减小激光辐射吸收因子，使等离子体密度下降。

作者还发现机械和热暴露在受到激光辐射的光纤中传播的光学放电的等离子体造成光纤石英包层变形甚至完全损坏的现象。

当光学放电波将核物质加热到约5000K而物质体积没有变化时，等离子体区域内的压力达到约10⁴atm(大气压)。

在直径为125μm的标准光纤的石英包层表面上，仅在光学放电已通过该核后温度以200÷300K上升。当这发生的时候，光纤表面受到1atm的压力。但是由实验可知，熔凝石英玻璃光纤呈现相当高的机械强度，这防止在这种条件下光纤包层的损坏，并且依次为通过光纤的光学放电波的传播创造条件。

然而，如果部分熔凝石英包层从光纤的一部分移去(例如，通过局部减小包层直径)以便包层剩余部分由光学放电波的等离子体加热到某一温度，在该温度下，等离子体产生的过压可能使光纤包层变形(膨胀以致达到完全的机械扭曲)，导致等离子体密度下降，结果，降低其中激光辐射的吸收并分别降低能量释放，光学放电波的传播将停止。

激光辐射功率越高，在光学放电等离子体中的压力和温度就越大，光纤扭曲越快，并且光学放电波被抑制也越快。因此，随着激光辐射功率的增大，提高了装置的可靠性(与多数相关现有技术相比)。当熔凝石英包层直径减小时，光纤核不变化，这使波导信道参数发生小的扰动，也与多数相关现有技术相反。

具有直径减小的石英玻璃包层的光纤段的尺寸是指定的，以便提供装置需要的灵敏度和光纤波导性质产生的扭曲的最大容许值。

作者进行了几个系列的实验来确定是否可能抑制放电波通过光纤传播。实验如下进行。具有125μm标准直径熔凝石英包层的光纤段在氢氟酸溶液中蚀刻。在蚀刻后包层直径减小，最终的直径值由蚀刻时间控制。连续操作的具有不同功率的波的光纤激光的辐射接着在一侧进入光纤。在光纤的另一端光学放电波被引发，该光学放电波通过光纤朝着激光辐射传播并穿过具有蚀刻的熔凝石英包层的段。在不同的实验中使用具有不同核参数、在蚀刻区域中具有不同的石英包层直径值的光纤，和具有不同辐射波长(1.06μm，1.24μm和1.48μm系列)光纤激光。在每一实验中，光学放电波或者通过具有减小的包层直径的段，或者传播过程被中断(见图8、图9)。图8为用于保护光学通信线路的操作装置的照片，实现本发明的方法，其中11为光学放电波通过后光纤核区域内形成的空腔或空隙。这里，空隙的形状与图2所示的不同。数字12表示由于慢光学放电波中等离子体压力造成光纤熔凝石英包层损坏的区域。照片的比例如下：图8的高度为65μm，宽度为250μm。激光辐射自左向右传播。

图9表示根据本发明用于保护光学通信线路中光纤线路免受激光辐射损坏的装置的照片，其中a为光纤中激发光学放电波前的装置的视图；b为操作后，也就是在抑制光学放电波后的装置的视图。画圈的为抑制区。与图8中相反，在操作时光纤没有损坏。图9a和b图像的比例如下：图9b中每一刻度相当于0.1毫米；图9c为图9b画圈附近区域的放大图。比例：全画面宽度对应1毫米。激光辐射自右向左传播。

尽管各实验大量参数发生变化(核内各种杂质浓度，核直径，核和包层的折射率之间的差异，辐射波长，蚀刻区域内光纤包层直径，进入光纤的辐射功率)，获得的结果表明抑制光学放电波的过程由光纤中辐射模场的直径和光纤包层的直径因蚀刻减小的区域中光纤包层的直径来决定。

尤其，该作者进行的实验显示当光学放电波穿过具有减小的直径的包层的光纤(所述光纤段的横截面的直径表示为参数d)时，光学放电波的抑制在以下情况中出现：光纤包层参数d不超过(4D)和(40μm)两值的最小值，即d≤min(4D，40μm)，其中D为传播激光辐射的单模光纤中模场的直径(在减小包层尺寸之前)。(在纤维光学背景技术中，该值常称为模场直径，MFD)。另一方面，为了限制可由这种窄化引入辐射传输信道的各种类型的扭曲，参数d的最小值应大于D(见图4)。

另外，相同的实验表明为了中断光学放电波传播的过程，需要具有减小的参数d值的光纤部分的长度L不小于10·D，即L≥10·D(如，见图9)。

为了抑制光学放电波，其它具有减小的包层尺寸的光纤的横截面形状(不同于圆形)也可被使用。在这种情况下，参数d定义为从光纤核横截面的几何中心到熔凝石英包层边界的最小距离的两倍(如果为圆柱形光纤，则参数定义与前面给出的窄区域内光纤包层直径的定义d一致)。但是由于轴对称(或近似于轴对称)光纤元件更易于制造，仅以这样的结构为例进行说明。

因此，本发明的用于保护光纤线路免受光学放电波损坏的装置包括：一光纤段，其中在长度为L的其某些部分光纤的参数d减小到图4阴影区域所示的值。这样，光纤核保持基本没有改变，并且光纤波导性质发生最小的变化。

在最后分析中，通过在其中设置至少一个具有改变的横截面形状的光纤段，或者通过在要保护的线路中改变光纤段的横截面形状以使

a)光纤核直径保持不变，并且

b)光纤参数d在横截面改变的部分为d≤min(4D，40μm)，该部分长度L≥10·D，

光纤线路受到保护。

附图说明

结合附图，本发明将通过优选实施例进一步地说明，其中在附图中相似的部分相同的数字表示。

图1为根据现有技术光学放电波通过光纤传播的示意图；

图2为暴露在具有1.06μm波长、4.2W功率的Nd:YAG激光的辐射下光纤核(光纤LEAF，Corning)中形成的周期性空腔结构的照片，辐射自左向右传播，比例：每刻度为10μm；

图3为根据现有技术实现用于保护一种光纤免受激光辐射损坏的方法的示意图；

图4为熔凝石英玻璃包层的直径d值根据光纤的模场直径变化的曲线图(阴影区域)，本发明中熔凝石英玻璃包层具有保护元件的作用；

图5为用实验方法通过测量在光纤核中维持光学放电波所需的最小激光辐射功率，对于不同类型光纤：锗硅光纤(即，核主要包含二氧化硅SiO₂和二氧化锗GeO₂)和磷硅光纤的相关性获得的关系图；

图6为根据本发明用于保护光纤免受激光辐射损坏的装置的示意图；

图7为本发明的装置沿A-A线(见图6)的横截面；

图8为实现本发明的方法用于保护光纤通信线路的操作的装置的照片，比例：高＝65μm，宽＝250μm。激光辐射自左向右传播；

图9为根据本发明用于保护光学通信线路中的光纤免受激光辐射损坏的装置的照片，其中a为光纤中激发光学放电波前的装置的视图，b为操作时，即抑制光学放电波时的装置的视图，c为图9b中圆圈所示附近区域的放大图。

具体实施方式

在光纤中引发后，光学放电朝向激光辐射传播(见图1)，如果其路径上无障碍，放电将通过光纤经过整个距离直达辐射源。光学放电通过后，光纤由于光纤核的结构受到损坏从而丧失其波导性质(见图2)。

图6为根据本发明用于保护光纤免受激光辐射损坏的装置可能的实施例的示意图。用于保护光纤的装置包括：如图6所示的光纤的段，其中7为光纤核，6为光纤包层，8为表示光纤中模场的位置的虚线，其间的距离等于光纤内激光辐射模场的直径(D)。数字10表示具有直径减小的反射包层光纤部分。图7为沿A-A线的横截面。

该装置，例如通过接合，包括在保护的光纤线路中并具有如下功能。如前所述，当光学放电波通过光纤传播时，核7区域内的高温产生约10⁴大气压的压力。10⁴atm的值接近于由热传导和等离子体区辐射加热达到数百度的温度的光纤材料的损坏极限，因此，对于相当细的光纤包层这种现象导致光纤损坏、核区域内压力下降、吸收激光辐射的等离子体密度急剧减小、辐射吸收分别下降，并因此抑制光学放电波。

因此，光纤线路至少具有一个有熔凝石英包层6的厚度减小的光纤段，而如图6所示核7完全不变形。这种操作，一方面不会对信号传播信道产生重大改变(核不变形)，另一方面这种保护装置易于制造：光纤包层直径可通过简单的蚀刻减小。

用于保护光纤免受激光辐射损坏的装置的实施方式如图9照片所示。该装置包括一个具有8.9μm模场直径的光纤段，外光纤直径通过在HF酸溶液中蚀刻在一部分(在图示的这种情况中具有1毫米的长度)减小。激光辐射自右向左传播。图9a表示操作前的装置。达到5W功率的辐射无阻碍地穿过该装置。图9b表示外部引发光学放电波后的该装置，该光学放电波通过光纤自左向右传播。当波到达包层直径约为30μm的光纤位置后，其传播被停止。在如图9所示的装置中，光纤最小直径为20μm。

在抑制点的左方(图9b圆圈所示)，光纤损坏特性与具有普通熔凝石英包层直径的光纤的损坏特性相同—在光纤核内周期性序列的空腔。仅在抑制点前的一小段距离内空腔的尺寸有所增大，并且光学放电传播过程停止。放电传播抑制或者伴随如图9b，c所示的光纤段的膨胀，或者伴随在抑制点光纤的损坏(图8)。

用于保护光纤的装置也能够这样实现：在要保护的光学线路的光纤处直接形成具有直径减小的熔凝石英包层的光纤段，而不是在随后接合到要保护的光纤线路中的光纤专用段上。这样不需要导致辐射的额外串联损失的另外的光纤接合，但是暗指光纤中分各窄化段，这具有负面效果。

为保护远距离通信线路，这种保护装置应周期性地沿该线路设置，以便在通信网络中意外出现光学放电波时仅有一个周期中断。

根据本发明的装置适用于通信线路，特别地，用于保护光纤免受激光辐射的损坏。该装置还可使用在材料的激光处理过程中，使用在激光诊疗和其他用于保护发射激光的医疗激光系统中。

Claims (7)

1、一种用于保护光纤线路免受激光辐射损坏的装置，该装置包括有核和包层的光纤的段，在所述段的整个长度上核直径不变，所述包层在所述光纤段的至少长度L≥10·D的一部分具有在D＜d≤min(4D，40μm)范围内的横截面参数d，其中D为模场直径。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤包层由硅基玻璃制成。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤段直接在要保护的光纤线路中形成。

4、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤段还通过接合或由光连接器连接包括在要保护的光纤线路中。

5、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤段为圆柱形，并且该光纤段的包层直径d至少在所述光纤段长度L≥10·D的一部分在D＜d≤min(4D，40μm)范围内，其中D为模场直径。

6、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光纤段直接在要被保护的光纤线路中形成。

7、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光纤段通过接合或由光连接器连接被包括在要保护的光纤线路中。

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