CN1399615A - 纤芯为非圆形截面的光纤的制造方法 - Google Patents

Abstract

通过以下方法实现纤芯为非圆形截面的光纤，该方法包括的步骤为，在预置的外壳中制作具有所期望截面的空隙，并用光学材料填充该空隙。然后，皱缩该结构，使之固化并拉伸成所期望的尺寸。光学材料可以是杆、微粉体或磨成粉的材料。纤芯中提供的有源区并非必须具有与直接邻近材料不同的折射率。拉伸后光纤的有源区只支持基本横模中的振荡。用所揭示方法拉伸的光纤可用于将多模泵激光转换成单模光，例如，用于泵激单模放大器。

Description

纤芯为非圆形截面的光纤的制造方法

相关申请的交叉引用

本申请涉及一个共同转让、共同待批的记录号为D 14384的申请，该申请与本申请是同时提交的。

发明背景

本发明针对光纤的形成，以及以此形成的光纤、光纤激光器和放大器，该光纤的纤芯为非圆形截面、单模或多模、具有阶跃折射率分布或渐变折射率分布。这些光纤方便地用于亮度转换器光纤激光器件，以使用宽域多模激光二极管泵来泵激单模光纤放大器，诸如掺铒的光纤放大器。

原先，使用单模半导体激光二极管泵激单模光纤激光器和放大器。然而，这些半导体泵激光器不能输出很大的功率，限制了光纤激光器或放大器的亮度输出。为了增加泵激光器输出的功率，将激光二极管设计成宽域激光器，它输出具有较大长宽比的射束截面的多模射束。此外，沿一条轴的射束在沿一条轴(也就是“快轴”)的发散将远大于在沿另一正交轴(也就是“慢轴”)的。例如在激光二极管结平面中，慢轴射束发散的数值孔径在0.07到0.15的范围内，而在正交平面中，较大的快轴数值孔径在0.55到0.7的范围内。

与单模半导体激光器只有0.2到1W相比，宽域激光器的输出功率在1到10W。人们要求诸如根据本发明的那些特殊光纤以从如此高功率的多模射束中收集并转换泵激功率成单模射束，这些单模射束可以耦合到如掺铒光纤的单模光纤，并被它吸收，从而使单模光纤传送大于1W的放大输出功率。

虽然提供一光纤使其纤芯的直径等于多模泵激射束的宽度，就将捕获整个射束，但这样的耦合并不优化亮度，亮度是每个单位立体角每个单位面积的功率。因此，不能大大地改进光纤的输出亮度。此外，使用这样一种大的纤芯并不解决将多模泵激光转换成单模输出的问题。

由于宽域激光器输出的射束是多模射束，所以可以通过使射束成形以匹配于纤芯的形状来补偿射束和纤芯之间的截面差。然而，任何这样一种成形过的射束都仍然是多模射束，而试图将这种成形过的射束耦合到诸如掺铒光纤放大器一类的单模光纤，将导致差的耦合效率。一般，如果多模射束由十种模式组成，那么耦合到单模纤芯的功率将小于1/10。

企图使用多模激光二极管射束来泵激单模纤芯铒放大器涉及到使用固态激光器(在同时提交并共同转让的D14163中加以揭示)、呈锥形的光纤激光器(在同时提交并共同转让的D14384中加以揭示)、或双包层光纤激光器制作亮度转换器。双包层结构包括两个包层，第一包层接近于圆形单模光纤，第二包层包围第一包层。可以将第一包层的截面设计成所期望的形状，例如匹配于泵激源发射的近场，或任何能增加泵激射束吸收效率的其它图案或形状。第一和第二包层之间的数值孔径必须足够大，以捕获泵激激光器的输出。所实现亮度的实际增加依赖于泵激包层面积和纤芯面积的比值，比值越大，亮度就越大。然而，纤芯和包层截面之间面积的不同需要较长的器件长度，因为泵激辐射的吸收也与该比值成比例。

因此，这些双包层配置便于泵激光纤，后者使用多模第一包层沿着器件的长度接收并传送泵激能量到纤芯。通常期望较大的数值孔径，该数值孔径与第一和第二包层之间的折射率之差相关。通常第一包层由玻璃制成，第二包层由折射率相对较低的塑料制成，如氟化聚合物，也就是折射率低于玻璃，以增加数值孔径。对于很多应用，这样一种塑料可能不具有所期望的热稳定性，可能与第一包层剥离，并可能易受湿气的损坏。此外，阶跃折射率的双包层概念对三级跃迁是无效的，如镱的980nm跃迁。

发明内容

因此本发明针对纤芯为非圆形截面的光纤的制作方法，以及由此形成的光纤、光纤激光器、和放大器，它基本上克服了由于相关技术的限制和缺点而造成的一个或多个问题。

再者，本发明允许制造全石英双包层光纤。此外，本发明能够制造出新的亮度转换光纤结构和几何结构。

通过形成光纤可以实现至少上述之一和其它的优点，形成过程包括在外壳中形成非圆形截面的空隙，用光学材料填充空隙，并且在所述填充步骤之后皱缩并拉伸外壳，以形成所期望尺寸的光纤。

通过提供光纤可以实现至少上述之一和其它的优点，该光纤包括外壳，外壳中有基本上为非圆形截面的空隙，以及基本上填充此空隙的纤芯。

通过光纤可以实现至少上述之一和其它的优点，该光纤包括包层和具有有源区的纤芯，有源区的折射率与直接接近有源区的材料相同。

通过提供激光系统可以实现至少上述之一和其它的优点，该激光系统包括输出多模光的多模光源；从多模光源接收多模光并输出单模光的亮度转换光纤，亮度转换光纤包括包层和具有有源区的纤芯，有源区的折射率与直接接近有源区的材料相同；以及接收亮度转换光纤输出的单模光并输出激光射束的单模激光光纤。

从以下的详细描述中，本发明的这些和其它目的将更加明显。然而，应该理解表示本发明较佳实施例的详细描述和特殊实例只是用于说明，因为从这种详细描述中，本发明精神和范围以内的各种变化和改变对本领域熟练的那些技术人员将是显而易见的。

附图说明

将参考附图描述以上和其它的目的、方面、和优点，附图中：

图1显示根据本发明的光纤形成方法的流程图；

图2A显示根据本发明其中可插入多个光纤的外壳；

图2B显示根据本发明包含多个光纤的图2A中的外壳；

图3显示本发明光纤截面的实例；

图4A-4B显示在皱缩之前本发明光纤截面的另一实例；

图5显示用于制作本发明光纤的光纤杆的另一截面；和

图6是使用本发明光纤，向单模光纤有效提供多模泵激光的系统的示意图。

较佳实施例的详细描述

以下将参考附图通过较佳实施例详细描述本发明。然而，本发明不限于以下实施例，而是可以用各种形式加以实现。较佳实施例只是使本发明揭示的内容完整，使本领域中具有一般技能的技术人员能知道本发明的范围。为清楚起见，在附图中加大了各个区域的厚度。在整个附图中，相同的标号表示相同的元件。

图1显示了本发明的一般方法。首先，在用作包层区域的外壳中形成截面。通常根据待输入光纤的激光束的形状，尤其是数值孔径，确定该截面。然而，还可以考虑其它因素，例如，光与光纤中心的耦合。

一旦制作了在外壳中形成空隙的截面，就将作为纤芯的光学材料放入该空隙。光学材料最好是多个光学杆。当使用光学杆时，仍然根据输入光束确定长宽比，可容易获得的杆的尺寸可以表示实际厚度，然后根据该厚度确定长度，以获得期望的长宽比。或者，还可以使用微粉体形式或磨成粉的光学材料填充空隙。

一旦将光学材料放入空隙中，就皱缩整个结构以固化该结构，使光学材料基本上填充此空隙。在充分高的温度下执行该皱缩过程，以确保充分的熔融，并形成固态结构。较佳的是在皱缩之前，用溶液清洁该结构，然后干燥以去除过量的溶液。然后将固态结构拉伸成所期望的尺寸。虽然长宽比保持相同，但通过拉伸可以减小总的尺寸。

图2A中显示了形成带有空隙的外壳的特殊方式的实例。可以将外壳20，如石英管，截取期望的长度，然后纵向地对半切开，以形成底部22和上部24。然后用机器加工底部22，以便根据期望的长宽比形成作为空隙的凹槽26。在本实例中，其中杆30可以插入凹槽26中，凹槽26的深度也根据待插入杆的直径加以确定。较佳的是，中心杆31的材料与其它杆30不同。

虽然在该实例中只改变了底部，但是可以改变上下两部分以提供所期望的截面。此外，虽然在该实例中粗略地对半地切开成两部分，但是考虑到凹槽的厚度，外壳的纵向切割可以以任何期望的比例，以实现所期望的截面。最后，如果使用某些技术或某些外壳形成截面，这样一种纵向切割可能根本就不需要。

然后，连接底部22和上部24，以适当地容纳杆30。如图2B所示，这可以通过将底部22、杆30和上部24放入环形外壳28中而加以实现。使用任何合适的接合技术都可以实现这样一种连接，且该连接可以并非总是必要的。

于是，皱缩所得的结构29，以形成固态结构，然后将该结构拉伸成所期望的尺寸。图3中显示了在结构29皱缩和拉伸步骤之后形成的截面实例的轮廓。从中可以看出，纤芯截面32具有与凹槽26中所排列诸杆30相同的长宽比，但是各个杆之间的界限模糊了。

实际上，用以下方式获得纤芯截面32。使用光波导火焰水解过程形成诸杆。每个杆都具有GeO₂，TiO₂，SiO₂的合成物，在杆中该合成物几乎均匀。于是将这些杆拉伸成直径为2mm的杆。然后可将杆切割成所期望的长度。纵向切开具有所期望长度的石英外壳，其中较大一片的高度要略大于2mm，也就是杆的直径。在较大的一片上用机器加工出21mm×2mm的凹槽。然后将十根期望长度的杆插入凹槽。于是将较小的一片放在诸杆的顶部。然后，将这整个结构插入内径为26mm、外径为27mm的管中。用氯气清洁该管结构，并在1500℃下干燥，以去除过量的氯气。在2000℃下皱缩清洁后的管结构，然后拉伸，以形成125微米的光纤。拉伸后的结构中具有图3中所示的纤芯。

图4A和4B显示了皱缩和拉伸步骤之前，可以根据本发明加以形成的另外的样本纤芯截面。在图4A中，在邻近中心杆处放置附加的杆，以形成交叉纤芯截面34。交叉纤芯截面34中的附加杆增加了光耦合到光纤中心的效率。在图4B中，排列诸杆以形成椭圆形的纤芯截面36，它可以更为精密地匹配某些射束的分布。

可以形成任何期望的截面，包括矩形和正方形的截面。对于其中使用宽带、多模源的亮度转换之特殊应用，长宽比最好等于或大于3∶1。本发明方法的设计灵活性有利于形成具有基本上非圆形截面的纤芯，不管这些截面是具有对称形式，即使长宽比为1∶1，如正方形，还是长宽比大于1∶1。

在任何配置中，诸杆都不必由相同的材料制成，而可以是不同的，以增强耦合和/或传播效率。此外，可以改变最终的光纤，使它具有图5中所示的截面，其中它的端面38被斜削或劈成斜面。这样一种斜面使得端面起透镜的作用。斜端面38减小了所发射射束的发散角。在光纤的端面上可以形成任何其它所期望的特征。

虽然本发明方法提供的设计灵活性在很多应用中明显很有效，包括无源或有源纤芯，但是以下将描述特定重要性的特殊应用。

如背景技术中所提到的，将足够的多模泵激光耦合到单个横模光纤激光器或放大器的需要大大地推动了本发明方法的设计灵活性，而该激光器或放大器又被用于泵激单模光纤，例如掺有稀土的光纤，诸如掺铒的光纤放大器。根据本发明，可以通过用增加折射率的掺杂剂，如锗，掺杂杆，而获得光纤激光器。因此，由于纤芯和邻近包层材料之间的折射率差，通过光纤传输的光被限制在纤芯中。

通常位于纤芯结构中心的用于制作有源区的杆，用有源掺杂剂进一步加以掺杂，有源掺杂剂一般为稀土掺杂剂，如镱。要注意到该有源掺杂剂无需升高形成有源区的杆的折射率。根据本发明，增益导向将光进一步限制在有源区包围的光纤激光器纤芯之中。光被限制在其中，无需有源区和邻近区域之间的折射率之差。此外，这样一种结构只允许择优激活基本的激光器模式。通过适当地限定有源区到纤芯中心，基本模式具有足够的增益进行振荡。剩余的模式具有较低的增益并且不振荡。因此，即使是具有多模纤芯的光纤激光器也发射单模射束。如果激光腔中包括单模反馈还可以增强该效果。

具有这种有源区的光纤本身可用作激光器或放大器，或可用于泵激其它单模光纤激光器。因此，该光纤可用作为转换器，用于将多模泵激光转换成放大的单模泵激光。图6显示了这样一种系统的一个实例。通过光学系统42，将宽域激光器40提供给根据本发明用作亮度转换器44的光纤。亮度转换器44将宽域激光器40发出的多模光转换成单模光。单模光可用于泵激单模放大器46，如掺铒的放大器。

本发明的光纤有源区可掺以锗或铝，以进一步增加折射率，从而使单模有源区中光的限定是由于增益导向和折射率之差两者所致。截面4A中位于有源区上和有源区下的杆，具有与有源区的两侧相同的杆的折射率，截面4A也可用于提供有源区中传播模式的对称性。

杆还可用于提供任何所期望分布的渐变折射率纤芯。例如，纤芯区域外缘上的杆的折射率高于包层区域的，而更接近有源区的下一组杆则具有更高的折射率，等等，直到邻近有源区的杆具有有源区以外纤芯中的最高的杆折射率。纤芯区域可以具有与该最高折射率相同的折射率，或更高的折射率。此外，使用将被皱缩的掺杂杆能够实现较高的折射率，它导致较高的数值孔径。因此，根据本发明的结构允许使用全玻璃的结构以获得高的数值孔径，也就是说，不需要使用低折射率的聚合物以降低包层的折射率。

虽然与多模泵激光耦合的有源中心纤芯区域的制作特别好地使用了本发明方法提供的设计灵活性，但也可以产生其它设计。例如，有源区可以大到足以支持多模振荡，如包括几个杆。然而，如果限定有源区于轴的附近，那么这种尺寸的有源区只能支持基本模式。这可以通过使用多个单模反馈机构而加以实现。例如，通过将该结构做成锥形可以实现这种单模反馈，如相关的、共同转让、共同待批的申请中所揭示的，该申请与本申请同时提交，题为“Tappered Fiber Laser”，记录号为D14384。此外，本发明的方法可用于制作任何期望截面的光纤，该光纤是完全无源的，也就是没有有源区。

此外，使用将被皱缩的杆形成纤芯区域允许将多个增加折射率的掺杂剂，如Ge+结合入纤芯区域中。高浓度增加折射率的掺杂剂允许玻璃，如石英，被用作为纤芯材料，因为可以实现纤芯和包层之间足够的折射率差。此外，通过使用增益导向将振荡限定在有源区中，而非增加有源区的折射率，使得有源区通过除了纤芯区域中增加折射率的掺杂剂之外，掺以增益掺杂剂而形成。这样，整个结构就可以用玻璃形成。

虽然这里参考特定应用的说明性实施例描述了本发明，但是应该理解本发明不限于此。例如，增加光耦合的任何机构，如双包层机构，都可以结合本发明使用。本领域中那些具有一般技能的技术人员和看过这里所讲授原理的人将理解本发明范围中的附加变化、应用和实施例，以及无需过分实验本发明就明显有用的其它领域。因此，本发明的范围应该由以下权利要求书及其正当的等效范围确定，而并非由给出的实例加以确定。

Claims (10)

1.一种光纤的形成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在外壳中形成具有非圆形截面的空隙；

用光学材料填充所述空隙；和

在所述填充步骤之后，皱缩并拉伸所述外壳以形成所期望尺寸的光纤。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充步骤包括在空隙中提供多个光学杆。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述填充步骤包括在空隙中提供至少一个不同于多个光学杆中其它杆的杆。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述填充步骤包括在光纤中心的空隙中提供所述至少一个材料不同于多个光学杆中其它杆的杆。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一个杆中掺以有源掺杂剂，并具有与所述其它杆相同的折射率。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述填充步骤还包括从所述空隙的外缘向所述至少一个不同材料的杆以折射率增大的顺序排列杆。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充步骤包括在空隙中提供磨成粉的光学材料。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成步骤包括将外壳分成两部分，并在至少一部分中用机器加工出一区域作为空隙。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在填充步骤之后，还包括重新连接外壳的两部分，以封闭其中的光学材料。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述重新连接步骤包括将带有光学材料的两部分放入外部的外壳中。

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