CN1438503A - 高功率光纤耦合 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高功率光纤耦合，其有利于减少从单模光纤出射高功率信号时引起的负作用。该耦合有一个单模光纤在轴向与第二个没有纤芯也没有光功率的光学上均匀的玻璃光纤熔接在一起，后者的尺寸长度使从纤芯传播经过的光在其间发散并以直线方式通过，而不接触到第二根光纤的侧壁。第二根光纤被光学耦合到一个自聚焦透镜。一般说来，单模光纤和第二根光纤具有相同的直径并且装在一个套管里。

Description

高功率光纤耦合

相关专利申请的相互参考

本发明专利申请要求于2001年12月5日申请的加拿大专利申请第2,364,437号的优先权。

技术领域

本专利涉及到一根光纤与一个或多个元件的耦合，尤其涉及到采用一种特殊光纤使其能发射高功率光信号并减少通常伴随从单模光纤发射高功率信号时所引起的负面影响。

背景技术

光纤端头容易受到杂质污染或磨损。现有的许多专利都提出了这一问题并试图提供用来减少由于污垢，潮湿，残质，油脂和其它污染物而产生污染的方案，但，这一问题仍然存在。事实上，与过去相比，光纤连接器端面上污染物的影响已经变成了一个越来越严重的问题。这是由于随着掺稀土金属光纤放大器和波分复用使用频度的增加，而使高功率光信号变为普遍。一个有10个波长通道的链路的平均功率通常是只有一个波长通道的链路的10倍。

目前，具有100甚至更多个波长通道的系统也已进入实用。同时，随着近来对使用小纤芯直径光纤需求，如在光纤放大器的制造过程中要求纤心直径在6微米或更小，光纤端面的污垢和残质就成了一个越为严重的问题。使用具有小模场直径(MFD)光纤的推动力是在掺杂(如铒)放大光纤中对高功率密度的需求。但是，在小模场中传播的高功率光能在光纤端面产生的光功率密度会导致在低功率密度下不会产生的损坏。

损坏机理对光功率有很大的非线性依存性。当光纤端面有残质时，这些残质会大量的吸收光以致使受热的粒子烧焦，而使光纤的端面出现凹点并损坏，使光纤不能再发挥传播的作用。光纤端面的损坏在某种程度上非常严重，在有充足集中的光能情况下这些污染物粒子实际上会爆炸。当光信号的功率高于200毫瓦时，这一问题存在于模场直径约为10微米的标准单模光纤中；而且当这些功率信号或更高功率光信号集中在一个小纤芯直径内时，损坏会更严重。目前已有要求提供一种光纤耦合以传送高达1W的光功率。即使采取了所有可能的预防措施并试图确保光纤端面不受污染，有时在去污过程中也会造成某种程度的污染。

在大量光学元件中，光纤端面与一个透镜耦合，使来自光纤端面的发散光束能被准直并被提供到另一个元件，如滤光器，衰减器或晶体，以进行其它的处理或路由。在很多情况下需要给这些元件提供准直光束。光的准直会受到如下所述的由于光束在透镜上的不规则模式而引起的严重干扰。

曾有人试图在光纤端面形成集成透镜以通过提供带透镜光纤来排除对提供一个被耦合到光纤端面的分离透镜的要求。如，美国专利第5446816号提出了通过熔化端面，如用激光，在一根单模光纤的一个输入端形成一个透镜。这就是众所周知的热扩芯(TEC)光纤。但是这种方法的一个问题是所形成的透镜的性能不容易控制或再现。在很多情况下，需要使用提供一个光耦合到一根光纤的准直光束的分离透镜。采用一个分离透镜，如自聚焦透镜将更便宜并能提供一束更均一的可预测光束。美国第5446816号专利并没有强调光功率的密度或耦合效率。

尽管如此，当很高功率的光从光纤发射时，采用一个与一个自聚焦透镜光耦合在一起的单模光纤可能会在光纤端面引起可靠性问题。

发明内容

因此，本发明的一个目的就是通过提供一种具有更强性能并且制造成本相对较低的耦合结构以排除这一高功率的问题。

根据本发明，提供的一种光学耦合，其包括：一个带有纤芯和纤芯包层的单模光纤，该单模光纤在轴向与一个具有均一折射率并光学上均匀的导光体(如没有光功率)的与单模光纤/导光体界面相对的端面熔接在一起，这一导光体的大小设计使得来自单模光纤纤芯的光在其间发散传播并以直线方式通过光学上均匀的导光体，以形成一个底面在所述端面上的无障碍的锥形，及

一个与导光体光耦合的不同的透镜，用来重整接收到的或发射的光。

在本发明的一个具体实施例中，透镜是一个自聚焦透镜(渐变折射率)，或者透镜可以是一个普通(如球形镜)透镜。

单模光纤的纤芯可以有一个均一的折射率n₀。或者折射率可以有各种可变分布，如它的值在中心，既纤芯的纵轴上最高。在下文的本说明书中，纤芯折射率的最高值都定义为n₀。在所有的情况下，纤芯的折射率都比包层的折射率高。

在本发明的一个实施例中，导光体与单模光纤的直径相似或几乎相同，并在轴向被对准。

根据导光体是否有斜端面，锥体可以有一个圆形或椭圆基座。

根据本发明，还提供了一种光学耦合，包括：

一根光纤带有：

第一导波段，该第一导波段具有高折射率的纤芯和低折射率的纤芯包层，及

与第一导波段轴向相邻的第二光学均匀导光段，该第二导光段有与第一导波段几乎相同的直径，其一个端面与第一导波段的纤芯相对，并具有外壁，使得一束发散光束从纤芯通过第二导光段传播到端面时几乎不导向也不改变方向。该第二导光段有足够短的长度，以使发散光束到达端面时不到达第二导光段的外壁；及

一个与第二导光段光学耦合的透镜，用来重整接收到的或发射的光。

在本发明的一个实施例中，透镜为一个自聚焦透镜。

根据本发明的另一实施例，还提供了一个能够传送高功率光信号的光纤耦合，包括一根单模光纤的第一段和非波导且几乎均匀的光纤的第二共轴相邻段，该第二段形成一个光纤的端面；及，一个用来装入能够传送高功率光信号光纤的套管。第二共轴相邻段的一个端面与套管最好共面。第二段的端面可以被耦合到一个透镜，如一个自聚焦透镜。

与(如通过加热)形成一根光纤的一个集成的光学均匀的节段(TEC光纤)不同的是本发明的第二段在被熔接到第一段之前是完全分开的，在TEC光纤中改变折射率的掺杂经过加热并没有被消除，材料也并不完全光学均匀而且折射率实际上也不完全均一。

本发明的耦合适用于光束的双向传播。

附图说明

本发明的具体实施例将结合下面所附的图示来进行详细说明，其中：

图1A-1C为一种适用于发射高功率光信号的光纤耦合的装配方法的侧示图；

图1D和1E所示的是用一种大的光发散块来组装另一种耦合方法的侧示图；

图1F是耦合的另一个实施例的截面图；

图2A-2C是用斜端面元件准备本发明耦合的另一个实施例的侧示图；

图3是装在细管内的本发明的高功率光纤耦合的一个截面图；及，

图4为本发明的一个耦合，其中光纤头与一个透镜耦合在一起。

具体实施例方式

图1A-1C所示的是一种准备单模光纤10的一个终端一种方法，以使它能传播高光功率而不损坏传输端面12。该方法需要有一根具有均一折射率且与单模光纤纤芯14的折射率n₀相同的特殊玻璃光纤11，该光纤的外径与单模光纤的外径，d_c＝125微米相同。这种特殊光纤11没有纤芯所以它并不是典型的带有玻璃芯并且有玻璃包层的光纤。如图1A中所示单模光纤10和特殊光纤11都已被剖开，切开的端面12和16与光纤轴成90度。如图1B所示，这两个剖开的端面以光接触的形式被熔接在一起。图1C所示的是熔接好后的情况。注意：在单模光纤10和特殊光纤11间的纤芯范围内并没有折射率分界。在单模光纤的纤芯14内传播的光到达特殊光纤11后不会再以一个束约模的方式进行传播而会扩散，并且会像在一个自由空间一样在有一个有均一折射率n₀的介质以直线方式传播。光束会扩大成一个带有半角为α(如图1E所示)的锥形，这就是一个单模光纤的限制角并且α＝arccos(n_c/n_o)，这里n_c和n_o分别是包层和纤芯的折射率。

大家将会注意到光锥到达分束块18的与光纤10的纤芯相对的端面19，但没有到达分束块18的侧面，或从该侧面被反射开。这减少或防止在随后的透镜内的处理中光束劣化的可能性，这会在下文进行讨论。

单模光纤和特殊光纤熔接界面上的功率密度仍然很高，但是该界面能够应付高光功率密度并且不会因为受污染而退化。本发明的一方面表明了熔接是一个能处理高光功率的光界面。

如图1D和1E的示，也可将单模光纤10与具有均一折射率的导光体18熔接在一起，其中导光体并不需要与单模光纤具有相同的直径。但这一结构要求一个充分的对准程序，使在导光体18中传播的发散光束(如图1E中虚线所示)到达端面19但不与其侧面20接触。正如大家可以看到，这样发散光束形成了一个不受干扰的其顶角为α(限制角)的锥体，并在端面19上形成一个圆形底面。如果端面如图2A-2C所示被倾斜，这个锥体的底面就会变为椭圆。

在本发明的另一个实施例中，如示意图1F所示，单模光纤10与一段带有扩展纤芯18A和包层18B的特殊光纤11A熔接在一起。纤芯18A光学上均匀，即，纤芯18A的折射率是均一的。包层18B的折射率低于纤芯18A的折射率。如图1E的实施例中所示，纤芯18A的折射率与单模光纤10的纤芯14相似。

特殊光纤11A的尺寸经过选择，使从纤芯14出射的光发散并不受干扰地传播到特殊光纤11A的端面21，形成一个不受干扰的锥体，同时不接触由光纤芯18A和包层18B之间的界面所限定的光学均匀体的外壁。如图1E所示，光束限定一个限制角α。

光束的锥体不受干扰对本发明的目的来说非常重要，因为在传播经过端面19或21后发散光束最好以常规的模式不含杂散入射角地入射到透镜。

图2A-2C所示的是准备单模光纤22端面的另一种方法，以使它可处理高光功率密度。在这一实施例中，特殊光纤24的折射率为n_c＝1.46，与单模光纤硅石包层的折射率相应。采用石英玻璃光纤的好处就在于这种光纤比一个带有与单模光纤纤芯相同折射率的特殊光纤更容易得到。同样，这种特殊光纤24的外径为125微米(与单模光纤20一样)，且没有纤芯。如图2A所示，单模光纤和特殊光纤的端面以与光纤轴成82-84度的角度割开。单模光纤和特殊光纤的端面以光接触形式被熔接在一起，如图2B所示。图2C所示的是熔接好后的情况。注意：在单模光纤包层和特殊光纤间的折射率分界消失了。在纤芯26和特殊光纤24间仍有一个折射率分界。这个分界与光纤纵轴成大于(82-84°)的角，因而防止了反射光再耦合到单模光纤中。

对于本领域普通技术人员来说，可以想象出其它方法形成如图1A-1F和图2A-2C所示的界面。如，可以有控制地加热单模光纤的端面以消除纤芯(前述的热扩芯的方法，这种方法不如这里所述的方法好)。或者，可以做一个带有感光性包层的特殊单模光纤。当用光化射线，如紫外光线，照射这个特殊光纤时，包层的折射率就会变大到与纤芯的折射率相匹配。通过这种方式，一个在照射区域内没有用来导光的纤芯的光纤端面可以准备好。

图3所示是将单模光纤/特殊光纤界面用到一个高功率光纤头中。用图1A-1F或图2A-2C中所示的方法准备的单模光纤/特殊光纤界面被插入一个玻璃细管30中，该细管有一个与光纤直径，即125微米相应的小孔。熔接界面被插入到细管30中，如图所示使其离细管的端面有一个距离L，如图3所示。切去突出细管端面的特殊光纤部分，玻璃细管和光纤的端面可以抛成与光纤轴垂直面成8-6度的β角或与光纤轴成82-84度角。在单模光纤10中传播的光到达熔接界面时在特殊光纤11的玻璃介质内会扩展。这种扩展是以顶角的半角为α(图1E所示)的锥形扩展的。当光到达特殊光纤的端面时，光束的直径会变大到一个直径D，如图3所示。D的大小取决于长度L。 D与L之间的关系可以由下列公式得到： $L\≤\frac{n_c}{2\sqrt{n_o^2-n_c^2}}D$

由于锥形发散光束不应接触特殊光纤的侧壁(侧壁规定了光学均匀且折射率均一体的边界)，上述关系决定了L的最大可接受值。

在n_c＝1.46及n_o＝1.47的情况下，L＝4.26D。由于光束的扩展锥体不应入射到特殊光纤的侧面，D被限制为小于125微米，这就限定了相应的L的长度小于533微米。因为在特殊光纤区域内光束大小的扩展，在光纤头的特殊光纤/空气界面的光功率密度就更小。例如，为了将单模光纤内的功率密度减小25倍，光束的直径D应该约为单模光纤纤芯的直径，通常为9微米，的5倍。为了使D为45微米，L的光度应为191微米。

实际上，耦合的大小应使第二段，或导光体，特殊光纤11或导光体18的端面的功率密度比传播经过第一段，即光纤10的纤芯的光的功率密度至少小10倍。

图4所示的是本发明的另一个实施例，其中图3中的光纤头与自聚焦透镜40一起形成一个集成单元，以形成一个准直光束并能处理高光功率。正如大家所知，自聚焦透镜40装在一个套管42内且离光纤头很近，并如前所述有一个与倾斜的光纤头相对应的小角倾斜以减少回反。为了在自聚焦透镜内生成一个准直光束，在光束完全到达第二段11的端面19之前，第二段11内的发散光束44的锥形最好不因为锥形光束接触到第二段11的外柱形侧壁而受到破坏。这种与外壁的接触很可能会生成杂乱反射及在自聚焦透镜40的输入端面上产生不规则的入射角。图4所示的是从自聚焦透镜40正确地出射准直光束46的一种较好的光学结构。

对于本发明来说，一个大约为四分之一波的自聚焦透镜较适合。自聚焦透镜的外端面45最好镀上一层抗反射膜。

在不脱离下述权利要求书的本发明的精神和范围内，还可以设想出本发明的许多其它实施例。

Claims (11)

1.一种光学耦合，包括：

一个带有纤芯和纤芯包层的单模光纤，该光纤在轴向与一个具有均一折射率并光学上均匀的导光体的与纤芯相对的端面熔接在一起，这一导光体的大小设计使得来自光纤纤芯的光在其间发散传播并以直线方式通过光学上均匀的导光体，以形成一个底面在端面上的无障碍的锥形，及

一个与导光体光耦合的不同的透镜，用来重整接收到的或发射的光。

2.根据权利要求1所述的光学耦合，其中的透镜是一种自聚焦透镜。

3.根据权利要求1所述的光学耦合，其中导光体的长度L满足下面的关系： $L\≤\frac{n_c}{2\sqrt{n_o^2-n_c^2}}D$

其中D是导光体的直径，n₀是光纤纤芯的折射率，n_c是光纤包层的折射率。

4.据权利要求1所述的光学耦合，其中导光体的直径与光纤的相同或几乎相同，并与光纤在轴向被对准。

5.根据权利要求1所述的光学耦合，其中端面被倾斜以减少回反。

6.根据权利要求1所述的光学耦合，其中导光体的折射率与单模光纤纤芯的折射率相等。

7.根据权利要求1所述的光学耦合，其中导光体的折射率与单模光纤包层的折射率相等。

8.一种光学耦合，包括：

一根光纤，带有：

第一导波段，该导波段具有高折射率的纤芯和低折射率的纤芯包层，及

与第一导波段轴向熔接在一起的第二导光段，该第二导光段有与第一导波段几乎相同的直径，且均一的折射率，几乎没有光功率也几乎没有形成模式的性能，因此，一束发散光束在其中传播时几乎不导向也不改变方向，该第二导光段有一个端面并有足够短的长度，以使来自第一导波段的纤芯的发散光束在完全通过第二导光段后到达端面时不到达第二导光段的外壁；及

一个与第二导光段光学耦合的透镜，用来重整接收到的或发射的光。

9.一种可以传输高功率光信号的光纤耦合，该耦合包括一根单模光纤的第一段，非波导且几乎均匀的光纤的第二轴向对准相邻段，该第二段形成一个光纤的端面；及，一个用来装入能够传送高功率光信号光纤的套管。

10.据权利要求9所述的光纤耦合，还包括一个光学耦合到第二段的端面的透镜。

11.根据权利要求10所述的光纤耦合，其中在第二段端面的光功率密度比传播经过第一段的光功率密度至少小10倍。

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