KR20120086290A - 광학 장치 및 광학 장치의 제조 방법 - Google Patents

광학 장치 및 광학 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

단열 조건이 광섬유 전반에 걸쳐 유지되도록 연속적인 팽창 단계를 수행하는 과정을 포함하는 광섬유의 다단 팽창을 수행하는 방법이 개시된다. 또한 이러한 다단 팽창된 광섬유가 적용된 다양한 광학 장치 뿐만 아니라 광학 장치의 제조 방법이 개시된다.

Description

광학 장치 및 광학 장치의 제조 방법{Optical Devices and Methods of Manufacture of Optical Devices}
본 발명은 광학 장치, 특히 단일 모드 광섬유 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
내부 완전 반사에 의해 빛을 안내하는 광섬유는 중심부를 감싸는 피복보다 더 높은 굴절도를 갖는 원통형 중심부로 구성된다. 단일 모드 운용을 하려면 중심부의 규격 및 중심부와 피복간의 굴절도 차이로 인해 기본 모드만이 일정 스펙트럼 대역폭에 전파되도록 해야 하며, 이는 고유의 도파관 값 또는 V값으로 규정된다. (단일 모드 섬유는 단일 광선 또는 광 모드를 전송하도록 설계된 광섬유이다.)
도 1을 참조하면, 단일 모드 광섬유 시스템의 예가 도면부호 10에 개시된다. 단일 모드 광섬유 시스템(10)은 외부에 피복(18)이 있는 내부의 중심부(16)를 갖는 단일 모드 광섬유(12)를 포함한다. 중심부(16) 및 피복(18)은 외부의 완충부(14)에 의해 보호되며, 여기서 외부의 완충부(14)는 섬유의 길이 방향을 따라 벗겨진 것으로 보여진다. A-A선에 따른 단일 모드 광섬유(12)의 단면이 도면부호 20에 개시된다. 표준 통신용 광섬유(12)의 일반적인 규격은 중심부(16)의 지름이 9㎛이고 피복(18)의 지름이 125㎛이다.
표준 단일 모드 섬유를 통한 고압 전송의 경우, 섬유의 끝단과 직렬의 이음부 또는 연결부는 바람직하지 않은 후방 반사 및 측면 변형을 일으켜 시스템의 손상 및 고장을 야기할 수 있다. 끝단 및/또는 섬유의 단부와 이에 연결되는 연결 장치 사이의 먼지 등 때문에 추가 문제도 일어날 수 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위해, 모드 지역의 지름을 확장하여 출력 밀도를 감소시키는 것이 바람직하다. 이것은 섬유의 테이퍼링, 열 중심 분산, 벌크 및 그린 렌즈화 등의 렌즈화, 섬유 단부 가공, 다중 모드 섬유 등의 이질 섬유 연결을 포함한 다양한 기술을 사용하여 구현될 수 있다. 하지만, 일반적인 광선 지름은 50㎛이하인 것이 바람직함에 따라, 이러한 각 해결책은 그에 따른 문제점이 있다.
테이퍼링을 하면 섬유는 작고 다루기 어려우며 외부 영향에 더 민감해져 포장하기 어려워진다. 분산방법은 광선이 확산되어 손실이 현저해지기 전까지만 제한적으로 가능하다. 렌즈화는 섬유 꼬리면의 광출력 밀도가 감소되지 않고, 직렬 섬유를 엮은 벌크 광 서브 시스템 내에 자유공간면, 후방 반사, 접착제, 정렬 및 손실 등의 문제가 일반적으로 있으며, 비싸다. 이질 섬유의 사용은 이음부가 필요하고, 광선 지름이 모드에 적합하지 않는 경우 후방 반사 및 손실 문제가 발생하며, 여기에 설명된 방법들과 비교하여 상대적으로 비싼 공정일 수 있다.
최근 제안된 대체 기술은, [1] 리머릭 대학 광섬유 기술 연구센터 Elaine M. O'Brien의 박사논문, [2] 2007년 CFK2, 미국 CLEO/QELS광학회 회의 G. Kakarantzas, L. Prill-Sempere, P.St.J. Russell의 “종래의 불꽃 테이퍼링 장치를 사용한 광섬유의 업테이퍼링” 및 [3] 2007년 아일랜드(아일랜드 공화국 서부) 포스터080 포토닉스 N. Healy, D.F. Murphy, E.M. O'Brien, C.D. Hussey의 “단열 팽창 기준 및 특수 광섬유”에서의 논점인 섬유 팽창(섬유 업테이퍼링 또는 섬유 확장이라 불리어지기도 함)이다.
종래 섬유 팽창 공정의 경우, 팽창할 섬유를 한 쌍의 꽂이 사이에 배치하고 섬유의 길이 방향을 따라 열원을 가하여 중심부 및 피복을 부드럽게 한다. 열원은 종래의 불꽃이거나 아크, 레이저 또는 기타 열원을 포함한 것일 수 있다. 유리 전이 온도 이상의 압축력을 받도록 섬유를 가열하면 섬유 길이가 감소되면서 섬유 폭이 확장된다.
업테이퍼링 결과의 예가 도 2에 도시되어, 업테이퍼링이 수행된 후의 섬유(12)를 보여준다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광섬유(12)의 길이는 줄어들고, 새롭게 팽창된 광섬유(12a)에는 광섬유(12a)의 끝부분과 광섬유(12a)의 확장된 중간 구간(100) 사이에 전이부(22)가 있음을 알 수 있다. B-B선에 따른 광섬유(12a)의 단면이 도면부호 24에 개시된다. 업테이퍼링 후 팽창된 단면의 일반적인 규격은 중심부(16)의 지름이 30㎛이고 피복(18)의 지름이 375㎛이다.
이러한 업테이퍼링 된 섬유는 광 출력 밀도의 감소, 연결된 이질 섬유간의 모드 적합성 향상 및 융합된 지향성 섬유쌍의 파장 응답 일정화 등의 많은 장점을 제공한다.
업테이퍼링 공정은 충족되어야 할 많은 제약 조건이 있다.
1. 단열 조건이 충족되어야 한다. 즉, 팽창된 부분과 팽창되지 않은 부분 사이의 전이부는 반드시 구역내 기본 모드만이 개시될 수 있을 정도로 매끄럽게 하여 전이부에 의한 손실을 방지해야 한다. 전이부가 단열되기 위해서는, 가공된 섬유의 어떤 지점에서도 전이부가 완만 기준을 만족하여야 한다.
Figure pct00001
이는 단열 조건으로 알려져 있으며, 상기 a는 전이부 상의 임의의 지점 z에서의 중심부 반지름이고 da/dz 는 테이퍼 각도이며 z b 는 활성화된 모드들 사이의 비트길이 또는 출력 진동 주기이다. 가장 짧은 비트길이는 HE11모드(즉, 광섬유의 기본 모드의 명칭)와 가장 유사한 대칭 모드인 HE12사이의 비트길이인 것으로 간주될 수 있다. 단열 조건의 불충족에 따른 전이부의 손실은 섬유 업테이퍼링에서 상당히 심각한 제약 중 하나이다.
2. 도파관이 유지되어야 한다. 종래의 광섬유의 경우, 빛이 내부 완전 반사에 의해 안내되는데, 이는 중심부와 피복간의 반사도 차이로 인해 가능하다. 일반적으로, 사용되는 피복은 실리카이고, 중심부는 실리카에 게르마늄을 섞어 반사도가 증대된다. 팽창 공정 중에 섬유를 가열하면 중심부 첨가물인 게르마늄에 열적 분산이 일어난다. 분산에 따라, 피복과 중심부 사이의 반사도 차이는 줄어들고 도파관은 약해진다. 분산이 제어되지 않으면, 분산은 더 이상 반사도 차이가 없을 정도로 일어나게 되고, 광섬유는 더 이상 도파관 역할을 못하게 된다. 뿐만 아니라, 발생하는 모든 분산은 상술한 1에 제시된 단열 조건을 충족시켜야 한다.
3. 물리적 치수 부조화. 섬유가 팽창되면, 팽창된 부분은 표준 섬유줄이 더 이상 자중을 지탱할 수 없을 만큼 커지고 무거워져, 늘어짐이 불가피하게 일어난다.
4. 모드-구역 제한. 레이저 발광을 위한 거대 모드 구역을 갖는 섬유를 예로 들면, 모드 구역이 증가됨에 따라, 단일 모드만의 전파를 유지할 섬유의 능력이 감소되고, 빛은 다른 모드의 팽창 구조, 즉 상당한 다중 모드로 결합된다. 이것은 팽창된 섬유 부분이 짧은 경우에 특히 문제가 된다.
이에 따라, 기존의 섬유 팽창기술은 일반적으로 원섬유를 최대 2.25배 이상 팽창하지 못한다. 본 발명의 목적은 상술한 제약을 극복하되 섬유를 더욱 팽창시킬 수 있는 새로운 섬유 팽창 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 상술한 제약을 극복하되 섬유를 더욱 팽창시킬 수 있는 새로운 섬유 팽창 방법을 제공하는 것이다.
그래서, 광섬유의 제1 팽창단면을 형성하기 위해 광섬유에 1단 섬유팽창 공정을 수행하는 단계; 및 광섬유의 제2 팽창단면을 형성하기 위해 광섬유의 제1 팽창단면에 2단 섬유팽창 공정을 수행하는 단계;를 포함하며, 제1 팽창단면과 제2 팽창단면 사이에 형성되는 지름 전이부가 광섬유의 비팽창단면과 제1 팽창단면 사이에 형성되는 지름 전이부로부터 일정 간격 이격되도록 제2 팽창단면이 배열되는 것을 특징으로 하는 다단 팽창 광섬유를 제공하기 위한 섬유 팽창 방법이 제공된다.
연속되는 단 사이의 전이부가 서로 일정 간격 이격되므로, 단열 조건이 충족될 수 있고, 전이부 손실이 허용치 이내로 유지될 수 있다. 간격은 단 사이에서 현저한 전이부 손실을 방지하도록 선택될 수 있다.
바람직하게는, 섬유팽창 공정은 광섬유의 길이 일부분를 따라 광섬유의 일부분을 부드럽게 하기 위해 열원을 공급하는 단계; 및 일부분을 팽창하기 위해 광섬유의 일부분에 압축력을 가하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 섬유 팽창 방법은 전단의 팽창단면에 적어도 하나의 연속적인 섬유팽창 공정을 반복적으로 수행하는 단계를 더 포함하며, 적어도 하나의 연속적인 섬유팽창 공정에 의해 형성된 전이부는 전단에 의해 형성된 전이부로부터 일정 간격 이격될 수 있다.
전이부가 연속적인 단 사이에서 일정 간격 이격되므로, 단 사이에서 현저한 전이부 손실이 일어나는 것이 방지된다.
바람직하게는, 간격은 다단 팽창된 광섬유의 어떠한 지점에서도 팽창 각도가 다음식을 충족하며,
Figure pct00002
da/dz는 팽창 테이퍼 각도이고, a는 광섬유의 일부 중심부 반지름이며, z b 는 HE11과 HE12모드 사이의 비트길이일 수 있다. HE11모드는 가장 유사한 균형 모드로 HE12를 갖는 섬유의 기본 모드의 명칭이다.
바람직하게는, 연속적인 전이부 사이의 간격은 5mm일 수 있다. 이것은 고정된 산화부탄 불꽃이 열원으로 사용되는 경우에 바람직할 수 있다. 레이저 열원이 사용되는 경우, 열원의 끝단이 더 뾰족하므로 작은 간격이 바람직할 수 있다. 정교한 테이퍼링 장치 및 이동 불꽃/레이저 열원을 사용할 경우, 연속적인 전이부 사이의 간격은 단계적인 전이보다는 반연속적이거나 무간격 정도로 감소될 수 있다.
바람직하게는, 1단 섬유팽창 공정은 광섬유의 단면을 광섬유 지름의 2-3배, 더 바람직하게는 지름의 2.25배로 팽창시키는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 광섬유의 제1팽창단면을 광섬유 지름의 4-5배, 더욱 바람직하게는 4.5배로 팽창시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 방법에 따라 제조되는 다단 팽창 광섬유가 제공된다.
본 발명은 또한, 다단 팽창 광섬유를 제작하는 단계; 다단 팽창 광섬유에 제1쪼갬단부를 형성하기 위해 다단 팽창 광섬유를 쪼개는 단계; 제1단부 및 제2단부를 갖는 거대 모드 구역 광섬유를 제공하는 단계; 및 다단 팽창 광섬유의 제1쪼갬단부 중심부를 거대 모드 구역 광섬유 중심부의 제1단부와 연결하는 단계;를 포함하는 표준 광섬유와 거대 모드 구역 섬유를 저손실 결합시키는 방법을 제공한다.
일반적으로, 표준 섬유는 거대 모드 구역 섬유, 예를 들어 고출력 섬유 레이저형 섬유에 적합한 최적 모드 구역 지점까지 다단 팽창된다. 그리고 다단 팽창된 표준형 섬유는 팽창 단면에서 절단되고 거대 모드 구역 섬유에 결합되어 표준 섬유의 팽창을 통해 거대 모드 구역 섬유와 표준 섬유 사이에서 저손실 접점을 형성한다. 게다가 또는 반면에, 거대 모드 구역 섬유는 표준 섬유의 팽창 단면에 적합하도록 끝이 가늘어질 수 있다.
바람직하게는, 다단 팽창 광섬유를 쪼개는 단계는 광섬유의 가장 넓은 단면을 따라 광섬유를 쪼개는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 방법은 거대 모드 구역 합성 광섬유 중심부의 지름이 쪼갬단부 중심부의 지름과 일치하도록 거대 모드 구역 합성 광섬유를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 표준 광섬유의 일부분과 상기 방법에 따라 결합되는 거대 모드 구역 광섬유의 일부분을 포함하는 광섬유를 제공한다.
본 발명은 또한, 다단 팽창 광섬유를 제작하는 단계; 다단 팽창 광섬유에 제1쪼갬단부를 형성하기 위해 다단 팽창 광섬유를 쪼개는 단계; 제1단부 및 제2단부를 갖는 거대 모드 구역 합성 광섬유를 제공하는 단계; 다단 팽창 광섬유의 제1쪼갬단부 중심부를 거대 모드 구역 합성 광섬유 중심부의 제1단부와 연결하는 단계;를 포함하며, 다단 팽창 광섬유의 제1쪼갬단부와 거대 모드 구역 합성 광섬유는 상기 다단 팽창 광섬유의 비쪼갬 및 비팽창 단부에 수신되는 제1파장의 광신호를 거대 모드 구역 합성 광섬유의 제2단부에서 제2파장의 광신호로 변환하도록 작동되는 광파장 변환기를 형성하는 것을 특징으로 하는 광파장 변환기 제조 방법을 제공한다.
바람직하게는, 다단 팽창 광섬유를 쪼개는 단계는 광섬유의 가장 넓은 단면을 따라 광섬유를 쪼개는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 방법은 거대 모드 구역 합성 광섬유 중심부의 모드 지름이 쪼갬단부 중심부의 모드 지름과 일치하도록 거대 모드 구역 합성 광섬유를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
모드 지름/구역은 섬유의 물리적 규격 및 중심부와 피복 사이의 반사도에 의해 좌우된다. 물리적 지름은 적합하지만 모드는 적합하지 않을 수 있다. 모드 구역 사이에서 적합도를 최적화 하려면 물리적 지름과 반사도 단계 규모 모두 고려되어야 한다.
본 발명은 또한, 상기 방법에 따라 제조되는 광파장 변환기를 제공한다.
본 발명은 또한, 다단 팽창 광섬유를 제작하는 단계; 다단 팽창 광섬유에서 각각 쪼갬단부 및 비쪼갬단부를 갖는 제1 및 제2단면을 형성하기 위해 다단 팽창 광섬유를 쪼개는 단계; 제1단부 및 제2단부를 갖는 거대 모드 구역 합성 광섬유를 제공하는 단계; 다단 팽창 광섬유 단면의 제1 및 제2쪼갬단부의 중심부를 거대 모드 구역 합성 광섬유 각각의 제1 및 제2단부와 연결하는 단계; 및 광섬유 증폭기를 형성하기 위해 다단 팽창 광섬유 단면의 제1 및 제2 비쪼갬 단부를 연결하는 단계;를 포함하며, 증폭기는 다단 팽창 광섬유 단면의 제1 및 제2 비쪼갬 단부와 거대 모드 구역 합성 광섬유 사이에서 전도되는 광신호를 증폭하도록 작동되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기 제조 방법을 제공한다.
바람직하게는, 다단 팽창 광섬유를 쪼개는 단계는 광섬유의 가장 넓은 단면을 따라 광섬유를 쪼개는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 방법에 따라 제조되는 광섬유 증폭기를 제공한다.
본 발명은 또한, 다단 팽창 광섬유를 제작하는 단계; 다단 팽창 광섬유에서 각각 쪼갬단부 및 비쪼갬단부를 갖는 제1 및 제2단면을 형성하기 위해 다단 팽창 광섬유를 쪼개는 단계; 쪼갬단부에 반사수단을 형성하기 위해 제1 및 제2 쪼갬단부를 가공하는 단계; 제1단부 및 제2단부를 갖는 거대 모드 구역 합성 광섬유를 제공하는 단계; 다단 팽창 광섬유 단면의 제1 및 제2쪼갬단부의 중심부를 거대 모드 구역 합성 광섬유 각각의 제1 및 제2단부와 연결하는 단계;를 포함하며, 광섬유 레이저를 형성하기 위해 레이저 발광 구멍이 제1 및 제2 쪼갬단부 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 제조 방법을 제공한다.
레이저 발광을 위해, 섬유에 공명 증폭 구멍이 필요하다. 이 구멍은 동력원에 의해 활성화되고, 공명은 구멍 양단의 반사체를 사용하여 구멍에서 레이저 발광 파장으로 일어난다. 섬유 시스템에서, 단부 반사체는 일반적으로 가장 간편하고 효과적이며 선호되는 방법인 브래그의 섬유 그릴이다. 하지만, 이에 국한되지 않고 다른 종류의 반사 수단이 사용될 수 있으며, 예를 들어 섬유 안으로 레이저 발광 구멍을 뚫고 단부 반사를 위한 은/금을 침전시켜 단부 반사를 구현하는 것도 가능하다.
바람직하게는, 다단 팽창 광섬유를 쪼개는 단계는 광섬유의 가장 넓은 단면을 따라 광섬유를 쪼개는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 제1 및 제2 쪼갬단부를 가공하는 단계는 양 쪼갬단부에 부분적 반사단부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제1 및 제2 쪼갬단부를 가공하는 단계는 쪼갬단부에 격자 무늬를 새기는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 격자 무늬는 브래그 섬유 격자를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 방법에 따라 제조되는 광섬유 레이저를 제공한다.
바람직하게는, 섬유는 인산염, 실리카, 텔루르화합물, 불소, 칼코겐화합물, 창연과 같은 유리류 중 하나의 재질로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 섬유는 희토류 물질이 함유될 수 있다. 바람직하게는, 섬유는 에르븀, 툴륨, 크롬, 이테르븀, 네오디뮴, 프라세오디뮴, 테르븀 또는 그 합성물과 같은 물질 중 어는 하나가 함유될 수 있다.
팽창, 확장, 확대, 업테이퍼링 등의 용어는 혼용될 수 있고, 본 발명에 개시된 것처럼 광섬유의 지름 증가를 일컫는다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 단열 조건이 광섬유 전반에 걸쳐 유지되도록 연속적인 팽창 단계를 수행하는 과정을 포함하는 광섬유의 다단 팽창을 수행하는 방법을 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 광섬유 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 1단의 업테이퍼링이 수행된 도 1의 광섬유를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따라 2단의 업테이퍼링이 수행된 도 1의 광섬유를 나타낸 도면.
도 4는 도 3의 업테이퍼링이 수행된 섬유를 이용하여 제조되는 일련의 광학 장치를 나타낸 도면.
본 발명의 실시예들을 첨부된 도면에 도시하여 예를 들어 설명한다.
도 1은 종래의 광섬유 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 1단의 업테이퍼링이 수행된 도 1의 광섬유를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따라 2단의 업테이퍼링이 수행된 도 1의 광섬유를 나타낸 도면.
도 4는 도 3의 업테이퍼링이 수행된 섬유를 이용하여 제조되는 일련의 광학 장치를 나타낸 도면.
본 발명은 다단 섬유 팽창 공정에 관한 것이다. 1단 팽창을 위해, 완충부(14)를 벗긴 광섬유(12)의 일부분(도 1에 도시된 바와 같이)을 한 쌍의 진공 물림쇠 사이에 팽팽하게 지지한다. 광섬유(12)보다 짧은 길이를 갖는 산화 부탄 불꽃 버너와 같은 열원을 광섬유(12)의 길이 일부를 따라 가하면서 광섬유(12)에 압축력을 가한다.
일반적으로, 열원은 섬유의 팽창시키고자 하는 부분의 길이와 일치하는 길이인 비교적 긴 불꽃을 포함할 수 있다. 또는, 열원은 광섬유(12)의 해당 부분의 길이 방향을 따라 전후진하는 비교적 짧은 불꽃을 포함할 수 있다.
열원이 광섬유의 재질을 부드럽게 함에 따라, 압축은 광섬유(12)의 몸통을 팽창하게 한다. 이 공정은 섬유 팽창 또는 업테이퍼링에 관한 제약, 예를 들어 전이부 손실이 현저해지기 시작할 때까지 반복된다. 대부분의 광섬유 환경에서, 이것은 도 2의 팽창된 광섬유(12a)의 중간 구간(100)에 도시된 바와 같이, 원 광섬유(12)의 가운데 부분이 원래 단면적의 2-3배 정도로 팽창되는 것에 가까워지게 된다.
이어서, 열원이 팽창된 광섬유(12a)의 확장된 중간 구간(100)을 따라 가해지는 2단 팽창이 수행된다. 2단 팽창의 열원은 1단의 열원보다 광섬유(12a)의 더 짧은 길이를 따라 가해지며, 그 결과, 2단 팽창이 1단 팽창의 결과로 생긴 광섬유 지름상의 전이부(22)로부터 떨어져 발생하게 된다. 1단 팽창과 마찬가지로, 압축력이 광섬유(12a)에 가해지고, 그 결과, 광섬유(12a)의 가열된 부분 팽창된다. 1단 팽창과 마찬가지로, 섬유 팽창 또는 업테이퍼링과 관련된 제약이 현저해지기 시작할 때까지, 또는 의도하는 팽창이 완료될 때까지 2단 팽창이 수행될 수 있다.
도 3을 참조하면, 2단 팽창된 광섬유가 도면부호 12b에 개시된다. 2단 팽창의 결과, 1단 팽창된 광섬유(12a)의 확장된 구간(100)은 구간(100a)으로 길이가 줄어들며, 제2팽창단면(102)은 구간(100a)의 범위 내에서 형성되고 1단 팽창된 광섬유(12a)의 팽창된 구간(100)의 지름보다 증가된 지름을 갖는다. 도 3에 도시한 바와 같이, 1단 팽창된 광섬유(102a)와 2단 팽창된 광섬유(102) 사이의 지름상 전이부(26)가 원래 비팽창된 광섬유(12)와 1단 팽창된 광섬유(100a) 사이의 지름상 전이부(22)와 일정 간격 이격된다. 전이부(22, 26)사이의 간격이 유지되도록 팽창단면(100a, 102)을 배치함에 따라, 단열 조건의 충족으로 인한 경계선에서의 전이부 손실 발생이 방지된다.
C-C선에 따른 2단 팽창된 광섬유(12b)의 단면 형상이 도면부호 28에 개시된다. 업테이퍼링되어 확장된 단면의 일반적인 규격은 중심부(16)의 지름이 45㎛이고 피복(18)의 지름이 560㎛이다.
벗겨진 2단 팽창된 섬유를 예로 들면, 초기 벗긴 면의 최소길이는 대략 160mm이고, 다음과 같은 조건을 갖는다:
- 처리된 섬유의 양단부의 벗겨진 완충부(14)로부터 5mm 여유 간격
- 15mm 길이와 최대 지름 280미크론의 중앙 배치된 1단 팽창된 단면 (2단 팽창된 단면을 포함)
- 5mm 길이와 최대 지름 560미크론의 중앙 배치된 2단 팽창된 단면
물론, 단열 조건과 같은 섬유 팽창 조건이 충족되기만 한다면, 팽창된 섬유의 지름을 더욱 증가시키기 위해, 필요에 따라 추가적인 팽창 단계가 수행될 수 있다. 2단 팽창의 조건 및 제약 하에서, 3단 팽창 공정으로 원래 섬유 규격으로부터 물리적 지름이 6-8배 증가되게 할 수 있을 것이다. 바람직하게는, 대략 5mm의 최소거리가 연속적인 전이부 사이에서 유지된다.
업테이퍼된 섬유는 다른 광섬유 장치의 제작에 사용될 수 있다. 예를 들면, 에르븀이 도핑된 레이저와 같은 능동소자에서, 팽창단면이 표준 섬유와 별도의 거대 모드 구역인, 에르븀이 도핑된 섬유 단면 사이에 접점을 형성한다. 섬유 분광계에서는, 예를 들면 무늬를 새기거나 무늬를 광유발하는 것에 의해 레이저를 사용하는 단부면에 절단된 팽창 단부면이 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 다단 팽창된 광섬유(12b)를 참조하면, 광섬유(12b)는 우선 C-C선, 즉 광섬유(12b)의 가장 넓은 단면을 따라 절단된다. 절단된 다단 팽창된 광섬유(12b)가 준비되면, 섬유는 다른 제조 과정상에서 도핑된 섬유의 적절한 단면과 결합되어 다단 팽창된 섬유를 적용한 개량 광학 장치를 생산할 수 있다. 이러한 광학 장치의 예가 도 4(a)-(c)에 개시된다.
도핑된 섬유의 단면(도 4의 도면부호 30)이 원래의 비팽창된 섬유(12)의 지름보다 큰 지름을 가지므로, 모드 윤곽이 가우스 곡선 모드를 갖는 비팽창된 섬유에서보다 더 평평해진다. 더 일정한 증폭 응답을 초래하는 같은 길이의 원래 비팽창된 섬유(12)보다 팽창된 광섬유(30)에서 더 효율적이고 더 균일한 도핑 불순물과의 접점이 제공될 수 있다.
뿐만 아니라, 인산염 유리 섬유와 같은 특정 유리 섬유를 사용하면 예를 들어 실리카 유리 섬유 보다 도핑 불순물 농도를 높일 수 있다. 그러므로, 다단 팽창에 적합한 1차 유리 섬유(실리카 등)를 선택하고 팽창된 섬유를 고농도 도핑에 적합한 유리 섬유(인산염 등)와 접합함으로써, 비교적 작은 장치 범위에서 증폭이 향상되는 광학 장치를 제조할 수 있다.
여기에 설명된 장치는 인산염 유리 섬유를 사용하지만, 인산염, 실리카, 텔루르화합물, 불소, 칼코겐화합물, 창연과 같은 다른 종류의 유리 섬유가 사용될 수 있음은 물론이다. 마찬가지로, 에르븀을 도핑 불순물로 사용하는 것을 예로 들었지만, 섬유 단면은 에르븀, 툴륨, 크롬, 이테르븀, 네오디뮴, 프라세오디뮴, 테르븀 또는 그 합성물과 같은 도핑 불순물 중 어느 하나로 도핑될 수 있다.
도 4(a)를 참조하면, 광파장 변환기가 도면부호 32에 개략적으로 개시된다. 변환기(32)는 적절한 피복(38)을 구비하고 에르븀이 도핑된 인산염 중심부(36)를 갖는 광섬유(30)의 길이방향 제1단부(30a)에 결합되는 팽창된 섬유(12b)의 절단 단부(34a)를 포함한다. 광섬유(30)는 팽창된 섬유(12b)의 절단 단부(34a)와 동일한 지름을 갖는다. 팽창된 섬유(12b)의 비절단 비팽창단부는 광 완충부(14)와 결합되어 완충부(14) 및 팽창된 섬유(12b)가 함께 광파장 변환기(32)의 팽창된 섬유 개시를 형성하게 된다. 광섬유(30)의 결합되지 않은 타측 제2단부(30b)는 광 완충부(14)에 입력된 신호에 대한 파장 변환 출력을 제공하는 데 사용될 수 있다. 이러한 변환기(32)는 다양한 목적, 예를 들면 충전결합 장치(CCD)의 탐지 목적으로 적외선을 가시광선으로 변환시키는 등 크게 증폭된 파장 변환을 제공하는데 사용될 수 있다.
도 4(b)를 참조하면, 광섬유 증폭기가 도면부호 40에 개략적으로 개시된다. 증폭기(40)는 적절한 피복(38)을 구비하고 에르븀이 도핑된 인산염 중심부(36)를 갖는 광섬유(30)의 길이방향 제1단부(30a)에 결합되는 팽창된 섬유(12b)의 제1절단 단부(34a)를 포함한다. 광섬유(30)의 제2단부(30b)는 팽창된 섬유(12b)의 제2절단 단부(34b)에 결합된다.
팽창된 섬유(12b)의 제1 및 제2 비절단 비팽창 단부가 도 4(b)의 35a, 35b에 각각 개시된다. 팽창된 섬유(12b)의 제1절단 단부 및 비절단 단부(34a, 35a)는 광 증폭기(40)의 팽창된 섬유 입력 신호 리드 및 전방 펌프 개시를 형성한다. 마찬가지로, 제2절단 단부 및 비절단 단부(34b, 35b)는 광 증폭기(40)의 팽창된 섬유 출력 신호 리드 및 역방 펌프 개시를 형성한다. 도시된 광 증폭기(40)는 광신호를 증폭하는 시스템에서 비교적 긴 섬유를 따라 광신호를 전파할 때, 예를 들면 재생의 목적으로 사용하기 적합하다.
도4(c)를 참조하면, 광섬유 레이저가 도면번호 50에 개략적으로 개시된다. 레이저(50)는 팽창된 광섬유(12b)의 절단 단부(34a,34b)를 광섬유 구간(30)에 결합하기에 앞서, 절단 단부(34a, 34b)에서 부분적 단부 반사를 하도록 절단 단부(34a, 34b)가 가공된다는 차이점을 제외하고는, 상술한 광 증폭기(40)와 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 섬유에서 레이저 발광을 하려면, 섬유에 공명 증폭 구멍이 있어야 한다. 일반적으로, 어떤 형태로든 반사체가 공명 증폭 구멍의 양단에 형성된 후, 공명 증폭 구멍은 동력원에 의해 활성화된다. 공명은 구멍 내에서 빛을 레이저 발광 파장으로 반사시키도록 작동 가능한 반사체를 사용하여 구현된다. 섬유시스템에서, 단부 반사체는 일반적으로 가장 간편하고 효과적이며 선호되는 방법인 브래그의 섬유 그릴이다. 하지만, 이에 국한되지 않고 다른 종류의 반사 수단이 사용될 수 있으며, 예를 들어 섬유 안으로 레이저 발광 구멍을 뚫고 단부 반사를 위한 은/금을 침전시켜 단부 반사를 구현하는 것도 가능하다. 도4(c)에서, 반사체는 섬유 그릴(52)의 형상으로 구비된다. 그릴(52)은 섬유 구간(30)을 따라 특정 파장의 빛을 일부 반사시킨다. 이에 따라, 섬유에 그릴 무늬를 새기거나 섬유에 그릴 무늬를 광유발시키는 등의 적절한 그릴 가공 단계가 수반될 수 있다.
본 발명은 여기서 설명한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 범위내에서 변형될 수 있다.
12, 12a, 12b : 광섬유
14 : 완충부
22, 26 : 전이부
32 : 변환기
38 : 피복
40 : 증폭기
50 : 레이저
52 : 그릴
100, 100a : 구간

Claims (24)

  1. 광섬유에 1단 섬유팽창 공정을 수행하여 상기 광섬유의 제1 팽창단면을 형성하는 단계; 및
    상기 광섬유의 상기 제1 팽창단면에 2단 섬유팽창 공정을 수행하여 상기 광섬유의 제2 팽창단면을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 팽창단면과 상기 제2 팽창단면 사이에 형성되는 지름 전이부가 상기 광섬유의 비팽창단면과 상기 제1 팽창단면 사이에 형성되는 지름 전이부로부터 일정 간격 이격되도록 상기 제2 팽창단면이 배열되는 것을 특징으로 하는 다단 팽창 광섬유를 제공하기 위한 섬유 팽창 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유팽창 공정은
    상기 광섬유의 길이 일부분를 따라 열원을 공급하여 상기 광섬유의 상기 일부분을 부드럽게 하는 단계; 및
    상기 광섬유의 상기 일부분에 압축력을 가하여 상기 일부분을 팽창하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 팽창 방법.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서,
    전단의 팽창단면에 적어도 하나의 연속적인 섬유팽창 공정을 반복적으로 수행하는 단계를 더 포함하며,
    상기 적어도 하나의 연속적인 섬유팽창 공정에 의해 형성된 전이부는 전단에 의해 형성된 전이부로부터 일정 간격 이격되는 것을 특징으로 하는 섬유 팽창 방법.
  4. 상기 어느 한 항에 있어서,
    상기 간격은
    상기 다단 팽창 광섬유의 어떠한 지점에서도 팽창 각도가 다음 식을 충족하며,
    Figure pct00003

    여기서 da/dz는 팽창 테이퍼 각도이고, a는 상기 광섬유의 일부 중심부 반지름이며, z b 는 HE11 모드와 HE12모드 사이의 비트길이인 것을 특징으로 하는 섬유 팽창 방법.
  5. 상기 어느 한 항에 있어서,
    연속적인 전이부 사이의 상기 간격은 5mm인 것을 특징으로 하는 섬유 팽창 방법.
  6. 상기 어느 한 항에 있어서,
    상기 1단 섬유팽창 공정은
    상기 광섬유의 단면을 상기 광섬유 지름의 약 2-3배로 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 팽창 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 1단 섬유팽창 공정은
    상기 광섬유의 단면을 상기 광섬유 지름의 약 2.25배로 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 팽창 방법.
  8. 상기 어느 한 항에 있어서,
    상기 2단 섬유팽창 공정은
    상기 광섬유의 상기 제1팽창단면을 상기 광섬유 지름의 약 4-5배로 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 팽창 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 2단 섬유팽창 공정은
    상기 광섬유의 상기 제1팽창단면을 상기 광섬유 지름의 약 4.5배로 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유 팽창 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 따라 다단 팽창 광섬유를 제작하는 단계;
    상기 다단 팽창 광섬유를 절단하여 다단 팽창 광섬유의 제1절단 단부를 형성하는 단계;
    제1단부 및 제2단부를 갖는 거대 모드 구역 광섬유를 제공하는 단계; 및
    다단 팽창 광섬유의 상기 제1절단 단부의 중심부를 상기 거대 모드 구역 광섬유의 중심부의 상기 제1단부와 결합하는 단계를 포함하는 표준 광섬유와 거대 모드 구역 섬유를 결합시키는 방법.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 따라 다단 팽창 광섬유를 제작하는 단계;
    상기 다단 팽창 광섬유를 절단하여 다단 팽창 광섬유의 제1절단 단부를 형성하는 단계;
    제1단부 및 제2단부를 갖는 거대 모드 구역 도핑 광섬유를 제공하는 단계;
    다단 팽창 광섬유의 상기 절단 단부의 중심부를 상기 거대 모드 구역 도핑 광섬유의 중심부의 상기 제1단부와 결합하는 단계를 포함하여,
    다단 팽창 광섬유의 상기 절단 단부와 상기 거대 모드 구역 도핑 광섬유는
    상기 다단 팽창 광섬유의 비절단 비팽창 단부에 수신되는 제1파장의 광신호를 상기 거대 모드 구역 도핑 광섬유의 상기 제2단부에서 제2파장의 광신호로 변환하도록 작동되는 광파장 변환기를 형성하는 것을 특징으로 하는 광파장 변환기 제조 방법.
  12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 따라 다단 팽창 광섬유를 제작하는 단계;
    상기 다단 팽창 광섬유를 절단하여 각각 제1 및 제2 절단 단부 및 비절단 단부를 갖는 다단 팽창 광섬유의 제1 및 제2단면을 형성하는 단계;
    제1단부 및 제2단부를 갖는 거대 모드 구역 도핑 광섬유를 제공하는 단계;
    상기 다단 팽창 광섬유 단면의 상기 제1 및 제2절단 단부의 중심부를 상기 거대 모드 구역 도핑 광섬유의 상기 제1 및 제2단부의 중심부와 각각 결합하는 단계; 및
    상기 다단 팽창 광섬유 단면의 상기 제1 및 제2 비절단 단부를 결합하여 광섬유 증폭기를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 증폭기는
    상기 제1비절단 단부와 상기 제2 비절단 단부 사이에서 상기 다단 팽창 광섬유 단면과 상기 거대 모드 구역 도핑 광섬유를 통하여 전송되는 광신호를 증폭하도록 작동되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기 제조 방법.
  13. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 따라 다단 팽창 광섬유를 제작하는 단계;
    상기 다단 팽창 광섬유를 절단하여 각각 제1 및 제2 절단 단부 및 비절단 단부를 갖는 다단 팽창 광섬유의 제1 및 제2단면을 형성하는 단계;
    상기 제1 및 제2 절단 단부를 가공하여 상기 제1 및 제2 절단 단부에 반사수단을 형성하는 단계;
    제1단부 및 제2단부를 갖는 거대 모드 구역 도핑 광섬유를 제공하는 단계;
    상기 다단 팽창 광섬유 단면의 상기 제1 및 제2절단 단부의 중심부를 상기 거대 모드 구역 합성 광섬유의 상기 제1 및 제2단부와 각각 결합하는 단계를 포함하여,
    레이저 발광 공명 구멍이 상기 제1 및 제2 절단 단부 사이에 형성되어 광섬유 레이저를 형성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 절단 단부를 가공하는 단계는
    적어도 하나의 상기 절단 단부에 그릴 무늬를 새기는 단계; 또는
    적어도 하나의 상기 절단 단부에 그릴 무늬를 광유발시키는 단계 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 제조 방법.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다단 팽창 광섬유를 절단하는 단계는
    상기 광섬유의 가장 넓은 단면을 따라 상기 광섬유를 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 거대 모드 구역 도핑 광섬유의 중심부의 모드 지름이 상기 절단 단부의 중심부의 모드 지름에 상응하도록 상기 거대 모드 구역 도핑 광섬유를 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 거대 모드 구역 도핑 광섬유는
    인산염, 실리카, 텔루르화합물, 불소, 칼코겐화합물, 창연과 같은 유리류 중 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 거대 모드 구역 도핑 광섬유는
    희토류 물질이 도핑되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 거대 모드 구역 도핑 광섬유는
    에르븀, 툴륨, 크롬, 이테르븀, 네오디뮴, 프라세오디뮴, 테르븀 또는 그 합성물과 같은 도핑 불순물 중 어느 하나로 도핑되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제11항 또는 11항에 따른 제15항 내지 19항의 어느 한 항의 방법에 따라 제조되는 광파장 변환기.
  21. 제12항 또는 12항에 따른 제15항 내지 19항의 어느 한 항의 방법에 따라 제조되는 광섬유 증폭기.
  22. 제14항에 따른 제14항 내지 19항의 어느 한 항의 방법에 따라 제조되는 광섬유 레이저.
  23. 제 10항 또는 10항에 따른 제15항 내지 19항의 어느 한 항의 방법에 따라 결합되는 표준 광섬유의 일부분과 거대 모드 구역 광섬유의 일부분을 포함하는 섬유.
  24. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조되는 다단 팽창 광섬유.
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