TW201512721A - 泵浦光耦合入光纖之裝置及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種泵浦光耦合入光纖之裝置及其製造方法，係用於將泵浦光從側壁耦入光纖，該裝置包括一在縱向上延伸的一光纖與另一光纖，該另一光纖具有一在縱向上延伸的一側壁與一用於泵送並有光學活性的介質，該裝置並包括至少一個以上的至少一部分沿著側壁平行於光纖的光耦合媒介，該光耦合媒介為一光波導體，以光學方式耦合到光纖，在光波導體中傳播的泵浦光憑藉模式串擾或光纖消逝場的重疊經由所述側壁耦入光纖，本發明更涉及製造該裝置的方法。

Description

泵浦光耦合入光纖之裝置及其製造方法

本發明係關於一種將泵浦光從側壁耦入光纖的裝置及其製造方法，該裝置包括一在縱向上延伸的一光纖與另一光纖，該另一光纖具有一在縱向上延伸的一側壁與一用於泵送並有光學活性的介質，該裝置並包括至少一個以上的至少一部分沿著側壁平行於光纖的光耦合媒介。

典型光纖雷射器或光纖放大器為光泵送的運用，泵浦光經由一光學活性纖維端面射入光纖，為達該目的，泵浦光必須對正和聚焦於該光纖端面，以使該泵浦光進入光纖泵芯（內殼），並在光纖的光學活性信號核心內發生粒子數反轉現象，其中，該光學活性信號核心被泵芯（內殼）包圍，然而，因為泵芯的斷面面積極小，該經由端面將泵浦光耦入光纖的方法因而需要精確調整泵光束而難度較高；此外，該方法可能會在耦合範圍內導致太高的場強，而可能會損壞纖維；該經由端面將泵浦光耦入光纖的方法也可能導致下述問題：因泵浦光必須被正確地重疊，其中就可能需要預備各種佈置方式，例如不同光束偏振的疊加或是使用不同波長等，也因此可能導致泵浦光從端面導入時，在光纖中產生一過強而非均勻分佈的泵浦光。

光纖通常具有圓形橫截面，但也有光纖具有至少部分的平坦側壁或者具有“扁平化”特徵，例如具有類似O形的八角形截面的光纖等。

基於上述問題，已有泵浦光從側壁耦入光纖方法的提出，已發表的德國專利案DE 102011103286描述泵浦光橫向耦入光纖，其中所述泵浦光束藉由橢圓形泵室的重新聚焦而垂直射入光纖，此為閃光燈泵浦的固態激光器的現況技術，然而，在這種情況下的耦合效率往往不能令人滿意。

根據已發表的美國專利案US 6,477,295，泵浦光先被射入被剝離的纖維之玻璃套筒，之後再橫向地被耦入光纖，該折射率配合光纖包層的折射率，由於玻璃套筒具有較大表面積，可避免界面處玻璃空氣的產生，從而可降低泵浦光在光纖端面處的耦合，並提高泵裝置的損壞臨界值；但從另一角度來說，這種類型的耦合更會導致光纖中泵芯的泵浦光不均勻分配現象，此現象也會發生在彎曲光纖的耦合中。

本發明之主要目的係在，提高泵浦光橫向耦合到光學活性纖維的耦合效率，並避免泵浦光的損耗。

該目的藉由進一步發展中的已知泵模塊而達成，其特徵在於，該光耦合媒介為一光波導體，以光學方式耦合到光纖，在光波導體中傳播的泵浦光憑藉模式串擾或光纖消逝場的重疊經由所述側壁耦入光纖。

本發明可以經由通過部分相關活化路徑的長度，使光學活性介質或激光活性物質的活化更加均勻，並提高入射泵浦光的效率。

亦即，沿著側壁的光纖和與之平行的光耦合媒介也如同光纖本身，皆為波導管，為了光的傳播而被設置在光纖縱向方向上，本發明中，光纖與光耦合媒介間的過渡被設計為：在光耦合媒介中傳播的泵浦光憑藉模式串擾或光纖消逝場的重疊進入光纖，並導致光纖信號核心的粒子數反轉；據此，在波導管內傳播的模式的光子被提取，而用來刺激光纖纖芯中的光活性介質。

本發明的原理：光耦合媒介本身亦為一波導管，因此泵浦光在邊界表面可以全部被反射而完全無損耗地傳播，從而使得與光耦合媒介進行光耦合的光纖側壁擁有泵浦光高效率耦合；其次，該光耦合媒介被設置為可同時有效接收從泵雷射發出的泵浦光或是從另一光源發出的泵浦光，其中，該耦合入光纖之泵浦光完全無損耗。

由於波導在光纖側壁進行光耦合，使得波導結構可被改變，例如變成在橫截面上偏向光纖方向的強度分佈，使波導的洩漏和/或輻射模式更有效地耦合進入光纖；該波導管可以以特殊方式耦合在光纖側壁上，而實現經由光纖與經由波導管同時傳播的超級模式，該超級模式在縱向上傳播時，藉由信號核心的粒子數反轉，提取光子並饋送到信號核心的雷射模式。

波導管側壁的“光學耦合”並不一定意味著波導管與光纖側壁的實質接觸，更有可能為通過一（小）間隙，例如藉由消逝場而耦合泵浦光；優選地，側壁與波導管邊界表面仍有至少一部分直接接觸，該波導管的形式、尺寸大小、材料特性以及表面結構等等可以配合光纖而設計，使得波導管中的傳播模式完全可以續用於光纖中。

優選地，該波導在光纖側邊縱向方向上延伸一段距離，其中該距離的大小被設計成，基本上所有波導中傳播的泵浦光都可以被轉換成光纖信號核心的雷射光，該波導管縱向上的尺寸優選地為光纖直徑五倍大，更優選則為超過十倍大，特別是二十倍大或更大。

在一特別優選實施方案中，該光波導體為一具有至少一個平的邊界表面的一個波導，例如一具邊緣波導或一扁平纖維，該光波導體也可以是一具有圓形或橢圓形橫截面的光纖；在波導管具有平坦邊界表面的情況下，該泵浦光源的泵浦光可以非常有效地從這個平坦表面耦入波導管，並繼續經由一面向光纖側壁的邊界表面再度耦入光纖中；其中，該第二個邊界表面亦可為平坦表面，以提高泵浦光耦入光纖的效率。

具邊緣波導的成本低廉，並由於成形其內的模式結構而特別適合做為光纖的耦合媒介，特別是在具有至少一個平坦的側壁的情況下，例如扁平纖維。

優選地，所述波導的直徑基本上等於所述光纖的直徑；特別優選地，該光纖與該波導的直徑大於200µm、而小於1000µm，特別是大於300µm、而小於500µm，例如約為400µm；該光纖信號核心的直徑則介於10µm和100µm之間，特別是約為50µm；替選地，該光纖也可以具有一特別大的核直徑，例如介於100µm和300µm之間，特別是約為150µm；甚至是具有非常小的光纖纖芯直徑的單模光纖也可適用（例如核心直徑＜10µm）。

該光纖側壁可抵靠於光波導體的邊界表面，據此可形成特別強的模式串音；該光纖側壁與面向側壁的光波導體的邊界表面之間可以設置一間隙，該間隙也可以一具有適配折射率的透光性的介質，如SmartGel®（或一其他具透光性的聚合物介質）來填充；據此，可再次提高耦合光纖效率。

在一特別優選實施方案中，該光纖側壁與光波導體的邊界表面直接接觸，該側壁與該邊界表面之間，由於纖維的外部曲率，剩餘的間隙則以一具有適配折射率的介質填充；該介質可以以類凝膠形式引入間隙中，而後固化，當該介質與光纖包層和/或該波導具有大致相同的折射率時，波導和光纖之間可擁有良好的模式串擾。

所述光纖側壁，藉此泵浦光可以耦合的地方，也可以是平坦的；換句話說，該光纖可以具有至少一個平面。

如果所述一面向光纖側壁的光波導體的邊界表面能夠結構化，其耦合效率可以再進一步被提高；特別是振幅的調制可被寫入波導的邊界表面，其可具有一“炫耀光柵”以及一波浪鋸齒狀和/或鋸齒狀的橫截面；在光波導體製造過程中，該調制可藉由雷射燒蝕被寫入光波導體壁上，或是在光波導體製造時的溶膠-凝膠過程中，藉由特定模塑被帶入；調制的週期性則可配合泵浦光的波長。

此外，光纖和/或光波導體可以具有一折射率調制，藉此，該泵浦光耦入光纖效率可被提高（布拉格光纖光柵以及傾斜式布拉格光纖光柵生產量）；該折射率調制可以以本專業範圍領域習知方法藉由紫外線寫入。

在高泵輻射密度下，將兩個光波導體設置於光纖相對的兩側，這種佈置方式已被證實可避免形成所謂的熱點；在一個特別優選的實施方案中，光纖被設置於兩個大致平行延伸的具邊緣波導之間；在該二具邊緣波導之間傳播的泵浦光可以在相對側上經由側壁耦入光纖。

在提高核心的雷射功率與緊密裝置結構同時，兩個或多個光纖泵浦段分別並排延伸在縱向方向上，其中，每兩個光纖泵浦段之間設置一光波導體；為達此目的，該光纖可設為匝圈形式，其中，每一匝圈具有一或多個泵浦段；優選地，為提高核心的雷射功率，該光纖匝圈設為兩個以上，更優選地，為超過十個匝圈，並且每個匝圈都具有一個或多個泵浦段；藉由光波導體設置於光纖泵浦段之間，可將泵浦光有效地耦合到光纖；為此，該光纖泵浦段與光波導體可以在橫向上，特別是大致垂直於所述縱向延伸方向上，交替設置；換言之，光波導體與光纖段平行延伸，並在橫向上規律性交替設置，以形成一整體結構緊湊的泵模塊，該泵模塊可使泵浦光源的泵浦光在緊密空間條件下耦合；尤其是，具適當束直徑的單泵束可對應佈置若干相鄰並排的波導，以使各匝光纖同時被泵送，從而簡化整個光學調整系統。

該光纖可以包括一具有光學活性的介質的核心與一具有外邊界側壁並圍繞該核心之（內）包層，其中，所述包層的折射率可配合光波導體的折射率；優選地，光纖的核心可以由摻入稀土（如鐿或鉺）的石英玻璃組成；在泵浦段之前和/或之後，該光纖包層可以由一個或多個塑料製成的保護層（包覆或緩沖）包覆之，並繼續週期性地由保護套（外套）包覆之；如果核心是由幾個包層包覆（例如，一個在內、一個在外），則各導光部件（核心、內包層，外包層等）的折射率通常是由內向外遞減，以使內部導光件的傳播模式分別由於全反射而毫無損耗地在縱向方向上傳播；藉由配合光纖包層材料與光波導體材料的折射率，例如，光纖包層和波導都可由石英玻璃（n =1.45）製成，光纖和波導之間的泵浦光場的串擾被加強放大。

為使泵浦光耦入光波導體，可以設置一耦合部在光波導體側表面，其中該耦合部特別是以光學耦合方式抵靠和/或連接於側表面，有利的是，光波導體側表面以及耦合部抵靠面的耦合光輸出率都可以被提高，耦合部材料的折射率可以比光波導體材料的折射率高，耦合部縱向方向上的尺寸以下述方式安排設計：已耦入波導的光不再重新進入耦合部與光波導體邊界表面，而是由於全反射而反射進入波導。

一種特別適用的耦合部為一稜鏡，可以使用自由散射的雷射二極體做為泵浦光源，稜鏡的整個寬度都可以和光波導體、光纖耦合，因此成本低廉；泵浦光束入射到稜鏡的發散角度和入射角度，以及稜鏡角度，如下述方式安排設計：使得所有稜鏡內射在稜鏡與波導界限表面的泵輻射盡可能耦入波導，但其在波導內傳播過程中，不重覆射入稜鏡與波導界限表面；以此方式，可避免泵輻射的反射從波導返回到稜鏡，並可避免泵浦光的損耗。

該耦合部可以覆蓋兩個或兩個以上橫向並排設置的光波導體，藉此，唯一射入耦合部的泵浦光束可以耦入到更多光波導體，從而簡化整個光學調整系統，並由此產生一緊密裝置。

光學調整系統的簡化與機械穩定性整體裝置的獲得，有利於本發明，兩個或多個並排設置的光波導體被固設於一共同的基材上，其中，光波導體與基材的過渡部分則設為光波導體內部的全反射射入的過渡部分。

如果本發明裝置是一光纖雷射器的泵模塊，則該共振器可以藉由寫入布拉格光纖光柵（FBG）來限定，該耦合器在輸出後可以串聯方式繼續進入下一層級的放大；如果假設一放大層級為一光纖放大器，則依據本發明的另一裝置也可以做為光纖放大器的泵模塊。

為能有效地散熱，可在本發明裝置的上側和/或下側設置冷卻板，以降低熱負荷，該冷卻板可由金屬製成；替選地或另外地，所述基材可以同時形成作為冷卻板，或者具有冷卻板；冷卻板可連接到散熱體，並可以空氣或液體方式冷卻之。

本發明還包括根據本發明製造該裝置的方法，在該製造方法中，並排延伸的光波導體在一盤形晶片上形成，然後將一具有光學活性的介質的纖維做為芯材嵌入光波導體間形成的間隙；優選地，更多匝數的光纖被置入更多相鄰並排設置的光波導體的間隙中；優選地，光波導體製做成為具邊緣波導，其製作可藉由雷射燒蝕、鋸或銑削的機械磨損、蝕刻處理和/或溶膠-凝膠處理來達成。

晶片可以為多層，其中第一層為光學透明材料（優選地為石英玻璃），並做為光波導體，第二層為穩定作用並具有一矽層；兩層之間設置一中間層，該中間層的折射率比光學透明材料的折射率低，以達成光學透明材料與中間層之間界面處的全反射。

所述多層晶片可藉由在光學透明材料的第一晶片上塗覆一塗料/噴料，如聚二甲基矽氧烷（PDMS中，n=1.43）來製備，其折射率比所述光學透明材料的折射率低，然後將第二晶片置入，以達到機械穩定性，由隨後的烘烤，將兩個晶片結合在一起。

替選地，所述第二層的折射率可以比第一層的折射率低，藉此並可以同時穩定第一層；例如，摻雜氟的石英玻璃類似物可被用做為第二層，該第二層可以藉由絞擰、熔化或其他接合方式與第一層相連接；據此，依據本發明裝置的溫度穩定性可得到改善。

光纖插入光波導體間的間隙之前，間隙可以先填入適配折射率介質，如SmartGel®；該介質以凝膠狀形式被導入間隙，然後在部分介質被擠壓條件下，將光纖嵌入該間隙；優選地，該介質被固化。

替選地，該相鄰延伸的波導可以藉由一溶膠-凝膠處理方法來製備；該溶膠液在預設濃度中含有高純度的SiO₂ 粒子，該溶膠液被置於一預定時間內膠凝的模具中，之後將所得到的濕潤凝膠從模具中取出並進行乾燥，隨後熱處理步驟中，該凝膠部分收縮並恰好佔用溶膠空間；其形狀設計如下：波導由透明的石英玻璃部件形成並且為並排延伸。

有關本發明為達上述之使用目的與功效，所採用之技術手段，茲舉出較佳可行之實施例，並配合圖式所示，詳述如下：

第一圖所示係根據本發明泵浦光耦合裝置100的剖面圖，其中，該剖面幾近垂直於光纖2運行的縱向L方向，該光纖2具有一核心4（內）與一包層3（外），本發明之裝置可以是光纖雷射器或是光纖放大器的一部分，光纖雷射器的共振器可以以習知方式由布拉格光纖光柵來限制，光纖雷射器詳細結構的描述可見於相關領域範圍之文獻。

該光纖2被設置在多個光纖匝圈5中，其中，每一光纖匝圈5包括至少一泵浦段，藉此，泵浦光8從側邊（橫向）耦入光纖，第一圖的剖面切過該光纖泵浦段。

光纖2與光波導體1整體結構內泵輻射的約束由下述方式達成：在橫向Q以及在垂直方向Z上，所述光波導體、光纖與包覆介質6間的界面，以及所述光波導體、光纖與固定於並排延伸光波導體1上的基材7間的界面，可以實現全反射。

光纖2的包層材料與光波導體材料大致上具有相同的折射率，包層3與光波導體1都可由石英玻璃（或為二氧化矽SiO₂ ，N =1.45）形成。

如第一圖所示，根據本發明的裝置包括許多並排延伸的光波導體1，每二光波導體間嵌入一光纖匝圈5，使光纖側壁10抵靠於光波導體1的邊界表面12，並由此形成一規律性替換排列，其中，光波導體1與光纖2泵浦段在橫向Q進行交替排列。

該光波導體1為介電式並具有邊緣，其橫截面大致為正方形，不過其他橫截面形狀也是可能的，具邊緣波導擁有易於製造的優點，該具邊緣波導包括一平坦的頂面16，特別適用於泵浦光源（如雷射二極體）的泵浦光的耦合，並包括一平坦的底面18，特別適用於共同基材7的固接。

請參照第二圖與第三圖，泵浦光8耦入光波導體1如下所述：

一具有平坦底座的稜鏡9以光學接觸方式設置於數個並排延伸光波導體1的平坦頂面16上，因該稜鏡9的整個寬度與光波導體1、光纖匝圈5耦合，藉由稜鏡9可以使用成本低廉、自由散射的雷射二極體；優選地，稜鏡材料的折射率（如：N-BK7，N=1.51）比光波導體材料的折射率高。

泵輻射通過至少一個稜鏡9的側表面入射於稜鏡9，並在光波導體1的頂面16的方向被折射，泵輻射隨後由光波導體1的側邊進入，稜鏡之縱向L尺寸設計安排如下述：引入到光波導體1的泵輻射在全反射後入射光波導體之底面18，而非入射光波導體1的頂面16而再次回到稜鏡9（如第三圖所示）。

以下對本發明泵浦光耦合裝置100的製造方法進行說明：

將石英玻璃晶片一面上以PDMS（或任何其他合適的塗層）塗佈之，並將該塗面置放於一矽晶片上，以機械方式穩定該結構，兩晶片一起加熱，PDMS會使該兩晶片彼此固接，石英玻璃晶片被進行拋光，使其到達光纖包層直徑的三倍，並排延伸的具邊緣波導藉由高精度雷射燒蝕而產生於石英晶片內，藉由調節產生該具邊緣波導的激光輻射的脈衝重疊，可帶來光波導體1外側邊界面12的振幅調制；光纖2以多個光纖匝圈5形式嵌入具邊緣波導間的間隙內；整個結構最外部的邊界層以光學品質拋光，稜鏡9被放在一橫向Q跨越區域，多個具邊緣波導與光纖2以規律性替換佈置於該區域上，以此該稜鏡9被帶入泵輻射耦合。

替選地，該具邊緣波導和/或稜鏡9可以由溶膠-凝膠處理技術製備，該具邊緣波導外側邊界面表面12的振幅調制可以藉由特定模塑來完成。

側壁的折射率可以由激光輻射誘發式地調制。

本發明不侷限於圖中所示實施例，除了具邊緣波導外，其他形式的波導，例如：光纖或板狀波導（平板波導），更多的被用於本發明，其中泵浦光的傳播只限制在一個維度（亦即，只在垂直於縱向L與垂直於橫向Q而延伸的垂直方向Z上）；例如，多個並排延伸的光纖泵浦段被嵌入這樣的平板波導中；該裝置可以如下述方式製備：例如在溶膠-凝膠過程中，將光纖嵌入一凝膠狀、介電、淺層式的介質14內，並且如果必要，隨後將之硬化。

綜上所述，本發明確實已達到所預期之使用目的與功效，且更較習知者為之理想、實用，惟，上述實施例僅係針對本發明之較佳實施例進行具體說明而已，該實施例並非用以限定本發明之申請專利範圍，舉凡其它未脫離本發明所揭示之技術手段下所完成之均等變化與修飾，均應包含於本發明所涵蓋之申請專利範圍中。

100‧‧‧泵浦光耦合裝置
1‧‧‧光波導體
2‧‧‧光纖
3‧‧‧包層
4‧‧‧核心
5‧‧‧光纖匝圈
6‧‧‧包覆介質
7‧‧‧基材
8‧‧‧泵浦光
9‧‧‧稜鏡
10‧‧‧側壁
12‧‧‧邊界表面
14‧‧‧介質
16‧‧‧頂面
18‧‧‧底面
L‧‧‧縱向
Q‧‧‧橫向
Z‧‧‧垂直方向

第一圖所示係為本發明裝置之剖面圖，該剖面係垂直於光纖縱軸。 第二圖所示係為本發明裝置依據第一圖之立體圖，係為泵浦光經過一耦合稜鏡耦入裝置的光波導體。 第三圖所示係為本發明裝置依據第一圖之剖面圖，其光纖縱軸在剖面平面上。

100‧‧‧泵浦光耦合裝置

1‧‧‧光波導體

2‧‧‧光纖

3‧‧‧包層

4‧‧‧核心

5‧‧‧光纖匝圈

6‧‧‧包覆介質

7‧‧‧基材

10‧‧‧側壁

12‧‧‧邊界表面

14‧‧‧介質

16‧‧‧頂面

18‧‧‧底面

Q‧‧‧橫向

Z‧‧‧垂直方向

Claims (16)

1. 一種泵浦光耦合入光纖之裝置，係將泵浦光從側壁耦入光纖，該裝置包括一在縱向上延伸的一光纖與另一光纖，該另一光纖具有一在縱向上延伸的一側壁與一用於泵送並有光學活性的介質，該裝置並包括至少一個以上的至少一部分沿著光纖側壁平行於光纖的光耦合媒介； 其特徵在於：該光耦合媒介為一光波導體，以光學方式耦合到光纖，在光波導體中傳播的泵浦光憑藉模式串擾或光纖消逝場的重疊經由所述側壁耦入光纖。
2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該光波導體為一具有至少一個平的邊界表面的一個波導。
3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該光纖的側壁抵靠於該光波導體的邊界表面，以及/或該光纖的側壁與面向側壁的光波導體的邊界表面之間可設置一間隙，該間隙係以一具有適配折射率的透光性介質。
4. 如申請專利範圍第3項所述之裝置，其中，為提高泵浦光耦入光纖效率，所述一面向光纖側壁的光波導體的邊界表面被結構化，特別是具有振幅調制。
5. 如申請專利範圍第3項所述之裝置，其中，為提高泵浦光耦入光纖效率，所述光纖和/或光波導體具有折射率調制。
6. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，設置於該光纖相對兩側的兩個光波導體，係為具邊緣的波導。
7. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該光纖具有兩個或多個分別並排延伸在縱向方向上的泵浦段，每兩個泵浦段之間設置一光波導體。
8. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中，該光纖之泵浦段與該光波導體可以在橫向上，特別是垂直於所述縱向延伸方向上交替設置。
9. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中，該光纖係設為匝圈形式，每一光纖匝圈具有一個泵浦段。
10. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該光纖包括一具有一光學活性介質的核心與一具有該側壁並包覆該核心的包層，其折射率係配合光波導體之折射率。
11. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該以光學方式耦合到光纖之耦合部係設置在至少一個光波導體的一平坦之頂面上，該耦合部是以光學耦合方式抵靠和/或連接於該頂面，以使泵浦光耦入光波導體。
12. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中，該耦合部為一耦合稜鏡。
13. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中，該耦合部覆蓋於橫向並排的兩個或多個光波導體之上。
14. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，所述兩個或多個並排設置的光波導體被固設於一共同的基材上，該光波導體與該基材中間的過渡部分被設計為，該光波導體內部的全反射射入該過渡部分。
15. 一種泵浦光耦合入光纖之製造方法，係由雷射燒蝕、蝕刻和/或機械加工的方法，使並排延伸的光波導體在一盤形晶片上形成，或藉由溶膠-凝膠處理技術，使並排延伸的光波導體由一透光材料造型形成，然後將一具有光學活性核心的光纖嵌入光波導體間形成的間隙。
16. 如申請專利範圍第15項所述之製造方法，其中，在置入該光纖之前，一具適配折射率與優選為凝膠狀的介質被放入該光波導體間的間隙空間。