TW448317B - Method for making fibers having cores with non-circular cross-sections, fibers, fiber lasers and amplifiers formed thereby and systems incorporating such fibers as brightness converters - Google Patents

Description

44831 7 Λ, 五、發明説明（I ) 經濟部中央標準局員Η消費合作衽印製 發明背景： 本發明係關於製造光纖之方法其具有非圓形斷面單 模或多模，騎折辨紐麟射率分佈，以及光纖，光纖 雷射以及放大H軸於射。這些光纖有益地使用於亮度 轉變器光纖雷射裝置叫運單模光纖放大器，例如換雜鎮 光纖放大器，其使用寬廣面積多模雷射二極體泵。 最初，單模光纖f射以及放大器制單模半導體雷射 二極，進行紐。不過，這些轉縣運騎並不會輸出 非常高的功率，其受限於光纖雷射或放大以錄輸出。 為了提高《f射辨輸出，雷射二極體設計為寬廣面積 雷射，其触具妓_比光錢面之錄綠。除此.沿 著一條中心軸之光束發散遠大於沿著另外一個中心軸即 ’’快速軸”大於沿著其垂直軸即”緩慢軸”之情況。例如，在 雷射二，體連接平面中，缓慢軸光束發散數值孔徑在〇 07 至〇.15範_，然*在垂直平面中快速軸具有較高數值孔 徑在0. 55至0_ 7範圍内。 該寬廣面積雷雖丨辨在m瓦細M，而單模 半導體雷糊在0.2至1瓦。侧光纖例如本發明光纖需要 加以收集及躲運轉㈣較高功率多模光緖變為單模 光束’其能触合進人㈣為摻雜賴光_及由其吸 收，其傳輸放大功率為超過1瓦。 當提供光纖之心蕊直徑等於多模泉運光束寬度將捕獲 全部之光束，龜合無歧紐最佳化，該亮料每單位面 積每單位城肖度之辨。，光纖輸丨亮度無法顯著

(請先W讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 448317 A7 B7 經濟部中央標準局員工消费合作杜印製 五、發明説明（Z ) 地改善。除此，使用該大的心蕊無法解決將多模泵運光線 轉變為單模輸出之問題。 ' 由於由寬廣面積雷射之光束輸出為多模光束光束與 心蕊間之斷面差異能夠藉由將光束成形與心蕊形狀相匹配 而加以補償。不過，任何該形狀光束仍然為多模光束，以及 —些嘗試將該成形光束耦合進入單模光纖例如為摻雜铒光 纖放大器將導致不良的耦合效率。通常，假如多模光束包 含十個模，轉合進入單模心蕊功率將小於1/1Q。 嘗試使用多模雷射二極體光束以泵運單模心蕊铒放大 器包含形成亮度轉變器，其使用固態雷射(揭示岀本公司同 時申請之D14163專利），漸變光纖雷射(揭示出本公司同時 申請D14384專利）或雙包層光纖雷射。雙包層結構包含兩 個包層，第一包層相鄰於圓形單模心蕊，以及第二包層圍繞 著第一包層.。第一包層斷面設計為所需要之形狀例如為與 果運光源或任何其他方式或形狀發射出之近場相匹配，其 將提高泵運光束之吸收效率。第一以及第二包層間之數值 孔徑必需相當大足以捕獲泵運雷射之輸出。實際上達成提 尚亮度為決定於聚運包層面積與心蕊面積之比值，比值越 咼，凴度越大。不過，心蕊與包層斷面間面積之不相等需要 較長裝置長度，因為泵運光線吸收與該比值成比例。 因而這些雙包層排列促使泵運使用多模第一包層之光 纖以接受以及沿著裝置長度將泵運能量轉變至心蕊將變為 容易。通常，與第一及第二包層間折射率差值相關之高數 值孔徑為需要的。_通常，第一包層由玻璃製造出以及第二 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A<規格（21〇)<297公董） J--4------ΐτ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 44831 7 A7

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 包層由塑膠例如為具有相當低折射率而低於玻璃折射率之 HL化聚合物製造出以提南數值孔徑。該塑膠並不具有呼多 應用所需要之熱穩定性，其會由第一包層脫離，以及易^到 水氣損壞。除此，階躍折射率雙包層觀念對三階遷移例如 為镱980nm遷移並非有效的。 發明大要： 本發明係關於一種方法以製造非圓形斷面心蕊之光纖 ’以及光纖，光纖雷射以及由其中形成之放大器，其實質地 克服一種或多種由於相關技術限制及缺點所導致之問題。 除此，本發明能製造出所有矽石包層光纖。皈此，本發 明能製造出光纖結構及幾何形狀，其將轉變為新的亮度。 至少一種先前以及其他優點能夠藉由形成光纖達成， 該光纖包含外殼非圓形斷面之孔隙，將孔隙填充光學材料， 以及在填充後對外殼進行熱塌以及抽拉以形成所需要尺寸 光纖。 至少一項上述以及其他優點能夠藉由提供光纖而達成 ，該光纖具有非圓形斷面孔隙之外殼，及填充孔隙心蕊。 至少一項上述以及其他優點能夠藉由光纖達成，該光 纖包含包層以及具有主動區域之心蕊，主動區域折射率與 主動區域相鄰材料折射率相同。 至少一項上述以及其他優點能夠藉由提供雷射系統達 成，其包含輸出多模光線之多模光源，亮度轉變光纖以接收 多模光源發出之多模光線以及輸出單模光線，轉變亮度光 纖包含包層以及昇有主動區域之心蕊，主動區域折射率與 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS ) A4規格（210X297公釐} II - 11 I# .I I 11 --- 訂I--^―—1 (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 4483 1 7 A7 B7 五、發明説明（十） 緊鄰主動區域材料折射率相同，以及單模雷射光纖接收由 轉變亮度光纖發出之單模光線以及輸出雷射光束。 本發明這些以及其他目標能夠由詳細說明變為清楚。 不過，人們了解本發明優先實施例詳細說明以及特定範例 僅作為範例性，熟知此技術者能夠由這些詳細說明作出許 多變化以及改變，但是其在本發明精神及範圍内。 附圖簡單說明·- 先前以及其他目標，項目以及優點將針對附圖詳細加 以說明，其中： 第一圖（圖1)列舉出本發明形成光纖方法之流程圖。 第二圖A(圖2A)顯示出一個外殼，其中一組多條光纖依 據本發明方法插入該外殼。 第二圖B(圖2B)顯示出圖2A外殼依據本發明圍繞著一 組多條光纖 第三圖（圖3)顯示出本發明一條光纖之範例性斷面。 第四圖A-B(圖4A-B)顯示出本發明光纖在熱塌前之斷 面其他範例。 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 (請先閎读背面之注意事項再填寫本頁} 第五圖（圖5)顯示出使用來形成本發明光纖之另外一 種光學斷面。 第/、圖（圖6)顯示出使用本發明光纖之系統示意圖以 有效地提供多模範圍光線至單模光纖。 〜 附圖元件數字符號說明： 外殼20;底部區段22;頂部區段24;溝槽26;外殻 本纸張尺度適用中國國家棣準（CNS >A4規格7^7297公釐) 心結構29;固定桿件30;中央桿件31;心蕊斷面32; 心蕊斷面34, 36;端部表面38;雷射40;光學系統42; 轉變器44;放大器46。 詳細說明： 現在對附圖之本發明優先實施例詳細加以說明。不過 本發明並不受限於下列實施例其能夠以各種方式實施。 優先實施例只作為完整地揭示本發明以及能夠使熟知此技 術者了解本發明内容。各種區域之厚度被強調以使附圖更 為清楚。整個附圖中相同的參考數字表示相同的元件。 本發明一般方法顯示於圖1中。首先，斷面形成為外殼 以作為包層區域。該斷面通常決定於形狀特別是輸入至 光纖光束之數值孔徑。不過，可考慮其他情況例如光線耦 合至光纖中心。 一旦在外殼中形成孔隙之斷面產生，構成心蕊之光學 材料放置於孔隙中。光學材料優先地為一組多條光學桿件 。當使用光學桿件時，長寬比仍然依據輸入光束決定出，實 際厚度亦可藉由容易得到可利用之桿件尺寸表示，以及長 度可依據該厚度決定出以得到所需要之長寬比。可加以變 經濟部中央榡準局員工消費合作社印裝 化’為粉塵或研磨光學材料形式之光學材料能夠使用來填 充孔隙。 ' 一旦光學材料放置於孔隙十，整個結構被熱塌以結構 凝固以及使光學材料實質地填充孔隙。該熱塌在相當高严 度下進行以確保組成份熔融以形成實心結構。優先地在m 熱塌前，結構利用溶液清理以及進行乾燥以去除過剩溶液

經濟部中央標準局員工消f合作社印製 44831 7 A7 _____B7 五、發明说明（έ ) 。實心結構再抽拉柄f要之尺寸。#長寬比麟為相同 ，整體尺寸藉由抽拉而減小。 形成具有孔隙外殼特定方法之—項範例顯示於圖以中 。外殼20例如為石英管件能夠切割為所需要長度以及再切 割相同的長度一半以形成底部區段22以及頂部區段24。底 部區段22再依據所需要長寬比作機器加工以形成溝槽邡而 作為孔隙。在目前範例十，桿件插入至溝槽26,溝槽26深度 亦依據插入其中桿件直徑決定出。優先地，中央桿件31材 料與其他桿件30材料不同。 在該範例中只有底部區段被改變，兩個斷面能夠加以 改變以產生所需要之斷面。除此，該範例中兩個斷面大約 切割為一半，計算溝槽厚度，外殼長度縱向地切割可為任何 所需要部份以達成所需要之斷面。最終，假如特定技術或 特定外殼以形成斷面，該縱向切割可完全不需要。 底部區段22以及頂部區段24再加以結合以固定桿件3〇 在適當位置。如圖2B所示，此能夠藉由放置底部區段22,桿 件30以及頂部區段24於外圍外殼28中而達成該連接可使 用適當連接技術達成，以及連接並非永遠需要的。 所形成結構29再加以熱塌以形成實心結構，其再抽拉 為所需要之尺寸。在熱塌以及抽拉結構29後形成斷面一項 範例顯示於圖3中。由圖可看出，斷面32長寬比與放置於溝 槽26中桿件30長寬比相同，然而各別桿件間差異可加以減 /J、〇 心蕊斷面32能夠以下列方式達成。桿件使用光學波導 本紙張賴中關家縣（CNS ) A视^ ( 21GX297公釐） -" —^I I ~~ 訂I 11 ^.—Ί —1 (請先閲讀背面之注項再填寫本頁) 4 4 8 3 1 7 Α7 Β7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 五、發明説明（7) 火焰水解處理過程形成。每一捍件具有Ge02 Ti02，及si02 組成份，其在整個桿件上為均勻的。桿件可切割為所需要 之長度。具有所需要長度之石英外殼縱向地切割，其一件 即桿件直徑高度至少高於另外一件至少2jnm。在較大件中 機器加工出21mix2麵溝槽十條所需要長度之桿件插入至 溝槽内。較小件放置於桿件頂部上。該整個結構再插入至 官件，其具有内徑為26咖以及外徑為27mm。管件結構再使 用氣氣進行清理及在15〇〇。(：下乾燥以去除任何過剩氣氣。 清理管件結構在2〇〇〇t：下熱塌以及抽拉形成125微米光纖 。抽拉出結構具有心蕊如圖3所示。 圖4Α及娜示出熱軌及抽減其他範例性心蕊斷面 ’其能夠依據本發卿成。在圖辦，其轉件放置相鄰於 中央才干件以形成父叉心趨斷面34。在交又心蕊斷面34中其 他才干件k尚光線耦合至光纖中央之效率。在圖犯中，桿件 排列以形成橢圓形心蕊斷，其與—些光束分佈十分匹 配。 旎狗形成任何所需要斷面，其包含長方形以及方形斷面 。對於特定亮度轉變應用，其中使用寬廣頻帶多模光源，其 長寬比優先麟於或大於U。本發财法之設計彈性有” 益於形成賴麟面之心蕊，其中心麵面具有對稱形狀 甚至為i:i長寬關如為方形，或具有長寬比大於1:1。 在任何-個構造巾，桿件並不必需由相同的材料所構 成，但是可不同地提昇麵合及/或傳播效率。除此最線光 纖可加以改變以具有如圖5中所示之斷面，其中其端部表面 本紙張以賴巾晒家鮮（CNS ) I 装 訂------Λ_________________ (請先聞讀背面之注意事項再填寫本買) 1 I~~. ί 10 4 483 丨 7 五、發明説明（f ) 38為傾斜的或為楔形的。該傾斜將導致端部表面招成為透 鏡。傾斜端部表面38減小投射光束之發散角度。任何其他 所需要外形能夠形成於光纖端部表面上。 、 本發明方法產生之設計彈性清楚地有用於許多應用中 ，其包含被動或主動心蕊，特別重要特定之應用將說明於底 下。 _ 如發明背景所說明，本發明方法設計彈性起因係由於 需要輕合足夠錄泵運光線進人單—橫向模賴f射或放 大器，其使用來泉運例如為摻雜#光纖之單模絲，例如為 摻雜鉢光纖放大器。本發明巾光纖雷射能_由提高折射 率摻雜劑例如為鍺摻雜桿件而達成。因而，傳送通過光纖 之光線限制細如，其由細‘麟相鄰包層㈣間折射 率差異所致。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 使用來形成主動區域之桿件更進一步摻雜主動摻雜劑 ’通常為稀土族元素摻雜劑例如為Yb，該主動區域通常在心 蕊結構之中央。人們了解主動性掺雜劑並不需要提高主動 區域桿件之折射率。在本發明中，光線光線更進一步限制 於光纖雷射心蕊内，圍繞著導引增益之主動區域。光線限 制於其中而在主動區域與相鄰區域間並不需要折射率差值 。除此該結構只能夠使基本雷射模優先地被激發。藉由適 當地限制主動區域於心蕊中央，基模具有足夠增益以產生 振盪。其他模具有較低增益以及並不產生振盪。因而光纖 雷射甚至於多模心蕊發射出單模光束。假如單模回授包含 於雷射凹腔中，該效應將被提昇。 本氏張尺度適用中國g]家料_ ( CNS) A4規格（加X撕公缝） 4 483 1 7

五、發明説明（今） ㈣i 使用作騎射或放大器。因而 放^触用作為轉Μ以作為將多縣運光線轉變為 放大单模果運光線。該系統—項範例顯示於圖忡。 面積雷射轉由光料、聰供舰本發 轉變諸。由紐面積祕猶出多模光_由 _轉變為單線。單模麟賴來 器46,例如為摻雜餌放大器。 +棋 —本發縣纖主動區域可摻雜例如為錯或触更進一步 提高折射率，使得光線限制於單模主動區域是由於增益導 引以及折射率差值所致。高於或低於主動區域棹件折射率 與主動區域任何一侧桿件折射率相同能夠使用斷面乜對 主動區域中傳播模產生對稱性。 經濟部中央榡隼局貝工消f合作社印製 ^能夠使用桿件以產生任何所需要分佈之梯度折射率心 蕊。例如，心蕊區域外側邊緣上桿件具有較高折射率而高 於包層區域折射率，同時接近主動區域之緊鄰一組桿件仍 然具有較高折射率，持續到在主動區域外侧心蕊中相鄰主 動區域桿件具有最高桿件折射率。心蕊區域可具有與該最 高折射率相同或更高折射率。除此使用摻雜桿件，其再加 以熱塌能夠達成較高折射率而導致較高數值孔徑。因而， 本發明結構能夠使用完全玻璃結構得到較高數值孔徑，即 並不需要使用較低折射率之聚合物以降低包層折射率。 使用本發明方法所提供之設計彈性特別有益於製造將 耦合多模泵運光線之主動心蕊區域，亦可產生其他設計。 例如，由數個桿件所構成主動區域相當大足以維持多模振 本紙張尺度適用中國國家棟準（CNS) Α4·(训χ297公釐） 4483 1 7 A7 ---------B7 ___ 五、發明説明（丨0 ) 盈。假如主動區域限制接近於中心軸，該尺寸之主動區域 將只能維持基模。此能夠藉由使用一些單模回授機制達成 。例如，該單模回授可漸變該構造而達成，其揭示於本公司 "Tapered Fiber Laser11專利案中。除此，本發明方法能夠 使用來產生所需要斷面，其完全被動性即並無主動區域。 除此，使用將桿件熱塌以形成心蕊區域能夠加入大量 提高折射率之摻雜劑，例如Ge於心蕊區域》高數量提高折 射率掺雜劑能夠使玻璃例如為矽石使用作為心蕊材料，因 為能夠達成心蕊與包層間之折射率差值。除此，藉由使用 增益導引將振盪限制於主動區域而非提高主動咗域折射率 ，主動區域藉由摻雜增益摻雜劑以及提高心蕊區域折射率 摻雜劑而形成。因而，整個結構能夠由玻璃所構成。 本發明已針對特定應用列舉性實施例加以說明，人們 了解本發明並不受限於此。例如，任何提高光線耦合之機 制例如為雙包層結構能夠共同使用於本發明。熟知此技術 者能夠藉由該說明而了解本發明範圍内之其他變化，應用， 以及實施例。本發明範圍將由下列申請專利範圍界定出。 --------·--I. ^ I---—~"[訂 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央榡隼局貝Η消費合作杜印製 |釐 一公 2973

Claims (1)

124483 1 7 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 經濟部中失螵準局貝工消费合作社印装 1，一種製造光纖之方法，其包含下列步驟： 形成孔隙，其外圍為非圓形斷面； 以光學材料填充孔隙；以及 在填充後進行熱塌以及抽拉外殼以形成所需要尺寸之光 纖。 2.依據申請專利範圍第1項之方法其中該填充包含提供一 組多條光學桿件於孔隙中。 3_依據申請專利範圍第2項之方法，其中該填充包含提供至 少一條桿件，該桿件與孔隙中一組多條光學桿件之其他桿 件不同。 4.依據申請專利範圍第3項之方法其中該填充包含提供至 少-條不同材料之桿件而異於先纖中央孔隙中—組多條光 學桿件之其他桿件材料。 5_依據申請專利範圍第3項之方法，其中該至少一條桿件摻 雜主動性摻雜劑及具有與該其他桿件相同的折射率。 6, 依據申請專利範圍第3項之方法，其中更進一步包含排列 桿件’其折射率由孔隙外側邊緣朝向至少一條不同材料桿 件方向提高折射率。 7. 依據申請專利範圍第1項之方法其中該填充包含提供研 磨光學材料於孔隙中。 ' 8. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中形成步驟包含將外 殼分成兩部份以及對一區域進行機器加工作為至少一個部 份之孔隙。 ° 9, 依據申請專利範圍第8項之方法，其中在填充後更進一步 ! I—- —ί I I In -i 本 K I. I I f I — i (锖先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 各紙浪尺度通用TfflH冢揉準（CNS ) A4此格（21〇χ297公釐） 44831 7 A8 Β8 C8 D8 3 六、申請專利範圍 包含再結合兩個部份外殼以圍蔽光學材料於其中。10.依據申請專利範圍第9項之方法，其中再結合步驟包含 以光學材料放置兩個部份於外圍外殼中。 ---------V 采-- (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消费合作社印裝 夂紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4说格（210 X 297公釐）