專利名稱：纖芯為非圓形截面的光纖的制造方法
相關(guān)申請的交叉引用本申請涉及一個共同轉(zhuǎn)讓、共同待批的記錄號為D 14384的申請，該申請與本申請是同時提交的。
背景技術(shù)：
本發(fā)明針對光纖的形成，以及以此形成的光纖、光纖激光器和放大器，該光纖的纖芯為非圓形截面、單模或多模、具有階躍折射率分布或漸變折射率分布。這些光纖方便地用于亮度轉(zhuǎn)換器光纖激光器件，以使用寬域多模激光二極管泵來泵激單模光纖放大器，諸如摻鉺的光纖放大器。
原先，使用單模半導(dǎo)體激光二極管泵激單模光纖激光器和放大器。然而，這些半導(dǎo)體泵激光器不能輸出很大的功率，限制了光纖激光器或放大器的亮度輸出。為了增加泵激光器輸出的功率，將激光二極管設(shè)計(jì)成寬域激光器，它輸出具有較大長寬比的射束截面的多模射束。此外，沿一條軸的射束在沿一條軸(也就是“快軸”)的發(fā)散將遠(yuǎn)大于在沿另一正交軸(也就是“慢軸”)的。例如在激光二極管結(jié)平面中，慢軸射束發(fā)散的數(shù)值孔徑在0.07到0.15的范圍內(nèi)，而在正交平面中，較大的快軸數(shù)值孔徑在0.55到0.7的范圍內(nèi)。
與單模半導(dǎo)體激光器只有0.2到1W相比，寬域激光器的輸出功率在1到10W。人們要求諸如根據(jù)本發(fā)明的那些特殊光纖以從如此高功率的多模射束中收集并轉(zhuǎn)換泵激功率成單模射束，這些單模射束可以耦合到如摻鉺光纖的單模光纖，并被它吸收，從而使單模光纖傳送大于1W的放大輸出功率。
雖然提供一光纖使其纖芯的直徑等于多模泵激射束的寬度，就將捕獲整個射束，但這樣的耦合并不優(yōu)化亮度，亮度是每個單位立體角每個單位面積的功率。因此，不能大大地改進(jìn)光纖的輸出亮度。此外，使用這樣一種大的纖芯并不解決將多模泵激光轉(zhuǎn)換成單模輸出的問題。
由于寬域激光器輸出的射束是多模射束，所以可以通過使射束成形以匹配于纖芯的形狀來補(bǔ)償射束和纖芯之間的截面差。然而，任何這樣一種成形過的射束都仍然是多模射束，而試圖將這種成形過的射束耦合到諸如摻鉺光纖放大器一類的單模光纖，將導(dǎo)致差的耦合效率。一般，如果多模射束由十種模式組成，那么耦合到單模纖芯的功率將小于1/10。
企圖使用多模激光二極管射束來泵激單模纖芯鉺放大器涉及到使用固態(tài)激光器(在同時提交并共同轉(zhuǎn)讓的D14163中加以揭示)、呈錐形的光纖激光器(在同時提交并共同轉(zhuǎn)讓的D14384中加以揭示)、或雙包層光纖激光器制作亮度轉(zhuǎn)換器。雙包層結(jié)構(gòu)包括兩個包層，第一包層接近于圓形單模光纖，第二包層包圍第一包層。可以將第一包層的截面設(shè)計(jì)成所期望的形狀，例如匹配于泵激源發(fā)射的近場，或任何能增加泵激射束吸收效率的其它圖案或形狀。第一和第二包層之間的數(shù)值孔徑必須足夠大，以捕獲泵激激光器的輸出。所實(shí)現(xiàn)亮度的實(shí)際增加依賴于泵激包層面積和纖芯面積的比值，比值越大，亮度就越大。然而，纖芯和包層截面之間面積的不同需要較長的器件長度，因?yàn)楸眉ぽ椛涞奈找才c該比值成比例。
因此，這些雙包層配置便于泵激光纖，后者使用多模第一包層沿著器件的長度接收并傳送泵激能量到纖芯。通常期望較大的數(shù)值孔徑，該數(shù)值孔徑與第一和第二包層之間的折射率之差相關(guān)。通常第一包層由玻璃制成，第二包層由折射率相對較低的塑料制成，如氟化聚合物，也就是折射率低于玻璃，以增加數(shù)值孔徑。對于很多應(yīng)用，這樣一種塑料可能不具有所期望的熱穩(wěn)定性，可能與第一包層剝離，并可能易受濕氣的損壞。此外，階躍折射率的雙包層概念對三級躍遷是無效的，如鐿的980nm躍遷。
再者，本發(fā)明允許制造全石英雙包層光纖。此外，本發(fā)明能夠制造出新的亮度轉(zhuǎn)換光纖結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)。
通過形成光纖可以實(shí)現(xiàn)至少上述之一和其它的優(yōu)點(diǎn)，形成過程包括在外殼中形成非圓形截面的空隙，用光學(xué)材料填充空隙，并且在所述填充步驟之后皺縮并拉伸外殼，以形成所期望尺寸的光纖。
通過提供光纖可以實(shí)現(xiàn)至少上述之一和其它的優(yōu)點(diǎn)，該光纖包括外殼，外殼中有基本上為非圓形截面的空隙，以及基本上填充此空隙的纖芯。
通過光纖可以實(shí)現(xiàn)至少上述之一和其它的優(yōu)點(diǎn)，該光纖包括包層和具有有源區(qū)的纖芯，有源區(qū)的折射率與直接接近有源區(qū)的材料相同。
通過提供激光系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)至少上述之一和其它的優(yōu)點(diǎn)，該激光系統(tǒng)包括輸出多模光的多模光源；從多模光源接收多模光并輸出單模光的亮度轉(zhuǎn)換光纖，亮度轉(zhuǎn)換光纖包括包層和具有有源區(qū)的纖芯，有源區(qū)的折射率與直接接近有源區(qū)的材料相同；以及接收亮度轉(zhuǎn)換光纖輸出的單模光并輸出激光射束的單模激光光纖。
從以下的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的這些和其它目的將更加明顯。然而，應(yīng)該理解表示本發(fā)明較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述和特殊實(shí)例只是用于說明，因?yàn)閺倪@種詳細(xì)描述中，本發(fā)明精神和范圍以內(nèi)的各種變化和改變對本領(lǐng)域熟練的那些技術(shù)人員將是顯而易見的。


將參考附圖描述以上和其它的目的、方面、和優(yōu)點(diǎn)，附圖中圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的光纖形成方法的流程圖；圖2A顯示根據(jù)本發(fā)明其中可插入多個光纖的外殼；圖2B顯示根據(jù)本發(fā)明包含多個光纖的圖2A中的外殼；圖3顯示本發(fā)明光纖截面的實(shí)例；圖4A-4B顯示在皺縮之前本發(fā)明光纖截面的另一實(shí)例；圖5顯示用于制作本發(fā)明光纖的光纖桿的另一截面；和圖6是使用本發(fā)明光纖，向單模光纖有效提供多模泵激光的系統(tǒng)的示意圖。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述以下將參考附圖通過較佳實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明不限于以下實(shí)施例，而是可以用各種形式加以實(shí)現(xiàn)。較佳實(shí)施例只是使本發(fā)明揭示的內(nèi)容完整，使本領(lǐng)域中具有一般技能的技術(shù)人員能知道本發(fā)明的范圍。為清楚起見，在附圖中加大了各個區(qū)域的厚度。在整個附圖中，相同的標(biāo)號表示相同的元件。
圖1顯示了本發(fā)明的一般方法。首先，在用作包層區(qū)域的外殼中形成截面。通常根據(jù)待輸入光纖的激光束的形狀，尤其是數(shù)值孔徑，確定該截面。然而，還可以考慮其它因素，例如，光與光纖中心的耦合。
一旦制作了在外殼中形成空隙的截面，就將作為纖芯的光學(xué)材料放入該空隙。光學(xué)材料最好是多個光學(xué)桿。當(dāng)使用光學(xué)桿時，仍然根據(jù)輸入光束確定長寬比，可容易獲得的桿的尺寸可以表示實(shí)際厚度，然后根據(jù)該厚度確定長度，以獲得期望的長寬比?；蛘?，還可以使用微粉體形式或磨成粉的光學(xué)材料填充空隙。
一旦將光學(xué)材料放入空隙中，就皺縮整個結(jié)構(gòu)以固化該結(jié)構(gòu)，使光學(xué)材料基本上填充此空隙。在充分高的溫度下執(zhí)行該皺縮過程，以確保充分的熔融，并形成固態(tài)結(jié)構(gòu)。較佳的是在皺縮之前，用溶液清潔該結(jié)構(gòu)，然后干燥以去除過量的溶液。然后將固態(tài)結(jié)構(gòu)拉伸成所期望的尺寸。雖然長寬比保持相同，但通過拉伸可以減小總的尺寸。
圖2A中顯示了形成帶有空隙的外殼的特殊方式的實(shí)例?？梢詫⑼鈿?0，如石英管，截取期望的長度，然后縱向地對半切開，以形成底部22和上部24。然后用機(jī)器加工底部22，以便根據(jù)期望的長寬比形成作為空隙的凹槽26。在本實(shí)例中，其中桿30可以插入凹槽26中，凹槽26的深度也根據(jù)待插入桿的直徑加以確定。較佳的是，中心桿31的材料與其它桿30不同。
雖然在該實(shí)例中只改變了底部，但是可以改變上下兩部分以提供所期望的截面。此外，雖然在該實(shí)例中粗略地對半地切開成兩部分，但是考慮到凹槽的厚度，外殼的縱向切割可以以任何期望的比例，以實(shí)現(xiàn)所期望的截面。最后，如果使用某些技術(shù)或某些外殼形成截面，這樣一種縱向切割可能根本就不需要。
然后，連接底部22和上部24，以適當(dāng)?shù)厝菁{桿30。如圖2B所示，這可以通過將底部22、桿30和上部24放入環(huán)形外殼28中而加以實(shí)現(xiàn)。使用任何合適的接合技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)這樣一種連接，且該連接可以并非總是必要的。
于是，皺縮所得的結(jié)構(gòu)29，以形成固態(tài)結(jié)構(gòu)，然后將該結(jié)構(gòu)拉伸成所期望的尺寸。圖3中顯示了在結(jié)構(gòu)29皺縮和拉伸步驟之后形成的截面實(shí)例的輪廓。從中可以看出，纖芯截面32具有與凹槽26中所排列諸桿30相同的長寬比，但是各個桿之間的界限模糊了。
實(shí)際上，用以下方式獲得纖芯截面32。使用光波導(dǎo)火焰水解過程形成諸桿。每個桿都具有GeO2，TiO2，SiO2的合成物，在桿中該合成物幾乎均勻。于是將這些桿拉伸成直徑為2mm的桿。然后可將桿切割成所期望的長度。縱向切開具有所期望長度的石英外殼，其中較大一片的高度要略大于2mm，也就是桿的直徑。在較大的一片上用機(jī)器加工出21mm×2mm的凹槽。然后將十根期望長度的桿插入凹槽。于是將較小的一片放在諸桿的頂部。然后，將這整個結(jié)構(gòu)插入內(nèi)徑為26mm、外徑為27mm的管中。用氯氣清潔該管結(jié)構(gòu)，并在1500℃下干燥，以去除過量的氯氣。在2000℃下皺縮清潔后的管結(jié)構(gòu)，然后拉伸，以形成125微米的光纖。拉伸后的結(jié)構(gòu)中具有圖3中所示的纖芯。
圖4A和4B顯示了皺縮和拉伸步驟之前，可以根據(jù)本發(fā)明加以形成的另外的樣本纖芯截面。在圖4A中，在鄰近中心桿處放置附加的桿，以形成交叉纖芯截面34。交叉纖芯截面34中的附加桿增加了光耦合到光纖中心的效率。在圖4B中，排列諸桿以形成橢圓形的纖芯截面36，它可以更為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。對于其中使用寬帶、多模源的亮度轉(zhuǎn)換之特殊應(yīng)用，長寬比最好等于或大于3∶1。本發(fā)明方法的設(shè)計(jì)靈活性有利于形成具有基本上非圓形截面的纖芯，不管這些截面是具有對稱形式，即使長寬比為1∶1，如正方形，還是長寬比大于1∶1。
在任何配置中，諸桿都不必由相同的材料制成，而可以是不同的，以增強(qiáng)耦合和/或傳播效率。此外，可以改變最終的光纖，使它具有圖5中所示的截面，其中它的端面38被斜削或劈成斜面。這樣一種斜面使得端面起透鏡的作用。斜端面38減小了所發(fā)射射束的發(fā)散角。在光纖的端面上可以形成任何其它所期望的特征。
雖然本發(fā)明方法提供的設(shè)計(jì)靈活性在很多應(yīng)用中明顯很有效，包括無源或有源纖芯，但是以下將描述特定重要性的特殊應(yīng)用。
如
背景技術(shù)：
中所提到的，將足夠的多模泵激光耦合到單個橫模光纖激光器或放大器的需要大大地推動了本發(fā)明方法的設(shè)計(jì)靈活性，而該激光器或放大器又被用于泵激單模光纖，例如摻有稀土的光纖，諸如摻鉺的光纖放大器。根據(jù)本發(fā)明，可以通過用增加折射率的摻雜劑，如鍺，摻雜桿，而獲得光纖激光器。因此，由于纖芯和鄰近包層材料之間的折射率差，通過光纖傳輸?shù)墓獗幌拗圃诶w芯中。
通常位于纖芯結(jié)構(gòu)中心的用于制作有源區(qū)的桿，用有源摻雜劑進(jìn)一步加以摻雜，有源摻雜劑一般為稀土摻雜劑，如鐿。要注意到該有源摻雜劑無需升高形成有源區(qū)的桿的折射率。根據(jù)本發(fā)明，增益導(dǎo)向?qū)⒐膺M(jìn)一步限制在有源區(qū)包圍的光纖激光器纖芯之中。光被限制在其中，無需有源區(qū)和鄰近區(qū)域之間的折射率之差。此外，這樣一種結(jié)構(gòu)只允許擇優(yōu)激活基本的激光器模式。通過適當(dāng)?shù)叵薅ㄓ性磪^(qū)到纖芯中心，基本模式具有足夠的增益進(jìn)行振蕩。剩余的模式具有較低的增益并且不振蕩。因此，即使是具有多模纖芯的光纖激光器也發(fā)射單模射束。如果激光腔中包括單模反饋還可以增強(qiáng)該效果。
具有這種有源區(qū)的光纖本身可用作激光器或放大器，或可用于泵激其它單模光纖激光器。因此，該光纖可用作為轉(zhuǎn)換器，用于將多模泵激光轉(zhuǎn)換成放大的單模泵激光。圖6顯示了這樣一種系統(tǒng)的一個實(shí)例。通過光學(xué)系統(tǒng)42，將寬域激光器40提供給根據(jù)本發(fā)明用作亮度轉(zhuǎn)換器44的光纖。亮度轉(zhuǎn)換器44將寬域激光器40發(fā)出的多模光轉(zhuǎn)換成單模光。單模光可用于泵激單模放大器46，如摻鉺的放大器。
本發(fā)明的光纖有源區(qū)可摻以鍺或鋁，以進(jìn)一步增加折射率，從而使單模有源區(qū)中光的限定是由于增益導(dǎo)向和折射率之差兩者所致。截面4A中位于有源區(qū)上和有源區(qū)下的桿，具有與有源區(qū)的兩側(cè)相同的桿的折射率，截面4A也可用于提供有源區(qū)中傳播模式的對稱性。
桿還可用于提供任何所期望分布的漸變折射率纖芯。例如，纖芯區(qū)域外緣上的桿的折射率高于包層區(qū)域的，而更接近有源區(qū)的下一組桿則具有更高的折射率，等等，直到鄰近有源區(qū)的桿具有有源區(qū)以外纖芯中的最高的桿折射率。纖芯區(qū)域可以具有與該最高折射率相同的折射率，或更高的折射率。此外，使用將被皺縮的摻雜桿能夠?qū)崿F(xiàn)較高的折射率，它導(dǎo)致較高的數(shù)值孔徑。因此，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)允許使用全玻璃的結(jié)構(gòu)以獲得高的數(shù)值孔徑，也就是說，不需要使用低折射率的聚合物以降低包層的折射率。
雖然與多模泵激光耦合的有源中心纖芯區(qū)域的制作特別好地使用了本發(fā)明方法提供的設(shè)計(jì)靈活性，但也可以產(chǎn)生其它設(shè)計(jì)。例如，有源區(qū)可以大到足以支持多模振蕩，如包括幾個桿。然而，如果限定有源區(qū)于軸的附近，那么這種尺寸的有源區(qū)只能支持基本模式。這可以通過使用多個單模反饋機(jī)構(gòu)而加以實(shí)現(xiàn)。例如，通過將該結(jié)構(gòu)做成錐形可以實(shí)現(xiàn)這種單模反饋，如相關(guān)的、共同轉(zhuǎn)讓、共同待批的申請中所揭示的，該申請與本申請同時提交，題為“Tappered Fiber Laser”，記錄號為D14384。此外，本發(fā)明的方法可用于制作任何期望截面的光纖，該光纖是完全無源的，也就是沒有有源區(qū)。
此外，使用將被皺縮的桿形成纖芯區(qū)域允許將多個增加折射率的摻雜劑，如Ge+結(jié)合入纖芯區(qū)域中。高濃度增加折射率的摻雜劑允許玻璃，如石英，被用作為纖芯材料，因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)纖芯和包層之間足夠的折射率差。此外，通過使用增益導(dǎo)向?qū)⒄袷幭薅ㄔ谟性磪^(qū)中，而非增加有源區(qū)的折射率，使得有源區(qū)通過除了纖芯區(qū)域中增加折射率的摻雜劑之外，摻以增益摻雜劑而形成。這樣，整個結(jié)構(gòu)就可以用玻璃形成。
雖然這里參考特定應(yīng)用的說明性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解本發(fā)明不限于此。例如，增加光耦合的任何機(jī)構(gòu)，如雙包層機(jī)構(gòu)，都可以結(jié)合本發(fā)明使用。本領(lǐng)域中那些具有一般技能的技術(shù)人員和看過這里所講授原理的人將理解本發(fā)明范圍中的附加變化、應(yīng)用和實(shí)施例，以及無需過分實(shí)驗(yàn)本發(fā)明就明顯有用的其它領(lǐng)域。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)該由以下權(quán)利要求書及其正當(dāng)?shù)牡刃Х秶_定，而并非由給出的實(shí)例加以確定。
權(quán)利要求
1.一種光纖的形成方法，其特征在于，該方法包括以下步驟在外殼中形成具有非圓形截面的空隙；用光學(xué)材料填充所述空隙；和在所述填充步驟之后，皺縮并拉伸所述外殼以形成所期望尺寸的光纖。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充步驟包括在空隙中提供多個光學(xué)桿。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述填充步驟包括在空隙中提供至少一個不同于多個光學(xué)桿中其它桿的桿。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述填充步驟包括在光纖中心的空隙中提供所述至少一個材料不同于多個光學(xué)桿中其它桿的桿。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一個桿中摻以有源摻雜劑，并具有與所述其它桿相同的折射率。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述填充步驟還包括從所述空隙的外緣向所述至少一個不同材料的桿以折射率增大的順序排列桿。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充步驟包括在空隙中提供磨成粉的光學(xué)材料。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成步驟包括將外殼分成兩部分，并在至少一部分中用機(jī)器加工出一區(qū)域作為空隙。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在填充步驟之后，還包括重新連接外殼的兩部分，以封閉其中的光學(xué)材料。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述重新連接步驟包括將帶有光學(xué)材料的兩部分放入外部的外殼中。
全文摘要
通過以下方法實(shí)現(xiàn)纖芯為非圓形截面的光纖，該方法包括的步驟為，在預(yù)置的外殼中制作具有所期望截面的空隙，并用光學(xué)材料填充該空隙。然后，皺縮該結(jié)構(gòu)，使之固化并拉伸成所期望的尺寸。光學(xué)材料可以是桿、微粉體或磨成粉的材料。纖芯中提供的有源區(qū)并非必須具有與直接鄰近材料不同的折射率。拉伸后光纖的有源區(qū)只支持基本橫模中的振蕩。用所揭示方法拉伸的光纖可用于將多模泵激光轉(zhuǎn)換成單模光，例如，用于泵激單模放大器。
文檔編號C03B37/012GK1399615SQ00811783
公開日2003年2月26日 申請日期2000年7月11日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月20日
發(fā)明者G·E·伯克, C·M·特魯斯代爾, L·A·森特諾 申請人:康寧股份有限公司