用于生成超連續(xù)光譜的錐形光纖的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日2011年8月30日，申請?zhí)?01180052592. 6(國際申請?zhí)朠CT/ DK2011/050328)，發(fā)明名稱"用于生成超連續(xù)光譜的錐形光纖"的中國專利申請的分案申 請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及錐形光纖及使用諸如拉制塔來制造這種光纖的方法。對光纖進(jìn)行錐化 在多個(gè)系統(tǒng)中是有利的，例如，在生成超連續(xù)光譜（SCG)的系統(tǒng)中，根據(jù)本發(fā)明對例如非線 性光纖進(jìn)行錐化相較于現(xiàn)有系統(tǒng)產(chǎn)生了顯著的改進(jìn)。
【背景技術(shù)】
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，在所謂的拉錐站對光纖進(jìn)行錐化，拉錐站為用于對已拉制的光纖進(jìn) 行后處理的機(jī)器。典型地，光纖被剝?nèi)ジ矊?、錐化并被再涂敷。典型地，這種光纖具有約為 0. 5米的最大長度。也可以在制備光纖的同時(shí)制備錐體，即作為拉制塔中的拉制過程的一部 分。由于控制拉制速度的絞盤被固有地構(gòu)造為提供非常均勻的光纖直徑，因而這些錐體較 長、而在短距離上難以控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 如下文將要解釋的，本發(fā)明提供了一種在拉制塔上形成錐體的新方法。借由本發(fā) 明，這種錐體被發(fā)現(xiàn)具有生成超連續(xù)光譜的特殊用途，這是由于發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，錐體的可控 性、以及提供優(yōu)選地結(jié)合有較短的逐漸變粗錐體（通常為〇.3m-lm)的較長錐體（通常為 I-IOm)的可能性對這一應(yīng)用來說特別地有利。
[0005] 本發(fā)明的目的之一在于提供一種用于生成超連續(xù)光譜的錐形光纖，所述錐形光纖 包括能夠沿所述光纖的縱軸傳導(dǎo)光的纖芯區(qū)域、以及圍繞所述纖芯區(qū)域的包層區(qū)域。光纖 包括布置在第一縱向位置和第二縱向位置之間的錐形段，所述錐形段包括具有第一長度L 1 的第一錐體段以及具有第二長度L2的第二錐體段，在第一長度L i上光纖逐漸變細(xì)至錐腰， 在第二長度L2上所述光纖逐漸變粗。所述光纖的特征沿所述第二錐體段的諸如大部分的 至少一部分上的平均梯度大于該特征沿所述第一錐體段的諸如大部分的至少一部分上的 平均梯度。
[0006] 在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的光纖是中間產(chǎn)品。例如，在拉制塔上制備光纖，其 后在拉錐站中對其進(jìn)行后處理。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及使用基于根據(jù)本發(fā)明的光纖 的光纖作為諸如超連續(xù)光譜光源的中間產(chǎn)品的系統(tǒng)。
[0007] 錐形段的第一縱向位置可定義為第一錐體段開始的位置，其中，即所述光纖的特 征開始縮小的位置。所述錐形段的第二縱向位置可定義為第二錐體段結(jié)束的位置，即所述 光纖的特征的值從其在錐腰段的值增大至由一段光纖基本保持的值，例如從第二錐體段至 所述光纖的輸出端的這段光纖。在錐形段外側(cè)，光纖的特征也可發(fā)生改變，例如在前-錐體 或后-錐體段，光纖的特征和尺寸可能大幅變化。在一個(gè)實(shí)施例中，前-錐體或后-錐體因 小于0. 5m而可被區(qū)分，例如小于0. 4m，例如小于0. 3m，例如小于0. 2m。在一個(gè)實(shí)施例中， 前-錐體或后-錐體通過長于例如0. 5m的大體非錐形的光纖與第一或第二錐體段隔開，由 此而可被區(qū)分，其中非錐形光纖例如大于lm，例如大于I. 5m。舉例來說，非錐形光纖具有小 于每米2 %的梯度，諸如小于每米1 %，諸如小于每米0. 5 %。在一個(gè)實(shí)施例中，前-錐體被 認(rèn)為是有效延伸第一錐體段長度的第一錐體段的一部分。在一個(gè)實(shí)施例中，第二錐體段的 末端被定義為光纖的特征比錐腰大幅增大（例如，用于有效耦合）的位置（見下文）。
[0008] 第一縱向位置可被定義為所述特征從其輸入端的值向其在錐腰的值縮減一定比 率時(shí)所在的位置。該比率在約0%至約10%的范圍內(nèi)，例如在約1 %至約9%的范圍內(nèi)，例 如在約2 %至約8 %的范圍內(nèi)，例如在約3 %至約6 %的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，該比率等 于10%。在一個(gè)實(shí)施例中，該比率等于8%。在一個(gè)實(shí)施例中，該比率等于6%。在一個(gè)實(shí) 施例中，該比率等于4%。在一個(gè)實(shí)施例中，該比率等于2%。在一個(gè)實(shí)施例中，該比率等于 1%。在一個(gè)實(shí)施例中，該比率等于0.5%。
[0009] 第二縱向位置可被定義為所述特征從其在錐腰的值向其在光纖輸出端的值增大 一定比率時(shí)所在的位置。在一個(gè)實(shí)施例中，該比率在約90%至約100%的范圍內(nèi)，例如在約 91 %至約99 %的范圍內(nèi)，例如在約92 %至約98 %的范圍內(nèi)，例如在約93 %至約96 %的范圍 內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，該增加比率等于90%。在一個(gè)實(shí)施例中，該比率等于92%。在一個(gè) 實(shí)施例中，該比率等于94%。在一個(gè)實(shí)施例中，該比率等于96 %。在一個(gè)實(shí)施例中，該比率 等于98%。在一個(gè)實(shí)施例中，該比率等于99%。在一個(gè)實(shí)施例中，該比率等于99. 5%。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的光纖可包括多個(gè)錐體，每一錐體具有錐腰，該錐腰為特征的局部最 小值。在本發(fā)明的說明書中，術(shù)語"錐腰"指的是沿著光纖、光纖的特征為其最小值的位置。 當(dāng)該特征例如為光纖的橫截面或直徑，則錐腰可定義為錐體的最細(xì)點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，錐 腰被定義為沿著光纖、光纖的特征為其最小值的位置，諸如錐體的最細(xì)點(diǎn)。
[0011] 術(shù)語"逐漸變粗（tapered up) "和"逐漸變細(xì)（tapered down) "并不旨在將本發(fā) 明的范圍限制為光自第一縱向位置向第二縱向位置傳播的情形。根據(jù)本發(fā)明的錐形光纖、 方法及拉制塔也涉及光自第二縱向位置向第一縱向位置傳播的實(shí)施例，在該情形中，光纖 在第二錐體段中逐漸變細(xì)，在第一錐體段中逐漸變粗。然而，在一個(gè)實(shí)施例中光纖的應(yīng)用被 限制為光自第一段向第二段傳播的應(yīng)用。
[0012] 術(shù)語"起始端"和"末端"僅用于描述錐形光纖的不同部分的縱向延伸，并不必要 地限制光傳播通過光纖的方向。根據(jù)本發(fā)明的錐形光纖、方法和拉制塔也涉及光自末端向 起始端傳播的實(shí)施例。例如對于根據(jù)本發(fā)明的拉制塔，可用來制備光纖，其中在短的逐漸變 細(xì)后進(jìn)行長的逐漸變粗。然而，在一個(gè)實(shí)施例光纖的應(yīng)用被限制為光自起始端向末端傳播 的應(yīng)用。
[0013] 這些注釋對于術(shù)語"輸入端"和"輸出端"也是等同的，同樣還有術(shù)語"輸入段"和 "輸出段"。然而，在一個(gè)實(shí)施例光纖的應(yīng)用被限制為光自第一段向第二段傳播的應(yīng)用。
[0014] 在本發(fā)明的說明書中，術(shù)語"超連續(xù)光譜"指的是寬光譜信號(hào)。所說的超連續(xù)光譜 具有定義光譜下邊界的"藍(lán)邊"和定義光譜上邊界的"紅邊"。在氧化硅光纖中，藍(lán)邊可處 于300nm至600nm范圍內(nèi)的波長上，諸如在350nm至550nm范圍內(nèi)，紅邊可處于1300nm至 2400nm范圍內(nèi)的波長上，諸如在1600nm至2400nm范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，藍(lán)邊處于小于 550nm的波長上，例如小于500nm，例如小于450nm，例如小于430nm，例如小于420nm，例如 小于400nm，例如小于380nm，例如小于360nm，例如小于340nm，例如小于320nm。超連續(xù)光 譜的譜寬可被定義為紅邊-和藍(lán)邊的波長之間的差。譜寬可大于l〇〇nm，例如大于150nm， 例如大于300nm，例如大于500nm，例如大于750nm，例如大于lOOOnm，例如大于1500nm，例 如大于2000nm，例如大于2500nm，例如大于3000nm。在一個(gè)實(shí)施例中，"藍(lán)邊"和"紅邊"被 定義為連續(xù)光下降至光譜密度低于5dBm/nm的波長，例如低于OdBm/nm的光譜密度，例如低 于-5dBm/nm的光譜密度，例如低于-lOdBm/nm的光譜密度，例如低于-15dBm/nm的光譜密 度，例如低于_20dBm/nm的光譜密度。在一些實(shí)施例中，超連續(xù)光譜可包括光譜中的降沉 (dips)，其中超連續(xù)光譜被認(rèn)為跨過該降沉延伸。另一方面，輸出還包括藍(lán)邊以下、一般具 有相對較低功率的譜線。這些譜線并不被認(rèn)為是光譜的一部分。在一個(gè)實(shí)施例中，超連續(xù) 光譜在藍(lán)邊以上IOnm的波長上相較于藍(lán)邊具有更高的光譜密度，例如藍(lán)邊以上50nm，例如 藍(lán)邊以上l〇〇nm，例如藍(lán)邊以上200nm，例如藍(lán)邊以上500nm，例如藍(lán)邊以上lOOOnm。在一個(gè) 實(shí)施例中，這些譜線是多模的。在一個(gè)實(shí)施例中，僅有基本單（橫）模被考慮為超連續(xù)光譜 的一部分。基本單模光是該波長上超過80%的光存在于光纖的最低階模式中的光，例如超 過90%的光存在于最低階模式中，例如超過95%的光處于最低階模式中，例如超過98%的 光處于最低階模式中，例如超過99%的光處于最低階模式中，例如100%的光處于最低階 模式中。
[0015] 在本發(fā)明的說明書中，術(shù)語"梯度"指的是每單位長度上所述光纖給定的特征的值 沿縱軸的變化，例如纖芯區(qū)域的橫截面面積在每米上的變化。梯度由絕對值來表示，即沒有 符號(hào)。對于變化率大體上不變的段，梯度可具有大體恒定的值。錐形段中，變化率可沿錐形 段而變化。這種情況下，梯度仍具有局部值。錐形段的平均梯度可為每單位長度上所測量 的錐形段的平均變化。在第一錐體段的一個(gè)實(shí)施例中，平均梯度被定義為所述特征在第一 縱向位置和錐腰的差除以所述第一錐體段的長度。相似地對于第二錐體段，其平均梯度被 定義為所述特征在錐腰和第二縱向位置的差除以所述第二錐體段的長度。
[0016] 本發(fā)明的目的之一在于提供一種用于SCG的錐形光纖，所述錐形光纖包括能夠沿 所述光纖的縱軸傳導(dǎo)光的纖芯區(qū)域、以及圍繞所述纖芯區(qū)域的包層區(qū)域。在關(guān)于足以生成 SCG的長度的基本帶寬上，適于SCG的光纖提供低損耗。該光纖包括布置在第一縱向位置和 第二縱向位置之間的錐形段，所述錐形段包括具有第一長度L 1的第一錐體段、在該長度上 光纖逐漸變細(xì)至錐腰，以及具有第二長度L2的第二錐體段、在該長度上所述光纖逐漸變粗， 其中L 2= y · L p y小于1。
[0017] 在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的目的之一在于提供一種錐形光纖，其包括能夠沿所述 光纖的縱軸低損耗地傳導(dǎo)基帶上的光的纖芯區(qū)域、以及圍繞所述纖芯區(qū)域的包層區(qū)域。該 光纖包括布置在第一縱向位置和第二縱向位置之間的錐形段，所述錐形段包括具有第一長 度L 1的第一錐體段、在該長度上光纖逐漸變細(xì)至錐腰，以及具有第二長度1^的第二錐體段、 在該長度上所述光纖逐漸變粗，其中所述第一長度和所述第二長度的和LfL 2大于約0. 5m。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的目的之一在于提供一種包含根據(jù)本發(fā)明的錐形光纖和 栗浦源的超連續(xù)光譜光源。所述光纖的所述纖芯區(qū)域在所述光纖的輸入端具有輸入纖芯 面積A in，且在所述光纖的輸出端具有輸出纖芯面積Aciut，所述纖芯區(qū)域至少支持在第一波長 λ i上的光基模。栗浦源被設(shè)置為將栗浦光注入所述光纖的所述輸入端的所述纖芯區(qū)域，所 述栗浦光具有光功率峰值P、中心波長λ 以及譜寬Λ λ。
[0019] 在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的目的之一在于提供一種由至少包含第一材料的光纖預(yù) 制棒制備錐形光纖的方法，所述方法包含將所述光纖預(yù)制棒固定在預(yù)制棒夾具上，且相對 于拉制塔來布置所述預(yù)制棒夾具，其中拉制塔包含絞盤和能夠加熱所述光纖預(yù)制棒的至少 一部分的加熱裝置。該方法進(jìn)一步包含以供料速度向所述加熱裝置供應(yīng)所述光纖預(yù)制棒， 以及在所述加熱裝置中加熱所述光纖預(yù)制棒的至少一部分。通過向加熱的光纖預(yù)制棒的第 一端施加牽引力，以一線速度自該第一端拉制出光纖，所述牽引力由絞盤施加。絞盤提供加 速度和/或減速度，從而所述線速度經(jīng)一較短時(shí)間間隔由第一線速度變至第二線速度，所 述第一線速度與所述第二線速度相差了 10%以上，且所述較短時(shí)間間隔小于約10秒。下文 討論的關(guān)于產(chǎn)品和拉制塔的特征相同地應(yīng)用于該方法。
[0020] 在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的目的之一在于提供用于由至少包含第一材料的光纖預(yù) 制棒制備錐形光纖的拉制塔系統(tǒng)，所述拉制塔包括加熱單元、預(yù)制棒夾具、供料單元以及絞 盤。預(yù)制棒夾具能夠固定光纖預(yù)制棒的第二端，供料單元能夠相對于所述加熱單元以供料 速度移動(dòng)所述預(yù)制棒夾具，其中加熱單元能夠加熱所述光纖預(yù)制棒的至少一部分。絞盤向 所述光纖預(yù)制棒的第一端施加牽引力從而以一線速度自所述光纖預(yù)制棒的所述第一端拉 制出光纖，其中所述絞盤能夠提供加速度和/或減速度，從而所述線速度經(jīng)一較短時(shí)間間 隔由第一線速度變至第二線速度，所述第一線速度與所述第二線速度相差了 10%以上，且 所述較短時(shí)間間隔小于約10秒。
[0021] 在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的目的之一在于提供用于由包含至少第一材料和至少第 一組氣孔的光纖預(yù)制棒來制備錐形光纖的拉制塔系統(tǒng)，所述拉制塔包括加熱單元、預(yù)制棒 夾具、供料單元、絞盤以及用于對所述第一組氣孔加壓的壓強(qiáng)控制系統(tǒng)。預(yù)制棒夾具能夠固 定光纖預(yù)制棒的第二端，供料單元能夠相對于所述加熱單元以供料速度移動(dòng)所述預(yù)制棒夾 具，其中加熱單元能夠加熱所述光纖預(yù)制棒的至少一部分。絞盤向所述光纖預(yù)制棒的第一 端施加牽引力從而以一線速度自所述光纖預(yù)制棒的所述第一端拉制出光纖。壓強(qiáng)控制系統(tǒng) 包括第一腔室和通過流動(dòng)通道連接所述第一腔室和第一組氣孔的流動(dòng)系統(tǒng)，所述壓強(qiáng)控制 系統(tǒng)包括用于對所述第一腔室增壓的栗，所述流動(dòng)系統(tǒng)包括在第一時(shí)間段At 1內(nèi)打開的開 /關(guān)閥，當(dāng)所述閥打開時(shí)所述腔室與所述第一組氣孔流體接觸，其中Λ h小于約10秒。第 一腔室作為緩沖存儲(chǔ)器，有利于在開/關(guān)閥打開時(shí)在流動(dòng)系統(tǒng)中進(jìn)行快速的壓強(qiáng)調(diào)節(jié)。
[0022] 在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的目的之一在于提供用于由包含至少第一材料和至少第 一組氣孔的光纖預(yù)制棒來制備錐形光纖的拉制塔系統(tǒng)，所述拉制塔包括加熱單元、預(yù)制棒 夾具、供料單元、絞盤以及用于對所述第一組氣孔加壓的壓強(qiáng)控制系統(tǒng)。預(yù)制棒夾具能夠固 定光纖預(yù)制棒的第二端，供料單元能夠相對于所述加熱單元以一供料速度移動(dòng)所述預(yù)制棒 夾具，其中加熱單元能夠加熱所述光纖預(yù)制棒的至少一部分。絞盤向所述光纖預(yù)制棒的第 一端施加牽引力從而以一線速度自所述光纖預(yù)制棒的所述第一端拉制出光纖。壓強(qiáng)控制系 統(tǒng)能夠在第一時(shí)間段Λ 內(nèi)以第一系數(shù)改變被布置為與所述第一組氣孔流體接觸的體積 中的壓強(qiáng)，其中At1小于約10秒。
[0023] 在一個(gè)實(shí)施例中，錐形特征選自下述特征的組：纖芯區(qū)域的最大橫截面尺寸、纖芯 區(qū)域的橫截面面積、包層區(qū)域的最大橫截面尺寸（例如包層區(qū)域直徑）、包層區(qū)域的橫截面 面積、光纖的最大橫截面外部尺寸、光纖的橫截面面積、微結(jié)構(gòu)光纖中單元的最大橫截面尺 寸以及微結(jié)構(gòu)光纖中單元的格子間距。
[0024] 在逐漸變粗段和逐漸變細(xì)段中可同時(shí)改變光纖的數(shù)個(gè)特征。例如，在光纖逐漸變 細(xì)時(shí)，纖芯區(qū)域的直徑和光纖直徑同時(shí)減小。一些情況下，一些特征獨(dú)立于其他特征而發(fā)生 變化，例如在逐漸變細(xì)段光纖直徑可大致相同，而纖芯直徑減小。例如通過在制造錐形光纖 的過程中對光纖預(yù)制棒中的氣孔加壓來實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)。
[0025] 在本申請中，諸如纖芯區(qū)域的光纖區(qū)域的"最大橫截面尺寸"這一術(shù)語指的是該區(qū) 域的圓形橫截面的直徑、或外切于該區(qū)域的非圓形橫截面的圓的直徑。因而，圓形形狀的纖 芯區(qū)域的最大橫截面尺寸可能為纖芯直徑，圓形形狀的包層區(qū)域的最大橫截面尺寸可能為 包層直徑。在具有諸如橢圓形狀的纖芯區(qū)域的光纖中，纖芯區(qū)域的最大橫截面尺寸可以是 纖芯區(qū)域沿描述該纖芯區(qū)域的橢圓的長軸上的橫截面長度。
[0026] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述特征在所述第二錐體段的主要部分（即，至少為長度的 50% )上的平均梯度大于所述特征在所述第一錐體段的主要部分（即，至少為長度的 50%)上的平均梯度。所述第一錐體段中逐漸變細(xì)的所述特征可具有第一平均梯度G 1，而 所述第二錐體段中逐漸變粗的所述特征可具有第二平均梯度G2，其中G1= X *G 2, X小于1， 例如小于約0. 90,例如小于約0. 8,例如小于約0. 7,例如小于約0. 6,例如小于約0. 5,例如 小于約0. 4,例如小于約0. 3,例如小于約0. 25,例如小于約0. 2,例如小于約0. 15,例如小于 約0. 1，例如小于約0. 05,例如小于約0. 02,例如小于約0. 01，例如小于約0. 005,例如小于 約0. 002,例如小于約0. 001，例如小于約0. 0005。
[0027] 在一個(gè)實(shí)施例中，特征的GjP /或G2可小于約每米150%，例如小于每米100%，例 如小于每米100%，例如小于每米75%，例如小于每米50%，例如小于每米25%，例如小于 每米10 %，例如小于每米5 %，例如小于每米2 %，例如小于每米1 %，例如小于每米0. 1 %。 在一個(gè)實(shí)施例中，匕和/或G 2可大于每米0. 1 %，例如大于每米1 %，例如大于每米2%，例 如大于每米5%，例如大于每米10%，例如大于每米25 %，例如大于每米50 %，例如大于每 米75%，例如大于每米100%，例如大于每米150%。
[0028] 在一個(gè)實(shí)施例中，以長度來測量特征，例如纖芯的最大橫截面尺寸或微結(jié)構(gòu)光纖 中單元的格子間距，GjP /或G 2可小于約300 μ m/m，例如小于約200 μ m/m，例如小于約 150 μ m/m，例如小于約100 μ m/m，例如小于約50 μ m/m，例如小于約20 μ m/m，例如小于約 15 μ m/m，例如小于約12 μ m/m，例如小于約10 μ m/m，例如小于約8 μ m/m，例如小于約6 μ m/ m，例如小于約4 μ m/m，例如小于約2 μ m/m，例如小于約1 μ m/m，例如小于約0. 5 μ m/m，例如 小于約0. 2 μ m/m，例如小于約0. 1 μ m/m，例如小于約0. 05 μ m/m，例如小于約0. 01 μ m/m，例 如小于約0. 001 μ m/m。
[0029] 同時(shí)，第一平均梯度GjP /或G 2可大于約0· 001 μ m/m，例如大于約0· 01 μ m/m， 例如大于約〇. 1 μ m/m，例如大于約0. 2 μ m/m，例如大于約0. 5 μ m/m，例如大于約1 μ m/m， 例如大于約I. 5 μ m/