專利名稱：包層泵浦光纖增益器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有改進后的高增益性能的光纖增益器件。更具體地說，本發(fā)明涉及包層泵浦激光器和放大器。
背景技術(shù)：
利用攙雜了稀土的增益段(gain section)的光纖激光器和放大器被廣泛用在光波通信系統(tǒng)中。一種實施這些器件的優(yōu)選方法是將泵浦能引入到包層中。泵浦能可以在與信號相同的方向上或者相反的方向上傳播。在一個尤其有效的實施方式中，多路泵浦光纖束捆圍繞在承載信號?；蛘呋l激光模(fundamental laser mode)的光纖周圍，并且被連接到所述信號光纖的包層上。這里所稱的“主光纖”含義是在光纖放大器中和/或在激光纖維中的激光模中承載信號的光纖。多模泵浦光被引入到所述多路泵浦光纖中并耦合到主光纖的包層上。另外，泵浦纖維和信號纖維可以沿著其長度被包含在一個共同的包層內(nèi)，能容許“側(cè)泵浦”。其它復用方法可以被使用，但是，在每種復用法中，“主光纖”承載著信號?；蚣す饽?。一增益段被設置以容許泵浦能被耦合到主光纖的包層中，從而放大或提供能量給位于主光纖芯中的傳播模。對于激光器和放大器有用的包層泵浦光纖結(jié)構(gòu)在US5418880，5937134，以及5966491中有更加詳細的描述，這些文獻在此引入作為參考。
用于將多根泵浦纖維束捆和連接到一根主光纖上的工藝在美國專利US5864644中公開和要求保護，該文獻也在此引入作為參考。該工藝包括將多根泵浦纖維圍繞著主光纖設置并將它們?nèi)酆显谝黄稹Ｔ谝环N優(yōu)選的情形中，熔合后的光纖束被牽伸使得熔合后的光纖束的直徑大體等于主光纖的直徑。然而，這種方法也帶來了沒想到的結(jié)果，即，主光纖的芯大大地減小了。因此，正如上文所述，泵浦組合器段通常聯(lián)接到一具有更大芯直徑的增益段。在增益段中的更大芯直徑對于增強芯與包層的面積比很有用，對于最大化給定長度的增益段上光能傳輸很有用。
便利地是，對于在增益段中設置更大的芯直徑有其它的好處。在非常高功率的器件中，增益段，有時也被稱作激活區(qū)，具有一高的光能密度。如果該能量密度太高，將會對所述結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損害，或者產(chǎn)生非線性損害。在現(xiàn)有技術(shù)增益器件中的增益段用非常大的芯支撐，使得高的總能級可以被使用同時保持在容許能量密度范圍內(nèi)。然而，將在增益段中使用大的芯和在泵浦組合器段中使用減小的芯，會導致在被放大的信號(或基頻激光模)被從泵浦組合器段傳遞到增益段時產(chǎn)生突變臺階。在該臺階傳遞光束可能會產(chǎn)生很大的損失。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，通過在光纖增益器件的輸入段和增益段之間插入一絕熱變換器，從而減小了由于在所述輸入段如泵浦組合器段與增益段之間由于階躍過渡而產(chǎn)生的損耗。在優(yōu)選的情形中，所述絕熱變換器包括一梯度折射率光纖透鏡。該透鏡充當一絕熱光束擴展器來可控地增加在光束傳播進入到所述增益段中時的模場。泵浦能可以在與信號相同或相反的方向上傳播，本發(fā)明在兩種情形中都適用。當模變換器在相反的方向上工作時，就象反向泵浦的情形，其作為一絕熱光束集中器工作。


通過參照附圖，本發(fā)明將獲得更好的理解，其中圖1示意地示出了一個多纖維泵浦組合器段；圖2示意地示出了一典型的信號輸入光纖、一典型泵浦組合器段的輸出、以及一典型增益段的輸入的相關(guān)芯直徑，該示意圖示出了在芯直徑和模場中的不一致；圖3為一泵浦組合器段的視圖，該泵浦組合器通過一根據(jù)本發(fā)明的梯度折射率透鏡元件(GRIN lens element)而耦合到一增益段上；圖4示意地示出了在圖3中示出的三個元件中的模場圖；
圖5示意地示出了在一典型四分之一pitch長度的平方律介質(zhì)的模場；圖6和7為泵浦組合器的另外兩個備選類型。
具體實施例方式
參照附圖1，標號11標識的是一種已有的泵浦組合器段(pumpcombiner section)。這種泵浦組合器在美國專利US5864644中詳細公開，該文獻在這里引入作為參考。多個多模泵浦光纖13，這里為6根，以如圖所示圓型結(jié)構(gòu)形成一束。標號15所標識的是承載著要被放大的信號的光纖，或者在激光裝置情形中帶有主動激光諧振器的光纖。在本發(fā)明說明書的各部分中，激活光波導，不論是對于激光器還是放大器，將都被稱作信號光纖。整個光纖束被熔合在一起并被牽伸，從而形成由標號16標識的組合段。在這個附圖中，由于牽伸所造成的變細大約為1/3，信號纖維的芯變細了大約1/3。
該泵浦組合器段被接合到一由標號17標識的增益段上。
圖2示出當光從光纖15輸入，經(jīng)過由泵浦組合器11產(chǎn)生的變細段16，然后進入增益段17進行傳遞時，在光通路上有嚴重的不連續(xù)性。在圖2中，只有相應元件的芯18、19和20被示出。按照先前給出的例子，在輸入端15的芯直徑18為標準的單模芯直徑，例如大約為99微米。這個芯在泵浦組合器(芯19)減小到3微米。增益段的芯20被作的很大以防止受到過大功率密度的損害，該芯20大約為50微米。很顯然，從泵浦組合器段16的芯19出來并發(fā)射進入到增益段的芯20中的光束經(jīng)歷了一次嚴重的階躍擴展(step expansion)。同樣很顯然，這樣一個大的階躍能使得在光束中光能的很大部分被耦合到高階模中，并最終降級為所需的放大率。
為了減小位于泵浦組合器段和增益段之間不連續(xù)性的嚴重程度，在這些元件之間插入一絕熱變換器。絕熱變換器是一種變換模場直徑而沒有顯著功率損失的元件。實現(xiàn)這種功能的優(yōu)選元件是一梯度折射率透鏡。合適的梯度折射率透鏡元件在美國專利US4701011中有公開，其中梯度折射率透鏡元件被用作位于光纖之間的一簡單低損耗耦合器。該專利文獻這里被引入作為參考當作對梯度折射率透鏡元件的描述。梯度折射率透鏡的一個特征在于其折射率從透鏡的中心徑向地呈拋物線單值梯度。在一個典型實施例中，梯度折射率透鏡具有圓柱形狀，其折射率從圓柱的中心軸線到透鏡的外表面呈拋物線梯度。
圖3示出了上文描述的這種結(jié)構(gòu)。標號21標識泵浦組合器段，標號23標識信號纖維，標號26標識梯度折射率透鏡，以及標號28標識增益段的輸入部分。為了清楚起見，三個元件以分離狀態(tài)示出。當組裝成最后的器件時，這些元件被熔合到一起或接合到一起，采用標準的光纖熔合連接技術(shù)。在所述優(yōu)選的情形中，元件26是一段具有與元件21和28相同包層外部直徑的光纖。
圖4示出在耦合起來的各段21、26和28上傳播的光束的模圖樣。標號31所示的是從泵浦組合器段出來的減小了面積的光束。當耦合到梯度折射率透鏡元件26上時，模場如圖所示可控制地擴展。梯度折射率透鏡的長度的選擇使得透鏡的輸出端，即，界面33，產(chǎn)生在光束斑尺寸和光束相位曲率大體上與增益段28的相應特性匹配。這樣能夠使得光束進入增益段具有一適當擴展和準直的模場34，并且基本上沒有介入損耗。
梯度折射率透鏡可以包括一段具有單值拋物線折射率梯度的光纖。也可以由一段具有該特性的塑料或其它透明體。非常適合于用于本發(fā)明的梯度折射率光纖包括所謂的平方律介質(zhì)(square lawmedium)。在平方律介質(zhì)中折射率的徑向相關(guān)性為n(r)＝n0[1-g2r2]0.5其中，n0為在光軸上的折射率，g為由下述公式給出的聚焦參數(shù)g＝(2Δ)0.5/a其中Δ(＝[n0-n(a)]/n(a))為在中心芯(n0)和包層之間折射率差(表示成分數(shù))，a為芯的半徑。在元件26中的高斯光束特性的其它細節(jié)由Kishimoto et al等在1982年6月版的IEEE Trans.MicrowaveTheory Tech.Vol.MTT-30，No.6，pp.882-893，中給出，該文獻這里引入作為參考。
在一段長度上一平方律介質(zhì)完全擴展或者完全收縮一具有初始平面相前的光束，該段長度被稱為四分之一pitch長度，該長度等于π/2g，其中g(shù)為上文中限定的聚焦參數(shù)。
本發(fā)明的絕熱變換器在圖5中示意地示出，其中，模場的圖樣由標號51標識。在一個典型四分之一pitch長度的梯度折射率透鏡中，長度L1為四分之一pitch長度。長度L2選定在例如52標識的一個位于所傳播的光波前中的位置處，所述光波前對應于耦合到所述增益段28中所需的模場。在一個優(yōu)選的情形中，元件26的長度等于或者近似等于四分之一pitch長度。然而，也有些情形中，所述尺寸小于或大于優(yōu)選長度，在這種情況，長度L2變得比L1更短或更長(如例中示出)。
應當理解，盡管在本發(fā)明中適宜使用一真正的四分之一pitch器件，但是其它的不按照平方律行為的透鏡也是可以使用的。
在接合圖2-5描述的例子中，在所述器件的增益段中的芯直徑示出為在泵浦組合器段輸出部分處芯直徑的大約為17倍。該比率越大，則越需要根據(jù)本發(fā)明的絕熱變換器。本發(fā)明的主要是涉及下述的增益器件，即，該增益器件中代表著增益段中的芯直徑和泵浦組合器段的輸出部分處的芯直徑之間不匹配程度的所述比率至少為2，更加典型地是大于10。在有些情形中，將增益段彎曲以除去不想要的模可能比較有利。
上文描述和圖中示出的泵浦組合器段可以認為是端泵浦結(jié)構(gòu)，其僅僅是幾種泵浦結(jié)構(gòu)中的一種。例如，光泵浦和增益段可以被組合起來，而不是將兩個不同的串連設置的元件。在這種情況下，泵浦沿著增益段分布，類似于一個側(cè)泵浦器件。這種總體結(jié)構(gòu)的器件在美國專利US4553238中有公開。
在圖6和7中示出了一個帶有分布泵浦段的器件。適應性地，標號61標識的是光纖增益段的端部視圖。泵浦源為一多模光纖62，該多模光纖被與增益纖維并排設置。當這些纖維足夠靠近時，從泵浦纖維而來的能量就傳遞給增益纖維。這種現(xiàn)象已經(jīng)是公知的，并且在光耦合器中有時被采用。在圖6中，兩個并排的纖維61和62示出具有共同的覆層63。這種泵浦結(jié)構(gòu)的多種形式是可能的。類似于在圖3中示出的泵浦組合器的輸入端所示情形，可以使用多于一根的泵浦纖維在結(jié)構(gòu)中。泵浦纖維和增益纖維可以進行牽伸而變成一更小的直徑，并且如果需要可以熔合在一起。然而，如果它們被組裝的非?？拷妥銐蛄恕D7示出了圖6中分布泵浦的實施例，示出了輸入和輸出端。在圖6中為增益段的代表性剖面，其由標號63標識。在該器件中的增益量近似正比于增益段的長度，即，纖維所沿著耦合的長度。標號61標識增益纖維，其承載著光信號或者激光模。標號62標識泵浦纖維。模場直徑由圓圈65，66代表。本發(fā)明的絕熱變換器由標號67和68標識。在該器件中，示出了兩個變換器。位于輸入側(cè)的變換器67將模場擴展以匹配在增益段的模場。第二變換器68被用于朝相反方向?qū)⒛鰣D返回到原始形狀，或如果需要不同尺寸的模場區(qū)域(輸入vs輸出)則減小模場圖。如箭頭所示，泵浦光可以在任何一方向上傳播。
這里參照一增益段或增益器件來描述是意圖描述增強位于光纖中傳播的光波的功率的光纖裝置。這些光纖中被攙雜了一種稀土元素，典型地為鉺，或者攙雜了稀土元素Er，Nd，Yb，Sm，La，Ce，Pr，Pm，Gd，Tb，Dy，Ho，Tm，Lu的組合物。其它的攙雜物如Al，P也經(jīng)常存在。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講，可以對本發(fā)明進行各種其它變化。所有在本發(fā)明的具體教導下并依賴于已有技術(shù)已經(jīng)教導的原理和等同物而獲得的派生物都應當考慮被認為是本發(fā)明權(quán)利要求保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光增益器件，包括a.一絕熱變換器段，其耦合到b.一光纖增益段，以及c. 用于對增益段進行光泵浦的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述用于對增益段進行光泵浦的裝置為一端泵浦。
3.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述用于對增益段進行光泵浦的裝置為一側(cè)泵浦。
4.如權(quán)利要求2所述的器件，其特征在于，所述用于對增益段進行光泵浦的裝置為具有一輸入部分和一輸出部分的泵浦組合器段，所述輸入部分包括被一根或多根泵浦纖維包圍起來的一主纖維構(gòu)成一組件。
5.如權(quán)利要求4所述的器件，其特征在于，所述泵浦組合器段具有一錐形部，該錐形部將所述組件變細到近似于所述主纖維的直徑，從而產(chǎn)生一單纖維的輸出。
6.如權(quán)利要求4所述的器件，其特征在于，所述主纖維具有在輸入部分處的模場直徑D1和在輸出部分處的模場直徑D2，D2大大小于D1。
7.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述增益段具有的模場直徑為D3，D3大于2×D2。
8.如權(quán)利要求3所述的器件，其特征在于，所述用于對增益段進行光泵浦的裝置為一分布泵浦段，該分布泵浦段包括一被一根或多根泵浦纖維包圍的增益纖維。
9.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述絕熱變換器包括一梯度折射率光纖段。
10.如權(quán)利要求9所述的器件，其特征在于，所述梯度折射率光纖段包括一具有四分之一pitch長度L1的四分之一pitch平方律介質(zhì)。
11.如權(quán)利要求10所述的器件，其特征在于，所述梯度折射率光纖段的長度為L2，其中L2小于L1。
12.如權(quán)利要求10所述的器件，其特征在于，所述梯度折射率光纖段的長度為L2，其中L2大于L1。
13.一種激光增益器件，包括如權(quán)利要求1所述的器件。
14.一種光纖放大器，包括如權(quán)利要求1所述的器件。
15.一種光纖放大器，包括如權(quán)利要求14的器件，并且還包括用于將光信號引入到主纖維中的裝置。
16.如權(quán)利要求1所述的光增益器件，其中，增益纖維被彎曲以減小不需要的高階模。
全文摘要
本發(fā)明涉及光纖增益器件，諸如，激光器和放大器，其中由于位于輸入段和輸出段之間的大階躍過渡而產(chǎn)生的損耗被減小，這是通過在所述輸入段和增益段之間插入以絕熱變換器來實現(xiàn)。在優(yōu)選的情形中，所述絕熱變換器包括一梯度折射率透鏡。該透鏡充當一絕熱光束擴展器(收縮器)來可控地增加(減小)在光束傳播通過所述階躍過渡時的模場。
文檔編號H01S3/09GK1617003SQ20041004907
公開日2005年5月18日 申請日期2004年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月13日
發(fā)明者戴維·J·迪喬瓦尼, 安德魯·D·亞布隆 申請人:古河電子北美公司