專(zhuān)利名稱(chēng)：包括泵浦光導(dǎo)向光纖的光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實(shí)現(xiàn)諸如高功率光纖激光器與放大器之類(lèi)的光纖激光 器與放大器的側(cè)面泵浦的方法及材料。
背景技術(shù)：
高功率光纖激光器由于其高效性、簡(jiǎn)易性及可靠性而已經(jīng)變得越 來(lái)越受歡迎。另外，鑒于其簡(jiǎn)單的布置結(jié)構(gòu)，因此非常容易耐用。
高功率應(yīng)用通常使用雙包層光纖。這種光纖包括通常摻雜了諸 如稀土離子或其他離子的激光材料的纖芯；包裹著該摻雜纖芯的內(nèi)包 層，泵浦功率通過(guò)該摻雜纖芯進(jìn)行傳輸并逐步在該摻雜纖芯中被吸收； 包裹著內(nèi)包層的外包層，并形成用于泵浦信號(hào)的介質(zhì)波導(dǎo)。內(nèi)包層的 光學(xué)特性與通常用于固態(tài)激光器泵浦的高功率二極管激光器非常匹 配。因此，通過(guò)使用雙包層光纖作為增益材料可以實(shí)現(xiàn)高效泵浦。
用于高功率光纖激光器應(yīng)用的雙包層光纖的問(wèn)題之一是用于注 入光學(xué)泵浦功率的端面泵浦方法。端面泵浦為該激光器系統(tǒng)中的每根 光纖提供至多僅僅2個(gè)輸入端，全部注入功率都通過(guò)其進(jìn)入光纖。這 個(gè)物理限制約束了可被用于注入光功率的泵浦源的數(shù)量和類(lèi)型。另外， 當(dāng)雙包層光纖用作功率放大器時(shí)，端面泵浦禁止將被放大的信號(hào)的簡(jiǎn) 單注入，并使得耦合光學(xué)器件變得笨重和昂貴。
用于商業(yè)光纖激光器與放大器的現(xiàn)代高功率泵浦技術(shù)通常基于由 二極管激光器執(zhí)行的端面泵浦。用于光纖激光器應(yīng)用的一般光纖為可
調(diào)輸出在980納米-1200納米之間(由915納米或980納米二極管泵浦) 的摻雜鐿離子Yl^+的二氧化硅光纖、用于1550納米人眼安全(eye-safe)及通訊應(yīng)用(由980納米或1480納米二極管泵浦)的摻雜鉺離子Er^ 的二氧化硅光纖、也用于1550納米應(yīng)用的Yb3+: Er"二氧化硅光纖， 但是在高功率范圍，廣泛應(yīng)用的摻鉺光纖并不合適。主要用于2微米 遙感及醫(yī)療應(yīng)用的其他光纖激光器為摻雜銩離子TmS+及共同摻雜鈥離 子H^+和銩離子Tm"的二氧化硅光纖。
用于標(biāo)記、鉆孔及其他工業(yè)應(yīng)用的最常用光纖是Yb"光纖，其特 性為高效和耐用。另外，可靠并有效的泵浦二極管可適用于這種鐿離 子Y^+激發(fā)，同時(shí)其較寬的吸收帶(25納米)使得可以使用不需要專(zhuān) 門(mén)冷卻的泵浦二極管。該光纖的高效率及較高的面積/體積比使可以通 過(guò)空氣冷卻，而不用像固態(tài)激光器中麻煩的液體冷卻。
然而，如今使用高功率光纖激光器與放大器的主要限制之一是泵 浦耦合技術(shù)。參考圖1，其示出了高功率光纖放大器中的現(xiàn)有技術(shù)的端 面耦合。高功率二極管10通過(guò)耦合光學(xué)器件12及端面光纖耦合部分 14將光功率泵浦至摻雜稀土的雙包層光纖18(例如，摻鐿YbS+光纖)。 諸如1.064微米的二極管之類(lèi)的種光源(seeder) 16可以注入低功率信 號(hào)至耦合部分14。耦合部分14可為了抗反射泵浦波長(zhǎng)而被包覆起來(lái)， 并且可以對(duì)信號(hào)波長(zhǎng)有高反射率。該雙包層光纖18可以連接至輸出耦 合光學(xué)器件20。
然而，由于需要復(fù)雜的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)及嚴(yán)格的允許誤差，端面泵浦技 術(shù)限制了耦合效率，降低了光纖激光器系統(tǒng)的堅(jiān)固性，并且由于使用 昂貴的光學(xué)器件，增加了系統(tǒng)成本。當(dāng)需要迸行高功率光纖放大時(shí)， 問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。復(fù)雜的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)及嚴(yán)格的允許誤差連同光纖輸入 端的高功率通量，使得此結(jié)構(gòu)復(fù)雜、低效、昂貴并且對(duì)環(huán)境變化非常 敏感。
在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出了對(duì)這些問(wèn)題的解決方案。例如，Samartsev 等人的美國(guó)專(zhuān)利5,999,673描述了在一個(gè)多模光纖尾纖與雙包層光纖之
5間的耦合，即這樣一種光纖，該包層光纖包括直徑在幾微米的內(nèi)纖芯
(單?；蚨嗄?、第一包層(多模)和第二包層。Samartsev等人試圖 沿著非同軸的方向?qū)⒍嗄９庠垂β蕚鬏斨凉饫w。
Samartsev等人的耦合包括雙包層光纖內(nèi)包層與泵浦源之間的錐 形環(huán)狀泵浦導(dǎo)向多模光纖。泵浦導(dǎo)向光纖是錐形的，然后被熔入雙包 層光纖的內(nèi)包層，其中，該熔融區(qū)域剛好充分包含了泵浦導(dǎo)向光纖的 全部錐形區(qū)域而無(wú)其他。然而，泵浦導(dǎo)向光纖的發(fā)散角as以及雙包層 光纖的多模內(nèi)包層的發(fā)散角af必須滿足以下關(guān)系
af = k as
其中k是大于1的常數(shù)。
有趣的是使用k<=l的泵浦導(dǎo)向光纖，因?yàn)檫@些泵浦導(dǎo)向光纖比滿 足1<>1條件的泵浦導(dǎo)向光纖能夠傳輸更多的功率，正如Samartsev等人 的描述。滿足k〈-l的泵浦導(dǎo)向光纖比k>l的泵浦導(dǎo)向光纖有更高的數(shù) 值孔徑，因此，高功率、低亮度的泵浦二極管光可以有效地耦合至這 些光纖，反之，正如Samartsev等人的描述中，在滿足k〉1的泵浦導(dǎo) 向光纖的情況下，耦合效率低。
Sintov在PCT申請(qǐng)案PCT/IL2004/000512中描述了一種使用兩根 光纖的由兩部分組成的附連部分的方法，其中一部分是直的，另一部 分為錐形的。該方法允許使用滿足k>l的泵浦導(dǎo)向光纖，比起Samartsev 等人提出的，這種方法可以進(jìn)而使更多泵浦功率被更高效地耦合。
在上述的兩種附連方法及其他方法中，熔融技術(shù)使泵浦導(dǎo)向光纖 與雙包層光纖內(nèi)包層的附連過(guò)程變得復(fù)雜，使得泵浦導(dǎo)向光纖與雙包 層光纖內(nèi)包層的模圖案(mode pattern)變形，這可能導(dǎo)致較低的耦合 效率。另外，由于需要高的溫度水平，熔融附連技術(shù)使得雙包層光纖 摻雜纖芯變形。較高的變形可能性在光纖激光器與放大器性能中均有 所牽連，比如保持光束質(zhì)量以及維持放大信號(hào)的偏振態(tài)，尤其是涉及保偏纖芯時(shí)。
因此，較有利的是，在上述兩種耦合方法或其他方法中，使用非 熔融技術(shù)以將泵浦導(dǎo)向光纖附連于雙包層光纖。這些非熔融技術(shù)應(yīng)該 保持熔融接合(splicing)的優(yōu)點(diǎn)，例如在惡劣環(huán)境下的高功率傳輸能 力、強(qiáng)度以及耐久性。非熔融技術(shù)的一個(gè)例子就是通過(guò)使用光學(xué)粘合 劑作為泵浦導(dǎo)向光纖與雙包層光纖內(nèi)包層之間的光學(xué)中間材料，其與 組成所述兩部分光纖的玻璃有相似的光學(xué)特性。
然而，通常使用的將泵浦導(dǎo)向光纖附連于雙包層光纖內(nèi)包層的紫 外線固化或基于環(huán)氧樹(shù)脂的光學(xué)粘合劑的機(jī)械性能較差并且損傷閾值 低。因此，通過(guò)上述及其他泵浦耦合技術(shù)可傳輸?shù)淖畲笤试S功率僅僅 在幾瓦的范圍之內(nèi)。高于這個(gè)數(shù)值，光學(xué)粘合劑就會(huì)受到損傷，而且 會(huì)累及泵浦導(dǎo)向光纖與雙包層光纖的內(nèi)包層之間的耦合效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在為實(shí)現(xiàn)高功率光纖激光器與放大器的側(cè)面泵浦而提供 一種簡(jiǎn)單、有效、堅(jiān)固以及低成本的用于泵浦導(dǎo)向光纖及有源雙包層
光纖之間的側(cè)面耦合光學(xué)中間粘合材料。本發(fā)明可以包括泵浦導(dǎo)向光 纖，該泵浦導(dǎo)向光纖光學(xué)地側(cè)面耦合至雙包層光纖的內(nèi)包層，并采用
泄漏導(dǎo)模(leaky guiding mold)，該泄漏導(dǎo)模通過(guò)中間材料從泵浦導(dǎo)向 光纖耦合至接收的有源雙包層光纖。雙包層光纖可用于形成光纖激光 器或光學(xué)放大器。如下文詳細(xì)描述，溶膠-凝膠衍生的材料可以用作所 述兩部分光纖之間的中間粘合劑。
在光纖激光器與放大器的高功率泵浦合成器中的溶膠-凝膠衍生 材料的使用可以降低側(cè)面耦合器的損傷閾值，增大所述兩部分光纖附 連的機(jī)械強(qiáng)度，并易于使高功率泵浦注入有源光纖，而不引起有源光 纖纖芯的任何變形。與諸如紫外固化粘合劑或基于環(huán)氧樹(shù)脂的粘合劑 的其他光學(xué)粘合劑相比，溶膠-凝膠產(chǎn)物更加堅(jiān)固，更便宜，更加有效，以及可以調(diào)節(jié)側(cè)面耦合器到更高的功率。


本發(fā)明參考附圖在此僅通過(guò)舉例進(jìn)行說(shuō)明，其中
圖1是高功率光纖放大器中的現(xiàn)有技術(shù)的端面耦合的簡(jiǎn)化框圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)使用溶膠-凝膠衍生材料作為中間材料的高功
率雙包層光纖激光器或放大器的側(cè)面耦合的簡(jiǎn)化框圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例構(gòu)造并實(shí)施的在圖2的側(cè)面耦合中使
用的錐形光纖的簡(jiǎn)化圖示；
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在圖2中的側(cè)面耦合中使用的六角形
雙包層光纖的簡(jiǎn)化截面圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在雙包層光纖的所供應(yīng)的內(nèi)包層周
圍的纏繞的預(yù)先錐形化的泵浦導(dǎo)向光纖纖芯的圖示，目的是通過(guò)使用
溶膠-凝膠衍生材料作為中間材料而制造側(cè)面耦合器。
具體實(shí)施例
現(xiàn)參考圖2，其示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)發(fā)明(Shitov ， PCT/IL2004/000512)的實(shí)施例構(gòu)造并實(shí)施的諸如高功率雙包層激光器 或放大器之類(lèi)的光纖激光器或光學(xué)放大器的側(cè)面耦合。這里提到的所 有專(zhuān)利和文獻(xiàn)的內(nèi)容均以引用的方式并入本文中。
泵浦導(dǎo)向光纖30可以包含光纖包層31、光纖纖芯32以及附連部 分(attachment section) 33。正如圖3所示，纖芯32通過(guò)沿著所需的 附連部分33剝離掉光纖包層31后被露出。附連部分33可以包含直芯 部分34以及錐形芯部分35。泵浦導(dǎo)向光纖30在其一端可光學(xué)連接于 泵浦源29，例如但不限于，半導(dǎo)體二極管激光器。泵浦導(dǎo)向光纖30在 其另一端通過(guò)附連部分50被附連在可能是雙包層的接收(也可被稱(chēng)為 有源或放大)光纖40的內(nèi)包層42上。附連部分50可由泵浦導(dǎo)向光纖 30的直芯部分34和錐形芯部分35、接收光纖40的內(nèi)包層42以及中 間溶膠-凝膠材料51組成，從而實(shí)現(xiàn)良好的機(jī)械粘合以及泵浦導(dǎo)向光纖
830與接收光纖內(nèi)包層42之間良好的光學(xué)接觸。
正如圖4所示，接收光纖40可包括但不限于保護(hù)外套41、外包層 44、內(nèi)包層42以及摻雜纖芯43，其可以包含摻雜稀土纖芯，例如但不 限于，摻雜鐿離子Yl^+的二氧化硅光纖、摻雜鉺離子Ei^+的二氧化硅 光纖、共同摻雜鐿離子Yl^+和鉺離子Er"的二氧化硅光纖、摻雜銩離 子Ti^+的二氧化硅光纖及共同摻雜鈥離子1103+和銩離子Tm"的二氧 化硅光纖。附加的包層45可以加在摻雜纖芯43及內(nèi)包層42之間，從 而形成了多包層光纖。接收光纖40的內(nèi)包層42可以是非對(duì)稱(chēng)的，其 可以幫助降低或消除螺旋模的演變，因?yàn)檫@些模與摻雜纖芯43不重疊。 內(nèi)包層42可以是圓形或者非圓形對(duì)稱(chēng)的形狀，例如但不限于，矩形、 D形、六角形(此例在圖4中示出)或任何其他形狀。
在本發(fā)明中，泵浦導(dǎo)向光纖30的直芯部分34和錐形芯部分35均 使用粘著的中間溶膠-凝膠衍生材料51來(lái)附連在雙包層光纖40上，該 衍生材料51的折射率應(yīng)當(dāng)與兩部分附連的光纖的折射率接近地相同。
另外，在本發(fā)明中，這里描述并在圖2中所示的裝置可以被折射 率低于1.4的低折射率光學(xué)材料包覆，以便形成粗糙的元件，并在惡劣 的環(huán)境條件下保持穩(wěn)定。包封層材料的低折射率特性被用來(lái)保持如圖2 所示的裝置的導(dǎo)向性能。另外，當(dāng)高功率將從泵浦導(dǎo)向光纖30傳輸至 雙包層光纖的內(nèi)包層42時(shí)，包封覆層形成了向周?chē)h(huán)境的排熱媒介。
在本發(fā)明中，相互作用部分50包括溶膠-凝膠衍生材料51。溶膠-凝膠是一種眾所周知的用于在低溫下(低于玻璃熔點(diǎn))制備具有良好 光學(xué)性能玻璃的技術(shù)。溶膠-凝膠處理涉及金屬醇鹽的水解，之后跟隨 著是一連串縮合及縮聚反應(yīng)。同時(shí)經(jīng)歷水解及縮合的二氧化硅溶膠-凝 膠系統(tǒng)的基本反應(yīng)為
"Si(OR)4+4"H20 <~~>"Si(OH)4+4"ROH [1]
"Si(OH)4,Si02+2wH20 [2]有關(guān)溶膠-凝膠處理的化學(xué)反應(yīng)的更詳細(xì)信息的可參考以下書(shū)籍 及文章
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溶膠-凝膠衍生材料的將來(lái)的分類(lèi)包括結(jié)合了無(wú)機(jī)玻璃以及有機(jī) 聚合物或有機(jī)染料的優(yōu)點(diǎn)的有機(jī)/無(wú)機(jī)混合材料。溶膠-凝膠有機(jī)/無(wú)機(jī)混 合材料的應(yīng)用已經(jīng)在大范圍的研究著作及專(zhuān)利中有所報(bào)道，例如
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例如，用于實(shí)施圖2所示的泵浦合成器或其他側(cè)面耦合方法的一個(gè)實(shí)施例可包括溶膠-凝膠衍生中間材料51,該材料51可以是快速溶膠-凝膠產(chǎn)物。快速溶膠-凝膠是溶膠-凝膠玻璃制備的一個(gè)單個(gè)步驟方法。在這種情況下，可以在比較短的時(shí)間內(nèi)從烷氧基硅烷和烷基烷氧基硅烷單體快速制備無(wú)裂紋、高度透明的玻璃。這些前體單體的變化在實(shí)現(xiàn)的所需的聚合物的特性方面具有靈活性。該方法在Haruvy等人的美國(guó)專(zhuān)利5， 357， 015 ( 1994)及文章A.Gutina， Y.Haruvy， I.Gilath,E.Axelrod， N.Kozlovich, and Y.Feldman, J.Phys.Chem.B ， 103(26),5454-5458(1999)中有詳細(xì)描述。
實(shí)現(xiàn)圖2所示的泵浦合成器或其他側(cè)面耦合方法的另一個(gè)實(shí)施例可以包括溶膠-凝膠衍生中間材料51，該材料51可以是能制成薄膜的溶膠-凝膠衍生材料的其他組合。這些材料表現(xiàn)出使用在光纖和波導(dǎo)光學(xué)器件中的前景。制成溶膠-凝膠衍生中間材料51的其他溶膠-凝膠方法的例子在下列文章中有所陳述
*Y.Sorek, R.Reisfeld， I.Finkelstein and S.Ruschin， Appl.Phys丄ett.,66,10 ( 1995).
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以關(guān)于使用快速溶膠-凝膠衍生材料作為中間材料的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的測(cè)試為例，在預(yù)先錐形化的圓形泵浦導(dǎo)向硬包層光纖30(200微米，數(shù)值孔徑NA-0.4倍纖芯)與雙包層光纖(400微米，數(shù)值孔徑NA-0.36倍六邊形內(nèi)包層)之間的耦合效率達(dá)到93%。附連部分33的整體長(zhǎng)度為50毫米，其中，直芯部分34長(zhǎng)度為42毫米，錐形部分長(zhǎng)度為8毫米。
圖5所示的是附連的另一種優(yōu)選方法。在這種方法中，可以根據(jù)所需的直芯部分34和錐形部分35的長(zhǎng)度預(yù)先錐形化泵浦導(dǎo)向光纖30，然后將預(yù)先錐形化的泵浦導(dǎo)向光纖30的附連部分33纏繞在接收光纖40的內(nèi)包層42周?chē)Ｔ诶p繞之前，兩部分光纖可以均浸沒(méi)于溶膠-凝膠衍生材料36中。通過(guò)纏繞光纖，在遍及附連部分33的兩部分光纖之間形成光學(xué)接觸點(diǎn)。通過(guò)在纏繞的光纖30及接收光纖40周?chē)a(chǎn)生足夠的熱量，從而固化溶膠-凝膠衍生材料，并且在附連和固化期間同時(shí)輕微地拉兩根光纖以在兩者之間建立更好的接觸，在固化的幾小時(shí)后高功率泵浦耦合器就可以使用。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)意識(shí)到，本發(fā)明并不僅限于以上所特別說(shuō)明和描述的內(nèi)容。本發(fā)明的范圍包括以上所描述的特征的組合和子組合以及其修改和變化，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀前面的描述后將會(huì)想到這些修改和變化，而且這些修改和變化并未在現(xiàn)有技術(shù)中。
1權(quán)利要求
1. 一種光學(xué)裝置，包括泵浦導(dǎo)向光纖(30)，該泵浦導(dǎo)向光纖包括光纖包層(31)、纖芯(32)以及附連部分(33)，所述附連部分(33)包括直芯部分(34)和錐形芯部分(35)，所述泵浦導(dǎo)向光纖(30)在其一端被光學(xué)連接于泵浦源(29)，并且所述泵浦導(dǎo)向光纖(30)在其另一端通過(guò)一附連部分(50)被附連在接收光纖(40)的內(nèi)包層(42)上，所述附連部分(50)包括所述泵浦導(dǎo)向光纖(30)的所述直芯部分(34)和所述錐形芯部分(35)，其特征在于所述泵浦導(dǎo)向光纖(30)的所述直芯部分(34)和所述錐形芯部分(35)均通過(guò)中間溶膠-凝膠材料(51)附連在所述接收光纖(40)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中所述中間溶膠-凝膠材料 (51)在所述泵浦導(dǎo)向光纖(30)與所述接收光纖的內(nèi)包層(42)之間 實(shí)現(xiàn)了良好的機(jī)械粘合以及良好的光學(xué)接觸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)裝置，所述中間溶膠-凝膠材料(51) 的折射率與所述泵浦導(dǎo)向光纖(30)及所述接收光纖(40)的折射率接近地相同。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)裝置，所述的光學(xué)裝置被折射率低 于1.4的低折射率光學(xué)材料包覆。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)裝置，其中所述中間溶膠材料(51) 包括快速溶膠-凝膠產(chǎn)物。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中所述中間溶膠-凝膠材料 (51)包括能夠被制成薄膜的溶膠-凝膠衍生的中間材料(51)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)裝置，其中一泄漏導(dǎo)模通過(guò)所述中 間溶膠-凝膠材料(51)將所述泵浦導(dǎo)向光纖(30)耦合至所述接收光纖(40)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)裝置，其中所述附連部分(33)被 纏繞在所述內(nèi)包層(42)周?chē)⑶以诶p繞之前，所述泵浦導(dǎo)向光纖 (30)及所述接收光纖(40)被浸沒(méi)在所述中間溶膠-凝膠材料(36)中。
全文摘要
一種包含泵浦導(dǎo)向光纖(30)的光學(xué)裝置，該導(dǎo)向光纖包括光纖包層(31)、纖芯(32)、以及包括直芯部分(34)和錐形芯部分(35)的附連部分(33)；所述泵浦導(dǎo)向光纖(30)在其一端被光學(xué)連接于泵浦源(29)，并且所述泵浦導(dǎo)向光纖(30)在其另一端通過(guò)一附連部分(50)附連在接收光纖(40)的內(nèi)包層(42)上；所述附連部分(50)包括所述泵浦導(dǎo)向光纖(30)的直芯部分(34)和錐形芯部分(35)，其特征在于所述泵浦導(dǎo)向光纖(30)的直芯部分(34)和錐形芯部分(35)均通過(guò)中間溶膠-凝膠材料(51)附連在所述接收光纖(40)上。
文檔編號(hào)H01S3/067GK101485054SQ200780025412
公開(kāi)日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2007年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月5日
發(fā)明者亞伯拉罕·恩格蘭德, 奧里·卡茨, 格利特·斯特魯姆, 約阿夫·欽托夫, 雅各布·格利克, 雷茲·格維什 申請(qǐng)人:索雷克核研究中心