專利名稱：光耦器件及其制造和使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及光從一個或多個輸入波導(dǎo)至與這個或這些輸入波 本發(fā)明涉及一種光學(xué)部件，該光學(xué)部件包括例如光子晶體光纖那樣的用于抽運光(pump light)和信號光(signal light)的傳播的接受光纖、多條抽運 傳輸光纖以及用于將從抽運傳輸光纖而來的抽運光反射進(jìn)入接受光纖的 反射元件。本發(fā)明還涉及一種光學(xué)部件以及包括該光學(xué)部件的器件的制造 方法，以及該光學(xué)部件的使用方法。本發(fā)明還涉及一種棒狀光纖(rod-type optical fibre)。本發(fā)明基于例如光子晶體光纖(PCF )的具有相對高的數(shù)值 孔徑的多包層(例如雙包層)光纖的特性。例如，本發(fā)明可用于例如光纖激光器或放大器等應(yīng)用，其中利用光學(xué) 部件可實現(xiàn)從抽運源至例如雙包層光纖的接受光纖的光的有效耦合。本發(fā) 明尤其涉及一種光纖放大器，其中在雙包層光纖中抽運光和信號光在不同 方向上(相對傳播抽運)傳播。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今，光纖在光學(xué)各個領(lǐng)域得到了廣泛的使用。這些領(lǐng)域包括電信、 醫(yī)療、傳感器、激光、放大器以及其它眾多領(lǐng)域。用于激光器和放大器應(yīng)用中的雙包層光纖大約十年前，出現(xiàn)了稱為雙包層光纖(也稱為雙封套光纖)的新型光 纖家族。由于這種光纖應(yīng)用在高能放大器和激光器中的潛力而受到了廣泛 的關(guān)注。這種光纖包括兩個彼此相互嵌入的波導(dǎo)；內(nèi)導(dǎo)向區(qū)域和外導(dǎo)向區(qū) 域。典型地，內(nèi)導(dǎo)向區(qū)域為用于導(dǎo)向信號光的單模芯，而外導(dǎo)向區(qū)域典型 地為用于導(dǎo)向抽運光的多模芯，也稱為內(nèi)包層(或抽運芯)。在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語"雙包層"或"雙封套"光纖是指包括至 少兩個在光纖的縱向延伸的包層區(qū)域的光纖，至少其中之一可用于傳播諸 如抽運光的光，因此此包層區(qū)域還被稱為"抽運芯"(pumping core)。上述術(shù)語并不在于排除使用包括多于兩個如上所述的包層區(qū)域的光纖。不同 包層區(qū)域是通過例如背景材料的不同光學(xué)特性(例如折射率)來區(qū)分的，微結(jié)構(gòu)元件的包層區(qū)域彼此不同(包層區(qū)域各自的微結(jié)構(gòu)元件在任何特性 上的不同會影響光在特定波長的傳輸，例如微結(jié)構(gòu)元件在大小上的不同 (如果未散布)、微結(jié)構(gòu)元件材料的不同(例如，空洞、固體或液體)、規(guī) 律排列相對于不規(guī)律排列的不同，等)，等。雙包層光纖的典型應(yīng)用是將由半導(dǎo)體激光器(提供抽運光的激光器) 發(fā)出的低質(zhì)量、低亮度光轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量、高亮度光(信號光)。上述轉(zhuǎn)變 對于激光器和放大器配置均可實現(xiàn)。對于激光器配置，通過受激發(fā)射在腔 中(典型地，通過光纖布拉格光柵和/或外反射鏡形成)產(chǎn)生信號光。對于 放大器配置，種子信號耦合至單模芯并且通過受激發(fā)射放大。亮度被定義為單位面積單位立體角的光能，亮度還被稱為發(fā)光度并且國際單位制中以坎德拉每平方米(Candela/m2)或瓦特每球面度每平方米 (W/steradian/m2)等來度量。對于多模光纖，亮度的保持是指在耦合/轉(zhuǎn) 變之前及之后，與波導(dǎo)直徑相乘的數(shù)值孔徑(NA)為常數(shù)。亮度轉(zhuǎn)換可通過在芯中摻雜例如稀土摻雜劑的光學(xué)活性材料并且利 用例如多模光的抽運光來抽運摻雜后的芯來實現(xiàn)。稀土原子會吸收抽運光 并且以較低光子能量重新發(fā)射能量。由于發(fā)射是通過受激發(fā)射產(chǎn)生的，因 此光會被導(dǎo)向到摻雜芯中。典型地，單模操作為優(yōu)選，然而還可采用多模 操作。轉(zhuǎn)變方法可以十分高效(最高大約為80% )并且亮度可被提高到高于 100倍。由于上述光源體積較小并且效率更高，因此經(jīng)常被用作高亮度固 態(tài)激光器的替代物。以多種形式(微結(jié)構(gòu)以及非微結(jié)構(gòu)光纖)提供的雙包層光纖均與本發(fā) 明相關(guān)。上述形式的光纖包括全玻璃光纖(例如，請參見Wang等人在 Electronics Letters,Vo1.40， No.lO， 2004中提到的)、聚合物包層光纖(例如， 請參見Martinez-Rios等人在Optics Letters, Vol.28, No.18, 2003中提到的) 以及光子晶體光纖(請參見WO 03/019257 )。光子晶體光纖近來，光子晶體光纖(PCF)作為一種光纖得到了極大的關(guān)注，其中與現(xiàn)有(固體、非微結(jié)構(gòu)的)光纖相比，可以通過新的或改進(jìn)的方法形成多種特性。在2003年Kluwer Academic Press發(fā)表的"Photonic crystal fibres" 中Bjarklev、 Broeng和Bjarklev大體描述了 PCF。例如，在第四章第115 至130頁中描述了 PCF的制造方法。近年來，PCF已發(fā)展為也呈現(xiàn)雙包層特性。在這里， 一圈緊密間隔的 空氣孔(空氣包層)限定多才莫內(nèi)包層。例如，在美國專利US-5,907,652以 及WO 03/019257中描述了具有空氣包層的光纖及其制造方法，并且上述 專利文獻(xiàn)均作為參考包括在這里。PCF的數(shù)值孔徑(NA)可取從較低的 0.2—直到大于0.8之間的值，不過典型值位于0.6附近。利用體光學(xué)耦合至雙包層光纖在光纖學(xué)中存在的普遍問題是如何有效地將光發(fā)射進(jìn)入光纖。通常光 源與將要耦合進(jìn)入的光纖之間具有不同的發(fā)散角(數(shù)值孔徑(NA))以及 點/芯尺寸。具體問題是如何將光從具有大的光點尺寸以及相對較低的數(shù)值 孔徑的抽運-二極管-激光器發(fā)射進(jìn)入具有小面積以及大數(shù)值孔徑的雙包層 光纖。解決上述問題的傳統(tǒng)方法是采用體光學(xué)。在圖1中示出了上述體光學(xué) 的例子，其中從例如傳遞抽運光的光纖10的單一源而來的抽運光要被耦 合進(jìn)入PCF 11 (PCF僅為雙包層光纖的例子)的單一端。第一 (慢)透鏡 12準(zhǔn)直從抽運光纖而來的光13,而第二 (快)透鏡14將光聚焦進(jìn)入PCF 的內(nèi)包層。上述方法的缺點是僅利用一條抽運光纖。此外典型地，上述方 法僅具有80%至90%的耦合效率以及高反射，容易受到機械漂移以及不 穩(wěn)定性的影響并且還容易受到污染的影響。最后，上述解決方法還使得商 業(yè)化的器件的封裝設(shè)計變得復(fù)雜且價格昂貴。體光學(xué)的解決方案具有許多問題。 一個問題與很難獲得低損耗的耦合 有關(guān)。另一個問題是對于較寬的波長獲得較佳耦合。第三個問題是機械穩(wěn) 定性。利用體光學(xué)的器件制造方法還相對復(fù)雜。此外，多層玻璃表面的反 射可能降低系統(tǒng)的性能。利用錐形光纖束耦合至雙包層光纖為了將光從多個抽運激光器耦合至雙包層光纖，通常采用的方法是利 用所謂的稱之為錐形光纖束(也稱為融合的、錐形光纖束)的耦合器。上 述耦合器經(jīng)過了例如ITF、 SIFAM、 OFS、 JDSU以及Nufern等眾多光學(xué)部件提供商公司的發(fā)展，并且在例如美國專利US-5,864,644或 US-5,935,288中進(jìn)行了描述。在圖2中示出了錐形光纖束的例子。多個光纖20被捆扎在一起并且 被加熱至接近熔化的溫度并且形成錐形體21。利用錐形體，從每個傳遞抽 運光(典型地，抽運光纖支持處于0.15至0.22之間的NA)的光纖而來的 光被合并并且隨著融合區(qū)域的尺寸逐漸減小，NA緩慢地(隔熱地)增大 (典型地，增大至大約0.45或甚至更大)。典型地，錐形區(qū)域直接由空氣 圍繞，導(dǎo)致一個未受保護的石英玻璃界面。典型地，耦合器的融合的錐形 端接合至雙包層光纖。融合的錐形光纖束的問題在于其很難有效耦合抽運光進(jìn)入具有高NA 的雙包層光纖(高于0.3的NA)。因此，本發(fā)明的目的在于提供一種光纖 耦合器，用于耦合兩個或更多個光源進(jìn)入多包層(例如，雙包層)光纖， 此耦合器相對于現(xiàn)有技術(shù)中的光纖耦合器獲得了改進(jìn)。本發(fā)明的另一目的 在于提供一種在低損耗方面獲得改進(jìn)的光纖耦合器。融合的錐形光纖束的另 一 問題還在于由于錐形區(qū)域包括未包覆的波 導(dǎo)區(qū)域，很難對其封裝。典型地，此區(qū)域為脆性的且很難封裝的由空氣圍 繞的固體玻璃(在錐形區(qū)域中的用于抽運光的波導(dǎo)結(jié)構(gòu))。因此，本發(fā)明 的目的在于提供具有較小脆性并且較容易封裝的用于抽運復(fù)用的部件。利用具有信號饋通的錐形光纖束耦合至雙包層光纖 光纖束20還可包括單模光纖(典型地，放置于光纖束20的中心位置)。 上述光纖可用作信號光的饋通。上述部件被稱為全光纖信號抽運復(fù)用器并 且典型地在光纖放大器裝置中使用。單模光纖包括單模芯并且典型地為單 包層光纖。對于這些信號-抽運復(fù)用器，單模光纖也是錐形的。上述信號-抽運復(fù)用器可用于同向傳播抽運光或相對傳播抽運光。融合的錐形光纖束的另 一 問題還在于信號光可被反射回進(jìn)入抽運傳輸光纖，其導(dǎo)致對傳輸抽運光的激光器的破壞。降低反射的信號光量的一 種方法是在配置中采用信號-抽運復(fù)用器，其中抽運光和信號光相對傳播。 然而，即使在上述配置中，對于市場上可以獲得的用于信號平均功率等級 大約為10mW (確切等級依賴于復(fù)用器的質(zhì)量以及信號光的規(guī)范(例如， 連續(xù)波、脈沖、脈沖寬度))的信號-抽運復(fù)用器也存在問題。因此，本發(fā) 明的目的在于提供一種用于信號-抽運復(fù)用的部件，其對進(jìn)入抽運傳輸光纖的信號光具有較低的反射。 發(fā)明內(nèi)容通過在所附的權(quán)利要求以及下面對本發(fā)明的描繪可以實現(xiàn)本發(fā)明的 目的。在本發(fā)明的一個方面中，提供了一種光學(xué)部件，其具有縱向光軸以及與所述縱軸垂直的橫截面，所述光學(xué)部件包括a. 第一光纖，其具有NA1的抽運芯以及第一光纖端部；b. 多個第二光纖，其圍繞所述第一光纖的所述抽運芯，所述第二光纖 的至少其中之一具有NA2的抽運芯，所述每個第二光纖均具有第二光纖 端部；c. 反射器元件，其包括具有預(yù)定外形的端面，用于將從至少一個所述 第二光纖端部來的光反射進(jìn)入所述第一光纖的抽運芯。在實施例中，至少部分(比如全部)第二光纖圍繞所述第一光纖。在實施例中，NA2小于NA1。這樣的優(yōu)點是優(yōu)化能夠被反射進(jìn)入接受 光纖的抽運芯的光量。在實施例中，光學(xué)部件的光軸大體上與第一光纖的光軸一致。在實施 例中，第一光纖的光軸大體上與第二光纖的至少其中之一 (例如大部分， 例如全部)一致。在實施例中，第一光纖的光軸與第二光纖的光軸之間的 角度小于5度，例如小于2度，例如小于l度，例如小于0.5度，例如小 于0.2度，例如小于0.1度。反射器元件的端面的預(yù)定外形提供了從第二光纖的至少其中之一的 抽運芯而來的抽運光反射進(jìn)入第一光纖的抽運芯，從而獲得從第二光纖至 第一光纖之間的抽運光的耦合。反射器元件的端面的預(yù)定外形可最小化從 第一光纖而來的不期望的反射光進(jìn)入第二光纖的(抽運芯)。根據(jù)本發(fā)明 的光學(xué)部件無需抽運光纖的錐形化和接合。在實施例中，反射器元件面向第一光纖端部和第二光纖端部。在實施 例中，反射器元件的端面面向第一光纖端部和第二光纖端部。在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語"抽運芯"可以被理解為適用于傳播抽運 波長、的光的光纖區(qū)域，抽運光適用于抽運在光纖中的光學(xué)活性材料使得 光學(xué)活性材料的電子處于激發(fā)態(tài)，通過激發(fā)光該電子可以從該激發(fā)態(tài)衰減 至較低狀態(tài)。在本申請中，"抽運芯"出現(xiàn)在"第一，，光纖以及"第二"光纖中。在"第一"光纖(也稱為"接受光纖，，)中，典型地，抽運芯為 圍繞光纖的中心區(qū)域的區(qū)域，典型地，為圍繞芯區(qū)域的包層區(qū)域(其中典 型地，芯區(qū)域包括光學(xué)活性材料)。在"第二"光纖(也稱為"抽運光纖") 中，抽運芯為適配于傳播抽運光的光纖區(qū)域，例如多模光纖的芯區(qū)域。在實施例中，反射器元件具有面向第 一光纖的所述第 一端部和所述第 二光纖的所述第二端部的第一端面，并且所述第一和/或所述第二端面具有 預(yù)定外形。在實施例中，反射器元件包括相對的第一和第二端面。在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語"具有相對的第一和第二端面的反射器元 件"可以理解為第一和第二端面彼此相對的放置使得當(dāng)反射器元件放置于 光學(xué)部件中時，其第一端面面向第一和第二光纖端部，從而使其與第一光 纖的光軸相交，光軸還會與反射器元件(如果光軸從第一端面朝向第二端 面延長)的第二端面相交。可以理解的是從第二光纖而來的抽運光可在反射器元件的第一和第 二端面的其中之一反射或是在第一和第二端面上均反射。在實施例中，所述端面反射從所述第二光纖端部而來的預(yù)定部分的 光。在實施例中，所述端面反射從所述第一光纖端部而來的預(yù)定部分的光。在實施例中，所述第二光纖的至少其中之一和所述第一光纖的抽運芯 適配于傳播抽運波長、的抽運光。在實施例中，反射器元件的端面或是至少部分端面適配于反射抽運波 長、的光。在實施例中，所述第一光纖包括與所述抽運芯不同的芯區(qū)域，所述芯 區(qū)域適配于傳播與所述抽運波長、不同的信號波長&的光。部分所l信號波長義,的至少部分光。、在實i例中，所述反射器元件的端面或至少部分端面適配于透射至少部分信號波長;i,的光。在實施例中，所述反射器元件的端面適配于分別反射所述信號波長;i, 以及所述抽運波長;ip的光，其中人和、不相同。在實施例中，反射器元件的端面的不同部分區(qū)域適配于分別反射信號 波長以及所述抽運波長、的光。在實施例中，反射器元件的端面在圍繞所述第一光纖的中心光軸的區(qū) 域內(nèi)的反射率使其可以傳播從所述第一光纖而來的預(yù)定部分的光。在特定實施例中，所述反射器元件的至少部分端面具有用于提高抽運 光反射的涂層。在實施例中，反射器元件的端面或至少部分端面具有用于 最小化抽運波長、的光的反射的抗反射(AR)涂層。在實施例中，第一 端面或至少部分第一端面具有用于最小化抽運波長、的光的反射的抗反射(AR)涂層，并且第二端面或至少部分第二端面具有用于增加抽運波長zlp的光的反射的涂層。在特定實施例中，所述反射器元件的端面區(qū)域的主要部分具有用于提 高抽運光反射的涂層。在特定實施例中，反射器元件的端面在圍繞端面的中心的區(qū)域處沒有 涂層。優(yōu)選地，反射器元件的端面具有對于波長為義p的抽運光的反射率比對于波長為4的信號光的反射率更高的涂層，其中；ip與；t,不同。 在特定實施例中，涂層為介電涂層或金屬涂層。 在特定實施例中，反射器元件的端面適配于將第一光纖的抽運芯的抽運光聚焦在距離第一光纖的第一端部Lf處。在特定實施例中，反射器元件包括具有所述反射端面的平凸元件。換 句話說，反射器元件包括分別面向第 一和第二光纖的第 一和第二端部的第 一平面端面，并且第二相對端面具有(部分)球面外形。因此，反射器元 件的第一和第二端面的預(yù)定外形分別為平面和(部分)球面的。在特定實施例中，面向第一光纖的第一光纖端部和第二光纖的第二光 纖端部的反射器元件的端面為在體材料中形成的曲面。在特定實施例中，反射器元件的端面繞光學(xué)部件的縱向軸為旋轉(zhuǎn)對稱的。在特定實施例中，適配于反射從第二光纖而來的抽運光的反射器元件 的部分端面具有球面形狀。在特定實施例中，反射器元件的端面的預(yù)定外形適配于提供大體上為 球面形狀半徑的0.5倍的焦距。在特定實施例中，反射器元件的端面為非球面的。在特定實施例中，適配于反射從第二光纖而來的抽運光的反射器元件 的部分端面具有非球面形狀。典型地，第 一和/或第二光纖的抽運芯的形狀大體上是圓形的。可選地， 可具有其它任何方便的形狀，例如橢圓形、D形、星形、多邊形等。在實施例中，大部分或是全部的第二光纖均具有NA2<NA1。在實施例中，對于所有的第二光纖，在第二光纖的第二端部的數(shù)值孔 徑均相同?？蛇x地，對于圍繞第一光纖的一些第二光纖，在第二光纖的第 二端部的數(shù)值孔徑可以不同。在特定實施例中，NA1大于0.22，例如大于0.30,例如大于0.45,例 如大于0.55，例如大于0.8。在特定實施例中，第一光纖為包含單一芯的雙包層光纖。在特定實施例中，信號芯包括稀土摻雜劑，用于響應(yīng)第一光纖的抽運 芯中的抽運光放大信號光。在特定實施例中，第一光纖為全玻璃雙包層光纖、聚合物包層雙包層 光纖或PCF雙包層光纖。在特定實施例中，第一光纖為PCF雙包層光纖，其包括用于傳播信號 波長的光的芯區(qū)域、圍繞芯區(qū)域并用于傳播抽運波長的光的內(nèi)包層區(qū)域 (稱為抽運芯)、以及包含至少一圈圍繞內(nèi)包層區(qū)域的相對大孔的空氣包 層。在特定實施例中，空氣包層的孔從第一光纖的第一端部塌陷U的長度。在特定實施例中，在第一光纖的抽運芯中的抽運光的焦距Lf大體上與 空氣包層的孔的塌陷距離Lc相等。在特定實施例中，第一光纖與所述第二光纖在其至少部分長度上融合 在一起。在特定實施例中，第一光纖端和第二光纖端直接與反射器元件的端面 相連(例如，鄰接耦合或粘合或融合)。在實施例中，第二光纖沿著第一光纖的外周放置。在實施例中，在第 二光纖的縱向延伸部分第二光纖的外表面接觸第一光纖的外表面。在實施 例中，一層或多層中間層材料位于第一光纖的外表面與第二光纖的外表面 之間。在實施例中，中間層以圍繞第一光纖的中間導(dǎo)管的形式存在并且因 此位于第一光纖與圍繞第一光纖的多個第二光纖之間。在實施例中，第二光纖的外直徑(或最大的外橫截尺寸)小于第一光 纖的對應(yīng)尺寸。在實施例中，對所有的第二光纖來說，第二光纖的外直徑(或最大的 外橫截尺寸)相同?？蛇x地，對于部分第二光纖，第二光纖的外直徑(或最大的外橫截尺寸)可以不同。在實施例中，第二光纖的數(shù)目為2或3或大于或等于4，例如大于或 等于6，例如大于或等于8,例如在10至24之間的范圍內(nèi)，例如大于或 等于12，例如大于或等于20，例如大于或等于40，例如大于或等于80。在實施例中，圍繞第一光纖的第二光纖數(shù)目大于使所有的第二光纖均 可接觸第一光纖的外周的第二光纖的最大數(shù)目。在實施例中，圍繞第一光 纖以 一層或多層(例如以兩層或三層)的方式放置第二光纖。在實施例中， 第二光纖的外直徑(或最大外橫截尺寸)層與層不相同。在實施例中，第 二光纖在第二端部的數(shù)值孔徑對圍繞第一光纖的第二光纖來說層與層均 不同。在實施例中，以對稱方式圍繞第一光纖放置第二光纖，即要使從垂直 于縱軸的截面上看去，第一和第二光纖的幾何放置具有某種對稱性，例如 圍繞第一光纖的中心軸的旋轉(zhuǎn)對稱性(例如n折，n大于等于2)或是圍 繞穿過第 一 光纖的中心軸的平面的鏡對稱性。在實施例中，以非對稱方式圍繞第一光纖放置第二光纖。 在實施例中，通過固定元件來承載第二光纖。在實施例中，固定元件 承載第一光纖。在特定實施例中，第一光纖端部和第二光纖端部均安裝在安裝導(dǎo)管 中，從而可以固定并保護第一光纖和第二光纖。在特定實施例中，第一光纖端部、第二光纖端部以及反射器元件均安 裝在安裝導(dǎo)管中，從而可以固定并保護第一光纖、第二光纖以及反射器元 件。在特定實施例中，反射器元件另外還包括從下列元件組中選擇的一個 或多個元件，該元件組包括i )光學(xué)元件，其包括至少在光學(xué)元件的部分區(qū)域上大體上對于抽運 波長、光學(xué)透明的材料；ii) 光學(xué)元件，其包括至少在光學(xué)元件的部分區(qū)域上大體上對于信號 波長4光學(xué)透明的材料；iii) 光學(xué)元件，其至少在光學(xué)元件的部分區(qū)域上反射至少部分信號波 長A,的光，例如大體上全部光；iv) 光學(xué)元件，其至少在光學(xué)元件的部分區(qū)域上透射至少部分信號波 長A的光，例如至少60%的光；V)光學(xué)元件，其準(zhǔn)直所述信號波長人的光； Vi)光學(xué)元件，其聚焦所述信號波長A的光。
其中，所述一個或多個光學(xué)元件在組裝狀態(tài)下與所述第一光纖端部和
/或所述第二光纖端部光學(xué)耦合。
這樣的優(yōu)點是反射器元件可配置使得可以"輕易加入或去除" 一個或
多個光學(xué)元件，從而使得光學(xué)部件輕易地適用于多種應(yīng)用或需求。 在本發(fā)明的實施例中，光學(xué)部件可在光纖放大器中使用。 在本發(fā)明的實施例中，光學(xué)部件可在光纖激光器中使用。 在特定實施例中，激光器或放大器包括具有光學(xué)活性材料(例如，一
種或多種稀土元素，例如Yb和/或Er)的》丈大光纖。
在特定實施例中，放大光纖為雙包層光纖，例如標(biāo)準(zhǔn)光纖或光子晶體 光纖。
在特定實施例中，放大光纖光學(xué)連接至光學(xué)部件的第一光纖，例如放 大光纖與光學(xué)部件的第一光纖相同。
在特定實施例中，光纖激光器或放大器均包括根據(jù)本發(fā)明的第一光學(xué) 部件和第二光學(xué)部件。在特定實施例中，兩個光學(xué)部件共用同一放大光纖。
在特定實施例中，第一光學(xué)部件包括具有高反射器的鏡元件并且第二 光纖組裝部件包括具有用于激光的輸出耦合器的鏡元件。
在本發(fā)明的另一方面，提供了一種光學(xué)部件的制造方法，所述方法包 括下列步驟
a. 提供具有NA1的抽運芯的第一光纖以及第一光纖端部；
b. 定位多個圍繞所述第一光纖的所述第一抽運芯的第二光纖，所述 多個第二光纖的至少其中一個具有NA2的抽運芯，并且NA2比NA1小， 所述第二光纖的每一個均具有第二光纖端部；
c. 提供具有預(yù)定外形的端面的反射器元件，定向所述反射器元件使 得從所述第二光纖的至少其中之一而來的抽運光在所述端面上反射進(jìn)入 所述第一光纖的抽運芯。
在實施例中，第二光纖的至少其中一個(例如全部)圍繞第一光纖放置。
在實施例中，端面在至少部分端面面積上具有反射涂層。 在實施例中，反射器元件被設(shè)置包括具有預(yù)定外形以及反射涂層的第 一端面和第二端面，并且其中抽運光從第二端面反射進(jìn)入所述第一光纖的抽運芯。
在特定實施例中，第一光纖和第二光纖的至少部分長度安裝在安裝導(dǎo) 管中。
在特定實施例中，在安裝導(dǎo)管中安裝反射器元件。
在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種光學(xué)部件的制造方法，所述方法
包括下列步驟
a. 提供具有NA1的抽運芯的第一光纖以及第一光纖端部；
b. 定位多個圍繞所述第一光纖的第二光纖，所述多個第二光纖的至 少其中一個具有NA2的抽運芯，并且NA2比NA1小，所述第二光纖的每 一個均具有第二光纖端部；
c. 將所述第一端部和所述第二端部融合在一起以形成端蓋；
d. 成形所述端蓋的端面至預(yù)定外形；
e. 利用金屬或介電涂層涂覆具有預(yù)定外形的所述端面以便在第二端 面上反射從所述第二光纖的至少其中之一而來的抽運光進(jìn)入所述第一光 纖的抽運芯。
在本發(fā)明的另 一方面，提供了 一種上述的以及在權(quán)利要求中或詳細(xì)說 明書中描述的光學(xué)部件的使用方法。在實施例中，提供了上述光學(xué)部件在 激光器或放大器中的使用方法。
在本發(fā)明的另一實施例中，提供了一種硬光纖，硬光纖具有縱向方向 并且包括芯區(qū)域，以及圍繞芯區(qū)域的包層區(qū)域，其中對于硬光纖的固體 部分的體積為VL的長度L，與具有外接所述外形的圓形外形的固體光纖的 對應(yīng)長度相比，光纖截面的外形適配于提供增大的軸向剛度與體積的比 值。
硬光纖或大體上剛性的光纖的各個方面，包括利用堆疊和拉伸方法的 光纖制造方法，均在WO 02/010817中給予描述，均作為參考包括在這里。
在實施例中，硬光纖包括圍繞包層區(qū)域的封套區(qū)域，其中封套區(qū)域適 用于向光纖提供軸向剛度。在實施例中，封套區(qū)域?qū)τ诠饫w的導(dǎo)向特性基 本上不產(chǎn)生幫助，但是封套區(qū)域的存在主要是出于機械方面的考慮(最小 化光纖的彎曲(損耗))。
在實施例中，當(dāng)從橫向截面看去時，硬光纖的最大外尺寸Dstiff大于包 層區(qū)域的最大尺寸Dclaj々5倍，例如大于包層區(qū)域的最大尺寸DdadW 10 倍，例如大于包層區(qū)域的最大尺寸D翻的30倍，例如大于包層區(qū)域的最大尺寸Ddad的50倍，例如大于包層區(qū)域的最大尺寸Dclad的100倍。
在實施例中，硬光纖還包括附加的圍繞第一包層區(qū)域的一個或多個包 層區(qū)域。在實施例中，第一包層區(qū)域被設(shè)置用于傳播抽運波長、的光以向 光纖提供抽運芯。在實施例中，圍繞第一包層區(qū)域的第二包層區(qū)域包括以 至少一圈以空氣孔形式存在的空氣包層，在第一包層區(qū)域的圓周方向上每 個空氣孔之間均具有窄的橋接寬度(bridge-width),從而提供對照射第一 包層區(qū)域的光的限制。
例如Limpert等人在Optics Express, Vol. 13， No. 4， 2005年2月21日， 第1055至1058頁以及在Optics Express, Vol. 14, No. 7, 2006年4月3日， 第2715至2720頁中討論了 "棒狀"光纖的各個方面。
在實施例中，硬光纖為棒狀光纖，包括圍繞芯區(qū)域的第一包層區(qū)域以 及圍繞第一包層區(qū)域的第二包層區(qū)域或封套區(qū)域，其中在光纖的橫截面 上，芯區(qū)域的最大尺寸D。。re大于20戶并且棒狀光纖的最大外尺寸D,。d大 于700戶，其中第一包層的最大外尺寸Dc滅與D「。d的比值介于0.01至0.5 的范圍內(nèi)，例如處于0.05至0.4的范圍內(nèi)，例如處于0.1至0.3的范圍內(nèi)。
在實施例中，棒狀光纖包括至少一圈用于限制第一包層區(qū)域內(nèi)的光 (例如抽運光)的空氣孔形式的空氣包層。在實施例中，第二包層區(qū)域包 括空氣包層。
在實施例中，第二包層區(qū)域與封套區(qū)域相同。
在實施例中，封套區(qū)域圍繞第二包層區(qū)域。
在實施例中，通過彎曲測試定義術(shù)語"硬光纖，，，在彎曲測試中確定 彎曲硬光纖至特定曲率半徑所需的力(例如，對具有上述半徑的圓柱體彎 曲180度)。在實施例中，需要大于0.1N的力來彎曲硬光纖至lm的曲率 半徑。在其它實施例中，需要大于0.5N的力，例如大于1N，例如大于5N, 例如大于10N的力來彎曲硬光纖至lm的曲率半徑。
在實施例中，硬光纖不能在沒有機械損傷(例如破裂)的情況下彎曲 至小于lm的曲率半徑。
在實施例中，硬光纖為微結(jié)構(gòu)光纖。
在實施例中，硬光纖包括例如Yb和/或Er的光學(xué)活性材料。 例如通過對具有圓形外周以及基本固體的外(第二)包層或封套區(qū)域 開始設(shè)計，通過對硬或棒狀光纖的成形，例如通過去除包括外包層或封套 的材料(典型地為玻璃)的部分體積，例如通過改變外周和/或使得在縱向方向上在硬或棒狀光纖內(nèi)部(例如，在外部或第二包層或封套區(qū)域中)延 伸孔，在硬或棒狀光纖所使用的較小體積材料的情況下可以保持硬或棒狀 光纖的剛度。此外，可優(yōu)化(增大)硬或棒狀光纖的表面積，從而改善光 纖的冷卻可能性(即從光纖的芯和/或(第一 )包層區(qū)域帶走熱量的能力)。
在特定實施例中，硬或棒狀光纖包括一個或多個縱向延伸的孔。在實 施例中，縱向延伸的孔的最大尺寸大于光纖的芯區(qū)域，例如大于芯區(qū)域的 兩4咅，例如大于芯區(qū)i或的四^咅。
在特定實施例中，硬或棒狀光纖的外周具有非圓形形狀。
在特定實施例中，硬或棒狀光纖的外周包括n條邊緣和n個頂點，例 如外周具有多邊形形狀。
在特定實施例中，邊緣為非線形，例如相對于光纖的芯區(qū)域為凸面形。
善從光纖的散熱。
在特定實施例中，優(yōu)化硬或棒狀光纖的外形使其能夠承載一個或多個 光纖，例如抽運光纖。
在特定實施例中，芯區(qū)域適配于傳播信號波長人的光。在特定實施例 中，內(nèi)包層區(qū)域適配于傳播抽運波長、的光。
在特定實施例中，Dclad或Ddw處于100，至400，的范圍內(nèi)。
在特定實施例中，Dc。re大于50，，例如大于70，，例如大于100，， 例如大于150，，例如大于200戸，例如大于300戸。
在特定實施例中，Dstiff或Dr。d大于0.7mm,例如大于lmm,例如大 于1.2mm，例如大于1.5mm,例如大于2mm,例如處于0.7mm至3mm之 間的范圍內(nèi)。
在特定實施例中，D,與D^或D隱與Dcladl的比值處于0.5至0.95 之間的范圍內(nèi)，例如在0.6至0.8之間的范圍內(nèi)，例如在0.7至0.75之間
的范圍內(nèi)。
在特定實施例中，根據(jù)本發(fā)明的一個方面的光學(xué)部件包括根據(jù)本發(fā)明 的一個方面的硬或棒狀光纖。
在本發(fā)明的上下文中，當(dāng)從垂直于光纖縱向的截面方向看時，定義"芯 區(qū)域"為光纖的(典型地為中心)光傳播部分。
通常，折射系數(shù)nx為單一材料的普通折射系數(shù)。有效折射系數(shù)neff,x 是給定波長義的光穿過給定的可能為非單一的材料(意味著復(fù)合材料，例如包括兩種或更多子材料，典型地一種折射率的背景材料以及一種或多種 不同折射率的不同類型的部件(典型地，在本應(yīng)用中稱為微結(jié)構(gòu)元件)) 時所經(jīng)歷的系數(shù)。對于單一材料，折射率和有效折射率通常會相似。對于根據(jù)本發(fā)明的光纖，最重要的光學(xué)波長為從紫外至紅外范圍(例如從大約150nm至11 //m范圍內(nèi)的波長)內(nèi)的波長。在此波長范圍內(nèi)，用于光纖制造(例如硅土)的最相關(guān)材料的折射率可以認(rèn)為是大體與波長無 關(guān)，或是至少為不強烈依賴于波長。然而，對于非單一材料，例如包括如 空洞或空氣孔一樣的微結(jié)構(gòu)元件的光纖，有效折射率會非常依賴于材料 的形態(tài)。此外，這種光纖的有效折射率會強烈依賴于波長。對于本領(lǐng)域技 術(shù)人員來說，確定具有空洞或孔的給定光纖結(jié)構(gòu)的給定波長下的有效折射率的過牙呈為/>知的(例^口參見Broeng等人1999年Optical Fibre Technology, Vol.5,第305至330頁)。本發(fā)明的進(jìn)一步目的是通過在從屬權(quán)利要求以及在本發(fā)明的詳細(xì)說 明書中定義的實施例實現(xiàn)的。應(yīng)該需要強調(diào)的是，當(dāng)在說明書中使用術(shù)語"包括/包含"時，應(yīng)該理 解為指定所論及的特征、統(tǒng)一體、步驟或部件的存在，而并未排除一種或 多種其它所論及的特征、統(tǒng)一體、步驟或部件或它們的群組的存在或附加。


以下，將結(jié)合優(yōu)選實施例并且參考附圖對本發(fā)明進(jìn)行更加完整的描 述，其中NA的光纖的典型方法。圖2示意性地示出了利用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)的錐形的融合的抽運復(fù)用器。圖3示意性地示出了本發(fā)明的實施例；圖3a示出了縱視圖，并且圖 3b示出了橫截面圖。圖4示意性地示出了本發(fā)明實施例的操作原理。圖5示出了本發(fā)明的示意性優(yōu)選實施例。圖6a示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)部件的制造方法步驟的示意圖。圖6b 示出了實際安裝(對應(yīng)于圖6a中的步驟2)的實施例。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)部件的另一制造方法的步驟的示意圖。 圖8示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的反射元件端面的涂層方法的步驟的示意圖。
圖9示出了對于棒狀光纖耦合方案的說明。
圖10示出了射線追蹤從偏置棒狀光纖中心702.5微米處的105/125微 米0.22NA抽運光纖而來的光通過優(yōu)化的非球面非旋轉(zhuǎn)對稱鏡至棒光纖的 接受面的結(jié)果。
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的反射元件端面的非球面外形的例子。 圖12示出了反射元件的優(yōu)選形狀。
圖13示出了固定光學(xué)部件的第一和第二光纖的光纖固定器件的實施例。
圖14為所實現(xiàn)的具有11個抽運光纖以及單個位于中心的接受光纖的 光學(xué)部件的橫截面示意圖。
圖15示意性地示出了射線追蹤從抽運光纖至接受光纖孔的光的結(jié)果， 圖15a示出了追蹤的射線的源并且圖15b示出了這些射線照射至接受光纖 孔的位置。
圖16示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明基于兩個分別適配光學(xué)部件形成激 光器的安裝方法。
圖17示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)部件的三個實施例，圖17a具有傾斜 平面的平凸反射器，圖17b具有平凸反射器和接受光纖的傾斜端面，圖17c 示出球形表面面向抽運光纖和接受光纖端部的反射器，并且圖17d和圖17e 示出了包括單反射端面的反射元件的其它實施例。
圖18示出了包括圍繞接受光纖的多于一圈抽運光纖的實施例。
圖19示出了根據(jù)本發(fā)明的基于棒狀光纖且以耦合單元形式用于脈沖 放大器的光學(xué)部件的例子。
圖20示出了具有附加孔的棒狀光纖的例子。
圖21示出了成型的棒狀光纖的例子。
圖23示出了在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)器件的實施例中光背^反射進(jìn)入抽 運光纖的結(jié)果。
所有附圖均是示意性并且為了清楚進(jìn)行了簡化，并且附圖僅示出了對 于理解本發(fā)明所必需的細(xì)節(jié)，而省略了其它細(xì)節(jié)。
具體實施方式
例1,光學(xué)部件圖3示意性地示出了本發(fā)明的實施例30;圖3a為縱視圖，該縱視圖 示出了抽運光35如何從離軸同向抽運光纖(第二光纖)32通過反射元件(反射器元件)33耦合到高NA雙包層的光纖(第一光纖)31，以及信號 光36如何穿過反射元件(反射器元件具有提供僅對于抽運光而不對信號 光高反射的涂層)從高NA雙包層光纖(第一光纖)中耦合而出。第一和 第二光纖在安裝導(dǎo)管34中固定在一起。典型地，第二光纖的數(shù)目為3、 6、 12、 18,但是可以為^f壬意數(shù)目，例如3或更大，例如6或更大。圖3b示 出了光學(xué)部件30的橫截面，該光學(xué)部件30包括第一和第二光纖31、 32(在這里為7個抽運光纖)的端部以及與反射器元件33光學(xué)耦合的安裝 導(dǎo)管34 (沿著圖3a中AA'平面)。光學(xué)部件(或組裝部件)解決了上面描述的其中一些問題并且為光纖 放大器提供了光學(xué)部件，允許從雙包層光纖的一端抽運而該雙包層光纖的 另一端可以自由接受耦合入的信號光。在優(yōu)選實施例中，自由接受端與光 纖接合。在另一優(yōu)選實施例中，自由接受端呈錐形。在另一優(yōu)選實施例中， 自由接受端呈錐形并且與光纖接合。從而具有方便信號光耦合進(jìn)入雙包層 光纖的優(yōu)點。在上述方式中，獲得了相對傳播抽運。組裝部件提供在一個 簡單光學(xué)部件中帶有信號饋通的抽運合并器/耦合器。組裝部件性能健壯并 且由安裝導(dǎo)管保護。當(dāng)在安裝導(dǎo)管中安全地嵌入波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時，可應(yīng)用全范 圍的進(jìn)一步的封裝方式。此外，組裝部件向抽運源提供低的背反射。由于(因反射器元件33的端面331的外形)從鏡面331反射的信號光典型地 返回第一光纖的包層而非返回抽運光纖，減少了 (或消除)從第一光纖31 而來的意外反射進(jìn)入抽運傳輸光纖32中的信號光(典型地，為低NA)。 通過提供涂層(例如，介電涂層)還可進(jìn)一步降低反射，以便獲得穿過反 射器元件端面的信號光的高透過率。例2,光學(xué)部件下面描述作為組合的抽運合并器和耦合器的單元的優(yōu)選實現(xiàn)方式。此 外，還描述合并器如何在光纖激光器實現(xiàn)中使用，其中上述單元用作組合 的抽運合并器/耦合器、高反射器以及輸出耦合器。此例包括對于光學(xué)部件的如下元件的描述反射元件、第一(無源抽 運)和第二(有源)光纖以及用于彼此相對地定位第一和第二光纖的光纖固定元件，還有對耦合器組裝部件及其應(yīng)用的描述。 ^射器元伴；謬^夢裙在實現(xiàn)方式中，參照圖12可知，反射元件包括具有平面122和球面 121的平凸元件120。球面121包覆有反射涂層。上述涂層或是介電涂層在優(yōu)選實施例中，如圖12中描繪的一樣，球面121的曲率半徑R選 為接近元件的中心厚度123兩倍的值。在這個例子中，球面的焦距f位于 靠近元件的平面的表面處。并且指示入射到反射元件120上的中心光束的 光軸124。^幹z一般來說，抽運傳輸光纖(或第二光纖)為適于以抽運波長;ip傳播適 量抽運光能并且具有適當(dāng)數(shù)值孔徑的任何一種光纖，但是優(yōu)選地，選擇符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的抽運傳輸光纖。特別優(yōu)選地，光纖為具有105，的芯直徑和 125戶外直徑d。ut的光纖。假設(shè)上述光纖將光傳輸進(jìn)入自由空間的數(shù)值孔 徑(NA)為0.15。這個NA的值是商業(yè)上抽運二極管發(fā)射介于915nm至 976nm之間的光的光譜的典型值。其它優(yōu)選的標(biāo)準(zhǔn)多模抽運傳輸光纖為 (dout[ nm]/NA) 100/0.22、 115/0.22、 200/0.22、 400/0.22、 600/0.22等。一般來說，從抽運傳輸(或第二)光纖出來的光將要耦合進(jìn)入的接受 光纖(或第一光纖)為具有適當(dāng)?shù)呐c抽運光纖和反射元件的實際結(jié)構(gòu)適配 的NA的任何多包層(例如，雙包層)光纖，但是優(yōu)選地，選擇為具有足 夠大的NA的空氣包層光子晶體光纖，以便充分捕捉在反射元件決定的角 度下自抽運光纖耦合的所有光。優(yōu)選地，所選的PCF (即通過空氣包層空 間限定的內(nèi)包層區(qū)域的直徑)的內(nèi)包層直徑比抽運光在焦平面上的聚焦點 的光點大小大。入射抽運光的最大數(shù)值孔徑以及光點大小主要由反射元件 和PCF光纖的外直徑確定。原理上，抽運和接受光纖可被定位并且通過例如粘合、機械固定、融 合等任何適當(dāng)方法固定在一起。然而優(yōu)選地，光學(xué)固定元件可用于上述目 的。原理上，用于彼此相應(yīng)地固定并定位抽運和接受光纖的光纖固定元件 可為在幾何上、光學(xué)上以及熱學(xué)上滿足應(yīng)用需求的任何適當(dāng)形式。在圖13中描繪了光纖固定元件的兩種優(yōu)選實施例。圖13a示出了包 括具有內(nèi)直徑di的毛細(xì)管131的實施例130，該內(nèi)直徑d!基本上與接受光 纖的外直徑d2和抽運傳輸光纖的外直徑d3的兩倍的和相等，以便將由多 個抽運傳輸光纖包圍的接收光纖放置在毛細(xì)管中。可選地，c^可選為大于 d2 + 2 d3并且毛細(xì)管隨后塌陷以便在導(dǎo)管中固定光纖或是通過膠水或類似 物在毛細(xì)管中固定光纖。圖13b示出了光纖固定元件130的另一優(yōu)選實現(xiàn) 方式，光纖固定元件130包括元件131，其具有分離的孔135 (直徑大于 等于(12)、 136 (直徑分別大于等于d3),分別用于接受光纖和抽運傳輸光 纖。光纖固定元件的后一種實現(xiàn)方式的優(yōu)點在于方便單元與光纖的組裝。 其它適當(dāng)實施例也具有優(yōu)點，例如包括兩個同心導(dǎo)管的實施例(內(nèi)導(dǎo)管的 外直徑小于外導(dǎo)管的內(nèi)直徑)，其中心開口適配于固定接受光纖而在兩個 導(dǎo)管之間的環(huán)狀開口適配于固定一層或多層抽運傳輸光纖。優(yōu)選地，光纖固定元件由例如二氧化^f圭的玻璃制成，使得可以通過加 熱融合整個組裝部件。在上面描述的光學(xué)部件的優(yōu)選實施例的特定實現(xiàn)方式中，可使用如下 元件在本實施例中，反射元件選為愛特蒙特光學(xué)(Edmund Optics )公司的 金涂層平凸球面透鏡，該透鏡中心厚度800，以及曲率半徑1700，。該 透鏡由LaSFN9制成，其折射率為1.85。在這里，選相同的外直徑為125//m且內(nèi)包層直徑為105，的標(biāo)準(zhǔn)多才莫 光纖作為抽運光纖。假設(shè)抽運光從NA為0.15的抽運光纖中射出。接受光纖(在這里為單一的)選為具有150，的內(nèi)包層直徑(即由空 氣包層圍繞區(qū)域的直徑，空氣包層包括至少一 "層"或一圈相對較大且相 對間隔較近的孔，這些孔適配地限定相關(guān)波長的光至由空氣包層圍繞的 (內(nèi))包層區(qū)域)和330戶外直徑(即如果存在外保護涂層的話，光纖直 徑包括可選的外保護涂層)的空氣包層PCF光纖。假設(shè)在單一毛細(xì)管中堆 疊抽運光纖，使得抽運光纖與接受光纖之間不存在間距(換句話說，在特 定長度上抽運光纖沿著接受光纖外周與其接觸)。在此幾何形狀中，有可能圍繞接受光纖堆疊ll束抽運光纖。圖14示出了實現(xiàn)的具有l(wèi)l束圍繞單一接受光纖143的抽運光纖142的光學(xué)組裝部件140。在所示的橫截面中，沿著接受光纖的圓周的抽運光纖實際上并未接觸接受光纖。在圖14示出的組裝部件中，在抽運光纖142、 固定元件的外導(dǎo)管141以及接受光纖143之間的中間空間填充有膠水或任 何其它適當(dāng)?shù)奶畛洳牧?，PCF光纖的面通過孔的塌陷而被密封。元件組裝與如上所述的PCX透鏡的平面一側(cè)對齊。發(fā)射光進(jìn)入不同 的抽運光纖并且記錄耦合回到PCF光纖中的光。如圖23所示，對于每個 光纖有可能將卯％量級的光耦合回到PCF光纖中?？紤]到由金反射表面 造成的反射和吸收，這對應(yīng)于完美耦合，驗證了將從低NA多模光纖而來 的離軸光耦合至高NA多模光纖的原理。通過將每條通道分別對齊而獲得在圖23中所示的結(jié)果。想要相對于 鏡為該組裝部件發(fā)現(xiàn)一個位置，以使所有光纖同時以相同效率耦合是不可 能的。這是由于PCF光纖的塌陷過長所造成的。在本實施例中，反射器元件的反射表面(即第一端面)的曲率半徑比 透鏡的中心厚度的兩倍略大并且因此透鏡的焦距位于光纖之中。通過加熱光纖端部可以使得用于在PCF光纖中限定空氣包層的孔在 可控制的長度上塌陷。通過上述方法，獲得了 PCF光纖的密封面(例如參 見Wo 03/032039專利申請公開的內(nèi)容)。上述可以保護光纖(例如防止污 染)并且在原理上使得反射元件與光纖粘合在一起。此外，通過控制塌陷 長度還可使空氣包層孔的位置與透鏡的焦點對準(zhǔn)(參照WO 03/032039 )。在圖15中示意性地示出了射線追蹤從抽運光纖151而來的光照射到 接受光纖孔153上的結(jié)果。在圖15a中示出了追蹤的射線152的源而圖15b 示出了這些射線到達(dá)空氣包層光纖的孔153的位置。圖中的圓表示接受光 纖的空氣包層的孔153。點154表示的點是通過追蹤在沿著圖15a中所示 的抽運光纖151的五條對角線155上的點發(fā)出的射線152得到的。追蹤了的五條射纟l?？梢钥闯?，原理上，上述結(jié)構(gòu)可獲得從抽運光纖至^受光纟; 的完美耦合。^卑?？似髟砩希鲜鼋M裝部件使得從11束抽運光纖而來的能量同時耦合進(jìn) 入接受光纖。接下來描述如何合并上述兩個光學(xué)組裝部件以獲得光纖激光 器(在圖16中的1600),其中光學(xué)部件作為整體充當(dāng)抽運合并器、反饋元件以及輸出耦合器。在圖16中示出了激光組裝部件1600的概略圖。在上述實現(xiàn)方式中，反射器元件(鏡)在凸面?zhèn)?例如，參照在圖12 中的121)上涂敷金而在平面?zhèn)?例如，參照在圖12中的122)上不存在 涂層。用于激光器的反射器元件應(yīng)當(dāng)具有不同涂層。上述區(qū)別在于鏡元件 163、 163'不是在反射側(cè)上涂覆金，而是在凸面?zhèn)群推矫鎮(zhèn)染扛步殡娡?層。在激光器一端中的鏡元件(參照在圖16中的163)具有涂覆有涂層的 凸面?zhèn)?631，該涂層能夠以高反射率基本上反射大約915nm的所有光 1634,另一方面基本上透射1020nm至1100nm范圍內(nèi)的所有光1635。在上 述端面中，平面?zhèn)?632涂覆有介電涂層，該介電涂層可基本上反射1020nm 至1100nm范圍內(nèi)的所有光，另一方面基本上透射大約915nm的所有光 1634。除了在平面?zhèn)?633上的涂層僅反射特定的光量之外，在第二端中反 射器元件163'的涂層與之相同，在這里特定的光量典型地指1020nm至 1100nm范圍內(nèi)光1635的5%至20% (如在圖16c中的平面1633上的箭頭 所表示)。在此波長上的剩余光透射到組裝部件之外。通過上述方式，第一端(參照圖16a的左端和圖16b)用作對于激光 腔的高反射器而另一端(參照圖16a的右端和圖16c)用作上述腔的輸出 耦合器。兩個光學(xué)組裝部件組成激光器，每個均具有它們各自的抽運傳輸光纖 161但是它們共享同一接受光纖162。例如，抽運光纖可以為具有上述提 出的特性的標(biāo)準(zhǔn)多模光纖。在本實施例中選用的接受光纖162為雙包層PCF 光纖，該雙包層PCF光纖包括具有上述尺寸以及摻雜鐿(Yb)的單模芯的 空氣包層?，F(xiàn)今，915nm的標(biāo)準(zhǔn)抽運激光器可發(fā)射8至10瓦量級的輸出能量。在 如上所示的配置中存在22個通道(2xl1)，從上述源而來的抽運光可通 過這些通道傳輸進(jìn)入組裝部件。因此在上述實現(xiàn)方式中有可能傳輸200瓦 量級的抽運光。當(dāng)激光器以75%的能量轉(zhuǎn)換效率運行時，將獲得輸出功率 150W的單模激光器。如上所述的實現(xiàn)方式可以以多種方式改變。下面提到了部分光學(xué)部件 的一些優(yōu)選實施例。不同部分的光學(xué)部件的多個實施例可以彼此之間自由 組合(可適配于正在討i侖的應(yīng)用)。其他反射器元件配制:關(guān)于反射器或鏡元件，元件的形狀并非限定于球面元件。原理上，采 用設(shè)計用于優(yōu)化耦合效率的非球面、反射表面可獲得更佳的聚焦特性。值 得注意的是上述表面無需是圍繞接受光纖軸旋轉(zhuǎn)對稱的。原理上，非旋轉(zhuǎn) 對稱結(jié)構(gòu)可用于優(yōu)化從有限束抽運光纖的耦合，該抽運光纖具有通過旋轉(zhuǎn) 對稱鏡不能有效耦合的幾何結(jié)構(gòu)。如圖22所示，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)部件220的示意性例子包括非球面反射器元件224。光學(xué)部件包括由多個抽運 光纖221圍繞的以光子晶體光纖223形式存在的位于中心的接受光纖。接 受光纖和抽運光纖均被固定元件221所圍繞。接受光纖223包括由抽運芯 2232圍繞的芯區(qū)域2231，抽運芯2232由空氣包層2234圍繞，而空氣包 層2234又被外包層區(qū)域2233圍繞?？諝獍鼘訌慕邮芄饫w的面向反射器元 件的第一端面的端部塌陷一個預(yù)定距離。抽運光纖222包括由包層區(qū)域 2222圍繞的抽運芯2221。反射器元件224包括與接受光纖和抽運光纖的 端部光學(xué)耦合的第一平面端面以及非球面形狀的第二端面2241、 2242、 2243。優(yōu)化第二端面的部分區(qū)域2241、 2243以便反射從抽運光纖222的 抽運芯2221而來的光進(jìn)入接受光纖223的抽運芯2232。其它部分2242適 用于傳輸從接受光纖的芯區(qū)域2231而來的特定部分的信號光用于應(yīng)用。 例如，表面2242可以是平面并且與所述光軸垂直，其包括圍繞接受光纖 的芯區(qū)域的中心光軸的區(qū)域。可選地，表面2242可具有準(zhǔn)直或聚焦功能 的外形。在下面的例子中將描述非球面反射表面的設(shè)計。此外，反射器元件或鏡元件不必具有平凸結(jié)構(gòu)。從原理上講，平面可 以被傾斜的或彎曲的表面所取代。傾斜表面可用于降低從接受光纖的芯返 回進(jìn)入如圖17a和圖17b所示光纖的反射光。如圖17a所示的光學(xué)部件170 的實施例包括棒狀的固定元件171，其中插入由多個抽運光纖172圍繞的 中心接受光纖173。包括抽運光纖和接受光纖的固定元件的端面1711與接 受光纖的光軸(縱向上，參照箭頭177)相比是傾斜的。相應(yīng)的，面向抽 運光纖和接受光纖端部的反射器元件174的第一平面端面1742也是傾斜 的。傾斜角(相對于與接受光纖173的光軸垂直的平面，參照箭頭177) 在l度至25度的范圍內(nèi)，例如該傾斜角在l度至5度或5度至15度的范 圍內(nèi)，優(yōu)選地，該傾斜角在8度至12度的范圍內(nèi)(參照公布號為W0 2004/111695的PCT申請PCT/DK2004/000439 )。反射器元件174的第二端 面1741形狀上呈球面。接受光纖173被指示為包括芯區(qū)域1736、由空氣包層1732圍繞的內(nèi)包層區(qū)域1731的光子晶體光纖。靠近面向反射器元件 的(第一)接受光纖的(第一)端部處，空氣包層1732的孔已經(jīng)從端面 上塌陷(例如通過加熱，例如在融合接合工具中)距離為Lc的長度，從而 獲得一段面向反射器元件的固體玻璃光纖1735。例如在W0 03/032039中 討論了關(guān)于模場直徑的長度L。的優(yōu)化。抽運光纖172被指示具有芯區(qū)域 1721和包層區(qū)域1722。如圖17b中所示的實施例與如圖17a中所示的實施例相似。區(qū)別在于 不是傾斜固定元件171、抽運光纖172以及接受光纖173的端面以及反射 器元件的(第一)端面1742，而僅傾斜(第一)接受光纖173的(第一) 端面1733,從而留下接受光纖的端面與反射器元件174的平面1742之間 的空間1734 (例如充滿空氣)。反射器元件174與抽運光纖172和接受光 纖173之間光學(xué)耦合。例如，通過任何適當(dāng)連接技術(shù)使反射器元件連接至 固定元件和/或抽運光纖和/或接受光纖，上述連接技術(shù)例如通過鄰接、粘 合、加熱以及在接點處對材料的局部軟化等技術(shù)。此外，反射元件可包括簡單的曲面鏡。如在圖17c中所描繪的一樣， 圖中反射器元件174包括具有曲面1742 (反射器元件的第一端面)的塊狀 材料，曲面1742制造成進(jìn)入該材料的缺口狀。例如，抽運光纖172和接 受光纖173的端面與反射表面1742之間的空間176可填充有空氣或另一 適當(dāng)氣體或液體或是真空。箭頭表示在抽運光纖172中抽運光以及反射進(jìn) 入接受光纖173的抽運光的方向。當(dāng)然，圖17a和圖17b的實施例細(xì)節(jié)可 與圖17c的實施例組合。圖17d示出了本發(fā)明的另一特征，即反射器元件的易配置性。在圖17d 中示出了包括單一反射端面1742 (如在圖17c中)的反射元件174,該反 射端面用于將從抽運光纖而來的光反射進(jìn)入位于中心的接受光纖的 抽運芯。反射元件具有用于傳播從接受光纖中心部分而來的光(例如從信 號芯而來的信號波長^的放大的信號光)的中心開口 1746 (在這里，楔形 開口 1747隨著與反射端面1742的距離增加而寬度增大)。端面1742具有 用于增強在抽運波長、的光的反射率的反射涂層。反射器元件可以有利的 以例如散熱片、珀耳帖元件和/或冷卻通道(例如液體冷卻)的形式去除 由入射(抽運和信號)光產(chǎn)生的熱量。在示出的實施例中反射器元件包括 兩條適用于水或其它液體流動的冷卻通道1743。例如，反射器元件174可 由例如金屬(例如鋁或銅或銀或鐵(例如鋼))或陶資材料的單一材料制成?？蛇x地，反射器元件174可由多塊制成，例如兩塊，該兩塊分別為包括反射端面1742的前塊1744(例如由鋁或銀制成)以及包括冷卻通道1743 和信號光的中心開口的后塊1745 (例如由銅或鋼制成)。除了第一光學(xué)元件1748位于反射器元件174的反射端面1742的前面 以及第二光學(xué)元件1749位于反射器元件的光學(xué)輸出路徑中之外，圖17e 中所示的實施例與圖17d中的實施例相同。根據(jù)所討論的應(yīng)用，具有第一 和/或第二光學(xué)元件的反射器元件具有易配置的優(yōu)點。第一光學(xué)元件1748 有利地包括高反射鏡，其反射信號波長人的信號光但是基本上透射抽運波 長、的光?？蛇x地，第一光學(xué)元件可適配地透射在信號波長4的部分信號 光。第二光學(xué)元件1749可包括例如準(zhǔn)直透鏡或聚焦透鏡。超專^才襲考慮這里使用的光纖，在實現(xiàn)本目的的接受光纖的選擇上具有一些重 要的變化。在原理上，PCF光纖使得內(nèi)包層的NA的擴大為例如0.6至0.9 之間的值或者甚至更高的極高值。使用上述高NA的主要限制因素在于光 纖的機械特性的變差，在某種意義上講分裂和拼接變難。在原理上，鏡耦 合器的使用為使用上述高NA提供現(xiàn)實的方法。為了在激光器組裝部件中 實現(xiàn)具有非常高NA的PCF光纖，需要如上所述的無分裂或拼接的接受光 纖。首先可使光纖中的空氣孔塌陷，隨后塌陷區(qū)域可從塌陷起點分裂開特 定距離。超高NA的使用開啟了可擴大加入到組裝部件中的抽運通道數(shù)量的可 能性。在圖18中示出了上述原理。這個原理就是高NA光纖的較高角度 公差使得可向器件添加多圈抽運光纖。在原理上，圍繞給定的接受光纖可安裝任意數(shù)量的抽運光纖，圍繞接 受光纖的層或"圈"的設(shè)置依賴于討論的光纖實際幾何形狀(外尺寸)。 圖18示出了從第二圈抽運光纖183耦合至中心接受光纖181的例子，第 二圈抽運光纖增加至上述結(jié)構(gòu)，即圍繞第一圈抽運光纖182。距離r;(在 這里為ri、 r2)為從接受光纖181的中心至第i圈抽運光纖中的光纖中心的 距離。在本實施例中，第二圈的直徑2r2等于335//m，抽運光纖的NA即 NApump等于0.15，接受光纖的NA證等于0.84,反射器為愛特蒙特光學(xué)公 司(Barrington,新澤西，美國)的平凸PCX 43397透鏡并且反射器的焦 點被設(shè)置在距端面一定距離(在這里為30戸)的接受光纖中。棒狀光纖'使用具有較高NA的光纖的另一效果在于可使抽運光纖進(jìn)一步遠(yuǎn)離中 心。在與PCF棒狀光纖一并使用時，上述事實顯得十分重要。棒狀光纖以具有在30戶至100，范圍內(nèi)或更大的模場直徑的非常大的單模芯為特征。大芯與相對小的直徑的內(nèi)包層結(jié)合引起極其高的抽運吸 收。由于大芯可以承受相當(dāng)大的脈沖峰值強度，因此上述光纖在脈沖放大 器中的使用引起了極大關(guān)注。為了能夠保持大模的低損耗傳播，棒狀光纖 必須非常硬以便降低微彎曲損耗。因此優(yōu)選地，棒狀光纖包括優(yōu)化的外包 層或封套區(qū)域以向光纖提供剛度。為了與棒狀光纖一并使用鏡耦合器，因此期望內(nèi)包層具有非常高的NA。使用上述棒狀光纖的一個主要挑戰(zhàn)是在保持對每個端部中芯的通路 的同時，找到在抽運光中的耦合方法。另一個問題是期望在從放大器的輸 出離開光纖材料進(jìn)入空氣之前，使上述輸出分散至大的光點尺寸上。上述 目的在于限制在出口端面上的能量密度以便防止損壞。最后十分重要的是 基本上沒有光從芯進(jìn)入抽運激光器，即需要放大器信號與抽運光之間的完 美的隔離。在圖19中示出了耦合器與棒狀光纖結(jié)合的示意圖。光學(xué)部件190包 括呈導(dǎo)管形狀的固定元件191，其中棒狀接受光纖193位于中心并且由抽 運光纖192圍繞。棒狀光纖193具有由內(nèi)包層區(qū)域1932和外包層或封套 區(qū)域1933圍繞的芯區(qū)域1931。反射器元件194具有用于將抽運光反射進(jìn) 入接受光纖的第一包層的反射表面1941以及用于適配從接受光纖的芯至 用于接受討論中的光的光纖或部件的模場直徑1943的中心突出部1942。 優(yōu)選地，用于限定(抽運)光進(jìn)入內(nèi)包層的空氣包層位于內(nèi)包層區(qū)域1932 與外包層或封套區(qū)域1933之間。例3:非旋轉(zhuǎn)對稱非球面反射器元件的優(yōu)化下面描述設(shè)計具有給定形狀或輪廓的反射端面的反射端蓋耦合器 (reflective end-cap coupler)(反射器元件)的過程，該耦合器用于將從抽 運傳輸光纖(第二光纖)而來的光耦合進(jìn)入雙包層光纖(第一光纖)。為了設(shè)計合適的反射器，參照圖4，我們考慮一束離開抽運光纖(第 二端部)42的端部422的射線并且考慮射線444必須滿足的標(biāo)準(zhǔn)以便使其 以角度〃在第一光纖的接受光錐之內(nèi)到達(dá)第一光纖41 (第一端部)的端部413?？紤]在第二端部422以相對y軸由光纖的NA (稱為NApu呵或NA2 ) 確定的(90- )角度離開抽運光纖42的抽運芯421的中心的射線。這條線 可以描述為y = tan(sin—1 A^p咖p )x + d =附!x + d上述射線必須由表面441 (反射器元件的端面)反射進(jìn)入射線444,該射線444與第 一光纖PCF 41的中心(x軸)以NAPCF (也稱為NA1 )確定的角度/ 相交。表示出在自抽運芯421的射線443的反射點關(guān)于反射面441的切線442。反射射線444所在的線可以描述為 y = tan(sin—1 A^4PCF );r = m2x一般來說，為了能夠反射光束至(0,0)點，給出反射面的傾角如下 辦:v-^-=——--1--2 、 x x >上述方程式的 一般解可以寫成X(力=V少" +C其中由上述兩條線的相交點可以得到常數(shù)C。乂0) = 、 ;^—少+^——^ (附！—m2)上述形狀僅描述了在xy平面上的表面形狀。為了完成設(shè)計，在xz平 面中鏡形狀通過z2相關(guān)性給出如下。V —附2 )值得注意的是，上述形狀不具有繞x軸的旋轉(zhuǎn)對稱性。此外，在xy 平面中鏡的形狀為非球面。從下面的例子可以清楚的看出上述特征的效果 在于可以使用的抽運光纖數(shù)目是有限的。另一方面，上述設(shè)計開啟了在球 面反射表面不能提供有效耦合的結(jié)構(gòu)中將從抽運光纖而來的光耦合進(jìn)雙 包層光纖的可能性。例4,耦合至棒狀光纖為了描述非球面非旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的使用，我們考慮從抽運光纖至棒狀 光纖的耦合。如上所述，棒狀光纖以內(nèi)部具有大導(dǎo)向芯的小內(nèi)包層為特征。 為了保持光纖足夠硬以避免微彎曲損耗，光纖的外直徑非常厚。抽運光纖與內(nèi)包層之間的長距離使得不可能通過球面鏡形狀獲得有效耦合。在下面的例子中，考慮如圖9所示的結(jié)構(gòu)。光學(xué)部件90的橫截面圖示出了棒狀光纖91，假設(shè)棒狀光纖91具有1.3mm (包括外包層或封套區(qū) 域912)的直徑山。假設(shè)光纖的內(nèi)包層911 (可能在空間上受到包括內(nèi)包 層區(qū)域的一圈空氣孔的限制)具有150，的直徑d3。假設(shè)內(nèi)包層的NA為 0.6。假設(shè)抽運光纖92具有125，的外直徑(12并且內(nèi)包層具有105，的直 徑。從抽運光纖出來的光的NA為0.22。利用上述算法，可以獲得移位在距離芯棒光纖中心702.5，處的光纖 的鏡元件的如下非球面形狀xO,z) = ^5.82 106 +700*_y_/ -z2在上面的方程式中假設(shè)光纖的軸為x軸并且沿著y軸在棒的中心處放 置此光纖。在圖10上示出了射線追蹤從距離棒狀光纖中心702.5 ^/m處移位的 105/125，0.22NA抽運光纖而來的光通過優(yōu)化的非球面非旋轉(zhuǎn)對稱鏡照 射到棒狀接受光纖(在圖9中的91 )的內(nèi)包層(在圖9中的911 )上的結(jié) 果。在仿真實驗中，如前所述假設(shè)內(nèi)包層在抽運光纖的出口端面之后塌陷 60，的距離?？梢钥闯霁@得了完美的耦合。在端面上的最大入射角度達(dá)到 0.65的NA。為了復(fù)用從多個光纖而來的光，可以使用如圖11中所示的非球面結(jié) 構(gòu)。對于沿著i少軸以及土z軸移位的光纖，該結(jié)構(gòu)基本上包括四個區(qū)域， 所述四個區(qū)域與上述優(yōu)化結(jié)構(gòu)相似(參見圖4)。耦合器與棒光纖的集成的另 一優(yōu)點在于修改棒光纖以使得抽運光纖 更靠近內(nèi)包層。在圖20中以垂直于棒光纖的縱向的光纖橫截面示出了耦 合器與棒光纖的集成的例子。通過在棒光纖200的外包層203中增加大空 氣孔204，有可能獲得靠近接受光纖的芯201和內(nèi)包層202的抽運光纖的 入口通道，并同時保持光纖的剛度。入口通道204可以制成合適的尺寸和 數(shù)量(在這里制作了 4個相對大的孔)并且每個入口通道可包含一個或多 個適配于特定應(yīng)用和反射器元件的抽運光纖。在本實施例中，入口通道具 有與抽運傳輸光纖相似的直徑?？蛇x地，每個孔或一個或多個孔可包括幾 個抽運光纖和/或適配用作冷卻通道(例如通過流動冷卻液體)。例如，入 口通道的制作可以作為棒狀光纖的制造工藝的 一部分(通過在預(yù)制件中插 入合適尺寸導(dǎo)管)或在制成之后利用激光器(例如二氧化碳激光器)來制作。制造入口通道的另一方法是制造具有刃外形的光纖。在圖21中示出了該另一方法的實施例。除了去除了外殼之外這種光纖210與在圖20中 所示的光纖相似。光纖的外形可以為任何適當(dāng)?shù)男螤?在圖21中由四條 彎曲的邊緣213和四個頂點214表示)但是應(yīng)當(dāng)進(jìn)行修改以適合保持光纖 的剛度以及實際處理(例如，修圓一些或全部頂點或使棒狀光纖的外表面 呈其它任何適當(dāng)?shù)耐庑?該外形要與實際處理及相對高的剛度相一致，例 如、I'))。因此，根據(jù)本發(fā)明，棒狀光纖可同時用作多包層接受光纖和 光學(xué)部件的抽運光纖的固定元件?；诎魻罟饫w的元件可與上面討論的任 何反射元件相組合。值得注意的是，上述設(shè)計的附加優(yōu)點在于與"傳統(tǒng)"的導(dǎo)管狀結(jié)構(gòu)相 比極大地改善了光纖的熱特性，由于在上述光纖中熱效應(yīng)是與功率標(biāo)定相 關(guān)的受限因素，因此上述熱特性的改進(jìn)顯得很重要。光學(xué)部件的制造方法圖6a示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)部件60的制造方法的示意圖。該方法 包括下列步驟1. 將光纖61、 62插入具有與第一光纖61和第二光纖62的組裝部件 的外部尺寸相配合的內(nèi)直徑的硅毛細(xì)管64。優(yōu)選地，毛細(xì)管64包括在圖 6 a中所示的不同錐形區(qū)域。喇叭區(qū)域642用于引導(dǎo)圍繞光纖的涂層的端部 628。區(qū)域643用于利用光纖涂層627固定光纖?？蛇x地，在光纖將要面 向反射器元件63的端部611、 621附近去除一段長度的光纖涂層(在步驟 3中的分裂工藝之后)。區(qū)域644用于固定光纖的未涂覆的光纖部分。中心 元件645用于將第一光纖61 (例如PCF)置于導(dǎo)管的中心位置處。區(qū)域 645具有緊密適配于第一光纖61的直徑。2. 在導(dǎo)管64中固定光纖61、 62，其中可以實現(xiàn)的方法包括粘合或融 合組裝部件。3. 分裂/切開和/或拋光所組裝的光纖61、 62的端部611、 621 (以及 可選地固定導(dǎo)管64的端部641 )以便提供用于安裝反射元件63的平面端 面。優(yōu)選地，上述分裂/切開位置位于在圖6A所示組裝實施例的區(qū)域644 中。4. 連接包括反射端面631的反射元件63 (在這里為平凸元件)至組 裝部件。可通過粘結(jié)或融合來完成上述連接。5.在最后的步驟5中(在圖6中未示出)，反射元件的表面631涂覆 反射涂層。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)部件70的另一制造方法的示意圖，其 中安裝導(dǎo)管和反射器元件均集成至一塊74中。該方法包括下列步驟1. 將第一接受光纖71及圍繞(第二)抽運光纖72的堆疊端部711、 721插入固定元件74,在這里以毛細(xì)管的開口形式實現(xiàn)，該固定元件74 與具有預(yù)定形狀的第一端面742和第二端面741的反射器元件集成在一 起。2. 安置光纖的端部711、 721光學(xué)連接至集成的固定和反射器元件74 的第一端面742，在這里，為鄰接該固定和反射器元件74的平面端面742。3. 在集成的固定和反射器元件74的第二端面的區(qū)域上，為該集成的 固定和反射器元件74的第二端面741涂覆反射涂層742,而可選地，使第 一端面742和第二端面741的ii置使二者的中心區(qū)域743可以透射(至少 部分)在第一接受光纖的中心部分中傳播的光。涂覆反射器元件的方法圖8示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例如何利用用于提高反射器元件的反 射率的金屬涂層涂覆反射元件的示意圖。該方法包括下列步驟a)例如通 過磨削或注射成型工藝提供具有預(yù)定外形的包括端面831的反射元件；b) 利用光刻膠832涂覆端面831; c)利用UV光曝光端面的中心區(qū)域833; d) 顯影光刻膠以僅在端面831的中心區(qū)域833處留下光刻膠；e)利用反射涂 層834涂覆端面，例如涂層834為例如包括銅的金屬涂層；f)例如通過剝 離技術(shù)去除剩余的光刻膠以便使中心區(qū)域833上無任何反射涂層834。在本方法中，反射器元件的部分端面未被涂覆。在這個例子中，利用 從集成電子學(xué)和集成光學(xué)制造技術(shù)中獲知的傳統(tǒng)光刻技術(shù)得到未涂覆的 中心區(qū)域。可選方法包括在反射器元件的整個端面上沉積涂層并且在期望 區(qū)域上去除該涂層。為了確保從反射器元件的信號光的低反射率，典型地，期望使用未涂 覆部件。通過獨立權(quán)利要求中的技術(shù)特征對本發(fā)明進(jìn)行限定。在從屬權(quán)利要求 中對優(yōu)選實施例進(jìn)行限定。前面已經(jīng)示出了一些優(yōu)選實施例，但是需要強調(diào)的是本發(fā)明并未局限于此，而本發(fā)明還可利用下面的權(quán)利要求中限定范圍之內(nèi)的其它方式實 現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)部件，其具有縱向光軸以及與所述縱軸垂直的橫截面，所述光學(xué)部件包括a.第一光纖，其具有第一光纖端部以及在所述第一光纖端部處具有NA1的抽運芯；b.多個第二光纖，其圍繞所述第一光纖的所述抽運芯，所述每個第二光纖均具有第二光纖端部，至少一個所述第二光纖在所述第二光纖端部處具有比NA1小的NA2的抽運芯；c.反射器元件，其包括具有預(yù)定外形的端面，用于將從至少一個所述第二光纖端部而來的光反射進(jìn)入所述第一光纖的抽運芯。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)部件，其中所述反射器元件包括第一 和第二相對端面，所述第一端面面向所述第一光纖端部和所述第二光纖端 部，并且所述第一和/或所述第二端面具有預(yù)定形狀。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)部件，其中所述第一光纖和至少 一個所述第二光纖的抽運芯適配于傳播抽運波長;ip的抽運光。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)部件，其中反射器元件的端面適配于 反射抽運波長、的光。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中所述第 一光纖包括與所述抽運芯不同的芯區(qū)域，所述芯區(qū)域適配于傳播與所述抽 運波長、不同的信號波長義,的光。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)部件，其中所述反射器元件的端面適 配于反射至少部分所述信號波長A的光。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的光學(xué)部件，其中所述反射器元件的端 面適配于分別反射所述信號波長^以及所述抽運波長、的光，其中&與、 不相同。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5至7中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中所述反 射器元件的端面的不同部分區(qū)域適配于分別反射所述信號波長人以及所述抽運波長、的光，其中；i,與；ip不相同。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中反射器 元件的端面在圍繞所述第 一 光纖的中心光軸的區(qū)域內(nèi)的反射率使得可以傳播從所述第一光纖而來的預(yù)定部分的光。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中所述反 射器元件的至少部分端面具有用于提高抽運光反射的涂層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中所述反射器元件的端面區(qū)域的主要部分具有用于提高抽運光反射的涂層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中端面 在圍繞所述端面的中心的區(qū)域中沒有涂層。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至12中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中反射 器元件的端面具有的涂層對于波長為 的抽運光的反射率比對于波長為 義,的信號光的反射率高，其中、與4不同。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1至13中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中所述 涂層為介電涂層或金屬涂層。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1至14中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中所述 反射器元件的端面適配于將所述第一光纖的抽運芯中的所述抽運光聚焦 在距離所述第一光纖的第一端面Lf處。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1至15中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中所述 反射器元件包括具有所述反射端面的平凸元件。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1至15中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中面向 所述第一光纖的第一光纖端部和所述第二光纖的第二光纖端部的反射器 元件的端面為在體材料中形成的曲面。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1至17中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中所述
19. 根據(jù)權(quán)利要求1至18中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中適配 于反射從所述第二光纖而來的抽運光的所述反射器元件的部分端面具有 3求面形4大。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的光學(xué)部件，其中所述反射器元件的端面 的預(yù)定外形適配于提供大體上為所述球面形狀半徑的0.5倍的焦距。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的光學(xué)部件，其中適配于反射從所述第二
22. 根據(jù)權(quán)利要求1至21中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中大部 分或全部所述第二光纖均具有NA2<NA1。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1至22中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中NA1大于0.22,例如大于0.30，例如大于0.45,例如大于0.55,例如大于0.8。
24. 根據(jù)權(quán)利要求1至23中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中所述 第一光纖為包含信號芯的雙包層光纖。
25. 根據(jù)權(quán)利要求1至24中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中所述 信號芯包括用于放大信號光的稀土摻雜劑。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24或25所述的光學(xué)部件，其中所述第一光纖為全 玻璃雙包層光纖、聚合物包層雙包層光纖或PCF雙包層光纖。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的光學(xué)部件，其中所述第一光纖為PCF雙 包層光纖，其包括用于傳播信號波長的光的芯區(qū)域、圍繞所述芯區(qū)域用于 傳播抽運波長的光的稱為抽運芯的內(nèi)包層區(qū)域、以及包含至少 一 圈圍繞所 述內(nèi)包層區(qū)域的相對大的孔的空氣包層。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的光學(xué)部件，其中所述空氣包層的孔從所 述第一光纖的第一端部塌陷U的長度。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的光學(xué)部件，其中在所述第一光纖的抽運 芯中的抽運光的焦距Lf大體上與所述空氣包層的孔的塌陷距離Lc相等。
30. 根據(jù)權(quán)利要求1至29中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中所述 第一光纖與所述第二光纖在它們至少部分長度上融合在一起。
31. 根據(jù)權(quán)利要求1至30中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中所述 第一光纖的第一光纖端部和所述第二光纖的第二光纖端部直接與所述反 射器元件的第一端面相連。
32. 根據(jù)權(quán)利要求1至31中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中第二 光纖的數(shù)目為2或3或大于或等于4，例如大于或等于6，例如大于或等 于8，例如在10至24之間的范圍內(nèi)，例如大于或等于12,例如大于或等 于20，例如大于或等于40，例如大于或等于80。
33. 根據(jù)權(quán)利要求1至32中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中所述 第二光纖以一層或多層(例如2層或3層)方式圍繞所述第一光纖。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的光學(xué)部件，其中每層圍繞所述第一光纖 的第二光纖在其第二端部上的數(shù)值孔徑均不同。
35. 根據(jù)權(quán)利要求1至34中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中所述 光學(xué)部件還包括圍繞所述多個第二光纖和所述第 一光纖的安裝導(dǎo)管，從而 可以固定并保護所述光纖。
36. 根據(jù)權(quán)利要求1至35中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中所述光學(xué)部件還包括圍繞所述多個第二光纖、第一光纖以及反射器元件的安裝 導(dǎo)管，從而可以固定并保護所述光纖以及所述反射器元件。
37. 根據(jù)權(quán)利要求1至36中的任何一項所述的光學(xué)部件，其中所述 反射器元件另外還包括從下列元件的組中選擇的一個或多個元件，所述元件群組包括i )光學(xué)元件，其包括至少在所述光學(xué)元件的部分區(qū)域上大體上對于 抽運波長、光學(xué)透明的材料；ii) 光學(xué)元件，其包括至少在所述光學(xué)元件的部分區(qū)域上大體上對于 信號波長義,光學(xué)透明的材料；iii) 光學(xué)元件，其至少在所述光學(xué)元件的部分區(qū)域上反射至少部分信 號波長義,的光，例如大體上全部光；iv) 光學(xué)元件，其至少在所述光學(xué)元件的部分區(qū)域上透射至少部分信 號波長/l,的光，例如至少60%的光；v) 光學(xué)元件，其準(zhǔn)直所述信號波長4的光；vi) 光學(xué)元件，其聚焦所述信號波長4的光；其中，所述一個或多個光學(xué)元件在安裝狀態(tài)下與所述第一光纖端部和 /或所述第二光纖端部光學(xué)耦合。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的光學(xué)部件，其中所述反射器元件是可配 置的，所述可配置在于一個或多個所述元件可以被輕易加入或移除。
39. —種光纖放大器，包括根據(jù)權(quán)利要求1至38中任何一項所述的 光學(xué)部件。
40. —種光纖激光器，包括根據(jù)權(quán)利要求1至38中任何一項所述的 光學(xué)部件。
41. 一種光纖激光器或放大器，包括根據(jù)權(quán)利要求1至38中任何一
42. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的光纖激光器或放大器，其中所述放大光 纖為雙包層光纖。
43. 根據(jù)權(quán)利要求41或42所述的光纖激光器或放大器，其中所述放 大光纖為標(biāo)準(zhǔn)光纖。
44. 根據(jù)權(quán)利要求41至43中的任何一項所述的光纖激光器或放大器， 其中所述放大光纖為光子晶體光纖。
45. 根據(jù)權(quán)利要求41至44中的任何一項所述的光纖激光器或放大器，其中所述光學(xué)活性材料包括Yb。
46. 根據(jù)權(quán)利要求41至45中的任何一項所述的光纖激光器或放大器， 其中所述光學(xué)活性材料包括Er。
47. 根據(jù)權(quán)利要求41至46中的任何一項所述的光纖激光器或放大器， 其中所述放大光纖光學(xué)耦合至所述光學(xué)部件的第一光纖。
48. 根據(jù)權(quán)利要求41至47中的任何一項所述的光纖激光器或放大器， 其中所述放大光纖與所述光學(xué)部件的所述第一光纖相同。
49. 根據(jù)權(quán)利要求41至48中的任何一項所述的光纖激光器或放大器 包括根據(jù)權(quán)利要求1至38中的任何一項所述的共用同一放大光纖的第一 和第二光學(xué)部件。
50. 根據(jù)權(quán)利要求49所述的光纖激光器或放大器，其中所述第一光 學(xué)部件包括具有高反射器的鏡元件并且所述第二光纖組裝部件包括具有 用于激光的輸出耦合器的鏡元件。
51. —種光學(xué)部件的制造方法，所述制造方法包括下列步驟a. 提供具有在第一光纖端部具有NA1的抽運芯的第一光纖；b. 定位多個圍繞所述第一光纖的所述抽運芯的第二光纖，所述多個 第二光纖的每一個均具有第二光纖端部，所述第二光纖的至少其中之一在 所述第二光纖端處具有NA2的抽運芯，NA2比NA1??；c. 提供具有預(yù)定外形和反射涂層的端面的反射器元件，定向所述反 射器元件使得從所述第二光纖的至少其中之一而來的抽運光在端面上反 射進(jìn)入所述第一光纖的抽運芯。
52. 根據(jù)權(quán)利要求51所述的光學(xué)部件的制造方法，其中設(shè)置所述反 射器元件包括具有預(yù)定外形的第一端面和第二端面以及反射涂層，并且其 中所述抽運光從所述第二端面反射進(jìn)入所述第 一光纖的抽運芯。
53. 根據(jù)權(quán)利要求51或52所述的方法，其中所述第一光纖和所述第 二光纖安裝在安裝導(dǎo)管中。
54. 根據(jù)權(quán)利要求53所述的方法，其中所述反射器元件安裝在所述 安裝導(dǎo)管中。
55. —種光學(xué)部件的制造方法，所述制造方法包括下列步驟a. 提供具有NA1的抽運芯的第一光纖以及第一光纖端部；b. 定位多個圍繞所述第一光纖的所述抽運芯的第二光纖，所述多個 第二光纖的至少其中一個具有NA2的抽運芯，并且NA2比NA1小，所述第二光纖的每一個均具有第二光纖端部；c. 將所述第一端部和所述第二端部融合在一起以形成端蓋；d. 成形所述端蓋的端面至預(yù)定外形；e. 利用金屬或介電涂層涂覆具有預(yù)定外形的所述端面以便在所述第 二端面上反射從所述第二光纖的至少其中之一而來的抽運光進(jìn)入所述第 一光纖的抽運芯。
56. —種根據(jù)權(quán)利要求1至38中的任何其中一項的光學(xué)部件的使用。
57. —種根據(jù)權(quán)利要求56所述的在激光器或放大器中的使用。
58. —種棒狀光纖，其具有縱向方向并且包括 芯區(qū)域；第一包層區(qū)域，其圍繞所述芯區(qū)域； 第二包層區(qū)域，其圍繞所述第一包層區(qū)域；其中在光纖的橫截面中，所述芯區(qū)域的最大尺寸Dc。re大于20，并且 棒狀光纖的最大外尺寸Dw大于700，，其中所述第一包層的最大外尺寸 Dc函與Dw的比值介于0.05至0.5的范圍內(nèi)，并且其中對于所述棒狀光纖 的固體部分具有體積Vl的長度L，與對應(yīng)長度上的具有外接所述外形的圓 形外形狀的固體光纖相比，光纖截面具有適配于提供增大的軸向剛度與體 積的比值的外形。
59. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的棒狀光纖，其中所述棒狀光纖包括一個 或多個縱向延伸的孔，其最大截面尺寸比芯區(qū)域的最大截面尺寸大。
60. 根據(jù)權(quán)利要求58或59所述的棒狀光纖，其中所述棒狀光纖的外 周具有非圓形形狀。
61. 根據(jù)權(quán)利要求58至60中的任何一項所述的棒狀光纖，其中所述 棒狀光纖的外周包括n條邊緣和n個頂點，例如所述外周具有多邊形形狀。
62. 根據(jù)權(quán)利要求58至61中的任何一項所述的棒狀光纖，其中所述 邊緣為非線形，例如相對于所述光纖的芯區(qū)域為凸面形。
63. 根據(jù)權(quán)利要求58至62中的任何一項所述的棒狀光纖，其中優(yōu)化 所述棒狀光纖的外形使其具有大的表面以便改善所述光纖的散熱。
64. 根據(jù)權(quán)利要求58至63中的任何一項所述的棒狀光纖，其中優(yōu)化 所述棒狀光纖的外形使其能夠承載 一 個或多個光纖，例如抽運光纖。
65. 根據(jù)權(quán)利要求58至64中的任何一項所述的棒狀光纖，其中所述 芯區(qū)域適配于傳播信號波長人的光。
66. 根據(jù)權(quán)利要求58至65中的任何一項所述的棒狀光纖，其中所述 內(nèi)包層區(qū)域適配于傳播抽運波長、的光。
67. 根據(jù)權(quán)利要求58至66中的任何一項所述的棒狀光纖，其中Dcladl 在IOO，至400，的范圍內(nèi)。
68. 根據(jù)權(quán)利要求58至67中的任何一項所述的棒狀光纖，其中Dc。re大于50/zm，例^口大于70^m，例^!口大于100，，例^口大于150，，例^!口大于200戸，例如大于300戸。
69. 根據(jù)權(quán)利要求58至66中的任何一項所述的棒狀光纖，其中D一 大于0.7mm，例嗩口大于lmm,例3o大于1.2mm，例3ct大于1.5mm,例^口 大于2mm，例如在0.7mm至3mm的范圍內(nèi)。
70. 根據(jù)權(quán)利要求58至69中的任何一項所述的棒狀光纖，其中D,e 與Dcladl的比值處于0.5至0.95之間的范圍內(nèi)，例如在0.6至0.8之間的范 圍內(nèi)，例如在0.7至0.75之間的范圍內(nèi)。
71. 根據(jù)權(quán)利要求1至38中的任何一項所述的光學(xué)部件，包括根據(jù) 權(quán)利要求58至70中的任何一項所述的棒狀光纖。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種光纖耦合器，用于耦合兩個或更多光源進(jìn)入多包層(例如雙包層)光纖中，該光纖耦合器具有在處理、損耗以及背向反射等方面上的實際優(yōu)點。本發(fā)明提供了一種光學(xué)部件，包括a)具有NA1的抽運芯和第一光纖端的第一光纖；b)圍繞所述第一光纖的所述抽運芯的多個第二光纖，所述第二光纖的至少其中之一具有比NA1小的NA2的抽運芯，所述每個第二光纖均具有第二光纖端；以及c)包括具有預(yù)定外形的端面，用于反射從所述第二光纖端而來的光進(jìn)入所述第一光纖的抽運芯的反射器元件。本發(fā)明還與包括所述光學(xué)部件的設(shè)備(例如激光器或放大器)有關(guān)，與所述光學(xué)部件的制造方法和使用方法有關(guān)。本發(fā)明還與具有優(yōu)化的剛度和體積比的棒狀光纖有關(guān)。例如，本發(fā)明可使用在例如光纖激光器或放大器等應(yīng)用中，特別是在光纖放大器(其中雙包層光纖中抽運光和信號光以不同方向傳播)的應(yīng)用中。
文檔編號G02B6/28GK101283491SQ200680024880
公開日2008年10月8日 申請日期2006年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者T·尼古拉吉森 申請人:晶體纖維公司