專利名稱：用于多包層光纖的多模光纖外包層耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖耦合器。具體地，本發(fā)明涉及適合于將多模泵浦光纖耦合到多包層光纖 特別是雙包層光纖的外導(dǎo)向包層內(nèi)的耦合器。 背景駄
多模光纖被用在許多應(yīng)用中，f魏信網(wǎng)絡(luò)、傳麟系統(tǒng)、航空電子技術(shù)以及醫(yī)療儀器。雖 然多模光纖最初的應(yīng)用多與衝諸關(guān)，但目前其應(yīng)用的一部分在于另陛以傳送光能為主要需求 的應(yīng)用。隨著激光器、二極管以及激光二極管棒功率的增加和亮度的提高，還發(fā)現(xiàn)多模光纖經(jīng) 常用在工業(yè)激光器應(yīng)用中。特別地，光纖激光皿其設(shè)計(jì)方面已經(jīng)得以改進(jìn)，目前其能夠傳送 數(shù)百瓦特的輸出。高功率光纖激光器全部都基于雙包層光纖(DCF)。在這樣的光纖里，激光 被寸輸至雙包層光纖的纖芯，而光功率泵浦光卻在光纖的第一個(gè)光包層內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)向。第二個(gè)光 包層生成了夕卜波導(dǎo)。因?yàn)榘鼘颖壤w芯大，所以更大的光功率可以注入光纖內(nèi)，即更高的泵浦功 率可以提供給雙包層光纖的增益纖芯，由此為激光器提供更大的輸出功率。有關(guān)這種結(jié)構(gòu)的概 述描述在Ka&a的美國(guó)專利US4，829，529里。雖然泵浦功率和纖芯光可以用笨重的光學(xué)元件像 透鏡、反射鏡和二向色濾光注入，但是商業(yè)化和工業(yè)化的推動(dòng)使之正朝著用光鄉(xiāng)賴附向雙包層 光纖掛共耦合的方向前進(jìn)。這些部件被設(shè)計(jì)皿用那些連接在光纖尾部的激光二極管、激光二 極管棒或倒可泵浦功率光源上的一個(gè)或數(shù)個(gè)多模光纖，并被設(shè)計(jì)成將該一個(gè)或數(shù)個(gè)多模光纖連 接在雙包層光纖的包層上。
有兩種將泵浦光耦^a^又包層光纖的途徑。 一種途徑是用端面注入光，稱為端面泵浦；另
一種途徑設(shè)法從側(cè)面耦合光，稱為側(cè)面泵浦。
許多專利都給出了實(shí)現(xiàn)端面泵浦的器件和技術(shù)。最簡(jiǎn)單的技術(shù)是接合直徑和數(shù)值孔徑 (NA)都比DCF小的單根多模光纖。如果需要多根光纖，可以如美國(guó)專利US4，392,712或 US4，330,170中公開的那樣，對(duì)光纖束進(jìn)行熔合、錐形化以及劈開。錐形化的光纖束(或TFB) 的一半最終被接合在DCF上，如美國(guó)專利US6,823,117所述。
因?yàn)楣饫w束成錐形，所以在光纖束與DCF之間可以保持基本的亮度守恒(conservation^光纖束的錐形化增大了多模結(jié)構(gòu)中光線的縱向角ez，但光束直徑qv卻減小。對(duì)于具有最大縱向
角e"勺導(dǎo)向光線，泵浦光纖的數(shù)值 L徑NAb用以下等式給出 wco sin= 7V/4A
其中， 。是泵浦光纖其纖芯的折射率。
因而，敲守恒用下列關(guān)系魏 P具< ^Z)d
其中，p野是注入泵浦的DCF包層的直徑，假^是該包層的數(shù)值 L徑。利用這個(gè)關(guān)系， 可以制作多光纖組合器，像7xl (7根多模光纖2入一根輸出光纖)或19xl。在恰當(dāng)選擇光纖 的直徑和數(shù)值孔徑下，這些耦合器可以將光纖尾部泵浦的，轉(zhuǎn)換到DCF。
然而，在雙包層光纖激光器里，纖芯內(nèi)的功率必須被輸出到某處。j頓這些部件，只可能 從一個(gè)端面輸A) 又包層光纖。對(duì)于需要更多輸入光纖的激光器'或者尤其慰寸于放大器，其需 要在光纖束間增加單根光纖來(lái)輸A^輸出信號(hào)。這使光纖束的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜化，因?yàn)檫@會(huì)對(duì)光 纖束的幾何形狀產(chǎn)生限制，如Di Giovanni的美國(guó)專利US5，864，644和Fidric的美國(guó)專利 US6,434,302所示。隨后，信號(hào)光纖被錐形化，并且為減小光纖束內(nèi)的信號(hào)纖芯與DCF的纖芯 之間的接合損耗，必須滿足某些錐度比。因?yàn)閹缀伍_別犬的緣故，最普通的器件是(6+l)"組合 器(圍繞1單根光纖的6根泵浦光纖入DCF)。在這種結(jié)構(gòu)里，束間的所有光纖都具有相同的 直徑。當(dāng)信號(hào)光纖是大纖芯光纖時(shí)，模式通常很少，從而錐形化更加有限，如Gonthier等人在 美國(guó)專利申請(qǐng)公開Na2005/0094952Al所述的。對(duì)于偏振保持光纖這樣的信號(hào)光纖，情況相同。 因此，在這種情形下，因?yàn)橹醒氲墓饫w不是泵浦光纖，所以/短浦光纖到DCF的亮度損失將 惡化大約15%。
因而，端面泵浦的優(yōu)勢(shì)在于多職浦光纖可以組合，并且亮度能得以最大地保留，只要所 有泵浦端口都樹頓。但是，如果需要的是信號(hào)直通光纖并且DCF只有兩個(gè)端面，那么就會(huì) 對(duì)結(jié)構(gòu)幾何糊犬和信號(hào)光纖產(chǎn)生限制。
第二種途徑即側(cè)面泵浦可以用不同的方式實(shí)現(xiàn)，但是這些方式都多少與Kawasaki等人在美 國(guó)專利US4,291,940里首先公開的熔合耦合器有關(guān)，該專利描述的是雙錐形光鄉(xiāng)刊禹合器。當(dāng)兩 根或更多根多模光纖被縱向熔合并被錐形化時(shí)，光會(huì)從一根光纖泄漏，這是因?yàn)樵谙洛F形部分 處模的縱向角增大，護(hù)變成耦合到其他多模光纖上。隨著直徑在上游錐形輸出部分處再次增大， 模的縱向角減小到低于輸出光纖的數(shù)值孔徑的一個(gè)值，從而生成低損耗光纖部件。這類簡(jiǎn)單器件能很容易地將光耦^SDCF中，但是它們易于在多模波導(dǎo)里產(chǎn)生均勻的功率分布，從而大 量功率會(huì)保留在多模泵浦光纖里。然而，這種耦合可以如MacCormack等人的美國(guó)專利 US6,434,295所述那樣進(jìn)行優(yōu)化。在簡(jiǎn)化的耦合模型中，可以假設(shè)多模熔合雙錐形耦合器內(nèi)的 耦合或功率分布與耦合器內(nèi)條合光纖的相對(duì)面積成正比。因而，對(duì)具有相同直徑的泵浦光纖和 DCF光纖的耦合將導(dǎo)致泵浦光50%的耦合。如果制作一種用相同直徑的一頓浦光鄉(xiāng)刊禹合兩 根DCF光纖的耦合器，那么4賄66%的泵浦光被傳送到DCF光纖內(nèi)。另夕卜，MacCo皿ack提 出M使耦合器橫向地不對(duì)稱來(lái)提高這種耦合。如果泵浦光纖的數(shù)值 W5小于DCF光纖的數(shù) 值孔徑，那么按照敲守恒定律，泵浦光纖可以與數(shù)值 L徑的比率成正比地錐形化。隨后，耦 合激皮熔合在這個(gè)不對(duì)稱區(qū)域內(nèi)，該不對(duì)稱區(qū)域的比率支持著(infavourof) DCF。 #例子， 如果泵浦光纖具有0.22的數(shù)值 L徑和DCF具有0.44的數(shù)值 L徑，那么泵浦光纖可以被錐形化 2倍，由此其面積減小4倍。兩根光纖之間面積的比從未錐形化泵浦光纖瞎形下的50%/50% 變化為對(duì)于帶有錐形化泵浦光纖的非對(duì)稱耦合器的20%/80%，從而現(xiàn)在能耦合80%的泵浦光 到DCF里。然而，不幸的是，因?yàn)楸闷止饫w內(nèi)保留的功率，按照亮度的使用來(lái)說這項(xiàng)技術(shù)并 非十分有效，而為了獲得非常好的耦合效率，需要泵浦光纖與DCF之間面積相差最大，但是 亮度損失卻與這個(gè)相差比直接成正比。因此，耦^M好，亮度越差。
美國(guó)專利US4,586,784提出另一種生成耦合效率不^訴爾的方式。它同樣基于的是縱向熔合 在一起的光纖，但在與其他多模光纖相熔合的泵浦光纖內(nèi)采用的卻是縱向錐形化，以生成耦合 的更大不對(duì)稱。在美國(guó)專利US5,999,673中，還提出一種熔合在DCF光纖上的錐形布置，但 在這種情形下單職浦光纖被錐形化為非常小的直徑，大大高于2倍。這導(dǎo)致在泵浦光纖內(nèi)傳 播的光線的角度增大。然而，因?yàn)槭清F體熔合在DCF上，所以在光線達(dá)到不會(huì)SI皮DCF導(dǎo)向 的角度之前，光開始從泵浦光纖泄漏進(jìn)DCF內(nèi)。為確保這樣，激光二極管向泵浦光纖的對(duì)寸 割牛被控制得使從激光器耦合出的光線的縱向角不超過DCF的縱向角，即使這些光線已經(jīng)穿 過熔合在耦合器上的錐形化部分。激光尾部(pigtail)的角度與DCF的臨界角之間的關(guān)系給定 為未錐形化泵浦光纖和DCF光纖的面積總和與輸出DCF光纖的面積的比的平方根，其中假設(shè) 光纖被錐形化為可以忽略的直徑。這項(xiàng)技術(shù)具有能產(chǎn)生艦100%耦合效率的優(yōu)點(diǎn)，然而，這 樣的布置不能使亮度最佳。采用這種關(guān)系時(shí)，亮度的相對(duì)損失等于DCF的發(fā)散角與臨界角的 比。對(duì)于兩根相同直徑的光纖，其給出的值是40%，這比(6+l)xl組合器要差。另外，如果激 光器與耦合器之間的泵浦光纟m度適當(dāng)?shù)脑挘闷衷匆子跐M足泵浦光纖的數(shù)值 L徑，從而改變 泵浦光纖內(nèi)光線的發(fā)散角。因?yàn)榕cDCF不匹配，所以這會(huì)在耦合器輸出處導(dǎo)致?lián)p失。因此，偵靦泵浦的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)光纖是經(jīng)常遊賣性的，它們可以一個(gè)接一個(gè)地級(jí)耳妹提高耦 合功率的量，并且它們不會(huì)受到端面泵浦組合器所受到的幾何糊犬限制的困擾。側(cè)面泵浦的缺
點(diǎn)在于它們?cè)谇帽３址矫嫘Ч詈芏?。iix寸放大器的長(zhǎng)度和激光器的腔長(zhǎng)有直接的影響，因
為增益介質(zhì)的吸收隨著直徑增大而變差，要耦^^合定尾部泵浦光纖的泵浦源的話，需要較大直 徑的光纖，從而較長(zhǎng)的增益光纖。另外，如果需要幾l^浦，那么采用單B浦光纖就限制了 設(shè)計(jì)布置的靈活性。
因此，需要提供一種改進(jìn)的耦^t徑將泵浦光纖的光功率耦合進(jìn)DCF光纖內(nèi)，同時(shí)優(yōu)化 遊賣DCF的側(cè)向泵浦使其具有端面泵浦組合器 亮度效率這樣的優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)在于提供一種耦合器，其將泵浦光纖側(cè)向地耦合到多包層光纖尤其是 DCF的外導(dǎo)向包層。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)在于改善側(cè)向泵浦耦合器的亮度效率。本發(fā)明的又一個(gè)目標(biāo)在于掛共一種獲得這樣耦合器的方法。 本發(fā)明的其他目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)從下面的描述可以顯而易見。
實(shí)際上，本發(fā)明^f共一種具有這樣結(jié)構(gòu)的耦合器，即在該結(jié)構(gòu)中，多，形泵浦光纖側(cè)向 耦合在多包層光纖像DCF上。優(yōu)選地，DCF少量或沒有錐形化，由此保留著DCF纖芯的模 型性質(zhì)并將損失的信號(hào)降至最小。本發(fā)明的耦合器可以采用單模光辯禹合到大纖芯DCF，并 且既可以具有偏振保持DCF光纖又可以具有非偏振保持DCF光纖。這種耦合基于的是泵浦光 纖的數(shù)值 L徑，而不是泵浦源注AS泵浦光纖的光線的發(fā)散角，通常，DCF的數(shù)值 L樹駄 于泵浦光纖的數(shù)值孔徑值。
錐形的泵浦光纖縱向地熔合在DCF上，并且這些光纖的熔合程度沿縱向變化，使得泵浦 光纖的下游或會(huì)聚錐體牢固地熔合在DCF上，同時(shí)泵浦光纖的上游或發(fā)散錐體極少熔合或根 本不熔合。殘余的泵浦功率由此在不必熔合到DCF上的輸出泵浦光纖內(nèi)被降至最小。而且， 這些輸出泵浦光纖可以從光學(xué)結(jié)構(gòu)整體移出。還可以在本發(fā)明的耦合器中采用較大的光纖直 徑，像400iom或600(jm。
本發(fā)明制造多模光纖外包層耦合器的方、 iS本上包括步驟
a) 形成多，形泵浦光纖；
b) 以期望的排列圍繞剝掉f對(duì)戶夕卜套的中央多包層光纖定位所述多^l形泵浦光纖，由此 形成光纖束；以及C)扭曲所述光纖束并將它^f七，以形成這種一種結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)里，所述錐形泵浦光 纖朝腰部會(huì)聚的部分變成輸入泵浦光纖，而所述錐形光纖從腰部發(fā)散的部分變成輸出泵浦光 纖。
im地，所述輸入泵浦光纖牢固地熔合在所述中央多包層光纖上，而戶;M輸出泵浦光纖非 常小地熔合或根本不熔合在所述中央多包層光纖上。
同時(shí)，所述輸出泵浦光纖M3i加熱和基本上M要部拉出而齡從戶脫結(jié)構(gòu)去除，并且在拉 出所述輸出泵浦光纖后留下的樹可段通常被再加熱和熔合在所述多包層光纖上。
在第二實(shí)施例中，所述束在腰部被劈開，形成具有與多包層光纖基本上相同直徑的劈丌面， 并且所述束具有熔合在其側(cè)向上的輸入泵浦光纖的部分與輸出多包層光纖接合，該輸出多包層 光纖類似于或等同于在所述束中央處的多包層光纖，并且tt^是增益光纖。
現(xiàn)在，參看附圖描述本發(fā)明，在附圖中-
圖1是圖解現(xiàn)有技術(shù)用接合在一根輸出光纖上的7根輸入光纖制作錐形熔合光纖束的歩驟 (a)至(e)的透視圖2是現(xiàn)有技術(shù)中用彩寸準(zhǔn)、扭曲、熔合和錐形化光纖束的光纖保持器的階段(a)和(b) 的透視圖3a和3b是現(xiàn)有技術(shù)光纖束的劈開端面的照片；
圖4是圖解另一現(xiàn)有技術(shù)制作錐形熔合光纖束的步驟(a)至(f)的透視圖，在光纖束中 央的信號(hào)光纖接合在一根輸出DCF上；
圖5是圖解依照本發(fā)明制作光纖束的步驟(a)至(e)的透視圖6是熔合在用本發(fā)明制造的DCF光纖上的錐形泵浦光纖的非對(duì)稱烙合剖面的橫截側(cè)面; 以及
圖7是在錐形泵浦光纖的腰部劈開的光纖束端面的照片。
為更好5翻軍本發(fā)明，首先圖解和描述一些現(xiàn)有技術(shù)的例子?，F(xiàn)有技術(shù)中采用的端面泵浦結(jié) 構(gòu)經(jīng)常需要在光纖束與DCF之間進(jìn)行接合。產(chǎn)生這種結(jié)構(gòu)的技術(shù)圖解在圖1中，其中在步驟 (a)，六fe^則光纖10、 11、 12、 13、 14和15縱向地定位在中央光纖16周圍。接著，在步 驟(b)，這些外側(cè)光纖IO、 11、 12、 13、 14和15繞中央光纖16扭曲，形戯纖束。其后， 在步驟(c)，熔^S個(gè)光纖束并拉伸，直至其在用線A-A表示的腰部處具有與要接合的DCF相同尺寸的直徑。然后，在線A-A處劈開，并用DCF光纖18的末端對(duì)準(zhǔn)該劈開的末端，如 步驟(d)所示。最后，如圖l的步驟(e)所示，光纖束腰部的對(duì)/t^端與DCF光纖18的末 端相接合，形j^^面泵浦的多模組合器20。
為實(shí)現(xiàn)圖l所示的步驟(a)、 (b)和(c)，可以使用如圖2所示的機(jī)構(gòu)或夾具，它們?cè)诂F(xiàn) 有技術(shù)里是已知的。如圖2的階段(a)所示，將數(shù)個(gè)多模光纖IO、 11、 12保持在機(jī)械保持器 26和28的夾鉗22和24中。在圖2中，為簡(jiǎn)4t^見只示出三根這樣的光纖，但是已知的是這 樣的機(jī)構(gòu)可以處理任何數(shù)目的光纖，例如從兩根至腿過60根，例如在Vakili等人的美國(guó)專利 US6,823,117中給出地。因而，在圖2的階段(a)，為描述的目的，光纖10、 11和12與圖1 所示相同，者陸保持器26和28之間的預(yù)定長(zhǎng)度上剝?nèi)ニ鼈兊膄斜戶外套，并且如果適宜，它們 的外包層或包層可以用適當(dāng)?shù)乃崛芤嚎涛g掉。亥鵬掉外部包層容許光纖間更容易耦合，同時(shí)去 除這幽層不會(huì)引起損耗，這是因?yàn)椴Ａб豢諝饨缑婵梢源_f越種導(dǎo)向。因此，在圖2所示機(jī) 構(gòu)的階段(a)，光纖IO、 11、 12正確i似寸準(zhǔn)，然后它們以期望的方式扭曲，機(jī)械保持器26和 28如箭頭30、 32所示可以旋轉(zhuǎn)。接著，采用相同的機(jī)構(gòu)，但如圖2的階段(b)所示，用適 宜的熱源34將扭曲的光纖10、 11、 12熔合在一起，并拉伸到期望的禾號(hào)，機(jī)械保持器26和 28如箭頭36和38所示可以側(cè)向移動(dòng)。
在圖1所示的例子中，采用圖2階段(a)和(b)所述的流程，但慰寸如圖1步驟(a)所 示正確對(duì)準(zhǔn)的相同直徑的幾根光纖10、 11、 12、 13、 14和15，將其扭曲在一起形成緊密填充 成六角形的布置，如圖1步驟(b)所示。雖然這種緊密填充的布置對(duì)多模組合器并非必需， 但是卻是非常期望地，這是由于它能為熔化過程提供非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，尤其對(duì)于具有直通 (feed-through)信號(hào)光纖的光纖束，這是很重要的。 一旦如圖1步驟(b)所示扭曲，光纖就 可以用粘合劑在扭曲結(jié)構(gòu)兩端固定起來(lái)。這樣做是為了確保在包括懶七過程在內(nèi)的下一歩驟期 間保持穩(wěn)定，通常這用熱源來(lái)實(shí)現(xiàn)，熱源可以是氧—丙烷微火焰、C02激光器或微烘爐。為避 免過度應(yīng)力和變形，應(yīng)當(dāng)使用較寬且?guī)в谢鹧娴臒嵩?，這可以M在燃七區(qū)i或之上刷(brush) 火焰來(lái)實(shí)現(xiàn)。在劇七過程中，需要對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉伸，以校正變形并確保更好的激七。在熔 化和/或拉伸期間或之后，如圖1步驟(c)所示，對(duì)光纖束實(shí)施錐形化，使得它的腰部與圖 1步驟(d)所示的作為輸出光纖的包層波導(dǎo)的尺寸相匹配。例如，如果多模輸入光纖直徑為 125fjm，那么7根這樣的光纖將形成375^m的直徑束。如果輸出光纖直徑為125,，像125, 低折射率聚合物涂覆光纖，那么光纖束必須被;^ft且錐形化，使得它的腰部從375,減小到 125,。然后，在圖l步驟(c)的線A-A處，使用例如硬質(zhì)合金刀片同時(shí)在劈開點(diǎn)施加張力或彎曲應(yīng)力，從中間將光纖束劈開。圖3a是光纖束的端面在錐形l^前的照片，圖3b是在熔 化和錐形4tt后在腰部劈開的相同光纖束的照片。接下來(lái)，移去其中一個(gè)半光纖束，并用輸出 光纖替換該半光纖束，同時(shí)將另一個(gè)半光纖束與輸出光纖的端面對(duì)準(zhǔn)，如圖1的步驟(d)所 示，然后接合該兩個(gè)端面，形成如圖1的步驟(e)所示的組合器。用合適的熱源完成接合， 該熱源可以與謝爐禾舒萬(wàn)用的關(guān)繊相同。考慮上面討論的亮度定律，除因?qū)嶒?yàn)缺陷弓胞的損耗 外，該光纖束是低損耗的。在上面的例子里，如果輸出光纖的NA是0.45，因?yàn)殄F形化倍數(shù)是 3倍，輸入光纖的NA應(yīng)低于0.15。 ffi3l刻蝕輸入光纖的包層可以優(yōu)化這種結(jié)構(gòu)。通常所用的 具有105pm纖芯和125(om包層的光纖可以刻蝕到105,。從而，束的直徑是315,而不是 375)om，所需的錐形化倍數(shù)是2,5倍。在因?yàn)榱炼榷a(chǎn)生損粒前，輸入光纖的NA達(dá)到0.18。 前面參看圖1和圖2描述的過程可以在具有直通信號(hào)光纖的布置里采用。這需要信號(hào)光纖 放置在束的中間，并向這種布置施加一些非對(duì)稱。在這種情形中，雙包層信號(hào)光纖的尺寸可以 與泵浦光纖的尺寸相匹配，但其他尺寸可以是常見的像具有105,纖芯/ 125gm包層的泵浦 光纖、25pm纖芯/ 250gm包層DCF或200ium纖芯/ 22,包層泵浦光纖以及25,纖芯/ 400pm包層DCF。在這種情形中，ftj可特殊的直通信號(hào)光纖都必須被設(shè)計(jì)成具有與泵浦光纖 相同的尺寸，或如圖4所示，在圖4步驟(a)中結(jié)構(gòu)中間處示出的較大信號(hào)光纖16Affiil刻 蝕和/或錐形化來(lái)調(diào)整尺寸，變成與圖4步驟(b)所示的周圍泵浦光纖IO、 11、 12、 13、 14 和15相同的尺寸。接下來(lái)，圖4中剩余步驟(c)至(f)基本與圖1中步驟(b)至(e)相 同，除中央的泵浦光纖16用信號(hào)光纖16B替換外。然而，應(yīng)當(dāng)注意，為保持增益光纖的傳輸， 在圖4步驟(c)中實(shí)施的燃七必鄉(xiāng)艮小，以保持信號(hào)纖芯內(nèi)的模型糊犬，從而產(chǎn)生損耗。隨 手，光纖束被錐形化成DCF包層的直徑，如圖4步驟(d)所示。然后，在如圖4步驟(e) 所示將束的纖芯與DCF的纖芯精確對(duì)7t^后，將它們接合起來(lái)，形成如圖4步驟(f)所示的 組合器結(jié)構(gòu)20。為減小這種已知系統(tǒng)的損耗，纖芯可以Mil擴(kuò)散和錐形化或刻1:爐通信號(hào)光 纟鎖fi^頁(yè)處理，如在屬于本申請(qǐng)人的美國(guó)專利申請(qǐng)公開Na2005/0094952所公開的。然而，這 通常需要在設(shè)計(jì)和制作時(shí)幾個(gè)精巧的步驟，因?yàn)椤读鸫命c(diǎn)都會(huì)引起損耗，特別^X寸于低數(shù)值孔 徑、大纖芯或偏振保持光纖。因此，這種束和接合方式會(huì)引起各種問題，特別是當(dāng)直通信號(hào)光 纖要插入束里、并被^^和錐形化然后接合在DCF的纖芯上時(shí)。除±^提到的損耗問題外， 糊七光纖束會(huì)在信號(hào)光纖內(nèi)產(chǎn)'述力，并且為將這種應(yīng)力降至最小，需要非對(duì)稱的光纖束。而 且，從光纖束信號(hào)光鄉(xiāng)邗俞出的模場(chǎng)必須于DCF的模場(chǎng)匹配。最后，因?yàn)閮煞N不同的結(jié)構(gòu)接合 在一起，所以接合本身還存在著基本問題；這個(gè)問題隨著光纖直徑變大而變得更加明顯，因?yàn)楣饫w需要更多的熱量因而在制作過程中更容易'鄉(xiāng)。因此，端面泵浦的方式對(duì)于組親浦而言 通常是令人滿意的，但是因?yàn)楣饫w束中和接合中的光纖變形以及接合自身的不匹配原因，可能
魏受信號(hào)^tr瞎形中的問題。
為減小或消除上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出ffiii在組合器中接合的兩側(cè)處使用匹配
的DCF光纖或者替代iikfflil，去除接合來(lái)^it拼接。
圖5圖解依照本發(fā)明的組合器的形成過程。如圖5步驟(a)所示，最初的束以與圖4步驟 (a)所示相同的光纖布置開始，但在這種情形中，中央的光纖束18與輸出DCF光纖18相同。 在該具體例子中環(huán)繞的泵浦光纖IO、 11、 12、 13、 14以及15與圖4所示的相同。為了倉(cāng)改刻每 該束與DCF光纖相組合，束的直徑必須基本上減小到DCF光纖的直徑。在端面泵浦的方案里， 如圖4所示，中央的信號(hào)光纖16A首先被減小到基本上與光纖10-15相同的光纖16B的直徑。 然后，在扭曲和;)^fct后，齡束被錐形化，使得在其腰部，其基本上具有與DCF光纖18相 同的直徑，之后雜腰部被劈開，并用光纖18接合形成組合器20。
按照本發(fā)明，如圖5步驟(b)所示，中央的DCF光纖保持不變，因?yàn)椴幌Ｍ麑?duì)DCF進(jìn) 行變形，而只對(duì)泵浦光纖IO、 11、 12、 13、 14和15錐形化。泵浦光纖的錐形尺寸被制作得與 光纖直徑相比非常小，艮P小于10X，從而制造出當(dāng)如圖5步驟(c)所示扭曲和熔化時(shí)、在腰 部基本上等于DCF的結(jié)構(gòu)。這可以ffiil預(yù)錐形化所有的泵浦光纖，然后將它們扭曲并JMb在 中央的DCF周圍生成束來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而在錐形化泵浦光纖的腰部，它的直徑基本上等于DCF的 直徑。在這種布置中，只要錐^S其長(zhǎng)度上至少,地激七在中央的DCF上，前面戶皿的亮 度定律京爐用。這意B賴按照未錐形化束和DCF的比例，輸出DCF的數(shù)值 L徑應(yīng)當(dāng)比泵浦光 纖的數(shù)值 L徑大。如果該束沿圖5步驟(c)所示的纖B-B劈開，該線表示最小的腰部，那么 如圖5步驟(d)所示，^l射導(dǎo)至啲劈開端面40與相同的DCF的端面42對(duì)準(zhǔn)，并如圖5步驟(e) 所示，將它們接合起來(lái)形成組合器21，所得的接合非常好，并且在信號(hào)傳輸時(shí)損耗非常低， 同時(shí)泵浦耦合優(yōu)良。
以這種方式，對(duì)于DCF和對(duì)于泵浦光纖，制作幾種具有不同光纖尺寸的耦合器逸驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?用兩種結(jié)構(gòu)制作逸驗(yàn)?zāi)Ｐ?6+l)xl。第一種結(jié)構(gòu)采用20pm纖芯/400拜包層直徑，纖芯為0.06 數(shù)值孔徑、包層為0.46數(shù)值孔徑的低折射率聚合物涂覆DCF。泵浦光纖具有200,纖芯和 220,直徑的包層。首先，剝掉這些泵浦光纖的各個(gè)護(hù)套，并用氟化酸刻蝕10,包層。隨后， 劈開光纖，并將其放置在例如圖2所示的光纖保持夾具上。這些光纖l^文置在六邊形網(wǎng)格上， 然后泵浦光纖被錐形化為40,的直徑。監(jiān)測(cè)其中一+驟浦光纖的f^，在拉伸之后顯示出10%的損耗。然后，在插入中央位置的光纖保持夾具之前，剝掉DCF光纖的保護(hù)外套。隨后將 這7根光纖的布置一起扭曲。在其長(zhǎng)度上用火焰刷燒(flame brush)該光纖束，以去除由扭曲 而引起的應(yīng)力。然后在其輸入頂?shù)寡坷喂痰厝酆?。在這個(gè)過程中，監(jiān)測(cè)相同泵浦光纖內(nèi)和 DCF內(nèi)的泵浦4輸，同時(shí)監(jiān)測(cè)纖芯內(nèi)的信號(hào)。在腰部的接觸處，觀察到泵浦光纖與DCF之間 有20%的功率轉(zhuǎn)移。盡管沿錐形區(qū)域長(zhǎng)度的均勻熔合可以提供泵浦光纖與DCF之間的正確耦 合，但慰寸于該過程而言這是不切實(shí)際的，因?yàn)閯?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)下游錐形區(qū)±或內(nèi)的泵浦功率轉(zhuǎn)移是不 可能的。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，所以在泵浦光纖的會(huì)聚區(qū)域或下游錐形區(qū)域內(nèi)從泵浦光鄉(xiāng)刊禺 合到DCF的一些功率被耦合回至揼浦光纖內(nèi)。因而，沒有任何對(duì)DCF內(nèi)將要保留到DCF內(nèi) 的耦合功率的正確測(cè)量。為了正確地測(cè)量下游錐體內(nèi)的功率轉(zhuǎn)移，發(fā)現(xiàn)fflii僅熔合光纖束的下 游錐形部分而不熔合光纖束的上游錐形部分，可以實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱耦合，如圖6所示。該圖表示圖 5歩驟(c)所示結(jié)構(gòu)的縱向橫截面圖，其中中間的DCF光纖18被錐形泵浦光纖圍繞著，會(huì)聚 錐體44朝向中央的DCF向下地傾斜，并與DCF熔合，從而在用線C-C表示的腰部，在中央 的DCF光纖與圍繞的泵浦光纖之間留有非常小的空間。然后，隨著錐體開始分叉，例如在線 D-D之后，根據(jù)這附圖，從這個(gè)點(diǎn)開始泵浦光纖的這，體46基本上不熔合在中央的DCF光 纖18上。因?yàn)檫@種耦合取決于熔合的禾號(hào)和熔合的長(zhǎng)度，所以ffi31不熔合輸出錐體，耦合長(zhǎng) 度被制作得比錐體長(zhǎng)度更長(zhǎng)，因此光幾乎全部被耦合到下游錐體處的DCF，而只有每光纖低 于1 %的光被耦合回到輸出泵浦光纖。
由于熔合的進(jìn)行，泵浦裙俞提高到超出85%。當(dāng)泵浦^tr約為80%時(shí)，信號(hào)惡化開始可 以測(cè)量。當(dāng)信號(hào)損耗為5%時(shí)，熔合停止。該過程成功復(fù)制超過20個(gè)樣品。該過程顯示出泵 浦耦合與信號(hào)損粒間的權(quán)衡。這是由于熔^il程弓胞的微彎曲的原因。當(dāng)施加較長(zhǎng)的熔合時(shí) 間時(shí)，泵浦耦合可以達(dá)到超過94%，而信號(hào)損耗為20% 30%。為了將變形降至最小，在熔 合步驟期間實(shí)施很小的拉伸，該拉伸足以保持該結(jié)構(gòu)筆直，但不產(chǎn)生任何顯著的錐度(低于 10%的錐度)。另外，發(fā)^J^合過程所用的時(shí)間ttffi當(dāng)很短，即幾^H中，以避免出現(xiàn)顯著的 變形和顯著的損耗。在熔合步驟之后，將一些耦合器封魏來(lái)，留下輸出泵浦光纖作為監(jiān)測(cè)端 口，以測(cè)量輸入的泵浦功率。這樣得到的耦合器發(fā)揮作用，不需要任何劈開也不需要與輸出 DCF接合。在這種結(jié)構(gòu)中，生成的耦合器是側(cè)面耦合器，其在輸出處沒有倒可劈開和接合， 從而給出非常良好的信號(hào)4舒俞，并且亮度保持效率等于端面泵浦耦合器的，保持效率。這樣 的耦合器示出在圖5的步驟(c)中，在該步驟里，線B-B處沒有做ftj可劈開，并且依照?qǐng)D6 所示的實(shí)施例制^31^B-B的端部，即上游錐形化的輸出泵浦光纖基本上沒有熔合在中間的DCF光纖上。
然而，去除輸出泵浦光纖是期望的，以簡(jiǎn)^i寸裝并縮短封裝長(zhǎng)度，以及使直接在封裝內(nèi)插 入增益雙包層光纖成為可能，從而在放大器組件內(nèi)節(jié)省一個(gè)接合。這種去除當(dāng)然也可以如參看 圖5所述的那樣來(lái)實(shí)現(xiàn)，即fflil在步驟(c)沿線B-B劈開耦合器結(jié)構(gòu)，采用與標(biāo)準(zhǔn)錐形化光 纖束相同的方法，然后將半,禹合器熔合在輸出DCF光纖上，該輸出DCF光纖與輸入結(jié)構(gòu)中 央的光纖相同。在這種情形中，對(duì)于泵浦耦合，觀察到幾個(gè)百分點(diǎn)的增益，并忠寸于非偏振保 持DCF，纖芯信號(hào)的接合損耗也只有幾個(gè)百分點(diǎn)。4頓偏振保持DCF時(shí)，這種接合對(duì)偏振消 光系數(shù)有損害效應(yīng)，并且損耗較大。
而且，輸出泵浦光纖的去除還可以通過加熱這些光纖，然后如圖6線D-D所示、在這些輸 出光纖還沒有熔合在中央光纖上時(shí)從該結(jié)構(gòu)拉離這些光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)。
泵浦耦合與信號(hào)損耗t間的權(quán)衡主要取決于所用的光纖類型。使用具有與前述DCF相同 數(shù)值 L徑即纖芯0.06、包層0.46的25pm纖芯/ 250,包層DCF光纖制作相同的(6+l)xl結(jié) 構(gòu)。在這種情形下，泵浦光纖小于105^m纖芯/125Mm包層。除泵浦光纖的錐體直徑不同外， 制作步驟全部相同，該泵浦光纖的錐體直徑為15,，對(duì)應(yīng)于錐體泵浦光纖中大約50%的損耗。 這可以加以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檩^小的光纖用比較大光纖更低的應(yīng)力來(lái)扭曲，較小光纖比 韌。這自 然斷氐了輸出泵浦光纖內(nèi)的功率量，從而艦了耦合。光纖較小時(shí)，火炬發(fā)出的熱量被減小， 以便不j^七光纖。在這種情形下，泵浦耦合平均高于90%，信號(hào)損耗低于5%?？执缙癖３?DCF和非偏振f親DCF都是正確的。在熔合步驟之后，將一些耦合器封^1^，留下輸出泵 浦光纖作為監(jiān)測(cè)端口，來(lái)測(cè)量輸入的泵浦功率。采用與標(biāo)準(zhǔn)錐形化光纖束相同的工藝劈開其他 耦合器。這樣劈開的照片示出在圖7中。該照片示出相對(duì)于DCF，泵浦光纖是多么的小。在
這種情形下，泵浦光纖的去除也可以ffi3i加熱輸出光纖荊各輸出光纖拉出來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這樣去除
之后，留在DCF上的輸出泵浦光纖的小段被再次加熱，并烙合在DCF上，從而在連接點(diǎn)處使 表面光滑。然而，不幸的是，并非輸出光纖內(nèi)所有的泵浦光者敞保存下來(lái)，這是因?yàn)橐恍┕饩€ 確實(shí)超出了DCF光纖的臨界角，但是整體的耦合被改善。圖7示出本發(fā)明與圖3b所示的現(xiàn)有 技術(shù)之間光纖束結(jié)構(gòu)的顯著差異。
另外，圖7還示出即使光纖在扭曲過程中)(訴爾地放置，它們也會(huì)在熔^31程中移動(dòng)，在非 對(duì)稱結(jié)構(gòu)中在腰部熔合。但這不會(huì)影響泵浦功率的耦合，并且顯示出在腰部圍繞著DCF的光 纖的偏移并非決定性的。同時(shí)，可以從該結(jié)構(gòu)去除一些泵浦光纖，而不會(huì)影響耦合。
因此，無(wú)論采用光纖束被劈開并被接合的實(shí)施例，還是采用禾,縱向依賴的熔合的實(shí)施例，都驚奇地發(fā)現(xiàn)，與所有光纖都必須緊湊布置以減小作用在信號(hào)光纖上的不均勻應(yīng)力這種端面泵 浦途徑相反，在本發(fā)明的實(shí)施例里，泵浦光纖不必相互接觸。實(shí)際上可以去除泵浦光纖，而這 4娥高耦合的效率，這是因?yàn)樵谳敵霰闷止饫w內(nèi)撤少的殘余功率。因?yàn)殄F形化光纖與全尺寸 光纖相比向光纖束施加極小的應(yīng)力，所以這是可能的。因?yàn)槊慷丝诠β实膿p耗，亮度保持效率 惡化，但該敲保持效率比美國(guó)專利US5,999,673中所掛共的單泵浦光纖要高。因此，(6+l)xl 結(jié)構(gòu)可以很容易地制瘋5+l)xl、 (3+l)xl或(2+l)xl。隨著端口數(shù)目增加，光纖束的直徑也增加。 因而，泵浦光纖可以具有較大的數(shù)值 L徑。在所有光纖具有相等直徑的(6+l)xl結(jié)構(gòu)中，泵浦 光纖的NA與DCF的NA之間需要3倍的倍數(shù)，而對(duì)于(2+l)x 1 ，只需要2倍。因此，具有0.46NA 的輸出CF的(6+l)xl可以采用(6+l)xl結(jié)構(gòu)中NA為0.15的泵浦光纖和(2+l)xl結(jié)構(gòu)中NA為 0.22的泵浦光纖。還發(fā)現(xiàn)，減少泵浦光纖的數(shù)目可以稍微提高耦合比。這是可以J翻軍的，因?yàn)?從一根泵浦光纖泄漏的一些光可以更容易地到達(dá)另一根泵浦光纖。
另一方面，當(dāng)DCF具有比泵浦光纖的直徑更大的直徑時(shí)，更多的泵浦光纖可以圍繞著DCF。 例如，400pm直徑的DCF可以具有九個(gè)200Mm直徑的泵浦光纖，從而生爽9+l)xl的光纖束。 再次，如果并非所有的端口術(shù)別頓，那么它們可以在制作束之前從束去除。
一般而言，端面泵浦途徑和側(cè)面泵浦途徑都既具有優(yōu)點(diǎn)又具有缺點(diǎn)，最佳的結(jié)構(gòu)選擇主要 取決于可用的泵浦源和DCF的設(shè)計(jì)。因?yàn)閊m效率的問題，對(duì)于筆直的多模光纖組合而言， 端面泵浦是最佳的選擇。然而，當(dāng)信號(hào)需要直通光纖時(shí)，選擇就主要取決于泵浦耦合的效率、 亮度效率與信號(hào)損粒間在權(quán)衡。本發(fā)明齒共了優(yōu)4tS種在信號(hào)損耗、泵浦耦合與亮度效率之 間權(quán)衡的方法。
在上述實(shí)施例中很重要的一點(diǎn)是所有的泵浦光纖都被假設(shè)賴疏滿泵浦光，即光線在光纖 內(nèi)的發(fā)散由光纖的數(shù)值 L徑給出。在未充滿的狀態(tài)下，即光纖內(nèi)傳播的輸入激光泵浦光不會(huì)激 發(fā)所有可用角度空間的情況下，本發(fā)明這種器件的泵浦耦合效率將更好地發(fā)揮作用。
應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明不限于上面描述的具體實(shí)施例，只要不脫離本發(fā)明和下面權(quán)利要求的范 圍，對(duì)所屬領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的各種改變都是可以做出的。
權(quán)利要求
1.一種具有這種結(jié)構(gòu)的耦合器，在這種結(jié)構(gòu)中，多個(gè)錐形泵浦光線側(cè)向耦合在多包層光纖上，并且所述泵浦光纖和所述多包層光纖的數(shù)值孔徑被如此調(diào)節(jié)，使得提供期望的泵浦耦合和亮度效率。
2. 依照權(quán)利要求l的耦合器，其中所述多包層光纖是雙包層光纖(DCF)。
3. 依照權(quán)禾腰求2的耦合器，其中所述DCF具有選自對(duì)莫到大芯構(gòu)造的信號(hào)傲俞芯。
4. 依照權(quán)利要求2或3的耦合器，其中所述DCF的數(shù)值孔徑比所述泵浦光纖的NA大。
5. 依照權(quán)利要求2、 3或4的耦合器，其中戶;M錐形泵浦光纖首先朝著所述DCF上的腰部會(huì)聚，然后從戶;f^i要部發(fā)散開，戶;f^會(huì)聚光纖是輸入泵浦光纖，所述分散光纖是輸出泵浦光纖。
6. 依照權(quán)利要求5的耦合器，其中所述輸入泵浦光纖牢固地熔合在所述DCF上，而所述 輸出泵浦光纖基本上不熔合在所述DCF上。
7. 依照權(quán)利要求6的耦合器，其中所述輸出泵浦光纖被從阮述結(jié)構(gòu)去除，只留下熔合在 戶皿DCF上的輸入光纖。
8. 依照權(quán)利要求5的耦合器，其中該耦合 腰部處被劈開，具有所述輸入泵浦光纖的 部分接合在輸出DCF上，該輸出DCF類似于或等同于所述輸入光鄉(xiāng)刊禹合在其上的DCF。
9. 依照權(quán)利要求8的耦合器，其中所述輸出DCF是增益光纖。
10. 依照權(quán)利要求2至9中任一項(xiàng)的耦合器，其中所述DCF用偏振保持光纖制成。
11. 依照權(quán)利要求2至9中任一項(xiàng)的耦合器，其中所述DCF用非偏振保持光纖制成。
12. —種制造多模光纖外包層耦合器的方法，包括步驟a) 形成多，形泵浦光纖；b) 以期望的排列圍繞剝掉{對(duì)戶夕卜套的中央多包層光纖定^^述多轉(zhuǎn)形泵浦光纖，由此 形成光纖束；以及c) 扭曲所述光纖束并將它熔化，以形成這種一種結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)里，所述錐形泵浦光 纖朝腰部會(huì)聚的部分變成輸入泵浦光纖，而所述錐形光纖從腰部發(fā)散的部分變成輸出泵浦光纖。
13. 依照權(quán)利要求12的方法，其中所述輸入泵浦光纖牢固地熔合在所述中央多包層光纖 上，而戶脫輸出泵浦光纖非常小地熔合或根本不熔合在所述中央多包層光纖上。
14. 依照權(quán)利要求13的方法，其中所述輸出泵浦光纖MJi加熱和基本上/AI要部拉出而從所述結(jié)構(gòu)去除。
15. 依照權(quán)利要求14的方法，其中在拉出所述輸出泵浦光纖后留下的任何段被再加熱和 熔合在所述中央多包層光纖上。
16. 依照權(quán)利要求12的方法，其中所述錐形泵浦光纖用非常小的錐直徑形成，使得腰部 處的束基本等于所述多包層光纖的直徑。
17. 依照權(quán)利要求16的方法，其中所述泵浦光纖在腰部處的錐直徑小于所述泵浦光纖直 徑的10%。
18. 依照權(quán)禾腰求16或17的方法，其中戶腿束御要部被劈開，并且所述束具有側(cè)向熔合 輸入泵浦光纖的部分與輸出多包層光纖接合，該輸出多包層光纖類似于或等同于在所述束中央 處的多包層光纖。
19. 依照權(quán)利要求12至18中任一項(xiàng)的方法，包括將雙包層光纖(DCF)用作所述中央多 包層光纖。
20. 依照權(quán)利要求19的方法，其中所用的DCF具有比所述泵浦光纖的直徑大的直徑。
21. 依照權(quán)利要求19或20的方法，其中所用的DCF具有比所述泵浦光纖的NA大的數(shù) 值孔徑(NA)。
全文摘要
一種多模光纖耦合器具有這種結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中多個(gè)錐形泵浦光纖側(cè)向耦合在多包層光纖列如雙包層光纖(DCF)上。這種耦合器通過首先形成多個(gè)錐形泵浦光纖然后將它們圍繞著多包層光纖定位從而形成光纖束來(lái)制造。隨后，光纖束被扭曲和熔合，使得輸入泵浦光纖朝腰部會(huì)聚，并從腰部發(fā)散。泵浦光纖的發(fā)散部分可以從這種結(jié)構(gòu)去除。同時(shí)，在腰部處，這種結(jié)構(gòu)可以被劈開，并且具有會(huì)聚泵浦光纖的部分與多包層光纖接合，該多包層光纖類似于或等同于所述束中央處的多包層光纖。
文檔編號(hào)G02B6/38GK101405635SQ200780009246
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2007年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月7日
發(fā)明者尼爾森·瓦沖, 弗朗索瓦·工希爾, 馬克·加納安 申請(qǐng)人:Itf實(shí)驗(yàn)室