專利名稱：有源光纖和有源光纖的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有源光纖、光纖放大器、以及光纖激光器。
背景技術(shù)：
雙包層有源光纖被廣泛應(yīng)用于光纖激光器和放大器。具有數(shù)千瓦的CW輸出功率 的光纖激光器和放大器已經(jīng)被演示。除了明顯優(yōu)點(diǎn)之外，已知的雙包層有源光纖具有嚴(yán)重 的缺陷。首先，對(duì)能夠發(fā)射到雙包層光纖的泵浦功率的級(jí)別有限制。這因此限制光纖激光 器和放大器的功率縮放能力。此外，在單模光纖中，基模傳播要求對(duì)最大芯直徑施加限制。 該要求規(guī)定即使具有小數(shù)值孔徑(NA <0.07)的光纖，對(duì)Iym的工作波長(zhǎng)，芯直徑不應(yīng)超 過(guò)12 μ m。同時(shí)，由于雙包層光纖中的泵浦吸收取決于芯/包層直徑比，雙包層光纖的外直 徑應(yīng)不超過(guò)300-400 μ m?？紤]到可用的泵浦源的有限的亮度，光纖直徑的限制自動(dòng)地導(dǎo)致 對(duì)有源部件的輸出功率的限制。其次，每個(gè)包層傳播模式的泵浦吸收系數(shù)由芯中的模式場(chǎng)分布與摻雜物(例如稀 土離子)分布之間的交疊確定。因此，由于各個(gè)模式的模式場(chǎng)分布中的差異，每個(gè)模式將被 以不同的效率吸收。因此，基本上能夠?qū)⑷堪鼘觽鞑ツＪ絼澐譃閮山M“可吸收”和“不可 吸收”模式。第一組模式具有軸向?qū)ΨQ模式場(chǎng)分布。這些是在摻雜芯(即，在光纖的中心)具 有最大密度的模式。因此，這些模式被良好地吸收以及對(duì)光放大貢獻(xiàn)很大。第二組模式仍 然包含泵浦功率的必要部分，與芯和摻雜物具有小的重疊(overlap integral) 0因此在該 組中的模式在光纖的芯不被有效地吸收，并且不對(duì)光放大有顯著貢獻(xiàn)。就射線光學(xué)而言，“可吸收”模式能夠被理解為沿著光纖傳播的子午射線跨過(guò)光纖 的光軸，即摻雜芯?！安豢晌铡蹦Ｊ侥軌虮焕斫鉃樾鄙渖渚€。這些斜射射線具有螺旋軌跡， 并且仍被雙包層光纖的內(nèi)包層引導(dǎo)，但不跨過(guò)摻雜芯傳播。通常的泵浦吸收根據(jù)以下情景發(fā)生。第一組模式，子午射線隨著其在光纖的長(zhǎng)度 方向上傳播而被迅速吸收。大部分地集中到斜射射線的其余的泵浦輻射實(shí)踐上沒有任何吸 收地傳播。圖1示出通過(guò)雙包層光纖傳播之前和之后的泵浦輻射的模態(tài)光譜。由于不同模 式具有顯著不同的吸收，所以模態(tài)光譜隨著光沿著光纖傳播顯著地改變；光譜“孔”被燒入 光譜。在“可吸收”模式經(jīng)歷顯著吸收之后模態(tài)光譜開始穩(wěn)定。沿著光纖長(zhǎng)度方向的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的非均勻分布主要是泵浦輻射隨著傳播距離發(fā) 生的模態(tài)內(nèi)容的變化的結(jié)果。有源光纖具有不充分反轉(zhuǎn)的部分作為吸收器工作。這造成激 光器和放大器的泵浦轉(zhuǎn)換效率的退化。存在三個(gè)主要途徑來(lái)提高雙包層光纖中受限制的泵浦吸收。第一種使用具有特殊 形狀包層的光纖。包層的截面能夠是例如截?cái)嘈?truncated)、雙截?cái)嘈?、矩形、六邊形、?十邊形并且光纖能夠具有從光纖的中心偏移的芯(圖2)。由于射線的傳播軌跡變得更雜 亂，所以包層或偏移芯的特殊形狀使模態(tài)光譜豐富。這造成光纖的模態(tài)光譜更連續(xù)。因此，相比于圓形對(duì)稱光纖，更大部分的總泵浦功率被集中到模態(tài)光譜的“可吸收”模式。泵浦功 率到有源芯的低吸收是因?yàn)楣饫w的規(guī)則性，即模態(tài)光譜對(duì)于光纖的全部部分相同。從現(xiàn)有 技術(shù)已知包層的特殊幾何形狀導(dǎo)致泵浦功率吸收的增加，但不能完全地消除吸收飽和的問(wèn)題。第二種途徑開拓由于嵌入到光纖涂層中的諸如沙子、金屬、陶瓷或塑料顆粒的顆 粒狀的物質(zhì)引起的光纖的非規(guī)則彎曲。周期性的非規(guī)則壓力和彎曲產(chǎn)生模耦合，其結(jié)果導(dǎo) 致光學(xué)功率的一部分從斜射射線(“不可吸收”模式)轉(zhuǎn)移到子午射線(“可吸收”模式) (圖3a)。盡管，非規(guī)則性可以提高泵浦功率的吸收，但是該效果強(qiáng)烈地取決于光纖幾何形 狀。如已知的，模耦合系數(shù)D強(qiáng)烈地取決于光纖的外直徑D O- d8/b6 λ 4 (1)其中d是芯直徑，b是光纖的外直徑，以及λ是工作波長(zhǎng)。從(1)可見，具有大直徑(300-500 μ m)的光纖的模耦合系數(shù)非常低。此外，該方 法僅僅可應(yīng)用于具有小于200 μ m的包層外直徑的相對(duì)薄的光纖，因?yàn)楹茈y以所要求的空 間周期彎曲300-600 μ m直徑的光纖。另外，包層的雜亂機(jī)械應(yīng)力和擾動(dòng)可以導(dǎo)致斜射和泄 露射線之間的耦合，結(jié)果造成泵浦功率損失的增加。這將導(dǎo)致有源部件的效率的退化。提高雙包層光纖中的泵浦吸收的第三種途徑已經(jīng)在美國(guó)專利#6，687，445B2中被 公開，其中特殊“截?cái)鄥^(qū)域”或“細(xì)絲”被嵌入到光纖包層(圖3b)中?！敖?cái)鄥^(qū)域”可以由 玻璃、空氣、陶瓷、金屬或其他材料制成。“截?cái)鄥^(qū)域”用作散射中心，其增強(qiáng)“不可吸收”斜 射射線到“可吸收”子午射線的轉(zhuǎn)換。該方法具有的明顯缺點(diǎn)是由于在直接嵌入到包層中 的“截?cái)鄥^(qū)域”的散射將必然地導(dǎo)致泵浦功率的顯著泄露到光纖之外。即該方法將導(dǎo)致泵 浦損失。發(fā)明目的本發(fā)明的目的是通過(guò)提供新型有源光纖結(jié)構(gòu)及其制造方法解決現(xiàn)有技術(shù)中的上 述技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的特征在獨(dú)立權(quán)利要求1到8中呈現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的一種有源光纖的一部分包括有源的芯和用于傳播泵浦輻射并且折 射率小于芯的折射率的內(nèi)包層。該有源光纖的該部分還包括圍繞內(nèi)包層的外包層。該外包 層的折射率小于內(nèi)包層的折射率。根據(jù)本發(fā)明，芯的直徑和內(nèi)包層的厚度沿著有源光纖的 該部分的長(zhǎng)度逐漸改變形成錐形縱向曲線或輪廓并且使沿著光纖的該部分進(jìn)行連續(xù)模式 轉(zhuǎn)換處理成為可能。該錐形芯在光線的該部分的粗端支持多模工作。根據(jù)本發(fā)明制造有源光纖的一部分的方法包含以下步驟制造預(yù)制件，以便在拉 絲塔中從所述預(yù)制件拉拔有源光纖；將所述預(yù)制件安裝到拉絲塔；以及在所述拉絲塔中拉 拔光纖；在拉拔光纖期間改變包括放線預(yù)制件速度和收線光纖速度的兩個(gè)參數(shù)中的至少一 個(gè)。該方法合成所述有源光纖的一部分的錐形曲線。在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)在拉拔光纖之前預(yù)拉拔預(yù)制件來(lái)減少 預(yù)制件的直徑。在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一個(gè)實(shí)施例中，在拉拔光纖期間，預(yù)制件和存放預(yù)制件的爐子的溫度被改變。這將導(dǎo)致穩(wěn)定狀態(tài)條件的變化和光纖直徑的變化。在根據(jù)本發(fā)明的制造有源光纖的一部分的方法的又一個(gè)實(shí)施例中，在從拉絲塔的 高溫爐中出來(lái)之后錐形光纖被涂敷聚合物涂層。泵浦功率可以從光纖的該部分的一端或從光纖的該部分的兩端被耦合到光纖的 該部分的內(nèi)包層。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，不只一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的光纖的錐形部分可以按順序存 在以形成光纖的雙錐形或多錐形部分。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，芯在光纖的該部分的細(xì)端上支持單模工作。有源光 纖的錐形部分可以被設(shè)計(jì)為對(duì)于工作波長(zhǎng)，芯在細(xì)端能夠只支持基模，而芯在粗端能夠支 持多模工作。當(dāng)光纖的該部分用于例如激光器或放大器的光放大時(shí)，輸出輻射將是單模。單 模工作在例如電信應(yīng)用中是有益的，其中光脈沖的色散應(yīng)被最小化。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，芯在光纖的該部分的細(xì)端支持多模工作。在錐形光 纖的該部分的細(xì)端具有多模的芯具有例如抑制光纖的錐形部分中的受激布里淵散射，其在 當(dāng)光纖用于高功率應(yīng)用時(shí)特別重要。多模光纖輸出的另一優(yōu)點(diǎn)是大模式場(chǎng)直徑(大橫截芯 面積)，這有助于輸出到其他部件的耦合。大模式場(chǎng)直徑還引起發(fā)生受激布里淵散射的更高 的閾值光功率。在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，有源光纖的該部分的錐形縱向曲線或輪廓是線性曲 線、冪定律曲線、指數(shù)曲線、或這些曲線的組合。與現(xiàn)有技術(shù)的有源光纖相比，根據(jù)本發(fā)明的有源錐形光纖的該部分的重要特征是 具有顯著更高的泵浦光吸收。除了已知的增加有效光學(xué)長(zhǎng)度的效果之外，根據(jù)本發(fā)明的錐 形光纖的該部分還利用模耦合(或模混合)，其顯著地提高了泵浦光吸收。就射線光學(xué)而 言，這能夠被理解為穿過(guò)光纖的有源錐形部分傳播的泵浦光的每條射線的反射角在每次從 光纖的內(nèi)包層和外層之間的邊界反射之后增大。相比于現(xiàn)有技術(shù)的具有單模輸出的有源光纖，根據(jù)本發(fā)明的光纖的該部分的粗端 的粗芯和所述芯的錐形曲線導(dǎo)致更大體積的有源芯，在其中泵浦光能夠被吸收。這還有助 于泵浦光吸收增加以及根據(jù)本發(fā)明的有源光纖的該部分的效率的顯著增加。根據(jù)本發(fā)明的有源光纖的該部分的結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)益處是該結(jié)構(gòu)對(duì)輸入的泵浦光 具有大的接受孔徑，以及如上所解釋地同時(shí)顯著地提高泵浦光到芯的吸收。這些屬性減 輕或消除現(xiàn)有技術(shù)的有源光纖的受限功率輸出的問(wèn)題。有源光纖的該部分的粗端的大 直徑允許將泵浦輻射從高功率低強(qiáng)度的泵浦源以高效率發(fā)射到錐形光纖中。例如，具有 100-200mm*mrad的光束產(chǎn)品參數(shù)(BPP)的泵浦源可以被使用。這使得能夠使用千瓦級(jí)別半 導(dǎo)體棒二極管作為根據(jù)本發(fā)明的有源光纖的該部分的泵浦源。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)包層的外邊界在垂直于有源光纖的縱向方向的平面 上具有非圓形截面。有源光纖的該部分的芯還可以從光纖的中心偏移。這些屬性為光纖結(jié) 構(gòu)帶來(lái)非對(duì)稱性，隨著射線的傳播軌跡變得更雜亂，使模態(tài)光譜豐富。這使得光纖的模態(tài)光 譜更連續(xù)。因此，相比于圓形對(duì)稱光纖，更大部分的總泵浦功率被集中到模態(tài)光譜的“可吸 收”模式。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，有源光纖的該部分包括圍繞外包層的具有第四折射 率的第三包層。在此例中，第四折射率小于第三折射率。
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在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，有源光纖的該部分的芯是雙折射的。該芯優(yōu)選地在 常規(guī)偏振和非常規(guī)偏振之間具有大于5X 10_5的折射率差。強(qiáng)烈的雙折射幫助保持光纖輸 出的穩(wěn)定偏振態(tài)。具有從多模芯到支持較少的或僅僅單模的芯的逐漸變化的錐形光纖用作光譜選 擇性光學(xué)設(shè)備。該固有的光譜選擇性導(dǎo)致有源設(shè)備的效率的顯著增加，因?yàn)閮H僅被錐形芯 的細(xì)端支持的模式(即從錐形部分輸出的模式)被放大以及能夠貫穿該芯被保持。因此， 在光纖的該部分的粗端的更大體積的芯被更有效地使用以放大希望的輸出模式。根據(jù)本發(fā)明的光纖的有源錐形部分還減少高功率光纖激光器和放大器中的非線 性變形。通常非線性變形是由于受激布里淵散射(SBS)、自相位調(diào)制(SPM)或受激拉曼散射 (SRS)造成的。使用具有可變芯半徑的光纖能夠顯著地增加SBS的閾值。此外，具有大模式 直徑(在錐形部分的粗端的光纖)具有低級(jí)別的光功率密度，因此固有地免受SPM和SRS。按照以上討論，根據(jù)本發(fā)明的有源光纖的錐形部分具有多個(gè)特征，其全部有助于 克服現(xiàn)有技術(shù)的有源光纖和光纖設(shè)備的受限泵浦效率和受限功率縮放能力的問(wèn)題。這些問(wèn) 題在具有單模輸出的有源光纖和設(shè)備中更顯著。本發(fā)明的最重要的有益特征包括光纖的錐 形部分的長(zhǎng)光學(xué)路徑，連續(xù)模式轉(zhuǎn)換過(guò)程、大的芯/包層直徑比、大體積的有源芯、對(duì)輸入 的泵浦光的大接受孔徑、以及固有的光譜選擇性。這些特征一起顯著增加有源光纖設(shè)備的 效率和功率縮放能力。例如，本發(fā)明的一種應(yīng)用是受限的泵浦光效率和受限的輸出功率的 問(wèn)題更明顯的具有單模輸出的有源光學(xué)設(shè)備。


下面將結(jié)合所附的示意圖詳細(xì)描述本發(fā)明，其中圖1 (現(xiàn)有技術(shù))示出在經(jīng)過(guò)雙包層光纖之前(虛線)和之后(實(shí)線)的作為傳 播常數(shù)的函數(shù)的泵浦輻射光譜；圖2a到2f (現(xiàn)有技術(shù))示出具有芯和內(nèi)包層光纖的橫截面區(qū)域，該橫截面區(qū)域具 有偏移芯(c)以及具有標(biāo)準(zhǔn)圓形(a)、矩形(b)、八邊形(d)、截?cái)?e)、和雙截?cái)?f)的內(nèi)包 層；圖3a(現(xiàn)有技術(shù))示出具有嵌入到外包層的“截?cái)鄥^(qū)域”的光纖的縱向截面；圖3b (現(xiàn)有技術(shù))示出具有“截?cái)鄥^(qū)域”和直接嵌入到內(nèi)包層中的“細(xì)絲”的光纖 的縱向截面；圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的有源雙包層錐形光纖的一部分的縱向截面、 折射率曲線和錐形曲線的示例；圖5示出在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光纖的錐形部分縱向截面中的射線的傳 播；圖6示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光纖的雙錐形部分的縱向截面中的泵浦方 案；以及圖7示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的有源光纖的錐形部分的制造方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的雙包層有源光纖的錐形部分11的縱向截面。光纖的該部分包括有源芯1、內(nèi)包層2、以及外包層3。圖中還示出光纖的該部分的錐形曲線 或輪廓6。光纖的外包層3的錐形曲線6以光纖的該部分11的直徑作為光纖的該部分11 上的位置的函數(shù)呈現(xiàn)。在圖4的示例中，上述全部三個(gè)層的錐形曲線遵循線性函數(shù)關(guān)系，盡 管其他曲線也可以被利用?？紤]制造方法，能夠考慮這樣一個(gè)示例，其中光纖的該部分中的 所有層具有縱向曲線的相同函數(shù)依賴性。然而根據(jù)本發(fā)明，僅僅在其內(nèi)傳播泵浦功率的芯 1和內(nèi)包層2需要被制成錐形以使得發(fā)生所討論的技術(shù)效果。根據(jù)本發(fā)明的光纖的該部分11的直徑沿著光纖的長(zhǎng)度改變使得在光纖的該部分 的一端(粗端)芯1具有更大的直徑，且內(nèi)包層2更厚，具有非常大的接收孔徑以便耦合和 傳播泵浦功率。光纖的該部分11的直徑在該粗端可以是例如達(dá)到2mm(當(dāng)前這仍然是技術(shù) 上可制造的光纖的直徑的上限)，但也可以考慮更大的直徑。在光纖的錐形部分11的另一 端(細(xì)端)，光纖的芯1具有更小的直徑，并且用于傳播泵浦功率的內(nèi)包層2更細(xì)。由于錐 形，用于傳播泵浦功率的內(nèi)包層2在細(xì)端更細(xì)，使得光纖的錐形曲線使能泵浦功率的連續(xù) 模式轉(zhuǎn)換過(guò)程。根據(jù)本發(fā)明的光纖的該部分11的芯1是有源的，其中芯1中的有源元素在被泵浦 光激勵(lì)之后以其特征波長(zhǎng)發(fā)射光。芯1的有源元素可以是例如稀土元素的離子，但也可以 考慮芯1中發(fā)射光的其他元素和方法。圖4中的光纖的折射率曲線在細(xì)端8和在粗端7分別在光纖的該部分11的細(xì)端 和粗端示出。光纖的折射率曲線是階梯折射率曲線，芯1具有最大折射率。內(nèi)包層2的折 射率小于芯1的折射率，外包層3的折射率小于內(nèi)包層2的折射率。如從折射率曲線可見， 階梯函數(shù)的頂端在光纖的粗端9處比在光纖的細(xì)端10處更寬。這指示出光纖的該部分11 在粗端支持多模式工作，而在光纖的細(xì)端支持更少的模式或僅僅單個(gè)模式。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在光纖的該部分的細(xì)端的芯1支持單模工作。這總體上對(duì) 應(yīng)于階梯折射率光纖中的歸一化頻率V的V < 2. 405的值。有源光纖的錐形部分11能夠 被設(shè)計(jì)為使得芯1在細(xì)端能夠只支持工作波長(zhǎng)的基模，而芯1在粗端能夠支持工作波長(zhǎng)的 多模工作。因此，有源光纖的該部分11的單模部分用作空間濾波器，引導(dǎo)基模并且對(duì)更高 階模式提供顯著損失。因此，當(dāng)光纖的該部分11在激光器或放大器中被用于光放大時(shí)，輸 出輻射將是單模的。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，在光纖的該部分的細(xì)端的芯1還支持多模工作，但 比在粗端支持更少數(shù)量的模式。受激布里淵散射用作自調(diào)Q的觸發(fā)過(guò)程，其在產(chǎn)生(放大) 高功率窄帶寬輻射的期間發(fā)生。雜亂自調(diào)Q可以對(duì)以高功率工作的光纖激光器和放大器 功率縮放能力產(chǎn)生嚴(yán)重的限制。從自調(diào)Q引起的巨大的脈沖現(xiàn)象可以導(dǎo)致光纖芯中的光放 電，損壞光纖。為了避免自調(diào)Q，需要抑制光纖中的SBS升高。光纖的光發(fā)射線的展寬能夠 被用于抑制SBS。相比于單模情況，使芯1在光纖的錐形部分11的細(xì)端處支持超過(guò)單個(gè)模 式導(dǎo)致芯1中的光譜的顯著展寬，以及，作為結(jié)果，有效地抑制SBS。另外，通過(guò)使用具有大 橫截面積的芯1以及因此在錐形光纖的該部分11的細(xì)端的作為多模光纖特征的大的模式 場(chǎng)直徑，也能夠增加使SBS發(fā)生的閾值光功率。具有從多模芯到支持更少模式或僅僅單模的芯的逐漸變化的光纖的錐形部分11 用作光譜選擇性光學(xué)設(shè)備。該光譜選擇性具有非相互的屬性；光譜選擇性只出現(xiàn)在從光纖 的該部分11的粗端到細(xì)端的光傳播中。光纖的錐形部分11在相反方向不呈現(xiàn)任何光譜選
8擇性。光譜選擇性能夠通過(guò)結(jié)合錐形部分的粗部分中的模式間干擾與光纖的錐形部分11 的細(xì)部分中的多模散斑圖案的空間濾波(見以上)來(lái)解釋。固有的光譜選擇性能夠被用于 例如單通激光器，其中由于根據(jù)本發(fā)明的光纖的錐形部分11的固有屬性，激光器的線寬變 窄發(fā)生。由于僅僅被錐形芯1的細(xì)端支持的模式(即從錐形部分輸出的模式)被放大以及 能夠貫穿芯1維持，所以固有的光譜選擇性引起有源設(shè)備的效率的顯著增加。因此，在光纖 的該部分11的粗端，更大體積的芯1可以更有效地用來(lái)放大希望的輸出模式。
根據(jù)本發(fā)明的有源錐形光纖的該部分11的重要特征是相比于現(xiàn)有技術(shù)的有源光 纖，具有顯著更高的泵浦吸收。從現(xiàn)有技術(shù)已知，錐形光纖的有效光學(xué)長(zhǎng)度比非錐形光纖的 有效光學(xué)長(zhǎng)度更長(zhǎng)。因此，有源錐形光纖中的光和材料之間的互動(dòng)能夠被顯著增強(qiáng)，泵浦功 率的吸收能夠被增加。除了已知的增加有效光學(xué)長(zhǎng)度的效果之外，根據(jù)本發(fā)明的錐形光纖 的該部分11還利用模耦合(或?；旌?，其顯著地提高泵浦光吸收。就射線光學(xué)而言，這能 夠被理解為穿過(guò)光纖的錐形部分傳播的泵浦光的每個(gè)射線4的反射角在每次從光纖的內(nèi) 包層2和外層之間的邊界反射之后增加。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的雙包層光纖的錐形部分11的縱向截面。該圖 示出泵浦光的射線4如何在光纖的該部分中從內(nèi)包層2和外包層3之間的邊界反射傳播。 射線4在光纖上的入射角θ ^」、于由數(shù)值孔徑NA規(guī)定的光纖的最大接受角。射線4在內(nèi) 包層2和外包層3之間的邊界上的入射角α與反射角明顯相同。由于反射邊界以角度Θ 成錐形，在邊界上的入射角α在每次反射之后增加，如圖5中的射線4的軌跡所示。在根據(jù)本發(fā)明的光纖的錐形部分11中，該連續(xù)模式轉(zhuǎn)換過(guò)程(即如上所述的反射 角的增加)導(dǎo)致泵浦功率從被限制在包層中的“不可吸收”斜射射線到跨過(guò)光纖芯1的“可 吸收”子午射線的流動(dòng)。因此，在光纖的錐形部分傳播之后，最初在斜射射線(即在“不可 吸收”模式)中集中的泵浦功率變?yōu)轳詈系健翱晌铡蹦Ｊ?即到子午射線)。因此，通過(guò) 此有效的連續(xù)模式轉(zhuǎn)換機(jī)制，光纖的有源雙包層錐形部分11的泵浦光吸收得以提高。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，泵浦光被以低于由光纖的數(shù)值孔徑規(guī)定的最大角的角 耦合到光纖的該部分11。優(yōu)選的到光纖的入射角QiS以下條件給出^-<0.68
NA其中NA是部分光纖11的數(shù)值孔徑，以及η是介質(zhì)的折射率，泵浦光從其進(jìn)入光 纖。該方案確保隨著泵浦光的射線從光纖的內(nèi)包層2和外層之間的邊界反射，泵浦光的反 射角向錐形部分11的細(xì)端不變得過(guò)大。過(guò)大的反射角可能導(dǎo)致泵浦功率的一部分從光纖 漏出，而這將降低設(shè)備的效率。泵浦功率可以被從光纖的該部分的一端或從光纖的該部分的兩端耦合到光纖的 該部分的內(nèi)包層2。此外，可以按順序存在超過(guò)一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的錐形部分11以形成光纖 的雙錐形12或多錐形部分。用根據(jù)本發(fā)明的制造方法，通過(guò)改變光纖的錐形的方向，可以 實(shí)現(xiàn)制造這種雙錐形12或多錐形光纖。圖6示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的有源光纖的雙錐形錐形部分12的縱向截面， 包括光纖的兩個(gè)錐形部分11。圖6的雙錐形光纖的該部分12還包括不是錐形的第三包層 5。雙錐形部分12能夠被從具有大接受孔徑的兩端泵浦，如泵浦光的入射射線4所示。雙 錐形部分12的中心部分13的芯比在端部的粗的芯支持更少的模式或僅僅支持單模，因此
9部分12用作空間濾波器。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，有源光纖的該部分11包括圍繞外包層3的具有第四折 射率的第三包層5。在此情況下，第四折射率小于第三折射率。該附加包層能夠提供附加的 光學(xué)限制以及使內(nèi)層避免環(huán)境影響的機(jī)械保護(hù)。如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的錐形有源光纖的制造開始于制造例如摻 雜例如稀土離子的二氧化硅或玻璃預(yù)制件。預(yù)制件包括摻雜芯和所要求的包層結(jié)構(gòu)。包層 結(jié)構(gòu)能夠是例如具有外二氧化硅包層的雙包層結(jié)構(gòu)，其折射率低于芯和第一包層區(qū)域的折 射率。預(yù)制件還能夠具有多包層結(jié)構(gòu)，該多包層結(jié)構(gòu)具有圍繞芯的多個(gè)包層。預(yù)制件的橫 截面的形狀可以是圓形或諸如截?cái)嗷螂p截?cái)嗟奶厥庑螤睿@取決于被拉拔的光纖的橫截面 的需求形狀。有源光纖的預(yù)制件能夠用諸如MCVD、OVD、VAD、DND等已知的制造方法中的一 種制成。根據(jù)圖7的示例性實(shí)施例，該制造方法的下一步驟是在拉拔光纖之前減小預(yù)制件 的直徑以在拉拔期間減少預(yù)制件的熔化量。這使得更短的錐形光纖的部分能夠被拉拔。預(yù) 制件的直徑的減小能夠通過(guò)在拉拔光纖之前預(yù)拉拔預(yù)制件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在預(yù)拉拔步驟之后，預(yù) 制件被插入拉絲塔，拉絲塔包括適用于熔化例如二氧化硅或玻璃的高溫爐、用于將預(yù)制件 移動(dòng)到爐子的熱區(qū)的放線或輸出(take off)機(jī)構(gòu)、用于拉拔光纖的收線或牽拉(take up) 機(jī)構(gòu)、以及優(yōu)選地用于在拉拔過(guò)程中對(duì)光纖進(jìn)行涂敷的聚合物涂敷施加器。在將預(yù)制件安裝到拉絲塔之后，開始拉拔光纖。預(yù)制件的放線速度Vp和光纖的收 線速度Vf之間存在簡(jiǎn)單的關(guān)系。為了穩(wěn)定狀態(tài)光纖拉拔體系，VpxD2p=VfxD2f(2)其中Dp和Df分別是預(yù)制件和光纖的直徑。該關(guān)系能夠從預(yù)制件放線的量的速率 必須等于光纖收線的量的速率的假設(shè)導(dǎo)出。圖7的制造方法的下一步驟是改變穩(wěn)定狀態(tài)條件。為了制造錐形光纖，關(guān)系(2)必 須以某種方式被破壞。最方便的方式是同時(shí)或單獨(dú)改變速度Vp和速度Vf之一或兩者。例 如，如果光纖拉拔的速度Vf增大而Vp保持恒定，光纖的獲得直徑將被改變以滿足根據(jù)等式 (2)的新的條件。兩個(gè)拉拔穩(wěn)定狀態(tài)條件之間的光纖的中間部分將具有錐形形狀。在增大 Vf的情況下，光纖的直徑將減小。使用相同邏輯，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠直接推出在改變等式 (2)中的變量的其他情形下光纖的直徑的行為。例如，制造光纖的錐形部分的另一可能方式 是在相反方向上改變速度Vp和Vf。光纖的錐形部分的長(zhǎng)度主要由兩個(gè)參數(shù)確定爐子的熱慣性和在爐子中熔化的例 如二氧化硅或玻璃的預(yù)制件的量。通過(guò)加速?gòu)囊粋€(gè)穩(wěn)定狀態(tài)條件(如等式(2)中呈現(xiàn)) 到另一個(gè)的轉(zhuǎn)換以使光纖的錐形部分更短，期望使得預(yù)制件在爐子的熱區(qū)中的熔化量盡量 小。在光纖的拉拔期間，保留預(yù)制件的爐子的溫度還能夠逐漸改變。這將導(dǎo)致穩(wěn)定狀態(tài)條 件的變化，以及光纖直徑的變化。通過(guò)改變爐子的溫度，從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)條件到另一個(gè)的轉(zhuǎn) 換的動(dòng)力也能夠被改變以使控制光纖的錐形部分的長(zhǎng)度成為可能。在穩(wěn)定狀態(tài)條件被改變之后，光纖的錐形部分在從拉絲塔的高溫爐出來(lái)之后可以 經(jīng)歷聚合物涂敷步驟，如在圖7的實(shí)施例所示。錐形光纖通過(guò)特殊施加器，因而聚合物涂層 被沉積在光纖上。在拉拔過(guò)程中光纖被涂敷聚合物以保護(hù)光纖的內(nèi)層和芯。涂層可以具有 比光纖的包層的折射率低的折射率，因而在此情況下涂層還用作附加的低折射率包層。涂層還可以具有比包層的折射率高的折射率，因而在此情況下涂層僅僅用作機(jī)械保持涂層。 涂層可以應(yīng)用于任何種類的形狀預(yù)制件。相比于規(guī)則光纖，錐形光纖的涂層厚度也可以進(jìn) 行一定程度的改變，但這不影響錐形光纖的光學(xué)或機(jī)械性能。最后，在施加聚合物涂層之 后，可以停止拉拔光纖。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是，本發(fā)明不限于以上描述的示例，而 是上述實(shí)施例可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)自由變化。
權(quán)利要求
一種有源光纖的一部分(11)，其包括芯(1)，其具有第一折射率，所述芯(1)是有源的，內(nèi)包層(2)，其具有第二折射率，其用于傳播泵浦輻射，所述第二折射率小于所述第一折射率；以及圍繞所述內(nèi)包層(2)的外包層(3)，所述外包層具有第三折射率，所述第三折射率小于所述第二折射率，其特征在于，所述芯(1)的直徑和所述內(nèi)包層(2)的厚度沿著有源光纖的所述部分(11)的長(zhǎng)度逐漸改變形成錐形縱向曲線，這使得沿著光纖的該部分(11)的長(zhǎng)度進(jìn)行連續(xù)模式轉(zhuǎn)換過(guò)程成為可能，以及錐形芯(1)在光纖的該部分(11)的粗端支持多模工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源光纖的所述部分(11)，其特征在于，所述有源光纖的所 述部分(11)的所述芯(1)在光纖的所述部分(11)的細(xì)端支持單模工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任一項(xiàng)所述的有源光纖的所述部分(11)，其特征在于，所 述有源光纖的所述部分(11)的所述錐形縱向曲線是從包括線性曲線、冪定律曲線、指數(shù)曲 線、以及這些曲線的組合的組中選擇的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的有源光纖的所述部分(11)，其特征在于，所述內(nèi) 包層(2)的外邊界具有非圓形截面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的有源光纖的所述部分(11)，其特征在于，所述有 源光纖的所述部分(11)的所述芯(1)從所述光纖的中心偏移。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的有源光纖的該部分，其特征在于，所述有源光纖 的所述部分(11)包括圍繞所述外包層(3)的具有第四折射率的第三包層(5)，所述第四折 射率小于所述第三折射率。
7 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的有源光纖的所述部分(11)，其特征在于，所述有 源光纖的所述部分的所述芯(1)是強(qiáng)烈雙折射的，所述芯(1)在常規(guī)偏振和非常規(guī)偏振之 間具有大于5X 10_5的折射率差。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的有源光纖的所述部分(11)，其特征在于，超過(guò)一 個(gè)所述有源光纖的所述部分(11)按順序存在以形成光纖的一部分(12)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的有源光纖的所述部分(12)，其特征在于，泵浦光被從所述部 分的兩端耦合到所述有源光纖的所述部分(12)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的有源光纖的所述部分(11)，其特征在于，泵浦光 以低于由光纖的數(shù)值孔徑規(guī)定的最大角的角耦合到光纖的所述部分(11)。
11.一種制造有源光纖的一部分的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟制造預(yù)制件，以便在拉絲塔中從所述預(yù)制件拉拔有源光纖；將所述預(yù)制件安裝到拉絲塔；在所述拉絲塔中拉拔光纖；以及在拉拔所述光纖期間改變包括放線預(yù)制件速度和收線光纖速度的兩個(gè)參數(shù)中的至少 一個(gè)以合成所述有源光纖的所述部分的錐形曲線。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟用聚合物涂敷所述光纖。
13.根據(jù)權(quán)利要求11-12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟改變所述預(yù)制件的溫度以合成所述有源光纖的所述部分的錐形曲線。
14.根據(jù)權(quán)利要求11-13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟在拉拔所述有源光纖之前預(yù)拉拔所述預(yù)制件。
全文摘要
一種有源光纖的一部分(11)，包括有源芯(1)、內(nèi)包層(2)，以及外包層(3)。所述芯(1)的直徑和所述內(nèi)包層(2)的厚度沿著有源光纖的所述部分(11)的長(zhǎng)度逐漸變化。這形成錐形縱向曲線，其能夠這使得沿著光纖的該部分(11)的長(zhǎng)度進(jìn)行連續(xù)模式轉(zhuǎn)換過(guò)程成為可能。一種錐形有源光纖的一部分的制造方法，包含以下步驟制造預(yù)制件，以便從所述預(yù)制件拉拔有源光纖；將所述預(yù)制件安裝到拉絲塔；在所述拉絲塔中拉拔光纖；以及在拉拔光纖期間改變包括放線預(yù)制件速度和收線光纖速度的兩個(gè)參數(shù)中的至少一個(gè)。
文檔編號(hào)G02B6/036GK101884146SQ200880119087
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2008年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月3日
發(fā)明者M·派薩, O·鄂霍汀考夫, V·菲立波夫, Y·沙莫羅夫斯基 申請(qǐng)人:坦佩雷科技大學(xué)光電子研究中心