專利名稱：具有不對(duì)稱芯的光纖及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)涉及構(gòu)造有非圓形芯的光纖，所述非圓形芯被構(gòu)造為使得沿著光纖的曲線形延伸部基|旲的有效面積的減少最小化。
背景技術(shù)：
在不具有大模面積(LMA)有源光纖的情況下，不可能出現(xiàn)高功率光纖激光器系統(tǒng)。隨著光纖激光器系統(tǒng)的功率級(jí)別增長(zhǎng)，對(duì)于激光輻射的質(zhì)量提出了嚴(yán)格的要求。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的(“posita”)，沿著芯引導(dǎo)的模越少，光質(zhì)量越高。因此，在構(gòu)造能夠以支持期望波長(zhǎng)下的基本單一的、近似折射受限的基模的麗光纖的方法做出了大 量的努力。一旦MM光纖被恰當(dāng)?shù)丶ぐl(fā)，MM芯進(jìn)一步沿著光路向下引導(dǎo)這種模，而基本不失真。在基本順直的光纖的背景下，MM芯在很大程度上是正確的。然而，實(shí)際上，光纖通常具有彎曲或曲線形的延伸部。通常對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的光纖，例如芯具有階躍折射率輪廓的光纖，當(dāng)基模沿著曲線形的延伸部傳播時(shí)，其有效面積，即在橫向尺寸上模有效覆蓋的區(qū)域的定量測(cè)量減小?；３蛐镜耐庵艿奈灰剖沟弥丿B區(qū)域縮減，即與具有增益介質(zhì)和基模的芯區(qū)域共用的區(qū)域。同時(shí)，高階模沿著彎曲部朝向芯外周的位移不如基模的情況下那樣大。高階模(HOM)沿著彎曲部朝向芯外周的相對(duì)微小的位移可使得HOM的放大率實(shí)質(zhì)上比這些模沿著芯的順直延伸部的放大率大。HOM的放大率越大，輸出束的質(zhì)量越低。隨著芯面積增加，上述公開(kāi)的效果變得越來(lái)越顯著。這些現(xiàn)象看起來(lái)是限制芯面積擴(kuò)大的主要因素之一，因此，也是限制具有階躍折射率輪廓和至少等于大約30 y m芯直徑的有源光纖的功率級(jí)別的主要因素之一。圖IA和圖IB確認(rèn)了上述情況。圖IA示出了沿著9cm半徑延伸的32 iim芯中的基模位移；圖IB示出了沿著15cm半徑的IlOym芯的模的位移。顯然，芯直徑越大，模式失
真越大。使得由于彎曲引起的模式失真最小化的光纖制造方法以及光纖構(gòu)造是公知的。一種已知的結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為具有拋物形折射率輪廓，與階躍折射率輪廓相比，拋物形折射率輪廓提供了模面積沿著光纖彎曲部較少的減少。還已知不通過(guò)基模但是通過(guò)一種高階模的工作的光纖構(gòu)造，每個(gè)高階模均具有比基模高的Aneff，即相應(yīng)的芯和模的折射率之間的差。因此，高階模不像基模那樣易于受到光纖彎曲的影響。發(fā)明概述公開(kāi)教導(dǎo)了使得沿著MM有源和/或無(wú)源光纖的曲線形延伸部的模式失真最小化的MM芯的可選構(gòu)造、并入光纖的高功率光纖激光器系統(tǒng)以及在激光器系統(tǒng)中使用所公開(kāi)的光纖構(gòu)造的方法。公開(kāi)的光纖基于表示模式失真的程度的參數(shù)S和芯的半徑之間的關(guān)系。所述關(guān)系可近似如下:1(1J. M. Fini “Design of LMA amplifier fibers resistant to bend-induceddistortion，，，Vol. 24, No. 8/Augusy/2007, Journal of Optical Society of America)A nbend = ncore*Rcore/Rbend,此處，A nbend為由于彎曲引起的芯的相應(yīng)的相對(duì)外周段的折射率之間的差，Rcore為芯半徑，Rbend為光纖的彎曲半徑；Aneff = ncore-neff,此處，A neff為相應(yīng)的模和芯的折射率之間的差；基于前面的描述，當(dāng)Aneff彡A nbend時(shí)，基模位移，這與外芯區(qū)域(S卩，與偏移方向相反的區(qū)域或者相對(duì)于彎曲中心的區(qū)域)的外觀相關(guān)聯(lián)。失真的參數(shù)S = A nbend/ A neff由于Aneff C*(l/Rcore)2, S與R3eme成比例。因此，半徑越小，失真越小。根據(jù)公開(kāi)，有源光纖或無(wú)源光纖設(shè)置有芯，所述芯具有以不同尺寸的軸為特征的 非圓形構(gòu)造。為了使得沿著彎曲部的模式失真最小化，光纖被定位為以使其最小的軸位于彎曲部的平面中。所公開(kāi)的光纖的外包覆層被適當(dāng)?shù)貥?biāo)記以使短軸的取向便于恰當(dāng)?shù)睦p卷以及進(jìn)一步的安裝。


通過(guò)下列附圖的示例進(jìn)一步詳細(xì)地描述本公開(kāi)。圖IA和圖IB示出了在沿著分別具有較小半徑和較大半徑的彎曲部延伸的光纖的圓形形狀的芯中模式行為。圖2A和圖2B分別示出了依照被公開(kāi)構(gòu)造的示例性的橢圓形形狀的不對(duì)稱芯的側(cè)視圖和首I]視圖。圖3示出了對(duì)帶有表示圖2B的不對(duì)稱芯的短軸方向的識(shí)別符號(hào)的公開(kāi)光纖的包覆層進(jìn)行標(biāo)記的技術(shù)。 圖4示出了公開(kāi)的光纖的不對(duì)稱芯的變型例。圖5示出了當(dāng)芯的短軸位于彎曲部的平面中時(shí)由圖6中的芯支持的模式失真。圖6示出了當(dāng)不對(duì)稱芯的短軸位于與所述彎曲部的平面垂直的平面中時(shí)由圖6中的芯支持的模式失真。圖7為示出對(duì)于圖5和圖6中相應(yīng)的兩個(gè)彎曲部平面模面積失真的程度與彎曲部半徑的相關(guān)性的曲線圖。圖8和圖9分別示出了公開(kāi)的光纖的不對(duì)稱芯的另一示例性形狀。圖10A和圖10B在所公開(kāi)的不對(duì)稱芯的公開(kāi)的制造工藝中使用的示例性技術(shù)。圖11示出了公開(kāi)工藝的階段中的一個(gè)。圖12為合并了公開(kāi)的光纖的光纖激光器系統(tǒng)。圖13為封閉圖12中所示的系統(tǒng)的殼體的下半部的視圖。圖14示出了圖12的系統(tǒng)的相應(yīng)的無(wú)源光纖和有源光纖的構(gòu)造。圖15示出了公開(kāi)的光纖的另一變型例。發(fā)明詳述現(xiàn)在將更加詳細(xì)地參照公開(kāi)的系統(tǒng)。在附圖和說(shuō)明書(shū)中盡可能使用相同或相似的附圖標(biāo)記來(lái)指代相同或相似的部件或步驟。包括但不限于諸如上、下等詞語(yǔ)的方向性術(shù)語(yǔ)應(yīng)針對(duì)紙張的平面進(jìn)行排他性解釋。附圖為簡(jiǎn)化的形式并且遠(yuǎn)非精確的比例。圖2A和圖2B示出了所公開(kāi)的LMA光纖10的許多可能構(gòu)造中的一種。光纖10包括一個(gè)或多個(gè)包覆層18 (僅示出了一個(gè))以及麗芯12，麗芯12由包覆層圍繞并且摻雜有一種稀土元素或稀土元素的組合。多模芯12構(gòu)造為支持期望波長(zhǎng)下的單個(gè)橫模(優(yōu)選地基橫模)或非常少的基模。如公開(kāi)的光纖的示例實(shí)施例所示，芯12具有橢圓形形狀的截面。光纖10可以為或者可以不為偏振保持光纖；光纖還可以為有源的或無(wú)源的。多模橢圓形芯12構(gòu)造為具有短軸14和長(zhǎng)軸16 (圖2B)。依照本公開(kāi)，具有不對(duì)稱形狀的芯12的有源光纖10沿著彎曲部定位，以使短軸14沿著彎曲部的平面并且在彎曲部的平面中延伸。圖3示出了為用戶提供用于使光纖10沿著彎曲部恰當(dāng)定位的簡(jiǎn)單且有效的結(jié)構(gòu)的技術(shù)中的一種。特別地，在公開(kāi)的制造工藝的牽引步驟中，外包覆層18設(shè)置有標(biāo)記物20，從圖2A中也可看出，標(biāo)記物20表示短軸14的取向。這可通過(guò)自漆料儲(chǔ)器25沿著期望方向向包覆層施加漆料來(lái)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)。圖4示出了設(shè)置有均具有半徑R的相對(duì)曲線形延伸部的略變型芯22以及均具有 長(zhǎng)度L且橋接曲線形延伸部的兩個(gè)直線形延伸部。與圖3的芯12中的基模類似的芯22中的基模沿著長(zhǎng)軸伸延。圖5和圖6示出了圖4中的芯22中的模形狀變化。由于芯22不對(duì)稱，模式行為取決于彎曲部延伸的平面。在圖5中，彎曲部的中心位于短軸14上，S卩，光纖沿著位于彎曲部的平面中的短軸彎曲。模24基本保持其形狀并且僅相對(duì)于芯22的中心略微移位。相反地，當(dāng)彎曲部在長(zhǎng)軸16的平面中延伸時(shí)，如圖6所示，通過(guò)減小的模面積以及模從芯22的中心朝向周邊的偏移清楚地顯示了模式失真。圖7示出了對(duì)于兩個(gè)不同的彎曲部平面0度和90度來(lái)說(shuō)模面積與彎曲部半徑的相關(guān)性。0度曲線圖清楚地顯示了較大的模式失真。參照?qǐng)D8和圖9，芯形狀以及因此模式強(qiáng)度輪廓不限于橢圓形形狀并且能夠被制造為具有任何規(guī)則的形狀或不規(guī)則的形狀。規(guī)則的形狀可以為例如多邊形形狀，多邊形形狀無(wú)限制地包括三角形、矩形、星形等。圖8示出了由矩形表示的多邊形形狀的實(shí)施例。圖9示出了包括通過(guò)向內(nèi)彎曲的側(cè)邊橋接的兩個(gè)直線形側(cè)邊的不規(guī)則形狀的實(shí)施例。依照本公開(kāi)的芯的幾何形狀的關(guān)鍵之處在于存在多個(gè)軸，多個(gè)軸中的一個(gè)為最小的。通常，芯的形狀為通過(guò)預(yù)型件的切割數(shù)量、切割延伸的深度和方向以及加工溫度的函數(shù)。圖IOA和圖IOB示意性地示出了制造具有橢圓形芯12的光纖10的方法。預(yù)型件30 (圖10A)設(shè)置有直徑相對(duì)的切割32。在光纖被牽引出時(shí)，圓形芯34接受圖IOB所示的芯的橢圓形形狀。圖11示出了用于構(gòu)造矩形芯的技術(shù)。為了容納矩形芯，在預(yù)型件42中制作各自包括一對(duì)直徑相對(duì)的且不同尺寸的凹痕40的兩對(duì)切割。通常，切割可以或者可以不均勻并且可以直徑不對(duì)稱地定位，具有不同的深度和方向，這均取決于期望的芯形狀。圖12不出了設(shè)置有大模面積光纖52的光纖激光器系統(tǒng)50,大模面積光纖52構(gòu)造為具有多模(MM)芯，MM芯摻雜有一種或多種稀土元素并且具有例如橢圓形形狀的截面。激光器系統(tǒng)50可進(jìn)一步包括分別支持基模傳播的輸入和輸出無(wú)源光纖56和58。無(wú)源光纖均可具有單?；蚨嗄＝Y(jié)構(gòu)；如果無(wú)源光纖構(gòu)造為多模光纖，實(shí)質(zhì)上僅在這種光纖的輸入處激發(fā)出基模。完整的系統(tǒng)50為依照側(cè)部泵激方案將泵浦光發(fā)射到有源光纖52中的無(wú)源麗輸送光纖60。
圖13圖解地示出了光纖塊的殼體62的底部64。盡管光纖塊62可具有各種形狀，所示的一種形狀具有橢圓形形狀。底部64設(shè)置有引導(dǎo)件66，引導(dǎo)件66構(gòu)造為沿著具有兩個(gè)彎曲部68的路徑容納并且引導(dǎo)圖12中的有源光纖52。因此，有源光纖具有與引導(dǎo)件66的相對(duì)彎曲部68相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)曲線形延伸部。依照本公開(kāi)，有源光纖設(shè)置有不對(duì)稱形狀的芯并且沿著彎曲部延伸，以使芯的最短軸沿著每個(gè)彎曲部68的曲線形段延伸。隨著高功率光纖激光器的激增，通常對(duì)輸出光的質(zhì)量和功率提出了嚴(yán)格的要求。為了防止從輸入光纖56發(fā)射到MM芯54中的信號(hào)光的不可接受的功率損耗以及在MM芯54中高階模的激發(fā)，有源光纖52的基模的模場(chǎng)直徑與輸入光纖56的基模的模場(chǎng)直徑基本匹配。這些可通過(guò)下面兩個(gè)構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)。參照?qǐng)D14并且考慮圖12中的后者，無(wú)源輸入和輸出光纖56、58分別構(gòu)造為優(yōu)選地但不一定具有基本均勻的橢圓形的SM芯54。因此，當(dāng)無(wú)源和有源光纖毗鄰拼接時(shí)，各個(gè)芯被對(duì)準(zhǔn)，這使得基本僅激發(fā)有源光纖52中的基模。結(jié)合圖12討論的圖16示出了提供最小光損耗的另一構(gòu)造。特別地，通過(guò)分別具有不同芯輪廓的交替區(qū)域62、64牽引出有源光 纖52。區(qū)域62具有典型的圓形芯，而區(qū)域64被構(gòu)造為具有不對(duì)稱形狀的芯以及在外周上的識(shí)別符號(hào)，所述識(shí)別符號(hào)表示芯的短軸的正確取向。相應(yīng)的輸入和輸出區(qū)域62的圓形芯分別定形且定尺寸為使得由輸入無(wú)源光纖56 (圖12)支持的SM信號(hào)光的MFD與有源光纖60的基模的MFD基本匹配。類似地，SM無(wú)源輸出光纖58構(gòu)造為使得傳播通過(guò)這些光纖之間的毗鄰拼接區(qū)域的圓形輪廓的基?；静粨p失任何功率。有源光纖52被進(jìn)一步構(gòu)造為使得其在區(qū)域62和64之間具有過(guò)渡區(qū)域，圓形輪廓沿著所述過(guò)渡區(qū)域轉(zhuǎn)換為橢圓形輪廓并且變換回圓形輪廓。盡管圖示和描述的被認(rèn)為是最具實(shí)現(xiàn)性和優(yōu)選的實(shí)施方案，偏離于所描述和所圖示的特定設(shè)計(jì)和方法的設(shè)計(jì)和方法對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的并且可以在不偏離本發(fā)明的主旨和范圍的情況下使用。本發(fā)明不限制為所描述和圖示的特定構(gòu)造，而是應(yīng)當(dāng)被解釋為與可落在隨附的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)的所有變型例緊密結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種有源光纖，其包括不對(duì)稱形狀的芯的至少一個(gè)延伸部，所述芯具有至少一個(gè)長(zhǎng)軸和比所述長(zhǎng)軸小且橫向于所述長(zhǎng)軸延伸的短軸；以及最外包覆層，其圍繞所述芯并且具有標(biāo)記物，所述標(biāo)記物表示所述短軸的取向。
2.如權(quán)利要求I所述的光纖，其中，所述短軸沿著所述至少一個(gè)延伸部的彎曲區(qū)域延伸并且與所述至少一個(gè)延伸部的所述彎曲區(qū)域共平面。
3.如權(quán)利要求I所述的光纖，其中，所述芯不摻雜或者摻雜有一種或多種稀土族離子并且構(gòu)造為支持在除了所述芯基本支持基模或非常少的模的一個(gè)期望波長(zhǎng)之外的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的多個(gè)模。
4.如權(quán)利要求3所述的光纖，其中，所述基模具有與所述不對(duì)稱芯的形狀一致的形狀。
5.如權(quán)利要求4所述的光纖，其中，所述芯的所述形狀為規(guī)則的或不規(guī)則的。
6.如權(quán)利要求5所述的光纖，其中，所述芯的所述規(guī)則形狀包括多邊形形狀或橢圓形形狀。
7.如權(quán)利要求I所述的光纖，進(jìn)一步包括與所述芯和最外包覆層同心的至少一個(gè)附加包覆層，所述芯和所述包覆層被構(gòu)造為限定大模面積(LMA)光纖構(gòu)造。
8.如權(quán)利要求7所述的光纖，其中，所述LMA光纖構(gòu)造包括偏振保持結(jié)構(gòu)或非偏振保持結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求I所述的光纖，其中，所述芯具有至少一個(gè)附加的對(duì)稱形狀的延伸部。
10.一種制造有源光纖的方法，包括 (a)使用摻雜有一種或多種稀土族離子的不對(duì)稱形狀的芯牽引所述光纖的至少一個(gè)延伸部，從而使所述芯構(gòu)造為具有多個(gè)軸，所述多個(gè)軸中的一個(gè)為最短軸；以及 (b)與(a)同時(shí)進(jìn)行，對(duì)所述光纖的圍繞所述芯的最外包覆層做標(biāo)記，以表示所述最短軸的取向。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括在牽引所述光纖之前，在預(yù)型件上提供多個(gè)切割，所述切割 以均勻或不同的角距離彼此間隔開(kāi)， 以均勻的角度或不同的角度以及均勻的形狀和尺寸或者不同的形狀和尺寸相對(duì)于彼此延伸。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括彎曲所述光纖，從而形成具有平面的彎曲部，其中所述最短軸沿著所述彎曲部的所述平面延伸并且位于所述彎曲部的所述平面中。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，牽引所述光纖進(jìn)一步包括牽引具有芯的至少一個(gè)附加延伸部，所述芯具有圓形形狀。
14.如權(quán)利要求13所述的方法,進(jìn)一步包括牽引多個(gè)交替的一個(gè)和附加的光纖延伸部，以及對(duì)每一個(gè)延伸部或每個(gè)附加延伸部的開(kāi)始處和結(jié)束處進(jìn)行顏色編碼。
15.包括至少一個(gè)光纖增益塊的光纖激光器系統(tǒng)，設(shè)有 輸入和輸出無(wú)源光纖，其分別具有彼此面對(duì)的間隔開(kāi)的端面； 無(wú)芯泵浦光輸送光纖，其引導(dǎo)泵浦光；以及 有源光纖，其與所述輸送光纖為并排結(jié)構(gòu)延伸并且接收來(lái)自所述輸送光纖的所述泵浦光，所述有源光纖具有 相對(duì)的端面，其分別與所述輸入和輸出無(wú)源光纖的相應(yīng)的間隔開(kāi)的端面毗鄰拼接，不對(duì)稱形狀的芯的至少一個(gè)延伸部，所述芯具有至少一個(gè)長(zhǎng)軸和橫向于所述長(zhǎng)軸延伸的最短軸，以及 最外包覆層，其圍繞所述芯并且具有表示所述最短軸的取向的標(biāo)記物。
16.如權(quán)利要求15所述的光纖激光器系統(tǒng)，其中，所述有源光纖的所述芯被構(gòu)造為能夠基本支持期望波長(zhǎng)的基?；蚍浅Ｉ俚哪５亩嗄?MM)芯，所述輸入和輸出無(wú)源光纖均被構(gòu)造為具有不對(duì)稱形狀的芯，所述芯被構(gòu)造為與所述有源光纖的所述芯基本等同，從而以所述期望波長(zhǎng)傳播通過(guò)所述毗鄰拼接端面的信號(hào)光具有最小的損耗。
17.如權(quán)利要求15所述的光纖激光器系統(tǒng)，其中，所述有源光纖被構(gòu)造為具有多個(gè)附加延伸部，所述多個(gè)附加延伸部與所述一個(gè)延伸部側(cè)面相接并且均具有所述芯的具有圓形形狀的部分。
18.如權(quán)利要求16所述的光纖激光器系統(tǒng),其中，所述輸入和輸出無(wú)源光纖均為多?；騿文?SM)光纖。
19.如權(quán)利要求15所述的光纖激光器系統(tǒng)，其中，所述增益塊具有殼體，所述殼體設(shè)置有引導(dǎo)件，所述引導(dǎo)件具有至少一個(gè)彎曲部，所述彎曲部位于平面中并且容納所述有源光纖的所述一個(gè)延伸部，以使所述不對(duì)稱芯的所述最短軸在所述彎曲部的所述平面中延伸。
20.如權(quán)利要求15所述的光纖激光器系統(tǒng),其中，所述有源光纖為選自偏振保持光纖或非偏振保持光纖的大模面積光纖。
全文摘要
提供了一種有源光纖，其構(gòu)造為具有不對(duì)稱形狀的芯，所述芯具有至少一個(gè)長(zhǎng)軸和橫向于所述長(zhǎng)軸延伸的最短軸。所述有源光纖的最外包覆層被構(gòu)造為具有表示短軸的取向的標(biāo)記物。所述標(biāo)記物允許彎曲所述纖維以使最短軸沿著彎曲部的平面延伸并且位于彎曲部的平面中，從而使得在光沿著彎曲部傳播時(shí)由不對(duì)稱形狀的芯引導(dǎo)的模式失真最小化。
文檔編號(hào)G02B6/02GK102782539SQ201080045838
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者丹·米亞尼科夫, 弗拉迪米爾·瑟古伊夫, 瓦倫丁·蓋龐特瑟夫, 艾廉·扎特斯蒂夫, 邁克爾·弗亞特金 申請(qǐng)人:Ipg光子公司