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實(shí)現(xiàn)lp01模場(chǎng)直徑低損耗變換的光纖模場(chǎng)適配器的制作方法

文檔序號(hào):2688096閱讀:475來源:國(guó)知局
專利名稱:實(shí)現(xiàn)lp01模場(chǎng)直徑低損耗變換的光纖模場(chǎng)適配器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于光纖激光器領(lǐng)域;涉及到一種用于不同幾何結(jié)構(gòu)光纖之間的LPtll模式模場(chǎng)轉(zhuǎn)換適配器,尤其適用于單?;蚪鼏文8吖β使饫w激光器輸出端光纖到大口徑輸送光纖之間的低損耗模場(chǎng)直徑轉(zhuǎn)換。
背景技術(shù)
高功率光纖激光器可廣泛應(yīng)用在金屬切割焊接等加工領(lǐng)域。要提高金屬加工的速度和效率,激光器輸出光必須具有較高的亮度,也即較高的光束質(zhì)量,理論上當(dāng)激光器輸出單模高斯分布光場(chǎng)時(shí)是該激光器具有最高的光束質(zhì)量(即M2=l)。為獲得單模激光,目前,一種相對(duì)簡(jiǎn)單的光纖激光器解決方案是采用較小纖芯直徑的摻稀土元素雙包層光纖作為增益光纖,同時(shí)也采用相應(yīng)較小的光纖外包層直徑以提高泵浦光的包層吸收效率。激光器主體部分中與增益光纖相匹配的被動(dòng)光纖亦為單?;蚪鼏文9饫w,并具有相同的包層直徑。這種解決方案的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在首先,該類激光器的光纖結(jié)構(gòu)保證了只有基模LPtll才能在光波導(dǎo)中穩(wěn)定傳播并獲得增益放大;其次,由于增益光纖外包層直徑較小,泵浦吸收效率得到了提高,增益光纖長(zhǎng)度也會(huì)隨之縮短,從而有效降低了激光器的成本;同時(shí),較小的光纖外徑賦予光纖較大的柔性,有利于光纖的鋪設(shè),彎曲和纏繞,從而大大降低了工程實(shí)施的難度。但是,這種單模激光器的結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中也面臨著諸多挑戰(zhàn),特別是由于纖芯直徑較小,隨著光纖激光器功率的增加,非線性效應(yīng)尤其是拉曼效應(yīng)將嚴(yán)重制約激光器轉(zhuǎn)換效率。為了有效抑制拉曼效應(yīng),需要盡量縮短激光器主體結(jié)構(gòu)中被動(dòng)光纖的長(zhǎng)度。實(shí)際應(yīng)用中可以采用具有較大纖芯直徑和較小數(shù)值孔徑的特種光纖作為輸送光纖,通過輸送光纖將高亮度的激光輸送至待加工金屬物件。由于輸送光纖的末端要與特殊光學(xué)組件(比如圓柱形石英晶體)進(jìn)行連接處理,工藝上通常要求輸送光纖的包層直徑不能小于300微米。因此,激光器輸出端的單模光纖必須與一條具有較大纖芯直徑和較大包層直徑的輸送光纖進(jìn)行熔接處理。在安裝輸送光纖到激光器輸出端時(shí),通常不能直接將輸送光纖與激光器輸出端光纖進(jìn)行簡(jiǎn)單的熔接操作,這是因?yàn)槭紫?,兩段光纖中光的LPtll模場(chǎng)直徑相差較大,直接對(duì)接會(huì)由于模場(chǎng)失配而造成較大光功率損耗,模場(chǎng)直徑是衡量單模光纖光學(xué)特性的一個(gè)重要參數(shù),它表征了一個(gè)特定波長(zhǎng)的光在傳播方向橫截面上的光場(chǎng)大小,模場(chǎng)直徑的大小不僅取決于光纖的物理結(jié)構(gòu),還和光波導(dǎo)中所傳播的光場(chǎng)的波長(zhǎng)有關(guān)。當(dāng)光信號(hào)傳播經(jīng)過模場(chǎng)直徑存在突變的光纖連接處時(shí),模場(chǎng)失配就會(huì)導(dǎo)致光場(chǎng)損耗發(fā)生,其中損耗大小可由下式進(jìn)行估算
Γ ΛI(xiàn) /MDFl MDP2\
_5] tes(dB) = 20_ 2 [Jim + J1fh) 其中,MDFl和MDF2分別為連接處兩端光纖中各自的模場(chǎng)直徑值。由于通常單模激光器輸出端光纖與輸送光纖的LPtll模場(chǎng)直徑存在較大差異,直接將二者進(jìn)行光纖熔接必然會(huì)由于模場(chǎng)失配而造成較大的熔接損耗。其次,兩段光纖包層外徑不一致會(huì)增加光纖熔接操作的難度,在熔接操作時(shí),兩段外徑相差較大的光纖接受電弧放電而產(chǎn)生的熱效應(yīng)并不一致,高溫下熔接區(qū)域的物理形變對(duì)來自光纖表面張力的影響非常敏感,從而導(dǎo)致相連區(qū)域機(jī)械形變復(fù)雜,這不僅影響到熔接區(qū)域的光學(xué)性質(zhì),而且降低了熔接操作的可重復(fù)性,反映在批量生產(chǎn)中導(dǎo)致熔接操作一致性差。基于以上原因,通常在進(jìn)行輸送光纖與單模光纖激光器的連接操作時(shí),必須采用特殊工藝制作一種光纖模場(chǎng)適配器作為連接媒介,實(shí)現(xiàn)LPtll模場(chǎng)直徑在兩種光纖之間低損耗變換,從而有效地將單模激光器產(chǎn)生的高亮度光輸送至待加工物件。目前已知的一種解決模場(chǎng)失配光纖間的連接方案是對(duì)較小模場(chǎng)直徑的光纖采用特殊加熱方式(如丙烷焰燃燒器)預(yù)先進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間加熱,從而達(dá)到擴(kuò)散纖芯,增加模場(chǎng)直徑的目的。但是該方案無法在工業(yè)界廣泛應(yīng)用的電弧放電型熔接機(jī)上進(jìn)行操作,另外長(zhǎng)時(shí)間高電強(qiáng)度的加熱對(duì)光纖可能造成永久性損傷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種新型的全光纖模場(chǎng)適配器,用于對(duì)單?;蚪文<す馄鳟a(chǎn)生的光場(chǎng)進(jìn)行低損耗LPtll模場(chǎng)直徑變換,從而將高功率光纖激光器的輸出光高效率地耦合進(jìn)大孔徑的輸送光纖。為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)LPtll模場(chǎng)直徑低損耗變換的光纖模場(chǎng)適配器,包括光纖激光器的輸出端光纖和大孔徑輸送光纖,光纖激光器為V值小于3. 83的單?;蚪鼏文9饫w激光器;光纖激光器的輸出端光纖由激光器輸出端光纖包層和位于激光器輸出端光纖包層內(nèi)的激光器輸出端光纖纖芯組成;大孔徑輸送光纖由大孔徑輸送光纖包層和位于大孔徑輸送光纖包層內(nèi)的大孔徑輸送光纖纖芯組成;激光器輸出端光纖纖芯中傳播的LPtll模場(chǎng)直徑小于大孔徑輸送光纖纖芯中傳播的LPtll模場(chǎng)直經(jīng);光纖模場(chǎng)適配器還包括熱膨脹芯光纖,所述熱膨脹芯光纖由熱膨脹芯光纖包層和位于熱膨脹芯光纖包層內(nèi)的熱膨脹芯光纖纖芯組成;大孔徑輸送光纖的端部經(jīng)拉錐處理,自然形成與大孔徑輸送光纖依次相連的錐形區(qū)域和拉錐后小孔徑區(qū)域;錐形區(qū)域由錐形包層和位于錐形包層內(nèi)的錐形輸送光纖纖芯組成,拉錐后小孔徑區(qū)域由拉錐后小孔徑包層和位于拉錐后小孔徑包層內(nèi)的拉錐后小孔徑輸送光纖纖芯組成;熱膨脹芯光纖的兩端通過電弧放電分別與光纖激光器的輸出端光纖和拉錐后小孔徑區(qū)域熔接。作為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)LPtll模場(chǎng)直徑低損耗變換的光纖模場(chǎng)適配器的改進(jìn)熔接后與激光器輸出端光纖纖芯相連的熱膨脹芯光纖纖芯的端部稱為熔接后熱膨脹芯光纖纖芯小端部;熔接后與拉錐后小孔徑輸送光纖纖芯相連的熱膨脹芯光纖纖芯的端部稱為熔接后熱膨脹芯光纖纖芯大端部;熱膨脹芯光纖纖芯傳播的LPtll初始模場(chǎng)直徑介于激光器輸出端光纖纖芯中傳播的LPtll模場(chǎng)直徑大小的90%到97%之間;
熔接后熱膨脹芯光纖纖芯小端部中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑是激光器輸出端光纖纖芯中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑的98% 102%,熔接后熱膨脹芯光纖纖芯大端部中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑是拉錐后小孔徑輸送光纖纖芯中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑的98% 102%。本發(fā)明還同時(shí)提供了上述實(shí)現(xiàn)LPtll模場(chǎng)直徑低損耗變換的光纖模場(chǎng)適配器的制備方法,包括如下步驟I)、制備熱膨脹芯光纖熱膨脹芯光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求首先,包層外徑應(yīng)與光纖激光器的輸出端光纖的包層外徑一致;
其次,原始狀態(tài)下熱膨脹芯光纖中LPtll模場(chǎng)直徑應(yīng)小于光纖激光器的輸出端光纖中的模場(chǎng)直徑,并應(yīng)留有大于5%的膨脹余量;同時(shí)為避免光場(chǎng)進(jìn)入熱膨脹芯光纖之后出現(xiàn)明顯的頸狀細(xì)化現(xiàn)象,熱膨脹芯光纖纖芯傳播的LPtll初始模場(chǎng)直徑介于激光器輸出端光纖纖芯(12)中傳播的LPtll模場(chǎng)直徑大小的90%到97%之間;第三,在保證所設(shè)計(jì)的熱膨脹芯光纖能切僅能支持一個(gè)軸對(duì)稱模即LP 01模穩(wěn)定傳播的前提下(V值小于3. 83),通過摻雜盡量提高纖芯與包層的折射率差值Λη,以此來提高所設(shè)計(jì)光纖的熱膨脹能力;熱膨脹芯光纖包層外徑=激光器輸出端光纖包層的外徑;熱膨脹芯光纖纖芯的設(shè)計(jì)要滿足以下兩個(gè)定量條件和一個(gè)定性條件第一定量條件,初始模場(chǎng)直徑與激光器輸出端光纖相比,比值要介于90%到97%之間;第二定量條件,V值小于3. 83 ; 定性條件為Λ η要彡O. 002 ;2)、將大孔徑輸送光纖的端部經(jīng)拉錐處理自然形成與大孔徑輸送光纖依次相連的錐形區(qū)域和拉錐后小孔徑區(qū)域;拉錐后小孔徑包層的外徑=激光器輸出端光纖包層的外徑;拉錐后小孔徑輸送光纖纖芯的直徑=激光器輸出端光纖纖芯的直徑;3)、熔接熔接后熱膨脹芯光纖纖芯小端部中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑是激光器輸出端光纖纖芯中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑的98% 102%,熔接后熱膨脹芯光纖纖芯大端部中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑是拉錐后小孔徑輸送光纖纖芯中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑的98% 102%。S卩,要求熔接后的激光器輸出端光纖纖芯中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑比熔接后熱膨脹芯光纖纖芯小端部中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑差別小于±2%,拉錐后小孔徑輸送光纖纖芯中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑與熔接后熱膨脹芯光纖纖芯大端部中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑差別小于±2%。作為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)LPtll模場(chǎng)直徑低損耗變換的光纖模場(chǎng)適配器的制備方法的改進(jìn)按照上述方法制備而得的熱膨芯光纖纖芯的受熱時(shí),LPtll模式模場(chǎng)直徑增加速度顯著高于另外兩種光纖(即,光纖激光器的輸出端光纖和大孔徑輸送光纖)中LPtll模式模場(chǎng)直徑的變化。
作為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)LPtll模場(chǎng)直徑低損耗變換的光纖模場(chǎng)適配器的制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)大孔徑輸送光纖包層的外徑> 300微米,且大孔徑輸送光纖包層的外徑>熱膨脹芯光纖包層的外徑。在本發(fā)明的制備方法中步驟3)的熔接為在進(jìn)行光纖熔接操作中,熔接機(jī)參數(shù)設(shè)定需要針對(duì)各自光纖組合進(jìn)行優(yōu)化,具體操作工藝如下首先選取一個(gè)中心波長(zhǎng)接近工作波長(zhǎng)(如1.08um)的寬帶光源(例如SLED光源)耦合進(jìn)待熔接光纖1,將待熔接光纖2的出光端面進(jìn)行平切割(切割角度應(yīng)小于O. 5),剝離涂敷層并進(jìn)行包層模去除處理后將切割端面導(dǎo)入光功率計(jì);在電弧放電熔接的過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)經(jīng)纖芯傳輸?shù)墓β剩桓鶕?jù)所記錄的功率-時(shí)間曲線對(duì)電弧放電時(shí)間以及電弧強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整直至經(jīng)過熔接點(diǎn)的傳輸功率最大化。步驟I)的制備熱膨脹芯光纖,在石英纖芯原料中加入以下鋁(Al)和 磷(P)作為摻入料(目的是增強(qiáng)受熱時(shí)擴(kuò)散效應(yīng)),然后按照改進(jìn)型化學(xué)氣相沉積法(MCVD),垂直軸相沉積法(VAD),直接納米離子沉積法(DND)等公知的方法制備。以MCVD方法為例,依次進(jìn)行以下步驟(其中①-③為預(yù)制棒的生長(zhǎng)制作步驟)①、以氫氧焰作為熱源,用于加熱沿軸相旋轉(zhuǎn)的起始石英管;②、首先進(jìn)行預(yù)制棒的生長(zhǎng),通入SiCl4與O2的混合反應(yīng)氣體(SiCl4與O2的體積比為I :1),在石英管內(nèi)壁沉積純的SiO2組成光纖的包層,使SiO2達(dá)到設(shè)計(jì)的包層厚度;例如(在實(shí)施例I中)包層部分區(qū)域厚度與摻雜區(qū)域厚度比滿足238 12 ;③、導(dǎo)入摻雜氣體進(jìn)行摻雜形成高折射率的纖芯,摻雜組分與濃度分別為9mole%的Al和6mole°/c^^P,從而使Λ η滿足設(shè)計(jì)要求,所述Λ η為纖芯與包層折射率的差值;得預(yù)制棒;熱膨脹芯光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求同上;摻雜濃度的控制遵循以下兩個(gè)原則第一,ImoIe%的Al可貢獻(xiàn)O. 001的Δ η增加;第二, Al與P共摻時(shí),ImoIe%的P可抵消lmole%Al對(duì)Δ η增加的貢獻(xiàn);通過摻入9mole%的Al和6mole%的P,我們可最終實(shí)現(xiàn)纖芯折射率增加O. 003 (B卩,使Λη為O. 003);④、將預(yù)制棒送給進(jìn)高溫爐拉制成光纖,得熱膨脹芯光纖(為折射率分布截面為節(jié)躍型分布的熱膨脹芯光纖);熱膨脹芯光纖包層(21)外徑=激光器輸出端光纖包層(11)的外徑。本發(fā)明基于光纖拉錐與熱膨脹芯光纖技術(shù),即對(duì)輸送光纖進(jìn)行拉錐處理從而通過改變光纖物理結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)光學(xué)性質(zhì)的改變,同時(shí)采用熱膨脹芯光纖作為橋梁,實(shí)現(xiàn)輸出光LP01模式在兩種光纖之間模場(chǎng)直徑的吻合。光纖之間的物理連接可通過光纖電弧放電熔接操作來實(shí)現(xiàn),為降低熔接操作中的不確定因素,輸送光纖拉錐端外徑應(yīng)與熱膨脹芯光纖外徑一致。該發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是首先,熱膨脹芯技術(shù)的采用大大降低了改變光纖折射率分布的難度。目前現(xiàn)有的加熱改變光纖折射率的技術(shù)多注重于對(duì)加熱手段的改進(jìn),通常采用對(duì)光纖進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱來達(dá)到改變模場(chǎng)分布的目的,在實(shí)施過程中,該方法存在許多不足之處,比如折射率改變速率太慢,而且長(zhǎng)時(shí)間對(duì)光纖進(jìn)行高溫處理會(huì)導(dǎo)致光纖結(jié)構(gòu)損傷,強(qiáng)度降低等情況發(fā)生。而熱膨脹芯光纖技術(shù)則是對(duì)光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,在特種光纖制造過程中,在纖芯部分摻入鋁或磷元素,以增加摻雜區(qū)域的折射率。鋁摻雜元素在受熱條件下易于快速向相鄰的低摻雜濃度區(qū)域擴(kuò)散。當(dāng)通過電弧放電等方式對(duì)光纖進(jìn)行加熱時(shí),由于摻雜濃度梯度的存在,纖芯中所含的摻雜元素會(huì)迅速向相鄰的包層部分?jǐn)U散,導(dǎo)致被擴(kuò)散區(qū)域折射率增加,擴(kuò)散源區(qū)域折射率下降,因此通過對(duì)摻雜濃度的控制,光纖折射率分布在一定程度上隨著溫度變化而具有了可調(diào)制性。在本發(fā)明中,我們采用熱膨脹芯光纖作為媒介,相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)了該媒介光纖兩端LPtll模式模場(chǎng)直徑的變化。通過在兩端熔接過程中精確控制折射率分布的變化,從而相對(duì)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了媒介光纖兩端LPtll模場(chǎng)直徑的適配,達(dá)到了熔接損耗最優(yōu)化的目的。綜上所述,在發(fā)明中引入一種纖芯比較容易擴(kuò)散的特種光纖(熱膨脹芯光纖)作為媒介,同時(shí)采用拉錐方案減小輸送光纖的LPtll模場(chǎng)直徑,并將二者結(jié)合起來制作一種實(shí)現(xiàn)LP0I模場(chǎng)直徑低損耗變換的光纖模場(chǎng)適配器。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 圖I為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2A為圖I中光激光器的輸出端光纖10的折射率分布圖;圖2B為圖I中熱膨脹芯光纖20未受熱時(shí)的折射率分布圖;圖2C為圖I中大孔徑輸送光纖30的折射率分布圖;圖2D為上述三段光纖中LPtll模式的模場(chǎng)分布;圖3為實(shí)施例中輸送光纖拉錐時(shí)LPtll模場(chǎng)直徑與外包層直徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系;圖4A為實(shí)施例中熱膨脹芯光纖折射率分布的變化示意圖;圖4B-C分別為實(shí)施例I中熱膨脹芯光纖兩端LPtll模場(chǎng)的匹配。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。圖I給出了一種實(shí)現(xiàn)LPtll模場(chǎng)直徑低損耗變換的光纖模場(chǎng)適配器,包括光纖激光器的輸出端光纖10和大孔徑輸送光纖30,光纖激光器為單?;蚪鼏文9饫w激光器(V值均小于3. 83);光纖激光器的輸出端光纖10由激光器輸出端光纖包層11和位于激光器輸出端光纖包層11內(nèi)的激光器輸出端光纖纖芯12組成。大孔徑輸送光纖30由大孔徑輸送光纖包層35和位于大孔徑輸送光纖包層35內(nèi)的大孔徑輸送光纖纖芯36組成。光纖模場(chǎng)適配器還包括熱膨脹芯光纖20,熱膨脹芯光纖20由熱膨脹芯光纖包層21和位于熱膨脹芯光纖包層21內(nèi)的熱膨脹芯光纖纖芯22組成。大孔徑輸送光纖30經(jīng)拉錐處理,自然形成與大孔徑輸送光纖30依次相連的錐形區(qū)域40和拉錐后小孔徑區(qū)域50 ;錐形區(qū)域40由錐形包層33和位于錐形包層33內(nèi)的錐形輸送光纖纖芯34組成,拉錐后小孔徑區(qū)域50由拉錐后小孔徑包層31和位于拉錐后小孔徑包層31內(nèi)的拉錐后小孔徑輸送光纖纖芯32組成;大孔徑輸送光纖包層35、錐形包層33和拉錐后小孔徑包層31依次相連,大孔徑輸送光纖纖芯36、錐形輸送光纖纖芯34和拉錐后小孔徑輸送光纖纖芯32依次相連;
熱膨脹芯光纖20的兩端通過電弧放電分別與光纖激光器的輸出端光纖10和拉錐后小孔徑區(qū)域50熔接;熔接后與激光器輸出端光纖纖芯12相連的熱膨脹芯光纖纖芯22的端部稱為熔接后熱膨脹芯光纖纖芯小端部23 ;熔接后與拉錐后小孔徑輸送光纖纖芯32相連的熱膨脹芯光纖纖芯22的端部稱為熔接后熱膨脹芯光纖纖芯大端部24 ;熱膨脹芯光纖纖芯22傳播的LPtll初始模場(chǎng)直徑介于激光器輸出端光纖纖芯12中傳播的LPtll模場(chǎng)直徑大小的90%到95%之間;熔接后熱膨脹芯光纖纖芯小端部23中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑是激光器輸出端光纖纖芯12中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑的98% 102%,熔接后熱膨脹芯光纖纖芯大端部24中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑是拉錐后小孔徑 輸送光纖纖芯32中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑的98% 102%。備注說明熱膨脹芯光纖纖芯22在經(jīng)熔接處理時(shí)被加熱部分(即熱膨脹芯光纖纖芯22的兩個(gè)端部一熔接后熱膨脹芯光纖纖芯小端部23和熔接后熱膨脹芯光纖纖芯大端部24)的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變。實(shí)施例I、一種實(shí)現(xiàn)LPtll模場(chǎng)直徑低損耗變換的光纖模場(chǎng)適配器的制備方法在本例中,原始提供的光纖激光器的輸出端光纖10和大孔徑輸送光纖30的各項(xiàng)性能參數(shù)如下(一)、激光器輸出端光纖包層11的直徑(外徑)為250Mm,激光器輸出端光纖纖芯12的直徑為12. 5Mm,數(shù)值孔徑NA為O. 08 (由于neladding為I. 458,因此Λ η為O. 0022)。激光器輸出端光纖纖芯12的V值為2. 91,其中傳播的I. 08um的光場(chǎng)的基模LPtll模場(chǎng)直徑(MFD)為12. 25um。其中,數(shù)值孔徑NA,V值,和MFD可分別通過下列公式描述
權(quán)利要求
1.實(shí)現(xiàn)LPtll模場(chǎng)直徑低損耗變換的光纖模場(chǎng)適配器,包括光纖激光器的輸出端光纖(10)和大孔徑輸送光纖(30),所述光纖激光器為V值小于3. 83的單?;蚪鼏文9饫w激光器; 光纖激光器的輸出端光纖(10)由激光器輸出端光纖包層(11)和位于激光器輸出端光纖包層(11)內(nèi)的激光器輸出端光纖纖芯(12)組成; 大孔徑輸送光纖(30)由大孔徑輸送光纖包層(35)和位于大孔徑輸送光纖包層(35)內(nèi)的大孔徑輸送光纖纖芯(36)組成; 激光器輸出端光纖纖芯(12)中傳播的LPtll模場(chǎng)直徑小于大孔徑輸送光纖纖芯(36)中傳播的LPtll模場(chǎng)直經(jīng); 其特征是 所述光纖模場(chǎng)適配器還包括熱膨脹芯光纖(20),所述熱膨脹芯光纖(20)由熱膨脹芯光纖包層(21)和位于熱膨脹芯光纖包層(21)內(nèi)的熱膨脹芯光纖纖芯(22)組成; 大孔徑輸送光纖(30)的端部經(jīng)拉錐處理,自然形成與大孔徑輸送光纖(30)依次相連的錐形區(qū)域(40)和拉錐后小孔徑區(qū)域(50);所述錐形區(qū)域(40)由錐形包層(33)和位于錐形包層(33)內(nèi)的錐形輸送光纖纖芯(34)組成,所述拉錐后小孔徑區(qū)域(50)由拉錐后小孔徑包層(31)和位于拉錐后小孔徑包層(31)內(nèi)的拉錐后小孔徑輸送光纖纖芯(32)組成;熱膨脹芯光纖(20)的兩端通過電弧放電分別與光纖激光器的輸出端光纖(10)和拉錐后小孔徑區(qū)域(50)熔接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的實(shí)現(xiàn)LPtll模場(chǎng)直徑低損耗變換的光纖模場(chǎng)適配器,其特征是 熔接后與激光器輸出端光纖纖芯(12)相連的熱膨脹芯光纖纖芯(22)的端部稱為熔接后熱膨脹芯光纖纖芯小端部(23);熔接后與拉錐后小孔徑輸送光纖纖芯(32)相連的熱膨脹芯光纖纖芯(22)的端部稱為熔接后熱膨脹芯光纖纖芯大端部(24); 所述熱膨脹芯光纖纖芯(22)傳播的LPtll初始模場(chǎng)直徑介于激光器輸出端光纖纖芯(12)中傳播的LPtll模場(chǎng)直徑大小的90%到97%之間; 熔接后熱膨脹芯光纖纖芯小端部(23)中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑是激光器輸出端光纖纖芯(12)中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑的98% 102%, 熔接后熱膨脹芯光纖纖芯大端部(24)中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑是拉錐后小孔徑輸送光纖纖芯(32)中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑的98% 102%。
3.如權(quán)利要求I或2的實(shí)現(xiàn)LPtll模場(chǎng)直徑低損耗變換的光纖模場(chǎng)適配器的制備方法,其特征是包括如下步驟 I)、制備熱膨脹芯光纖(20) 熱膨脹芯光纖(20)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求 首先,包層外徑應(yīng)與光纖激光器的輸出端光纖(10)的包層外徑一致; 其次,原始狀態(tài)下熱膨脹芯光纖(20)中LPtll模場(chǎng)直徑應(yīng)小于光纖激光器的輸出端光纖(10)中的模場(chǎng)直徑,并應(yīng)留有大于5%的膨脹余量;同時(shí)為避免光場(chǎng)進(jìn)入熱膨脹芯光纖(20)之后出現(xiàn)明顯的頸狀細(xì)化現(xiàn)象,所述熱膨脹芯光纖纖芯(22)傳播的LPtll初始模場(chǎng)直徑介于激光器輸出端光纖纖芯(12)中傳播的LPtll模場(chǎng)直徑大小的90%到97%之間; 第三,在保證所設(shè)計(jì)的熱膨脹芯光纖(20)能切僅能支持一個(gè)軸對(duì)稱模即LPtll模穩(wěn)定傳播的前提下(V值小于3. 83),通過摻雜盡量提高纖芯與包層的折射率差值Λ η,以此來提高所設(shè)計(jì)光纖的熱膨脹能力; 熱膨脹芯光纖包層(21)外徑=激光器輸出端光纖包層(11)的外徑; 熱膨脹芯光纖纖芯(22)的設(shè)計(jì)要滿足以下兩個(gè)定量條件和一個(gè)定性條件 第一定量條件,初始模場(chǎng)直徑與激光器輸出端光纖相比,比值要介于90%到97%之間; 第二定量條件,V值小于3. 83 ; 定性條件為An要彡0.002 ; 2)、將大孔徑輸送光纖(30)的端部經(jīng)拉錐處理 自然形成與大孔徑輸送光纖(30)依次相連的錐形區(qū)域(40)和拉錐后小孔徑區(qū)域(50);拉錐后小孔徑包層(31)的外徑=激光器輸出端光纖包層(11)的外徑; 3)、熔接 熔接后熱膨脹芯光纖纖芯小端部(23)中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑是激光器輸出端光纖纖芯(12)中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑的98% 102%, 熔接后熱膨脹芯光纖纖芯大端部(24)中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑是拉錐后小孔徑輸送光纖纖芯(32)中傳播的LPtll模式模場(chǎng)直徑的98% 102%。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的實(shí)現(xiàn)LPtll模場(chǎng)直徑低損耗變換的光纖模場(chǎng)適配器的制備方法,其特征是按照上述方法制備而得的熱膨芯光纖纖芯(22)的受熱時(shí),LPtll模式模場(chǎng)直徑增加速度顯著高于另外兩種光纖中LPtll模式模場(chǎng)直徑的變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的實(shí)現(xiàn)LPtll模場(chǎng)直徑低損耗變換的光纖模場(chǎng)適配器的制備方法,其特征是大孔徑輸送光纖包層(35)的外徑> 300微米,且所述大孔徑輸送光纖包層(35)的外徑>熱膨脹芯光纖包層(21)的外徑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實(shí)現(xiàn)LP01模場(chǎng)直徑低損耗變換的光纖模場(chǎng)適配器,包括光纖激光器的輸出端光纖(10)、大孔徑輸送光纖(30)和熱膨脹芯光纖(20),光纖激光器為V值小于3.83的單模或近單模光纖激光器;熱膨脹芯光纖(20)由熱膨脹芯光纖包層(21)和位于熱膨脹芯光纖包層(21)內(nèi)的熱膨脹芯光纖纖芯(22)組成;大孔徑輸送光纖(30)的端部經(jīng)拉錐處理,自然形成與大孔徑輸送光纖(30)依次相連的錐形區(qū)域(40)和拉錐后小孔徑區(qū)域(50);熱膨脹芯光纖(20)的兩端通過電弧放電分別與光纖激光器的輸出端光纖(10)和拉錐后小孔徑區(qū)域(50)熔接。本發(fā)明還同時(shí)公開了上述光纖模場(chǎng)適配器的制備方法。
文檔編號(hào)G02B6/255GK102866462SQ20121032045
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者董浩 申請(qǐng)人:董浩
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