用于将辐射耦合入或耦合出光纤的装置.pdf

公开了一种用于将多模泵浦光和激光信号耦合入或耦合出包层泵浦光纤激光器的装置，该装置包括输出光纤、基本上非锥形的馈通光纤、具有锥形部分的环形波导以及多个多模泵浦光纤，使得：信号馈通光纤位于环形波导内；信号馈通光纤熔合到环形波导的锥形部分中，使得环形波导成为馈通光纤的附加包层；熔合到环形波导中的馈通光纤的端部光学耦合到输出光纤；多模泵浦光纤光学耦合到环形波导的非锥形部分中。还公开了形成该装置的方法。

1.  一种用于将多模泵浦光和激光信号耦合入或耦合出包层泵浦光纤激光器的装置，该装置包括输出光纤、基本上非锥形的馈通光纤、具有锥形部分的环形波导以及多个多模泵浦光纤，使得：
所述信号馈通光纤位于所述环形波导内；所述信号馈通光纤熔合到环形波导的锥形部分中，使得所述环形波导成为馈通光纤的附加包层；
覆盖包层的信号馈通光纤光学耦合到输出光纤；
所述多模泵浦光纤光学耦合到环形波导的非锥形部分中。

2.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个多模泵浦光纤的输出耦合到所述环形波导的端部中。

3.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个多模泵浦光纤在圆周方向绕空心前体排列，多模光纤和前体熔合在一起并且被锥形化以形成锥形的环形波导。

4.  根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述输出光纤是多包层光纤。

5.  根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述输出光纤是掺杂光纤。

6.  根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述信号馈通光纤位于所述环形波导的轴向中心。

7.  根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，包括多层泵浦光纤。

8.  根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述环形波导具有圆形的内和/或外横截面。

9.  根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述环形波导具有多边形或其它非圆形的内和/或外横截面。

10.  根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述馈通光纤的芯具有支持一个或多个横模的波导特性。

11.  根据上述任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述馈通光纤具有沿其长度轴向延伸的多个孔。

12.  一种光纤放大器或激光器，包括上述任一项权利要求所述的装置。

13.  一种制备包层泵浦光纤装置的方法，包括：提供多孔毛细管，该多孔毛细管具有足够大以容纳信号馈通光纤的中心孔以及用于容纳沿其长度延伸的多模泵浦光纤的多个孔；将所述泵浦光纤插入泵浦孔中；以及将所述泵浦光纤熔合到所述多孔毛细管中。

14.  根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括将环形波导提供到熔合的多孔毛细管结构的面上，并以将所述多模泵浦光纤的光学输出耦合到所述环形波导端部中的方式将二者熔合到一起。

15.  根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括将所述环形波导锥形化为大于信号光纤的内径，将信号光纤插入该锥形组件，以及将该锥形组件熔合在所述信号光纤上。

16.  根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，还包括劈开所述组件并将其与输出光纤接合。

17.  根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在腰部劈开所述组件。

18.  根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述输出光纤是多包层光纤。

19.  一种制备包层泵浦光纤装置的方法，包括：提供空心前体，将多个多模泵浦光纤以束的方式绕所述前体排列，将泵浦光纤和前体熔合并将泵浦光纤和前体锥形化为大于信号光纤的内径以形成锥形的环形波导；将所述信号光纤插入锥形组件，并将该锥形组件熔合到所述信号光纤上。

20.  根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括在熔合该结构并将其锥形化以形成锥形的环形波导之前，将玻璃套置于该泵浦光纤和前体的束上。

21.  根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于，还包括劈开所述组件并将其与输出光纤接合。

22.  根据权利要求21所述的方法，其特征在于，在腰部劈开所述组件。

23.  根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于，所述输出光纤是多包层光纤。

24.  根据权利要求19至23中任一项所述的方法，其特征在于，所述前体是基本为圆形内径的毛细管。

25.  根据权利要求19至24中任一项所述的方法，其特征在于，所述套是基本为圆形内径的毛细管。

26.  根据权利要求19至25中任一项所述的方法，其特征在于，所述前体最终形成所述组件的包层。

27.  根据权利要求19至26中任一项所述的方法，其特征在于，所述套最终形成所述组件的包层。

28.  根据权利要求13至27中任一项所述的方法，其特征在于，所述信号芯掺杂有稀土材料。

29.  根据权利要求13至27中任一项所述的方法，其特征在于，所述信号芯被提供有衍射光栅。

30.  根据权利要求13至27中任一项所述的方法，其特征在于，所述光纤装置是包层泵浦光纤激光器或光学放大器。

31.  根据权利要求13至27中任一项所述的方法，其特征在于，所述多模光纤最初提供在两层或更多层中。

32.  一种由权利要求13至27中任一项所述的方法制造的包层泵浦光纤装置。

33.  一种基本上如本文中参照附图描述的并且由附图示出的装置。

34.  一种形成基本上如本文中参照附图描述的装置的方法。

用于将辐射耦合入或耦合出光纤的装置
技术领域
本发明涉及用于将辐射耦合入或耦合出光纤的装置。具体地而非排它地，本发明涉及用于将多模泵浦光和激光信号耦合入或耦合出包层泵浦光纤激光器的装置。光和信号可以复用(multiplex)到光纤中并且可以从光纤中解复用(de-multiplex)。
背景技术
包层泵浦光纤激光器正被人们所熟知。光纤的芯被处理成为有源增益介质，衍射光栅被形成作为激光腔的镜，并且经由包层施加泵浦辐射。通常通过泵浦二极管提供泵浦光并且需要将泵浦光从这些泵浦二极管耦合到光纤。
从US-A-4,179,185(Hawk)和US-A-4,392,712(Ozeki)知道熔合的锥形(tapered)多模光纤束的构造。这些构造的目的是将多个多模光纤光学耦合在一起，用于光分配或光结合。在一个实施例中，Ozeki将泵浦多模光纤排列成束，随后用热量将它们熔合在一起并将它们锥形化(taper)以形成耦合器。
US-A-4,682,849(Kowata)认为在构造熔合的多模光纤束方面的困难是在加热和锥形化期间将泵浦光纤束固定在适当的位置并将它们保持在位置中。Kowata的解决方案是将多模光纤包扎在玻璃毛细管内部或周围，该玻璃毛细管用于在加热处理期间帮助固定。
Optics Letters，Vol.13，April1988，pp.306-308(Berger)和US4818062(Scifres)公开了使用多模光纤束和熔合光纤束以组合多个二极管激光器的输出，以及使用该成束的输出以泵浦Nd:YAG固态激光器。
US-A-4,829,529(Kafka)公开了一种构造双包层光纤激光器的手段，其中使用透镜将激光二极管的输出耦合到双包层光纤的第一包层中。
US-A-4,815,079(Snitzer)公开了用于通过包层泵浦光纤的侧部将泵浦光耦合到多包层光纤的包层中的多个方法以及它们在光纤激光器或放大器中的使用。
在1994年，US-A-5,999,673(Gapontsev)公开了一种熔合侧部耦合器，其中预先锥形化的多模泵浦光纤绕双包层光纤包裹并且熔合到该双包层光纤。使用其作为通过光纤的侧部将泵浦光耦合到双包层光纤的手段。
在1997年，US-A-5,864,644(DiGiovanni)公开了一种在其中心具有单模馈通(feed-through)光纤的熔合锥形光纤束，以及使用该装置以将多模泵浦光耦合到多包层光纤的包层中以及将激光信号耦合入或耦合出多包层光纤的芯。
在1999年，US-A-6,434,302(Fidric)公开了一种改进的熔合光纤束，其中在将多模泵浦光纤绕中心单模馈通光纤捆绑并熔合到该中心单模馈通光纤之前的单独步骤中将该多模泵浦光纤锥形化。该熔合束被接合到输出光纤。Fidric的设计的优点是信号馈通光纤几乎不经历锥形化。
在2003年，US-A-7,016,573(Dong)公开了一种泵浦合成器(pumpcombiner)，其中多模泵浦光纤和中心信号馈通光纤排列成束并且接合到围绕该束的具有较大包层直径的光纤上。随后将该较大光纤锥形化并接合到输出双包层光纤。
该现有技术教导了泵浦和信号复用器和解复用器的构造，其将多模泵浦光耦合到多包层光纤的包层中以及将激光信号耦合入或耦合出多包层光纤的芯(Gapontsev，DiGiovanni，Fidric以及Dong)。还示出了对于这种复用器理想地使用基本熔合的玻璃构造。这是因为玻璃构造能够以低损耗并无损害地发送高光学功率。熔合的玻璃构造固有地比其它耦合装置(如Kafka的体光学耦合，其依赖于透镜等体光学元件的对准)更稳定和更可靠。本发明涉及基本熔合的玻璃泵浦和信号复用器/解复用器，其用于将激光信号和多模泵浦光耦合入和耦合出包层泵浦光纤，以及这些部件在包层泵浦光纤激光器和放大器的构造中的使用。
现有技术的复用器中的固有困难是馈通中激光信号的过度损失。近5年左右开发出的新一代大模面积光纤加剧了该问题，大模面积光纤的特征在于信号波导的低数值孔径和大的芯直径。对具有比现有技术低的信号馈通损耗的泵浦和信号复用器的需要以及对这种包含大模面积光纤的复用器的需要为本发明提供了动机。熔合光纤泵浦和信号复用器中的信号馈通损耗的两个已知原因是：
1)信号光纤的锥形化
2)泵浦和信号光纤的熔合
实质上，信号光纤的锥形化可以使光耦合出芯并耦合入锥形部分的包层中。此外，光纤束形式的信号馈通光纤的锥形化以及随后熔合的锥形束与输出双包层输出光纤的接合可能导致与在锥形信号馈通光纤和非锥形的(un-tapered)输出包层泵浦光纤的芯之间的芯直径不匹配相关联的过度损耗。馈通光纤的锥形化可加重该芯直径不匹配。
当光纤束中缺乏对称性时，或者该束中的光纤在熔合之前承受不均匀的拉伸时，可能出现熔合导致的损耗。在这些情况中，存在当光纤束被加热时产生变形从而导致弯曲或纽结的趋势。由于公知的宏弯曲效应，该变形可使信号从馈通光纤的芯逃逸，导致信号的过度损耗。
现有技术试图以各种不同的方式来处理这些损耗机理。Gapontsev通过预先使泵浦光纤锥形化来避免信号光纤的显著锥形化。然而，该配置关于信号光纤高度不对称，并且由于在构造期间的弯曲或纽结，该设计趋向于遭受熔合导致的损耗。DiGiovanni通过以对称束的方式排列泵浦和信号光纤来处理与熔合相关的损耗。通过在锥形化之前和之后(但是不是在之间)在具有相同模场直径的馈通光纤的芯中采用特殊的单模波导结构来处理由接合点处芯直径不匹配所导致的与锥形化相关的损耗。然而，当前可商业获得的18+1装置仍然表现出15％的信号损耗(OFS Optics Product Catalogue 2006 Part numberTFB4320)。Fidric通过在将泵浦光纤熔合到信号光纤之前在独立的步骤中单独地将泵浦光纤锥形化来处理锥形化导致的损耗。这减小了信号光纤锥形化的量。然而，在实践中，由于以束的形式排列预先锥形化的光纤的实际困难，因此该设计可能在熔合期间加重了损耗。当泵浦光纤的数量大时，其生产成本也高。锥形化导致的损耗在Dong的现有技术中也是固有的。
发明内容
根据本发明，提供一种用于将多模泵浦光和激光信号耦合入或耦合出包层泵浦光纤激光器的装置，该装置包括输出光纤、基本上非锥形的馈通光纤、具有锥形部分的环形波导以及多个多模泵浦光纤，使得：信号馈通光纤位于环形波导内；信号馈通光纤熔合到环形波导的锥形部分中，使得环形波导成为馈通光纤的附加包层；覆盖包层(over-clad)的信号馈通光纤光学耦合到输出光纤；多模泵浦光纤光学耦合到环形波导的非锥形部分中。
本发明进一步提供包括如上所述的装置的光纤放大器、振荡器或激光器。
本发明还提供了形成该装置的方法。
在另一方面，提供一种制备包层泵浦装置的方法，该方法包括：提供毛细管，该毛细管具有足够大以容纳信号馈通光纤的中心孔以及用于沿其长度延伸的泵浦光纤的多个孔；通过加热将所述泵浦光纤熔合到多孔毛细管中，以便在随后的组装期间固定所述泵浦光纤；以泵浦光纤的输出耦合到环形波导端部的方式将环形波导与多孔毛细管的端面结合；将环形波导锥形化；将信号馈通光纤熔合到环形波导的锥形部分中；将覆盖包层的信号馈通光纤熔合到所述输出光纤。
在另一方面，提供制备包层泵浦光纤装置的第二方法，该方法包括：提供空心芯，将多个多模泵浦光纤绕所述芯捆绑，将所述泵浦光纤和芯熔合并将所述泵浦光纤和芯锥形化为大于信号光纤的内径；将所述信号光纤插入锥形组件，并将该锥形组件熔合到所述信号光纤上；将所述覆盖包层的信号馈通光纤熔合到输出光纤。
本发明的实施例通过如下方法处理锥形化导致的损耗的问题：
1.在引入信号馈通光纤之前的独立步骤中将泵浦波导锥形化。
2.当信号馈通光纤熔合到锥形的环形波导中时采用几乎不或理想地不锥形化的信号馈通光纤。
它们还以如下方式处理熔合导致的损耗：
1.环形波导比熔合的光纤束固有地更对称。
2.通过在引入信号馈通光纤之前将泵浦光纤通过熔合耦合或形成到环形波导结构中，加热期间不希望的变形将不会影响信号馈通。
附图说明
现在仅以举例的方式参照附图描述本发明的实施例，其中：
图1(a)示出通过复用器/解复用器的横截面；
图1(b)、图1(c)和图1(d)示出通过图1(a)的A-A、B-B和C-C的各横截面；
图2(a)至图2(e)示出在装置形成中的各阶段；
图3(a)和图3(b)示出在形成利用多孔毛细管的另选装置中的各阶段；
图4(a)和图4(b)示出通过具有两层泵浦光纤的多孔毛细管的一部分；以及
图5(a)至图5(e)示出另选实施例。
具体实施方式
可以使用本发明作为用于将多模泵浦光耦合到多包层光纤的包层中以及将激光信号耦合入或耦合出多包层光纤的芯的泵浦和信号复用器/解复用器。复用器采用基本熔合的玻璃构造。该新型设计处理了现有技术中所固有的信号馈通的熔合导致的损耗和锥形化导致的损耗的问题，并且在这个方面上代表了在现有技术上的进步。此外，它能够将大模面积光纤包含在具有低信号损耗的信号馈通中。
参照图1(a)至图1(d)，该复用器包括输出光纤2001、信号馈通光纤2002、具有锥形部分的环形光学波导2003和多个多模泵浦光纤2004。
该输出光纤具有芯2005、第一包层2006、外包层2007和可能的中间包层。输出光纤的芯用作激光信号的波导。所述包层限定围绕并包括引导多模泵浦光的芯的多模波导。外包层2007可以是低折射率的聚合物层，其为多模泵浦波导提供高数值孔径。例如，该输出光纤可以是具有玻璃芯和第一包层以及聚合物第二包层的双包层光纤。芯的直径可以是20微米，第一包层的直径可以是400微米，芯波导的数值孔径可以是0.06，由第一包层和第二包层限定的多模波导的数值孔径可以是0.46。
信号馈通光纤2002具有芯2008和玻璃包层2009以及可能的附加包层。该芯的目的是将激光信号2010通过复用器导入或导出输出光纤2005的芯。理想地，馈通光纤的芯中的横模分布与输出光纤的芯中的横模分布很好地匹配，以确保激光信号从一个芯到另一个芯有效耦合。例如，该芯直径可以是20微米，该包层直径可以是200微米，该芯波导的数值孔径可以是0.06。
多模泵浦光纤2004典型地具有玻璃芯2011和玻璃包层2012。例如，该芯直径可以是105微米，该包层直径可以是125微米，并且该芯的数值孔径可以等于0.15。当使用该复用器作为光纤激光器系统的一部分时，半导体激光二极管的光学输出可以在泵浦光纤的自由端光学耦合到该芯中。
环形波导2003是玻璃光学波导并且它被用作多模泵浦光纤和输出光纤之间的中间部分。它具有锥形部分。环形波导的目的是将多模泵浦光2013从多模光纤引导到输出光纤的包层。在一个实施例中，环形波导可以是具有环形横截面的氧化硅玻璃毛细管。例如，在非锥形部分中毛细管的内径可以是600微米，外径可以是1100微米。在环形波导的锥形部分中，内径近似但稍大于信号馈通光纤的外径。在本例子中，其可以是205微米。根据锥形率(tapering ratio)在几何上确定环形波导的锥形部分中的外径。在该例子中，它可以是375微米。该环形波导的锥度受几何光学条件的限制。根据亮度法则，当光在锥形波导中传播时，芯中的光线角度关于波导的轴增加。该法则规定光线角度的平方与锥形波导的横截面积成反比增加。为了使光纤通过全内反射来引导光线，光线角度必须低于光纤的数值孔径，该数值孔径是芯和包层的折射率的函数。如果光线角度超过该数值孔径，则该光线将脱离芯进入包层。在本发明的典型实施例中，目的是将离开环形波导的锥形端部的多模泵浦光耦合到输出光纤的第一包层中，并且该第一包层在与第二包层的界面处通过全内反射引导泵浦光。因此，在锥形角度的波导的输出端的光线角度一定不能超过由输出光纤的第一和第二包层的折射率确定的数值孔径，在本例子中该数值孔径是0.46。如上所述，由输入光线角度和波导的锥形度确定输出光线角度。在本例子中，由多模泵浦光纤的数值孔径确定的最大输入光纤角度是大约0.15。输出光线角度不应该超过输出光纤泵浦波导的数值孔径，如先前所述，其为0.46。根据亮度法则，环形波导的线性尺寸的最大锥形度因此是大约0.46/0.15，其大致等于3。
图2(a)至图2(e)示出构造示意性装置中的步骤。
例如通过熔合接合将多模泵浦光纤(40)的输出耦合到环形波导(20)的非锥形端部来构造该装置。信号馈通光纤(30)插入到环形波导中，并且加热该环形波导的锥形部分，该环形波导塌缩(collapse)在信号馈通光纤上以形成馈通光纤的附加包层。该熔合部分被劈开并且例如通过熔合接合结合在输出光纤上(图2(e))。可以在所得到的组件上重新涂覆聚合物以提高该组件的强度和/或提供附加包层。可以经由馈通光纤的芯将激光信号耦合入或耦合出输出光纤的芯。多模泵浦光被耦合到泵浦光纤的自由端。它通过锥形的环形波导传播并进入输出光纤的包层。
在第二实施例中，认识到在一些实际关注的情况中不可以如第一实施例中所述的简单地将大量的泵浦多模光纤直接熔合接合到毛细管的端部上。因此，在第二实施例中(图3a、图3b)，采用多孔毛细管21来帮助将光纤固定在适当的位置并将它们结合到毛细管。
该多孔毛细管具有中心孔22，中心孔22具有使信号馈通光纤穿过它的足够大的直径。它还具有沿其长度轴向延伸的多个孔23，用于接收多个多模泵浦光纤。
在该装置的组装中，多个多模泵浦光纤插入到多孔毛细管中的多个轴向孔中，并且通过加热将所得到的组件熔合到单块的玻璃结构中。在这点上，容易将多个多模光纤作为单个单元来操作，并且可以比在第一实施例中更容易地通过熔合接合将它们结合到环形波导。
该实施例的其它方面，如锥形的环形波导、信号馈通光纤以及输出光纤如在第一实施例中所述。
例如，与第一实施例中引用的图一致，多孔毛细管可具有500微米直径的中心孔，1400微米的外径，并且泵浦光纤的轴向孔的数量可以是20个，在距离毛细管的轴1000微米距离处绕该轴的圆形中均匀间隔。轴向孔的直径可以是128微米。
在一个实施例中，由熔合的氧化硅或石英构造该环形波导。还可以由复合玻璃(如掺氟的氧化硅)或一些其它玻璃成分来构造该环形波导。该环形波导可具有某些形式的包层，这可以改变其光导特性。例如，它可以在内侧或外侧或者在内外两侧上具有薄的掺氟层，这将导致一些或全部泵浦光在该环形波导内侧的全内反射。
该环形波导优选具有理想的圆形内横截面和外横截面。然而，该环形波导不需要具有理想的圆形内横截面和/或外横截面。该环形波导还可以具有多边形或其它形状的内横截面和/或外横截面，并且仍然在本发明的精神内。
信号馈通光纤的芯可以具有波导特性，使得它支持单个横模、少数横模或者多个横模。它还可以是光子晶体芯，该光子晶体芯具有沿其长度轴向延伸的多个孔。
该光纤复用器的一个应用是用于泵浦光纤放大器或激光器。在该配置中，该复用器的输出光纤可以具有掺杂稀土的芯，或者该输出光纤将随后结合到具有掺杂稀土的芯的光纤。在激光器的情况下，输出光纤可以附加包含波长选择部件，例如光栅。可以从单一端或者从两端泵浦这种放大器或激光器。
注意，在本发明的一些实施例中，该泵浦合成器可以具有多层泵浦光纤，用于增加由该装置耦合到包层泵浦光纤的泵浦功率的量。图4(a)和图4(b)示出具有两层的例子。作为选择，当然可以只具有一层或多于两层。
图5(a)到图5(e)示出另外的实施例。
在该实施例中，一束多模光纤110绕管状(优选为圆形)前体(former)120包裹。它们可以螺旋形包裹，纵向包裹或以其它形式包裹。图5(b)示出通过该组件的纵向截面。然后将该前体和包裹的多模光纤熔合并将该前体和包裹的多模光纤锥形化(图5(c))到比信号光纤130(图5(d))大的内径，然后将信号光纤130插入到熔合的锥形组件中。该熔合的锥形组件形成锥形的环形波导。然后将信号光纤130插入该锥形组件中，并将其熔合在信号光纤上。如上所述，在引入信号光纤之前进行锥形化这一事实意味着信号光纤的变形即使有的话也非常小，并且由于所给出的理由这是有利的。然后可以将其劈开，然后将其接合到输出光纤。
在优选实施例中，环形波导主要由具有一个或多个掺氟氧化硅层的熔合氧化硅来构造。这些层可以在内表面、外表面或两个表面上，并且用于若干个目的，包括帮助构造该装置和提供所希望的光学特性，这是因为掺氟既减小了熔点又减小了玻璃的折射率。例如，该毛细管可以具有320微米的外径和256微米的内径，并且它可以在内表面和外表面上具有10微米厚度的掺氟氧化硅层。对于1064nm熔合氧化硅的折射率大约是1.45，并且掺氟的氧化硅可以被掺杂为具有大约1.433的折射率。还可以由包括锗、硼、铝或者磷等元素的一些其它复合玻璃成分构造该环形波导。任选地，将掺氟层用作低折射率包层。杂散辐射可以通过该层全内反射，从而将杂散辐射限制在馈通光纤中，提供了附加的泵浦隔离。在此情况下，对于馈通光纤的基础或三包层结构，该掺氟层是可选的。在机械上，较软的掺氟玻璃在该装置的构造中是有利的。特别地，在毛细管上的外掺氟层和泵浦光纤上的掺氟包层之间的界面增加了该装置的强度。