專利名稱：一種用于增益應用的有源光纖結(jié)構及其實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光纖激光器，尤其涉及用于光纖激光器中將泵激輻射有效地耦合入光纖增益纖芯的有源光纖。所述光纖結(jié)構可用于光纖耦合器、光纖光柵、光纖隔離器制作以及傳能用無源光纖。
背景技術：
光纖激光器就是指采用光纖作為激光介質(zhì)的激光器，通過在光纖纖芯中摻雜稀土離子，如Yb、Er、Tm、Ho等，獲得所對應波長的激光增益輸出。光纖激光器與傳統(tǒng)的固體激光器相比具有散熱好、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好等優(yōu)點，是近年來激光技術研發(fā)領域最大熱點之一。對于常規(guī)的單模光纖激光器，要求注入到纖芯的泵浦光必須為單模，這限制了泵浦光的入纖效率，導致光纖激光器的輸出功率較低。1988年美國Polaroid公司的Sintzer等人提出雙包層光纖和包層泵浦技術，是光纖激光技術的重大突破，為提高激光器輸出功率和轉(zhuǎn)換效率提供了有效的技術途徑，改變了光纖激光器是小功率器件的歷史。隨著激光輸出功率的不斷提高，高功率光纖激光器的應用前景更為看好，并已在光通信、材料加工和處理、醫(yī)學、印刷以及軍事等領域得到迅速而廣泛的應用。在中國發(fā)明專利，專利號為ZL95194426. 6，發(fā)明名稱為《有效使用泵激功率的光纖結(jié)構》中公開了一種雙包層光纖結(jié)構，即在纖芯外有兩個包層，內(nèi)包層起著傳輸泵浦光的作用，外包層材料采用低折射率的石英玻璃，主要功能是約束泵浦光在內(nèi)包層傳輸。雙包層光纖的設計可以有效提高光纖可泵浦功率，但如果還采用圓包層結(jié)構，則會降低光纖對泵浦光的耦合效率，主要是因為，泵浦光在內(nèi)包層產(chǎn)生大量螺旋光，不能耦合入纖芯。為提高雙包層光纖耦合效率，主要通過改變內(nèi)包層形狀的方法改變螺旋光路，使其通過纖芯，專利中采用多邊形石英包層結(jié)構對內(nèi)包層進行設計有效提高了光纖的吸收效率。現(xiàn)有技術中的雙包層摻稀土光纖通過將內(nèi)包層設計為“D”形或方形或六邊形等異形的多邊形石英包層結(jié)構，可以提高光纖對泵浦光的吸收效率，改善光纖激光器增益?，F(xiàn)有技術中這種通過對內(nèi)包層結(jié)構進行異形的多邊形設計的方法雖然可改善雙包層光纖的泵浦效率，但也有不少缺點。如這種結(jié)構設計需要對石英光纖預制棒進行光學加工處理，而由于石英材料受應力影響，在光學加工拋磨時極易開裂，造成制作成品率相當?shù)?；又由于對預制棒表面的拋磨處理，易造成表面不清潔，引入了拋光粉、金鋼砂等雜質(zhì)顆粒，致使光纖損耗增大；由于雙包層光纖的石英包層形狀為異形多邊性，光纖強度以及耐彎曲性能都大大降低；異形多邊形包層結(jié)構還造成了光纖熔接損耗的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種用于增益應用的有源光纖結(jié)構及其實現(xiàn)方法，無需將內(nèi)包層設計成八邊形或D形等異形多邊形結(jié)構就可以達到相當高的纖芯對包層泵浦光的耦合效率，且在光纖強度、耐彎曲面與現(xiàn)有技術相比較都能獲得很好的改善。為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術解決方案是
一種用于增益應用的有源光纖結(jié)構，其特征在于所述光纖結(jié)構為從內(nèi)到外依次由纖芯、石英包層、低折射率涂覆層、外涂覆層構成的同心圓層結(jié)構；所述石英包層可以僅由一層漸變型折射率的石英包層構成；也可以由一層石英內(nèi)包層和一層石英外包層共同構成，石英內(nèi)包層為漸變型折射率，且石英內(nèi)包層的任意位置的折射率均高于石英外包層的折射率；
所述漸變型折射率即指通過控制摻雜濃度使石英層從最內(nèi)層到最外層，其折射率呈從高到低漸變；
所述石英包層中折射率漸變的部分的外直徑為纖芯外直徑的7倍以上。一種用于增益應用的有源光纖結(jié)構的實現(xiàn)方法，采用氣相沉積工藝制成光纖預制棒，通過套管或拋光工藝調(diào)節(jié)光纖預制棒直徑；最后通過拉絲塔拉絲并涂覆低折射率涂覆層4以及外涂覆層5 ;其特征在于所述光纖預制棒制作過程中，是通過以下步驟實現(xiàn)石英包層的折射率漸變
在光纖預制棒制作時，在沉積管內(nèi)沉積石英包層的過程中，通過逐步調(diào)整摻雜氣體流量的方法來改變摻雜氣體的濃度使沉積得到的石英包層具有漸變型折射率，然后通過氣相摻雜或液相摻雜工藝技術沉積摻稀土元素有源光纖纖芯；然后再進行縮管。本發(fā)明可帶來以下有益效果
普通結(jié)構的雙包層有源光纖為提高光纖輸出功率及光束質(zhì)量，具有大纖芯直徑(最大20i!m)，低數(shù)值孔徑(0.06)的特點。由于光纖數(shù)值孔徑低，光纖的纖芯彎曲損耗及熔接損耗大。受芯/包比例限制，光纖的包層泵浦吸收系數(shù)小，泵浦耦合效率低，雖然現(xiàn)有技術中可通過異形多邊形包層結(jié)構設計以及增加光纖長度解決這個問題，但包層異形結(jié)構必須對光纖預制棒進行光學冷加工處理，降低了生產(chǎn)成品率、提高了光纖制作難度同時增加了光纖熔接損耗；增加光纖長度提高了光路損耗同時還增加了光纖非線性效應產(chǎn)生機率，這些問題限制了光纖激光器的發(fā)展。本發(fā)明的光纖結(jié)構和普通雙包層有源光纖相比主要是石英包層為摻雜的折射率漸變結(jié)構，包層形狀為圓形，這一新型結(jié)構的設計能改善以上所述常規(guī)雙包層光纖的一系列問題。本發(fā)明能改善光纖彎曲損耗及熔接損耗。折射率漸變型石英包層的設計，可有效提高纖芯與石英包層之間的折射率差，提高光纖的彎曲半徑，如普通結(jié)構的折射率差為0. 0012的雙包層有源光纖數(shù)值孔徑為0. 06，光纖彎曲半徑為90mm，如果采用本發(fā)明設計的折射率差為0. 0012的折射率漸變型石英包層后，纖芯相對石英包層的折射率差可達
0.0024，光纖的彎曲半徑可達到32_。本發(fā)明的光纖與常規(guī)光纖熔接時由于纖芯具有更高的折射率，光極易從低折射率材料進入高折射率材料，熔接損耗低。折射率漸變型石英包層還具備自聚焦功能，產(chǎn)生的包層因熔接產(chǎn)生的散射光可通過包層自聚焦至纖芯，降低熔接損耗。本發(fā)明可提高光纖對包層泵浦光的耦合效率，制作激光器時無需進行包層濾模處理。折射率漸變型石英包層具備自聚焦功能，其可促進包層光向纖芯耦合，提高了光纖纖芯對包層泵浦光的耦合效率。如20/400型雙包層光纖包層采用八邊形結(jié)構設計，IOm光纖的纖芯對包層泵浦光的耦合效率為75%左右，如果采用直徑120 折射率漸變型石英包層，其耦合效率可達95%，所以采用本發(fā)明制作光纖激光器時，適當設計光纖長度，光纖可以不用進行包層濾模處理。本發(fā)明的光纖結(jié)構無需進行異形多邊形光學加工，可提高生產(chǎn)效率并同時提高光纖強度，降低光纖本底損耗?，F(xiàn)有技術中為提高雙包層光纖纖芯對包層光的耦合效率，常用方法是把石英包層加工為八邊形或D形等異形多邊形，而本發(fā)明采用一定直徑的折射率漸變型的石英包層設計，光纖耦合效率在不進行石英包層異形加工的情況下能達到八邊形結(jié)構雙包層光纖的同等水平，且隨著漸變型石英包層直徑的增大而增加。由于采用本發(fā)明，無需進行異形加工，使有源光纖制作簡化，提高了有源光纖強度并同時降低了光纖因包層加工帶來的本底損耗。本發(fā)明可解決現(xiàn)有技術中雙包層有源光纖的高熔接損耗、高彎曲損耗、低強度等問題，簡化了有源光纖制作工藝，對光纖激光器的發(fā)展具有重要意義。


圖1 :本發(fā)明的實施例1的折射率漸變包層有源光纖的結(jié)構示意圖 圖2 :圖1所示實施例1的光纖折射率分布圖
圖3 :本發(fā)明的實施例2的折射率漸變包層有源光纖的結(jié)構示意圖 圖4 :圖3所示實施例2的光纖折射率分布圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。本發(fā)明的設計原理為普通雙包層光纖的內(nèi)包層為純石英，折射率都為1. 475左右，包層光在傳輸過程是直線傳輸，形成大量螺旋反射光而不能耦合入纖芯，造成耦合效率低，這是為什么普通雙包層有源光纖要采用異邊形結(jié)構來提高耦合效率的主要原因。本發(fā)明采用的漸變折射率結(jié)構，具有主動聚焦功能，可打破光在包層的直線傳輸狀態(tài)，把包層泵浦光聚集至纖芯，起到提高耦合效率的作用。附圖1為本發(fā)明的實施例1的折射率漸變包層有源光纖，摻鐿纖芯I的外圍是折射率漸變型石英內(nèi)包層2，折射率漸變型石英內(nèi)包層2外是圓形的純石英外包層3，其次是一層低折射率涂覆樹脂4，最外圍是高模量丙烯酸樹脂外涂覆層5，對應的光纖折射率分布如圖2所示。石英外包層3除了可以選用純石英制成以外，還可以選用摻雜石英制成；石英外包層不同位置的折射率即可以是均一不變的也可以是變化有差異的，但只要石英外包層任意位置的折射率均小于內(nèi)包層的折射率即可。在實施例1中，采用MCVD工藝與氣相摻雜工藝制作折射率漸變型內(nèi)包層纖芯摻鐿光纖預制棒，折射率漸變型石英內(nèi)包層摻雜材料為Ge、P，纖芯摻雜材料為Yb、Al、P ;在光纖拉制時在光纖表面先后涂覆低折射率涂覆樹脂和高模量丙烯酸樹脂外涂覆層。實施例1所示的折射率漸變包層有源光纖，纖芯直徑11 Pm，纖芯數(shù)值孔徑(NA)
0.07，折射率漸變型內(nèi)包層直徑75 u m,石英包層直徑125 u m,石英包層形狀為圓，光纖涂覆外徑245 u m。光纖實測915nm吸收系數(shù)為1. 8dB/m, 7m光纖制作成光纖激光器的斜率效率為75. 6%o實施例1的雙包層有源光纖預制棒通過采用MCVD或PCVD工藝制作。在光纖預制棒制作時，首先在沉積管內(nèi)沉積比石英外包層3 (沉積管)折射率高的漸變型折射率內(nèi)包層2，沉積過程SiCl4流量為600SCCm保持不變，GeCl4的初始流量為30sCCm，并按2sCCm流量每層遞增沉積40層，再每層按0. 5sccm流量遞增沉積20層，最后按120sCCm流量保持不變沉積20層；然后通過氣相摻雜或液相摻雜工藝技術沉積摻稀土元素有源光纖纖芯I ;最后通過MCVD或PCVD縮管工藝進行縮管；再通過套管或拋光工藝調(diào)節(jié)光纖預制棒直徑，制作出來的光纖預制棒纖芯直徑1. 5mm,內(nèi)包層直徑IOmm,預制棒直徑17mm ;最后通過拉絲塔拉絲并涂覆低折射率涂覆層4以及外涂覆層5。附圖3為本發(fā)明的實施例2的折射率漸變包層有源光纖，摻鐿纖芯21的外圍是折射率漸變型石英包層22，折射率漸變型石英包層22外是低折射率涂覆樹脂24，最外圍是高模量丙烯酸樹脂外涂覆層25，對應的光纖折射率分布如圖4所示。在本實施例中，石英包層僅由一層漸變型折射率的石英包層構成。采用PCVD工藝與氣相摻雜工藝制作折射率漸變型石英包層纖芯摻鐿光纖預制棒，折射率漸變型石英包層摻雜材料為F、P，纖芯摻雜材料為Yb、Al、P ;在光纖拉制時在光纖表面先后涂覆低折射率涂覆樹脂和高模量丙烯酸樹脂外涂覆層。實施例2的折射率漸變包層有源光纖，纖芯直徑11 U m，纖芯數(shù)值孔徑(NA) 0. 07，折射率漸變型石英包層直徑125 u m，包層形狀為圓，光纖涂覆外徑245 u m。光纖實測915nm吸收系數(shù)為1. 9dB/m，7m光纖制作成光纖激光器的斜率效率為77%。實施例2采用PCVD工藝制作。在光纖預制棒制作時，在沉積管內(nèi)沉積比石英沉積管折射率低的漸變型折射率石英包層22，沉積過程SiCl4流量為600SCCm保持不變，C2F6的初始流量為IOOsccm,并按0. 06sccm流量每層遞減沉積1000層，再每層按0. 03sccm流量遞減沉積1000層，再每層按0. Olsccm流量遞減沉積500層，最后再沉積1000層純硅層，其中可適當添加P流量為I 2 sccm ;然后通過氣相摻雜藝技術沉積摻稀土元素有源光纖纖芯21 ;最后通過縮管工藝進行縮管成棒；再通過光學冷加工磨除石英沉積管部分而形成光纖預制棒，制作出來的光纖預制棒纖芯直徑1. 4mm,預制棒外徑16mm ;最后通過拉絲塔拉絲并涂覆低折射率涂覆層24以及外涂覆層25。
權利要求
1.一種用于增益應用的有源光纖結(jié)構，其特征在于所述光纖結(jié)構為從內(nèi)到外依次由纖芯、石英包層、低折射率涂覆層、外涂覆層構成的同心圓層結(jié)構；所述石英包層可以僅由一層漸變型折射率的石英包層構成；也可以由一層石英內(nèi)包層和一層石英外包層共同構成，石英內(nèi)包層為漸變型折射率，且石英內(nèi)包層的任意位置的折射率均高于石英外包層的折射率；所述漸變型折射率即指通過控制摻雜濃度使石英層從最內(nèi)層到最外層，其折射率呈從高到低漸變；所述石英包層中折射率漸變的部分的外直徑為纖芯外直徑的7倍以上。
2.按照權利要求1所述的一種用于增益應用的有源光纖結(jié)構的實現(xiàn)方法，采用氣相沉積工藝制成光纖預制棒，通過套管或拋光工藝調(diào)節(jié)光纖預制棒直徑；最后通過拉絲塔拉絲并涂覆低折射率涂覆層(4)以及外涂覆層(5);其特征在于所述光纖預制棒制作過程中， 是通過以下步驟實現(xiàn)石英包層的折射率漸變在光纖預制棒制作時，在沉積管內(nèi)沉積石英包層的過程中，通過逐步調(diào)整摻雜氣體流量的方法來改變摻雜氣體的濃度使沉積得到的石英包層具有漸變型折射率，然后通過氣相摻雜或液相摻雜工藝技術沉積摻稀土元素有源光纖纖芯；然后再進行縮管。
全文摘要
本發(fā)明涉及光纖激光器。所要解決的技術問題是提供一種用于增益應用的有源光纖結(jié)構及其實現(xiàn)方法，無需將內(nèi)包層設計成八邊形或D型等異形多邊形結(jié)構就可以達到相當高的纖芯對包層泵浦光的耦合效率。其特征在于所述光纖結(jié)構為從內(nèi)到外依次由纖芯、石英包層、低折射率涂覆層、外涂覆層構成的同心圓層結(jié)構；石英包層可以僅由一層漸變型折射率的石英包層構成；也可以由一層漸變型折射率的石英內(nèi)包層和一層石英外包層共同構成，但石英內(nèi)包層的任意位置的折射率均高于石英外包層的折射率。本發(fā)明可解決現(xiàn)有技術中雙包層有源光纖的高熔接損耗、高彎曲損耗、低強度等問題，簡化了有源光纖制作工藝，對光纖激光器的發(fā)展具有重要意義。
文檔編號C03B37/014GK102998741SQ20121051524
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權日2012年12月5日
發(fā)明者潘志勇, 朱源 申請人:中國電子科技集團公司第二十三研究所