用于多包層光纖的多模光纖外包層耦合器的制造方法
【專利說明】
[0001] 本申請是本申請人于2007年2月6日提交的、申請?zhí)枮?00780009246. 3、發(fā)明名 稱為"用于多包層光纖的多模光纖外包層耦合器"的發(fā)明申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及光纖耦合器。具體地，本發(fā)明涉及適合于將多模栗浦光纖耦合到多包 層光纖特別是雙包層光纖的外導(dǎo)向包層內(nèi)的耦合器。
【背景技術(shù)】
[0003] 多模光纖被用在許多應(yīng)用中，像通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器系統(tǒng)、航空電子技術(shù)以及醫(yī)療儀 器。雖然多模光纖最初的應(yīng)用多與通信有關(guān)，但目前其應(yīng)用的一部分在于那些以傳送光能 為主要需求的應(yīng)用。隨著激光器、二極管以及激光二極管棒功率的增加和亮度的提高，還發(fā) 現(xiàn)多模光纖經(jīng)常用在工業(yè)激光器應(yīng)用中。特別地，光纖激光器在其設(shè)計方面已經(jīng)得以改進， 目前其能夠傳送數(shù)百瓦特的輸出。高功率光纖激光器全部都基于雙包層光纖（DCF)。在這 樣的光纖里，激光被傳輸至雙包層光纖的纖芯，而光功率栗浦光卻在光纖的第一個光包層 內(nèi)進行導(dǎo)向。第二個光包層生成了外波導(dǎo)。因為包層比纖芯大，所以更大的光功率可以注 入光纖內(nèi)，即更高的栗浦功率可以提供給雙包層光纖的增益纖芯，由此為激光器提供更大 的輸出功率。有關(guān)這種結(jié)構(gòu)的概述描述在Kafka的美國專利US4, 829, 529里。雖然栗浦功 率和纖芯光可以用笨重的光學(xué)元件像透鏡、反射鏡和二向色濾光注入，但是商業(yè)化和工業(yè) 化的推動使之正朝著用光纖部件向雙包層光纖提供耦合的方向前進。這些部件被設(shè)計成采 用那些連接在光纖尾部的激光二極管、激光二極管棒或任何栗浦功率光源上的一個或數(shù)個 多模光纖，并被設(shè)計成將該一個或數(shù)個多模光纖連接在雙包層光纖的包層上。
[0004] 有兩種將栗浦光耦合進雙包層光纖的途徑。一種途徑是用端面注入光，稱為端面 栗浦；另一種途徑設(shè)法從側(cè)面耦合光，稱為側(cè)面栗浦。
[0005] 許多專利都給出了實現(xiàn)端面栗浦的器件和技術(shù)。最簡單的技術(shù)是接合直徑和數(shù)值 孔徑（NA)都比DCF小的單根多模光纖。如果需要多根光纖，可以如美國專利US4, 392, 712 或US4, 330, 170中公開的那樣，對光纖束進行熔合、錐形化以及劈開。錐形化的光纖束（或 TFB)的一半最終被接合在DCF上，如美國專利US6, 823, 117所述。
[0006] 因為光纖束成錐形，所以在光纖束與DCF之間可以保持基本的亮度守恒 (conservation)。光纖束的錐形化增大了多模結(jié)構(gòu)中光線的縱向角0Z，但光束直徑鄧b卻 減小。對于具有最大縱向角9z的導(dǎo)向光線，栗浦光纖的數(shù)值孔徑NAb用以下等式給出：
[0007] ncosin0 z=NAb
[0008] 其中，1^是栗浦光纖其纖芯的折射率。
[0009] 因而，亮度守恒用下列關(guān)系表述：
[0010]
[0011] 其中，是注入栗浦的DCF包層的直徑，NADeF是該包層的數(shù)值孔徑。利用這個 關(guān)系，可以制作多光纖組合器，像7X1 (7根多模光纖2入一根輸出光纖）或19X1。在恰當(dāng) 選擇光纖的直徑和數(shù)值孔徑下，這些耦合器可以將光纖尾部栗浦的亮度轉(zhuǎn)換到DCF。
[0012] 然而，在雙包層光纖激光器里，纖芯內(nèi)的功率必須被輸出到某處。使用這些部件， 只可能從一個端面輸入雙包層光纖。對于需要更多輸入光纖的激光器，或者尤其是對于放 大器，其需要在光纖束間增加單根光纖來輸入或輸出信號。這使光纖束的設(shè)計變得復(fù)雜 化，因為這會對光纖束的幾何形狀產(chǎn)生限制，如DiGiovanni的美國專利US5, 864, 644和 Fidric的美國專利US6, 434, 302所示。隨后，信號光纖被錐形化，并且為減小光纖束內(nèi)的信 號纖芯與DCF的纖芯之間的接合損耗，必須滿足某些錐度比。因為幾何形狀的緣故，最普通 的器件是（6+1)X1組合器（圍繞1單根光纖的6根栗浦光纖入DCF)。在這種結(jié)構(gòu)里，束間 的所有光纖都具有相同的直徑。當(dāng)信號光纖是大纖芯光纖時，模式通常很少，從而錐形化更 加有限，如Gonthier等人在美國專利申請公開No. 2005/0094952A1所述的。對于偏振保持 光纖這樣的信號光纖，情況相同。因此，在這種情形下，因為中央的光纖不是栗浦光纖，所以 從栗浦光纖到DCF的亮度損失將惡化大約15%。
[0013] 因而，端面栗浦的優(yōu)勢在于多根栗浦光纖可以組合，并且亮度能得以最大地保留， 只要所有栗浦端口都被使用。但是，如果需要的是信號直通光纖并且DCF只有兩個端面，那 么就會對結(jié)構(gòu)幾何形狀和信號光纖產(chǎn)生限制。
[0014] 第二種途徑即側(cè)面栗浦可以用不同的方式實現(xiàn)，但是這些方式都多少與Kawasaki等人在美國專利US4, 291，940里首先公開的熔合耦合器有關(guān)，該專利描述的是雙錐形光纖 耦合器。當(dāng)兩根或更多根多模光纖被縱向熔合并被錐形化時，光會從一根光纖泄漏，這是 因為在下錐形部分處模的縱向角增大，并變成耦合到其他多模光纖上。隨著直徑在上游錐 形輸出部分處再次增大，模的縱向角減小到低于輸出光纖的數(shù)值孔徑的一個值，從而生成 低損耗光纖部件。這類簡單器件能很容易地將光耦合進DCF中，但是它們易于在多模波導(dǎo) 里產(chǎn)生均勻的功率分布，從而大量功率會保留在多模栗浦光纖里。然而，這種耦合可以如 MacCormack等人的美國專利US6, 434, 295所述那樣進行優(yōu)化。在簡化的親合模型中，可以 假設(shè)多模恪合雙錐形親合器內(nèi)的親合或功率分布與親合器內(nèi)恪合光纖的相對面積成正比。 因而，對具有相同直徑的栗浦光纖和DCF光纖的耦合將導(dǎo)致栗浦光50%的耦合。如果制作 一種用相同直徑的一根栗浦光纖親合兩根DCF光纖的親合器，那么將有66%的栗浦光被傳 送到DCF光纖內(nèi)。另外，MacCormack提出通過使親合器橫向地不對稱來提高這種親合。如 果栗浦光纖的數(shù)值孔徑小于DCF光纖的數(shù)值孔徑，那么按照亮度守恒定律，栗浦光纖可以 與數(shù)值孔徑的比率成正比地錐形化。隨后，耦合器被熔合在這個不對稱區(qū)域內(nèi)，該不對稱 區(qū)域的比率支持著（infavourof)DCF。舉個例子，如果栗浦光纖具有0.22的數(shù)值孔徑和 DCF具有0. 44的數(shù)值孔徑，那么栗浦光纖可以被錐形化2倍，由此其面積減小4倍。兩根光 纖之間面積的比從未錐形化栗浦光纖情形下的50% /50%變化為對于帶有錐形化栗浦光 纖的非對稱耦合器的20% /80%，從而現(xiàn)在能耦合80%的栗浦光到DCF里。然而，不幸的 是，因為栗浦光纖內(nèi)保留的功率，按照亮度的使用來說這項技術(shù)并非十分有效，而為了獲得 非常好的耦合效率，需要栗浦光纖與DCF之間面積相差最大，但是亮度損失卻與這個相差 比直接成正比。因此，耦合越好，亮度越差。
[0015] 美國專利US4, 586, 784提出另一種生成耦合效率不對稱的方式。它同樣基于的 是縱向熔合在一起的光纖，但在與其他多模光纖相熔合的栗浦光纖內(nèi)采用的卻是縱向錐形 化，以生成耦合的更大不對稱。在美國專利US5, 999, 673中，還提出一種熔合在DCF光纖上 的錐形布置，但在這種情形下單根栗浦光纖被錐形化為非常小的直徑，大大高于2倍。這導(dǎo) 致在栗浦光纖內(nèi)傳播的光線的角度增大。然而，因為是錐體熔合在DCF上，所以在光線達到 不會再被DCF導(dǎo)向的角度之前，光開始從栗浦光纖泄漏進DCF內(nèi)。為確保這樣，激光二極管 向栗浦光纖的發(fā)射條件被控制得使從激光器耦合出的光線的縱向角不超過DCF的縱向角， 即使這些光線已經(jīng)穿過熔合在耦合器上的錐形化部分。激光尾部（pigtail)的角度與DCF 的臨界角之間的關(guān)系給定為未錐形化栗浦光纖和DCF光纖的面積總和與輸出DCF光纖的 面積的比的平方根，其中假設(shè)光纖被錐形化為可以忽略的直徑。這項技術(shù)具有能產(chǎn)生接近 100%耦合效率的優(yōu)點，然而，這樣的布置不能使亮度最佳。采用這種關(guān)系時，亮度的相對損 失等于DCF的發(fā)散角與臨界角的比。對于兩根相同直徑的光纖，其給出的值是40%，這比 (6+1)X1組合器要差。另外，如果激光器與耦合器之間的栗浦光纖長度適當(dāng)?shù)脑挘跗衷匆?于滿足栗浦光纖的數(shù)值孔徑，從而改變栗浦光纖內(nèi)光線的發(fā)散角。因為與DCF不匹配，所以 這會在耦合器輸出處導(dǎo)致?lián)p失。
[0016] 因此，側(cè)面栗浦的優(yōu)點是信號光纖是經(jīng)常連續(xù)性的，它們可以一個接一個地級聯(lián) 來提高耦合功率的量，并且它們不會受到端面栗浦組合器所受到的幾何形狀限制的困擾。 側(cè)面栗浦的缺點在于它們在亮度保持方面效果差很多。這對放大器的長度和激光器的腔長 有直接的影響，因為增益介質(zhì)的吸收隨著直徑增大而變差，要耦合給定尾部栗浦光纖的栗 浦源的話，需要較大直徑的光纖，從而較長的增益光纖。另外，如果需要幾次栗浦，那么采用 單根栗浦光纖就限制了設(shè)計布置的靈活性。
[0017] 因此，需要提供一種改進的耦