用于多包层光纤的多模光纤外包层耦合器的制作方法

专利名称：用于多包层光纤的多模光纤外包层耦合器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤耦合器。具体地，本发明涉及适合于将多模泵浦光纤耦合到多包层光纤 特别是双包层光纤的外导向包层内的耦合器。 背景駄
多模光纤被用在许多应用中，f魏信网络、传麟系统、航空电子技术以及医疗仪器。虽 然多模光纤最初的应用多与衝諸关，但目前其应用的一部分在于另陛以传送光能为主要需求 的应用。随着激光器、二极管以及激光二极管棒功率的增加和亮度的提高，还发现多模光纤经 常用在工业激光器应用中。特别地，光纤激光皿其设计方面已经得以改进，目前其能够传送 数百瓦特的输出。高功率光纤激光器全部都基于双包层光纤(DCF)。在这样的光纤里，激光 被寸输至双包层光纤的纤芯，而光功率泵浦光却在光纤的第一个光包层内进行导向。第二个光 包层生成了夕卜波导。因为包层比纤芯大，所以更大的光功率可以注入光纤内，即更高的泵浦功 率可以提供给双包层光纤的增益纤芯，由此为激光器提供更大的输出功率。有关这种结构的概 述描述在Ka&a的美国专利US4，829，529里。虽然泵浦功率和纤芯光可以用笨重的光学元件像 透镜、反射镜和二向色滤光注入，但是商业化和工业化的推动使之正朝着用光乡賴附向双包层 光纤掛共耦合的方向前进。这些部件被设计皿用那些连接在光纤尾部的激光二极管、激光二 极管棒或倒可泵浦功率光源上的一个或数个多模光纤，并被设计成将该一个或数个多模光纤连 接在双包层光纤的包层上。
有两种将泵浦光耦^a^又包层光纤的途径。 一种途径是用端面注入光，称为端面泵浦；另
一种途径设法从侧面耦合光，称为侧面泵浦。
许多专利都给出了实现端面泵浦的器件和技术。最简单的技术是接合直径和数值孔径 (NA)都比DCF小的单根多模光纤。如果需要多根光纤，可以如美国专利US4，392,712或 US4，330,170中公开的那样，对光纤束进行熔合、锥形化以及劈开。锥形化的光纤束(或TFB) 的一半最终被接合在DCF上，如美国专利US6,823,117所述。
因为光纤束成锥形，所以在光纤束与DCF之间可以保持基本的亮度守恒(conservation^光纤束的锥形化增大了多模结构中光线的纵向角ez，但光束直径qv却减小。对于具有最大纵向
角e"勺导向光线，泵浦光纤的数值 L径NAb用以下等式给出 wco sin= 7V/4A
其中， 。是泵浦光纤其纤芯的折射率。
因而，敲守恒用下列关系魏 P具< ^Z)d
其中，p野是注入泵浦的DCF包层的直径，假^是该包层的数值 L径。利用这个关系， 可以制作多光纤组合器，像7xl (7根多模光纤2入一根输出光纤)或19xl。在恰当选择光纤 的直径和数值孔径下，这些耦合器可以将光纤尾部泵浦的，转换到DCF。
然而，在双包层光纤激光器里，纤芯内的功率必须被输出到某处。j顿这些部件，只可能 从一个端面输A) 又包层光纤。对于需要更多输入光纤的激光器'或者尤其慰寸于放大器，其需 要在光纤束间增加单根光纤来输A^输出信号。这使光纤束的设计变得复杂化，因为这会对光 纤束的几何形状产生限制，如Di Giovanni的美国专利US5，864，644和Fidric的美国专利 US6,434,302所示。随后，信号光纤被锥形化，并且为减小光纤束内的信号纤芯与DCF的纤芯 之间的接合损耗，必须满足某些锥度比。因为几何开别犬的缘故，最普通的器件是(6+l)"组合 器(围绕1单根光纤的6根泵浦光纤入DCF)。在这种结构里，束间的所有光纤都具有相同的 直径。当信号光纤是大纤芯光纤时，模式通常很少，从而锥形化更加有限，如Gonthier等人在 美国专利申请公开Na2005/0094952Al所述的。对于偏振保持光纤这样的信号光纤，情况相同。 因此，在这种情形下，因为中央的光纤不是泵浦光纤，所以/短浦光纤到DCF的亮度损失将 恶化大约15%。
因而，端面泵浦的优势在于多職浦光纤可以组合，并且亮度能得以最大地保留，只要所 有泵浦端口都樹顿。但是，如果需要的是信号直通光纤并且DCF只有两个端面，那么就会 对结构几何糊犬和信号光纤产生限制。
第二种途径即侧面泵浦可以用不同的方式实现，但是这些方式都多少与Kawasaki等人在美 国专利US4,291,940里首先公开的熔合耦合器有关，该专利描述的是双锥形光乡刊禹合器。当两 根或更多根多模光纤被纵向熔合并被锥形化时，光会从一根光纤泄漏，这是因为在下锥形部分 处模的纵向角增大，护变成耦合到其他多模光纤上。随着直径在上游锥形输出部分处再次增大， 模的纵向角减小到低于输出光纤的数值孔径的一个值，从而生成低损耗光纤部件。这类简单器件能很容易地将光耦^SDCF中，但是它们易于在多模波导里产生均匀的功率分布，从而大 量功率会保留在多模泵浦光纤里。然而，这种耦合可以如MacCormack等人的美国专利 US6,434,295所述那样进行优化。在简化的耦合模型中，可以假设多模熔合双锥形耦合器内的 耦合或功率分布与耦合器内條合光纤的相对面积成正比。因而，对具有相同直径的泵浦光纤和 DCF光纤的耦合将导致泵浦光50%的耦合。如果制作一种用相同直径的一顿浦光乡刊禹合两 根DCF光纤的耦合器，那么4贿66%的泵浦光被传送到DCF光纤内。另夕卜，MacCo皿ack提 出M使耦合器横向地不对称来提高这种耦合。如果泵浦光纤的数值 W5小于DCF光纤的数 值孔径，那么按照敲守恒定律，泵浦光纤可以与数值 L径的比率成正比地锥形化。随后，耦 合激皮熔合在这个不对称区域内，该不对称区域的比率支持着(infavourof) DCF。 #例子， 如果泵浦光纤具有0.22的数值 L径和DCF具有0.44的数值 L径，那么泵浦光纤可以被锥形化 2倍，由此其面积减小4倍。两根光纤之间面积的比从未锥形化泵浦光纤瞎形下的50%/50% 变化为对于带有锥形化泵浦光纤的非对称耦合器的20%/80%，从而现在能耦合80%的泵浦光 到DCF里。然而，不幸的是，因为泵浦光纤内保留的功率，按照亮度的使用来说这项技术并 非十分有效，而为了获得非常好的耦合效率，需要泵浦光纤与DCF之间面积相差最大，但是 亮度损失却与这个相差比直接成正比。因此，耦^M好，亮度越差。
美国专利US4,586,784提出另一种生成耦合效率不^诉尔的方式。它同样基于的是纵向熔合 在一起的光纤，但在与其他多模光纤相熔合的泵浦光纤内采用的却是纵向锥形化，以生成耦合 的更大不对称。在美国专利US5,999,673中，还提出一种熔合在DCF光纤上的锥形布置，但 在这种情形下单職浦光纤被锥形化为非常小的直径，大大高于2倍。这导致在泵浦光纤内传 播的光线的角度增大。然而，因为是锥体熔合在DCF上，所以在光线达到不会SI皮DCF导向 的角度之前，光开始从泵浦光纤泄漏进DCF内。为确保这样，激光二极管向泵浦光纤的對寸 割牛被控制得使从激光器耦合出的光线的纵向角不超过DCF的纵向角，即使这些光线已经穿 过熔合在耦合器上的锥形化部分。激光尾部(pigtail)的角度与DCF的临界角之间的关系给定 为未锥形化泵浦光纤和DCF光纤的面积总和与输出DCF光纤的面积的比的平方根，其中假设 光纤被锥形化为可以忽略的直径。这项技术具有能产生舰100%耦合效率的优点，然而，这 样的布置不能使亮度最佳。采用这种关系时，亮度的相对损失等于DCF的发散角与临界角的 比。对于两根相同直径的光纤，其给出的值是40%，这比(6+l)xl组合器要差。另外，如果激 光器与耦合器之间的泵浦光纟m度适当的话，泵浦源易于满足泵浦光纤的数值 L径，从而改变 泵浦光纤内光线的发散角。因为与DCF不匹配，所以这会在耦合器输出处导致损失。因此，侦腼泵浦的优点是信号光纤是经常遊卖性的，它们可以一个接一个地级耳妹提高耦 合功率的量，并且它们不会受到端面泵浦组合器所受到的几何糊犬限制的困扰。侧面泵浦的缺
点在于它们在敲保持方面效果差很多。iix寸放大器的长度和激光器的腔长有直接的影响，因
为增益介质的吸收随着直径增大而变差，要耦^^合定尾部泵浦光纤的泵浦源的话，需要较大直 径的光纤，从而较长的增益光纤。另外，如果需要几l^浦，那么采用单B浦光纤就限制了 设计布置的灵活性。
因此，需要提供一种改进的耦^t径将泵浦光纤的光功率耦合进DCF光纤内，同时优化 遊卖DCF的侧向泵浦使其具有端面泵浦组合器 亮度效率这样的优点。

发明内容
本发明的一个目标在于提供一种耦合器，其将泵浦光纤侧向地耦合到多包层光纤尤其是 DCF的外导向包层。
本发明的另一个目标在于改善侧向泵浦耦合器的亮度效率。本发明的又一个目标在于掛共一种获得这样耦合器的方法。 本发明的其他目标和优点从下面的描述可以显而易见。
实际上，本发明^f共一种具有这样结构的耦合器，即在该结构中，多，形泵浦光纤侧向 耦合在多包层光纤像DCF上。优选地，DCF少量或没有锥形化，由此保留着DCF纤芯的模 型性质并将损失的信号降至最小。本发明的耦合器可以采用单模光辩禹合到大纤芯DCF，并 且既可以具有偏振保持DCF光纤又可以具有非偏振保持DCF光纤。这种耦合基于的是泵浦光 纤的数值 L径，而不是泵浦源注AS泵浦光纤的光线的发散角，通常，DCF的数值 L樹駄 于泵浦光纤的数值孔径值。
锥形的泵浦光纤纵向地熔合在DCF上，并且这些光纤的熔合程度沿纵向变化，使得泵浦 光纤的下游或会聚锥体牢固地熔合在DCF上，同时泵浦光纤的上游或发散锥体极少熔合或根 本不熔合。残余的泵浦功率由此在不必熔合到DCF上的输出泵浦光纤内被降至最小。而且， 这些输出泵浦光纤可以从光学结构整体移出。还可以在本发明的耦合器中采用较大的光纤直 径，像400iom或600(jm。
本发明制造多模光纤外包层耦合器的方、 iS本上包括步骤
a) 形成多，形泵浦光纤；
b) 以期望的排列围绕剥掉f對户夕卜套的中央多包层光纤定位所述多^l形泵浦光纤，由此 形成光纤束；以及C)扭曲所述光纤束并将它^f七，以形成这种一种结构，在这种结构里，所述锥形泵浦光 纤朝腰部会聚的部分变成输入泵浦光纤，而所述锥形光纤从腰部发散的部分变成输出泵浦光 纤。
im地，所述输入泵浦光纤牢固地熔合在所述中央多包层光纤上，而戶;M输出泵浦光纤非 常小地熔合或根本不熔合在所述中央多包层光纤上。
同时，所述输出泵浦光纤M3i加热和基本上M要部拉出而齡从戶脱结构去除，并且在拉 出所述输出泵浦光纤后留下的樹可段通常被再加热和熔合在所述多包层光纤上。
在第二实施例中，所述束在腰部被劈开，形成具有与多包层光纤基本上相同直径的劈丌面， 并且所述束具有熔合在其侧向上的输入泵浦光纤的部分与输出多包层光纤接合，该输出多包层 光纤类似于或等同于在所述束中央处的多包层光纤，并且tt^是增益光纤。


现在，参看附图描述本发明，在附图中-
图1是图解现有技术用接合在一根输出光纤上的7根输入光纤制作锥形熔合光纤束的歩骤 (a)至(e)的透视图2是现有技术中用彩寸准、扭曲、熔合和锥形化光纤束的光纤保持器的阶段(a)和(b) 的透视图3a和3b是现有技术光纤束的劈开端面的照片；
图4是图解另一现有技术制作锥形熔合光纤束的步骤(a)至(f)的透视图，在光纤束中 央的信号光纤接合在一根输出DCF上；
图5是图解依照本发明制作光纤束的步骤(a)至(e)的透视图6是熔合在用本发明制造的DCF光纤上的锥形泵浦光纤的非对称烙合剖面的横截侧面; 以及
图7是在锥形泵浦光纤的腰部劈开的光纤束端面的照片。
为更好5翻军本发明，首先图解和描述一些现有技术的例子。现有技术中采用的端面泵浦结 构经常需要在光纤束与DCF之间进行接合。产生这种结构的技术图解在图1中，其中在步骤 (a)，六fe^则光纤10、 11、 12、 13、 14和15纵向地定位在中央光纤16周围。接着，在步 骤(b)，这些外侧光纤IO、 11、 12、 13、 14和15绕中央光纤16扭曲，形戯纤束。其后， 在步骤(c)，熔^S个光纤束并拉伸，直至其在用线A-A表示的腰部处具有与要接合的DCF相同尺寸的直径。然后，在线A-A处劈开，并用DCF光纤18的末端对准该劈开的末端，如 步骤(d)所示。最后，如图l的步骤(e)所示，光纤束腰部的对/t^端与DCF光纤18的末 端相接合，形j^^面泵浦的多模组合器20。
为实现图l所示的步骤(a)、 (b)和(c)，可以使用如图2所示的机构或夹具，它们在现 有技术里是已知的。如图2的阶段(a)所示，将数个多模光纤IO、 11、 12保持在机械保持器 26和28的夹钳22和24中。在图2中，为简4t^见只示出三根这样的光纤，但是已知的是这 样的机构可以处理任何数目的光纤，例如从两根至腿过60根，例如在Vakili等人的美国专利 US6,823,117中给出地。因而，在图2的阶段(a)，为描述的目的，光纤10、 11和12与图1 所示相同，者陆保持器26和28之间的预定长度上剥去它们的f斜户外套，并且如果适宜，它们 的外包层或包层可以用适当的酸溶液刻蚀掉。亥鹏掉外部包层容许光纤间更容易耦合，同时去 除这幽层不会引起损耗，这是因为玻璃一空气界面可以确f越种导向。因此，在图2所示机 构的阶段(a)，光纤IO、 11、 12正确i似寸准，然后它们以期望的方式扭曲，机械保持器26和 28如箭头30、 32所示可以旋转。接着，采用相同的机构，但如图2的阶段(b)所示，用适 宜的热源34将扭曲的光纤10、 11、 12熔合在一起，并拉伸到期望的禾號，机械保持器26和 28如箭头36和38所示可以侧向移动。
在图1所示的例子中，采用图2阶段(a)和(b)所述的流程，但慰寸如图1步骤(a)所 示正确对准的相同直径的几根光纤10、 11、 12、 13、 14和15，将其扭曲在一起形成紧密填充 成六角形的布置，如图1步骤(b)所示。虽然这种紧密填充的布置对多模组合器并非必需， 但是却是非常期望地，这是由于它能为熔化过程提供非常稳定的结构，尤其对于具有直通 (feed-through)信号光纤的光纤束，这是很重要的。 一旦如图1步骤(b)所示扭曲，光纤就 可以用粘合剂在扭曲结构两端固定起来。这样做是为了确保在包括懒七过程在内的下一歩骤期 间保持稳定，通常这用热源来实现，热源可以是氧—丙烷微火焰、C02激光器或微烘炉。为避 免过度应力和变形，应当使用较宽且带有火焰的热源，这可以M在燃七区i或之上刷(brush) 火焰来实现。在剧七过程中，需要对这个结构进行拉伸，以校正变形并确保更好的激七。在熔 化和/或拉伸期间或之后，如图1步骤(c)所示，对光纤束实施锥形化，使得它的腰部与图 1步骤(d)所示的作为输出光纤的包层波导的尺寸相匹配。例如，如果多模输入光纤直径为 125fjm，那么7根这样的光纤将形成375^m的直径束。如果输出光纤直径为125,，像125, 低折射率聚合物涂覆光纤，那么光纤束必须被;^ft且锥形化，使得它的腰部从375,减小到 125,。然后，在图l步骤(c)的线A-A处，使用例如硬质合金刀片同时在劈开点施加张力或弯曲应力，从中间将光纤束劈开。图3a是光纤束的端面在锥形l^前的照片，图3b是在熔 化和锥形4tt后在腰部劈开的相同光纤束的照片。接下来，移去其中一个半光纤束，并用输出 光纤替换该半光纤束，同时将另一个半光纤束与输出光纤的端面对准，如图1的步骤(d)所 示，然后接合该两个端面，形成如图1的步骤(e)所示的组合器。用合适的热源完成接合， 该热源可以与谢爐禾舒万用的关繊相同。考虑上面讨论的亮度定律，除因实验缺陷弓胞的损耗 外，该光纤束是低损耗的。在上面的例子里，如果输出光纤的NA是0.45，因为锥形化倍数是 3倍，输入光纤的NA应低于0.15。 ffi3l刻蚀输入光纤的包层可以优化这种结构。通常所用的 具有105pm纤芯和125(om包层的光纤可以刻蚀到105,。从而，束的直径是315,而不是 375)om，所需的锥形化倍数是2,5倍。在因为亮度而产生损粒前，输入光纤的NA达到0.18。 前面参看图1和图2描述的过程可以在具有直通信号光纤的布置里采用。这需要信号光纤 放置在束的中间，并向这种布置施加一些非对称。在这种情形中，双包层信号光纤的尺寸可以 与泵浦光纤的尺寸相匹配，但其他尺寸可以是常见的像具有105,纤芯/ 125gm包层的泵浦 光纤、25pm纤芯/ 250gm包层DCF或200ium纤芯/ 22,包层泵浦光纤以及25,纤芯/ 400pm包层DCF。在这种情形中，ftj可特殊的直通信号光纤都必须被设计成具有与泵浦光纤 相同的尺寸，或如图4所示，在图4步骤(a)中结构中间处示出的较大信号光纤16Affiil刻 蚀和/或锥形化来调整尺寸，变成与图4步骤(b)所示的周围泵浦光纤IO、 11、 12、 13、 14 和15相同的尺寸。接下来，图4中剩余步骤(c)至(f)基本与图1中步骤(b)至(e)相 同，除中央的泵浦光纤16用信号光纤16B替换外。然而，应当注意，为保持增益光纤的传输， 在图4步骤(c)中实施的燃七必鄉艮小，以保持信号纤芯内的模型糊犬，从而产生损耗。随 手，光纤束被锥形化成DCF包层的直径，如图4步骤(d)所示。然后，在如图4步骤(e) 所示将束的纤芯与DCF的纤芯精确对7t^后，将它们接合起来，形成如图4步骤(f)所示的 组合器结构20。为减小这种已知系统的损耗，纤芯可以Mil扩散和锥形化或刻1:爐通信号光 纟锁fi^页处理，如在属于本申请人的美国专利申请公开Na2005/0094952所公开的。然而，这 通常需要在设计和制作时几个精巧的步骤，因为《琉疵点都会引起损耗，特别^X寸于低数值孔 径、大纤芯或偏振保持光纤。因此，这种束和接合方式会引起各种问题，特别是当直通信号光 纤要插入束里、并被^^和锥形化然后接合在DCF的纤芯上时。除±^提到的损耗问题外， 糊七光纤束会在信号光纤内产'述力，并且为将这种应力降至最小，需要非对称的光纤束。而 且，从光纤束信号光乡邗俞出的模场必须于DCF的模场匹配。最后，因为两种不同的结构接合 在一起，所以接合本身还存在着基本问题；这个问题随着光纤直径变大而变得更加明显，因为光纤需要更多的热量因而在制作过程中更容易'鄉。因此，端面泵浦的方式对于组親浦而言 通常是令人满意的，但是因为光纤束中和接合中的光纤变形以及接合自身的不匹配原因，可能
魏受信号^tr瞎形中的问题。
为减小或消除上述现有技术中的问题，本发明提出ffiii在组合器中接合的两侧处使用匹配
的DCF光纤或者替代iikfflil，去除接合来^it拼接。
图5图解依照本发明的组合器的形成过程。如图5步骤(a)所示，最初的束以与图4步骤 (a)所示相同的光纤布置开始，但在这种情形中，中央的光纤束18与输出DCF光纤18相同。 在该具体例子中环绕的泵浦光纤IO、 11、 12、 13、 14以及15与图4所示的相同。为了倉改刻每 该束与DCF光纤相组合，束的直径必须基本上减小到DCF光纤的直径。在端面泵浦的方案里， 如图4所示，中央的信号光纤16A首先被减小到基本上与光纤10-15相同的光纤16B的直径。 然后，在扭曲和;)^fct后，齡束被锥形化，使得在其腰部，其基本上具有与DCF光纤18相 同的直径，之后雜腰部被劈开，并用光纤18接合形成组合器20。
按照本发明，如图5步骤(b)所示，中央的DCF光纤保持不变，因为不希望对DCF进 行变形，而只对泵浦光纤IO、 11、 12、 13、 14和15锥形化。泵浦光纤的锥形尺寸被制作得与 光纤直径相比非常小，艮P小于10X，从而制造出当如图5步骤(c)所示扭曲和熔化时、在腰 部基本上等于DCF的结构。这可以ffiil预锥形化所有的泵浦光纤，然后将它们扭曲并JMb在 中央的DCF周围生成束来实现，从而在锥形化泵浦光纤的腰部，它的直径基本上等于DCF的 直径。在这种布置中，只要锥^S其长度上至少,地激七在中央的DCF上，前面戶皿的亮 度定律京爐用。这意B賴按照未锥形化束和DCF的比例，输出DCF的数值 L径应当比泵浦光 纤的数值 L径大。如果该束沿图5步骤(c)所示的纤B-B劈开，该线表示最小的腰部，那么 如图5步骤(d)所示，^l射导至啲劈开端面40与相同的DCF的端面42对准，并如图5步骤(e) 所示，将它们接合起来形成组合器21，所得的接合非常好，并且在信号传输时损耗非常低， 同时泵浦耦合优良。
以这种方式，对于DCF和对于泵浦光纤，制作几种具有不同光纤尺寸的耦合器逸验模型。 用两种结构制作逸验模型(6+l)xl。第一种结构采用20pm纤芯/400拜包层直径，纤芯为0.06 数值孔径、包层为0.46数值孔径的低折射率聚合物涂覆DCF。泵浦光纤具有200,纤芯和 220,直径的包层。首先，剥掉这些泵浦光纤的各个护套，并用氟化酸刻蚀10,包层。随后， 劈开光纤，并将其放置在例如图2所示的光纤保持夹具上。这些光纤l^文置在六边形网格上， 然后泵浦光纤被锥形化为40,的直径。监测其中一+驟浦光纤的f^，在拉伸之后显示出10%的损耗。然后，在插入中央位置的光纤保持夹具之前，剥掉DCF光纤的保护外套。随后将 这7根光纤的布置一起扭曲。在其长度上用火焰刷烧(flame brush)该光纤束，以去除由扭曲 而引起的应力。然后在其输入顶倒腰部牢固地熔合。在这个过程中，监测相同泵浦光纤内和 DCF内的泵浦4输，同时监测纤芯内的信号。在腰部的接触处，观察到泵浦光纤与DCF之间 有20%的功率转移。尽管沿锥形区域长度的均匀熔合可以提供泵浦光纤与DCF之间的正确耦 合，但慰寸于该过程而言这是不切实际的，因为动态监测下游锥形区±或内的泵浦功率转移是不 可能的。因为这种结构的对称性，所以在泵浦光纤的会聚区域或下游锥形区域内从泵浦光乡刊禺 合到DCF的一些功率被耦合回至揼浦光纤内。因而，没有任何对DCF内将要保留到DCF内 的耦合功率的正确测量。为了正确地测量下游锥体内的功率转移，发现fflii仅熔合光纤束的下 游锥形部分而不熔合光纤束的上游锥形部分，可以实现非对称耦合，如图6所示。该图表示图 5歩骤(c)所示结构的纵向横截面图，其中中间的DCF光纤18被锥形泵浦光纤围绕着，会聚 锥体44朝向中央的DCF向下地倾斜，并与DCF熔合，从而在用线C-C表示的腰部，在中央 的DCF光纤与围绕的泵浦光纤之间留有非常小的空间。然后，随着锥体开始分叉，例如在线 D-D之后，根据这附图，从这个点开始泵浦光纤的这，体46基本上不熔合在中央的DCF光 纤18上。因为这种耦合取决于熔合的禾號和熔合的长度，所以ffi31不熔合输出锥体，耦合长 度被制作得比锥体长度更长，因此光几乎全部被耦合到下游锥体处的DCF，而只有每光纤低 于1 %的光被耦合回到输出泵浦光纤。
由于熔合的进行，泵浦裙俞提高到超出85%。当泵浦^tr约为80%时，信号恶化开始可 以测量。当信号损耗为5%时，熔合停止。该过程成功复制超过20个样品。该过程显示出泵 浦耦合与信号损粒间的权衡。这是由于熔^il程弓胞的微弯曲的原因。当施加较长的熔合时 间时，泵浦耦合可以达到超过94%，而信号损耗为20% 30%。为了将变形降至最小，在熔 合步骤期间实施很小的拉伸，该拉伸足以保持该结构笔直，但不产生任何显著的锥度(低于 10%的锥度)。另外，发^J^合过程所用的时间ttffi当很短，即几^H中，以避免出现显著的 变形和显著的损耗。在熔合步骤之后，将一些耦合器封魏来，留下输出泵浦光纤作为监测端 口，以测量输入的泵浦功率。这样得到的耦合器发挥作用，不需要任何劈开也不需要与输出 DCF接合。在这种结构中，生成的耦合器是侧面耦合器，其在输出处没有倒可劈开和接合， 从而给出非常良好的信号4舒俞，并且亮度保持效率等于端面泵浦耦合器的，保持效率。这样 的耦合器示出在图5的步骤(c)中，在该步骤里，线B-B处没有做ftj可劈开，并且依照图6 所示的实施例制^31^B-B的端部，即上游锥形化的输出泵浦光纤基本上没有熔合在中间的DCF光纤上。
然而，去除输出泵浦光纤是期望的，以简^i寸装并縮短封装长度，以及使直接在封装内插 入增益双包层光纤成为可能，从而在放大器组件内节省一个接合。这种去除当然也可以如参看 图5所述的那样来实现，即fflil在步骤(c)沿线B-B劈开耦合器结构，采用与标准锥形化光 纤束相同的方法，然后将半,禹合器熔合在输出DCF光纤上，该输出DCF光纤与输入结构中 央的光纤相同。在这种情形中，对于泵浦耦合，观察到几个百分点的增益，并忠寸于非偏振保 持DCF，纤芯信号的接合损耗也只有几个百分点。4顿偏振保持DCF时，这种接合对偏振消 光系数有损害效应，并且损耗较大。
而且，输出泵浦光纤的去除还可以通过加热这些光纤，然后如图6线D-D所示、在这些输 出光纤还没有熔合在中央光纤上时从该结构拉离这些光纤来实现。
泵浦耦合与信号损耗t间的权衡主要取决于所用的光纤类型。使用具有与前述DCF相同 数值 L径即纤芯0.06、包层0.46的25pm纤芯/ 250,包层DCF光纤制作相同的(6+l)xl结 构。在这种情形下，泵浦光纤小于105^m纤芯/125Mm包层。除泵浦光纤的锥体直径不同外， 制作步骤全部相同，该泵浦光纤的锥体直径为15,，对应于锥体泵浦光纤中大约50%的损耗。 这可以加以实现，因为较小的光纤用比较大光纤更低的应力来扭曲，较小光纤比 韧。这自 然斷氐了输出泵浦光纤内的功率量，从而舰了耦合。光纤较小时，火炬发出的热量被减小， 以便不j^七光纤。在这种情形下，泵浦耦合平均高于90%，信号损耗低于5%。恐寸偏振保持 DCF和非偏振f親DCF都是正确的。在熔合步骤之后，将一些耦合器封^1^，留下输出泵 浦光纤作为监测端口，来测量输入的泵浦功率。采用与标准锥形化光纤束相同的工艺劈开其他 耦合器。这样劈开的照片示出在图7中。该照片示出相对于DCF，泵浦光纤是多么的小。在
这种情形下，泵浦光纤的去除也可以ffi3i加热输出光纤荆各输出光纤拉出来实现。在这样去除
之后，留在DCF上的输出泵浦光纤的小段被再次加热，并烙合在DCF上，从而在连接点处使 表面光滑。然而，不幸的是，并非输出光纤内所有的泵浦光者敞保存下来，这是因为一些光线 确实超出了DCF光纤的临界角，但是整体的耦合被改善。图7示出本发明与图3b所示的现有 技术之间光纤束结构的显著差异。
另外，图7还示出即使光纤在扭曲过程中)(诉尔地放置，它们也会在熔^31程中移动，在非 对称结构中在腰部熔合。但这不会影响泵浦功率的耦合，并且显示出在腰部围绕着DCF的光 纤的偏移并非决定性的。同时，可以从该结构去除一些泵浦光纤，而不会影响耦合。
因此，无论采用光纤束被劈开并被接合的实施例，还是采用禾,纵向依赖的熔合的实施例，都惊奇地发现，与所有光纤都必须紧凑布置以减小作用在信号光纤上的不均匀应力这种端面泵 浦途径相反，在本发明的实施例里，泵浦光纤不必相互接触。实际上可以去除泵浦光纤，而这 4娥高耦合的效率，这是因为在输出泵浦光纤内撤少的残余功率。因为锥形化光纤与全尺寸 光纤相比向光纤束施加极小的应力，所以这是可能的。因为每端口功率的损耗，亮度保持效率 恶化，但该敲保持效率比美国专利US5,999,673中所掛共的单泵浦光纤要高。因此，(6+l)xl 结构可以很容易地制疯5+l)xl、 (3+l)xl或(2+l)xl。随着端口数目增加，光纤束的直径也增加。 因而，泵浦光纤可以具有较大的数值 L径。在所有光纤具有相等直径的(6+l)xl结构中，泵浦 光纤的NA与DCF的NA之间需要3倍的倍数，而对于(2+l)x 1 ，只需要2倍。因此，具有0.46NA 的输出CF的(6+l)xl可以采用(6+l)xl结构中NA为0.15的泵浦光纤和(2+l)xl结构中NA为 0.22的泵浦光纤。还发现，减少泵浦光纤的数目可以稍微提高耦合比。这是可以J翻军的，因为 从一根泵浦光纤泄漏的一些光可以更容易地到达另一根泵浦光纤。
另一方面，当DCF具有比泵浦光纤的直径更大的直径时，更多的泵浦光纤可以围绕着DCF。 例如，400pm直径的DCF可以具有九个200Mm直径的泵浦光纤，从而生爽9+l)xl的光纤束。 再次，如果并非所有的端口術别顿，那么它们可以在制作束之前从束去除。
一般而言，端面泵浦途径和侧面泵浦途径都既具有优点又具有缺点，最佳的结构选择主要 取决于可用的泵浦源和DCF的设计。因为^m效率的问题，对于笔直的多模光纤组合而言， 端面泵浦是最佳的选择。然而，当信号需要直通光纤时，选择就主要取决于泵浦耦合的效率、 亮度效率与信号损粒间在权衡。本发明齒共了优4tS种在信号损耗、泵浦耦合与亮度效率之 间权衡的方法。
在上述实施例中很重要的一点是所有的泵浦光纤都被假设賴疏满泵浦光，即光线在光纤 内的发散由光纤的数值 L径给出。在未充满的状态下，即光纤内传播的输入激光泵浦光不会激 发所有可用角度空间的情况下，本发明这种器件的泵浦耦合效率将更好地发挥作用。
应当注意，本发明不限于上面描述的具体实施例，只要不脱离本发明和下面权利要求的范 围，对所属领域技术人员显而易见的各种改变都是可以做出的。
权利要求
1.一种具有这种结构的耦合器，在这种结构中，多个锥形泵浦光线侧向耦合在多包层光纤上，并且所述泵浦光纤和所述多包层光纤的数值孔径被如此调节，使得提供期望的泵浦耦合和亮度效率。
2. 依照权利要求l的耦合器，其中所述多包层光纤是双包层光纤(DCF)。
3. 依照权禾腰求2的耦合器，其中所述DCF具有选自對莫到大芯构造的信号傲俞芯。
4. 依照权利要求2或3的耦合器，其中所述DCF的数值孔径比所述泵浦光纤的NA大。
5. 依照权利要求2、 3或4的耦合器，其中戶;M锥形泵浦光纤首先朝着所述DCF上的腰部会聚，然后从戶;f^i要部发散开，戶;f^会聚光纤是输入泵浦光纤，所述分散光纤是输出泵浦光纤。
6. 依照权利要求5的耦合器，其中所述输入泵浦光纤牢固地熔合在所述DCF上，而所述 输出泵浦光纤基本上不熔合在所述DCF上。
7. 依照权利要求6的耦合器，其中所述输出泵浦光纤被从阮述结构去除，只留下熔合在 戶皿DCF上的输入光纤。
8. 依照权利要求5的耦合器，其中该耦合 腰部处被劈开，具有所述输入泵浦光纤的 部分接合在输出DCF上，该输出DCF类似于或等同于所述输入光乡刊禹合在其上的DCF。
9. 依照权利要求8的耦合器，其中所述输出DCF是增益光纤。
10. 依照权利要求2至9中任一项的耦合器，其中所述DCF用偏振保持光纤制成。
11. 依照权利要求2至9中任一项的耦合器，其中所述DCF用非偏振保持光纤制成。
12. —种制造多模光纤外包层耦合器的方法，包括步骤a) 形成多，形泵浦光纤；b) 以期望的排列围绕剥掉{對户夕卜套的中央多包层光纤定^^述多转形泵浦光纤，由此 形成光纤束；以及c) 扭曲所述光纤束并将它熔化，以形成这种一种结构，在这种结构里，所述锥形泵浦光 纤朝腰部会聚的部分变成输入泵浦光纤，而所述锥形光纤从腰部发散的部分变成输出泵浦光纤。
13. 依照权利要求12的方法，其中所述输入泵浦光纤牢固地熔合在所述中央多包层光纤 上，而戶脱输出泵浦光纤非常小地熔合或根本不熔合在所述中央多包层光纤上。
14. 依照权利要求13的方法，其中所述输出泵浦光纤MJi加热和基本上/AI要部拉出而从所述结构去除。
15. 依照权利要求14的方法，其中在拉出所述输出泵浦光纤后留下的任何段被再加热和 熔合在所述中央多包层光纤上。
16. 依照权利要求12的方法，其中所述锥形泵浦光纤用非常小的锥直径形成，使得腰部 处的束基本等于所述多包层光纤的直径。
17. 依照权利要求16的方法，其中所述泵浦光纤在腰部处的锥直径小于所述泵浦光纤直 径的10%。
18. 依照权禾腰求16或17的方法，其中戶腿束御要部被劈开，并且所述束具有侧向熔合 输入泵浦光纤的部分与输出多包层光纤接合，该输出多包层光纤类似于或等同于在所述束中央 处的多包层光纤。
19. 依照权利要求12至18中任一项的方法，包括将双包层光纤(DCF)用作所述中央多 包层光纤。
20. 依照权利要求19的方法，其中所用的DCF具有比所述泵浦光纤的直径大的直径。
21. 依照权利要求19或20的方法，其中所用的DCF具有比所述泵浦光纤的NA大的数 值孔径(NA)。
全文摘要
一种多模光纤耦合器具有这种结构，在该结构中多个锥形泵浦光纤侧向耦合在多包层光纤列如双包层光纤(DCF)上。这种耦合器通过首先形成多个锥形泵浦光纤然后将它们围绕着多包层光纤定位从而形成光纤束来制造。随后，光纤束被扭曲和熔合，使得输入泵浦光纤朝腰部会聚，并从腰部发散。泵浦光纤的发散部分可以从这种结构去除。同时，在腰部处，这种结构可以被劈开，并且具有会聚泵浦光纤的部分与多包层光纤接合，该多包层光纤类似于或等同于所述束中央处的多包层光纤。
文档编号G02B6/38GK101405635SQ200780009246
公开日2009年4月8日 申请日期2007年2月6日 优先权日2006年2月7日
发明者尼尔森·瓦冲, 弗朗索瓦·工希尔, 马克·加纳安 申请人:Itf实验室