三重护套单模光纤的制作方法

三重护套单模光纤的制作方法
【专利摘要】根据本发明，通过组装纵向元件（13A）而形成中间护套（13），并且中间护套（13）包括：第一光学材料，其折射率与单模纤芯的折射率相差最多10-3；以及第二光学材料，其折射率低于所述单模纤芯的折射率并相差至少10-3。
【专利说明】三重护套单模光纤[0001 ] 本发明涉及用于单模光发射的有源光纤。[0002]尽管没有穷尽，这种类型的光纤可以用于传送或放大高屈光力且使非线性效应的影响最小化非常重要的应用中。
[0003]已知双重护套单模光纤。这些光纤由掺杂了稀土 (例如，镱)的玻璃纤芯(例如由铝土制成)制成，用于初始光束的单模放大。这个纤芯直接被具有比纤芯更大直径的多模泵浦护套(例如，硅土)包围，这允许多模泵浦的不同模式的传播。由玻璃、聚合物或空气单元制成的外护套(其折射率比纤芯和多模泵浦护套低的多)包围所述多模泵浦护套。
[0004]这种类型的双重护套单模光纤允许产生具有大表面积的高功率激光光束。与传统单模泵浦相比，还导致更高的泵浦功率(并且因此单模放大)。
[0005]为了提高上述类型的单模光纤的放大效率，重要的是提高单模纤芯对来自多模泵浦护套的光的吸收率，这还取决于掺杂率和纤芯的直径。然而，这种类型的改进必须是在保持光纤的单模特性(其还取决于单模纤芯和多模泵浦护套之间的折射率差)、材料的量子效应(取决于共掺杂剂和主体基质(host matrix))以及所述光纤的导光特性的同时进行的。
[0006]然而，如果为了提高光纤的放大效率而增加单模纤芯中的掺杂率(例如，镱的掺杂率)，则结果是纤芯的折射率增加(取决于可能的共掺杂剂，可能较高或较低)，并因而增大了所述纤芯和多模泵浦护套之间的折射率差。因此，为了补偿这个增大的效果并因而保持纤芯的单模特性，必须减小纤芯的直径，这事实上降低了光纤的放大效率。这意味着通过适当选择掺杂率或纤芯直径不能提高光纤的放大效率。
[0007]提高放大效率的第一方案包括减小单模纤芯的掺杂对其折射率的影响。因此，镱可以与另一个掺杂剂关联，诸如氟或硼，与掺杂了镱的纤芯相比，在相同掺杂率的情况下，具有减小按此方式掺杂的纤芯的折射率的效果，因此使得能够在无需明显增大纤芯和多模泵浦护套之间的折射率差的情况下提高纤芯的掺杂率。
[0008]然而，作为共掺杂剂，氟和硼不完全补偿由于非常高的掺杂(如利用镱)产生的折射率的增大。与纤芯相互作用的光材料的退化要求光材料相互作用的长度增加，但是这一方面产生非线性效应，并且另一方面产生光源的紧密度的损失(特别是对于具有大纤芯直径的由于纤芯和护套之间的非常低的折射率差而不能弯曲的光纤)。另外，对于非常高的镱掺杂，更难以在整个纤芯获得均匀折射率曲线，这可以破坏对发射的激光光束实现良好的质量控制。
[0009]提高这个放大效率的第二方案包括使用三重护套单模光纤，如文件US6，841，053中描述的，增大直接包围单模纤芯的护套的折射率。为此，在纤芯和多模泵浦护套之间插入中间护套，使得光纤因此从中心到周边由以下组成:
[0010]-掺杂稀土的单模纤芯(例如由掺镱的铝硅酸盐制成)；
[0011]-无光学活性(不放大)的中间护套(例如由掺锗的硅土制成)，其折射率略微不同于所述单模纤芯(例如10_3或更小)。
[0012]-多模泵浦护套(例如，由硅土制成)；以及
[0013]-外护套(其折射率远低于纤芯、中间护套和多模泵浦护套的折射率)。[0014]这种三重护套光纤架构允许在不依赖于氟和硼的情况下提高镱掺杂率(因此提高纤芯的吸收率)并同时维持单模纤芯与直接包围纤芯的护套之间的适当的折射率差。实际上，通过适当选择锗掺杂率，可调整中间护套(例如由掺杂了锗的硅土制成)的折射率，使得纤芯的折射率和中间护套的折射率之间的差被保持得尽可能的低，并且还提高单模纤芯的掺杂率(并且因此提高折射率)。
[0015]然而，在上述类型的单模光纤中，折射率是能够对其单模放大属性具有不利影响的关键参数。然而，在文件US6，841，053中，纤芯和中间护套均形成使用MCVD (改进的化学气相沉积)技术产生的统一层。其结果是，如果纤芯被重掺杂来提高光纤的放大属性，则形成中间护套的该统一层的折射率曲线不能完全被控制，为了保持光纤的单模特性，要求纤芯的直径受到限制(例如，限制到20 μ m)并因此也限制了光纤的放大率。
[0016]另一个方案可以包括使用棒状光纤，其单模特性特别依赖于形成的气孔的直径(因为具有过大直径的气孔必须产生多模放大)。然而，由于难以控制气孔的大小，也难以控制中间护套的折射率(因而难以控制光纤的单模特性)。此外，在这种类型的光纤中，纤芯的折射率必须精确等于纯硅土的折射率并且是完美的均质。例如掺镱的铝硅酸盐和掺氟的硅土的材料混合物因此被使用并且通过多步骤组装-拉伸来制造，直至获得被引导的光认为是均质的亚微米结构为止。这种复杂技术因此在一方面导致高成本，并且在另一方面不允许优化光纤的放大效率，由于纤芯的显著部分不掺镱并且不对光放大有贡献。
[0017]另一种方案可以包括使用“泄漏通道”光纤，按照通过类似于棒状光纤的纤芯和具有大的低折射率硅土含量的护套之间的非常弱的导光的类似方式获得单模特性。
[0018]另一种方案可以包括使用手性稱合(chirally coupled)纤芯光纤,通过在裹住中心纤芯的周围纤芯中的选择性耦合来去除多模中心纤芯的更高阶模式，获得单模特性。通过多次拉伸-组装获得纤芯均一性，但是可以不要求已经掺杂了镱的硅土。然而，由于选择性去除非常大数量的高阶模式，技术困难将纤芯直径限制于小于40 μ m。
[0019]因此本发明的目的是促进高的单模放大(甚至在大直径纤芯和高掺杂率的情况下)，同时仔细地控制中间护套的折射率曲线。
[0020]因此，根据本发明，单模光纤从中心到周边包括:
[0021]-至少部分掺杂稀土的单模纤芯，
[0022]-光学活性的中间护套，
[0023]-多模泵浦护套，以及
[0024]-外护套，
[0025]其特征在于所述中间护套
[0026]-通过组装纵向元件而形成，并且
[0027]-包括具有与所述单模纤芯的折射率最多相差10_3的折射率的第一光学材料以及具有与所述单模纤芯的折射率至少相差10_3的折射率的第二光学材料。
[0028]因此，根据本发明，所述中间护套包括一组纵向元件，诸如棒或条，并且包括折射率接近纤芯的折射率的部分(第一光学材料)和折射率不同于纤芯的折射率的部分(第二光学材料)。
[0029]所述中间护套因此被光认为是大致均质的材料，具有接近纤芯的折射率的有效折射率，这确保所述纤芯和所述中间护套之间的折射率差可保持在低值，因此即使纤芯的折射率(因为其掺杂率)高，通过针对具有不同折射率的所述中间护套的所述部分适当选择折射率、比例和排列，可精确获得折射率曲线。因此，基础传播光模式可被局限在纤芯中，纤芯因此具有单模特性。结果，通过宏观上合理控制两种不同的光学材料，可在微观上适当控制如此形成的中间护套的折射率曲线。
[0030]按此方式，可制造具有大直径和高掺杂率的纤芯并同时确保中间护套具有适当折射率曲线以限制所述纤芯和所述护套之间的折射率差。这样形成的光纤提供增强的单模放大和令人满意的导光属性。
[0031]此外，根据本发明，中间护套由纵向元件(棒、条)形成，纵向元件具有的优点是它们是模块化的并且因此可简单设计和组装，这样进一步促进了光纤的制造并且还降低了制造成本。
[0032]本发明的另一个优点是可用稀土 (诸如镱)对光纤的纤芯进行(至少部分)掺杂，并同时确保在纤芯中获得令人满意的折射率曲线，即使折射率高。
[0033]还应注意，由于本发明允许纤芯中的更高的掺杂率，使得对于相同的单模放大率和相同的纤芯直径而言，能够制造长度较短的光纤，这有助于限制非线性效应对在这样形成的光纤中传播的光的影响，并且有助于提高所使用的源的紧密度。
[0034]如果中间护套仅由所述纵向元件组成，则所述中间护套中的折射率曲线可被特别精确控制。
[0035]为了在中间护套中容易地组装纵向元件，可以将至少某些纵向元件按照矩阵排列而布置在中间护套中。
[0036]为了在不损失空间的情况下将中间护套的纵向元件并排布置，这些纵向元件中的至少一些有利地具有六边形横截面以使得它们可形成蜂窝矩阵排列。然而，可使用其它截面，诸如，例如圆形或者方形。
[0037]在根据本发明的光纤中，尽管第一光学材料的折射率等于或尽可能接近单模纤芯的折射率，但所述中间护套的有效折射率也可略低于或略高于单模纤芯的折射率，这是因为第二光学材料的折射率远低于或远高于所述单模纤芯的折射率。
[0038]第二光学材料可以例如是掺镧的铝硅酸盐或硅土，而第一光学材料还可以是没有掺杂或非常低掺杂的铝硅酸盐或硅土。当然，这些示例是非限制性的，并且所述第一光学材料和所述第二光学材料可由具有适当折射率的任何其它兼容材料制成。
[0039]在根据本发明的单模光纤中，所述第一光学材料和所述第二光学材料可在多个不同模式下分布。
[0040]在第一模式中，所述单模光纤包括纵向元件，所述纵向元件包括:
[0041]-由所述第一光学材料组成的中心纵向部分，
[0042]-包围所述中心纵向部分的周边纵向部分，其横截面面积小于中心纵向部分的横截面面积，并且由所述第二光学材料构成。
[0043]在第二模式中，所述单模光纤包括由所述第一光学材料构成的第一纵向兀件和由所述第二光学材料构成的第二纵向元件。
[0044]在变形例中，根据本发明的单模光纤可包括由所述第一光学材料构成的第一纵向元件和包括以下的第二纵向元件:
[0045]-由所述第一光学材料组成的中心纵向部分，[0046]-包围所述中心纵向部分的周边纵向部分，其横截面面积小于中心纵向部分的横截面面积，并且由所述第二光学材料构成。
[0047]中间护套的纵向元件的截面尺寸可以比单模光纤的单模发射波长大例如至少10倍。在此情况下，中间护套被光认为是大致同质材料，并且光通过改进的全内反射(MTIR)被约束在纤芯内部。
[0048]在变形例中，中间护套的纵向元件的截面尺寸可以小于单模光纤的单模发光波长。在此情况下，光认为中间护套是具有接近纤芯的折射率的折射率的大致同质材料，并且光通过全内反射(TIR)在光纤内部传播。
[0049]优选地,在单模发光波长的尺度上，单模纤芯可具有截面均勻(transversallyhomogeneous)折射率。在此情况下,为了实现基本传播模式的更好的约束和优先放大，纤芯的中心掺杂稀土，而其周边不掺杂。
[0050]为了增强光纤的模块化，纤芯和/或多模泵浦护套可包括纵向元件。
[0051]通过在纤芯和/或在中间护套使布置模态过滤装置，可改进纤芯的模式区分。这些过滤装置(在按照期望模式的优先放大的选择上互补)可以处于目标在于更高阶传播模式的损耗的形式，并且可例如通过在纤芯和/或中间护套上刻入倾斜光栅来形成。
[0052]为了仅将基础模式局限在纤芯中，对于可接近100λ的纤芯，中间护套的有效折射率可以与单模纤芯的折射率最多相差10_4 (对于更小的纤芯几个10_4)。
[0053]为了根据以上描述的实施方式中的一种来生产单模光纤,可以使用如下生产工艺来制造中间护套:
[0054]-在与所述中间护套的纵向元件相对应的预制件中布置一组粉末，
[0055]-将所述预制件玻璃化，
[0056]-通过拉出光纤以形成所述纵向元件，调整所述纵向元件的尺寸，
[0057]-排列所述纵向元件以形成所述中间护套，并且
[0058]-在所述纵向元件之间建立真空(其允许获得完全固体、没有空气的结构)。
[0059]基于粉末玻璃化原理的这个工艺允许对形成中间护套的材料的折射率进行特别有效的控制，并且这使得能够产生具有复杂折射率曲线的部分掺杂结构，并同时允许发射单模光束，尽管纤芯可能较大并具有高折射率。制造出的量(表示使用MCVD方法合成的量的15到100倍)使得制造工艺简化，在于该工艺允许获得可直接使用的预制件，代替了必须被机械或化学地调整以获得要组装的纵向元件的多个MCVD预制件。
[0060]另外，建立了真空，该光纤制造工艺提供了具有很少或没有气孔的完全固体的光纤，这便于所述光纤对光纤部件的连接以及可靠源的组装。
[0061]这个工艺的另一个优点是其制造少量的不可用光纤，与本领域技术人员已知的用于生产三重护套单模光纤的其它工艺相比，这个工艺显著降低了制造根据本发明的单模光纤的成本。
[0062]优选地，为了制造单模纤芯:
[0063]-在与单模纤芯的纵向元件分别相对应的预制件中布置粉末，
[0064]-将所述预制件玻璃化，
[0065]-通过拉出光纤来调整所述预制件的尺寸，以形成所述纵向元件，
[0066]-排列所述纵向元件以形成所述单模纤芯，并且[0067]-在所述纵向元件之间建立真空。
[0068]所述预制件使得根据本发明的光纤优选地被制造成由纵向元件的合理排列组成，以形成纤芯和中间护套。优选地，在预制件拉伸步骤期间，可建立真空，这使得能够获得根据本发明的光纤。
[0069]附图将说明如何制造本发明。在这些附图中，相同附图标记表示技术上相同的元件。
[0070]图1A是根据相关技术的三重护套单模光纤的截面的示意图。
[0071]图1B是例示图1A的光纤的折射率的横向分布的图。
[0072]图2A是根据本发明的三重护套单模光纤的第一示例的截面的示意图。
[0073]图2B是例示图2A的光纤的折射率的横向分布的图。
[0074]图3A是其中一个纵向元件中的截面的示意图，对纵向元件的组装形成了图2A的光纤的中间护套的部分掺杂结构。
[0075]图3B是例示图3A所示的纵向元件的折射率的横向分布的图。
[0076]图4是图2A的三重护套单模光纤的变形例的截面的示意图。
[0077]图5的A、B、C和D示出了用于制造图2A和图4的单模光纤的纵向元件的工艺中的连续步骤。
[0078]图6A是根据本发明的三重护套单模光纤的第二示例的截面的示意图。
[0079]图6B是例示图6A的光纤中的折射率的沿着图6A的直径X_X’的径向分布。
[0080]根据相关技术的三重护套单模光纤I被提供以发出具有例如1030到IlOOnm之间的波长的光束(镱离子的典型波长，但是可以变换到1.5 μ m或者2 μ m或者任何其它波长)，并且图1A示出其在平面(X-X’ ；Y-Y’)中的横截面，该三重护套单模光纤I从中心到周边包括:
[0081]-至少部分掺杂稀土的单模纤芯2；
[0082]-无光学活性但有助于给予纤芯单模特性的中间护套3；
[0083]-多模泵浦护套4;以及
[0084]-外护套5。
[0085]纤芯2具有折射率η2 (图1Β)和被限制为约25?30 μ m的尺寸。纤芯2可由硅土或铝硅酸盐制成，并且掺杂诸如镱的稀土 (或者铒或另选地铥)，或者由具有使得容易获得统一折射率曲线的任何其它材料制成。但是，纤芯2在特定区域可以是无活性的以允许单模(例如，基础模式)的优选放大。纤芯的直径通常限制为25?30μπι，通过允许确保现有制造技术(例如MCVD)的不同材料的折射率的精确。
[0086]中间护套3包围纤芯2。这个护套3具有比纤芯2的折射率η2低的折射率η3(图1Β)，中间护套3可以例如由掺杂了锗的硅土(或者铝硅酸盐)制成。
[0087]必须确定护套3的折射率η3，使得纤芯2的折射率η2和所述护套3的折射率η3之间的差Λ η3_2尽可能地低(例如，10_3)，这是本领域技术人员通常接受的限制。这允许根据全内反射的集合(称为TIR的技术)，获得光在纤芯2中单模传播。
[0088]多模泵浦护套4包围中间护套3 (图1Α)。护套4具有折射率η4，该折射率低于或等于(纤芯2的)折射率η2和(护套3的)折射率η3，并且与所述纤芯2和所述中间护套3相比具有适当尺寸以允许多模泵浦的不同模式的传播。为了这个目的并且为了简化制造，多模泵浦护套4可以由未(被稀土)掺杂的硅土制成或由未(被稀土)掺杂的铝硅酸盐制成。根据本领域技术人员已知的技术，多模泵浦护套4的形式不必须限制于圆形，以改善泵浦功率的吸收。
[0089]外护套5包围多模泵浦护套4。这个护套5具有折射率n5 (图1B)，这个折射率比折射率n2、n3和n4低，既能够保护光纤I的内部又能够引导泵浦光束。外护套5可由空气单元组成或另选地由适用于高温的材料(聚合物、氟化涂层)制成。应注意，这个护套5的折射率n5必须低，并且与纤芯2和护套3和4的折射率充分不同。
[0090]应注意，纤芯2并不必须位于光纤I的中心，也不必须被中间护套同心地包围。类似地，纤芯的形状和各个护套的形状不必须是圆形的。
[0091]为了增强图1A和IB的三重护套光纤的单模放大并同时提高其光学导光属性，本发明涉及特定的中间护套架构，图2A、图2B、图3A和图3B例示了第一示例。
[0092]根据本发明的三重护套单模光纤11被提供以例如发射具有1030nm的波长的光束，图2A示出其在平面(X-X’ ；Y-Y’)的横截面，从中心到周边包括:
[0093]-单模纤芯12，其类似于纤芯2并且具有折射率N12；
[0094]-中间护套13(像中间护套3那样)，其无光学活性并且具有有效折射率N13 ；
[0095]-多模泵浦护套14，其类似于泵浦护套4并且具有折射率N14；以及
[0096]-外护套15，其类似于护套5并且具有折射率Ν15。
[0097]图2Α所示的中间护套13包括多个纵向元件13Α,诸如棒或者条,这些纵向元件13Α被排列为形成包围纤芯12的多个同轴层(在图2Α中为两个)。
[0098]这些纵向元件13Α优选地(但是不必须)全部相同，彼此相邻地排列以覆盖光纤11的整个纵向和横向延伸。它们均具有六边形横截面，它们的边与相邻的纵向元件的边接触。然而，可采用任何其它横截面形状，特别是圆形、矩形或三角形，只要它们在相邻的纵向元件之间的截面延伸不产生过大的气孔即可。
[0099]如图3Α详细示出，中间护套13的纵向元件13Α包括两个同轴相邻的部分，也就是说，第一(中心)纵向部分13Β，其被第二 (周边)纵向部分13C包围。在中间护套13的纵向元件13Α中，周边纵向部分13C由具有和单模纤芯12的折射率至少相差10_3的折射率的光学材料构成，并且中心纵向部分13Β由与所述单模纤芯的折射率最多相差10_3的折射率的光学材料构成。例如，在图3Α的纵向元件13Α中，第一纵向部分13Β由诸如例如掺杂了镧的硅土或掺杂了镧的铝硅酸盐的光学材料制成，并且具有比由诸如未掺杂或仅轻微掺杂(就折射率而言)的硅土或者铝硅酸盐的光学材料制成的第二纵向部分13C的折射率N13c高的折射率&%。这样，第二纵向部分13C的折射率N13。被确定为明显不同于纤芯12的折射率N12 (例如，比纤芯的折射率低至少5.10_3)，这确保在所述纤芯12中引导光。
[0100]另外，第一纵向部分13Β的横截面面积大于第二纵向部分13C的横截面面积，这使得能够获得中间护套13的有效折射率N13，该折射率接近于(并且优选地在TIR或者MTIR导光的情况下低于)纤芯12的折射率Ν12。
[0101]因此，这样由中间护套13形成的单模光纤11适用于引导预定单模发射波长的光线，并且适用于有效地放大该光线。本领域技术人员知道这个导光方法的名称为“改进的全内反射”(MTIR)。
[0102]尽管在此情况下结构是完全固体的，导光原理类似于在称为光子光纤“PCF”或另选地棒型光纤的具有气孔的微结构光纤。
[0103]应注意，可能的变形表现在具有材料13C，材料13C具有比该结构的全部其它折射率高得多(例如，比纤芯12的折射率高至少10_2)的折射率N13C。因此，光纤I保留以上提到的优点，但是光由于光子禁带(PPB:prohibited photonic band)而被在所述光纤中引导，这还提供对弯曲损耗更好的抵抗。
[0104]还应注意，能够选择第二纵向部分13C的横向尺寸使得其小于单模发光波长。在此情况下，因为结构化的材料被具有比图案大小更大波长的光线认为是同质的，所以光在光纤中通过全内反射(TIR)传播。
[0105]中心纵向部分13B和周边纵向部分13C在纵向元件13A中的排列提供了折射率的均匀的横向分布(沿着护套13的横截面)。然而，也可以使用任何其它类型的排列，特别是具有超过两个部分的排列，其中这些部分具有不同的折射率。为此，重要的是使护套13中的折射率的横向分布一方面使得纤芯12的折射率N12和护套13的有效折射率N13之间的差Δ N13^12至少等于10_3 (优选地10_4)，而另一方面使得纵向元件13A的折射率最低(在此，折射率N13c)的纵向部分(在此，部分13B)具有适当尺寸以允许光纤11中TIR或MTIR的约束。
[0106]为了使中间护套13具有以上提到的特征，本领域技术人员将知道如何对以下参数进行调整:
[0107]-由纵向元件13A形成的环的数量；
[0108]-各纵向元件13A的纵向部分13B和13C的掺杂率，所述掺杂率确定它们的相应的折射率；
[0109]-各纵向元件13A的所述部分13B和13C的截面积的比(或者另选地参照图3B，尺寸D13b和D13a的比)，该参数确定护套13的有效折射率；以及
[0110]-纵向元件的尺寸。
[0111]由于中间护套13因此由适于被组装到一起的纵向元件13A形成，所以所述护套13是模块化的并且可由一组仔细选择的纵向元件形成，这些纵向元件不必要全部相同。具体地，根据想到的应用，同一护套13中组装具有不同形状的截面并具有尺寸不同和/或制成材料不同和/或在掺杂率不同的组成部分的纵向元件可以是恰当的，只要这些部分具有适当的折射率即可。然而，为了通过关于护套13的旋转对称实现更好的均一性，可以优选将护套13的同心层提供为由全部相同的纵向元件形成。另外，不相同的元件的排列或者非对称的排列可以使得能够制造例如维持其偏振的光纤或偏振光纤。
[0112]应注意，出于光纤的模块化的相同原因，图2A所示的纤芯12 (例如由掺杂了镱的铝硅酸盐制成)也由纵向元件12A构成，其横截面与形成中间护套13的纵向元件13A具有相同形状和相同尺寸。这些纵向元件12A可以均由单个光学材料制成，例如由掺杂了镱的硅土或铝硅酸盐构成。
[0113]还应注意，仍然是为了更好的模块化，多模泵浦护套14，或者甚至外护套15也可以由具有与纵向元件13A相同形状和相同尺寸的一组纵向元件制成。
[0114]另外，仍参照图2A，为了提高模式区分并因而仅增强纤芯12中的基础模式的传播，可在纤芯12和中间护套13的一些纵向元件12A和13A处分别布置损耗16。这些损耗16针对更高阶的传播模式，使得所述模态被过滤。为了布置损耗16，必须依赖例如倾斜光栅刻写(tilted grating inscription)技术,该技术是本领域技术人员已知的。[0115]为此，本领域技术人员将知道如何确定这些损耗的最优位置和尺寸以针对纤芯12和中间护套13的特定构造适当过滤高阶模式。
[0116]在图2A和图3A中，仅示出光纤11的横截面，但是很显然，在所述光纤11的整个纵向延伸上，此截面可以是相同的。
[0117]类似地，尽管以上描述涉及完全由纵向元件13A组成的中间护套13，但是很显然，所述中间护套13可以仅部分地由这些元件形成，并且护套的其它部分可以由具有唯一折射率的单个纵向元件形成。
[0118]图4示出了以上描述的三重护套单模光纤的变形例实施方式21。这个光纤21类似于图2A的光纤11，特别是中间护套23、多模泵浦护套24和外护套25分别对应于光纤11的护套13、14和15。类似地，纵向元件23A对应于元件13A。
[0119]这个光纤21的纤芯22与纤芯12的不同之处在于其被部分掺杂并且例如在其中心处包括一组掺杂的纵向元件22A (例如，由掺杂了镱的铝硅酸盐制成)，这类似于光纤11的纵向元件12A，并且在纤芯22在其周边处包括纵向元件22B，纵向元件22B具有与纵向元件22A (并且也与纵向元件23A)相同的形状和相同的尺寸并且也具有与纵向元件22A相同的折射率，这些元件22B不是活性掺杂(actively doped)的(例如，由掺杂了镧或锗的招娃酸盐制成，但是不包含镱或其它光学活性稀土 )。
[0120]在此情况下，如在图2A的第一实施方式中那样，可以在纵向元件22A、22B和23A的一些处引入损耗26 (类似于损耗16)。
[0121]为了制造根据本发明的单模光纤11 (或21)，可以使用图5的A、B、C和D例示的制造工艺。根据这个工艺，根据以下步骤，各纵向元件13A (以及12A和12B)可以通过粉末的玻璃化形成:
[0122]-将第一粉末Pl(旨在形成中心纵向部分13B)布置在第一管(用作预制件)PR1内(图5的A);
[0123]-将该第一预制件PRl插入更大尺寸的第二管(用作预制件)PR2中，接着将第二粉末P2 (旨在形成周边纵向部分13C)布置在第二管PR2内部由所述第一管PRl留下的空间中(图5的B);
[0124]-在将两种粉末Pl和P2布置在第二管PR2内之后，去除第一管PRl(图5的C);
[0125]-最终，在第二管道P2内使粉末Pl和P2玻璃化以分别形成纵向元件13A的中心纵向部分13B和周边纵向部分13C (图5的D)，如果需要，可以通过机械或化学摩蚀而去除
第二管32。
[0126]图5的A到D例示了制造圆柱形纵向元件的示例，但是很显然，这种工艺可以适用于具有六边形或其它形状的截面的纵向元件。
[0127]另选地，根据以下步骤，可通过粉末的玻璃化和材料的外部沉积来制造各个纵向元件13A (以及12A和12B):
[0128]-将第一粉末(旨在形成中心纵向部分13B或12A)布置在第一预制件管中；
[0129]-将该预制件玻璃化；
[0130]-可以磨蚀预制件以调整部分13C的厚度或者完全去除预制件以在例如形成元件12A时在整个截面上获得均质材料；
[0131]-如果去除全部周边材料但使用周边部分13C，可以执行例如OVD或POVD的外部沉积以形成具有要求的折射率的部分13C。
[0132]接着，排列这样玻璃化的纵向元件13A以形成中间护套13，接着在这些元件13A之间形成真空以组装它们并且因而形成所述中间护套3。
[0133]可以应用这个工艺以形成纤芯12或22的纵向元件12A、22A和22B，并且如果需要，纵向元件将形成多模泵浦护套14，或者甚至形成外护套15。在此情况下，如果所讨论的元件由具有唯一折射率的单个部分形成，则仅需要使用一个预制件和一种粉末。这同样应用于图4所示的光纤21的纵向元件22A、22B和23A。
[0134]用于根据本发明的单模光纤11 (或21)的纵向元件的这个玻璃化工艺具体地允许:
[0135]-对形成纤芯和中间护套13(或23)的材料的折射率进行有效控制(因而使有效截面积最大化并且非线性效应的影响最小化);
[0136]-对掺杂程度进行有效控制(因此控制可用光纤的增益和长度)以使非线性效应的影响最小化；
[0137]-合成比CVD方法大得多的量，并且因此显著简化光纤的制造工艺并且因此降低其成本；
[0138]-提供完全固体光纤，这便于光纤连接到光纤部件，并且便于可靠源的组装；以及
[0139]-制造少量的不可用光纤，显著降低制造单模光纤的成本。
[0140]其它制造工艺可用于制造纵向元件并将纵向元件组装到一起。作为示例，通过外部沉积(外部气相氧化0VP0)或等离子体增强外部气相沉积(P0VD等)或通过使周边纵向部分13C滑动到包含中心纵向部分13B (或23B)的精细管中而使周边纵向部分13C (或23C)围绕中心纵向部分13B (或23B)排列。接着，纵向元件可经受一系列组装-拉伸步骤，纵向元件之间的空隙孔由于表面张力而重新闭合，并且如果需要，可以使压力略微降低。为此，具有呈六边形截面的纵向元件的蜂巢结构允许通过全内反射约束基本模式。
[0141]图6A和图6B示出了根据本发明的单模光纤的另一个实施方式。
[0142]根据本发明的并且在图6A和图6B例示的单模光纤31从中心到周边包括:
[0143]-单模纤芯32，其类似于光纤11的纤芯12相似并且具有折射率N32；
[0144]-中间护套33，其由纵向元件33A和33B组成并且无光学活性，但是有助于给予纤芯单模特性。
[0145]-多模泵浦护套34，其类似于光纤14的泵浦护套14并且具有折射率N34；
[0146]-外护套35，其类似于光纤11的外护套15并且具有折射率N35。
[0147]类似于光纤11的中间护套13，中间护套33包括两种光学材料，第一种光学材料具有与单模纤芯32的折射率相差最多10_3的折射率，并且第二种光学材料具有与所述单模纤芯32的折射率相差至少10_3的折射率。
[0148]然而，在单模光纤31中，这两种光学材料并不是一起存在于中间护套的纵向元件中(如在中间护套13的纵向元件13A中那样的情况)，而是分别形成不同的纵向元件33A和33B的均质组成材料:纵向元件33A由所述第一光学材料组成(类似于纵向元件13A的中心部分13B)，而纵向元件33B由所述第二光学材料组成(类似于纵向元件13A的中心部分13C)。
[0149]在图6B所示的折射率分布的示例中，第一光学材料的折射率N33a尽可能地接近单模纤芯32的折射率N32。在此示例中，假定第二光学材料的折射率N33b低于单模纤芯32的折射率N32。结果，护套33的有效或平均折射率N33略低于单模纤芯32的折射率N32。然而，如针对单模光纤11描述的那样，第二光学材料的这个折射率N33b可以高于单模纤芯的所述
折射率N32。
[0150]应注意，图6A的单模光纤31可以包括损耗36并且具有例如使用以上描述的工艺特别各易制造的结构。制造成本因此特别低。
[0151]尽管附图中未示出，容易理解的是，根据本发明的单模光纤可以具有与元件33A相同的、由所述第一光学材料组成的第一纵向兀件和与兀件13A相同并且包括以下的第二纵向元件:
[0152]-由所述第一光学材料组成的中心纵向部分13B，并且
[0153]-包围所述中心纵向部分13B的周边纵向部分13B，其横截面小于中心纵向部分的横截面，并且由所述第二光学材料制成。
[0154]无论那种制造模式，根据本发明的单模光纤具有相同的光学属性，并且还具有很多优点，诸如完全固体结构、纤芯的高掺杂和更高阶模式的优异管理。
[0155]尽管不是穷举，根据本发明的单模光纤可有利地被使用在诸如以下应用领域:
[0156]-微米或纳米加工；
[0157]-激光源产生，例如在红外范围；
[0158]-产生频率梳，单频率源等；
[0159]-用于测量风或涡流等的光检测和测距(LIDAR)装置；
[0160]-用于其它源的泵浦，例如基于“软玻璃”光纤的光参量振荡器(OPO);
[0161]-医学(激光手术刀、眼科等)；
[0162]-污染物检测；
[0163]-制造激光武器；
[0164]-卫星间通信；或
[0165]-可能需要传输或者放大单模光线的任何其它应用。
【权利要求】
1.一种单模光纤(11、21、31),该单模光纤从其中心到周边包括: -至少部分掺杂稀土的单模纤芯(12、22、32)， -无光学活性的中间护套(13、23、33 )， -多模泵浦护套(14、24、34)，以及 -外护套(15、25、35)， 其特征在于，所述中间护套(13、23、33) -通过组装纵向元件(134、234、33々和33B)而形成，并且 -包括具有与所述单模纤芯的折射率最多相差10_3的折射率的第一光学材料以及具有与所述单模纤芯的折射率至少相差10_3的折射率的第二光学材料。
2.根据权利要求1所述的单模光纤， 其特征在于，所述单模光纤包括纵向元件(13A)，所述纵向元件(13A)包括: -由所述第一光学材料构成的中心纵向部分(13B)，以及 -包围所述中心纵向部分(13B)的周边纵向部分(13C)，其横截面面积小于所述中心纵向部分的横截面面积，并且由所述第二光学材料构成。
3.根据权利要求1所述的单模光纤， 其特征在于所述单模光纤包括由所述第一光学材料构成的第一纵向兀件(33A)和由所述第二光学材料构成的第二纵向元件(33B)。
4.根据权利要求1所述的单模光纤， 其特征在于所述单模光纤包括由所述第一光学材料构成的第一纵向元件(33A)以及第二纵向元件(I3A)，所述第二纵向元件(I3A)包括: -由所述第一光学材料构成的中心纵向部分(13B)，以及 -包围所述中心纵向部分(13B)的周边纵向部分(13C)，其横截面面积小于所述中心纵向部分的横截面面积，并且由所述第二光学材料构成。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的单模光纤， 其特征在于，所述第一光学材料的折射率(N13B、N33a)等于或尽可能接近所述单模纤芯(12.32)的折射率(N12、N32),但是所述中间护套(13、23、33)的有效折射率低于所述单模纤芯(12、22、32)的折射率(N12、N32),这是因为所述第二光学材料(N136、N338 )的折射率比所述单模纤芯的折射率(N12、N32)低得多。
6.根据权利要求1到4中任一项所述的单模光纤， 其特征在于，所述第一光学材料的折射率(N13B、N33a)等于或尽可能接近所述单模纤芯(12.32)的折射率(N12、N32),但是所述中间护套(13、23、33)的有效折射率高于所述单模纤芯(12、22、32)的折射率(N12、N32)，这是因为所述第二光学材料的折射率比所述单模纤芯的折射率高得多。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的单模光纤， 其特征在于，在所述组装中，所述中间护套(13、23、33)的所述纵向元件按照矩阵排列方式排列。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的单模光纤， 其特征在于，所述中间护套(13、23、33)的所述纵向元件(13A、23A、33A、33B)的横向尺寸比所述单模光纤(11、21、31)的单模发光波长至少大10倍。
9.根据权利要求1到7中任一项所述的单模光纤， 其特征在于，所述中间护套(13、23、33 )的所述纵向元件(13A、23A、33A、33B)的横向尺寸比所述单模光纤(11、21、31)的单模发光波长小。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的单模光纤， 其特征在于，在所述单模纤芯(12、22、32)和/或所述中间护套(13、23、33)处布置模态过滤装置(16、26、36)。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的单模光纤， 其特征在于，所述中间护套(13、23、33)的有效折射率与所述单模纤芯(12、22、32)的折射率最多 相差10_4。
【文档编号】G02B6/036GK103703634SQ201280023635
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年4月24日 优先权日:2011年4月26日
【发明者】P·罗伊, K·舒斯特尔, S·格林姆 申请人:国家科研中心, 利摩日大学