用于多包层光纤的多模光纤外包层耦合器的制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请是本申请人于2007年2月6日提交的、申请号为200780009246. 3、发明名 称为"用于多包层光纤的多模光纤外包层耦合器"的发明申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及光纤耦合器。具体地，本发明涉及适合于将多模栗浦光纤耦合到多包 层光纤特别是双包层光纤的外导向包层内的耦合器。
【背景技术】
[0003] 多模光纤被用在许多应用中，像通信网络、传感器系统、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通信有关，但目前其应用的一部分在于那些以传送光能 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，光纤激光器在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，激光被传输至双包层光纤的纤芯，而光功率栗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外波导。因为包层比纤芯大，所以更大的光功率可以注 入光纤内，即更高的栗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Kafka的美国专利US4, 829, 529里。虽然栗浦功 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纤部件向双包层光纤提供耦合的方向前进。这些部件被设计成采 用那些连接在光纤尾部的激光二极管、激光二极管棒或任何栗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。
[0004] 有两种将栗浦光耦合进双包层光纤的途径。一种途径是用端面注入光，称为端面 栗浦；另一种途径设法从侧面耦合光，称为侧面栗浦。
[0005] 许多专利都给出了实现端面栗浦的器件和技术。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。
[0006] 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0Z，但光束直径邓b却 减小。对于具有最大纵向角9z的导向光线，栗浦光纤的数值孔径NAb用以下等式给出：
[0007] ncosin0 z=NAb
[0008] 其中，1^是栗浦光纤其纤芯的折射率。
[0009] 因而，亮度守恒用下列关系表述：
[0010]
[0011] 其中，是注入栗浦的DCF包层的直径，NADeF是该包层的数值孔径。利用这个 关系，可以制作多光纤组合器，像7X1 (7根多模光纤2入一根输出光纤）或19X1。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栗浦的亮度转换到DCF。
[0012] 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。使用这些部件， 只可能从一个端面输入双包层光纤。对于需要更多输入光纤的激光器，或者尤其是对于放 大器，其需要在光纤束间增加单根光纤来输入或输出信号。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DiGiovanni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。因为几何形状的缘故，最普通 的器件是（6+1)X1组合器（围绕1单根光纤的6根栗浦光纤入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No. 2005/0094952A1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栗浦光纤，所以 从栗浦光纤到DCF的亮度损失将恶化大约15%。
[0013] 因而，端面栗浦的优势在于多根栗浦光纤可以组合，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，如果需要的是信号直通光纤并且DCF只有两个端面，那 么就会对结构几何形状和信号光纤产生限制。
[0014] 第二种途径即侧面栗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纤 耦合器。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，并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合进DCF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栗浦光纤里。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。在简化的親合模型中，可以 假设多模恪合双锥形親合器内的親合或功率分布与親合器内恪合光纤的相对面积成正比。 因而，对具有相同直径的栗浦光纤和DCF光纤的耦合将导致栗浦光50%的耦合。如果制作 一种用相同直径的一根栗浦光纤親合两根DCF光纤的親合器，那么将有66%的栗浦光被传 送到DCF光纤内。另外，MacCormack提出通过使親合器横向地不对称来提高这种親合。如 果栗浦光纤的数值孔径小于DCF光纤的数值孔径，那么按照亮度守恒定律，栗浦光纤可以 与数值孔径的比率成正比地锥形化。随后，耦合器被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。举个例子，如果栗浦光纤具有0.22的数值孔径和 DCF具有0. 44的数值孔径，那么栗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栗浦光纤情形下的50% /50%变化为对于带有锥形化栗浦光 纤的非对称耦合器的20% /80%，从而现在能耦合80%的栗浦光到DCF里。然而，不幸的 是，因为栗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，需要栗浦光纤与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，耦合越好，亮度越差。
[0015] 美国专利US4, 586, 784提出另一种生成耦合效率不对称的方式。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栗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，但在这种情形下单根栗浦光纤被锥形化为非常小的直径，大大高于2倍。这导 致在栗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 不会再被DCF导向的角度之前，光开始从栗浦光纤泄漏进DCF内。为确保这样，激光二极管 向栗浦光纤的发射条件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栗浦光纤和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接近 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+1)X1组合器要差。另外，如果激光器与耦合器之间的栗浦光纤长度适当的话，栗浦源易 于满足栗浦光纤的数值孔径，从而改变栗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。
[0016] 因此，侧面栗浦的优点是信号光纤是经常连续性的，它们可以一个接一个地级联 来提高耦合功率的量，并且它们不会受到端面栗浦组合器所受到的几何形状限制的困扰。 侧面栗浦的缺点在于它们在亮度保持方面效果差很多。这对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，要耦合给定尾部栗浦光纤的栗 浦源的话，需要较大直径的光纤，从而较长的增益光纤。另外，如果需要几次栗浦，那么采用 单根栗浦光纤就限制了设计布置的灵活性。
[0017] 因此，需要提供一种改进的耦