光纤和光纤器件的制作方法

本发明涉及一种光纤，并涉及一种包括该光纤的光纤器件。更具体地说，本发明涉及一种具有第一折射率分布的光纤，该第一折射率分布可以通过加热而改变为第二折射率分布，并且因此改变光纤的光学引导属性，以使得该光纤可以用于具有不同要求的不同光学器件中。本发明可以用于简化在高功率激光器应用中使用的相异光纤之间的拼接。更具体地说，本发明使得能够将光纤拼接到具有不同模场直径或不同光功率分布的第二光纤，而无需锥化外包层。第二光纤可以是例如光放大器、激光器或主振荡器功率放大器的一部分。发明背景高功率激光器在工业材料的激光处理中具有重要应用。具有超过10kw的峰值功率的脉冲式激光器被用于标记、雕刻、切割、焊接和钻探应用。具有超过500w的功率的连续波激光器被用于切割和焊接应用。这些高功率激光器通常包括一种以上具有相异光学属性的专用光纤。通常难以可靠地在这些光纤之间形成低光学损耗接头。高功率工业光纤激光器使用放大光纤作为增益介质。对于许多应用，期望良好的光束质量，并且由此放大光纤需要输出单模或低模激光辐射。为了实现高功率(>1kw)和高峰值功率(>10kw)，放大光纤需要是大模式面积光纤以减少非线性效应。在可以具有超过10kw的峰值功率的皮秒(ps)激光器中情况尤其如此。这种大模式面积光纤是多模的并且被配置在激光器中以输出单模辐射。这种光纤可以具有比与它们连接的光纤大的模场直径，并且由此通常需要在不同光纤类型之间锥化以实现低损耗接头。另外，某些放大光纤可能经历光暗化，由此放大光纤的衰减随时间增加。消除光暗化会对掺杂剂选择和放大光纤内的掺杂剂浓度施加约束。高功率工业激光器有利地具有用于将激光辐射从激光器递送到工件的光纤光束递送系统。可惜的是，非线性效应(诸如拉曼散射和刺激拉曼散射)会限制光纤光束递送系统的最大输出功率和长度，以及影响激光器对来自工件的后向反射的忍耐能力。一些系统的最大长度可能只有1m到2m那么小。这对激光处理机器(诸如平板切割器)的设计、或制造车间的设计、以及激光源本身的架构施加了严重的限制。随着芯直径的增加，非线性效应降低，并且由此光纤光束递送系统中使用的光纤通常具有比激光器内的其他信号光纤大的芯直径。相异光纤之间的现有技术拼接要么在接头内使用掺杂剂扩散，要么通过在被拼接的两根光纤之间插入中间光纤，或者通过插入或产生光纤外部的物理锥形。其中，掺杂剂扩散一般是优选的，因为它可以在用于将两根光纤拼接在一起的熔接器中实现。如果光纤之间的模式失配太大，或者如果掺杂剂未足够可靠地扩散，则使用光纤外部的锥化。在拼接时在光纤之间使用中间光纤(诸如渐变折射率光纤)是已知的。然而，这需要多次拼接和切割操作，以及对中间光纤的长度的精确控制，这两者都增加了成本和复杂性。掺杂剂扩散过程的自由度受到掺杂剂的扩散属性的限制。当拼接具有大的模场直径差(例如大于50％)的两根光纤时，需要对至少一根光纤外部进行附加锥化以获得低损耗接头。然而，如果光纤之间的数值孔径存在大的失配，则即使附加锥化也不能将损耗减少到可接受的量。现有技术的掺杂剂扩散过程通常被称为热膨胀芯，因为扩散是由加热引起的，并且芯掺杂剂扩散到包层中，由此扩大了芯的尺寸，并且由此增加了导模的模式面积。热膨胀芯被用于都具有高斯型模式的两根光纤之间的拼接中。欧洲专利no.1202090描述了色散补偿光纤和传输光纤之间的光学拼接。色散补偿光纤是在芯周围具有窄的掺氟环的所谓“w-光纤”。传输光纤是在芯周围具有多个掺氟磷层的低损耗凹陷包层电信光纤。由于两根光纤之间芯中的氧化锗和包层中的氟的不同扩散速率，这两根光纤的拼接造成问题。解决方案是在两根光纤之间使用桥接或中间光纤以形成低损耗接头。美国专利no.6,336,749描述了第一光纤与第二光纤之间的接头，其中第二光纤中掺杂剂的扩散使其折射率分布光学地汇聚到第一光纤的折射率分布。由于扩散区域及其逐渐的纵向变化，与接头相关联的光学损耗相对较低，即，在工作波长下小于0.2db，即使在各个光纤中(在信号波长下)的模场直径与模场形状之间存在相对较高的失配时也是如此。美国专利no.5,381,503公开了一种光波导，包括由光传播材料制成的芯部分和包层部分，第一掺杂剂和第二掺杂剂被引入所述芯部分，第一掺杂剂具有增加光传播材料的折射率的功能，并且具有针对所述光传播材料的第一热扩散系数，第二掺杂剂具有降低所述光传播材料的折射率的功能，并且具有针对所述光传播材料的在预定温度下大于第一热扩散系数的第二热扩散系数。该专利教导了如何将具有不同模场直径的两个单模光纤拼接在一起。该专利没有教导如何设计可以改变模式形状的模场适配器。美国专利no.6,742,939公开了一种熔接接头，其包括具有第一模场直径和第一模场直径膨胀率的第一光纤。该接头进一步包括具有第二模场直径和第二模场直径膨胀率的第二光纤，其中第二模场直径小于第一模场直径。第二光纤包括芯、径向围绕芯的包层、以及芯与包层之间的高浓度氟区。在熔接操作期间第一光纤的模场直径膨胀率小于第二光纤的模场膨胀率。该发明可用于将电信单模光纤拼接到掺铒光纤放大器。掺杂剂扩散和锥化过程的进一步限制是具有相异模式形状的光纤难以拼接在一起。现有技术的解决方案使得单模光纤能够以低损耗被拼接到具有不同模场直径的单模光纤。然而，它们不适合于拼接具有显著不同模场直径的光纤，或者折射率分布具有显著不同形状的光纤。例如，对于现有技术，即便不是不可能，从阶跃折射率光纤的高斯模式到环芯光纤的环形模式的拼接也将是困难的。当拼接具有大的芯直径失配的光纤时会出现进一步的问题，包括掺杂剂不够快地扩散。这导致熔接器内的接头下垂，以及对跨光纤的温度分布变化的增加的敏感性。光纤下垂和增加的温度敏感性导致不可预测的拼接过程，这种拼接过程不适合于可重复和可靠的制造。在某些情形中可以用更昂贵的熔接和辅助装备来克服这些问题，但这是不期望的。需要一种减少或避免前述问题的光纤。本发明根据本发明的非限制性实施例，提供了一种具有第一折射率分布的光纤，该第一折射率可以通过加热而改变为第二折射率分布，该光纤包括至少一个芯、包层、用于提供第一折射率分布的至少一个第一掺杂剂、至少一个隐藏掺杂剂、以及至少一个移动掺杂剂，该芯具有大于包层的折射率的折射率，并且该光纤的特征在于：·隐藏掺杂剂和移动掺杂剂中的一者具有负摩尔折射率，并且另一者具有正摩尔折射率；·移动掺杂剂以某一浓度存在，以平衡由隐藏掺杂剂引起的第一折射率分布的变化；·隐藏掺杂剂以某一浓度存在，如果该浓度不被移动掺杂剂平衡，则将改变第一折射率分布；·移动掺杂剂具有大于隐藏掺杂剂的扩散常数的扩散常数，以使得对光纤的加热使移动掺杂剂比隐藏掺杂剂扩散得更快，从而允许隐藏掺杂剂和移动掺杂剂将光纤的第一折射率分布改变为第二折射率分布，并且因此改变光纤的光学引导属性，以使得该光纤可以用于具有不同要求的不同光学器件中。利用本发明，隐藏掺杂剂以比提供期望的第一折射率分布所需要的浓度高得多的浓度被纳入光纤中。另外，隐藏掺杂剂可以被布置在光纤的与第一掺杂剂不同的区域中。这是与已确立思维的令人惊讶的偏离，因为纳入隐藏掺杂剂将改变第一折射率分布并且因此改变光纤的光学引导属性。这种变化可能是不利的变化，诸如增加的弯曲损耗、从单模光纤到多模光纤的变化、导模的光功率分布的变化、以及导模的模式面积的变化。因此，有必要通过纳入移动掺杂剂来抵消或补偿第一折射率分布的变化，以将光纤的折射率分布恢复到第一折射率分布，从而恢复光纤的光学引导属性。在现有技术中，添加移动掺杂剂(例如氟)以扩散到掺杂有第一掺杂剂的区域中并改变光纤的第一折射率分布。在本发明中，添加移动掺杂剂以掩蔽隐藏掺杂剂的存在。与现有技术相比，隐藏掺杂剂的效果和移动掺杂剂的扩散的组合使得能够大得多地控制折射率的变化以及因此大得多地控制模式变换。模式变换可以是模式形状和模场直径中的任一者或两者的变化。这对于制造各种光学器件是有益的，如下文将描述的。将掺杂剂以提供期望的折射率分布所需要的浓度高得多的浓度纳入玻璃中一般是不期望的，因为具有较高掺杂剂浓度的玻璃更昂贵、更难以制造、通常具有更高的损耗，并且较高的掺杂剂浓度会造成玻璃的失透，这导致更高的散射损耗。此外，增加的掺杂剂浓度会在玻璃中造成附加的热应力，这会导致光纤预制棒在制造期间破碎，以及不期望的光纤拉制引起的折射率变化。具有第一折射率分布的光纤将引导具有第一光功率分布的模式。在通过加热已将第一折射率分布改变为第二折射率分布之后，该模式将具有与第一光功率分布不同的第二光功率分布。通过受控加热来控制沿光纤的光功率分布的能力使得能够制造光学器件，诸如光学模式变换器、光学模式转换器、光学模式加扰器、光波长滤光器、长周期光栅、光学信号组合器和耦合器、多芯光纤耦合器、以及输出光束递送电缆。第一光功率分布可以是光纤的基模的光功率分布。第一光功率分布可以由模场直径和模式形状来表征。如在下面的各示例中将看到的，可获得大于100％的模场直径变化，而不需要对光纤的外直径进行锥化。模式形状的变化也很容易获得，包括从高斯模式到顶帽模式或环形模式。有利地，这种变化可以通过沿热影响区域的热分布的合适设计来定制，从而允许单根光纤被用于数个不同的模态变换。这实现了显著的成本降低以及组件和激光器设计的灵活性。第一和第二光功率分布可以使用麦克斯韦方程从第一和第二折射率分布来计算，或者在小折射率变化的限制下，使用亥姆霍兹方程来计算。第一和第二折射率分布因此可以从第一和第二光功率分布的逆变换中获得。有利地，对光纤的受控加热使得第一光功率分布能够沿光纤绝热地改变为更适合于拼接到第二光纤的第二光功率分布。可以使用与使用现有技术获得的相比快得多的拼接过程来将光纤拼接到第二光纤，从而需要较少的热能，并且因此较少下垂。例如，在从10μm芯直径光纤到25μm芯直径有源光纤的拼接中，拼接时间可以能够从使用现有技术的热膨胀芯技术的约60秒减少到使用根据本发明的光纤的约11到14秒。这极大地减少了熔接器中接头的下垂，并且得到了适合于大批量制造的更可靠且可重复的接头。在许多情形中，不需要附加的锥化或引入中间光纤。附加的锥化或引入中间光纤增加了拼接过程的复杂性，并增加成本。另外，复杂的拼接过程可能是不可靠性的来源。移动掺杂剂具有比隐藏掺杂剂的扩散常数大的扩散常数。因此，当光纤被加热时，移动掺杂剂比隐藏掺杂剂扩散得快，从而引起从第一折射率分布到第二折射率分布的变化。纳入移动和隐藏掺杂剂使得能够通过加热来获得光纤的第一折射率分布的大变化。加热由此揭示了移动和隐藏掺杂剂在光纤中的存在。第一掺杂剂的浓度可具有最大值。隐藏掺杂剂的浓度可以大于该最大值。隐藏掺杂剂的浓度可以大于移动掺杂剂的浓度。隐藏掺杂剂的布置可以在光纤的与第一掺杂剂不同的区域中。包括隐藏掺杂剂的区域的横截面积可以是包括第一掺杂剂的区域的横截面积的至少两倍。包括隐藏掺杂剂的区域的横截面积可以是包括第一掺杂剂的区域的横截面积的至少五倍。包括隐藏掺杂剂的区域的横截面积可以是包括第一掺杂剂的区域的横截面积的至少十倍。以如此高的浓度并且在如此大的区域上纳入隐藏掺杂剂在获得光纤的光学引导属性的期望变化方面实现大得多的设计灵活性。该效率可以通过品质因数来量化，该品质因数被定义为：由加热引起的第一折射率分布变化的均方根除以移动掺杂剂的最大浓度，乘以加热之前的模场直径和加热之后的模场直径中的最大值与最小值之比，在直径为加热之前的模场直径和加热之后的模场直径中的最大值的两倍的横截面积上取平均。品质因数可以是至少50。品质因数可以是至少100。品质因数可以是至少200。光纤可以具有由加热之前小于1.15的m2值定义的基模，并且具有由加热之后至少是1.2的m2值定义的基模。加热之后的m2值可以是至少1.3。加热之后的m2值可以是至少1.5。m2值是光束质量的度量，1.0的m2值对应于高斯光束。m2值是基模的形状的度量，m2值越高，模式越不呈高斯。为了实现由两根光纤引导的基模的低拼接损耗，有必要匹配基模的尺寸和形状。通过加热来提供m2值的这种大变化的能力是本发明的优点。光纤在加热之前可以是单模光纤，并且在加热之后是多模光纤。光纤在加热之前可以是多模光纤，并且在加热之后可以是更加多模的。隐藏和移动掺杂剂的布置和浓度可以使得对光纤的加热得到具有顶帽光功率分布的基模。隐藏和移动掺杂剂的布置和浓度可以使得对光纤的加热得到具有环形光功率分布的基模。隐藏掺杂剂的浓度与隐藏掺杂剂的摩尔折射率的乘积的幅值可以大于芯的折射率与围绕芯的区域的折射率之间的差。通过将移动掺杂剂纳入到光纤中引起的折射率变化的幅度可以大于芯的折射率与围绕芯的区域的折射率之间的差。以引起光纤折射率的变化(该变化大于由第一掺杂剂引起的变化)的浓度来纳入移动掺杂剂是与现有技术的彻底偏离。假如没有隐藏掺杂剂，则第一折射率分布将显著改变。通过用隐藏掺杂剂来平衡由移动掺杂剂引起的折射率变化，移动掺杂剂的存在被掩蔽，直至光纤被加热。例如，如果第一和隐藏掺杂剂是氧化锗，并且移动掺杂剂是氟，则与第一掺杂剂的浓度大于隐藏掺杂剂的浓度的情况相比，在第一掺杂剂的浓度小于隐藏掺杂剂的浓度的情况下可以使芯的折射率更快地改变。这使得相比假如第一掺杂剂的浓度等于或大于隐藏掺杂剂的浓度的情况接头能够更快地形成，从而得到更可靠的接头。有利地，它还允许比现有技术方法可获得的大得多且灵活得多的模态变换，包括基模和其他导模的形状的变化。芯可以支持具有模场直径的基模。加热之后的模场直径可以大于加热之前的模场直径。加热之后的模场直径可以是加热之前的模场直径的至少1.5倍。加热之后的模场直径可以是加热之前的模场直径的至少2.0倍。隐藏和移动掺杂剂可以具有使得移动掺杂剂的扩散增加由光纤引导的基模的有效模式面积的布置和浓度。将光纤设计成使得加热引起模场直径和有效模式面积中的至少一者增加使得光纤能够被拼接到比该光纤更加多模的光纤。隐藏和移动掺杂剂的浓度和布置可以使得对光纤的加热引起芯的折射率降低。进一步加热可以使芯的折射率变得等于围绕芯的区域的折射率。将光纤设计成使得如果被加热则芯的折射率变得等于围绕芯的区域的折射率，则能够形成与具有比加热之前该光纤的芯直径大的芯直径的各光纤的接头。如果光纤具有基本上阶跃的折射率芯，则再加热之后的光纤也将具有基本上阶跃的折射率芯，但具有较小的折射率和较大的芯直径。这使得具有不同芯尺寸的光纤能够被拼接在一起，而不必锥化一根或两根光纤的外部或者使用在两根光纤之间拼接的锥形。进一步加热可能使得芯的折射率变得小于围绕芯的区域的折射率。这具有基模的形状可以从高斯改变为环形的优点，并且与具有环形芯的第二光纤的低损耗拼接是可能的。隐藏和移动掺杂剂的浓度和布置可以使得移动掺杂剂的扩散引起芯的折射率的增加。隐藏和移动掺杂剂可以具有使得移动掺杂剂的扩散减小由光纤引导的基模的模场直径的布置和浓度。光纤的模态行为在其工作波长下定义。工作波长可以在可见或近红外波长范围中。波长范围可以是1000nm至1100nm、1300nm至1350nm、1500nm至1600nm、或1900nm至2500nm。掺镱光纤激光器在波长范围1000nm至1100nm中工作。具有小于2.405的标准化频率的阶跃折射率光纤是单模光纤。具有至少2.405、并且优选地大于4的标准化频率的阶跃折射率光纤是多模光纤。以低损耗和高模态纯度从单模光纤激光器耦合到多模光纤允许单模传播通过多模光纤，从而避免受激拉曼散射和其他非线性光学效应的影响。这对于大于1kw、2kw或10kw的功率电平尤其重要，并且对于具有大于10kw的峰值功率的脉冲式激光器更加重要。优点随着多模光纤的长度增加而增加，这是因为非线性光学行为的开始取决于功率和长度。光纤可包括围绕芯的基座。基座是一种包层，该包层具有大于外包层的折射率、但小于芯的折射率的折射率。一般而言，芯可以抵靠基座来进行波导。基座具有减少由于从有源光纤的芯泄漏的功率引起的脉冲式激光器的故障的优点，因为从芯泄漏到基座中的功率可以由基座引导并行进远离泵浦二极管。基座还被用于设计某些非光暗化光纤。第一掺杂剂可以与移动掺杂剂和隐藏掺杂剂不同。第一掺杂剂可以与移动掺杂剂和隐藏掺杂剂中的一者相同。移动掺杂剂和隐藏掺杂剂中的至少一者可以被布置在具有小于5μm的直径的至少六个纵向延伸区域中。这种光纤被称为微结构化光纤，并且纵向延伸区域被称为微结构。微结构可包括：包含隐藏掺杂剂的纵向延伸结构，以及包含移动掺杂剂的纵向延伸结构。折射率是这些纵向延伸结构在包含它们的区域的横截面积上的平均折射率。第一掺杂剂可包括锗、磷和铝中的至少一者。第一掺杂剂可包括至少一种镧系元素。第一掺杂剂可包括磷和铝。第一掺杂剂可包括在芯中彼此大致相等浓度的磷和铝。磷的浓度可以至少约等于铝的浓度。磷的浓度可以是铝的浓度的至少两倍。有利地，已知这种掺杂剂浓度可减少光暗化。移动掺杂剂的浓度可以是至少0.3mol％。移动掺杂剂的浓度可以是至少0.5mol％。移动掺杂剂的浓度可以是至少0.8mol％。移动掺杂剂可包括氟。隐藏掺杂剂可包括锗、磷和铝中的至少一者。芯可具有至少10μm的芯直径。芯直径可以是至少20μm。光纤可以由氧化物玻璃体系制成。氧化物玻璃体系可选自以下群组：二氧化硅、掺杂的二氧化硅、硅酸盐和磷酸盐。提升二氧化硅折射率的掺杂剂的示例包括锗、磷、铝、氯、钽、钛、锡、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、以及镱的氧化物。降低二氧化硅折射率的掺杂剂的示例包括氟、以及硼的氧化物。光纤可包括多个芯。本发明还提供了一种光纤器件，该光纤器件包括在本发明的光纤与第二光纤之间的接头，其中该接头具有小于0.5db的损耗。第二光纤可以是本发明的光纤。第二光纤可以是微结构化光纤。第二光纤可以是光子带隙光纤、kagome光纤、或空芯反共振光纤。与实芯光纤相比，这种光纤具有非常低的光学非线性，并且对于激光束递送是重要的。这种光纤在电信中也具有重要应用，并且本发明使得能够将微结构化光纤拼接到诸如滤光器和光学放大器的器件。该光纤和第二光纤可具有至少5μm的芯直径失配。该失配可以至少是10μm。光纤可以支持在加热之前具有第一模场直径并且在加热之后具有第二模场直径的基模。优选地，第二模场直径与第二光纤的模场直径相同，从而使得能够在该光纤与第二光纤之间形成低损耗熔接接头。使芯直径和折射率在接头处相等的安排使得能够形成低损耗、高模式纯度的接头。该光纤和第二光纤可以具有不同的折射率分布。然而，如果模场直径相等，则应当使拼接损耗最小化。这对于将单模或低模光纤拼接到用于高功率激光器光纤光束递送系统的多模光纤中是特别有利的。重要的是，单模光纤的基模可以以低损耗(例如小于0.1db)以及低的到较高阶模式的转换来耦合到多模光纤的基模。第二折射率分布可以是方位角不对称的。这对于从被配置成传播基模的单模或多模光纤耦合到多模的第二光纤是有利的。使第二折射率分布是不对称的安排允许可靠地耦合到多模第二光纤的低阶模式。光纤器件可以是其中光纤被锥化的光纤器件。本发明还提供了一种光纤器件，该光纤器件包括本发明的多根光纤，其中各光纤被并排排列并熔接在一起，该光纤器件具有信号组合器的形式。本发明还提供一种光纤器件，该光纤器件包括至少一根本发明的光纤和至少一根第二光纤，其中该光纤和第二光纤被并排排列并熔接在一起，该光纤器件具有信号馈通组合器的形式。本发明还提供一种光纤器件，该光纤器件包括至少一根本发明的光纤，其中该光纤包括具有第二折射率分布的多个区域，这些区域具有在100μm至1mm的范围中的长度，这些区域具有100μm至5mm的范围中的间隔，该光纤器件具有滤光器的形式。这些区域可以是方位角不对称的。本发明还提供了一种光纤器件，该光纤器件包括至少一根本发明的光纤，其中该光纤具有倾斜切面，并且芯直径朝向该倾斜切面增加。本发明还提供一种光纤器件，该光纤器件包括至少一根本发明的光纤。光纤器件可包括包含芯的至少一个第二光纤，并且其中，该芯包括至少一种镧系元素。镧系元素可以是镱。替换地或附加地，镧系元素可以是铈。通常作为稀土引入光纤的镧系元素形成光放大器、激光器和其他有源光学器件的基础。第二光纤的芯可以包括铝和磷，并且磷的浓度可以至少等于铝的浓度。磷的浓度可以是铝的浓度的至少两倍。已知这种光纤是低光暗化的。铝的浓度可以是镧系元素的浓度的至少十倍。光学器件可包括至少一个反射器，该光纤器件具有激光器的形式。光学器件可以包括种子激光器，该光纤器件具有主振荡器功率放大器的形式。光纤器件可包括泵，其中该泵被配置成泵浦镧系元素。光纤器件可以由大于1kw的输出功率来限定。该输出功率可以大于2kw。光纤器件可以由大于10kw的峰值功率来限定。光纤器件可以由大于100kw的峰值功率限定。这种光纤器件在皮秒(ps)激光器中具有重要应用。光纤器件可包括光束递送电缆，其中光束递送电缆具有大于5m的长度。光束递送电缆可以具有大于10m的长度。光束递送电缆可包括本发明的光纤。光纤可以由可以发射激光辐射的输出端来限定，并且其中光纤已在输出端被热处理，以便改变光纤的至少一个光学引导属性。光学引导属性可以是基模的模场直径的增加。光学引导属性可以是基模的形状。由此，例如，有效芯直径的增加降低了光纤端部的功率密度，并且由此增加了光纤的功率处理。替换地，可以在输出端对光纤进行热处理，以减小有效芯直径。减小有效芯直径可以增加从光纤发射的光辐射的发散度，并降低聚焦光学器件上的功率密度。光纤可以接合到由二氧化硅制成的端盖，以进一步增加功率处理。输出端可以是角度切割的，以减少回到光纤器件中的反射。可以在输出端对光纤进行热处理，以改变光功率分布。这允许根据特定的处理要求来优化光纤输出端的光束属性(例如光斑尺寸和/或环形光束形状)以获得改善的切割/焊接。光束递送电缆内的光纤可以独立于输出光束要求进行优化，从而改善激光器的灵活性和功能性。作为示例，光纤可以具有大的芯直径以减少递送电缆中的非线性，但是可以经由热处理使输出端的芯更小，以增加发射光的发散度并降低处理光学器件处的功率谱密度，同时热透镜效应和光学像差的风险降低。本发明还提供了一种用于将光纤中的第一折射率分布改变为第二折射率分布的方法，该方法包括：·提供光纤，该光纤包括至少一个芯、包层、用于提供第一折射率分布的至少一个第一掺杂剂、至少一个隐藏掺杂剂、以及至少一个移动掺杂剂，该芯具有大于包层的折射率的折射率，并且该光纤的特征在于：i.隐藏掺杂剂和移动掺杂剂中的一者具有负摩尔折射率，并且另一者具有正摩尔折射率；ii.移动掺杂剂以某一浓度存在，以平衡由隐藏掺杂剂引起的第一折射率分布的变化；iii.隐藏掺杂剂以某一浓度存在，如果该浓度未被移动掺杂剂平衡，则将改变第一折射率分布；iv.移动掺杂剂具有的扩散常数大于隐藏掺杂剂的扩散常数；以及·对光纤进行加热以使得移动掺杂剂比隐藏掺杂剂扩散得更快，从而·使得隐藏掺杂剂和移动掺杂剂将光纤的第一折射率分布改变为第二折射率分布，并且因此改变光纤的光学引导属性，以使得该光纤可以用于具有不同要求的不同光学器件中。附图简述现在将仅通过示例并参照附图来描述本发明的各实施例，其中：图1示出了根据本发明的光纤，该光纤具有第一折射率分布，该第一折射率分布可以通过加热而改变为第二折射率分布，并且因此改变光纤的光学引导属性，使得该光纤可以用于具有不同要求的不同光学器件中；图2示出了加热之后光纤的折射率，其中芯的折射率小于围绕芯的区域的折射率；图3示出了光纤制造中使用的典型掺杂剂的扩散系数的温度变化；图4示出了根据本发明的在光纤与第二光纤之间的接头；图5至11示出了在根据本发明的光纤的设计中模场直径如何随着加热而增加，并将其与具有相同折射率分布的并非根据本发明的光纤进行比较；图12示出了根据图5至11中使用的设计来制造的光纤的折射率分布；图13至17示出了图12的10μm芯直径光纤与具有25μm芯直径的有源掺铈光纤之间的接头；图18至21示出了图12中使用的10μm直径芯光纤与具有25μm的直径的无源光纤之间的接头；图22至31示出了光纤的示例，其中基模的光功率分布随着加热而从高斯变为顶帽变为环形；图32至37示出了具有基座的光纤的示例，其中基模的模场直径随着加热而减小；图38至41示出了光纤的示例，其中基模的模场直径随着加热而减小；图42至45示出了光纤的示例，其中基模的模场直径随着加热比图38至41的光纤设计减小得更快；图46至49示出了光纤的示例，其中芯的折射率随着加热而增加；图50示出了根据本发明的微结构化光纤；图51示出了根据本发明的多芯光纤；图52示出了用熔接器制成的接头；图53和54示出了接头和锥形，其中光纤的芯的折射率沿其长度增加；图55和56示出了根据本发明的信号组合器和信号馈通组合器；图57至59示出了根据本发明的滤光器；图60示出了根据本发明的具有方位角不对称的第二折射率分布的接头；图61示出了根据本发明的光束递送光纤，其中芯直径朝向倾斜切口增加；图62示出了根据本发明的光束递送光纤，其中芯直径朝向倾斜切口减小；图63示出了根据本发明的光束递送光纤，其中模式形状随着模式向倾斜切口传播而改变；图64至66示出了根据本发明的激光器配置；以及图67示出了空芯反共振光纤。本发明的优选实施例的详细描述图1示出了具有第一折射率分布61的光纤10，该第一折射率分布61可以通过加热而改变为第二折射率分布62，光纤10包括至少一个芯1、包层3、用于提供第一折射率分布61的至少一个第一掺杂剂7、至少一个隐藏掺杂剂8、以及至少一个移动掺杂剂9，芯1具有折射率11，该折射率11大于包层3的折射率13，并且芯1具有第一芯直径6，光纤10的特征在于：·隐藏掺杂剂8和移动掺杂剂9中的一者具有负摩尔折射率141，并且另一者具有正摩尔折射率142；·移动掺杂剂9以浓度19存在，以平衡由隐藏掺杂剂9引起的第一折射率分布61的变化146；·隐藏掺杂剂8以浓度18存在，如果该隐藏掺杂剂8不被移动掺杂剂9平衡，则会改变第一折射率分布61；·移动掺杂剂9具有的扩散常数16大于隐藏掺杂剂8的扩散常数15，使得对光纤10的加热引发移动掺杂剂9比隐藏掺杂剂8扩散得更快，从而允许隐藏掺杂剂8和移动掺杂剂9将光纤10的第一折射率分布61改变为第二折射率分布62，并且因此改变光纤10的光学引导属性39，使得光纤10可以用于具有不同要求的不同光学器件中。光纤10的引导属性39取决于光学波长36，并且被示为光学模式110的模场直径115，该模场直径115在加热之后增加到模场直径116。替换地或附加地，光学引导属性39可以是模式110的光功率分布111，其已经改变为光功率分布112。光学模式110可以是由光纤10引导的基模。在图1中，移动掺杂剂9和隐藏掺杂剂8被示为布置在围绕芯1的掺杂区域2中。如果不存在隐藏掺杂剂8，则移动掺杂剂9将引起针对第一折射率分布61的折射率变化146。理论上，折射率变化146等于移动掺杂剂浓度19和摩尔折射率144的乘积。折射率变化146被隐藏掺杂剂8平衡，该隐藏掺杂剂8引起相等且相反的折射率变化145。理论上，折射率变化145等于隐藏掺杂剂浓度18和平衡摩尔折射率143的乘积。净效应是使得由以第一浓度17存在的第一掺杂剂7引起的第一折射率分布61基本不变。在该示例中，掺杂区域2的折射率12等于包层3的折射率13。折射率变化145被示为等于芯1的折射率11与包层3的折射率13之间的差。如果移动掺杂剂9的扩散系数16远大于隐藏掺杂剂8的扩散系数15和第一掺杂剂7的扩散系数14，则如果光纤10被加热到足够高的温度，移动掺杂剂9就将完全扩散通过光纤10，从而揭示存在由隐藏掺杂剂8引起的折射率变化145。结果是产生包括芯1和掺杂区域2的芯38。芯38具有直径21，该直径21基本上等于加热之前掺杂区域2的直径20。芯直径21可以比第一芯直径6大10％到至少1000％倍。光纤10使得具有基本上不同芯尺寸的光纤能够拼接在一起，而不必锥化两根光纤中的一者或两者的外部或者使用在这两根光纤之间拼接的锥形。参照图1，如果平衡和移动掺杂剂浓度18、19增加，则在加热之后，掺杂区域2的折射率12将高于芯1的折射率11，从而得到如图2中所示的第二折射率分布62。在实践中，一般在移动掺杂剂9已扩散到整个光纤10中之前停止加热。隐藏掺杂剂8和第一掺杂剂7也将有一些扩散。因此可以对应于已允许发生多少扩散来实现不同的第二折射率分布62。可以通过确定热能施加到光纤10(或者更典型地，施加到光纤10的不同部分)的温度和时间来选择特定的第二折射率分布62。例如，光纤熔接器一般可被编程为在不同的时间并且在沿着芯1的不同区域中并且跨芯1和包层3递送不同的温度。光纤熔接器使用火焰、电弧或激光器(诸如二氧化碳激光器)来向光纤施加热量。在各示例中，将示出移动掺杂剂9从掺杂区域2的扩散可以如何增加掺杂区域2的折射率12，从而揭示隐藏掺杂剂8的存在。另外，移动掺杂剂9可以扩散到芯1中，从而降低其折射率11。将光纤10设计成使得芯1的折射率11可以变得小于掺杂区域2的折射率12具有使折射率11、12变得彼此相等的加热过程期间所花费的时间被缩短的优点。更短的处理时间得到更可靠的接头，可以更加可预测地形成这些接头，而不会在拼接过程期间引入不期望的下垂或薄弱。隐藏掺杂剂8的布置和浓度的存在和设计使得本发明与现有技术解决方案不同且更灵活。在现有技术中，通过将氟(一种移动掺杂剂)扩散到存在低得多的氟浓度的区域中来实现折射率变化。只有通过使用非常大浓度的氟(例如4mol％)才能实现大的折射率变化。在本发明中，可以使用显著更低浓度的移动掺杂剂9并通过设计隐藏掺杂剂8的布置和浓度以随着移动掺杂剂在加热之际扩散而增加折射率，来获得折射率和光功率分布的类似或更大变化。本发明分别组合了隐藏和移动掺杂剂8、9的折射率变化145和146的影响。由于所需要的移动掺杂剂浓度较低，因此这简化了光纤预制棒的制造。它还允许在制造光纤期间和在加热光纤之前更好地控制移动掺杂剂的布置。还实现了对折射率分布的变化率的改善控制，从而改善了根据本发明来制造的各组件的工艺可靠性和再现性。为了量化给定浓度的移动掺杂剂9可以如何有效地用于通过加热来改变光纤10的第一折射率分布62和引导属性39，已经开发出品质因数(fom)。fom是由加热引起的第一折射率分布61的变化的均方根除以移动掺杂剂9的最大浓度，并乘以加热之前的模场直径115和加热之后的模场直径116中的最大值与最小值之比。在横截面积(未示出)上执行对均方根的取平均，该横截面积具有是模场直径115和116的最大值的两倍的直径。fom通过以下公式给出：其中n1和n2是加热之前和加热之后光纤10的第一和第二折射率61和62，mfdmax和mfdmin是加热之前的模场直径115和加热之后的模场直径116中的最大值和最小值，并且是加热之前光纤10中的移动掺杂剂9的浓度19的最大值(以mol％计)。将在各示例中计算并讨论fom。表1示出了在使用二氧化硅玻璃的光纤制造中常用的掺杂剂的摩尔折射率。摩尔折射率被示为掺杂剂每摩尔百分比的折射率变化(δn/mol％)。由此，1mol％的氧化锗将二氧化硅的折射率提升0.0015。锗、磷、铝和镧系元素(诸如铈和镱)的氧化物提升二氧化硅的折射率。三氧化二硼和氟降低(下降)二氧化硅的折射率。所示出的摩尔折射率假定掺杂剂被纳入纯二氧化硅中。如果已经将其他掺杂剂纳入二氧化硅玻璃中，则摩尔折射率可以改变。例如，当铝离子与磷离子的浓度之比为1比1时，磷酸铝会降低二氧化硅的折射率。另外，文献中引用的摩尔折射率值存在某种变化。因此，期望通过实验来验证平衡由移动掺杂剂9引起的折射率变化146所需要的隐藏掺杂剂8的浓度18。表1：二氧化硅玻璃中掺杂剂的典型摩尔折射率光纤可以通过沿玻璃毛细管内部沉积玻璃和掺杂剂层、并且随后使玻璃毛细管塌陷以形成固体光纤预制棒来制造。随后从光纤预制棒中拉制光纤，并在光纤拉制过程期间加入塑料涂层。可以在毛细管的沉积和塌陷期间发生掺杂剂扩散和蒸发，从而引起跨光纤横截面的折射率波纹和其他变化。本文引述的折射率意在表示某些指定横截面上的平均折射率。由此，例如，图1中的折射率11意在表示芯1的横截面积上的平均折射率。类似地，折射率12意在表示在掺杂区域2的横截面积上的平均折射率。参照图1，包层3由具有折射率5的玻璃4制成。包层3的至少外侧区域一般由二氧化硅玻璃或合成二氧化硅玻璃制成。合成二氧化硅毛细管通常包括氯，并且由此具有比纯二氧化硅毛细管更高的折射率5。通常将掺杂剂添加到合成二氧化硅毛细管内的沉积玻璃层以补偿这种更高的折射率。如将在各示例中所示的，提供图1中的第一折射率分布61的第一掺杂剂7因此将包括氯掺杂剂，并且如果在光纤10的制造中使用合成二氧化硅毛细管，则包括添加的任何掺杂剂以补偿氯。图3示出了二氧化硅中氯171、氟172、以及铝173、镱174、铈175、硼176、锗177和磷178的氧化物的扩散系数。铝、镱和铈的氧化物的扩散系数被认为是相同的。在对于纯二氧化硅中的每种掺杂剂假设1mol％掺杂剂浓度的情况下绘制了扩散系数。铝173、镱174、铈175、硼176、锗177和磷178的扩散系数随着掺杂剂浓度的增加而增加。上面的各扩散系数涉及离子通过二元二氧化硅玻璃体系(即包括二氧化硅和掺杂剂的体系)的扩散。通过较软的玻璃(例如掺杂有五氧化二磷的二氧化硅)的扩散比通过二氧化硅的扩散快，如由掺杂有五氧化二磷的二氧化硅玻璃中的氟的扩散系数179所示。因此，将五氧化二磷添加到光纤10的芯1和掺杂区域2以减少发生扩散所需要的时间会是有利的。如参照图4所示，光纤10使得能够形成到具有芯27的第二光纤22的接头29，芯27具有大于第一芯直径6的芯直径28。图4示出了光纤10被拼接到第二光纤22和第三光纤23。第三光纤23具有芯24，芯24具有等于光纤10的第一芯直径6的芯直径25。可以使用光纤熔接器将光纤10和第三光纤23熔接在一起以形成接头26。低损耗(小于0.15db)接头可容易地实现。第二光纤22具有围绕芯27的包层35。芯27具有大于光纤10的第一芯直径6的芯直径28。因此，有必要允许移动掺杂剂9扩散到光纤10的芯1中并揭示隐藏掺杂剂8的存在，以便使光纤10的芯1膨胀，以使得其有效芯直径32与熔接接头29处的芯直径28相匹配。熔接器可以被放置成使得其在拼接区域30上提供电弧、火焰或激光束，其中在熔接接头29处的电弧、火焰或激光束内具有最高温度。温度在熔接接头29的任一侧下降。移动掺杂剂9的扩散速率随着温度下降而减小，从而减少了在熔接接头29的任一侧出现的移动掺杂剂9的扩散量。这种扩散变化得到光纤10的有效芯直径32的锥形31。还可以通过相对于电弧、火焰或激光束的位置移动光纤10和第二光纤22并改变电弧火焰或激光束在锥形区域31内的每个位置保持的温度或时间，来实现扩散的变化。锥形31的长度33由熔接器的设计来确定，特别是由用光纤10可以实现多少相对移动来确定，但典型地在范围1mm至5mm中。长度33可以长于5mm或短于1mm。有效芯直径32优选地在接头29处等于第二光纤22的芯直径28。将参照各示例来讨论在距接头29的距离34处的锥形31的属性。第一掺杂剂7可以与隐藏掺杂剂8相同。例如，第一掺杂剂7和隐藏掺杂剂8两者都可以包括氧化锗。芯1中的第一掺杂剂7的浓度17可以小于隐藏掺杂剂8的浓度18。例如，如果第一和隐藏掺杂剂7、8是氧化锗，并且移动掺杂剂9是氟，则芯1的折射率11将比在假如浓度17小于浓度18的情况下降低得更快。这使得相比在假如芯1中的第一掺杂剂7的浓度17等于或大于隐藏掺杂剂8的浓度18的情况能够更快地形成接头。已发现，可以更快速地形成的接头更可靠。示例1图5示出了光纤50的以摩尔百分比计的掺杂剂浓度40相对于以微米计的半径45。光纤50是图1的光纤10的示例。第一掺杂剂7和隐藏掺杂剂8两者都包括氧化锗。第一掺杂剂7还包括磷和氯。氧化锗浓度41在芯1中具有第一掺杂剂浓度17，并且在掺杂区域2中具有隐藏掺杂剂浓度18，该隐藏掺杂剂浓度18大于第一掺杂剂浓度17。包含隐藏掺杂剂8的横截面积是芯1的横截面积的五倍以上。类似的设计具有包含隐藏掺杂剂8的横截面积，该横截面积是芯1的横截面积的至少两倍，并且可以大至十倍。移动掺杂剂9是氟。氟浓度42在掺杂区域2中具有移动掺杂剂浓度19。包层3由合成二氧化硅玻璃基管制成，在光纤制造过程期间芯1和掺杂区域2的玻璃层沉积在该二氧化硅玻璃基管中。玻璃4是二氧化硅玻璃，其在包层3中具有氯浓度44。光纤50还掺杂有五氧化二磷，其在芯1和掺杂区域2中具有五氧化二磷浓度43。加入五氧化二磷以增加移动掺杂剂9的扩散速率，并提升在制造期间沉积的玻璃层的折射率以补偿氯掺杂剂。氧化锗浓度41和五氧化二磷浓度43在等于零的半径45(对应于光纤50的中心)处示出下陷。该下陷是经修改的化学气相沉积(mcvd)制成的光纤的特性，并且是由氧化锗和五氧化二磷在制造光纤预制棒的毛细管的高温(2000c)塌陷期间蒸发造成的。其他光纤制造工艺(诸如外部气相沉积(ovd)和气相轴向沉积(vad))通常不会引起掺杂剂浓度的这种下陷。表2中示出了掺杂剂的浓度连同功能单元的化学式。例如，氟的浓度被测量为sio1.5f的摩尔百分比。经计算的第一折射率分布61(如图9中的虚线所示)从表1中的摩尔折射率和表2中的浓度获得。在表中将浓度与参照图6所示的等效光纤60进行比较，该等效光纤60具有相同的第一折射率分布61，但没有附加的移动掺杂剂9和隐藏掺杂剂8。氧化锗浓度41、五氧化二磷浓度43和氯浓度44在芯1和包层3中是相同的，与参照图5所描述的光纤50一样。掺杂区域2中的氧化锗浓度41已降低到0mol％。氟浓度42是0.057mol％，从而表示从光纤50的0.6mol％氟减少10.5倍。芯德尔塔δ147是光纤中的重要引导参数，并且是芯1的折射率11与包层3的折射率13的差。芯德尔塔δ147约为0.002。再次参照图5的光纤50，掺杂区域2中的氧化锗浓度41是1.9mol％，这高于芯1中的1.4mol％氧化锗浓度41。0.6mol％的氟浓度42显著高于与光纤50具有相同第一折射率分布61的光纤60的0.057mol％。表2：掺杂剂浓度光纤50中的移动掺杂剂9是氟。0.6mol％的氟浓度42表示与具有相同第一折射率分布61的等效光纤60中的氟浓度42相比的附加0.543mol％。移动掺杂剂浓度19因此是0.543mol％。这种氟浓度会使掺杂区域2中的玻璃4的折射率5降低0.00315的折射率变化146(参照图1所示)。折射率变化146比参照图10所示的0.002的芯德尔塔δ147大50％以上。这种折射率变化146将使芯1和掺杂区域2之间的折射率差不止加倍，假如不存在隐藏掺杂剂8，这将急剧地改变光纤10的引导属性39。因此，有必要使用1.9％的氧化锗浓度41来补偿或平衡由氟引起的折射率变化146。如图3中所示，氟的扩散系数172高于氧化锗的扩散系数177。如在光纤50中使用的，掺杂有五氧化二磷的二氧化硅中的氟的扩散系数179甚至更高。平衡和移动掺杂剂8、9中的每一者以显著高于获得第一折射率分布61所需要的浓度存在。将掺杂剂以比提供期望的第一折射率分布61所需要的浓度高得多的浓度纳入玻璃中一般是不期望的，因为具有较高掺杂剂浓度的玻璃更昂贵、更难以制造、通常具有更高的损耗，并且更高的掺杂剂浓度会造成玻璃的失透，这导致更高的散射损耗。此外，增加的掺杂剂浓度会在玻璃中造成附加的热应力，这会导致光纤预制棒在制造期间破碎，以及不期望的光纤拉制引起的折射率变化。用计算机仿真对光纤50中的掺杂剂扩散进行建模。图7示出了掺杂剂浓度的计算机仿真结果。用实线来示出在2050c的温度下扩散达14秒之后的氧化锗浓度51、氟浓度52、五氧化二磷浓度53以及氯浓度54。氟已从掺杂区域2扩散到芯1中。初始氟浓度41在芯1中为零。对图6的光纤60运行相同的计算机仿真。结果在图8中示出。氟已扩散到芯1中，但图8中的氟浓度52远低于图7中的氟浓度。氯也在图7和8所示的结果中扩散。氯浓度54在每一情形中基本上相同。图9示出了在加热之前计算的光纤50的第一折射率分布61(虚线)，以及在加热到2050c达14秒之后在25c下计算的第一折射率分布62(实线)。折射率分布61已被电平移位，以使得零表示包层3的第三折射率13。对于本文所描述的其他折射率分布采用相同的办法。第一折射率分布61具有在预制棒塌陷期间由氧化锗和五氧化二磷的蒸发引起的折射率下陷63。芯1、掺杂区域2和包层3清晰可见。掺杂区域2是凹陷的包层65，该包层65的折射率相对于包层3的折射率13略微降低。由于氟从掺杂区域2扩散到包层3中，因此折射率分布62具有凹陷的包层区域64。在2050c下加热达14秒减小了芯1的折射率11并增加了掺杂区域2的折射率12，从而得到具有比加热之前的第一芯直径6更大的芯直径69的芯66。图10示出了在加热之前计算的光纤60的折射率分布67(虚线)和在加热至2050c达14秒之后计算的折射率分布68(实线)。芯1略微扩散，但是显著小于光纤50。图11示出了针对分别由折射率分布61、62、67和68支持的基模110计算的归一化为一(unity)的光功率分布111、112、113、114。光功率分布111和113彼此叠加，从而确认折射率61和67提供相同的光功率分布。加热之后光纤50的光功率分布112比加热之前的光功率分布111宽得多。加热之后光纤60的光功率分布114与加热之前的光功率分布113几乎相同。对于图5的光纤50，通过加热达14秒引起的光功率分布大小的增加明显远大于图6的光纤60。表3示出了针对由光纤50和60支持的基模110计算的原始光纤(加热之前)和扩散光纤(加热之后)的有效模式面积、模场直径和光束质量的值。加热之前和之后的模场直径115、116在图1中示出。光束质量被示为m2值，其中m2＝1表示纯高斯基模。有效模式面积增加了4.8倍，模场直径增加了2.1倍，并且光束质量m2值的降级可忽略不计。将平衡和移动掺杂剂8、9纳入到光纤50中已引起模场直径与光纤60相比显著增加。光纤60将需要加热远大于14秒，并且在到具有约22.5μm的模场直径的另一光纤的低损耗接头中使用锥形或中间光纤。表3还包括根据等式1针对光纤50和60计算的品质因数fom的值。光纤50的fom值225.2显著高于现有技术可获得的值。这表明，对于类似浓度的氟，包含隐藏掺杂剂8实现了模场直径115大得多的变化，或者替换地，需要小得多的氟浓度来实现模场直径115的相同变化。表3：经计算的基模参数根据参照图5和9所描述的设计来制造光纤50。图12示出了在加热之前测量的折射率分布71(虚线)，以及光纤50在熔接器中加热到2050c达14秒之后在25c下测量的折射率分布72(实线)。如从图7所预期的，存在折射率下陷73。在2050c下加热达14秒已使得氟从掺杂区域2扩散到芯1中，从而降低了芯1的折射率11，并增加了掺杂区域2的折射率12。氟也已扩散到包层3中，从而导致凹陷的折射率区域74。经计算的折射率分布61、62与测量的折射率分布71、72非常相似，从而验证了理论分析方法。再次参照图4，使用光纤50代替光纤10。光纤50被设计成向光纤22提供低损耗熔接接头29。光纤22具有等于约25μm的芯直径28。光纤50的芯直径6约为10μm，这小于第二光纤22的芯直径28。光纤22是有源光纤，其中芯27掺杂有铈、镱和铝的氧化物。图13示出了在加热之前测量的折射率分布(rip)84(虚线)，以及在第二光纤22加热至2050c达11秒之后在25c下测量的折射率分布85(实线)。第二光纤22具有掺杂有铝、铈和镱的氧化物的芯81，掺杂有氧化锗的基座82，以及二氧化硅包层83。基座82是凸起的折射率包层。芯81可以支持抵靠基座82来引导的基模。第二光纤22不是使用经修改的化学气相沉积(mcvd)制成的，并且由此在半径45等于零的中心没有折射率下陷73。折射率分布84和85非常相似，从而指示在第二光纤22中发生的扩散显著少于参照图5所描述的光纤10发生的扩散。将光纤50和第二光纤22在2050c下熔接在一起达大约11秒，同时监测吞吐功率。图14示出了在距图4中所限定的接头29的距离34处测量的光纤50的折射率分布71、92、93、94、95和72。为清楚起见，折射率分布被示为彼此偏移。与图示71、92、93、94、95和72相对应的距离34分别是800μm、450μm、350μm、200μm、100μm和20μm。先前参照图12讨论了折射率分布71和72。图15示出了在距第二光纤22中的接头29的距离20μm、200μm、300μm、400μm和800μm处测量的折射率分布85、102、103、104和84。为清楚起见，折射率分布被示为彼此偏移。如参照图4所示，光纤50的芯直径32沿锥形31膨胀。图16示出了在针对绝对折射率差调整之后叠加在折射率85上的折射率72。加热之后光纤50的芯直径69基本上等于第二光纤22的芯直径28。参照图12，对于这种复杂折射率分布72、85难以确定芯直径32。更实际的度量是可以使用工业标准仪器来测量、或者从图14和15中所示的折射率分布中计算的模场直径115和有效模式面积121(参照图17所示)。在本文所描述的计算中，通过计算模式分布的二阶矩，模场直径115已被视为国际标准bseniso11146-1：2005(公式23)中所定义的光束直径。模场直径115给出了模式尺寸的有意义度量，并且对于在将两根光纤接合在一起时估计拼接损耗特别有用。有效模式面积121是对模式的功率所分布的区域的度量。它对于确定芯可以承载多少功率而不会导致非线性类型信号损耗特别有用。有效模式面积在agraval的“nonlinearfiberoptics(非线性光纤光学)”，academicpress(学术出版社)，第44页，公式2.3.29中进一步描述。模场直径115和有效模式面积121的概念可以适用于光纤而不管它们的折射率分布如何，并且由此在工业中广泛使用。图17示出了因变于距图4中所示的接头29的距离34的有效模式面积121。距离34的负值对应于光纤50，并且距离34的正值对应于第二光纤22。图17示出了有效模式面积121从约90μm2增加到接头29处的约300μm2。通过在2050c下加热光纤50达11秒来引起这种增加，此时熔接器被关闭。如表3中所示，假如继续加热，则有效模式面积121将进一步增加至约400μm2。有效模式面积121的增加是渐进的，这是有利的，因为渐进增加得到绝热锥形。与非绝热锥形相比，绝热锥形具有更低的损耗以及更低的向更高阶模式的转换。光纤50与第二光纤22之间的熔接接头29使得光纤50和第二光纤22的有效模式面积121在接头29处相等。光纤50的设计被示为允许具有显著不同的芯直径和不同有效面积的光纤之间的低损耗拼接，而不需要锥化光纤包层3的直径。这可以简化基于光纤50的激光器的制造过程，因为不需要锥化装备来投入到降低光学非线性通常需要的大芯激光递送光纤中。光纤50的设计不需要将极大浓度的移动掺杂剂9(氟)纳入光纤中，诸如美国专利no.6,690,868中所描述的4mol％氟浓度。该示例的较低氟浓度由此简化了光纤制造过程并使扩散过程更可靠。它还减少了热处理的历时以达到给定浓度的移动掺杂剂9所需要的扩散，这对于期望芯直径6至少2倍的改变特别有益。示例2再次参照图4，在该示例中所使用的第二光纤22是图18中所示的无源光纤180。光纤10是图5和12以及示例1的光纤50。光纤180具有等于约25μm的芯直径28。光纤180是不包括稀土掺杂剂的无源光纤。芯27掺杂有氧化锗，从而得到包括掺氧化锗的二氧化硅的芯。图18示出了光纤180在加热之前测量的折射率分布(rip)134(虚线)。芯27在中心处包括折射率下陷137，该下陷对于由经修改的化学气相沉积制成的光纤(mcvd)是典型的。所测量的折射率分布135是在加热至2050c达14秒之后在25c下测量的(实线)。折射率分布134和135非常相似，从而指示在光纤180中发生的扩散显著少于图12的光纤50发生的扩散。图19示出了在图12的光纤50中在-800μm、-420μm、-320μm、-220μm、-120μm和-20μm的距离34处测量的所测得折射率分布71、191、192、193、194、195，以及在图18的光纤180中在距接头2920μm、200μm和500μm的距离34处测量的所测得折射率分布135、196、134。为清楚起见，折射率分布已被电平移位。图20示出了折射率分布135(虚线)和折射率分布195的叠加。折射率分布135、195在光纤180的芯27的区域中基本上彼此重叠。图21示出了有效模式面积161相对于距接头29的距离34，该距离34是从所测得的折射率分布(诸如图19中所示的那些折射率分布)来计算的。光纤50和第二光纤180的基模的有效模式面积161在等于零的距离34(对应于图4中所示的接头29)处基本上相等。第二光纤180的基模的有效模式面积161在拼接区域30内变化非常小。接头29处的有效模式面积161约为390μm2，这略大于图17中的有效模式面积。通过在拼接时将光纤加热稍长的时间来实现更大的有效模式面积。根据该示例来设计的光纤可以被用于投入到具有更大芯直径28的无源光纤中，以减小高功率激光器中的光学非线性的影响。可以使锥形31绝热以实现低损耗，这在高功率激光器中对于功率预算和激光可靠性是重要的。绝热锥形对于确保来自基模的低损耗耦合而不会导致耦合到更高阶模式也是有用的。在保持光束质量m2<1.2的同时，可以容易地实现小于0.5db的拼接损耗。这在第二光纤22是多模光纤的情形中特别重要。示例3图22示出了光纤220的设计，光纤220类似于图5的光纤50，但其中氟浓度42已从0.6mol％增加到1mol％。掺杂区域2中的氧化锗浓度41被增加，以抵消由氟引起的折射率5的下降。氧化锗浓度41在掺杂区域2中为3.55mol％，在芯1中为1.75mol％，这对应于掺杂区域2中的隐藏掺杂剂(氧化锗)浓度18与芯1中的第一掺杂剂(氧化锗)的第一掺杂剂浓度17的约为二的浓度比。图23至25分别示出了在2050c的温度下扩散达7、9、14秒之后计算的氧化锗浓度51、氟浓度52、五氧化二磷浓度53和氯浓度54。初始氟浓度41在芯1中为零。从掺杂区域2扩散出并扩散到芯1中的氟的量随时间增加。图26至28示出了与图23至25中所示的扩散掺杂剂分布相对应的第一折射率分布61(虚线)和第二折射率分布62(实线)。芯1的折射率11随着施加热量的时间而减小，并且掺杂区域2的折射率12随时间增加。对应的光功率分布111、112在图29至31中示出，并且经计算的模场参数在表4中示出。如图23、26和29中所示，增加氟浓度42将平均折射率11变得约等于平均折射率12所花费的时间从14秒(图9)减少到7秒(图29)。模场直径115、116已从11.2μm增加到21.1μm。光束质量因数m2已从1.02增加到1.09。如图24、27和30中所示，加热达9秒已导致平均折射率11变得小于平均折射率12。所得到的光功率分布112(图30)近似是平顶的。模场直径116已略微增加到21.8μm，并且光束质量m2因数已变为1.25。平顶光功率分布在某些标记和切割应用中是有利的，因为可以更好地控制标记或切口的宽度。如图25、28和31中所示，加热达14秒得到了类似于环的折射率分布62(图28)。所得到的基模的光功率分布112(图31)是环形或环模式。环形模式在某些切割应用中是有利的。例如，基本环形模式可以耦合到环芯光纤或多模光纤中。如果多模光纤使得其光学模式不耦合在一起，则多模光纤可以经由聚焦系统向工件提供环形功率分布。原始7秒9秒14秒有效模式面积(μm2)93387482482模场直径(μm)11.221.121.825.2光束质量m21.021.091.251.6fom-133.5155.6219.3表4：针对图26至31中所示的结果所计算的模场参数和品质因数(fom)表4中所报告的光束质量m2的变化远大于现有技术光纤设计所获得的变化，并且通过光纤220的简单热处理以获得图4的锥形33来实现。热处理使得具有高斯分布的基模的光功率分布111能够被转换为具有三角形、平顶、以及随后是环形功率分布的基模的光功率分布112。这些都是用绝热转变以及因此低损耗和低的到较高阶模式的转换来实现的。通过加热来提供m2值的这种大变化的能力是本发明的优点。为了实现由两根光纤引导的基模的低拼接损耗，有必要匹配基模的尺寸和形状。光纤10可以具有由加热之前小于1.15的m2值定义的基模，以及由加热之后至少为1.2的m2值定义的基模。加热之后的m2值可以是至少1.3。加热之后的m2值可以是至少1.5。m2值是光束质量的度量，1.0的m2值对应于高斯光束。m2值是基模的形状的度量，m2值越高，模式越不呈高斯。示例5图32示出了光纤320，其被设计成在加热时减小芯1的有效第一直径6。光纤320包括芯1、基座181和包层3。基座181包括可任选的内部基座182、掺杂区域2和外部基座183。图34示出了加热之前的第一折射率分布61。表5中示出了掺杂剂的浓度连同每个功能单元的化学式。图33示出了以摩尔百分比计的掺杂剂浓度40相对于以微米计的半径45。玻璃4是二氧化硅。获得图34的第一折射率分布61所需要的第一掺杂剂7包括氧化锗、氧化铝、氯、以及镱和铈的氧化物。镱浓度185与铈浓度186相同。氧化铝浓度184高于镱浓度184和铈浓度185。玻璃4是二氧化硅玻璃，其在包层3中具有氯浓度44。氧化锗浓度41包括在整个基座181中的2mol％的浓度187，这表示基座181中的第一掺杂剂浓度17。移动掺杂剂9是氟。氟浓度42在掺杂区域2中具有移动掺杂剂浓度19。隐藏掺杂剂8是氧化锗。掺杂区域2中5mol％的氧化锗浓度41包括2mol％的浓度187加上平衡由移动掺杂剂9引起的折射率变化146所需要的3mol％的隐藏掺杂剂浓度18。位置掺杂剂化学式浓度芯氧化铝geo21.2mol％芯镱yb2o30.15mol％芯铈ceo20.1mol％内部基座氧化锗geo22.0mol％掺杂区域氧化锗geo25.0mol％掺杂区域氟sio1.5f0.86mol％外部基座氧化锗geo22.0mol％包层氯sio1.5cl0.2mol％表5：掺杂剂浓度图34示出了在加热之前计算的第一折射率分布61。第一折射率分布61被包层3的折射率13抵消，该包层3是包括掺氯玻璃的合成二氧化硅。通过将图33中所示的掺杂剂浓度乘以表1中所示的相应摩尔折射率来计算第一折射率分布61。芯1具有折射率11，该折射率11高于基座181的折射率201。基座181的折射率201高于包层3的第三折射率13。掺杂区域2中的平衡和移动掺杂剂浓度18、19被选择成使得掺杂区域2的折射率12与掺杂区域2外部的基座181的折射率201基本上相同。由此，基座181的折射率201基本均匀。芯1抵靠基座181来引导，并且由此有效芯德尔塔δ147是芯折射率11与基座折射率201之间的差。图37示出了在加热之前由芯1引导的基模110的光功率分布111。图35示出了在2050c下加热达11秒之后计算的氧化锗浓度51、氟浓度52、氯浓度54、氧化铝浓度211、镱浓度212和铈浓度213。氟比锗、氧化铝、镱和铈扩散得更多。图36示出了在加热之前计算的第一折射率分布61(虚线)，以及在2050c下加热达11秒之后在25c下计算的第二折射率分布62。氟从掺杂区域2扩散到芯1中已使得加热之前光纤320的芯1的折射率11在芯1的至少一部分中降低。所得到的经加热光纤的分布62具有比加热之前光纤320的芯1更小的芯221。氟从掺杂区域2的扩散也在基座181中引起折射率峰值222和折射率凹陷223。图37示出了在加热之前由光纤320支持的基模110的光功率分布111，以及在加热之后的光功率分布112。在加热之前光功率分布111具有390μm2的模场面积，并且在加热之后光功率分布112具有233μm2的模场面积。在加热之前基模110具有由等于1.02的m2值定义的光束质量，并且在加热之后具有由等于1.09的m2值定义的光束质量。有利地，光纤320可以被用于拼接到第二光纤，该第二光纤具有比光纤320的模场直径115小的模场直径。应当注意，如果从第一折射率分布61到第二折射率分布62的转变是绝热的，则仅在光纤320已被热处理并且将具有很小的不利影响的情况下才会出现折射率峰值222和折射率凹陷223。光纤320的品质因数fom等于30.9。光纤320可以被拼接到光纤，如图5中所描述的光纤50。通过在单个接头中将光纤320的芯直径恰当地缩放到42.5um而没有对光纤包层直径的任何锥化，可以实现将基模的有效面积从87um2(如从表3)增加到925um2。这是模场直径从10.6um到36.1um的增加。示例6图38示出了光纤380的掺杂剂浓度40，该光纤380被设计成在加热时减小基模110的模场直径115。如图40中的第一折射率分布61所示，芯1是阶跃折射率芯，其包括具有基本上相同的折射率11的外芯381和掺杂区域2。第一和隐藏掺杂剂7、8是氧化锗，并且移动掺杂剂9是氟。该设计基于用合成二氧化硅毛细管制成的光纤，并且由此大于15μm的半径处的包层3主要由掺杂有氯的二氧化硅制成。已在小于15μm的半径处添加五氧化二磷以补偿氯。五氧化二磷掺杂还可以增加氟掺杂剂在加热时的扩散速率。与5μm至10μm之间的半径相比，对于小于5μm的半径提升了氧化锗浓度41，以补偿由小于5μm的半径处的氟浓度42引起的折射率变化146。表6中示出了氧化锗、氟、磷和氯浓度41、42、43、44，除了为清楚起见忽略了中心折射率下陷和浓度梯度。还示出了具有相同的第一折射率分布61(参照图40所示)但没有移动掺杂剂9(氟)的光纤的掺杂剂浓度。掺杂区域2中的3.9mol％浓度的氧化锗浓度41由此表示达到第一折射率分布61所需要的1mol％的第一掺杂剂浓度17加上平衡由移动掺杂剂9引起的折射率变化146所需要的2.9mol％的附加隐藏掺杂剂浓度18。表6：掺杂剂浓度图39示出在2050c下加热光纤达19秒之后的氧化锗、氟、五氧化二磷和氯浓度51、52、53、54。图40示出了加热之前的第一折射率分布61和加热之后的第二折射率分布62。氟已从掺杂区域2扩散出并扩散到外芯381中。掺杂区域2的折射率12已提升，并且外芯381的折射率11已下降。图41示出了加热之前的基模110的光功率分布111和加热之后的基模110的光功率分布112。表7中给出了加热之前和之后的基模110的参数连同该设计的品质因数fom。基模110的有效模式面积已从267μm2减小到84μm2。有利地，光纤380可以被用于拼接到第二光纤，该第二光纤具有比光纤380的模场直径115小的模场直径。对于图38的光纤，品质因数fom超过150，这大于现有技术办法可以获得的值。表7：经计算的模场参数和fom值光纤380是用于高功率激光器的光束递送光纤的示例，其具有大的芯直径以便减少光学非线性，诸如拉曼散射和四波混频。有利地，光纤380可以以低损耗被拼接到较小芯光纤(诸如图4中的光纤23)而不需要锥化包层直径。光纤380作为递送光纤的进一步益处在于，在激光器的输出端可能需要较小的芯直径，以增加输出光束的发散度并降低处理光学器件中的功率密度。在光纤380的输出端对光纤380加热可以减小其芯直径。应注意，光纤380可以被拼接到参照图5所描述的光纤50。光纤50的芯直径在加热时增加。加热时光纤380的芯直径变小。由此，将光学器件50的经扩大的芯拼接到光纤380的经减小的芯允许在单个接头内甚至更大的模场直径变换。附加地或替换地，可以形成更短的接头，这种接头更可靠，因为在两根光纤之间共享转变。示例7图42示出了与图38的光纤380类似的光纤420。光纤420包括半径10μm至15μm之间的第二掺杂区域421。氟浓度42在第二掺杂区域421中具有0.55mol％的掺杂剂浓度423，并且锗浓度41在第二掺杂区域421中具有1.9mol％的浓度422。第二掺杂区域421中的隐藏掺杂剂浓度18是锗浓度422，该锗浓度422被选择成平衡在第二掺杂区域421中由移动掺杂剂9(氟)引起的折射率变化146。掺杂区域2中的隐藏掺杂剂浓度18与图38的光纤380相同。图43示出了在2050c下加热光纤420达14秒之后的氧化锗、氟、五氧化二磷和氯浓度51、52、53、54。图44示出了加热之前的第一折射率分布61和加热之后的第二折射率分布62。氟已从掺杂区域2、421扩散出并扩散到外芯381中。掺杂区域2、421的折射率12、444已分别上升到折射率443和441。外芯381的折射率11已下降到折射率442。加热之后折射率443与包层3的折射率13之间的差大约是加热之前芯1的折射率11与包层3的折射率13之间的差的两倍。图45示出了加热之前的基模110的光功率分布111和加热之后的基模110的光功率分布112。表7中给出了加热之前和之后的基模110的参数连同品质因数(fom)。基模110的有效模式面积已从265μm2减小到84μm2。有利地，与针对图38的光纤380的19秒相比，图42的光纤420在加热14秒之后提供基本上相同的基模面积减小。减少变换光学模式参数所需要的时间改善了光纤接头和其他光学器件的可靠性。参照示例6所讨论的优点适用于该示例。示例8图46示出了光纤460的掺杂剂浓度40，光纤460在设计上类似于图38的光纤380，除了光纤460的芯1和掺杂区域2彼此交叠。光纤460被设计成在加热时将芯1的折射率11与包层3的折射率13之间的差从0.0024增加到0.0042。如图46和表8中所示，芯1中的氧化锗浓度41和氟浓度42分别是5.25mol％和1mol％。包层3包括掺杂有五氧化二磷的内包层461，以及包含掺杂有氯的二氧化硅的合成二氧化硅的外包层3。五氧化二磷浓度43被选择成使得包层3的折射率13大致均匀。还选择五氧化二磷作为掺杂剂，因为认为它增加了氟的扩散系数16，从而减少了形成接头所需要的时间。表8：掺杂剂浓度图47示出了在2050c下加热光纤达9秒之后的氧化锗、氟、五氧化二磷和氯浓度51、52、53、54。图48示出了加热之前的折射率61和加热之后的第二折射率62。当掺杂区域2与芯1交叠时，芯1的折射率11与掺杂区域2的折射率12相同。氟已从掺杂区域2扩散出并扩散到包层3中。掺杂区域2的折射率12已上升。当芯1与掺杂区域2交叠时，芯1的折射率11也已上升。芯1的折射率11与包层3的折射率13之间的差在加热之后比在加热之前更高。图49示出了加热之前的基模110的光功率分布111和加热之后的基模110的光功率分布112。表9中给出了加热之前和之后的基模110的参数连同该设计的fom。有效模式面积的减小是由对光纤460的加热引起的芯1的折射率11与包层3的折射率13之间的差的增加造成的。有利地，折射率11的增加改善了光纤460的引导属性39。这可以通过计算40mm直径弯曲中的纯弯曲损耗来展示。针对一个环路计算的弯曲损耗减少了八个数量级，从0.1db/环路到每环路9x10-10db。表9：经计算的模场参数和品质因数再次参照图46，1mol％的氟浓度42显著高于产生图48中的第一折射率分布61所需要的氟浓度。表8示出了具有与光纤460相同的第一折射率分布61但没有氟掺杂剂的等效光纤的浓度。氧化锗浓度41降低至1.75mol％，这相对于在光纤460中使用的5.25mol％的浓度在浓度上降低1/3。芯1中的第一掺杂剂7的浓度17是1.75mol％。隐藏掺杂剂8的平衡浓度18是3.5mol％，这高达浓度17的2倍。移动掺杂剂9的浓度19是1mol％。光纤460的品质因数fom小于先前示例中的品质因数，并且类似于认为用现有技术可实现的最佳值。然而，标准光纤设计通常在加热时表现出弯曲灵敏度的增加，因为热膨胀芯由于第一掺杂剂的扩散而具有较低的数值孔径。加热时光纤460的弯曲灵敏度降低使得该光纤有利于制造需要热处理和低的微弯曲损耗的光学元件。用于泵浦端面泵浦激光器的馈通锥形光纤束可受益于光纤460的使用。上述示例中的光纤在芯1、掺杂区域2和包层3中具有基本均匀的掺杂。然而，可以使用微结构化光纤(诸如图50中所示的光纤500)来作出类似的设计。此处，掺杂区域2包括纵向延伸的结构503、504，其分别包括隐藏掺杂剂8和移动掺杂剂9。纵向延伸结构503、504可以具有范围1μm至25μm中的直径505。纵向延伸结构503、504可以具有范围1μm至50μm中的间隔。掺杂区域2的折射率12是掺杂区域2的横截面积上的平均折射率。微结构化光纤对于以使用化学气相沉积难以实现的浓度来纳入掺杂剂可能是有利的。芯1也可以是微结构化的。图1中所示的光纤10可以是图5的光纤50、图18的光纤180、图22的光纤220、图32的光纤320、图38的光纤380、图42的光纤420、图46的光纤460、或图50的光纤500。可以改变各示例的光纤的掺杂剂浓度和尺寸。还可以添加替换的和附加的掺杂剂，诸如氧化铝和稀土掺杂剂。光纤10的模态行为在工作波长36下定义。光纤10在加热之前可以是单模光纤，并且在加热之后可以是多模光纤。工作波长36可以在可见光谱或近红外光谱中。波长36可以在范围1000nm至1100nm、1300nm至1350nm、1500nm至1600nm、或1900nm至2500nm中。掺镱光纤激光器在波长范围1000nm至1100nm中工作。再次参照图1，光纤10可以使得加热增加模场直径115。光纤10在加热之前可以是单模光纤，并且在加热之后可以是多模光纤。替换地，光纤10在加热之前可以是多模光纤，并且在加热之后可以是支持更多导模的多模光纤。这种光纤将被描述为更加多模。高功率光纤激光器通常使用多模有源光纤作为增益介质，这些光纤激光器被配置成提供基本上基模输出。从光纤激光器的输出端的光纤10到多模递送光纤的低损耗和高模态纯度的受控耦合可以允许单模传播通过多模递送光纤。多模递送光纤一般具有比来自光纤激光器的输出光纤更大的芯直径。使用多模递送光纤来递送来自光纤激光器的单模输出可以减少或避免受激拉曼散射和其他非线性光学效应的影响。这对于大于1kw、2kw或10kw的功率电平尤其重要，并且对于具有大于10kw的峰值功率的脉冲式激光器更为重要。优点随着多模递送光纤的长度增加而增加，因为非线性光学行为的开始取决于功率和长度。加热之后的模场直径116可以是加热之前的模场直径115的至少1.5倍。光纤10可以使得在加热之前，掺杂区域2的折射率12等于包层3的折射率13。这使得能够将光纤10拼接到常规的阶跃折射率型光纤。光纤10可以使得在加热之前，掺杂区域2的折射率12大于包层3的折射率13。示例1中所描述的光纤22具有基座82。基座82是具有折射率86的包层，该折射率86大于外包层3的折射率13，但小于芯1的折射率11。一般而言，芯1可以抵靠基座82来进行波导。基座具有减少由于从有源光纤的芯泄漏的功率引起的脉冲式激光器的故障的优点，因为从芯泄漏到基座中的功率可以由基座引导并行进远离泵浦二极管。基座也被用于设计某些非光暗化光纤。光纤10可以使得在加热之前，掺杂区域2的折射率12小于包层3的折射率13。当拼接到具有凹陷的内包层的光纤(诸如所谓的“w-光纤”)时这是有利的。凹陷的包层光纤允许光纤中较大的模场直径，同时保持单模操作。芯1中的掺杂剂7可以是氧化锗。芯1还可包括五氧化二磷。掺杂剂7可以是五氧化二磷。掺杂区域2中的隐藏掺杂剂8可以是氧化锗。掺杂区域2还可包括五氧化二磷。隐藏掺杂剂8可以是五氧化二磷。具有浓度18的移动掺杂剂9可以是氟。掺杂区域2中的氟浓度18可以大于0.1mol％，优选地大于0.25mol％，并且更优选地大于0.5mol％。浓度18可以是至少1mol％。这种氟浓度水平在光纤中不常用。掺杂剂7可包括稀土掺杂剂。第一芯直径6可以在范围5μm至50μm中，优选地在范围10μm至30μm中，并且更优选地在范围10μm至25μm中。光纤10可以具有一个以上掺杂区域2，该掺杂区域2包括隐藏掺杂剂8和移动掺杂剂9。至少一个掺杂区域2可以在芯1中。至少一个掺杂区域2可以在芯1的外部。光纤10可包括基座181，诸如参照图18所示。光纤10可包括多个芯1，诸如参照图51所示的光纤510。掺杂区域2被示为在光纤510的中心与芯1交叠并延伸到各芯1之间的区域。对光纤510的加热可以引起各芯1中的不同芯之间的受控光学耦合。图52示出了图4的接头29用熔接器520制成。熔接器520具有两个电极521，其提供用于拼接光纤的等离子体523。等离子体523相对于光纤10移动的相对速度524可以改变，以便改变输入到接头29中的热能。替换地或附加地，可以在形成接头29时改变等离子体523的温度。以此方式，可以制造锥形31和包括光纤10的其他光学器件。也可以使用基于co2激光器、火焰或其他热源的熔接器。可以用于制造接头29的熔接器的示例是由美国佐治亚州(georgia)诺克罗斯(norcross)的fitel供应的型号s184。光纤10可以使得芯直径6在拼接过程期间增加。这使得光纤10能够被拼接到具有较大芯直径28的第二光纤22，如图所示。光纤10可以是图38的光纤380或图42的光纤420。替换地，光纤10可以使得直径6在拼接过程期间减小。这使得光纤10能够被拼接到直径28小于直径6的光纤。光纤10可以是图38的光纤380或图42的光纤420。图4的接头29可以在第一光纤10和第二光纤22之间形成，第一光纤10的芯直径6在拼接过程期间增加，第二光纤22的芯直径28在拼接过程期间减小。光纤10可以是图38的光纤380或图42的光纤420。光纤22可以是图38的光纤380或图42的光纤420。这使得光纤10能够被拼接到直径28大于直径6的光纤。附加地或替换地，可以形成更短的接头，这种接头更可靠，因为在两根光纤之间共享转变。附加地或替换地，移动掺杂剂9的较低浓度146可以被用于光纤10和光纤22。这使得光纤10和光纤22的制造更容易且更可靠。图4的接头29可以在第一光纤10和第二光纤22之间形成，第一光纤10的芯直径6在拼接过程期间增加。第二光纤22可以是微结构化光纤，诸如光子带隙光纤、kagome光纤、或空芯反共振光纤。后者的示例在图67中示出。空芯反共振光纤670包括包层674和附连到包层674的多个毛细管671。包层674和毛细管671可以由熔融二氧化硅或合成二氧化硅制成。毛细管671具有小于100纳米、并且优选地小于50纳米的壁厚672。光纤670的基模675主要在各毛细管671之间的空气区域中被引导。毛细管671可以彼此接触，或者可以彼此分开，如图67中所示。空芯反共振光纤670可以呈现进一步的特征(诸如嵌套的毛细管673)以进一步改善引导属性。这种光纤是有益的，因为它们具有低的光学非线性，并且由此适合于用于传输高功率激光辐射的光束递送系统。通过确保加热之后的光纤10的基模110与光纤670的基模675在空间上匹配，根据本发明来设计的第一光纤10可以有益于减少拼接损耗并减少接头处的反射。图53示出了接头530，其中光纤10使得在拼接过程期间芯1的折射率11与包层3的折射率13之间的差531沿接头530的长度532增加。芯直径6沿接头530保持基本均匀。光纤10可以是图46的光纤460。图54示出了光学器件540，其中光纤10的外直径543沿其长度542被锥化，以便形成锥形541。这种锥形可以在诸如参照图52所描述的熔接器中形成。有利地，光纤10可以使得芯1的折射率11与包层3的折射率13之间的差531沿着锥形541的长度542增加，以便改善光纤10的光学引导属性39。光纤10可以是图46的光纤460。图55示出了包括多根光纤10的信号组合器550，这些光纤10被并排排列、熔接、被锥化在一起、并被拼接到光纤551。信号组合器用于将来自多个激光器的激光辐射组合在一起，并在光纤或自由空间激光信号中输出激光辐射。光纤551优选地是多模光纤。光纤10可以具有芯1，芯1具有芯直径6，该芯直径6随着加热而增加以在接头29处提供更大的芯直径6。此类光纤的示例是图5的光纤50和图22的光纤220。在对光纤10锥化的同时增加芯直径6的尺寸可以改善由信号组合器550发射的经组合激光辐射的光束质量。替换地，光纤10可以具有芯1，其中芯1的折射率11与包层3的折射率13之间的差531随着加热而增加，如参照图53和54所描述的。此类光纤的示例是图38的光纤380、图42的光纤420、以及图46的光纤460。已发现，使用芯1的折射率11与包层3的折射率13之间的差531沿着锥形541的长度542增加的光纤可以减少信号组合器550中的拼接损耗，这可能是由于增加的差532所提供的增加的引导39。图56示出了信号馈通组合器560，其包括被拼接到光纤561的光纤10和多根光纤562。光纤561可以是掺稀土的放大光纤。光纤562可以是纯二氧化硅或大芯光纤。纯二氧化硅或大芯光纤可以被用于引导光泵浦辐射以泵浦激光器(诸如光纤激光器)。光纤10是用于引导诸如由光纤激光器发射的激光辐射的信号光纤。光纤10可以具有芯1，芯1具有芯直径6，该芯直径6随着加热而增加以在接头29处提供更大的芯直径6。此类光纤的示例是图5的光纤50和图22的光纤220。在对光纤10锥化的同时增加芯直径6的尺寸可以在拼接到更大直径的光纤时减少耦合损耗。替换地或附加地，光纤10可以具有芯1，该芯1具有随着加热而增加的数值孔径531。此类光纤的示例是图38的光纤380、图42的光纤420和图46的光纤460。信号馈通组合器通常由于信号光纤被锥化或弯曲而经历损耗。对于具有0.08或更小的数值孔径的信号光纤尤其如此。对于0.07或更小的数值孔径，问题变得更严重。已发现，使用数值孔径531至少是0.07并且数值孔径沿着锥形541的长度542增加的光纤可以减少信号馈通组合器560中的拼接损耗，这可能是由于增加的数值孔径531所提供的增加的引导。图57示出了用于对光辐射进行滤光的滤光器570。滤光器570包括区域571，其中光纤10的第一折射率分布6已通过加热而被修改。可以在诸如参照图52所描述的熔接器中执行该修改。芯直径6或数值孔径531中的至少一者可以通过受控加热来修改。区域571的长度573可以在范围100μm至2mm中。区域571的间隔572可以在范围100μm至5mm中。光纤10可以是各示例中所描述的那些光纤之一。滤光器570可以具有方位角对称的区域571，如图57中所示。替换地，区域571可以是方位角不对称的，如参照图58所示的光学器件580中所示。通过在诸如参照图52所描述的熔接器中施加热量时改变等离子体523和光纤10的相对位置，可以将不对称设计到光学器件580中。图59示出了包括光纤10的滤光器590，该光纤10具有两个芯1和至少部分地在这两个芯1之间的掺杂区域2。熔接器中的受控加热使得能够在掺杂区域2中产生区域571。区域571被配置成使得特定波长的光辐射可以被耦合在各芯1之间。这种滤光器590可以被用于受控移除由激光系统中的受激拉曼或布里渊散射引起的波长移位的光。图60示出了接头600，其中锥形31通过熔接器中对光纤10的不对称加热形成。锥形31具有第一区域601，其中移动掺杂剂9的扩散不同于第二区域602中的扩散。这种接头600可以被用于将基模耦合到光纤22中的一个或多个奇数光学模式。有利地，接头600可以被用于将激光辐射从具有在1至1.6之间的光束质量m2因数的基本上单模激光器转换成多模光纤的低阶模式。光纤22可以是多模光纤，并且在接头600中发起的模式可以得到具有在范围2到10中、优选地在范围2至7中、并且更优选地在范围2至4中的光束质量m2因数的激光辐射。用现有技术方法难以可靠且快速地实现这种耦合。图61示出了包括光纤10的光学器件610，其中在熔接器中形成的锥形31在光纤10的输出端615增加了芯直径6，其中激光辐射可以从该输出端615发射。光学器件610具有倾斜切面611以减少后向反射。倾斜切面可以用光纤切割器制成。膨胀芯直径6一般增加沿光纤10传播的激光辐射的模式直径，并且由此降低了切面损坏的风险。有利地，该设计避免使用在高功率激光束递送电缆中熔接到光纤的端盖。光纤10可以是参照图5至9所描述的光纤50。图62示出了包括光纤10的光学器件612，其中在熔接器中形成的锥形31减小了芯直径6。减小芯直径6一般减小沿光纤10传播的激光辐射的模场直径，并且由此增加从切面传播的光的发散度。以非常低的发散度来发射的激光辐射引起聚焦光学器件上的小光斑尺寸，以及增加的强度，并且增加了在高功率激光器输出端使用的处理光学器件中的热透镜效应、像差和光学损坏的风险。有利地，该设计降低了高功率激光束递送电缆中的这些风险，而大芯直径6可以减少或避免受激拉曼散射和其他非线性光学效应的影响。光纤10可以是参照图38至45所描述的光纤380或420。图63示出了包括光纤10的光学器件613，其中锥形31使模式110的光功率分布111在模式110沿光纤传播时变为光功率分布112。光纤10可以是光纤220，其折射率分布62可以通过如参照图26至31所描述地改变。光功率分布110可以是高斯分布。光功率分布112可以是分别如图29、30和31中所示的三角形、顶帽(即平顶)或环形。能够通过在高功率激光束递送电缆内加热光纤10来优化用于特定应用(例如切割或焊接)的光功率分布112是本发明的特别有利的方面。图61至63中所示的倾斜切口611可以由端盖代替。修改光功率分布110的能力对于优化聚焦在工件上或工件附近的激光辐射的光功率分布是有利的。由此，例如，可以通过在工件上或工件附近具有顶帽、环形光功率分布来优化切割过程。一般通过具有高斯或三角形光功率分布来优化金属的穿孔。图57、58、60和61的光纤10可以是图5的光纤50、图22的光纤220、图38的光纤380、图42的光纤420、以及图46的光纤460。光纤10的其他设计也是可能的。光纤10和图53至61的光学器件可以被用于各种激光器中。图64示出了端面泵浦光纤激光器620，其包括放大光纤621、在放大光纤621的任一端拼接的光纤622和623、输入光纤624、输出光纤625和光束递送光纤626。光纤布拉格光栅627、628位于放大光纤621的任一端，以形成激光腔629。光纤布拉格光栅627和628被示出在光纤622和623中。替换地，光纤布拉格光栅627可以在放大光纤621或输入光纤624中。光纤布拉格光栅627可以在放大光纤621或光纤625中。泵浦源630经由光纤631和信号馈通组合器632、633被耦合到放大光纤621中。信号馈通组合器632、633可以是参照图56所示的信号馈通组合器560。泵浦源630可以包括激光二极管，包括多个激光二极管的激光二极管模块、或激光二极管条。泵浦源630可以包括一个或多个光纤激光器。泵浦源630可以包括多个泵浦源634，这些泵浦源634的输出与泵组合器635组合在一起。泵浦源634可以是个体的激光二极管、各自包括多个激光二极管的激光二极管模块、激光二极管条、或光纤激光器。泵组合器635可以是关于图55所示的泵组合器550。放大光纤621优选地是双包层光纤，包括芯636、内包层637和外包层638。芯636可以掺杂有稀土掺杂剂639。如图所示，内包层637可以是圆形或非圆形。非圆形内包层有助于泵浦辐射从内包层637耦合到芯636中，并且因此有助于泵浦吸收。外包层638具有比内包层637的折射率更小的折射率，以便从泵浦源630引导泵浦辐射640。芯636具有芯直径641。放大光纤621可以具有基座645，该基座645具有大于内包层637的折射率并且小于芯1的折射率的折射率。放大光纤621可以具有掺杂区域2并且是图1的光纤10的示例。光纤622、621、623和626用接头642、643和644来拼接。图65示出了与图64的端面泵浦激光器620等效的侧面泵浦激光器650。复合放大光纤651包括在共同涂层653中的放大光纤621和泵浦光纤652。来自至少一个泵浦源630的泵浦辐射640经由光纤631被耦合到泵浦光纤652中。放大光纤621和泵浦光纤652沿其长度的至少一部分处于光学接触。泵浦光纤652可以在复合放大光纤651的制造期间从二氧化硅棒拉制。泵浦光纤652可以是如图所示的圆形，或者可以是非圆形的。非圆形泵浦光纤有利于增加沿泵浦光纤652引导的泵浦辐射640与放大光纤621之间的耦合。共同涂层653具有小于放大光纤621的折射率和泵浦光纤652的折射率两者的折射率。图66示出了具有主振荡器功率放大器形式的激光器660。由种子激光器661发射的激光辐射662由侧面泵浦复合放大光纤651放大，并经由光束递送光纤626输出。如参照图65所描述的，复合放大光纤651包括放大光纤621。类似于图64的端面泵浦主振荡器功率放大器配置也是可能的。参考参照图64至66所示的激光器620、650和660，光纤621、622、623、624、625和626中的至少一者可以是光纤10的示例。光纤622可以是光纤10的示例，其具有在被加热时增加的第一芯直径6。此类光纤的示例是图5的光纤50和图22的光纤220。加热之前的第一芯直径6可以在范围10μm至50μm中。放大光纤621可以是不具有掺杂区域2的掺稀土光纤，并且因此不是光纤10的示例。参照图4，放大光纤621可以具有芯直径28，该芯直径28比光纤622的第一芯直径6大至少5μm。参照图29至31，接头642可以以某一温度和时间用熔接器520制成，该接头实现了来自光纤622的期望的拼接损耗和输出功率分布112。由此，例如，假如期望发射放大光纤621的基模，则可能期望类似于图29的光功率分布112的光功率分布。假如期望发射低阶模式，则可能期望类似于图30的光功率分布112的光功率分布。放大光纤621可以是光纤10的示例，其具有在加热时减小的第一芯直径6。放大光纤621可以具有第一芯直径6，该第一芯直径6比光纤622的第一芯直径6大至少5μm。放大光纤621可以使得其第一芯直径6在被加热时减小，并且光纤622可以使得其第一芯直径6在被加热时增加。加热之前它们的第一芯直径6的差可以大于10μm。该差可以大于40μm。光纤623可以是光纤10的示例，其具有在加热时增加的第一芯直径6。光纤622和623在加热之前可以是单模光纤，并且在加热之后可以是多模光纤。图64中的光纤625以及图65和66中的光纤623可以是光纤10的示例，其具有在加热时增加的第一芯直径6。此类光纤的示例是图5的光纤50和图22的光纤220。加热之前的第一芯直径6可以在范围10μm至50μm中。在拼接过程期间可以施加热量，以使得接头644处的光功率分布112基本上是高斯分布，如图29中所示。光功率分布112可以基本上是顶帽，如图30中所示。光功率分布112可以基本上是环形模式，如图31中所示。接头642、643和644中的至少一者可以是不对称接头。参照图60描述了不对称接头。不对称接头可以有利地用于模式转换。例如，图66的激光器660中的接头642和644中的至少一者可以被用于将具有光束质量m2<1.6的单模输入转换为具有在2至6之间的光束质量m2的低阶模式输出。再次参照图64至66，光纤626可以用倾斜切口端接，诸如参照图61至63所描述的。具有随热量增加的第一芯直径6的倾斜切口可以消除对端盖的需要。光纤621、623、625和626中的至少一者可包括至少一个滤光器570、580或590，如参照图57至59所描述的。优选地，接头642、643和644是绝热的，以便减少拼接损耗并耦合到较高阶模式。参照附图和实施例描述的本发明可以以多种方式使用，包括光学模式变换器、光学模式转换器、光学模式加扰器、光波长滤光器、长周期光栅、光学信号组合器和耦合器、多芯光纤耦合器、以及输出光束递送电缆，所有这些都可以通过包括对光纤的受控加热的步骤的方法来制造。应当理解，以上参照附图所述的本发明的各实施例已经仅通过示例给出，可以提供修改及附加的步骤和组件来加强性能。附图中示出的个别组件不限于它们在附图中的用途，并且可以用在其他附图以及本发明的所有方面中。本发明扩展至单独或组合示出的上述特征。当前第1页12