包层泵浦光纤增益器件制造技术

本发明专利技术涉及光纤增益器件，诸如，激光器和放大器，其中由于位于输入段和输出段之间的大阶跃过渡而产生的损耗被减小，这是通过在所述输入段和增益段之间插入以绝热变换器来实现。在优选的情形中，所述绝热变换器包括一梯度折射率透镜。该透镜充当一绝热光束扩展器（收缩器）来可控地增加（减小）在光束传播通过所述阶跃过渡时的模场。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有改进后的高增益性能的光纤增益器件。更具体地说，本专利技术涉及包层泵浦激光器和放大器。
技术介绍
利用搀杂了稀土的增益段(gain section)的光纤激光器和放大器被广泛用在光波通信系统中。一种实施这些器件的优选方法是将泵浦能引入到包层中。泵浦能可以在与信号相同的方向上或者相反的方向上传播。在一个尤其有效的实施方式中，多路泵浦光纤束捆围绕在承载信号模或者基频激光模(fundamental laser mode)的光纤周围，并且被连接到所述信号光纤的包层上。这里所称的“主光纤”含义是在光纤放大器中和/或在激光纤维中的激光模中承载信号的光纤。多模泵浦光被引入到所述多路泵浦光纤中并耦合到主光纤的包层上。另外，泵浦纤维和信号纤维可以沿着其长度被包含在一个共同的包层内，能容许“侧泵浦”。其它复用方法可以被使用，但是，在每种复用法中，“主光纤”承载着信号模或激光模。一增益段被设置以容许泵浦能被耦合到主光纤的包层中，从而放大或提供能量给位于主光纤芯中的传播模。对于激光器和放大器有用的包层泵浦光纤结构在US5418880，5937134，以及5966491中有更加详细的描述，这些文献在此引入作为参考。用于将多根泵浦纤维束捆和连接到一根主光纤上的工艺在美国专利US5864644中公开和要求保护，该文献也在此引入作为参考。该工艺包括将多根泵浦纤维围绕着主光纤设置并将它们熔合在一起。在一种优选的情形中，熔合后的光纤束被牵伸使得熔合后的光纤束的直径大体等于主光纤的直径。然而，这种方法也带来了没想到的结果，即，主光纤的芯大大地减小了。因此，正如上文所述，泵浦组合器段通常联接到一具有更大芯直径的增益段。在增益段中的更大芯直径对于增强芯与包层的面积比很有用，对于最大化给定长度的增益段上光能传输很有用。便利地是，对于在增益段中设置更大的芯直径有其它的好处。在非常高功率的器件中，增益段，有时也被称作激活区，具有一高的光能密度。如果该能量密度太高，将会对所述结构产生损害，或者产生非线性损害。在现有技术增益器件中的增益段用非常大的芯支撑，使得高的总能级可以被使用同时保持在容许能量密度范围内。然而，将在增益段中使用大的芯和在泵浦组合器段中使用减小的芯，会导致在被放大的信号(或基频激光模)被从泵浦组合器段传递到增益段时产生突变台阶。在该台阶传递光束可能会产生很大的损失。
技术实现思路
根据本专利技术，通过在光纤增益器件的输入段和增益段之间插入一绝热变换器，从而减小了由于在所述输入段如泵浦组合器段与增益段之间由于阶跃过渡而产生的损耗。在优选的情形中，所述绝热变换器包括一梯度折射率光纤透镜。该透镜充当一绝热光束扩展器来可控地增加在光束传播进入到所述增益段中时的模场。泵浦能可以在与信号相同或相反的方向上传播，本专利技术在两种情形中都适用。当模变换器在相反的方向上工作时，就象反向泵浦的情形，其作为一绝热光束集中器工作。附图说明通过参照附图，本专利技术将获得更好的理解，其中图1示意地示出了一个多纤维泵浦组合器段；图2示意地示出了一典型的信号输入光纤、一典型泵浦组合器段的输出、以及一典型增益段的输入的相关芯直径，该示意图示出了在芯直径和模场中的不一致；图3为一泵浦组合器段的视图，该泵浦组合器通过一根据本专利技术的梯度折射率透镜元件(GRIN lens element)而耦合到一增益段上；图4示意地示出了在图3中示出的三个元件中的模场图； 图5示意地示出了在一典型四分之一pitch长度的平方律介质的模场；图6和7为泵浦组合器的另外两个备选类型。具体实施例方式参照附图1，标号11标识的是一种已有的泵浦组合器段(pumpcombiner section)。这种泵浦组合器在美国专利US5864644中详细公开，该文献在这里引入作为参考。多个多模泵浦光纤13，这里为6根，以如图所示圆型结构形成一束。标号15所标识的是承载着要被放大的信号的光纤，或者在激光装置情形中带有主动激光谐振器的光纤。在本专利技术说明书的各部分中，激活光波导，不论是对于激光器还是放大器，将都被称作信号光纤。整个光纤束被熔合在一起并被牵伸，从而形成由标号16标识的组合段。在这个附图中，由于牵伸所造成的变细大约为1/3，信号纤维的芯变细了大约1/3。该泵浦组合器段被接合到一由标号17标识的增益段上。图2示出当光从光纤15输入，经过由泵浦组合器11产生的变细段16，然后进入增益段17进行传递时，在光通路上有严重的不连续性。在图2中，只有相应元件的芯18、19和20被示出。按照先前给出的例子，在输入端15的芯直径18为标准的单模芯直径，例如大约为99微米。这个芯在泵浦组合器(芯19)减小到3微米。增益段的芯20被作的很大以防止受到过大功率密度的损害，该芯20大约为50微米。很显然，从泵浦组合器段16的芯19出来并发射进入到增益段的芯20中的光束经历了一次严重的阶跃扩展(step expansion)。同样很显然，这样一个大的阶跃能使得在光束中光能的很大部分被耦合到高阶模中，并最终降级为所需的放大率。为了减小位于泵浦组合器段和增益段之间不连续性的严重程度，在这些元件之间插入一绝热变换器。绝热变换器是一种变换模场直径而没有显著功率损失的元件。实现这种功能的优选元件是一梯度折射率透镜。合适的梯度折射率透镜元件在美国专利US4701011中有公开，其中梯度折射率透镜元件被用作位于光纤之间的一简单低损耗耦合器。该专利文献这里被引入作为参考当作对梯度折射率透镜元件的描述。梯度折射率透镜的一个特征在于其折射率从透镜的中心径向地呈抛物线单值梯度。在一个典型实施例中，梯度折射率透镜具有圆柱形状，其折射率从圆柱的中心轴线到透镜的外表面呈抛物线梯度。图3示出了上文描述的这种结构。标号21标识泵浦组合器段，标号23标识信号纤维，标号26标识梯度折射率透镜，以及标号28标识增益段的输入部分。为了清楚起见，三个元件以分离状态示出。当组装成最后的器件时，这些元件被熔合到一起或接合到一起，采用标准的光纤熔合连接技术。在所述优选的情形中，元件26是一段具有与元件21和28相同包层外部直径的光纤。图4示出在耦合起来的各段21、26和28上传播的光束的模图样。标号31所示的是从泵浦组合器段出来的减小了面积的光束。当耦合到梯度折射率透镜元件26上时，模场如图所示可控制地扩展。梯度折射率透镜的长度的选择使得透镜的输出端，即，界面33，产生在光束斑尺寸和光束相位曲率大体上与增益段28的相应特性匹配。这样能够使得光束进入增益段具有一适当扩展和准直的模场34，并且基本上没有介入损耗。梯度折射率透镜可以包括一段具有单值抛物线折射率梯度的光纤。也可以由一段具有该特性的塑料或其它透明体。非常适合于用于本专利技术的梯度折射率光纤包括所谓的平方律介质(square lawmedium)。在平方律介质中折射率的径向相关性为n(r)＝n00.5其中，n0为在光轴上的折射率，g为由下述公式给出的聚焦参数g＝(2Δ)0.5/a其中Δ(＝/n(a))为在中心芯(n0)和包层之间折射率差(表示成分数)，a为芯的半径。在元件26中的高斯光束特性的其它细节由Kishimoto et al等在1982年6月版的IEEE Trans.MicrowaveTheory Tech本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光增益器件，包括：　　　　ａ．一绝热变换器段，其耦合到：　　　　ｂ．一光纤增益段，以及　　　　ｃ．用于对增益段进行光泵浦的装置。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴维J迪乔瓦尼，安德鲁D亚布隆，
申请(专利权)人：古河电子北美公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]