单模光纤及其应用制造技术

用于传输光辐射的粗芯光子晶体光纤具有芯，芯由基本上透明的芯材料制成，芯直径至少为５μｍ。光纤还包括包围芯材料长度的包层区，其中包层区包括具有第一折射率的第一基本上透明的包层材料，而且所述第一基本上透明的包层材料沿着它的长度上掩埋基本上呈周期阵列的孔，孔中填充第二包层材料，该材料具有小于第一折射率的第二折射率，以便输入到光纤中的辐射以单模传播方式沿着芯材料长度方向传输。在最佳实施例中，第一基本上透明的包层材料的折射率可以不低于芯折射率。在最佳实施例中，芯直径至少可以是２０μｍ，而且可以大至５０μｍ。该光纤能够比传统光纤传输更高功率的光辐射，同时保持以单模方式传输。芯材料可以掺杂在输入到光纤中的泵浦光辐射作用下能够进行放大的材料。本发明专利技术还涉及包括掺杂粗芯光子晶体光纤的光纤放大器和光纤激光器。该光纤还用于传输光辐射的系统中，该系统包括多个一定长度的粗芯光子晶体光纤，这些光纤被粗芯光子晶体光纤放大器分开，以便通过系统传输的光辐射功率保持在预定功率之上。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及单模光纤，该单模光纤可以用于以实质上比使用传统方法可以达到的功率更高的功率传输光辐射。该光纤在高功率下受非线性影响和光学损坏的程度与传统光纤不同样。特别是，该光纤可以用作单模波导、用于单模光纤激光器或者单模光纤放大器中。光纤广泛用于从一点向另一点传输光，而且可以用于通信、成象和传感。传统上，典型光纤是长股透明材料，沿着它的长度上是均匀的，但是折射率沿着截面变化。例如，高折射率的中心区被低折射率的包层区包围。这样的光纤可以由熔融二氧化硅制成，纯二氧化硅包层包围芯，所述芯由故意加入杂质的二氧化硅制成，以便提高折射率。通过在芯和包层之间的界面上发生的全内反射过程，光被限制在芯内或附近。通常，这种类型的光纤可以支持限制在芯内的一个以上的传播模式(即多模光纤)，这些模式沿着光纤以不同的相速度传播。然而，如果芯制成足够小，那么将只有一个传播模式基模限制在芯内(即单模光纤)。也就是说，当光纤的发射端的条件变化时，和当光纤本身经受干扰例如横向压力或者弯曲时，从光纤出射的光分布不变。通常，设计成传播波长为1500nm的单模光的光纤芯可能具有百分之几的锗掺杂剂，芯直径为9μm。最近，已经研究出一种光子晶体光纤(PCF)，该光纤包括由透明材料制成的包层，在包层中沿着光纤长度上掩埋有孔阵列。这些孔横向排列成周期性阵列，并填充折射率比包层区部分低的材料，该光纤的芯包括打断包层周期性的透明区。通常，芯和包层都由纯熔融二氧化硅制成，而且孔中填充空气。芯直径大约为5μm，整个光纤的平面-平面宽度大约为40μm，孔间距大约为2-3μm。如果光纤中空气孔的直径是孔之间距离或间距的足够小的一部分，光纤芯以单模方式传播光。在远距离通信、激光功率传输和许多传感器应用领域中单模光纤优于多模光纤，这是由于如下事实，即被光纤运载的光信号只以一种模式传播，从而避免了多模光纤遇到的模间色散问题。而且，在给定波长保证单模光纤上的光强度分布单调、平滑、已知而且不变化。这与光怎样入射到光纤及光纤的任何干扰无关(例如随时间变化)。在许多应用中最好光纤运载尽可能多的光功率，因为例如任何光纤都不可避免地衰减通过它的光。例如，对于给定的传感器灵敏度，可以通过增加输入到光纤的光辐射功率增加通信链路的长度。作为另一个例子，如果通过光纤而不是使用传统的光学系统传播光，在工业应用中有许多高功率激光器系统可以更简单地制造。然而，已知光纤在给定时间内运载的光量是有限的。在传统光纤中，包括被低折射率包层区包围的芯区，如果光纤中的光强度超过阈值，制成光纤的材料将最终不可恢复地损坏。在低强度时，可能出现许多与强度有关的非线性光学过程，虽然这些过程不损坏光纤，然而可能降低甚至破坏光信号。这些问题可以通过增加光纤芯的尺寸减轻，对于给定的功率，这样可以降低芯中的光强度，从而允许在达到非线性过程的阈值之前运载较大功率。然而，如果只增加芯直径，光纤将变成多模。这可以通过降低芯与包层之间的折射率差补偿。然而，最终将变得难以控制芯中掺杂的均匀性。而且，折射率差较小的光纤在弯曲时容易损失光。因此，为了增加单模光纤的功率容量而增加芯尺寸的程度受到限制。一些非线性影响由于芯中存在掺杂剂而加重，这样使得材料更容易受这些影响。在高功率时，掺杂光纤更容易不可恢复地损坏。掺杂剂也使得光纤更容易被离子辐射损坏，这在核工业中是一个问题。这一问题已经通过用纯二氧化硅以外的材料制造芯解决。通过在包层中加入掺杂剂降低它的折射率，来保持全内反射，因为包层中传播的光比芯中少，因此可以传播较高功率。然而，这受到部分光在掺杂包层中传播这一事实的限制。此外，在传统光纤中，有效地高功率激光耦合到光纤中成为问题，因为需要把光聚焦在小点上，因此光纤端面上的强度比较粗芯时的大。光纤端面上或附近的光损坏有时会限制可以发射到光纤中的光辐射功率。传统单模光纤中已经达到的最大连续波(cw)功率只有大约15W。本专利技术克服利用传统光纤传输高功率光辐射同时保持单模特性两者不相容的问题。特别是，光纤可以用作从一点到另一点传播光辐射的波导，或者可以用于光纤放大器或光纤激光器中。该光纤能够支持最大功率在100W-2kW范围内的光辐射单模传播。而且，如果芯不掺杂，与传统(掺杂)光纤相比该光纤在高强度下不容易不可恢复地损坏。光纤中的非线性光学过程的影响被降低，因此从光纤输出的高功率信号不被降低。该光纤还有一个优点，即高功率光辐射可以有效地耦合到光纤中，而不需要聚焦成小尺寸光束点。根据本专利技术的一个方面，用于传输光辐射的光纤包括由基本上透明的芯材料制成的芯，芯折射率为n，长度为l，芯直径至少为5μm，和包围芯材料长度的包层区，其中包层区包括具有第一折射率的第一基本上透明的包层材料，而且所述第一基本上透明的包层材料沿着它的长度上嵌有基本上呈周期阵列的孔，所述孔具有小于第一折射率的第二折射率。以便输入到光纤中的光辐射以单模传播方式沿着芯材料长度方向传输。如果孔的直径为d，而且分离距离为Λ，对于基本上固定的d/Λ比值，光纤对于任何间距值Λ可以是与输入光辐射波长无关的单模模式。因此，本专利技术提供如下优点，即与利用传统光纤可以实现的扩展波长范围相比，对于该范围内的任何波长，光纤可以制成单模。这是因为对于扩展波长范围内的任何波长，对于固定d/Λ比值光纤保持为单模。最好，第一基本上透明的包层材料的折射率可以不低于芯折射率。在最佳实施例中，芯直径至少可以是10μm。在另一个最佳实施例中，芯直径至少可以是20μm。在本专利技术的一个实施例中，至少可以缺少阵列中的一个孔使得它形成光纤的芯。孔可以设置成大体上呈六角形图案。孔可以是真空区或者可以填充第二包层材料。例如，第二包层材料可以是任何基本上透明的材料，可以是空气或其他气体(例如氢气或者烃)，可以是液体(例如水、任何其他水溶液或者染料溶液)，或者可以是固体(例如折射率与第一包层材料不同的玻璃材料)。第一基本上透明的包层材料可以具有基本上均匀的第一折射率，而芯材料具有基本上均匀的芯折射率。芯材料和第一基本上透明的包层材料可以是同一种材料。例如，至少芯材料和第一基本上透明的包层材料之一可以是二氧化硅。最好，孔直径不小于光纤中将传播的光的波长。在本专利技术的一个实施例中，基本上透明的芯材料可以包括掺杂材料，例如诸如铒的稀土离子。根据本专利技术的第二方面，用于放大信号光辐射的光纤放大器包括这里所述的一定长度的光纤，用于接收选择波长的信号光辐射并沿着它的长度方向传输所述信号光辐射，其中芯材料至少沿着它的部分长度包括掺杂材料，光辐射源，用于发射不同的选择波长的泵浦光，以便输入到所述长度的光纤中，使得在泵浦光辐射作用下所述部分的掺杂芯材料放大信号光辐射，以及波长选择发射装置，用于选择发射泵浦光辐射进入所述长度的光纤，和用于从光纤放大器中选择输出放大的信号光辐射。例如，波长选择发射装置可以包括输入透镜和输出透镜，用于聚焦光辐射的；和二向色镜，用于选择反射泵浦光辐射进入光纤，和用于选择发射光纤放大器输出的放大的输入光辐射。或者，波长选择发射装置包括响应与波长相关的光纤定向耦合器。掺杂材料可以包括稀土离子，例如铒离子。根据本专利技术的另一个方面，用于输出激光辐射的光纤激光器包括这里所述的一定长度的光纤，用于沿着它的长度方向选择传输具有选择本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于传输光辐射的光纤，包括： 由基本上透明的芯材料制成的芯，芯折射率为ｎ，长度为ｌ，芯直径至少为５μｍ，和 包围芯材料长度的包层区，其中包层区包括具有第一折射率的第一基本上透明的包层材料，而且其中第一基本上透明的包层材料沿着它的长度上掩埋有基本上呈周期阵列的孔，所述孔具有小于第一折射率的第二折射率， 使得输入到光纤中的光辐射以单模传播方式沿着芯材料长度方向传输。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：TA比尔克斯，JC奈特，P圣约翰拉瑟尔，
申请(专利权)人：秦内蒂克有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]