專利名稱：精確形狀的芯式光纖及其制造方法
精確形狀的芯式光纖及其制造方法發(fā)明人Wolfgang Neuberger受讓人CeramOptec Industries Inc.
背景技術(shù)：
1. 35USC 119(e)下的本國優(yōu)先權(quán)本申請要求2009年5月27日由Wolfgang Neuberger提交的題為“具有鋒利邊緣的芯式光纖及其制造方法” (Sharp Edged Core Fibers and Method of Manufacture)的美國臨時申請系列號61/181623的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，所述臨時專利申請?jiān)诖艘秊閰⒖肌?br> 2.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及光學(xué)波導(dǎo)管、特別是玻璃光纖，其具有被較低折射率區(qū)包圍的非圓形高折射率區(qū)，其中兩種區(qū)域之間的邊界包含具有嚴(yán)格限定的小半徑邊緣的平坦區(qū)。3.發(fā)明公開內(nèi)容陳述光纖激光器通常是基于摻雜有激光激活的稀土離子的玻璃纖維。這些離子典型地在比激光器或放大器波長更短的波長處吸收泵浦光，這將它們激發(fā)到某些亞穩(wěn)能級中。這允許通過受激發(fā)射進(jìn)行光放大。這樣的光纖通常被稱為有源光纖。它們是具有特別高的放大效率的放大介質(zhì)，這種高放大效率主要得自于光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)的光限制。大多數(shù)激光纖維通過基于預(yù)制件的方法制造。目前的大多數(shù)包含預(yù)制件的結(jié)構(gòu)通過改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積(MCVD)、外部氣相沉積(OVD)、氣相軸向沉積(VAD)、等離子體激活化學(xué)氣相沉積 (PCVD)、等離子體外部沉積(POD)和納米粒子直接沉積(DND)方法來實(shí)現(xiàn)。在MCVD中，將氧氣、四氯化硅(SiCl4)和其他物質(zhì)例如四氯化鍺(GeCl4)的混合物通過從外部加熱至約1600°C的旋轉(zhuǎn)的二氧化硅玻璃管。氣體中的化學(xué)反應(yīng)形成二氧化硅細(xì)煙塵，其包被玻璃管靠近燃燒器的內(nèi)表面，并被燒結(jié)成透明玻璃層。燃燒器沿著管連續(xù)地前后移動。在過程快結(jié)束時，改變氣體混合物以形成具有更高折射率的層，即纖芯的前體。最后，通過將管加熱至約2000°C并將管的內(nèi)部抽空以便外部大氣壓將引起管坍塌，將管坍塌。 溶液摻雜方法存在一些缺點(diǎn)鹽類具有自身締合成化學(xué)結(jié)構(gòu)的傾向，因此容易在玻璃中形成高的局部濃度變化性。煙塵層的孔隙度以及隨后的摻雜物濃度也難以控制。使用溶液摻雜的MCVD是多步驟的重復(fù)的過程，產(chǎn)生2-10層摻雜芯。芯的層數(shù)少限制了摻雜和折射率情況的準(zhǔn)確性和靈活性。此外由于多步驟的過程而導(dǎo)致總處理時間相當(dāng)長，這使得光纖開發(fā)工作緩慢且昂貴。OVD是將二氧化硅煙塵沉積在一些靶桿、例如玻璃芯棒的表面上的方法。與材料前體例如SiCl4 —起，向燃燒器供應(yīng)燃料氣例如氫氣或甲烷，所述燃燒器也沿著旋轉(zhuǎn)桿移動。在沉積后，取出靶桿，并將預(yù)制件在熔爐中強(qiáng)化，在其中也用干燥氣體吹掃以降低羥基含量。大氣條件和所需的燃燒器類型產(chǎn)生相對高的溫度。因此，將通過這樣的技術(shù)包被的任何非圓形結(jié)構(gòu)將會變形，即邊緣將變得圓滑或者甚至整個結(jié)構(gòu)將變得再一次接近圓形。氣相軸向沉積(VAD)類似于0VD，但是使用改良的幾何構(gòu)型，其中沉積發(fā)生在靶桿的末端。將桿從燃燒器中連續(xù)拉出，并可以制造非常長的預(yù)制件。材料的強(qiáng)化可以在單獨(dú)的區(qū)域熔化過程中進(jìn)行。與OVD和MCVD的重要差異在于摻雜情況只由燃燒器的幾何構(gòu)型決定，而不由氣體混合物隨時間的變化決定。等離子體激活化學(xué)氣相沉積(PCVD)與MCVD類似使用管內(nèi)部的沉積，但是顯著的差異在于不發(fā)生內(nèi)壁上的煙塵沉積，并且電源和溫度也顯著不同。例如，Neuberger等的美國專利US 6，138，478公開了用于將二氧化硅/摻雜的二氧化硅均勻地等離子體化學(xué)氣相沉積在細(xì)長基材上以形成光纖預(yù)制件的裝置和方法。使用微波代替燃燒器來加熱沉積區(qū)。 最初的沉積緩慢，但是非常精確。此外，與一些其他技術(shù)相比，PCVD將產(chǎn)生透明玻璃層。不需要熱退火、燒結(jié)、玻璃化或類似的程序。由于PCVD程序在低壓和相對低的溫度水平下發(fā)生，摻雜濃度可以在大的值范圍內(nèi)變化。當(dāng)摻雜物是氟并且以純二氧化硅芯材作為基材時， 可以獲得與大多數(shù)其他技術(shù)相比更大的數(shù)值孔徑。用于多模光纖、特別是用于大芯徑光纖的預(yù)制件，通常使用等離子體外部沉積 (POD)來制造，其中使用等離子體焰炬來制造具有低折射率的外部摻氟層，其在后來形成光纖包層。然后可以用不含任何摻雜物的純二氧化硅制造芯。該程序在大氣壓下使用高溫。 因此非圓形基材可能變形。由 Tamela 等 ^t proceedings of SPIE Photonics West 2006, Vol. 6116-16(2006),集成光電子器件光學(xué)部件和材料IIiantegrated Optoelectronical Devices :0ptical Components and Materials III)中描^il^JDND，是基于氣態(tài)和霧化液體原材料在大氣氫氧焰中的燃燒的另一種方法?？焖俅銣缫约岸掏Ａ魰r間產(chǎn)生了狹窄的粒徑分布。DND燃燒器確保將材料正確供應(yīng)到火焰中。DND方法可以被描述成外部煙塵沉積的特殊形式，其中在二氧化硅沉積的同時將納米尺寸的摻雜物粒子插入到靶中。在玻璃形成和摻雜階段后進(jìn)行燒結(jié)，由此產(chǎn)生固體玻璃預(yù)制件。因此，這種方法是較早的OVD方法的改良的納米尺度方法。摻雜和玻璃形成在一個步驟中使用為此目的開發(fā)的DND燃燒器來進(jìn)行。在該過程中，將提高纖芯指數(shù)和激光激活的稀土元素進(jìn)料到直接進(jìn)入反應(yīng)區(qū)的液相中。使用SiCl4氣體鼓泡器作為光纖預(yù)制件的二氧化硅基料的來源。玻璃粒子當(dāng)它們在快速反應(yīng)中形成時被摻雜。在沉積階段后，將氧化鋁芯棒從生長的預(yù)制件中輕輕取出，并向其安裝操作管。然后將預(yù)制件插入到熔爐中，在那里第一個步驟是干燥和清潔。最后，將多孔玻璃燒結(jié)成實(shí)心透明芯預(yù)制件。典型的DND預(yù)制件直徑大并且相對短。這可以用于制造具有矩形或其他非圓形芯和包層的光纖、多芯光纖或耦合多波導(dǎo)管光纖。這種方法形成實(shí)心玻璃預(yù)制件所需的燒結(jié)階段，仍然需要極高溫度。在上面提到的程序中所確立的溫度，很可能超過1500°C。它們甚至可以高達(dá) 1700°C，因此接近于典型地用于纖芯材料的最佳選擇的(熔融)二氧化硅的熔化溫度。從預(yù)制件拉制光纖還提出了提供具有精確形狀的芯式纖維的問題，因?yàn)橥ǔＪ褂迷?900-2000°C的溫度下操作的高溫烤爐來拉制真正的光纖，盡管在拉制“烤爐”內(nèi)玻璃的實(shí)際溫度可能明顯較低。這在維持預(yù)制件的非圓形纖芯形狀并由此獲得具有精確設(shè)計(jì)的帶邊緣纖芯的光學(xué)波導(dǎo)管(或纖維)中，提出了問題。有源光纖、特別是例如光纖激光器的應(yīng)用，得益于非圓形泵浦芯(第一包層)，并需要泵浦芯與其包層之間的邊緣更加尖銳，以獲得更高的吸收效率。幾年來，已證明了具有非圓形能夠纖芯區(qū)的波導(dǎo)管、特別是玻璃光纖用于有源光纖的用途。由于它們的?；旌夏芰?，例如D形、正方形和八邊形形狀的芯幾何構(gòu)型在激光有源光纖中作為泵浦芯是有利的，或者對于平面波導(dǎo)管來說有利地在光束均勻化器件中作為擾模芯，以獲得所謂的平頂光束分布情況。這樣的波導(dǎo)管不是拉制的光纖。Hayes 等(“正方形芯空氣夾套包層光纖”(Square core jacketed air-clad fiber) ,2006 年 10 月 30 日 /Vol. 14，No. 22/0PTICS EXPRESS 10345)提出了二氧化硅微制造光纖技術(shù)，其中通過在多模、大芯徑光纖設(shè)計(jì)中包含微型空氣管來引導(dǎo)光。例如，可以使用空氣管的單一環(huán)在光學(xué)上分隔大纖芯，并從單一材料產(chǎn)生波導(dǎo)管。這些結(jié)構(gòu)典型被稱為空氣夾套包層(JAC)光纖。具有非圓形纖芯幾何構(gòu)型的JAC光纖可以被定制成特定的芯尺寸和NA技術(shù)要求，并且芯形狀中限定的銳利頂點(diǎn)可以在整個光纖拉制過程中得到保護(hù)。 他們報(bào)告了具有大的正方形芯的JAC光纖的制造，并顯示了在這種光纖中近場具有頂帽式 (top-hat)強(qiáng)度分布。正方形芯通過將兩種不同尺寸的許多圓形二氧化硅桿堆疊在一起來形成。從堆疊元件構(gòu)建芯區(qū)的優(yōu)點(diǎn)在于它在芯形狀和組成方面提供了大量設(shè)計(jì)靈活性。在Arnaud的美國專利4，106，847中，公開了一種光纖波導(dǎo)管，其中包層包圍著具有橢圓形纖芯的纖芯。因此，如果彎曲發(fā)生在一個優(yōu)選平面中的話，與具有圓形對稱剖面的光纖相比，這種光纖可能對彎曲損耗更不敏感。然而，橢圓形狀在例如它們的保偏行為方面受限。在例如焊接應(yīng)用中，具有較高對稱性的光纖得到較好的性能。對于一些應(yīng)用來說，保偏行為甚至可能是不利的，因此是不想要的。焊接是就是這樣的一種應(yīng)用。由于不維持偏振，正如在本發(fā)明中的具有較高對稱性的光纖(例如正方形或正八邊形光纖)能夠得到較好的性能。典型情況下，通過向有源光纖激光器芯高效傳送泵浦功率來增強(qiáng)用于光纖激光器的功率開發(fā)，在背景的這一方面選擇了 GriAb等的美國專利6，157，763、DiGiovani的美國專禾Ij 5，949，941、Hanna的美國專利5, 291,511以及Sandrock等最近的美國專利 6，959，022，這些專利提出了包層泵浦光纖，其包括含有活性材料的纖芯，置于活性纖芯周圍的通常被稱為泵浦芯的多模內(nèi)部包層，以及置于多模泵浦芯周圍的“第二”包層。在許多情況下，第二包層是當(dāng)拉制光纖時應(yīng)用的聚合物。內(nèi)部包層具有不同形狀例如矩形、D形、 六邊形或星形。如果使用第二包層，并且在所有情況下、特別是標(biāo)準(zhǔn)光纖拉制期間，所有這些形狀在預(yù)制件制造期間中都難以建立并維持精確邊緣。為了減少可能從偏振效應(yīng)產(chǎn)生的問題，Sandrock等指出，非圓形泵浦芯應(yīng)該在通過光纖中心的拉制平面附近具有一定對稱性。這種特點(diǎn)可以在下面描述的新發(fā)明中進(jìn)行操控。本發(fā)明為在非圓形、非橢圓形芯預(yù)制件和拉制光纖中獲得并維持邊緣的精確性的問題提供了解決方案，這對于各種應(yīng)用特異性要求來說是理想和需要的。本發(fā)明的目的和概述本發(fā)明的目的是提供預(yù)制件的制造方法，可以從所述預(yù)制件拉制具有明確限定的小半徑邊緣的非圓形、非橢圓形芯的光纖。本發(fā)明的另一個目的是提供具有明確限定的小半徑邊緣的非圓形芯的玻璃光纖。簡單來說，本發(fā)明提供了非圓形、非橢圓形芯光學(xué)預(yù)制件，其芯-包層界面邊緣具有能夠根據(jù)應(yīng)用的具體需要來準(zhǔn)確控制的銳度。對預(yù)制件設(shè)計(jì)和光纖制造進(jìn)行操控，以便在拉制的光纖中維持具有精確邊緣的纖芯。這為依賴于芯的非圓形結(jié)構(gòu)的光纖功能提供了顯著改進(jìn)。簡而言之，提供了具有帶有精確受控邊緣的非圓形波導(dǎo)區(qū)的光纖。通過使用利用了比常用現(xiàn)有技術(shù)更低的溫度的所選制造技術(shù)，并通過為芯和包層選擇具有適合粘度的適當(dāng)材料，在最終的光纖中精確維持了波導(dǎo)區(qū)邊緣的圓形。閱讀下面的描述并結(jié)合隨附的圖，本發(fā)明的上述和其他目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。附圖簡述

圖1顯示了具有圓形邊緣的正方形芯。D是兩個相對的平行表面之間的距離。R 是圓形邊緣的半徑。圖2顯示了具有圓形邊緣的六邊形芯。D是具有完全鋒利邊緣的正六邊形的邊長。 R是圓形邊緣的半徑。圖3顯示了具有圓形邊緣的八邊形芯。D是具有完全鋒利邊緣的正八邊形的邊長。 R是圓形邊緣的半徑。優(yōu)詵實(shí)施方案的詳細(xì)描述正如前面提到的，大多數(shù)激光纖維通過基于預(yù)制件的方法制造。目前的大多數(shù)包含預(yù)制件的結(jié)構(gòu)通過改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積(MCVD)、外部氣相沉積(OVD)、氣相軸向沉積 (VAD)來實(shí)現(xiàn)。最近，提出了納米粒子直接沉積(DND)方法。不太常見的預(yù)制件制造方法包括使用等離子體，如同在等離子體外部沉積(POD) 和等離子體激活化學(xué)氣相沉積(PCVD)方法中，其使用在真空條件下產(chǎn)生微波輻射的等離子體，在事先生產(chǎn)的純二氧化硅或摻雜的二氧化硅芯桿周圍沉積包層材料。在這些情況下，PCVD直接從氣相產(chǎn)生(氟化的)二氧化硅沉積。在PCVD中所需的溫度一般僅僅約為 1100°C，其明顯低于高質(zhì)量二氧化硅芯材料的玻璃化或構(gòu)型平衡溫度，并低于上面提到的現(xiàn)有技術(shù)程序使用的溫度。另一方面，與可選方法相比，每分鐘沉積速率可能明顯更低。為了起到低損耗透射介質(zhì)的作用，光纖需要包層，其必須具有比芯/包層界面處的芯材料更低的折射率(Ri)。使用純二氧化硅芯，這意味著用降低氏的摻雜物對用于包層的二氧化硅進(jìn)行摻雜。降低Ri的摻雜物主要是F或B ；它們也使摻雜的二氧化硅與純二氧化硅相比在任何給定溫度下具有較低粘度，即不用高應(yīng)力拉制光纖所需的較低軟化點(diǎn)。沉積的摻雜玻璃層與熔融二氧化硅芯相比，在每種溫度下粘度都更低。因此，在光纖拉制程序期間可以使用較低的溫度，在該溫度下包層材料以及纖芯材料變得可拉制，但是纖芯材料由于與包層材料相比略高的粘度而可變形性較低。通常，對于較厚的包層光纖來說，包層的外部原子層與芯類似是純二氧化硅，但是它們比內(nèi)部芯中的二氧化硅更快并且更完全地接觸外部溫度。然而，芯和包層材料的粘度不能相差過大。否則從這樣的預(yù)制件拉制的光纖將太脆，并甚至可能不能形成穩(wěn)定的光纖結(jié)構(gòu)。摻雜物的量影響包層的折射率，因此影響光纖的數(shù)值孔徑。在許多應(yīng)用中，數(shù)值孔徑是關(guān)鍵參數(shù)。由于氟降低折射率，因此將F = SiOjX 積在S^2表面上。當(dāng)沉積含氟層作為包層時，使用Ge = SiO2摻雜桿有可能獲得高數(shù)值孔徑 (NA)。鍺增加折射率，因此當(dāng)被SiO2包層或F = SiO2包層包圍時，Ge = SiO2的(中心)區(qū)形成波導(dǎo)管的芯。具有摻雜的纖芯和包層兩者的后一種組合允許所有二氧化硅光纖中的最大 NA,因?yàn)閮煞N材料具有更相似的熱膨脹( 粘度)，允許折射率差比使用純SW2作為纖芯材料時可能獲得的更大。純二氧化硅與摻雜二氧化硅相比具有非常低的熱膨脹參數(shù)。使用PCVD方法，由于等離子體導(dǎo)致少量包層分子包埋在纖芯中，產(chǎn)生了幫助從芯熱性質(zhì)過渡到包層熱性質(zhì)的界面區(qū)域這一事實(shí)，因此緩解了芯材料與包層材料之間的熱不匹配。另一方面，摻雜水平必須限于一定水平，因?yàn)楦叩膿诫s可能產(chǎn)生(微)晶體，其降低光纖的機(jī)械強(qiáng)度。目前，這將純二氧化硅芯、氟摻雜包層光纖限制到約NA ( 0. 30的值。正方形形式的光纖可用于高精密度工作，其中傳送環(huán)形光束只是一部分解決方案。正方形形式的光纖傳送正方形形式的光束在各種高功率應(yīng)用中是有吸引力的。例如， 在用于平板顯示器生產(chǎn)的導(dǎo)電薄膜的表面造型中，正方形光束形狀是非常需要的。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，常規(guī)技術(shù)利用復(fù)雜低效的光束成形方法轉(zhuǎn)變來自于傳送光纖/激光器系統(tǒng)的具有圓形光束的輸出。繞過這種附加的光束成形階段的一種方式，是使用自身具有所需光束剖面的傳送光纖。例如，聚合物包層具有正方形芯的光纖。除了聚合物包層光纖的數(shù)值孔徑限制之外，在光纖拉制期間還發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，其中由于軟化玻璃的表面張力，預(yù)制件和芯的外部形狀經(jīng)歷了一定程度的變圓。在使用或不使用掩膜的表面處理中，正方形形式的光束是有用的。在工件上直接形成激光的正方形圖像，容易執(zhí)行分步和重復(fù)制造。當(dāng)耦合來自二極管激光器的光時，正方形或矩形形狀也是有用的。由于二極管激光器輸出通常固有的矩形形式的形狀，正方形或矩形形式的纖芯將更有效地耦合光，因此減少了光纖包層和開口中的泄漏，用于減小纖芯尺寸。此外，由于當(dāng)沿著表面橫向移動時，正方形形式的光束與圓形光束相比對材料的處理更加均勻這一事實(shí)，因此正方形形式的光束能夠潛在地用于焊接和熱處理應(yīng)用。此外，由于與圓形光束剖面相比，使用正方形光束剖面需要更少的單一焊接點(diǎn)重疊，因此可以更快地進(jìn)行材料加工程序。此外，有利的是正方形形狀纖芯的?；旌夏芰Ξa(chǎn)生“平頂”強(qiáng)度分布， 與此相比，具有圓形芯的標(biāo)準(zhǔn)多模光纖產(chǎn)生高斯樣強(qiáng)度分布。因此，正方形形狀的焊接點(diǎn)重疊可以少于圓形點(diǎn)的所需重疊。在一些其他工業(yè)中，正方形形狀芯的光學(xué)波導(dǎo)管和光纖在需要時有利于幫助縮窄可以從其捕獲、鑒定和計(jì)數(shù)輸入光子能量的區(qū)域。這些領(lǐng)域包括光譜學(xué)和天文學(xué)的各個領(lǐng)域。最近，在光譜學(xué)和/或天文學(xué)應(yīng)用中使用具有正方形纖芯的光纖的工業(yè)，已發(fā)現(xiàn)優(yōu)選的不是具有鋒利邊緣的光纖，而是具有帶圓形角的正方形形狀纖芯的光纖。這通常是因?yàn)橛捎谠跇O平的表面處恒定地形成更多包層模而使最鋒利的邊緣傾向于具有少許更高的損耗。包層模損失，并且如果初始信號非常弱，在這種應(yīng)用中通向傳感器、檢測器的正常運(yùn)行將降低到達(dá)到光纖初始表面的臨界信號之下。另一方面，傳送中至高功率的工業(yè)，例如工業(yè)材料加工和其他高功率激光器應(yīng)用， 優(yōu)選具有鋒利邊緣芯的正方形形狀的光纖。在這里，具有均勻強(qiáng)度的平的非圓形芯的混合效應(yīng)和填充產(chǎn)生了理想的“頂帽式”輸出，其在這樣的應(yīng)用領(lǐng)域中是最有利和需要的。下面的實(shí)施例描述了對各種應(yīng)用有利的本發(fā)明的幾種實(shí)施方案。當(dāng)用于產(chǎn)生正方形形狀輸出的二極管激光器時，正方形芯光纖在輸出端提供了更高的耦合效率和非常均勻的功率分布。在激光應(yīng)用例如表面預(yù)處理中，由于較少的重疊，可以與使用圓形光束可能實(shí)現(xiàn)的相比更均勻的方式對材料進(jìn)行加工。圖1顯示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，其由具有帶4條邊的橫截面芯、優(yōu)選為正方形芯的玻璃光纖構(gòu)成，其中D被定義為結(jié)構(gòu)中具有完全尖銳邊緣的平面的邊長，R被定義為可用于描述邊緣的圓化的圓的半徑。容限R/d是指示邊緣的圓化的參數(shù)。Δ R是與給定纖芯中所有邊緣的圓化相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。盡管可能擔(dān)心低的沉積速率以及因此在顯著的沉積溫度下更長時間的暴露可能有損于可獲得的R/D和△ R/R值，但我們發(fā)現(xiàn)能夠獲得驚人好的值，并且可以根據(jù)具體應(yīng)用的需要，在新的PCVD中使用的低溫下控制邊緣的精確度。對于在高功率應(yīng)用例如焊接和標(biāo)印中以可靠和一致方式工作的光學(xué)波導(dǎo)管來說，發(fā)現(xiàn)這些值中的至少一個值小是理想的。在這種實(shí)施方案中，R/D比率低于10%，優(yōu)選低于1%。在第二個優(yōu)選實(shí)施方案中，玻璃光纖的芯是如圖2中所示的六邊形形狀，其中R/D 優(yōu)選低于40%。在這種實(shí)施方案的其他變化形式中，R/D低于20%，更優(yōu)選低于10%。在圖3所示的另一個優(yōu)選實(shí)施方案中，玻璃光纖的芯是八邊形形狀。同樣地，R/D 低于40%、優(yōu)選低于20%、更優(yōu)選低于10%。在另一個優(yōu)選實(shí)施方案中，玻璃光纖的芯是正方形形狀，并且R/D不低于10%，因?yàn)槭褂酶〉腞/D值將產(chǎn)生更強(qiáng)的?；旌喜⒐夤β蕪男咎崛〉桨鼘幽Ｖ?。鋒利邊緣導(dǎo)致形成包層模，其是芯外部或非常接近纖芯/包層界面的模。在中等至長的長度情況下，包層模一般被排除，因?yàn)闉楣饫w提供機(jī)械保護(hù)的夾套通常具有比包層材料更高的折射率。因此在天文學(xué)或光譜學(xué)的某些應(yīng)用中需要?；旌系遣荒苋萑坦β蕮p失或包層模的產(chǎn)生。功率損失應(yīng)該被最小化，因?yàn)橹荒塬@得低的輸入功率水平(例如從遙遠(yuǎn)的星體收集光)。過量的包層?；蝻@著包層模的連續(xù)產(chǎn)生不能被接受，因?yàn)樗鼈儗⒔档蛯?shí)驗(yàn)/儀器的分辨率。那些應(yīng)用將使用具有聚酰亞胺或丙烯酸酯夾套的光纖，由于那些包被材料的高折射率，這種光纖使包層模在被衰減掉之前傳播非常短的距離。因此，在信號(功率)低的應(yīng)用例如許多光譜學(xué)應(yīng)用或天文學(xué)跟蹤、探測遙遠(yuǎn)星體的應(yīng)用中，由于極端鋒利的邊緣引起的包層模的附加增加可能是不利的。即使在這些應(yīng)用中，精確的邊緣和沿著其側(cè)邊的均勻平直度是需要的。本發(fā)明的益處在于維持非圓形、非橢圓形邊緣的所選(所需)精確度的能力，以獲得理想的?；旌喜⑶以谛盘柲；旌蠒r不過多損失到形成的包層模中。在高功率應(yīng)用例如材料加工中，鋒利邊緣可能比避免包層模更重要。通常，使用硅酮或塑料硬質(zhì)包層作為包被材料是優(yōu)選的，因?yàn)槟切┎牧暇哂械偷恼凵渎?。因此，輻照被局限于光纖的玻璃結(jié)構(gòu)中，并且避免了在高功率水平下可能引起光纖損傷的泄漏。在另一個優(yōu)選實(shí)施方案中，玻璃光纖的芯由熔融二氧化硅制成。芯是其非圓形幾何構(gòu)型允許?；旌系亩嗄Ｐ尽７菆A形芯的二氧化硅光纖提供了良好的圖像置亂和低焦比衰退以改進(jìn)圖像加工。 當(dāng)使用提供矩形形狀輸出的二極管激光器時，光纖在輸出端提供了均勻的功率分布。正方形輸出光束減少了對光束造型光學(xué)元件的需要。在天文學(xué)中，使用傳送到光譜儀的光譜隨時間追蹤星體。因?yàn)榭臻g功率分布更加恒定，因此正方形光纖與圓形芯光纖相比提供了更穩(wěn)定的傳送方法。良好的圖像置亂是正方形芯光纖的特征，并且與其低焦比衰退(FRD)和在一起改進(jìn)圖像處理，使它們對于天文學(xué)應(yīng)用來說是理想的。在另一個優(yōu)選實(shí)施方案中，玻璃光纖是所謂的激光激活的雙包層光纖。這樣的光纖包含激光激活的芯，其由稀土摻雜玻璃制成，是圓形的，并且其直徑尺寸和數(shù)值孔徑允許單模操作。該激光激活的芯被所謂的泵浦芯包圍，其反過來被附加的/第二包層材料包圍。 泵浦芯具有比激光激活的芯更低的折射率和比第二包層更高的折射率。因此，泵浦芯起到激光激活芯的包層的作用。(低亮度)泵浦源的泵浦輻射被發(fā)射到泵浦芯中。根據(jù)這個實(shí)施方案，泵浦芯優(yōu)選為非圓形幾何構(gòu)型，因?yàn)檫@樣的形狀允許摻雜在激光激活纖芯中的稀土離子更有效的激發(fā)。 盡管已參考附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但應(yīng)該理解本發(fā)明不限于具體的實(shí)施方案，并且本技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員可以對其執(zhí)行修改而不背離在隨附的權(quán)利要求書中定義的本發(fā)明的范圍或精神。
權(quán)利要求
1.一種包含波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的器件，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有被較低折射率區(qū)包圍的至少一個高折射率區(qū)；其中所述高折射率區(qū)具有非圓形、非橢圓形的橫截面幾何構(gòu)型，所述幾何構(gòu)型具有精確限定的形狀和精確限定的邊緣；并且其中所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是光纖。
2.權(quán)利要求1的器件，其中所述光纖是由二氧化硅制成的玻璃光纖。
3.權(quán)利要求1的器件，其中所述高折射率區(qū)具有帶4條邊的橫截面，所述橫截面基本上是矩形，具有兩個邊長D1和D2，其中D1 < D2，并且相鄰邊之間的圓的半徑為R ；并且其中較短的邊長D1與邊緣的圓的半徑R具有RzD1 ( 10%的比率。
4.權(quán)利要求3的器件，其中所述比率RzD1<1%。
5.權(quán)利要求3的器件，其中所述高折射率區(qū)具有正方形橫截面，所述正方形橫截面邊長仏=D2 = D，并且相鄰邊之間的圓的半徑為R ；并且其中邊長D與邊緣的圓的半徑R具有R/D ( 10%的比率。
6.權(quán)利要求5的器件，其中所述比率R/D<1%。
7.權(quán)利要求1的器件，其中所述高折射率區(qū)具有正六邊形橫截面，所述正六邊形橫截面邊長為D，并且相鄰邊之間的圓的半徑為R ；并且其中邊長D與邊緣的圓的半徑R具有R/D ( 40%的比率。
8.權(quán)利要求7的器件，其中所述比率R/DS10%。
9.權(quán)利要求1的器件，其中所述高折射率區(qū)具有正八邊形橫截面，所述正八邊形橫截面邊長為D，并且相鄰邊之間的圓的半徑為R ；并且其中邊長D與邊緣的圓的半徑R具有R/D<40%的比率。
10.權(quán)利要求9的器件，其中所述比率R/DS10%。
11.一種光學(xué)預(yù)制件，其包含具有被較低折射率區(qū)包圍的至少一個高折射率區(qū)的結(jié)構(gòu)； 其中所述高折射率區(qū)具有非圓形、非橢圓形的橫截面幾何構(gòu)型，所述幾何構(gòu)型具有精確限定的形狀和精確限定的邊緣，并從預(yù)先選定的精確限定的形狀形成；并且所述預(yù)制件可以被拉成權(quán)利要求1的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
12.權(quán)利要求11的光學(xué)預(yù)制件，其非圓形、非橢圓形的橫截面幾何構(gòu)型是選自正方形、 矩形、正六邊形和正八邊形的精確限定的形狀。
13.權(quán)利要求1的器件，其中所述低折射區(qū)被折射率不同的另一個區(qū)域包圍，并且其中所述光纖是激光激活的雙包層光纖；其中所述非圓形、非橢圓形的高折射率區(qū)包圍著具有甚至更高折射率的區(qū)域，所述更高折射率的區(qū)域基本上是圓形的并摻雜有稀土離子以允許激光作用；并且其中光輻射被發(fā)射到所述非圓形區(qū)域中，并用于激發(fā)所述稀土離子，其中所述器件起到光纖激光器至光纖放大器的作用。
14.權(quán)利要求11中限定的光學(xué)預(yù)制件的生產(chǎn)方法，其中使用明顯低于非圓形芯材料的熔化溫度的溫度從所述光學(xué)預(yù)制件拉制權(quán)利要求1至10任一項(xiàng)的光纖。
15.權(quán)利要求14的預(yù)制件的生產(chǎn)方法，其中所述非圓形、非橢圓形的芯材料的粘度高于周圍材料的粘度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種非圓形芯式光學(xué)預(yù)制件，其芯-包層界面邊緣具有能夠根據(jù)應(yīng)用的具體需要準(zhǔn)確控制的銳度。對預(yù)制件設(shè)計(jì)和光纖制造進(jìn)行操控，以便在拉制的光纖中維持具有精確邊緣的纖芯。這為依賴于芯的非圓形結(jié)構(gòu)的光纖功能提供了顯著改進(jìn)。簡而言之，提供了具有帶有精確受控邊緣的非圓形波導(dǎo)區(qū)的光纖。通過使用利用了比常用現(xiàn)有技術(shù)更低的溫度的所選制造技術(shù)，并通過為芯和包層選擇具有適合粘度的適當(dāng)材料，在最終的光纖中精確維持了波導(dǎo)區(qū)邊緣的圓形。
文檔編號G02B6/028GK102576123SQ201080023216
公開日2012年7月11日 申請日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
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