[发明专利]高数值孔径光纤

说明书

发明背景

技术领域

本发明主要涉及高数值孔径光纤，包括用于短程通信系统的具有高数值孔径大纤芯的光纤，或者在带有高功率光源的情况下使用或用在光纤激光器和光放大器中的双包层光纤中具有大数值孔径包层的光纤。

技术背景

由于光纤容量大、不受电噪声的影响的特点，它已经成为通信中最受欢迎的介质。光纤也已经在汽车用品中使用，因为光纤能提供高带宽并且价格相对便宜，能够使用在汽车光学数据系统中为信息系统、娱乐、发动机管理和安全系统提供光学数据。在这些情况下使用的光纤要求有高数值孔径和粗纤芯，以便将光有效地耦合进光纤。目前有两种光纤在汽车用品中使用。分别是聚合物光纤(POF)和聚合物包层硅(PCS)光纤。正是聚合物的折射率相对较低才造就了大纤芯的数值孔径。聚合物光纤的主要缺点在于其对于感兴趣波段的光有较高的衰减(对630nm＜λ＜650nm，衰减达0.3dB/m到0.4dB/m)，并且操作温度范围较窄(-45℃到80℃)。对于诸如在安全传感系统、发动机管理系统等应用来说，比较适宜采用有较大操作温度范围的光纤，而在诸如视频处理系统等应用中，需要光纤有更好的衰减。与POF光纤相比，PSC光纤能够在较宽的温度范围(-65℃到125℃)内操作并且有相对较低的衰减。然而，在较高的温度上，光纤的PCS温度很高，外包层表面的聚合物材料会碳化或者点燃，从而导致设备故障，尤其是在光纤弯曲时。即使是温度在85℃到125℃之间，聚合物包层老化相对较快，丧失其机械和光学特性，变得十分易碎，因而缩短了设备寿命。还有一点就是这两种光纤都容易受弯曲损耗的影响。

单包层稀土掺杂光纤在光放大器和光纤激光器领域广泛使用。由于很难有效的将高功率光(灯)源(本发明中也称作光泵浦或泵浦)发出的多模光耦合进稀土掺杂光纤纤芯，这种类型的光纤处理高功率多模光源的能力较差。

为了解决上述问题并且增加光纤激光器的输出功率，本领域技术人员采用双包层结构(本发明称作双包层光纤)的光纤。双包层稀土掺杂光纤是指有纤芯、包裹该纤芯的内包层和包裹该内包层的外包层的光纤。

双包层光纤已经应用在需要采用能提供10到100瓦功率光源的应用中，因为与单包层光纤相比，双包层光纤能够更有效地保持和利用泵浦提供的光能量。这种效率的提高是因为光纤利用了光泵浦功率的内包层-纤芯耦合。更具体地说，稀土掺杂双包层光纤将来自泵浦的光接收到内包层中，然后沿着光纤的长度通过纤芯-内包层界面将光传输到稀土掺杂纤芯中去。这样，通过将光耦合到稀土掺杂纤芯中去，这种光纤可以将通过内包层传输的大部分多模光转化为在较长波长上的单模输出。

双包层光纤的内包层比外包层具有更高的折射率，因此泵浦能量被限制在内包层中并且被重新定向引入纤芯中。由于在纤芯中掺杂稀土，该光纤具有旋光性，当该光纤被强光泵浦源泵浦时能够被激发到高电场能级。包层泵浦能够在光纤放大器中使用，或者被用来制造高功率单模光纤泵浦激光器。

在双包层激光器中，光纤的外包层将光泵浦源所提供的泵浦光限制在光纤多模内包层中。光纤纤芯小得多的横截面区域通常至少掺杂一种稀土元素，比如钕或镱，以便在单模输出信号中提供振荡能力。双包层结构便于对光纤进行泵浦，使用第一多模包层接收并沿着设备的长度将泵浦能量传输到纤芯中去。

泵浦光耦合进双包层光纤的内包层中去的数量取决于包层的大小和数值孔径NA。通常，希望内包层的数值孔径大，这与内外包层的折射率之差有关。在众所周知的设计中，第一包层(内包层)是由玻璃材料制成而第二包层(外包层)由折射率较低的塑料(例如氟化聚合物)制成，以便提高内包层数值孔径NA。对于许多的应用而言，这种塑料并不具有理想的热稳定性，会从第一包层脱落，容易受到潮气的破坏。此外，这类双包层光纤仅仅适合用在相对较低的光源功率(低于20瓦)下持续使用。当利用高功率的光源(高于100瓦)时，这类光纤温度升高，外包层的聚合物材料方式碳化或者点燃，从而导致设备故障，尤其是在光纤弯曲时。在中等功率(20瓦到100瓦之间)时，聚合物外包层老化得较快，丧失其机械和光学特性，变得十分易碎，因而缩短了设备寿命。

发明内容