[发明专利]封装的光纤部件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤部件，尤其是光纤部件的封装。本发明还涉及制造光纤部件的方法。本发明尤其适用于防止高功率激光部件出现故障。

背景技术

目前，光纤激光器和光纤放大器可在高功率水平、如从几百瓦特到几千瓦特范围的光功率下工作。这种激光源具有许多工业应用，例如各种材料的标记、切割和焊接。高功率光纤激光器和放大器具有能使其相对于环境因素保持稳定的全石英结构。相比于工业中采用的其它类型的激光器，高功率光纤激光器和放大器只需要极少的维护服务。

光纤激光器的光学谐振腔一般由诸如增益光纤、光纤布拉格光栅和泵浦耦合器这样的部件构成，它们拼接起来形成该谐振腔。虽然该腔通常构造为全玻璃的，这意味着谐振腔里的激光信号辐射一直被限制在石英玻璃里，然而也会出现一些辐射从玻璃部件中泄漏到自由空间里的情形。例如，泵浦耦合器的一些构造使得沿逆向（即与泵浦辐射的方向相反的方向）引入到耦合器中的部分辐射从玻璃构造的部件中泄漏到自由空间中。这种逆向辐射可例如通过背向反射从处理目标材料处引入，或者从耦合到增益光纤的包层中的辐射中引入。在工作于千瓦功率水平的高功率光纤激光器中，引入到部件封装内部的自由空间中的辐射功率很容易达到数十到数百瓦特。

在US2010/0142894、US7492993和US6546169中公开了示范性耦合器及其结构。

引入部件封装内的自由空间辐射对该部件而言是一个潜在的风险。更具体地说，为防止部件不受机械或环境的影响，该全玻璃的部件通常固定到壳体上。该部件的固定一般通过胶粘或一些其它的高分子材料而完成。当自由空间辐射撞击该高分子材料时，它至少会在那里被部分地吸收。高分子材料具有相对差的导热性，因此会被所吸收的辐射而加热。受热可能严重到使高分子材料的温度超过其破坏温度。这种情形将会导致温度失控，烧焦高分子材料，甚至最终融化该部件的玻璃。也就是说，该部件被破坏，并且光纤激光器的该部件也部分失效。

图1a显示了代表现有技术的一种示范性的光纤耦合器结构。它包括多个输入光纤11（图中显示了其中的两个）、耦合结构12和输出光纤13。逆向的光辐射（箭头18’）从输出光纤入射到耦合器中。这种辐射可能是由于当光纤激光器用于实际应用时腔的另一端未被吸收的泵浦辐射、源自光纤绞束或其它缺陷的包层辐射或者目标材料的背向反射而引起的。此辐射的大部分穿透输出光纤的玻璃包层。这种反向穿透辐射在耦合结构12的玻璃结构中传播（箭头18’’）。当这种辐射到达耦合结构的末端表面时，其中的一部分辐射到输入光纤之间或之外的自由空间里，如图1a中所示（箭头18’’’）。这是因为虽然该部件通常设计成可在正向上以高辐射传输而操作，然而逆向上的传输一般不怎么好。由于逆向传播的辐射具有较低的数值孔径或低发散度，因此其辐射到自由空间中的部分可形成几乎准直的光束。

图1b显示了一种封装的光纤耦合器。封装15通常用金属制成，并且在安装部件的地方设有凹槽或切口。耦合器的两端均通过光学环氧树脂或类似的粘胶材料的高分子材料区16A、16B固定到壳体上。来自耦合结构的自由空间逆向辐射18朝向封装的输入光纤端的粘胶传播，并且一部分自由空间逆向辐射18撞击该粘胶并被其吸收。应注意的是，即使采用纯光学环氧树脂作为粘胶，它们的吸收仍然高得足以使所吸收的辐射能将粘胶加热到很高的温度。这对于在高功率光纤激光系统中工作的耦合器而言尤为如此，其中自由空间辐射的功率可达到数十瓦。自由空间辐射通常为很准直的，并因此可产生千瓦每平方厘米（KW/cm²）范围的功率密度。因此，即使在粘胶被加热到陷入壳体里的情况下，它仍可因辐射而急剧地加热。典型的光学粘胶物的破坏温度为100摄氏度左右，超过该破坏温度将发生热失控。破坏温度可由高分子材料的玻璃化转变温度来定义，或者通过材料的温度依赖的吸收特性来定义。当高分子材料的物理强度破坏或者热失控并最后烧焦材料时，该故障便可显而易见。通常这两种过程都会导致易碎的玻璃元件的故障。

US2003/0103753公开了一种封装的光耦合设备，其包括一个悬挂在封装元件的侧面、用于将泄露的光能量从封装元件朝向元件的壳体（在此处吸收）传输的石英衬底。因此，这种技术方案实际上基于增加元件与其壳体之间的间隙而实现，其中为减小壳体本地吸收的光强度，壳体采用透明玻璃制成。这种技术方案的不足之处在于增加了封装的尺寸，并且不能使设备不受与该设备的光纤平行的泄露的逆向辐射的影响。具体而言，将光纤安装到封装上的区域会受到逆向辐射的影响。

发明内容