專利名稱：光纖耦合系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖耦合系統(tǒng)。具體地但不完全地說，本發(fā)明 涉及一種用于將具有線性發(fā)光區(qū)域的高功率半導(dǎo)體的輸出以高耦 合效率和亮度耦合到光纖中的光纖結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
高功率半導(dǎo)體激光二極管通常用于泵浦(pumping)纖維激光 器。在這些應(yīng)用中，來自于纖維激光器的輸出應(yīng)用于芯部中形成有 布拉格光沖冊(Bragg grating)的纖維的包層，并且來自于激光二極 管的能量被用作泵浦能量，以便在活性纖維內(nèi)引起激光效應(yīng)。
因此，需要一種裝置來將高功率半導(dǎo)體激光二極管的輸出耦合 到光纖的包層中。
適合于這種激光泵浦的高功率半導(dǎo)體激光二極管通常具有線 性發(fā)光區(qū)域。最常見地，它們具有大約1x100 (^m的尺寸。這種發(fā) 射器的輸出能夠利用簡單快速的軸線準(zhǔn)直方案而耦合到芯部直徑 略大于發(fā)射器寬度(通常約為105(am)的多模式光纖中。理想地， 使用具有較大輸出寬度(通常如l，OOOnm—樣大)的發(fā)射器，因?yàn)?它們能夠在每瓦特下以較低成本產(chǎn)生更多的能量。然而，如果采用 簡單快速的軸線準(zhǔn)直方案將這種發(fā)射器的輸出耦合到圓形光纖中， 那么光纖芯部的直徑必須非常大(即大于1000 (im)，并且因此耦合輸出的纖維的亮度(或者更準(zhǔn)確地說輻射度)可能太弱以至于不能 用作纖維激光泵浦源。
已經(jīng)開發(fā)出多種技術(shù)來使線性半導(dǎo)體激光源的輸出成為圓形，
并且將其耦合到直徑比發(fā)射器寬度小得多的光纖中。US 4,688,884 公開了 一種用于相控陣列半導(dǎo)體激光器的光纖耦合系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng) 用于將來自于半導(dǎo)體激光陣列的輸出耦合到光纖，并且具有大致呈 橢圓形橫截面的"擠壓的"輸入端。輸出端通常是圓形以便耦合到 圓形纖維。

發(fā)明內(nèi)容
但是，在本文獻(xiàn)中將所示的光纖耦合器擠壓以形成其輸入端。 這種擠壓可能在制造期間引起諸如破壞耦合器的困難，或者可能導(dǎo) 致不可靠或不可測量的傳輸率，或?qū)е虏煌詈掀髦g的不可再現(xiàn) 性。此耦合器的耦合效率可以在77至80%左右，^f旦一4殳小于《會(huì)定 結(jié)構(gòu)的最優(yōu)效率。
本發(fā)明試圖提供一種改進(jìn)的光學(xué)耦合器，并增加耦合效率。
才艮據(jù)本發(fā)明，才是供了一種光纖耦合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括這樣的光 纖，該光纖具有細(xì)長輸入表面，并且形狀形成為^f吏得纖維的芯部直 徑在遠(yuǎn)離輸入端的一個(gè)尺寸上減小，而在遠(yuǎn)離輸入端的另 一尺寸上 增加，以便朝向比輸入端更圓的輸出端形成各個(gè)會(huì)聚表面和發(fā)散表 面。
優(yōu)選地，該結(jié)構(gòu)包括這樣的光纖，該光纖沿朝向輸入端的方向 向外成為^^形，且具有形成在錐形部上的楔形。最優(yōu)選地，光纖在一黃截面上具有非圓形的芯部，以i"更使在輸入
端處^r入的光線在水平面與垂直面之間耦合。
本發(fā)明進(jìn)一步提供一種形成光纖耦合結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包
括將光纖錐形化到需要的輸出直徑、以及通過去除材料在錐形部 上形成楔形，以Y更于在一契形部分的端部處形成細(xì)長的$餘入端。
另 一方面，提供了 一種利用耦合結(jié)構(gòu)將激光束耦合到輸出光纖 中的方法。


現(xiàn)在參考附圖^又通過示例的方法來描述本發(fā)明的實(shí)施例，附圖 中與
圖1示出了連接于單激光發(fā)射器與輸出纖維之間的光耦合器；
圖2示出了第一制造步驟；
圖3示出了第二制造步驟；
圖4示出了垂直的^f黃截面；
圖5示出了水平的橫截面；
圖6是解釋性示圖7是另一解釋性示圖；以及
圖8是對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的芯部來說耦合效率相對(duì)于錐形部長度的 圖表。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照圖1，其示出了耦合結(jié)構(gòu)1，該耦合結(jié)構(gòu)連接于寬帶
單激光發(fā)射器(如激光二極管發(fā)射器)2與輸出光纖3之間。
激光發(fā)射器2是寬帶單激光發(fā)射器，且典型地設(shè)置成具有約 750x1 pm的輸出孔徑。激光二極管可用于通過纖維3將泵浦能量提 供給包層泵浦光纖激光器3。耦合結(jié)構(gòu)1安裝于激光二極管2與輸 出纖維3之間。結(jié)構(gòu)1包括較大直徑的光纖，該光纖呈維形，并且 具有積4成加工或4旭光于錐形部5上的小角度4契部4。如圖1至5中 所示，纖維呈錐形，從而使得其沿一個(gè)方向(水平方向)的直徑在 其輸入端處最大，并且沿4,形部5逐漸連續(xù)地減小。相似地，楔形 部-皮形成為〗吏得沿另一方向的直徑在端部6處最小，并且沿錐形部 5遠(yuǎn)離輸入端向外發(fā)散。因此，輸入表面通常為矩形，但是也可以 具有其它形狀，只要其具有基本上比其它主要尺寸大的一個(gè)主要尺 寸(在該情況下為水平尺寸)即可。
光纖包括中心芯部7以及至少一個(gè)包層8。光輻射借助于芯部-包層界面處的全內(nèi)反射而在纖維內(nèi)傳送。
輻射從激光二一及管或其它發(fā)射器2通過一快速進(jìn)入準(zhǔn)直部(fast access collimator) 9而發(fā)射到耦合器的輸入面6中。在耦合器中， 線性發(fā)射器的通常矩形或其它細(xì)長形輸出一皮圓形化，并且一皮耦合到 芯部尺寸比發(fā)射器寬度小的輸出光纖3中。
如圖2所示，耦合器最優(yōu)選地具有非圓形芯部。有利地，其是 多面體的(faceted )，并且可以是如圖2所示的芯部7所示的六邊形， 或者可以是具有平坦側(cè)面的其它多邊形形狀或者具有其它非圓形 結(jié)構(gòu)。下面將進(jìn)一步描述其中的原因。圖2和圖3示出了在制造該耦合器的過程中的基本步驟。首先， 通過加熱或拉拔將相對(duì)較大直徑的光纖(通常具有這樣的直徑，該 直徑在制造之后將呈現(xiàn)出耦合器的輸入面6的最大直徑)制成錐形 以達(dá)到所需的輸出直徑。該纖維具有非圓形芯部。圖2中示出了該 步驟，其中纖維的直徑從其輸入端6朝向其輸出端減小。在一個(gè)實(shí) 例中，輸入直徑可以為大約800 |im，而輸出直徑可以大約為400 (am。
再次，如圖3所示，在錐形部上形成楔形部9。這是通過去除 材料的操作而形成的，諸如機(jī)械加工或刨削操作。優(yōu)選地，通過光 學(xué)拋光實(shí)現(xiàn)，^f旦是也可以通過其它方法實(shí)現(xiàn)。該楔形部可以形成于 纖維的一側(cè)或兩側(cè)上。
該津禺合器可以纟冬止于對(duì)契形部的最大直徑部分10處，或者如圖2 和3所示可以延續(xù)有大致圓柱形光纖部11，該光纖部可以進(jìn)而連接 于輸出纖維3。
如圖3所示，并且也可以在圖4中更清楚地看出，楔形部優(yōu)選 地形成為佳:得其至少在對(duì)契形的如圖4中部分12所示的窄端處將芯 部7直4婁暴露于空氣。
眾所周知，如果輻射的入射角小于芯部/包層界面的臨界角，則
的芯部被暴露的部分中，界面為芯部-空氣界面，如果不超過與該界 面相應(yīng)的臨界角，則在該界面處也發(fā)生全內(nèi)反射。
基本上，耦合器的結(jié)構(gòu)是這樣的一種結(jié)構(gòu)，即在該結(jié)構(gòu)中，纖 維的直徑沿遠(yuǎn)離輸入端的一個(gè)方向減小，而沿遠(yuǎn)離輸入端的另一個(gè) 方向增加。因此，(在附圖中所示的設(shè)置中)錐形使得水平尺寸減 小，而楔形侵:得垂直尺寸增加，均是沿遠(yuǎn)離輸入端的方向。如圖6所示，以小于臨界角的角度ai入射到會(huì)聚結(jié)構(gòu)的第一 壁Sl上的光線以相似角度oc"人該表面上反射。然后，該光線入射 到相對(duì)壁S2上，但是是以增加后的角度oc2入射的。該角度可也小 于臨界角，從而使得光線反射回表面Sl。在表面S1處，此時(shí)由于 S1和S2是會(huì)聚的，所以入射的角度將再次變大，并且其可能大于 臨界角。因此，光線不^皮完全反射，并且可能穿過纖維，如13處 所示。
為克服這點(diǎn)，如果耦合器在另一尺寸上是發(fā)散的，如圖7所示， 則如果使得光線在例如水平面與垂直面之間耦合，則交替地從頂表 面和側(cè)表面反射來的光線將交替地遇到會(huì)聚表面和發(fā)散表面。如果 在每次之后光線均接觸(會(huì)聚)表面Sl或S2中之一，則然后該光 線接觸(發(fā)散)表面S3和S4中之一，因此，相對(duì)于圖6所描繪的 影響將被消除。這確保了以正確角度輸入到耦合器的輸入面6的光 線均將通過纖維連續(xù)傳輸?shù)捷敵龆?0，并進(jìn)而向前通過纖維的剩余 部分。
關(guān)于光纖，除了術(shù)語"臨界角"之外，也經(jīng)常使用術(shù)語"數(shù)字 孔徑"，從而如果臨界角超過光纖的數(shù)字孔徑，則光線停止由光纖 引導(dǎo)，而是向外傳輸?shù)嚼w維的側(cè)面之外，如13處所示。
使得光纖具有非圓形的芯部，以便在例如圖6和圖7的會(huì)聚表 面與發(fā)散表面之間提供更好的耦合。如果芯部是圓形的，則沿水平 布置進(jìn)入的任何光線每次均例如將簡單地水平反射，并且因此將最 終可能停止傳輸，如上所述。另一方面，如果該光線遇到與其行進(jìn) 方向不垂直的表面，則該光線將以非水平角度反射，并因而將最終 入射到大致發(fā)散表面和大致會(huì)聚表面兩者上，因此{(lán)呆證了光線繼續(xù) 被傳輸。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如圖2所示的六邊形芯部幾4可形狀在這方面特別有 效，但是，也可以-使用其它非圓形的芯部幾何形狀。優(yōu)選地，該幾 何形狀是多面體的幾何形狀，其包括具有三個(gè)或多個(gè)筆直側(cè)面的多 邊形形a大。例3p,其可以是五邊形的、六邊形的或者4壬4可其它多邊 形形狀?？蒦,換地，芯部表面中的一個(gè)或多個(gè)可以是4共形的，或者 可以將4壬4可其它非圓形結(jié)構(gòu)用于不同的結(jié)構(gòu)。
有效地，六邊形或其它非圓形的定向增加了水平面與垂直面之 間的光線的耦合，并且因此增加了性能。這使得錐形的長度能夠減 少，使得該結(jié)構(gòu)易于制造。
圖8以毫米示出了三種不同樣本的錐形長度相對(duì)于耦合效率的 圖表。這些分別用于lt字孔徑為0.22的六邊形芯部、數(shù)字孔徑為 0.15的六邊形芯部、以及凄t字孔徑為0.22的圓形芯部。發(fā)射器尺寸 為750x1 (im。輸入芯部寬度為800 )im，并且輸出光纖芯部直徑為 400 [im。
結(jié)果示出，總的來說，較長的錐形長度導(dǎo)致較高的耦合效率。 但是，較長的錐形部可能更難以制造，因而期望將錐形部的長度最 小化。在所示的實(shí)例中，可以看到最高的耦合效率為大約90%，并 且這是由具有0.22的六邊形芯部數(shù)字孔徑的10 mm錐形部實(shí)現(xiàn)的。 結(jié)果示出，為了獲得最高的耦合效率，六邊形或其它多邊形的或非 圓形的芯部伊C于圓形截面芯部。由于水平面和垂直面中的光線之間 的不充分耦合，所以圓形芯部幾何形狀的耦合效率較低。
這些表面中的一些可以具有抗反射包層，這甚至將導(dǎo)致更高的 耦合效率。
權(quán)利要求
1.一種光纖耦合結(jié)構(gòu)，包括光纖，所述光纖具有細(xì)長輸入表面，并且形狀形成為使得纖維的芯部直徑在遠(yuǎn)離輸入端的一個(gè)尺寸上減小，而在遠(yuǎn)離輸入端的另一尺寸上增加，以便朝向比所述輸入端更圓的輸出端形成各個(gè)會(huì)聚表面和發(fā)散表面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合結(jié)構(gòu)，包括沿朝向所述輸入端的方向向外成為錐形、且具有形成在錐形部上的楔形的光纖。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述光纖具有多面體 的芯部。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述芯部為六邊形截面的。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述光纖具有 非圓形截面的芯部，并且形狀形成為使在所述輸入端處輸入的光線在所述耦合器的會(huì)聚表面與發(fā)散表面之間耦合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖耦合結(jié)構(gòu)，其中，所述芯部的形狀 形成為引起垂直偏移，從而使得進(jìn)入到所述輸入端的任何光線 在到達(dá)錐形部的端部之前均入射到所述芯部的頂表面或底表 面上，其中所述錐形部形成所述耦合結(jié)構(gòu)的一部分。
7. —種形成光纖耦合結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括將光纖錐形化 到需要的輸出直徑、以及通過去除材料在錐形部上形成楔形， 以便于在楔形部的端部處形成細(xì)長的輸入端。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，通過加熱或拉拔將所述光 纖錐形化。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中，通過才幾械力。工，優(yōu)選 地通過光學(xué)拋光，將所述楔形部形成于所述錐形部上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7、 8或9所述的方法，其中，所述光纖具有非 圓形芯部。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其中，所述芯部具有多面體截 面。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中，將所述楔 形部形成為包括暴露所述光纖的所述芯部的部分。
13. —種將激光束耦合到輸出光纖中的方法，其包括利用前述權(quán)利 要求中任一項(xiàng)所述的耦合結(jié)構(gòu)。
14. 才艮據(jù)一又利要求13所述的方法，其中，所述激光束為單光束。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中，所述激光束為激光 二極管的輸出。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13、 14或15所述的方法，其中，所述激光束為 泵浦光束。
17. —種光耦合器，基本上如前參照附圖所述并如附圖所示。
18. —種將激光束耦合到基本如前所述的光纖的方法。
全文摘要
一種光纖耦合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括這樣的光纖，該光纖具有細(xì)長輸入表面，并且形狀形成為使得纖維的芯部直徑在遠(yuǎn)離輸入端的一個(gè)尺寸上減小，而在遠(yuǎn)離輸入端的另一尺寸上增加，以便朝向比輸入端更圓的輸出端形成各個(gè)會(huì)聚表面和發(fā)散表面。
文檔編號(hào)G02B27/09GK101300512SQ200680040627
公開日2008年11月5日 申請日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月29日
發(fā)明者斯特凡·劉易斯 申請人:Gsi集團(tuán)有限公司