DE69824493T2

DE69824493T2 - Verjüngte Faserbündel zum Ein- und Auskoppeln von Licht aus mantelgepumpten Faservorrichtungen

Info

Publication number: DE69824493T2
Application number: DE69824493T
Authority: DE
Inventors: David John Montclair DiGiovanni; Andrew John Clinton Stentz
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1997-07-21
Filing date: 1998-07-14
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2018-07-15
Also published as: EP0893862A3; EP0893862B1; US5864644A; DE69824493D1; JP3415449B2; EP0893862A2; JPH1172629A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft verjüngte Faserbündel zum Ein- und Auskoppeln von Licht aus mantelgepumpten Faservorrichtungen wie Lasern und Verstärkern.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Mantelgepumpte Faservorrichtungen, wie zum Beispiel Laser und Verstärker, werden in einer großen Anzahl von optischen Anwendungen benötigt. In der optischen Nachrichtenübertragung, mantelgepumpten Lasern werden sie verwendet, um Hochleistungs-Er/Yb-Verstärker zu pumpen, extern angeordnete Er-Verstärker in Nachrichtensystemen ohne Zwischenverstärker zu pumpen und Raman-Laser und -Verstärker zu pumpen. Des Weiteren gibt es viel versprechende Anwendungen für mantelgepumpte Faservorrichtungen als Lichtquellen für Drucker und bei medizinischen optischen Systemen sowie bei der Werkstoffbearbeitung.
Eine typische mantelgepumpte Faservorrichtung umfasst einen Einmodenkern und eine Mehrzahl von Mantelschichten. Der innere Mantel, der den Kern umgibt, ist üblicherweise ein Siliziumoxidmantel mit großer Querschnittsfläche (im Vergleich zum Kern) und großer numerischer Apertur. Er ist üblicherweise nicht rund (rechteckig oder sternförmig), um sicherzustellen, dass die Moden des inneren Mantels eine gute Überdeckung mit dem Kern aufweisen. Der äußere Mantel besteht üblicherweise aus einem Polymer mit niedrigem Brechungsindex. Der Index des Kerns ist größer als der des inneren Mantels, der wiederum größer ist, als der des äußeren Mantels.
Ein Hauptvorteil der mantelgepumpten Faser ist, dass sie in einer Einmodenfaser Licht aus Quellen niedriger Leuchtkraft in Licht hoher Leuchtkraft umwandeln kann.
Licht aus Quellen niedriger Leuchtkraft, wie zum Beispiel Diodenmatrizes, kann aufgrund seiner großen Querschnittsfläche und der großen numerischen Apertur mit dem inneren Mantel gekoppelt werden. Bei einem mantelgepumpten Laser oder Verstärker ist der Kern mit einer seltenen Erde, wie zum Beispiel Er, dotiert. Das Licht im Mantel wirkt mit dem Kern zusammen und wird vom Seltenerd-Dotierstoff absorbiert. Wird ein optisches Signal durch den gepumpten Kern geleitet, wird es verstärkt. Wenn eine optische Rückkopplung bereitgestellt ist (wie beim Bereitstellen eines optischen Bragg-Gitter-Hohlraums), wirkt die mantelgepumpte Faser bei der Rückkopplungswellenlänge als Laserschwingungserzeuger.
Eine Schwierigkeit, welche die volle Ausnutzung des Potentials mantelgepumpter Faservorrichtungen verhindert, ist das Problem des Koppelns einer ausreichenden Anzahl von Lichtquellen niedriger Leuchtkraft mit der Nutzleistung des inneren Mantels. Es ist eine übliche Vorgehensweise, das Licht aus Breitstreifen-Laserdioden mit Mehrmodenfasern zu koppeln, um die Fasern zu bündeln und dann große optische Systeme zu verwenden, um das Licht aus dem Bündel mit der mantelgepumpten Faser zu koppeln. Man vergleiche zum Beispiel US-Patentschrift Nr. 5,268,978. Die Schwierigkeit bei dieser Vorgehensweise ist jedoch, dass eine Anzahl präziser Schnittstellen erforderlich sind, was Probleme mit Abgleich und Ausrichtung mit sich bringt, sowie zwei Sätze von faseroptischen Systemen benötigt werden. Üblicherweise ist eine astigmatische Linse zwischen der Laserdiode und den gebündelten Fasern, sowie zwischen den gebündelten Fasern und dem Faserlaser, angeordnet. Auch das Polieren, das Auftragen einer Reflex mindernden Schicht und das Bewahren präziser Ausrichtungen sind erforderlich. Demgemäß besteht ein Bedarf an einer neuen, robusten und kompakten Anordnung zum wirksamen Koppeln des Ausgangs von Quellen niedriger Leuchtkraft mit mantelgepumpten Fasern.
Eine andere Schwierigkeit, welche die volle Ausnutzung des Potentials mantelgepumpter Faserlaser und Verstärker verhindert, ist das Problem des Koppels von Mehrmodenpumpenlicht mit dem inneren Mantel, während gleichzeitig ein Einmodenlicht aus dem bzw. in den Einmodenkern gekoppelt wird. Die Fähigkeit, diese Funktion auszuführen, würde es erlauben, in zwei Richtungen arbeitend gepumpte mantelgepumpte Faserlaser zu bauen. Pumpenlicht könnte in den inneren Mantel beider Enden der mantelgepumpten Faser eingespeist werden, während die Einmodenfaserlaserausgabe aus dem Kern entnommen werden könnte. Des Weiteren würde das gleichzeitige Einmoden- und Mehrmodenkoppeln mit einer mantelgepumpten Faser erlauben, mantelgepumpte Faserverstärker viel effizienter zu bauen, als herkömmliche Einmodenfaserverstärker, die durch mantelgepumpte Faserlaser gepumpt werden. Offensichtlich besteht ein Bedarf für ein wirksames Mittel zum Koppeln von Mehrmodenpumpenlicht in den inneren Mantel einer mantelgepumpten Faser bei gleichzeitigem Aus- und Einkoppeln von Einmodenlicht in den oder aus dem Kern.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein verjüngtes Faserbündel gemäß der Erfindung ist aufgebaut, wie im unabhängigen Anspruch dargelegt. Bevorzugte Formen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Licht wird über verjüngte Faserbündel, die thermisch an die mantelgepumpte Faser gespleißt sind, von einer Mehrzahl von Halbleiterstrahlern zu einer mantelgepumpten Faser gekoppelt. Einzelne Halbleiterbreitstreifenstrahler können mit einzelnen Mehrmodenfasern gekoppelt werden. Die einzelnen Fasern können in einer dicht gepackten Formation gebündelt, auf Schmelztemperatur erhitzt, in eine verjüngte Form gezogen und dann thermisch an die mantelgepumpte Faser gespleißt werden. Vorteilhafterweise wird die Verjüngung dann mit einem Hüllenmaterial, wie zum Beispiel einem Polymer mit niedrigem Index, überzogen. Des Weiteren kann eine Faser, die einen Einmodenkern enthält, in das Faserbündel eingeschlossen sein. Dieser Einmodenkern kann verwendet werden, um Licht in den, oder aus dem Einmodenkern der mantelgepumpten Faser ein- oder auszukoppeln.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Vorteile, die Beschaffenheit und verschiedene zusätzliche Merkmale der Erfindung werden beim Studium der beispielhaften Ausführungsformen, die im Folgenden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben sind, vollständiger verstanden.
1A – 1D bilden schematisch eine Anordnung ab, die ein verjüngtes Bündel von Mehrmodenfasern zum Pumpen einer mantelgepumpten Faser verwendet.
2 bildet eine alternative Ausführungsform ab, die ein verjüngtes Bündel von rechteckigen Fasern verwendet.
3A – 3E bilden eine alternative Ausführungsform ab, in der das verjüngte Bündel eine Einmodenfaser aufweist.
4, 5 und 6 sind graphische Abbildungen, die hilfreich bei der Konstruktion einer beispielhaften Vorrichtung wie in 3 abgebildet sind; und
7A – 7H bilden eine alternative Ausführungsform ab, in der die mantelgepumpte Faser an beiden Enden mit verjüngten Bündeln versehen ist.
Es versteht sich, dass diese Zeichnungen dem Zweck der Veranschaulichung des Konzepts der Erfindung dienen und nicht maßstabsgetreu sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bezug nehmend auf die Zeichnungen bilden 1A – 1D eine Anordnung 10 zum Pumpen einer mantelgepumpten Faser ab, die eine Mehrzahl an einzelnen Mehrmodenfasern 11, die in ein gebündeltes Gebiet 12, das sich zu einem verjüngten Gebiet 13 erstreckt, zusammenlaufen, aufweist, wobei sich das Bündel bei 14 zu einem Mindestdurchmesser verjüngt, der dem Durchmesser der mantelgepumpten Faser 15 sehr nahe kommt. Vorzugsweise sind die Fasern im gebündelten Gebiet 12 in einer dicht gepackten Formation angeordnet, wobei die inneren Fasern die maximale Anzahl benachbarter Fasern (siehe 1C) berühren. Idealerweise verjüngt sich das Bündel zu einem Querschnitt, der dem inneren Mantel der Faser 15 nahe kommt. Es ist zu erwarten, dass jede einzelne Mehrmodenfaser 11 (von denen nur drei in 1A abgebildet sind) Licht aus einer dazugehörigen Halbleiterstrahlerquelle 9 zur Mantelfaser 15 koppelt.
Einzelne Halbleiterbreitstreifenstrahler können mit einzelnen Mehrmodenfasern gekoppelt werden. Die Mehrmodenfasern wären typischerweise mit einem reinen Siliziumoxidkern aufgebaut, der von einem Siliziumoxidmantel, der mit Fluor dotiert ist, umgeben ist. Die numerische Apertur dieser Mehrmodenfasern wäre notwendigerweise kleiner als die numerische Apertur der mantelgepumpten Faser. Diese einzelnen Fasern werden dann in einer dicht gepackten Formation gebündelt, geschmolzen und in eine Verjüngung gezogen und dann thermisch an eine mantelgepumpte Faser gespleißt. Die Verjüngung der Faserbündel kann mit Verfahren erreicht werden, die gleich denen zur Herstellung von Schmelzspleißkopplern sind. Schließlich kann die Verjüngung mit einem Hüllenmaterial (z.B. einem Polymer mit niedrigem Index, wie zum Beispiel W-gehärtete Fluoracrylate) überzogen werden, das dem verjüngten Gebiet eine numerische Apertur gibt, die mindestens so groß ist, wie die der mantelgepumpten Faser. Der Mantel der gebündelten Fasern kann auf den Fasern belassen und in die Verjüngung eingeschlossen werden, wenn der Mantel aus Glas ist. Ersatzweise kann der Mantel der gebündelten Fasern vor dem Verjüngen entfernt werden.
Abhängig von den Parametern der mantelgepumpten Faser und den Mehrmodenfasern im Gebiet 12 gibt es eine Mindestquerschnittsfläche, unter welche das Gebiet 13 nicht verjüngt werden sollte. Bei kleineren Flächen sind die Verluste zu hoch. Im Allgemeinen werden zu hohe Verluste vermieden, indem die folgende Bedingung eingehalten wird:
wobei NAoutput die numerische Apertur der mantelgepumpten Ausgangsfaser, NAinput die numerische Apertur einer mantelgepumpten Mehrmodenfaser, ΣAi die Summe der Querschnittsflächen der Fasern im Gebiet 12, und A' die Fläche beim Mindestdurchmessers der Verjüngung ist.
Dieses verjüngte Faserbündel weist zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Bündeln und großen optischen Systemen auf: kein Polieren oder Auftragen einer Reflex mindernden Schicht ist erforderlich, keine Ausrichtung von optischen Großsystemen muss aufrechterhalten werden, und die Verluste sind kleiner. Zusätzlich dazu entsteht aus dem Bündel durch die Oberflächenspannung eine Faser mit rundem oder beinahe rundem Querschnitt, da das Faserbündel während dem Verjüngungsprozess erhitzt wird, wodurch jeglicher vergeudete Zwischenraum entfernt wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform können die Mehrmodenfasern unrund sein, um das Packen von mehr Fasern in ein gegebenes Bündel zu ermöglichen. 2 zeigt ein System zum Packen rechteckiger Fasern 20 zum Koppeln mit einer runden mantelgepumpten Faser 15.
3A – 3E bildet eine alternative Ausführungsform der Erfindung ab, wobei mindestens eine der gebündelten, verjüngten Fasern eine Einmodenfaser 31 ist.
In diesem Fall sind alle gebündelten Fasern Mehrmodenfasern, mit Ausnahme der Mittelfaser 31, die einen Einmodenkern aufweist. Der Kern dieser Mittelfaser kann dazu verwendet werden, Licht auf wirksame Weise durch die Verjüngung und in oder aus dem Kern der mantelgepumpten Faser zu koppeln, während die Mehrmodenfasern 11 dazu verwendet werden, Licht in den Mantel der mantelgepumpten Faser zu koppeln.
Ein beispielhaftes verjüngtes Faserbündel kann wie folgt gebildet sein. Sieben Fasern sind in einer dicht gepackten Formation gebündelt. Die Mehrmodenfasern weisen einen Siliziumoxidkern mit einem Durchmesser von 104 μm auf, der von einem fluorierten Mantel mit einer numerischen Apertur von 0,17, der den Außendurchmesser der Faser auf 125 μm bringt, umgeben ist. Die Mittelfaser innerhalb des Bündels kann eine Siliziumoxidfaser mit einem Durchmesser von 125 μm mit einem Einmoden-Stufenindexkern sein, der ein Delta von 0,5 % und eine Breite vor dem Verjüngen von 12 μm aufweist. Das Faserbündel wird geschmolzen und zu einem Enddurchmesser von 125 μm gestreckt. Aufgrund der Verformung der Fasern während dem Streckungsvorgang muss die Mittelfaser nur um einen Faktor der Quadratwurzel von 7 (d.h. 2,646) verjüngt werden, damit das Bündel zu einem Zylinder mit einem Durchmesser von 125 μm schmilzt. Das Erhitzen der Fasern kann unter Verwendung einer Anzahl von Verfahren erreicht werden, darunter eine direkte Flamme, eine umgelenkte Flamme eines Elektroofens, ein Plasma oder ein CO2-Laser. Die Enden der Faser werden fest auf Bewegungsstufen, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegt werden, um die Verjüngung zu bilden, befestigt. Das verjüngte Ende des Bündels kann dann aufgespalten und thermisch an eine mantelgepumpte Faser mit einer numerischen Apertur von 0,45 gespleißt werden, bevor es mit einem Polymer mit niedrigem Index überzogen wird.
Es ist wesentlich, dass der Einmodenkern der Mittelfaser innerhalb der Verjüngung imstande ist, mit niedrigem Verlust an seinem verjüngten und seinem nicht verjüngten Ende thermisch an Standardeinmodenfasern gespleißt zu werden. Um zu verstehen, wie das erreicht werden kann, beachte man die graphische Darstellung des Mode-Felddurchmessers einer Stufenindexfaser als Funktion des Kerndurchmessers, die in 4 gezeigt ist. Für ein bestimmtes Delta gibt es einen Kerndurchmesser, bei dem der Mode-Felddurchmesser auf seinem Minimum ist. Für einen bestimmten Verjüngungsgrad und bestimmte Eingangs- und Ausgangsfasern kann man eine Verjüngungsfaser so konstruieren, dass der Modalwert eine gute Überdeckung mit der Eingangsfaser vor dem Verjüngen und mit der Ausgangsfaser nach dem Verjüngen aufweist, wie in 4 abgebildet. Möchte man zum Beispiel den Durchmesser der Mittelfaser um den Faktor drei im verjüngten Gebiet verringern und auf eine Standardstufenindexfaser mit einem Delta von 0,32 % und einem Kerndurchmesser von 8 μm bei einer Wellenlänge von 1,55 μm beim Eingang und beim Ausgang der Verjüngung zu spleißen, zeigen die numerischen Modellierergebnisse in 5, dass eine verjüngte Faser mit einem Delta von 0,5 % und einem anfänglichen Kerndurchmesser von 12 μm sowohl an der Eingangs- als auch an der Ausgangsseite einen niedrigen Spleißverlust ergibt. Bei diesem Beispiel bleibt die verjüngte Faser im gesamten Verjüngungsgebiet eine Einmodenfaser. Des Weiteren können Indexprofile verwendet werden, wie die in 6 gezeigten, um das Verfahren auf größere Verjüngungsverhältnisse zu erweitern, wobei die Faser jedoch üblicherweise am nicht verjüngten Ende eine Mehrmodenfaser ist.
7A – 7H zeigen eine dritte Ausführungsform der Erfindung, wobei die gebündelten, verjüngten Fasern Licht in beide Enden einer mantelgepumpten Faser koppeln. In diesem Fall sind die Mittelfasern 31 Einmodenfasern, und die Anordnung bildet einen mantelgepumpten Faserverstärker.

Claims

Verjüngtes Faserbündel (10), umfassend: eine Länge einer mantelgepumpten Faser (15); mehrere zusammengebündelte Mehrmodenfasern (11), dadurch gekennzeichnet, daß das Bündel ein verjüngtes Gebiet (13) umfaßt, das auf ein Gebiet (14) mit reduziertem Querschnitt verjüngt ist, und das Gebiet mit reduziertem Querschnitt thermisch an die mantelgepumpte Faser gespleißt ist.
Faserbündel nach Anspruch 1, wobei die mantelgepumpte Faser ein optischer Verstärker ist.
Faserbündel nach Anspruch 1, wobei die mantelgepumpte Faser ein Faserlaser ist.
Faserbündel nach Anspruch 1, wobei die mantelgepumpte Faser eine erste Querschnittsfläche aufweist und das Faserbündel auf eine Querschnittsfläche verjüngt ist, die kleiner oder gleich der ersten Querschnittsfläche ist.
Faserbündel nach Anspruch 1, wobei die Fasern in einer dicht gepackten Formation gebündelt sind.
Faserbündel nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Einmodenfaser (31), die mit den mehreren Mehrmodenfasern (11) gebündelt und an die mantelgepumpte Faser (15) gekoppelt ist.
Faserbündel nach Anspruch 1, wobei die mantelgepumpte Faser einen seltenerddotierten Kern aufweist.
Faserbündel nach Anspruch 7, wobei die mantelgepumpte Faser einen optischen Rückkopplungshohlraum aufweist.