[发明专利]三重护套单模光纤

说明书

本发明涉及用于单模光发射的有源光纤。

尽管没有穷尽，这种类型的光纤可以用于传送或放大高屈光力且使非线性效应的影响最小化非常重要的应用中。

已知双重护套单模光纤。这些光纤由掺杂了稀土（例如，镱）的玻璃纤芯（例如由铝土制成）制成，用于初始光束的单模放大。这个纤芯直接被具有比纤芯更大直径的多模泵浦护套（例如，硅土）包围，这允许多模泵浦的不同模式的传播。由玻璃、聚合物或空气单元制成的外护套（其折射率比纤芯和多模泵浦护套低的多）包围所述多模泵浦护套。

这种类型的双重护套单模光纤允许产生具有大表面积的高功率激光光束。与传统单模泵浦相比，还导致更高的泵浦功率（并且因此单模放大）。

为了提高上述类型的单模光纤的放大效率，重要的是提高单模纤芯对来自多模泵浦护套的光的吸收率，这还取决于掺杂率和纤芯的直径。然而，这种类型的改进必须是在保持光纤的单模特性（其还取决于单模纤芯和多模泵浦护套之间的折射率差）、材料的量子效应（取决于共掺杂剂和主体基质（host matrix））以及所述光纤的导光特性的同时进行的。

然而，如果为了提高光纤的放大效率而增加单模纤芯中的掺杂率（例如，镱的掺杂率），则结果是纤芯的折射率增加（取决于可能的共掺杂剂，可能较高或较低），并因而增大了所述纤芯和多模泵浦护套之间的折射率差。因此，为了补偿这个增大的效果并因而保持纤芯的单模特性，必须减小纤芯的直径，这事实上降低了光纤的放大效率。这意味着通过适当选择掺杂率或纤芯直径不能提高光纤的放大效率。

提高放大效率的第一方案包括减小单模纤芯的掺杂对其折射率的影响。因此，镱可以与另一个掺杂剂关联，诸如氟或硼，与掺杂了镱的纤芯相比，在相同掺杂率的情况下，具有减小按此方式掺杂的纤芯的折射率的效果，因此使得能够在无需明显增大纤芯和多模泵浦护套之间的折射率差的情况下提高纤芯的掺杂率。

然而，作为共掺杂剂，氟和硼不完全补偿由于非常高的掺杂（如利用镱）产生的折射率的增大。与纤芯相互作用的光材料的退化要求光材料相互作用的长度增加，但是这一方面产生非线性效应，并且另一方面产生光源的紧密度的损失（特别是对于具有大纤芯直径的由于纤芯和护套之间的非常低的折射率差而不能弯曲的光纤）。另外，对于非常高的镱掺杂，更难以在整个纤芯获得均匀折射率曲线，这可以破坏对发射的激光光束实现良好的质量控制。

提高这个放大效率的第二方案包括使用三重护套单模光纤，如文件US6,841,053中描述的，增大直接包围单模纤芯的护套的折射率。为此，在纤芯和多模泵浦护套之间插入中间护套，使得光纤因此从中心到周边由以下组成：

-掺杂稀土的单模纤芯（例如由掺镱的铝硅酸盐制成）；

-无光学活性（不放大）的中间护套（例如由掺锗的硅土制成），其折射率略微不同于所述单模纤芯（例如10^-3或更小）。

-多模泵浦护套（例如，由硅土制成）；以及

-外护套（其折射率远低于纤芯、中间护套和多模泵浦护套的折射率）。

这种三重护套光纤架构允许在不依赖于氟和硼的情况下提高镱掺杂率（因此提高纤芯的吸收率）并同时维持单模纤芯与直接包围纤芯的护套之间的适当的折射率差。实际上，通过适当选择锗掺杂率，可调整中间护套（例如由掺杂了锗的硅土制成）的折射率，使得纤芯的折射率和中间护套的折射率之间的差被保持得尽可能的低，并且还提高单模纤芯的掺杂率（并且因此提高折射率）。

然而，在上述类型的单模光纤中，折射率是能够对其单模放大属性具有不利影响的关键参数。然而，在文件US6,841,053中，纤芯和中间护套均形成使用MCVD（改进的化学气相沉积）技术产生的统一层。其结果是，如果纤芯被重掺杂来提高光纤的放大属性，则形成中间护套的该统一层的折射率曲线不能完全被控制，为了保持光纤的单模特性，要求纤芯的直径受到限制（例如，限制到20μm）并因此也限制了光纤的放大率。

另一个方案可以包括使用棒状光纤，其单模特性特别依赖于形成的气孔的直径（因为具有过大直径的气孔必须产生多模放大）。然而，由于难以控制气孔的大小，也难以控制中间护套的折射率（因而难以控制光纤的单模特性）。此外，在这种类型的光纤中，纤芯的折射率必须精确等于纯硅土的折射率并且是完美的均质。例如掺镱的铝硅酸盐和掺氟的硅土的材料混合物因此被使用并且通过多步骤组装-拉伸来制造，直至获得被引导的光认为是均质的亚微米结构为止。这种复杂技术因此在一方面导致高成本，并且在另一方面不允许优化光纤的放大效率，由于纤芯的显著部分不掺镱并且不对光放大有贡献。