专利名称：带维持偏振的光纤引出线拼接的光学元件的制作方法
相关的专利申请这项申请是作为1999年9月14日申请的美国专利申请第09/396,174号的部分继续申请的于2000年2月10日申请的美国专利申请第09/501,809号的继续申请，并且要求于1999年5月27日申请的临时专利申请第60/136,628号的申请日期的权益，在此通过引证将其全部教导并入。
本发明的现有技术激光二极管被用于光学抽运光纤(增益光纤)，该光纤为了使光信号的放大成为可能已被掺杂。在普通的市售产品中，980毫微米(nm)或1480nm的二极管激光器被用于通常在1550nm附近的光谱范围中操作或放大的铒掺杂的光学抽运光纤放大器。
在这些二极管抽运增益光纤系统中，重要的是使抽运波长或功率的变化造成的放大器特性变化减少到最低限度。这在波分多路传输(WDM)系统或在包括许多光谱上间隔非常小的信道的稠密型波分多路传输(DWDM)系统中尤其现实。例如，泵中的模式跃迁可能在放大器的增益频谱中引起变化。这些变化导致DWDM系统中某些信道相对于其它信道优先的放大。
用来控制由泵中的环境温度或功率变化造成的噪声和波长移位的一个解决方案采用纤维光栅稳定化。Bragg光栅具有使来自激光泵的输出频谱稳定的效果，或者更具体地说，光栅使泵顶住暂存的功率波动稳定下来。此外，在一个提议的实现中，光栅是以激光器出口面的反射率为基准进行选择、留下与激光器模块的间隔和调整的，以致发射的频谱相对单独的激光器的频谱被加宽。
为了进一步使泵激光器稳定下来，偏振控制是非常有用的。从二极管激光器的输出面发出的光线通常是偏振性很强的。但是，通过规则的、非维持偏振的光纤传播的光线可能由于光纤的双折射、光纤的扭曲、弯曲、温度漂移和其它应力而改变其偏振方向。从光栅返回光学器件的光线的偏振方面的任何波动都有效地改变功率反馈比，因为激光器对任何偏振方向与发射光线的偏振方向正交的反射光线都是不敏感的。例如，如果所有的反射光都具有被旋转90度的偏振，那么Bragg纤维光栅从激光器的立场上看被有效地从系统中除去。
在激光二极管和光栅之间需要偏振控制的应用中，维持偏振的(PM)光纤与被写入PM光纤的光栅一起被用于光纤引出线。
但是，应该理解在光学器件和纤维光栅之间需要偏振控制的并非局限于抽运激光器。这些问题也涉及到一般的激光二极管或任何就窄线而言对相干性塌陷操作具有纤维光栅稳定作用的光纤系统(例如光纤放大器)和利用诸如Fabry-Perot激光器之类的放大器的系统。
因此，仅仅规定在与PM光纤展开相关联的不利因素超过与在光学器件和光栅之间没有偏振控制相关联的问题时才在使纤维光栅稳定的光学系统中使用PM光纤。例如，可以提高光学系统的机械刚性和温度稳定性，借此控制应力诱发的双折射，从而使从光栅进入二极管激光器的反馈稳定下来，最终使偏振控制的必要性降低。但是，这些解决方案的长期稳定性是不清楚的。
本发明的方向是在维持偏振的光纤必不可少或合乎需要的场合用来实现带光源的光栅的解决方案。具体地说，维持偏振的光纤被用在光栅和光源之间。但是，光栅实际上被写在有规则或非维持偏振的光纤上。在一个实施方案中，维持偏振的光纤被直接拼接到非PM光纤上。由于这种拼接点存在于元件中，所以它可以在优选采用加工过程受控的专用的熔合拼接机的实验室或生产条件下得以完成。
一般地说，一方面，本发明的特色是使纤维光栅稳定的光学元件。这种元件包括光源或供应光线的系统。依据实现，使用诸如象激光器(尤其是980nm-1480nm或Raman抽运激光器)或放大器之类的光源或系统。来自光源或系统的光线通过提供合乎需要的偏振控制的维持偏振的光纤引出线传送。然后，非维持偏振的光纤和维持偏振的光纤被直接和间接耦合。必不可少的必须的光栅被写入非维持偏振的光纤。该光栅被用来影响从光学元件发出的光线的光谱特征。
在优选的实施方案中，在非维持偏振的光纤被直接拼接到维持偏振的光纤上。在当前的实现中，采用熔合拼接。
在预期的实现中，模块壳体被用来容纳光源。维持偏振的光纤引出线穿过这个壳体的壁延伸到靠近激光源的输出面的位置终止。各种技术可以被用于使光线从光源进入维持偏振的光纤的耦合效率增加到最大限度，例如，离散透镜、平接耦合和在光纤引出线的末端(形成或附着的)微透镜(microlenses)。
优选的是光栅位于距维持偏振的光纤引出线和非维持偏振的光纤之间的连接点1.0或0.50米的距离范围内，但是，光栅至所述的连接点通常在150毫米以下。这保证光源和光栅之间的偏振控制被增加到最大限度。
一般地说，另一方面，本发明的方向是使纤维光栅稳定的泵激光器。这种激光器包括产生打算光学抽运给光纤放大器的光线的二极管激光器。模块给二极管激光器提供壳体。维持偏振的光纤引出线穿过模块的壁延伸到靠近二极管激光器的输出面的位置终止，以便至少接收一部分其产生的光线。非维持偏振的光纤被直接或间接地光学耦合到维持偏振的光纤引出线上，而光栅被写入非维持偏振的光纤，以便提供预期的偏振控制。
优选的是光栅具有大约1.3％到2.3％、优选1.4％到2.0％的功率反射性。激光器芯片的正面功率反射性是4.0％到6.5％，优选4.5％到6.0％。这些范围与70-75％的激光器至光纤的耦合效率一起使用。
本发明的上述和其它的特点(包括零部件的构造和组合的各种新颖的细节)以及其它优点现在将参照附图更具体地予以介绍并且在权利要求书中予以指出。应该理解，体现本发明的特定的方法和器件仅仅是为了图解说明的目的被展示的，而不是作为对本发明的限制。这项发明的原则和特点可以在不脱离本发明的范围的情况下用于各种各样的为数众多的实施方案。
图1是依据本发明的使纤维光栅稳定的泵激光器元件的方框图；图2是基于本发明的使纤维光栅稳定的泵激光器元件的透视示意图；图3A-3D是几个示范性的PM和非PM光纤的横截面示意图；图4是展示PM光纤的轴线和在光纤引出线的末端上的微透镜(micro lense)之间的关系的平面图；图5是图解说明制造依据本发明使纤维光栅稳定的泵激光器的过程的流程图。
本发明的详细说明图1和图2展示已依据本发明的原则构成的使纤维光栅稳定的泵激光器元件。
具体地说，诸如激光器(尤其是泵激光器或放大器)之类的光源110在典型的实现中被安装在辅助支架112上。辅助支架112提供激光器二极管110和模块壳体114之间的机械和电气连接。光纤引出线118穿过模块壳体114的侧壁120延伸。它通常被刚性地固定到辅助支架上，以致光纤的端面122被保持在靠近激光二极管110的输出面116的位置。
光纤引出线118是用维持偏振的光纤制成的。不同类型的维持偏振的光纤都是适用的。例如，熊猫、椭圆应力棒、椭圆芯和蝴蝶结都可以使用。
图3A至图3C是图解说明可与本发明一起使用的几种示范类型的PM光纤的截面图，具体地说分别为熊猫、椭圆应力棒和蝴蝶结。这些PM光纤类型中每种类型都被掺杂，以便产生光线传输的快轴和慢轴。被耦合到光纤中并且沿着这些轴之一偏振的光线为了维持其相对于这些轴的偏振而受到限制。
在其它的实施方案中，光纤引出线118是用被称为“控制偏振的光纤”的某种类型的维持偏振的光纤制成的。这种光纤类型仅仅用单一的偏振传播光线。
返回图1和图2，本发明设想采用各种技术保证从激光二极管的光线输出面116射出进入光纤引出线118的光线具有高的收集效率。具体地说，离散透镜、平接耦合和微透镜(microlenses)是各种备选方案。目前，平顶微透镜(microlenses)已被使用，如同Jeffrey Korn、Steven D.Conover、Wayne F.Sharfin和ThomasC.Yang在题为“Flat Top，Double-Angled，Wedge-Shaped FiberEndface(平顶双角度楔形光纤端面)”的美国专利申请第08/965,798号中介绍的那样，在此通过引证将该申请并入。
双角度平顶微透镜(microlenses)的优点在于如下事实，即它们相对于光纤的轴线不是圆对称的事实，借此与来自激光二极管的输出面的光线的椭圆形空间分布相匹配。
但是，圆柱形光纤透镜、圆柱形离散透镜也可以使用。
在采用非圆对称的耦合技术时，重要的是调节所形成的微透镜(microlense)，例如与维持偏振的光纤的快轴或慢轴之一对齐。
图4图解说明双角度平顶微透镜(microlense)和PM光纤的传输轴之间的关系。具体地说，抛光表面S1和解理平顶面S3之间的分界线BL1以及顶面S3和抛光表面S2之间的分界线BL2本质上被调节到与PM光纤的轴线之一对齐。在此，分界线BL1和BL2被调节到与慢轴对齐。在替代实施方案中，把分界线BL1和BL2调节到与快轴对齐是同等有效的。
在本发明中，相对于快和慢轴之一的对齐精度介于0度和5度之间。换言之，在分界线BL1、BL2和选定的光纤传输轴之间存在不足5度的角度差异。优选的是对齐精度介于0°和2°之间。这个水平的对齐保证只有极少的光线被耦合到沿着不利的传输轴线传播，因此使光纤引出线118的偏振控制作用增加到最大限度。
偏振控制使纤维光栅的作用增加到最大限度并且稳定下来。从典型的二极管激光器射出的光线被偏振化。因此，任何被耦合到其它不利的光纤轴线(即不与激光二极管的偏振对齐的光纤轴线)中的光线都被光栅反射，但对激光二极管几乎没有影响，因为二极管对这种偏振的光线是没有反应的。
返回到图1和图2，维持偏振的光纤引出线118经拼接点126被光学耦合到规则光纤124的多芯光缆。如同用图3D图解说明的那样，规则的光纤优选具有标准的圆形横截面的芯，即没有应力棒，或没有快轴或慢轴。
虽然维持偏振的光纤引出线118和有规则的、非维持偏振的光纤24之间的耦合被展示为直接的熔合拼接，但是关键特征是两种光纤之间的光学耦合。因此，用来获得这种耦合的其它技术可以被使用，例如使多种光纤长度的第三种光纤介入。
在类似的意向中，PM光纤没有必要直接接收来自二极管的光线。例如，作为替代，光线可以首先被耦合到比较短的一段规则的光纤中，然后被耦合PM光纤中，该PM光纤把光线传送大部分距离后到光栅。但是，这不是优选的，因为需要额外的拼接。
光栅128被写入规则的光纤124。这些光栅通常是通过UV射线干涉制造的。光栅通常被写在光纤芯的深处。
在一个实现中，纤维光栅128在大约为980nm的二极管激光器110的增益带宽范围内提供反射性。进一步说，纤维光栅优选具有0.5-1nm带宽。
优选的是光栅具有大约1.3％至2.3％的功率反射性，更优选1.4％至2.0％。激光器芯片的正面功率反射性是4.0％至6.5％，优选4.5％至6.0％。这些范围是与70-75％的激光器至光纤的耦合效率一起使用的。
在涉及铒掺杂的光纤放大器的其它实现中，光栅128在1480nm下是反射的。在采用Raman放大的实现中，光栅在1060-1600nm的范围内的任何波段都具有0.5-20nm的带宽。
对于本发明的系统性能至关重要的是拼接点126和光栅128之间的距离(1)。通常，这个距离应该保持尽可能短，以使在激光二极管110和光栅128之间没有偏振控制的区域被减少到最小。在优选的实施方案中，距离(1)是50-150mm，但是可以是比较宽的范围，例如0mm到500mm。
在优选的实施方案中，规则的光纤128把信号从光学器件110传送到下一个器件或系统130。在优选的实现中，这个系统是光纤放大器系统，其中正在使用的光线被抽运到光纤放大器130。例如，二极管泵元件100可以通过WDM耦合器附着到光纤放大器上，以使泵光进入光纤放大器的芯。但是，规则的光纤通常被用在Raman系统中。
本发明的主要优点之一围绕着下述事实，即在市场上出售给顾客使纤维光栅稳定的光学元件100包含PM光纤对非PM光纤的拼接126。过去，在各种系统中把数段PM光纤用于偏振控制是司空见惯的。通常，这些系统是在实验室环境中使用的。但是，PM光纤难以在商用的系统中展开。许多终端用户由于与熔合过程相关联的困难(尤其是在现场)不想把规则的光纤拼接到PM光纤上。进一步说，如同以前注意到的那样，存在着与带光栅的PM光纤以及一些PM光纤难以写入相关联的开销。与之截然不同，采用本发明，例如，在典型的实现中，带非PM光纤拼接端的使纤维光栅稳定的泵激光器元件被运送给用户。因此，不存在与PM光纤的拼接有关的问题。此外，与PM光纤中的光栅相关联的问题也被避开。
图5是图解说明用来制造光学元件100的过程的流程图。
首先，在一段保留的PM光纤的末端形成微透镜(microlense)122。在优选的实施方案中，被形成的是平顶端面微透镜(microlense)。由于这种微透镜(microlense)不是圆对称的，所以在微透镜(microlense)抛光时PM光纤最初被这样安装在抛光夹具上，以致它的偏振轴之一(快轴或慢轴)与被形成的微透镜(microlense)对齐，从而得到如同参照图4讨论的那种排列关系。换言之，微透镜(microlense)是通过旋转光纤的偏振轴被调正的。如果使用控制偏振的光纤，该透镜(lense)被调整到与唯一的偏振轴对齐。
接下来，在步骤212中，PM光纤引出线118被安装在辅助支架112上。具体地说，已知的准直技术被这样使用，以致所形成的微透镜(microlense)相对激光二极管110这样定位，使激光二极管所产生的光线进入PM光纤引出线118的耦合效率增加到最大限度。具体地说，微透镜(microlense)定位在激光器的出口面附近并且被这样旋转地调节，以致从激光器射出的偏振光沿着PM光纤的快轴和慢轴传播。
PM光纤引出线118的另一端为拼接做好准备。具体地说，在步骤214将光纤的外部涂层和护套除去，留下裸露的玻璃。
在步骤216中，非PM光纤也为拼接做好准备。具体地说，在光栅128的近端一侧(即接近激光器一侧)将大约150mm或更短的一段非PM光纤保护起来。然后，把光纤的外部涂层和护套拆除。
接下来，在步骤218中，采用传统的PM光纤对非PM光纤的拼接技术把PM光纤引出线118熔合拼接到非PM光纤124上。然而，机械拼接或火焰拼接也可能被使用。
在步骤220中对完成的拼接点质量进行检验。具体地说，操作激光二极管，并且确定与拼接点相关的损失特征。如果在步骤222中确定这种损失是不可接受的，那么在步骤224中拆除该拼接点并且在光栅近端一侧利用剩余的150mm或更短的非PM光纤将PM光纤和非PM光纤再次拼接。目前，大约3％的拼接点损失是典型的。
但是，如果拼接点被确定具有可接受的损失，那么将在步骤226中可凭借紫外线固化的聚合物涂到拼接区域上。多次涂布这种保护性聚合物可以用来改善拉伸强度。
在步骤228中，把保护套安装在拼接区域上。
然后，在步骤230中对元件进行再次检验，以便确认可接受的功率特征。
最后，在步骤232中，采用筛选方法和试验除去坏的零部件。
尽管这项发明已参照其优选的实施方案被具体地展示和说明，但是熟悉这项技术的人将理解不脱离权利要求书定义的本发明的精神和范围可以在形式和细节上作出各种各样的变化。
权利要求
1.一种使纤维光栅稳定的光学元件，其中包括产生光线的光源；维持偏振的光纤引出线，来自光源的光线将被耦合到所述的光纤引出线中；非维持偏振的光纤，它与维持偏振的光纤引出线光学耦合；以及被写入非维持偏振的光纤的光栅，该光栅被用来把反馈提供给光源，以便借此影响的从光学元件发出的光线的频谱。
2.根据权利要求1的使光栅稳定的光学元件，其中非维持偏振的光纤直接与维持偏振的光纤引出线拼接。
3.根据权利要求1的使光栅稳定的光学元件，其中光源是激光器。
4.根据权利要求1的使光栅稳定的光学元件，其中光源是泵激光器。
5.根据权利要求1的使光栅稳定的光学元件，其中光源是放大器。
6.根据权利要求1的使光栅稳定的光学元件，进一步包括模块壳体；所述的光源安装在所述的模块壳体内，而维持偏振的光纤引出线穿过壳体壁延伸到靠近光源的输出面的位置终止。
7.根据权利要求1的使光栅稳定的光学元件，其中维持偏振的光纤引出线被直接熔合拼接到非维持偏振的光纤上。
8.根据权利要求1的使光栅稳定的光学元件，其中光栅位于距维持偏振的光纤引出线和非维持偏振的光纤之间的连接点50毫米的范围内。
9.根据权利要求1的使光栅稳定的光学元件，其中来自光源的光线被直接耦合到维持偏振的光纤引出线中。
10.根据权利要求1的使光栅稳定的光学元件，进一步包括在维持偏振的光纤引出线的末端的微透镜(microlense)。
11.根据权利要求10的使光栅稳定的光学元件，其中所述的微透镜(microlense)相对维持偏振的光纤引出线的轴线不是圆对称的。
12.根据权利要求11的使光栅稳定的光学元件，其中所述的微透镜(microlense)相对于维持偏振的光纤引出线的快或慢轴被旋转地调准。
13.根据权利要求11的使光栅稳定的光学元件，其中所述的微透镜(microlense)相对于维持偏振的光纤引出线的快或慢轴被旋转地调准到5度范围内。
14.一种使纤维光栅稳定的泵激光器，其中包括二极管激光器，它产生在光学上将泵送给光纤放大器的光线；装有二极管激光器的模块壳体；维持偏振的光纤引出线，它穿过壳体壁延伸到靠近二极管激光器的出口面的位置终止，以便至少接收一部分它产生的光线；非维持偏振的光纤，它被光学耦合到维持偏振的光纤引出线上；以及被写入非维持偏振的光纤的光栅，它被用来影响泵激光器发出的光线的频谱。
15.根据权利要求14的泵激光器，其中非偏振维持的光纤被直接拼接到维持偏振的光纤引出线上。
16.根据权利要求14的泵激光器，其中维持偏振的光纤引出线被直接熔合拼接到非维持偏振的光纤上。
17.根据权利要求14的泵激光器，其中光栅位于距维持偏振的光纤引出线和非维持偏振的光纤之间的连接点50mm的范围内。
18.根据权利要求14的泵激光器，进一步包括在维持偏振的光纤引出线的末端的微透镜(microlense)。
19.根据权利要求18的泵激光器，其中微透镜(microlense)相对维持偏振的光纤引出线的轴线不是圆对称的。
20.根据权利要求19的泵激光器，其中微透镜(microlense)相对于维持偏振的光纤引出线的快或慢轴被旋转地调准。
21.根据权利要求19的泵激光器，其中的微透镜(microlense)相对于维持偏振的光纤引出线的快或慢轴被旋转地调准到5度范围内。
22.一种使光学元件的输出稳定的方法，该方法包括由光源产生光线；把来自光源的光线通过维持偏振的光纤传送到被写入非维持偏振的光纤的光栅，该光栅把反馈提供给光源。
23.根据权利要求22的方法，进一步包括把维持偏振的光纤直接拼接到非偏振维持的光纤上。
24.依据权利要求23的方法，其中魔芋的存在量从与0.5％到约5.0％重量比。根据权利要求22的方法，其中步包括光源是激光器。
25.根据权利要求22的方法，其中光源是泵激光器。
26.根据权利要求22的方法，进一步包括把光源安装在模块壳体中；以及使维持偏振的光纤穿过壳体壁延伸到靠近光源的输出面的位置终止。
27.根据权利要求22的方法，进一步包括把维持偏振的光纤直接熔合拼接到非维持偏振的光纤上。
28.根据权利要求27的方法，进一步包括检验熔合拼接点的传输损失并且再次把维持偏振的光纤直接拼接到非维持偏振的光纤上。
29.根据权利要求27的方法，进一步包括在把维持偏振的光纤直接熔合拼接到非维持偏振的光纤上时这样完成第一次尝试，以致在拼接点和光栅之间存在长度足以允许非维持偏振的光纤再次与维持偏振的光纤拼接的一段非维持偏振的光纤。
30.根据权利要求22的方法，进一步包括把光栅与在维持偏振的光纤和非维持偏振的光纤之间的连接点之间的距离控制在500毫米以下。
31.根据权利要求22的方法，进一步包括把光栅与在维持偏振的光纤和非维持偏振的光纤之间的连接点之间的距离控制在50毫米以下。
32.根据权利要求22的方法，进一步包括使来自光源的光纤直接耦合到维持偏振的光纤中。
33.根据权利要求22的方法，进一步包括在维持偏振的光纤引出线的末端形成微透镜(microlense)。
34.根据权利要求22的方法，其中微透镜(microlense)相对维持偏振的光纤引出线的轴线不是圆对称的。
35.根据权利要求34的方法，进一步包括相对于维持偏振的光纤引出线的快或慢轴旋转地调准微透镜(microlense)。
36.根据权利要求34的方法，进一步包括相对于维持偏振的光纤引出线的快或慢轴把微透镜(microlense)旋转地调准到5度的范围内。
37.一种使纤维光栅稳定的泵激光器，其中包括二极管激光器，它产生给光学抽运光纤放大器的光线；装有二极管激光器的模块壳体；维持偏振的光纤引出线，它穿过壳体壁延伸到靠近二极管激光器的出口面的位置终止，以便至少接收一部分它产生的光线；非维持偏振的光纤，它被光学耦合到维持偏振的光纤引出线上；以及被写入非维持偏振的光纤的光栅，它被用来影响从泵激光器发出的光线的频谱；其中光栅具有大约1.3％至2.3％的功率反射比，而二极管激光器的正面功率反射性大约4.0％到6.5％。
38.根据权利要求37的使纤维光栅稳定的泵激光器，其中光栅具有大约1.4％至2.0％的功率反射性，而正面功率反射性在激光器至光纤的耦合效率为70-75％时是4.5％至6.0％。
全文摘要
在维持偏振的光纤必不可少或者合乎需要的场合用来实现带光源的光栅的解决方案是在光栅和光源之间使用维持偏振的光纤。但是,光栅实际上被写入规则的或非维持偏振的光纤。维持偏振的光纤被拼接到非PM光纤上。因为这种拼接在商用元件中出现,所以它能在实验室条件下完成。
文档编号G02B6/42GK1367880SQ00808092
公开日2002年9月4日 申请日期2000年5月11日 优先权日1999年5月27日
发明者托马斯·C·杨 申请人:科英镭射通公司