用于生成超连续光谱的锥形光纤的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日2011年8月30日，申请号201180052592. 6(国际申请号PCT/ DK2011/050328)，发明名称"用于生成超连续光谱的锥形光纤"的中国专利申请的分案申 请。
技术领域
[0002] 本发明涉及锥形光纤及使用诸如拉制塔来制造这种光纤的方法。对光纤进行锥化 在多个系统中是有利的，例如，在生成超连续光谱（SCG)的系统中，根据本发明对例如非线 性光纤进行锥化相较于现有系统产生了显著的改进。
【背景技术】
[0003] 现有技术中，在所谓的拉锥站对光纤进行锥化，拉锥站为用于对已拉制的光纤进 行后处理的机器。典型地，光纤被剥去覆层、锥化并被再涂敷。典型地，这种光纤具有约为 0. 5米的最大长度。也可以在制备光纤的同时制备锥体，即作为拉制塔中的拉制过程的一部 分。由于控制拉制速度的绞盘被固有地构造为提供非常均匀的光纤直径，因而这些锥体较 长、而在短距离上难以控制。
【发明内容】
[0004] 如下文将要解释的，本发明提供了一种在拉制塔上形成锥体的新方法。借由本发 明，这种锥体被发现具有生成超连续光谱的特殊用途，这是由于发明人发现，锥体的可控 性、以及提供优选地结合有较短的逐渐变粗锥体（通常为〇.3m-lm)的较长锥体（通常为 I-IOm)的可能性对这一应用来说特别地有利。
[0005] 本发明的目的之一在于提供一种用于生成超连续光谱的锥形光纤，所述锥形光纤 包括能够沿所述光纤的纵轴传导光的纤芯区域、以及围绕所述纤芯区域的包层区域。光纤 包括布置在第一纵向位置和第二纵向位置之间的锥形段，所述锥形段包括具有第一长度L 1 的第一锥体段以及具有第二长度L2的第二锥体段，在第一长度L i上光纤逐渐变细至锥腰， 在第二长度L2上所述光纤逐渐变粗。所述光纤的特征沿所述第二锥体段的诸如大部分的 至少一部分上的平均梯度大于该特征沿所述第一锥体段的诸如大部分的至少一部分上的 平均梯度。
[0006] 在一个实施例中，根据本发明的光纤是中间产品。例如，在拉制塔上制备光纤，其 后在拉锥站中对其进行后处理。在一个实施例中，本发明涉及使用基于根据本发明的光纤 的光纤作为诸如超连续光谱光源的中间产品的系统。
[0007] 锥形段的第一纵向位置可定义为第一锥体段开始的位置，其中，即所述光纤的特 征开始缩小的位置。所述锥形段的第二纵向位置可定义为第二锥体段结束的位置，即所述 光纤的特征的值从其在锥腰段的值增大至由一段光纤基本保持的值，例如从第二锥体段至 所述光纤的输出端的这段光纤。在锥形段外侧，光纤的特征也可发生改变，例如在前-锥体 或后-锥体段，光纤的特征和尺寸可能大幅变化。在一个实施例中，前-锥体或后-锥体因 小于0. 5m而可被区分，例如小于0. 4m，例如小于0. 3m，例如小于0. 2m。在一个实施例中， 前-锥体或后-锥体通过长于例如0. 5m的大体非锥形的光纤与第一或第二锥体段隔开，由 此而可被区分，其中非锥形光纤例如大于lm，例如大于I. 5m。举例来说，非锥形光纤具有小 于每米2 %的梯度，诸如小于每米1 %，诸如小于每米0. 5 %。在一个实施例中，前-锥体被 认为是有效延伸第一锥体段长度的第一锥体段的一部分。在一个实施例中，第二锥体段的 末端被定义为光纤的特征比锥腰大幅增大（例如，用于有效耦合）的位置（见下文）。
[0008] 第一纵向位置可被定义为所述特征从其输入端的值向其在锥腰的值缩减一定比 率时所在的位置。该比率在约0%至约10%的范围内，例如在约1 %至约9%的范围内，例 如在约2 %至约8 %的范围内，例如在约3 %至约6 %的范围内。在一个实施例中，该比率等 于10%。在一个实施例中，该比率等于8%。在一个实施例中，该比率等于6%。在一个实 施例中，该比率等于4%。在一个实施例中，该比率等于2%。在一个实施例中，该比率等于 1%。在一个实施例中，该比率等于0.5%。
[0009] 第二纵向位置可被定义为所述特征从其在锥腰的值向其在光纤输出端的值增大 一定比率时所在的位置。在一个实施例中，该比率在约90%至约100%的范围内，例如在约 91 %至约99 %的范围内，例如在约92 %至约98 %的范围内，例如在约93 %至约96 %的范围 内。在一个实施例中，该增加比率等于90%。在一个实施例中，该比率等于92%。在一个 实施例中，该比率等于94%。在一个实施例中，该比率等于96 %。在一个实施例中，该比率 等于98%。在一个实施例中，该比率等于99%。在一个实施例中，该比率等于99. 5%。
[0010] 根据本发明的光纤可包括多个锥体，每一锥体具有锥腰，该锥腰为特征的局部最 小值。在本发明的说明书中，术语"锥腰"指的是沿着光纤、光纤的特征为其最小值的位置。 当该特征例如为光纤的横截面或直径，则锥腰可定义为锥体的最细点。在一个实施例中，锥 腰被定义为沿着光纤、光纤的特征为其最小值的位置，诸如锥体的最细点。
[0011] 术语"逐渐变粗（tapered up) "和"逐渐变细（tapered down) "并不旨在将本发 明的范围限制为光自第一纵向位置向第二纵向位置传播的情形。根据本发明的锥形光纤、 方法及拉制塔也涉及光自第二纵向位置向第一纵向位置传播的实施例，在该情形中，光纤 在第二锥体段中逐渐变细，在第一锥体段中逐渐变粗。然而，在一个实施例中光纤的应用被 限制为光自第一段向第二段传播的应用。
[0012] 术语"起始端"和"末端"仅用于描述锥形光纤的不同部分的纵向延伸，并不必要 地限制光传播通过光纤的方向。根据本发明的锥形光纤、方法和拉制塔也涉及光自末端向 起始端传播的实施例。例如对于根据本发明的拉制塔，可用来制备光纤，其中在短的逐渐变 细后进行长的逐渐变粗。然而，在一个实施例光纤的应用被限制为光自起始端向末端传播 的应用。
[0013] 这些注释对于术语"输入端"和"输出端"也是等同的，同样还有术语"输入段"和 "输出段"。然而，在一个实施例光纤的应用被限制为光自第一段向第二段传播的应用。
[0014] 在本发明的说明书中，术语"超连续光谱"指的是宽光谱信号。所说的超连续光谱 具有定义光谱下边界的"蓝边"和定义光谱上边界的"红边"。在氧化硅光纤中，蓝边可处 于300nm至600nm范围内的波长上，诸如在350nm至550nm范围内，红边可处于1300nm至 2400nm范围内的波长上，诸如在1600nm至2400nm范围内。在一个实施例中，蓝边处于小于 550nm的波长上，例如小于500nm，例如小于450nm，例如小于430nm，例如小于420nm，例如 小于400nm，例如小于380nm，例如小于360nm，例如小于340nm，例如小于320nm。超连续光 谱的谱宽可被定义为红边-和蓝边的波长之间的差。谱宽可大于l〇〇nm，例如大于150nm， 例如大于300nm，例如大于500nm，例如大于750nm，例如大于lOOOnm，例如大于1500nm，例 如大于2000nm，例如大于2500nm，例如大于3000nm。在一个实施例中，"蓝边"和"红边"被 定义为连续光下降至光谱密度低于5dBm/nm的波长，例如低于OdBm/nm的光谱密度，例如低 于-5dBm/nm的光谱密度，例如低于-lOdBm/nm的光谱密度，例如低于-15dBm/nm的光谱密 度，例如低于_20dBm/nm的光谱密度。在一些实施例中，超连续光谱可包括光谱中的降沉 (dips)，其中超连续光谱被认为跨过该降沉延伸。另一方面，输出还包括蓝边以下、一般具 有相对较低功率的谱线。这些谱线并不被认为是光谱的一部分。在一个实施例中，超连续 光谱在蓝边以上IOnm的波长上相较于蓝边具有更高的光谱密度，例如蓝边以上50nm，例如 蓝边以上l〇〇nm，例如蓝边以上200nm，例如蓝边以上500nm，例如蓝边以上lOOOnm。在一个 实施例中，这些谱线是多模的。在一个实施例中，仅有基本单（横）模被考虑为超连续光谱 的一部分。基本单模光是该波长上超过80%的光存在于光纤的最低阶模式中的光，例如超 过90%的光存在于最低阶模式中，例如超过95%的光处于最低阶模式中，例如超过98%的 光处于最低阶模式中，例如超过99%的光处于最低阶模式中，例如100%的光处于最低阶 模式中。
[0015] 在本发明的说明书中，术语"梯度"指的是每单位长度上所述光纤给定的特征的值 沿纵轴的变化，例如纤芯区域的横截面面积在每米上的变化。梯度由绝对值来表示，即没有 符号。对于变化率大体上不变的段，梯度可具有大体恒定的值。锥形段中，变化率可沿锥形 段而变化。这种情况下，梯度仍具有局部值。锥形段的平均梯度可为每单位长度上所测量 的锥形段的平均变化。在第一锥体段的一个实施例中，平均梯度被定义为所述特征在第一 纵向位置和锥腰的差除以所述第一锥体段的长度。相似地对于第二锥体段，其平均梯度被 定义为所述特征在锥腰和第二纵向位置的差除以所述第二锥体段的长度。
[0016] 本发明的目的之一在于提供一种用于SCG的锥形光纤，所述锥形光纤包括能够沿 所述光纤的纵轴传导光的纤芯区域、以及围绕所述纤芯区域的包层区域。在关于足以生成 SCG的长度的基本带宽上，适于SCG的光纤提供低损耗。该光纤包括布置在第一纵向位置和 第二纵向位置之间的锥形段，所述锥形段包括具有第一长度L 1的第一锥体段、在该长度上 光纤逐渐变细至锥腰，以及具有第二长度L2的第二锥体段、在该长度上所述光纤逐渐变粗， 其中L 2= y · L p y小于1。
[0017] 在一个实施例中，本发明的目的之一在于提供一种锥形光纤，其包括能够沿所述 光纤的纵轴低损耗地传导基带上的光的纤芯区域、以及围绕所述纤芯区域的包层区域。该 光纤包括布置在第一纵向位置和第二纵向位置之间的锥形段，所述锥形段包括具有第一长 度L 1的第一锥体段、在该长度上光纤逐渐变细至锥腰，以及具有第二长度1^的第二锥体段、 在该长度上所述光纤逐渐变粗，其中所述第一长度和所述第二长度的和LfL 2大于约0. 5m。
[0018] 在一个实施例中，本发明的目的之一在于提供一种包含根据本发明的锥形光纤和 栗浦源的超连续光谱光源。所述光纤的所述纤芯区域在所述光纤的输入端具有输入纤芯 面积A in，且在所述光纤的输出端具有输出纤芯面积Aciut，所述纤芯区域至少支持在第一波长 λ i上的光基模。栗浦源被设置为将栗浦光注入所述光纤的所述输入端的所述纤芯区域，所 述栗浦光具有光功率峰值P、中心波长λ 以及谱宽Λ λ。
[0019] 在一个实施例中，本发明的目的之一在于提供一种由至少包含第一材料的光纤预 制棒制备锥形光纤的方法，所述方法包含将所述光纤预制棒固定在预制棒夹具上，且相对 于拉制塔来布置所述预制棒夹具，其中拉制塔包含绞盘和能够加热所述光纤预制棒的至少 一部分的加热装置。该方法进一步包含以供料速度向所述加热装置供应所述光纤预制棒， 以及在所述加热装置中加热所述光纤预制棒的至少一部分。通过向加热的光纤预制棒的第 一端施加牵引力，以一线速度自该第一端拉制出光纤，所述牵引力由绞盘施加。绞盘提供加 速度和/或减速度，从而所述线速度经一较短时间间隔由第一线速度变至第二线速度，所 述第一线速度与所述第二线速度相差了 10%以上，且所述较短时间间隔小于约10秒。下文 讨论的关于产品和拉制塔的特征相同地应用于该方法。
[0020] 在一个实施例中，本发明的目的之一在于提供用于由至少包含第一材料的光纤预 制棒制备锥形光纤的拉制塔系统，所述拉制塔包括加热单元、预制棒夹具、供料单元以及绞 盘。预制棒夹具能够固定光纤预制棒的第二端，供料单元能够相对于所述加热单元以供料 速度移动所述预制棒夹具，其中加热单元能够加热所述光纤预制棒的至少一部分。绞盘向 所述光纤预制棒的第一端施加牵引力从而以一线速度自所述光纤预制棒的所述第一端拉 制出光纤，其中所述绞盘能够提供加速度和/或减速度，从而所述线速度经一较短时间间 隔由第一线速度变至第二线速度，所述第一线速度与所述第二线速度相差了 10%以上，且 所述较短时间间隔小于约10秒。
[0021] 在一个实施例中，本发明的目的之一在于提供用于由包含至少第一材料和至少第 一组气孔的光纤预制棒来制备锥形光纤的拉制塔系统，所述拉制塔包括加热单元、预制棒 夹具、供料单元、绞盘以及用于对所述第一组气孔加压的压强控制系统。预制棒夹具能够固 定光纤预制棒的第二端，供料单元能够相对于所述加热单元以供料速度移动所述预制棒夹 具，其中加热单元能够加热所述光纤预制棒的至少一部分。绞盘向所述光纤预制棒的第一 端施加牵引力从而以一线速度自所述光纤预制棒的所述第一端拉制出光纤。压强控制系统 包括第一腔室和通过流动通道连接所述第一腔室和第一组气孔的流动系统，所述压强控制 系统包括用于对所述第一腔室增压的栗，所述流动系统包括在第一时间段At 1内打开的开 /关阀，当所述阀打开时所述腔室与所述第一组气孔流体接触，其中Λ h小于约10秒。第 一腔室作为缓冲存储器，有利于在开/关阀打开时在流动系统中进行快速的压强调节。
[0022] 在一个实施例中，本发明的目的之一在于提供用于由包含至少第一材料和至少第 一组气孔的光纤预制棒来制备锥形光纤的拉制塔系统，所述拉制塔包括加热单元、预制棒 夹具、供料单元、绞盘以及用于对所述第一组气孔加压的压强控制系统。预制棒夹具能够固 定光纤预制棒的第二端，供料单元能够相对于所述加热单元以一供料速度移动所述预制棒 夹具，其中加热单元能够加热所述光纤预制棒的至少一部分。绞盘向所述光纤预制棒的第 一端施加牵引力从而以一线速度自所述光纤预制棒的所述第一端拉制出光纤。压强控制系 统能够在第一时间段Λ 内以第一系数改变被布置为与所述第一组气孔流体接触的体积 中的压强，其中At1小于约10秒。
[0023] 在一个实施例中，锥形特征选自下述特征的组：纤芯区域的最大横截面尺寸、纤芯 区域的横截面面积、包层区域的最大横截面尺寸（例如包层区域直径）、包层区域的横截面 面积、光纤的最大横截面外部尺寸、光纤的横截面面积、微结构光纤中单元的最大横截面尺 寸以及微结构光纤中单元的格子间距。
[0024] 在逐渐变粗段和逐渐变细段中可同时改变光纤的数个特征。例如，在光纤逐渐变 细时，纤芯区域的直径和光纤直径同时减小。一些情况下，一些特征独立于其他特征而发生 变化，例如在逐渐变细段光纤直径可大致相同，而纤芯直径减小。例如通过在制造锥形光纤 的过程中对光纤预制棒中的气孔加压来实现这种结构。
[0025] 在本申请中，诸如纤芯区域的光纤区域的"最大横截面尺寸"这一术语指的是该区 域的圆形横截面的直径、或外切于该区域的非圆形横截面的圆的直径。因而，圆形形状的纤 芯区域的最大横截面尺寸可能为纤芯直径，圆形形状的包层区域的最大横截面尺寸可能为 包层直径。在具有诸如椭圆形状的纤芯区域的光纤中，纤芯区域的最大横截面尺寸可以是 纤芯区域沿描述该纤芯区域的椭圆的长轴上的横截面长度。
[0026] 在一个实施例中，所述特征在所述第二锥体段的主要部分（即，至少为长度的 50% )上的平均梯度大于所述特征在所述第一锥体段的主要部分（即，至少为长度的 50%)上的平均梯度。所述第一锥体段中逐渐变细的所述特征可具有第一平均梯度G 1，而 所述第二锥体段中逐渐变粗的所述特征可具有第二平均梯度G2，其中G1= X *G 2, X小于1， 例如小于约0. 90,例如小于约0. 8,例如小于约0. 7,例如小于约0. 6,例如小于约0. 5,例如 小于约0. 4,例如小于约0. 3,例如小于约0. 25,例如小于约0. 2,例如小于约0. 15,例如小于 约0. 1，例如小于约0. 05,例如小于约0. 02,例如小于约0. 01，例如小于约0. 005,例如小于 约0. 002,例如小于约0. 001，例如小于约0. 0005。
[0027] 在一个实施例中，特征的GjP /或G2可小于约每米150%，例如小于每米100%，例 如小于每米100%，例如小于每米75%，例如小于每米50%，例如小于每米25%，例如小于 每米10 %，例如小于每米5 %，例如小于每米2 %，例如小于每米1 %，例如小于每米0. 1 %。 在一个实施例中，匕和/或G 2可大于每米0. 1 %，例如大于每米1 %，例如大于每米2%，例 如大于每米5%，例如大于每米10%，例如大于每米25 %，例如大于每米50 %，例如大于每 米75%，例如大于每米100%，例如大于每米150%。
[0028] 在一个实施例中，以长度来测量特征，例如纤芯的最大横截面尺寸或微结构光纤 中单元的格子间距，GjP /或G 2可小于约300 μ m/m，例如小于约200 μ m/m，例如小于约 150 μ m/m，例如小于约100 μ m/m，例如小于约50 μ m/m，例如小于约20 μ m/m，例如小于约 15 μ m/m，例如小于约12 μ m/m，例如小于约10 μ m/m，例如小于约8 μ m/m，例如小于约6 μ m/ m，例如小于约4 μ m/m，例如小于约2 μ m/m，例如小于约1 μ m/m，例如小于约0. 5 μ m/m，例如 小于约0. 2 μ m/m，例如小于约0. 1 μ m/m，例如小于约0. 05 μ m/m，例如小于约0. 01 μ m/m，例 如小于约0. 001 μ m/m。
[0029] 同时，第一平均梯度GjP /或G 2可大于约0· 001 μ m/m，例如大于约0· 01 μ m/m， 例如大于约〇. 1 μ m/m，例如大于约0. 2 μ m/m，例如大于约0. 5 μ m/m，例如大于约1 μ m/m， 例如大于约I. 5 μ m/