雙纖衣光纖

雙纖衣光纖(double-clad fiber; DCF)為各類光纖中之一種結構，圖 2- 1 為雙 纖衣光纖端面結構圖，中心為纖心(fiber core)，包覆於纖心之內層結構即為內層 纖衣(inner cladding)，於內層纖衣與最外層包覆的保覆層(jacket)及為外層纖衣 (outer cladding)。

圖 2- 1 雙纖衣光纖端面結構圖

藉由調整內層與外層纖衣折射率來達到不同用途，圖 2- 2 為光纖截面折射 率分布圖 [2]，在圖(a)中可以看到內層纖衣折射率低於外層纖衣，信號光源傳遞 於纖心中，內層纖衣與外層纖衣來調變色散效應，可利用於光纖通訊中，以減少 資訊傳遞失真；圖(b)之內層纖衣折射率高於外層纖衣，此種結構於 1989 年應用 在高功率光纖雷射與放大器中 [3]，通常於纖心中摻雜增益介質，其傳遞信號光 源與被放大光源，而幫浦光源傳導於纖心與內層纖衣中，將信號光放大之用。在 高功率光纖雷射的工作機制中，又以內層纖衣幫浦雷射技術為目前的主流技術，

將幫浦光源耦合至一雙纖衣光纖之內層纖衣中，不僅可接受之入射角度較廣以及

數值孔徑(numerical aperture; NA)大等特性，可增加耦合之幫浦光源之效率與雷 射輸出。

(a) (b)

圖 2- 2 光纖截面折射率分布圖, (a)色散補償雙纖衣光纖, (b)高功率光纖雷射與 放大器。

圖 2- 3 為內纖衣幫浦雷射機制之示意圖 [2]，圖中低亮度(brightness)幫浦光 源由雙纖衣光纖左側入射，由於內層纖衣的具有較大的數值孔徑值，可接收大角 度與大範圍之入射區域，當幫浦光源於光纖內層纖衣傳輸的同時，摻雜增益介質 之纖心將吸收傳輸於內層光纖衣的幫浦光源而產生雷射訊號光源，雷射訊號光源 將藉由選定之雷射共振腔條件，由光纖端面之纖心的部分輸出雷射模態單一且高 亮度之放大信號光源。

圖 2- 3 內纖衣幫浦雷射機制示意圖 [2]

高功率半導體光源幫浦之光纖雷射技術於近年中有許多突破性的發展，如圖 2- 4 所示以連續波(continuous-wave; CW)之輸出光源為主之高功率光纖雷射[4-11]，由 1990 年代末期約數十瓦輸出至 2010 年可達萬瓦等級輸出。

圖 2- 4 光纖雷射連續輸出功率演變圖 [1]

雖然半導體雷射陣列與半導體陣列堆疊雷射能有以上之優點，但還是有些許 (diode-pumped soild-state laser; DPSSL) [13]。於近年中，利用半導體雷射陣列等 高功率輸出雷射做為幫浦光源之系統架構日益增加，應用於增益介質的摻鐿光纖 亦或是圓形出光場型(circular shape)，以端面耦進我們的光纖內層纖衣中達成內 層纖衣幫浦之機制。

圖 2- 5 為不同之內層纖衣幫浦端面耦光之光學系統設計，圖 2- 5(a)為光束扭 轉耦合器(beam twister couplers)之技術 [14]，由半導體雷射陣列出光，先經由一 顆快軸微型聚焦透鏡(fast-axis collimator; FAC)及特殊設計之光束扭轉陣列器 (beam twister array)將光源之橫向出光長度縮短，再經光路設計將光源會聚至光 纖之內層纖衣中；圖 2- 5(b)為微型步階鏡(micro-step mirrors)之技術 [15, 16]，架 構主要是將光半導體雷射陣列光源出光後入射至一步階鏡(step mirrors)中，藉由