專利名稱：大模面積、多模混合光纖以及使用該光纖的裝置的制作方法
大模面積、多樣'^^光纖以及^^l該光纖的裝置
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)是2006年12月5日申請(qǐng)的、共同待審的申請(qǐng)?zhí)枮镴NU1/633999、題 目為"Gain-ProducingjLarge Mode Area^Multimode^Hybrid Optical Fiber and Device Using Same"的專利申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)。
該申請(qǐng)同時(shí)要求2005年12月16日申請(qǐng)的、臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)枮閃2.60〃50967、 題目為"Rare-Earth國(guó)DopedJLarge-Mode-AreaJV[ultimodejHybrid Optical Fibers and Devices Using Same，!^>^b^o
絲領(lǐng)域
本申請(qǐng)涉;sjt纖，尤其涉及用于高功率光放大器或激光器應(yīng)用中、提高耦 ^^效率的大模面積、多g纖。
背景狀
由于高性能和^^效率，稀土#^光纖放大器(REDFA)，特別是W^ 光纖狄器(EDFA)廣J^WM"英光纖ife^訊系統(tǒng)中，例如，i^呈傳錄 CATV應(yīng)用中。稀土M光纖(REDF)，尤其是^#^光纖(EDF)的改iB更 計(jì)和優(yōu)化已^il些應(yīng)用中起了重要的作用。尤其是在限制^^并控制粉 布的設(shè)計(jì)，使得能夠在中^^功率水平實(shí)現(xiàn)光的有效低噪聲放大。另一方面， 對(duì)于高功率應(yīng)用，大模面積(LMA)光纖降低了信號(hào)密度，因此減少了有害的 非幾性影響，并且，加了泵浦吸il^:率。高功率REDFA輛土絲光驟 光器(REDFL),尤其是那些^M鐿，光纖(YDF)的^器，除了傳統(tǒng)的 通訊產(chǎn)B卜還具有很多應(yīng)用。例如，將高功率的LMA、 YDF應(yīng)用在切割和焊 接、激光測(cè)i 沐目標(biāo)4旨示、醫(yī)學(xué)應(yīng)用和污染檢測(cè)以及自由空間通信(例如衛(wèi)星 之間)等。
LMA光纖的光學(xué)棒性敏感iik^于^^折射^^布的細(xì)節(jié)。常i x4明， 期望的LMA光纖的基漠M2非常接近1.0，這^5M"J^的光場(chǎng)形狀非常接
近高斯分布，i^i因?yàn)槔w芯內(nèi)部的^折射4^布l^上均勻；即，在纖芯的 躺截面中折射^^布^J^上均勻的。]\12 ^和真正高斯函數(shù)之間的相
似度。更M地，對(duì)于具有高斯形狀的模M、1.0，對(duì)于所有其它模場(chǎng)形狀 MVl.O。非常接近于1.0的M2便于^^員耗的ife^，而JUC自光纖的;5fe^^可被 有皿準(zhǔn)JJMl被緊密地聚焦成衍^fel限;to。然而，由于在臨近縱軸的折射 ^^布呈現(xiàn)下陷趨勢(shì)(^ML為"中心下陷(center dip )"或"淑L(burnoff)")， 所以制造具有理想基漠(M2 = 1.0)和均勻纖芯折射4^布的LMA光纖是困難 的。而且，^i^M2非常接近1.0的LMA光纖比具有類似纖芯直徑^a;殳有明 顯中心下陷的J^^t纖，呈現(xiàn)出較小的有效區(qū)^因而對(duì)于不期望的光學(xué)非 線性的更低的閾值。*^，當(dāng)LMA鉺EDF的纖芯躺折射^^布Ai4^I勻
的并且其絲M2非常接近于1.0時(shí)，^i^^^纖芯夕h^區(qū)域之間具有相對(duì)小
的交疊。因此，！^r能經(jīng)歷^uuc率而高i^樹能經(jīng)歷不期望的狄。
盡管前面的討論重點(diǎn)在LMA REDF，在多方面它可等同地應(yīng)用到以下光 纖(i)以其它增益產(chǎn)生(gain-producing)物質(zhì)絲LMA光纖，例如4^雜， 以及(ii)不以任何增益產(chǎn)生物質(zhì)摻雜的LMA光纖。在后一情形中，例如該 LMA光纖可包，益產(chǎn)生光纖(GPF)或其它裝置的M纖(pigtail),或者 它可以簡(jiǎn)單地是M多M^大器的^^級(jí)的光纖段。
因此，賄^M^中需^"種具有提高的光學(xué)^^效率的LMA光纖。 同#^需^-~種適合高功率光纖;^器^^器應(yīng)用的LMA M。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明一方面， 一種LMA光^^g&l^其纖芯區(qū)域內(nèi)支持多微的 信號(hào)發(fā)射。這種光纖是一種包含至少兩個(gè)具有明顯不同特性的軸向分段的^^ 設(shè)計(jì)。在第一軸向分段中，纖芯內(nèi)部的躺折射^^布徑向不均勻，絲點(diǎn)是 折射率有徑向的下陷。第一分段支持多于一種的,。在第二油向分段中，纖 芯內(nèi)部的^折射^^布比第一分段中的更均勻。這兩個(gè)分m熱^目J^。 在一實(shí)施例中，這兩個(gè)分mit^三分段絕熱^目i^合，該分段不必(但也 可以是)是增益產(chǎn)生光纖。作為例證，第二分^R^便于與其它組^^的光纖 的終端部分。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，在第一分段中M,Vl.O，在第二分段中M2、〈M 。在-H^實(shí)施例中，1\!12 1.0并且]\122~1.0。
在另一實(shí)施例中，該LMA光纖^^到一it^短插芯(stub)中。


通過(guò)下面結(jié)合相應(yīng)附圖的更詳細(xì)地描述，本發(fā)明和^^t特^優(yōu)點(diǎn)可被 更容易itk^，其中
圖1 ;UiL^a術(shù)的REDFA的示意圖方塊；
圖2是才娥本發(fā)明一實(shí)施例，示出一輸入分敬12i、 一絕熱M^^段12a和 "^氐M2終端分段12t的LMA光纖12，的示意圖3是^^本發(fā)明的另一實(shí)施例，額夕卜地示出i經(jīng)在一對(duì)絕熱^^段12a2 和12a3之間的另一低M2分段12m的LMA光纖12";
圖4A是一 LMA光纖沿^"播軸的截面視圖的示意圖4B是才娥本發(fā)明的另一實(shí)施例，圖4A中所示LMA光纖的終端分段的 才^4斤射^^布示意圖4C是才娥本發(fā)明的又一實(shí)施例，圖4A中所示LMA光纖的輸A^段的 橫向折射率分布示意圖，示出了在纖芯區(qū)域中心或靠近中心位置處折射率分布 的明顯下陷。
圖4D是圖4C中纖芯區(qū)域的折射^^布中明顯下陷的iUc視圖5是一i更計(jì)光纖(曲線5.1 )、 一熱處理過(guò)的光纖(曲線5.2)和一均勻階 躍折射率(step index)光纖(曲線5.3)相對(duì)于徑向位置的纖芯^g:的^階躍 折射率步幅(step) (An)曲線；
圖6是-"i殳計(jì)光纖(曲線6.1 )、 一熱處理過(guò)的光纖(曲線6.2)和一均勻階 躍折射率光纖(曲線63)的1^模(LPM)的歸一4匕光學(xué)密度曲線；
圖7是與圖5中的光^1H殳計(jì)中的設(shè)計(jì)光纖(曲線7.1)和理想均勻階^Jt纖 (曲線73)的^i^a^M斤射^^布之間的交疊相比，帶有明顯中心下陷的光纖 甜目對(duì)徑向位置具有均勻階躍折射率的光纖的歸-H匕光學(xué)密度曲線；以及
圖8是，本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例,^^到光纖短插芯的一LMA "^^光纖 截面視圖的示意圖。
^itjW狄器結(jié)構(gòu)
如圖1所示，典型的光纖放大器10包含GPF 12,它光學(xué)i^k^-"^^裝 置14和-H^I裝置20。在電信應(yīng)用中裝置14是一ifc^J^J器；在高功率的非 電信應(yīng)用中它被用作一泵浦合束器。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，下文中將以高功率非電信應(yīng)用 為背景對(duì)本發(fā)明進(jìn)4彌1秘'IW中，泵浦合束器14 ^-ibir入信號(hào)源16 和一光學(xué)泵浦源18的輸出信號(hào)^^到GPF12中。該輸入信號(hào)源16產(chǎn)生第一波 長(zhǎng)的ib^入信號(hào)，該輸入信號(hào)通過(guò)-^fit^纖22 ^^到泵浦^^束器14的輸入 端，而泵浦源18產(chǎn)生第二波長(zhǎng)的光泵浦信號(hào)，該光泵浦信號(hào)通過(guò)-^fit^纖24 ^^到泵浦^^束器14的另""^r入端。
;C^斤周知^^域中，泵浦信號(hào)在GPF12中產(chǎn)生粒子lt^轉(zhuǎn)，狄狄自 輸入源16的輸入信號(hào)。該iUe的輸入信號(hào)沿GPF12傳播到^^1裝置20中。在 高功率應(yīng)用中，該^ I裝置20可包括多種^^p的裝置或設(shè)備；例如另一光纖放 大器、it^jML器、透鏡系統(tǒng)、工件(例如用來(lái);tf^或切割)；然而在電信應(yīng)用 中，^^裝置20可以包括3b^t器、光調(diào)制器、ife^器或分束器、或終端裝 置工件。它們中的一些可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的狄纖連接器(未示出)^^到GPF12。
作為例證，輸A^源16A/生相對(duì)低功率的光腧入信號(hào)的'^6器，該M 入信號(hào)波M GPF12的增益產(chǎn)生物質(zhì)的放大范圍內(nèi)，而泵浦源18 "i^目對(duì) 高光功率(例如高于約150mW)泵浦信號(hào)的半^^jt^L管(LED)或LED 陣列，該泵浦信號(hào)的中心波^i，其產(chǎn)生輸入信號(hào)的所期望的放大。^^， GPF 12是一41#^光纖，信號(hào)源16產(chǎn)生中心波長(zhǎng)為約1080nm的輸入信號(hào)， 并JL^浦源18產(chǎn)生中心波長(zhǎng)約為915nm的泵浦信號(hào)，或可選的約975nm的泵 浦信號(hào)。^jfeilE需射旨出，^^就器同樣可用作泵浦源，但是艦LED特 別是LED陣列，因?yàn)閊^ILED可將更多的光悉量M^到光纖中。
盡管圖1中的ife^器描述了一種常用的共同傳播(co-propagating)的泵 浦配置(即泵浦信號(hào)和輸入信號(hào)通過(guò)GPF以同一方向傳播)，它同樣可以^^J 反傳播的配置(即泵浦信號(hào)和輸入信號(hào)通過(guò)GPF以相^t向傳播)。jH^卜，多 個(gè)M大器可以級(jí)聯(lián)朝剛，這是4^域一種公知的增大高功率多級(jí)系統(tǒng)的總增 益的方案。泵浦能量同樣可以被^JM^到GPF中。
此外，當(dāng)提^-"合適的/^p的光學(xué)諧鵬(例如 一對(duì)相互隔開(kāi);M的光 柵)時(shí)，該GPF ^i皆，的組合可用^^器。
齡LMA光^H殳計(jì)
才^&^s發(fā)明的一方面，如圖4A所示，LMAGPF12，包^-直徑為dc的纖 芯區(qū)域12.1，它由直徑為^的包層區(qū)域12.2所圍繞。按如下定^U^譯'大模面 秋，(LMA): LMA光纖的纖芯區(qū)錄^區(qū)^LSeJA^生充分大于"f^單 艦纖的有贈(zèng)面積的有鄉(xiāng)面積。例如，在波長(zhǎng)約1080nm處，"^t單模 光纖示例地具有約50nm2的模面積，而LMA光纖^M目同波長(zhǎng)處則具有約 100nm2的模面積。^fe^,在約1550nm的波長(zhǎng)處，耆通單;^t纖示例^"有 約80jim2的模面積，而LMA光纖^目同波長(zhǎng)處則可具有約160nm2的模面積。 歸這些例擬旨出在同一波長(zhǎng)LMA光纖具有單微纖兩倍的模面機(jī)但是取 決于LMAGPF的特別應(yīng)用和所期望的性能，其它的比^lL是適合的。
纖芯區(qū)域12.1的折射率大于M區(qū)域12.2的折射率，^4斤射率差為An。盡 管沒(méi)有示出，但可以知道&^可包括一內(nèi)部U仏)^Jr區(qū)錄夕h^^gr區(qū)域， 夕NP ^區(qū)域的折射^"f纖芯區(qū)#內(nèi)部^的折射R間。
在另一清形下，纖芯區(qū)^^區(qū)域配置成支持來(lái)自光源16 (圖1)在其 中傳^^r入信號(hào)發(fā)射的多^^Wt播。才N&本發(fā)明的一方面，GPF12，是^^光 纖，如圖2所示，它包括具有至少兩個(gè)具有不同棒性的軸向分坎也獄，例 如，通過(guò)LMA軸向絕熱^"段12a絕熱J^目5^^的LMA軸向輸入分段12i 和LMA軸向終端分段12t。 jH^卜該^^光纖12，可在^TA^ (未示出)、 輸出末端(如圖2所示)或兩端同時(shí)包^—LMA終端分l
更*#^，在一種衝醉中，終端分#輸入分段的不同的特性在于它們具 有不同的躺折射4^布，分別如圖4B和圖4C所示。通常終端分段12t的纖 芯區(qū)域內(nèi)部的躺折射^^布要》b^A^段12i的均勻。均勻^tA由例如分布 形狀的傅立葉變換的高頻^l:來(lái)財(cái)?shù)?。因此，其傅立葉變換帶有少量高頻分
量的分布被認(rèn)為比那些^f立葉變換中帶有更多高頻^J:的分布更均勻。簡(jiǎn)M 布相對(duì)均勻度的視覺(jué)X!i^通常與這種定量分析的結(jié)果一致；例如，圖4B示出終 端分段12t的纖芯區(qū)域內(nèi)部的分布JJtt^恒定的躺折射率，因^其傅立
葉變換中具有較少的高頻^i:,而圖4C示出輸A^段i2i的纖芯區(qū)域內(nèi)部的橫
向折射^^布呈現(xiàn)出明顯的中心下陷，因棘其傅立葉變換中具有更多的高頻
^*。因而，如圖4C所示，^T入分段12i中纖芯區(qū)域12.1的躺折射^^布
不是徑向均勻的；即，該折射^^布^j^j折射率在纖芯區(qū)域l2.1中心或靠近纖芯區(qū)域12.1中心的位置下降量值為And^tX現(xiàn)明顯下陷12.1d，如圖4D所 示。相比之下，^f端分段12t中，纖芯區(qū)域內(nèi)部的躺折射^^布更接近均 勻(或4圣向上為常數(shù))，如圖4B所示。
^卜，該輸入分段12i^CgeJ^支持多于一個(gè),。
在設(shè)i"H亥明顯的躺折射率下陷12.1d的特征時(shí)，微下陷^的幅紐該 不大于約An的100%, An即纖芯和包層的折射率差。An的大小取決于GPF的 增益產(chǎn)生摻雜以及^f可折射率^^摻雜，例如可被添加到纖芯和/或包層區(qū)域的 Ge、 P、 A1或F; #^來(lái)說(shuō)，在Yb,光纖中An ~ 0.005，而在Er:Yb，光 纖中An 0.01。扭目對(duì)的^LP艮情況下，下陷的幅度不應(yīng)小于An的約5%。該范 圍的下限主對(duì)緣充分?jǐn)_動(dòng)^^形狀使其脫離純高斯形狀的需要來(lái)確定如下所 述。另一方面，下陷的寬度或直徑dd應(yīng)該;ULh大于系統(tǒng)中^^光的^波長(zhǎng) (例如，大于典型地小于信號(hào)波長(zhǎng)的泵浦光波長(zhǎng))。勤目對(duì)的極P艮情況下，下陷 的最大寬度dd可等于纖芯區(qū)域12.1的直徑de， M型^bl約4/3。這些條件的 目的是^jfe能夠"看見(jiàn)"下陷產(chǎn)生的折射率中的擾動(dòng)(perturbation )。 W卜，盡 管該下陷被描繪成圓錐形的，錄它/U可形狀(例如柱狀)和妓雜的形狀也 可以適用。
在另一種賄中，終端分W^輸A^段的不同棒錄于它們的M2^lt相互 不同，其中]Vf定義了光纖的MI^有的與理想高斯函數(shù)的相似度，正如 RA.Belanger， Optical Engineering, VoL32,No.9， pp.2107-2109 (1993)中所
描述的，在比引用該文獻(xiàn)怍為參考。(盡管該論文中定義的1V2是對(duì)于階躍折射
率光纖的lpm絲，但是該定請(qǐng)所有的光^pr效，包括jft^t討絲、在其
躺折射^^布中具有中心下陷的辦)。特別地，輸A^段12i的棒性用械 M 表示，終端分段12t的棒性用械1\122表示，并且滿足下述不等式:M^1.0， M/s-mA在"H^實(shí)施例中，MiV〉1.0并且M22 1.0。理論上]\12可以任意 大，但是實(shí)際上GPF的M2典型棘過(guò)K M^10的范圍內(nèi)。而且，例如在 M22 ~ 1.0的情形下，M2 ~ 1.06典型地iM;是小的，而例如在Mi V〉1.0的', 下，M2 L3iM;狄的。
jH^卜，輸入分段12i^f端分段12t絕熱^目i^;例M過(guò)如圖2所示 的LMA絕熱分段12a。通常這樣的齡ll^微踏段以特定^^播的能量 不^M^到終端分段的其它鵬中，反之亦然。^^^/^的絕熱^^棘
^i殳計(jì)，包*^弄尖纖芯區(qū)域使其直徑沿輪^區(qū)^軸向上平滑地增大(或 減小)，或化學(xué)地分級(jí)摻雜^l使其密度沿耦合區(qū)^軸向上i^^f增加(或減 小)。在后一種情形中， 一種他逸的M包括(i)加熱GPF(例如使用常用的 點(diǎn)火器)以引絲纖中絲物擴(kuò)散，以及(ii)才娥點(diǎn)火器沿光纖的縱向位置控 制地改變施加到光纖上的熱量，以便獲得期望的摻雜物分布。例如參見(jiàn) H.Y.Tam， Electr.Le汰，Vol.27， No.17, pp.1597-1599 (1991 )，其v^bl皮引用作 為參考。
這些分段的M2 的設(shè)if^在R間^^絕熱i±>度的組合改善了>yJ^入 分m'j終端分m^的^，并J^^W少了到高,的^。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)AJiii^理甚J^缺少熔l^^ (一種典型的M不同 單才狄纖的賄凈t^手段)的',中也可應(yīng)用，例如，當(dāng)^^1合適的透絲透 鏡系#自由空間中實(shí)現(xiàn)GPF終端分^塊體(bulk)(非光纖)光學(xué)元件(例 如望遠(yuǎn)鏡)的齡時(shí)。
j^卜，現(xiàn)有的用于提高光纖和大^r光學(xué)元件之間的連接性能的技術(shù)可與 本發(fā)明相結(jié)合。例如，賄41^已知的、以與ife^播軸線成一小角度(典型的 為2。至10。)劈開(kāi)或打磨光纖端面，可充^^減少該端面的光學(xué)反紂。
在上面討論波長(zhǎng)范圍工作的本領(lǐng)^/z^p的典型的4 GPF中，纖芯區(qū)域 12.1摻雜至少一種增益產(chǎn)生物質(zhì)(例如，稀jUL素(如Er、 Yb、 Tb、 Tm、 Nd 和/或Pr)或鉻(Cr))以及一種或多種折射率妙物質(zhì)(例如Ge、 P或Al (以 增加折射率)或F (以減小折射率))。包層區(qū)域12.2可以是純石英，或也可以 絲。#^'沐說(shuō)，絲于所用的絲物，選##^7]<^4吏得纖芯區(qū)錄^區(qū) 域間的折射^^J^約0.005至0.01之間的范圍內(nèi)，如前面所討^，輸入分 段中的折射率下陷And大約和An為同一M。
而且，為了橫光纖支持多構(gòu)模，纖芯的直徑de例如大概為20nm。這種光 纖的夕卜徑do典型J4^約125nm至600jim的范圍內(nèi)。jJ^卜，很明顯輸a^段12i 為光纖12，總狄的主要片段，而終端分段12t是相對(duì)較小的分乾例:Jl^f端分 段^A小于約500iim，而輸A^^7lm或lkm"MJ:良
^，棉域^Mv員容易鄉(xiāng)，通?！穅i殳計(jì)可似用到LMA光纖；即， ^t益產(chǎn)生物質(zhì)(例如GPF)的LMA光纖和不包^t些的LMA光纖。更 *^地，這種LMA光纖可相Xi^接多^U^學(xué)放大器的各級(jí)或可包含GPF或其它裝置的M纖。在LMA光纖中缺少'fel擴(kuò)散的稀土摻雜物的情況下，光纖 應(yīng)該#^在加熱處理(下文中M細(xì)討論)時(shí)能夠足夠'fei擴(kuò)散的另一物質(zhì)， 以充郝成終端分段12t。
光雒止處理
如上面M的，高]Vf的LMA光纖可^部加熱以引^部地成小光纖的 ]\12的#^物擴(kuò)1將光纖加熱到足夠的溫度(例如將石英光纖加熱到接g超 過(guò)大概200(TC的熔IW^溫度)使得折射率改變的摻雜物充^T散，由此使得 光膽向折射率分布中的錄tt。這種絲物擴(kuò)M來(lái)抑制中心下陷、脊、 或其它增加基LP(^模M2的折射^^布特征。^L^發(fā)明的多種(妙A(yù)^斤有) 實(shí)^r式中，！^LPm模的MFD UM常規(guī)"Petermaimn"定義的^直徑) 實(shí)際上隨著熱引起的擴(kuò)散而減小。
在本發(fā)明中，所設(shè)計(jì)的LMA光纖被部分地加熱到高溫(對(duì)于石英光纖 1200。C)以引起餘物擴(kuò)散，該絲物擴(kuò)散抑制中心下陷、或其它提高光纖 的LP(h，的M2的折射^^布中的特征。圖5中的曲線5.1繪制了 Er: Yb摻 雜光纖的理^i殳計(jì)的光纖折射^^布，其初始MFD為13.4nm并且其初始M2 ~ 1.32。在該模擬的折射^^布中可見(jiàn)明顯的中心下陷。加熱這種石英光^fi殳計(jì)至 約2100。C約25秒修改了折射^^布(曲線5.2 )，使得;^的MFD為13Jnm 并iW刀始1\12*^低(改善)至約1.0。將這種4務(wù)改應(yīng)用到光纖12，(圖2)的終 端分段12t， M^地改善了進(jìn)出此辦的^^效率，而不管^^I了何種^"技 術(shù)(常用的熔l:fe^、連接器連接、自由空間輪^、 GRIN光纖透鏡，等)。相 應(yīng),LPM模場(chǎng)(密度場(chǎng))形機(jī)在圖6中繪制出。
W"這樹定例子，重要的是需要注意對(duì)于LPM絲中引導(dǎo)的給定量的 功率，本設(shè)計(jì)光纖的峰絲密;l^有熱處理;5W中"^t密度的約37y。。因此， 如果以如圖5繪制的^折射4^布(曲線5.1)設(shè)計(jì)LMA光纖，在該光纖的 ^"^以分段12t終止(該分段12t,部地?zé)崽幚硪砸鹑鐖D5 ^^J的擴(kuò)散 的折射率分布(曲線5.2)),那么大部分光纖中的峰M密度將相對(duì)較低，使得 不期望的非線性賦應(yīng)(例如受激布里淵絲或受激拉曼散射)的開(kāi)始閾 目 沖艮高。同時(shí)，由于終端分段12t的M2接近于1.0，光^f止點(diǎn)的^^效^ 會(huì)很優(yōu)異。期望僅#光纖的熱處理的終端分段的短(<約500阿)的區(qū)域內(nèi)提
高光密度。由于有害的非線性m皮與J^i密度和光纖分段的"ML^比例，因
^光纖的短的終端分段的范圍內(nèi)容忍炎高的光密度。
光纖終止處可以朋常規(guī)的驗(yàn)城行熱處理。如果光纖熱處理區(qū)域內(nèi)部
是劈開(kāi)或打磨過(guò)的，那么就可^^J自由空間齡(例如^MI常用的體透鏡(bulk lenses))以獲得與光纖LPM ^^的有^合，該光纖的設(shè)計(jì)的LP(n模場(chǎng)形狀 是非高卿狀的?？蒰，可把熱處麟*為修改的熔融結(jié)合過(guò)程的,分。
匹配圖6中的設(shè)計(jì)(#熱)光纖(曲線6.1)的MTD的高斯場(chǎng)之間的預(yù)期的 M^損失約為0/7dB，而對(duì)熱處理過(guò)的光纖(曲線6.2)的相應(yīng)的預(yù)^N員失 小于O.OldB。而且，超過(guò)10%的高斯能量將#^^到設(shè)計(jì)光纖中的不期望的
LPq2模中，而^^到熱處理光纖的LPo2模中的能量數(shù)不可測(cè)量。
為了確錄LMA光纖的熱處S^i臾計(jì)的區(qū)域之間的轉(zhuǎn)換區(qū)域中能量不從 LPm^&^^失，如上面討絲，應(yīng)使得該轉(zhuǎn)^l^f變和絕熱的。轉(zhuǎn)換區(qū)域內(nèi)折 射率分布的變化必須是沿其")^L方向非常漸進(jìn)的變化。當(dāng)通過(guò)加熱引起的M 物擴(kuò)W^產(chǎn)生轉(zhuǎn)換區(qū)域時(shí)，通過(guò)沿其狄 #到轉(zhuǎn)換區(qū)域的熱量可實(shí) 變的轉(zhuǎn)換，例如，通艦用寬的(也^i散開(kāi)的)熱源或沿轉(zhuǎn)換區(qū)域掃描較集 中的熱源。才娥5^技術(shù)的原理，究^L4JW可漸進(jìn)的改變，^于折射率分 布以及工作波長(zhǎng)的細(xì)節(jié)?？扇菀椎豝^基于折射^^布的數(shù)^^以和經(jīng)J^it程 優(yōu)化，以獲^f吏轉(zhuǎn)換損^L小的合適的加熱條降。
如上面所指出的，本發(fā)明可作為修改的;tt!lfe^iif呈的""^分來(lái)實(shí)現(xiàn)，該 熔l:^^i^，口到LMA光^另一光纖之間的界面處或界面附t M情
如圖2中的12t)的折射^^布，由jH^該終端分段中產(chǎn)生更有益的M2。同樣 已知，不可^ilk^有少量的相互擴(kuò)散在穿it^^h的軸向Ji^ LMA光纖進(jìn) 入其它，，同^^其它光纖iiA^ LMA光纖。已知這種穿ittg^^h 的相互擴(kuò)"tt^分?jǐn)帙ili4^t的絲系數(shù)，當(dāng)la^fit^t反饋敏感的光纖 裝置例如高功率光纖激光器時(shí)這^l:有益的。(見(jiàn)A.D.Yablon， "Optical Fiber Fusion Splicing", SpringerJNewYork(2005)，^Ejlb引用作為參考。)因jtt^發(fā)明也 育y^供減少LMA光^其它光纖之間的終端;tg^^h的^f系數(shù)這一附加 優(yōu)點(diǎn)。
>|^^域同樣已知，在一給定溫度下不同的化學(xué)#^物質(zhì)將以不同的速率 擴(kuò)散。已知光纖絲物，如氟、鋁、鉺和縱狄比鍺決，因此當(dāng)才緣上述的
用于實(shí)^^發(fā)明的才支術(shù)制i^其ii"f^物擴(kuò)散的IMA光纖時(shí)這些M物是 艦的。于是，錄可以是絲F或A1、或其兩者的非增益產(chǎn)生LMA光纖， 或者可以是MEr或Yb、或其兩者的增益產(chǎn)生LMA光纖，其也可育暖同時(shí) ^雜F或A1、或其兩者，it^HS玄光纖的特^用。
加工的局限同樣不可^# LMA光纖折射^^布中引入小的方位偏差。 這種方位的不均勻'樹常規(guī)的非LMA光纖的麟形狀具有可忽略的影響，但 是對(duì)LMA光纖，甚至是在折射^^布"艮小的方位不均勻(~0.0005)就可能 促使模的光密綠集在最高折射率的方位區(qū)中。當(dāng)缺的1^7環(huán)形時(shí)，如圖6
的曲線6.1,這種小的方位不均勻可產(chǎn)生月牙形而非環(huán)形的密yt^布。通常，方
^t稱的光信號(hào)和非方^t稱的光信號(hào)之間的M^是^^:率的。由于摻雜物擴(kuò) M纖的終端分度(例如圖2的12t)具有足夠的方W"，場(chǎng)，并JUt纖的非 方^J"稱部分(財(cái)散的)和方^t稱部分(擴(kuò)散的)之間的絕熱轉(zhuǎn)^"段(例 如圖2中的12a)可容易地荻得，因jtb^發(fā)明可減^il種問(wèn)題。
運(yùn)行理論
當(dāng)LMA光纖的1^的MVl.O時(shí)，其^^損失(自由空間或;^^) 增加，并iMt自光纖的基^^入信號(hào)難以緊密聚餑成小itj^^寸或難以準(zhǔn)直。 然而具有高的M2 (>1.0)^—定的優(yōu)點(diǎn)。特別地，其M^具有^A數(shù)值 M2的光纖典型M5W^的有M面積，以及因此比財(cái)相同纖芯直^雄M2 低的光纖的"^t^密度"IH氐。因此，具有高M(jìn)2的光纖對(duì)于例如SBS (受激布里 淵散射)和SRS (受激拉曼M)等不期望的光學(xué)非幾性的開(kāi)始呈現(xiàn)出較高的 閾值。除了皿點(diǎn)"卜，在LMA GPF情形中，具有高M(jìn)2的光纖(例如，由 于在纖芯區(qū)域折射率明顯的中心下陷，如圖4C所示用于輸AW分段12i)在
呈現(xiàn)好的交疊。因此，^^的i^:械高，并ilit過(guò):殳計(jì)具有高M(jìn)2的光; 可減小不期望的較高階^^的放大。
這些優(yōu),l在圖5至圖6中是明顯的，這些圖tb艮了^LMA光纖理ifei殳 計(jì)的M高的M2的光纖(曲線5.1、 6.1);理，均勻階i^4斤射率光纖，同樣 具有高的M2 (曲線5.3、 6J);以^熱處理減小了其]\12的光纖(曲線5.2、 6.2 )。它們的折射^^布在圖5中進(jìn)行》嫩，并且它們?cè)?550nm ^目應(yīng)的基 LPM^t密度在圖6中進(jìn)行HS^設(shè)計(jì)3W^階躍折射率iW的光纖密度在
光^^皮熱處理的部分已經(jīng)被歸"H匕成峰值密度，使得它們都^L出相同數(shù)量的 光功率。
更M地，該設(shè)計(jì)光纖，例如對(duì)應(yīng)于圖2中輸AJt纖分敬12i，在纖芯區(qū)域 橫向折射率中呈現(xiàn)明顯的中心下陷(如前面量化的)，由此具有提高的約132 的MM2甜目對(duì)大的約259nm2的有，面積。該設(shè)計(jì)光纖和均勻階躍折射率 光纖都AAn-0.01以及dc 20^im。但是，均勻階躍折射率光纖具有大約1.05 的，M2和減小的大約200nm2的有效面積。為了舉凈']說(shuō)明具有高M(jìn)2的光纖 的纖芯區(qū)域^f射^^布和密^^布之間的好的交疊，圖6 tb艮了這，些光纖的歸 一化光密妙布械射#布。
另一方面，^M"應(yīng)于例如圖2中的終端光纖分段12t的熱處理光纖中，熱處 理將M2從1.32改善(I^f氐)至約1.0,將有贈(zèng)面積從259nm2減少至139nm2， 將峰值光密度從大約0.37增加到1.0，并JL^不改變已知的"Petermann n"MFD(對(duì)于設(shè)計(jì)光纖和熱處理光纖都是約13.3nm)。作為t嫩，理想的均勻 階躍折射率分布的折射率分布#其對(duì)應(yīng)的歸一化密;^布同辨^^皮示出(曲 線5.3、 6.3)。
絲，圖7 t傲了上ii^合圖5-6描述的i殳計(jì)光纖(曲線5.1、 7.1)和理 想均勻階躍折射率光纖(曲線5,3、 7.3)的^^f^斤射^^布之間的交疊。折 射^^布和光密;t^別被歸一化。圖7表明階躍折射率M的纖芯區(qū)^HIS的 大部分經(jīng)歷相對(duì)低的光密度，而設(shè)計(jì)光纖的較大部分經(jīng)歷較高的光密度。因此 設(shè)計(jì)光纖^^和增益產(chǎn)生絲物之間有缺的交疊，這:t^M該設(shè)計(jì)光纖
可選的實(shí)施例
可以3￡^上述的布置僅僅#^說(shuō)明多種可能的特定實(shí)施例，這些實(shí)施例被 設(shè)計(jì)以扇JL^發(fā)明構(gòu)思的應(yīng)用。才娥這些構(gòu)思^4頁(yè)域^MCA員在不脫離本發(fā)明 ##和范圍的情況下，巧3殳計(jì)出大量的、變4匕的其它布置。
特別地，如圖3所示，LMA光纖12，，可包括位于光纖上除LMA終端分段 12t ^t光纖^5ML間的位置處的LMA中間分段12m，該LMA終端分段12t 通過(guò)LMA絕熱齡器12ai絕熱iik^^到輸A^段12i。中間分段12m同樣絕 熱Ak^^到輸入分段12i，例M過(guò)LMA絕熱^^器12a2和12a3。 4^f端分段 12t—樣，中間分段12m具有一J^^M2,它小于輸A^段12i的M2并且優(yōu)
選接近l.O。這樣的中間分段12m的一種應(yīng)用是濾掉不tt的高M(jìn)^。
W卜，盡管已結(jié)合規(guī)大器應(yīng)用的背景描述了本發(fā)明，^U頁(yè)域技權(quán)員可 容易的認(rèn)識(shí)到，其應(yīng)用可擴(kuò)^'J需^^到GPF的^^設(shè)備(例如，光^bt 器)。
而且，絕熱*區(qū)域，例如圖2中的M器12a，不必是GPF。它可以簡(jiǎn) 單的是不^Ha可增益產(chǎn)生物質(zhì)的光纖分段，但勒以于踏分段12i那樣在折射 率分布中設(shè)有中心下陷。該分段可按已知的樣式設(shè)計(jì)，如上面所討輛，以便 在分段12i和12t之間提供絕熱轉(zhuǎn)換。實(shí)際上，正如前面所述，根旨定的應(yīng)用， 圖2和圖3中的^Nt纖12，和12"可以是不包^t益產(chǎn)生物質(zhì)的LMA。
最后，在圖8中#^說(shuō)明本發(fā)明的一實(shí)施例，其中混合LMA光纖通過(guò)自由 空間耦合到^^1裝置上。更*#地，光學(xué)設(shè)備80包括^^到iW短插芯84上 的一濕合LMA光纖82,該光纖短插芯84然后通過(guò)自由空間^^到-^捐裝置， 例如一it鏡(或透鏡系統(tǒng))86。后者當(dāng)然可以將短插芯84的的輻射(光)輸出 耦合到另一使用裝置(未示出)。在這點(diǎn)上，熔融接合優(yōu)于對(duì)接耦合(butt coupling )。
如上面參照?qǐng)D2描述的，^^LMA光纖82包樹目互^iU的輸入分段 82i，絕熱分段82a以及終端分段82t。如顯微圖83和85所示，輸A^段82i 內(nèi)的麟是非高鄉(xiāng)式的，而^f端分段82t內(nèi)的麟^^J^高維式的。
通常，短插芯84的折射率在^f可軸向橫截面內(nèi)(或上)都Ai4Ui均勻的 (即，恒定的)。歸不是必須的，^fS^型iik^的是，短插芯84的折射率從 一個(gè)軸向滅面到另一軸向滅面^i均勻的。例如，短插芯84包^-典型長(zhǎng) JL^ ~500pm的無(wú)纖芯石英iW。
在工作過(guò)程中，終端分段82t中產(chǎn)生的高，式(顯微圖85) iiAM插芯 84， ^jH^波前87.1通過(guò)衍射在空間擴(kuò)l當(dāng)該模i(^i插芯84的輸出絲發(fā) 出時(shí)，其波前87.2為絲的球面并且由此與例:itoit:鏡86的"tit體光學(xué)元件相兼 容。后者產(chǎn)^J^平面的波前87丄它^M^到一甜的^^J裝置(未示出)。
圖8的實(shí)施例U逆的，因?yàn)樵谄渲泄饪梢园措p箭頭81和89所指的^-方向，通it^Na^H^^播。即，光可以^^到LMA光纖82, 40^ydt鏡86射 出，或射目狄，it^可以^Ait:鏡86中，^減纖82射出。
^^，光纖82和短插芯84以妨礙在它們之間的界面產(chǎn)生高密;tJto的
形^目J^。(^ii一點(diǎn)上，熔l^^于對(duì)^M^)。已知絲續(xù)成塊(bulk) 材料中固有的損害光密度閾值遠(yuǎn)tb^自由表面的高。而且任何自由表面是潛在 的污染位置，它可用作為光學(xué)損害的皿位點(diǎn)。因此^i插芯84保iiE^大的光密 JL^在塊體內(nèi)部獲得，例如在光纖82和短插芯84之間的界面處，jH^bl不受 污染的并Jjth處的固有的光學(xué)損害閾^UL大的。見(jiàn)RJVLWood,"Laser-Induced Damage of Optical Materials, "Institute of Physics Publishing, Bristol&Philadelphia (2003), /j5EjHl引用該文獻(xiàn)作為參考。
權(quán)利要求
1、一種多橫模光纖，包括纖芯區(qū)域，所述纖芯區(qū)域的軸向橫截面具有橫向折射率分布，與所述纖芯區(qū)域相臨的包層區(qū)域，所述纖芯區(qū)域和所述包層區(qū)域被配置成在所述纖芯區(qū)域內(nèi)支持多橫模的光信號(hào)發(fā)射，所述光纖包括第一軸向分段，其中所述折射率分布在徑向不是均勻的，特點(diǎn)是折射率有徑向下陷，所述第一分段支持一種以上所述的橫模，所述光纖具有光學(xué)地耦合到所述第一分段的第二軸向分段，所述第二軸向分段的折射率分布比所述第一分段的折射率分布更均勻，以及所述兩分段絕熱地相互耦合。
2、 N5U'虔求1的光纖，其中所鄉(xiāng)一分段的沐泉用械M,表示，所述 第二分段的沐泉用械M 表示，其中M2定^J斤iiiW的l^^理想高斯函 數(shù)的相合復(fù)，并且其中M^1.0， M2、〈M 。
3、 》wM'J^求2的光纖，其中1V^V〉1.0， M22~1.0。
4、 :N5U'澳求1的光纖，其中所錄一分段包括所i^W狄的主輛分， 所錄二分段,斤iiiW的終端部分。
5、 々^U'虔求4的光纖，其中所i^iW包括光學(xué)M^到所^一分段的第 三軸向分段，所^三分段的所述折射^^布比所i^一分段的折射^^布更 均勻并，熱地與所^"-^^^，所i^二分段位于所^"^"段的一端， 所i^三分段位于所鄉(xiāng)一分段的相對(duì)一端。
6、 d^，虔求l的光纖，其中所述纖芯區(qū)域的所述折射^^布呈^"射率 下陷And，它大約為所述纖芯區(qū)域和所述^區(qū)域之間橫向折射率之差A(yù)n的 5-100%。
7、 ^f5U']^求l的光纖，其中光,己狄以^^^播所述信號(hào)發(fā)射。
8、 :iH5U，jJ^求1的光纖，其中所^一分段包括所i^^1H^L的主JMP分， 所i^二分段^^所iiiW的中間部分。
9、 ftwM，漆求l的光纖，其中所述纖芯區(qū)J^包層區(qū)域il賴己置為構(gòu)成大模 面積光纖。
10、 fc^U，漆求9的光纖，其中所述大模面積光纖&^t益產(chǎn)生光纖。
11、 MW漆求9的光纖，其中所述大模面積光纖^fe^纖。
12、 一種光^fi殳備，包拾才^^U'JJ^求10的光纖，用于響應(yīng)施加到其上的光泵浦能:1* ^斤述信 號(hào)發(fā)射，以及齡到所狄纖一端的光纖短插芯，該光纖短插芯艦M衍射在所艦 插芯中傳播的it^L射。
13、 N5U'j^求12的設(shè)備，其中所ii^插芯包括無(wú)纖芯光纖。
14、 ^'J^求12的設(shè)備，其中所itM插芯的折射率在該短插芯的^r軸 向自面內(nèi)差4Ul;lL均勻的。
15、 ft^U'JJNU4的設(shè)備，其中所i^M插芯的折射率從該短插芯的一軸向 構(gòu)戴面到另 一軸向員面^^上是均勻的。
16、 一種it^L器，包拾才^^U'J^求10的光纖，用于響應(yīng)于;^到其上的光泵浦能:1*^斤述信 號(hào)發(fā)射，所i^浦能量的源，以及*器，用于將所^浦能量和所it^信號(hào)^^到所^纖中。
17、 ^M，涹求16的狄器，其中所iM6信號(hào)具有第一中心波長(zhǎng)，并JL^斤 ^浦能量的源包括用來(lái)產(chǎn)生具有第二中心波長(zhǎng)的光泵浦信號(hào)的^^光源。
18、 一種高功率M大器，包舍 多,、大模面積^^iW，其^t絲至少一種增益產(chǎn)生物質(zhì)的纖芯區(qū)域，所錢芯區(qū)域的軸向麟面 具有,斤射粉布，所述纖芯區(qū)^Cg&5^響應(yīng)于;^p到其上的光泵浦能量，放;U^其中 傳播的艇入信號(hào)，與所述纖芯區(qū)樹目鄰的包層區(qū)域，所述纖芯區(qū)錄^區(qū)^S己置絲所述纖芯區(qū)域內(nèi)支持多鵬的光 信號(hào)發(fā)射，所狄纖包括第一軸向分段，其中折射^^布在徑向不是均勻的，特 點(diǎn)是折射率有徑向下陷，所鄉(xiāng)一分"RiL持""^t以上所述的微， 所述光纖具有光學(xué)地耦合到所述第一分段的第二軸向分段，所述 第二軸向分段的所述折射率分布比所述第一分段的折射率分布更均勻，所述兩分段絕熱地相互耦合，以使得在所述第一分段中以特定橫模傳播的能量不顯著地耦合到所述第二分段中的其它橫模中；以及所述第一分段的沐泉用錄M 表示，所鄉(xiāng)二分段的特點(diǎn)用錄 M 表示，其中M2定:5^斤狄纖的^^理想高斯函數(shù)的相合嫂，以及其中， ]V^Vl.0以及]\122 1^12,所鄉(xiāng)二分段位于所i^一分段的輸入端或輸出端處， 或位于該輸入端和輸出端兩者處，LED，用于以不同于所it^信號(hào)的中心波長(zhǎng)的中心波長(zhǎng)產(chǎn)生所i^泵浦能 量，以及泵浦合束器，用于將所i^浦能量^^到所it^纖中。
19、 iwM'J要求18的放大器，其中1V^V〉1.0， M22~1.0。
20、 如權(quán)矛JJNU8的放大器，其中所述纖芯區(qū)域的所述折射^^布呈5U斤 射率下陷And，它大約為所述纖芯區(qū)^所述^區(qū)域之間^折射^L;lAn 的5~100%。
21、 4^U'〗要求18的狄器，還包括^^到所狄纖一端的光纖短插芯， 并且該光纖短插芯^S己XA衍射在所iiM插芯中傳播的^_射。
22、 H5U'j^求21的設(shè)備，其中所ii^插芯包括無(wú)纖芯光纖。
23、 N5U']^求21的設(shè)備，其中所i^i插芯的折射率在該短插芯的^f封可軸 向^t面內(nèi)差^^上^l均勻的。
24、 ft^U，J^求23的設(shè)備，其中所i^M插芯的折射率從該短插芯的一軸向 橫戴面到另一軸向，面J^Ui是均勻的。
25、 1多^t纖，缺第一第二光纖分段，^"分 ^有纖芯區(qū)#與所述纖芯區(qū)樹目鄰的 ^g區(qū)域，#-所述纖芯區(qū)域的軸向滅面^*有躺折射^^布，所述纖芯區(qū)錄^區(qū)^|妙己置錄所述纖芯區(qū)域內(nèi)支持多鵬的光信號(hào) 發(fā)射，所^一軸向分^段內(nèi)的所ii4斤射^^布在^圣向不是均勻的，特點(diǎn);14斤射率 有;f圣向下陷，所^"^^MJt—種以J^斤述的,，所述第二軸向分段光學(xué)地耦合到所述第 一分段，所述第二分段的所 述折射率分布比所述第一分段的更均勻，以及 所述兩分段絕熱地相互耦合
26、 如權(quán)利要求25的光纖，其中所述光纖包括增益產(chǎn)生光纖。
27、 如權(quán)利要求25的光纖，其中所述光纖包括尾光纖。
28、 一種光纖設(shè)備，包含才M^U'漆求26的光纖，其響應(yīng)于;^到其上的光泵浦能*^>斤述信 號(hào)發(fā)射，以及絲到所狄纖一端的光纖短插芯，該光纖短插芯艦狄衍射在所鄉(xiāng) 插芯中傳播的ife^射。
29、 N5U'j^求28的設(shè)備，其中所iiM插芯包括無(wú)纖芯光纖。
30、 H5U'J^求28的設(shè)備，其中所i^i插芯的折射率在該光纖短插芯的任 何軸向皿面內(nèi)^&^Ji;lL均勻的。
31、 如權(quán)矛j^求30的設(shè)備，其中所i^i插芯的折射率從該光纖短插芯一軸 向橫戴面到另一軸向自面1^上是均勻的。
32、 ^k矛漆求25的光纖，還包括軸向上i5^fe所錄一分餅第二分段 之間的第三分段，所^三分段^g己置成將所述第一分,第二分g熱^目
33、 fc^U'漆求32的光纖，其中所鄉(xiāng)三分段不絲出狄益。
34、 :H5U'漆求33的光纖，其中所^一分#第二分段為增益產(chǎn)生光纖， 而所i^三分段不是增益產(chǎn)生光纖。
全文摘要
本發(fā)明提供大模面積、多?；旌瞎饫w以及使用該光纖的裝置。根據(jù)本發(fā)明的一種大模面積光纖被配置成在其纖芯區(qū)域內(nèi)支持多橫模的信號(hào)發(fā)射。該光纖是一種混合設(shè)計(jì)，包括至少兩個(gè)具有不同特性的軸向分段。在第一軸向分段中，纖芯內(nèi)的橫向折射率分布不是徑向均勻的，其特征是折射率中有徑向的下陷。第一分段支持多于一種的橫模。在第二軸向分段中，纖芯內(nèi)的橫向折射率分布比第一分段的折射率分布更均勻。這兩個(gè)分段絕熱地相互耦合。作為例證，第二分段是適于與其它組件耦合的終端部分。在一實(shí)施例中，第一分段中M₁²＞1.0，第二分段中M₂²＜＜M₁²。在一優(yōu)選實(shí)施例中，M₁²＞＞1.0且M₂²～1.0。在另一實(shí)施例中，該光纖耦合到光纖短插芯中。
文檔編號(hào)G02B6/02GK101196591SQ20071014645
公開(kāi)日2008年6月11日 申請(qǐng)日期2007年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月5日
發(fā)明者安德魯·D·亞布隆, 羅伯特·S·溫德勒 申請(qǐng)人:古河電子北美公司