專利名稱：利用大模面積的多模的增益產(chǎn)生光學(xué)光纖的高功率光學(xué)設(shè)備的制作方法
利用大模面積的多模的增益產(chǎn)生 光學(xué)光纖的高功率光學(xué)設(shè)備狄領(lǐng)域本發(fā)明涉及利用大模面積(LMA)的、多模的增益產(chǎn)生錄的高功率光學(xué) 設(shè)備，更^^地，涉及利用這種光纖的高功率光學(xué)放大器和絲器。背景絲為了iU^L光纖的芯中傳播的M號(hào)，通常在該芯中#^有增益產(chǎn)生物質(zhì)， 然后在由該物質(zhì)吸收的波M由光泵浦抽逸。^!氧^^纖中該芯示例'1^ 絲有稀iit素(例如，Er、 Yb、 Er-Yb、 Nd、 Tm、 Ho等)或鉻(Cr)，其 能4吏ii^卜范圍內(nèi)的波長(zhǎng)(例如，~ 1000-1600nm)的信"^i^t大。Er和Er-Yb 二IU^光纖通常,iUD于放大約1500nm以上波長(zhǎng)的信號(hào)并且通常在或接近 980nm或1480nm處ifc^。增益產(chǎn)生光纖(GPF)的應(yīng)用范圍^M目對(duì)較低功率的應(yīng)用如電信到很高功 率的應(yīng)用如材料處理、光譜學(xué)、以;SJ!'jiE巨。M我們關(guān)注的A^者?；贕PF的^^大系^1緊湊的和堅(jiān)固的高功率輻射源(例如， >數(shù) 十kW的峰值功率)。出于#的原因，理想的是在大于1500nm的人眼R波 ^hl^tit樣的系統(tǒng)。^J^^的Er-Yb ，的雙^^W (DCF)的iU^器 通常被用于it些波長(zhǎng)。它們由低^t^l管M器陣列抽逸。由于該陣列的光 學(xué)輸出具有大的角^L^布，它僅僅可被有^^入具有大數(shù)值孔徑(NA)的多 默纖中。為了有效利用^^l管能量，DCFXiH形狀^^于GPF，其中中心芯 (信號(hào)在其中傳播)被絲有增益產(chǎn)生物質(zhì)^H皮高NA波導(dǎo)包圍。該波導(dǎo)包拴 未M的內(nèi)^Jr，該內(nèi)^包圍上述芯并引導(dǎo)^^ L管陣列泵浦光；以及^^射 率的外包層，該外包層包圍該內(nèi)包層。這種雙^;W形狀減少了每^iM 的泵浦吸收，該減少是以與內(nèi)包層面積和芯面積力bil似成比例的因數(shù)進(jìn)行的。 從而，需要相對(duì)較高狄的芯佛以獲將光纖"MJi的高泵浦吸收，理想的 是使非線性影響、放大的自發(fā)輻射(ASE)、以及信號(hào)再吸收最小化。然而，二氧^yi中的Er狄受雙誘導(dǎo)淬滅(pair-induced quenching)限 制。Er-Yb^^光纖，其中泵浦能^f皮高^(guò)L的Yb吸收并絲給Er， U良了 這種限制并提供了高泵浦吸收和單位長(zhǎng)度增益。[見(jiàn)，A.Galvanauskas， "Mode~Scalable Fiber-Based Chirped Pulse Amplification Systems", TEEE" 丄5Wected /" 2"fl加五fecfr"Vo1.7， No.4, pp.504-517(2001), jH^t將其與1 A^作 為參考。這種方法引起了具有262|nJ能量(在非幾性特性開(kāi)始之前)的樂(lè)辦 的形成,^^1具有M2 = 2.1的劣變M。[見(jiàn),M.SavagtLeuchs, et al" "High pulse energy extraction with high peak power from short-pulse, eye safe all-fiber laser system," i^Go/^SPffi"， ！^"ft ， pp610207-(l-8)(2006), jrt^biMf其引入作為參 考。1然而，Er-Yb ^#光纖具有一定的缺陷。為了獲得有效的從Yb向Er能 量的轉(zhuǎn)移，它們被^^有大量的磷(P),其提高了芯的折射率，從而限制了可 獲得的最大麟面積(MFA)并且使它們高度多^f匕。由于在預(yù)制過(guò)程中P被 燒掉，芯的折射率分布通常具有大的中心銳減(dip),其使空間模變形。它們 在900nm和lOOOnm之間的波"M:被抽運(yùn)，從而1500mn處的增益的量子效率很低。由此產(chǎn)生大量的熱，可能需^HP以防jb^包圍內(nèi)^的聚^r凃?qū)拥?損傷。已經(jīng)提出了基于Er-Yb DCF設(shè)計(jì)的光放大器的替代方案。[見(jiàn)例如 D.Taverner et al.， "158jlJ pulses from a single~transverse~mode， large~mode~area erbium fiber amp腿er", QwL丄欲，VoL22， No.6， pp.378-380(1997) ， iH^h將其虧j入 作為參考。I ^it個(gè)十年前的論文中，作者描述了一光纖放大器，其中功率級(jí) (stage)包^- LMA單微Er光纖，該狄器由Ti-藍(lán)寶石絲器在980nm 處以向后的方向i^^f端Mo #^的1534nm信號(hào)通過(guò)皿大M由標(biāo)準(zhǔn) 的體光學(xué)元件^^至功率l在摻Er ;5W^m大級(jí)之間的M^光學(xué)元件被 i^^^為脅lit應(yīng)它們的大的NA失配。這種設(shè)計(jì)據(jù)稱已將10-100pJ的信號(hào)樂(lè)辦放 W具有158jiJ的能量以H00kW的#功率。然而，這種Taverner放大器 i殳計(jì)由于多個(gè)原因是有缺陷的(0它使用多*光學(xué)元件，其難以對(duì)準(zhǔn)JL^環(huán) 境糾隨時(shí)間4N多而變化的時(shí)候難以^W準(zhǔn)；(ii )它4^1 了 Ti-藍(lán)寶石固態(tài)泵 浦^Ut器，該^t器4艮大、難以控制、并具有有限的功率；和(m)它使用了單 微Er光纖，這:t^MMFA是有限的，從而該辦的能量^^力同樣是有 限的。因此，仍然存^Mi^^W技術(shù)設(shè)計(jì)的一個(gè)或多^陷的高功率GPF 設(shè)備的需求。發(fā)明內(nèi)容為了獲得#^1的高泵浦吸#增益，我們利用M高^(guò)1泵浦源的芯區(qū)泵浦的多模GPF。該芯區(qū)泵浦設(shè)計(jì)具有下述優(yōu)點(diǎn)，在M的實(shí)財(cái)式中，泵 浦^^信號(hào)光以J^目同的^^輸，從而，實(shí)質(zhì)上完美iik^重疊，錄少 了 ASE。近似完美的重疊也使特定增益所需的光纖^JL^小化，其對(duì)于減少由 例如拉曼絲、布里淵IU^自相位調(diào)制的非幾I^^引起的衰^^很重要的。為了產(chǎn)生和傳遞高功率脈沖(例如，大于數(shù)十kW的#功率)，^!i^， GPF^t較高的芯區(qū)面機(jī)絲利于增加耕的能1>^巨力(以及由jH:^得 的財(cái)能量)，并且利于減少非線性特性的影響，這減少脈沖的劣化。才Nt本發(fā)明的一個(gè)方面，光學(xué)設(shè)備^多模GPF,其用于為在光纖的芯區(qū) 中傳播的信號(hào)光(ife^射)提供增益；和泵浦源，其用于提供在芯區(qū)中被吸收 的泵浦光(;5t^^射)，^##于(i)泵浦源示例',包^Ut^L管的低亮 度陣列和用于增加泵浦光狄的轉(zhuǎn)換器，(ii)泵浦^fcl^^入芯區(qū)中，和 (iii)芯區(qū)的面積>^過(guò)約350^11112，伏i^^it^ 800nm2。在一個(gè)實(shí)施方式中，^AGPF之前，信號(hào)光以^N^J^示^TA^中 傳播，而泵浦光在輸AJt纖中以至少相同的單模共同傳播。即，盡管不是皿 的，泵浦光可以A^種M的多^^的。jH-卜，由于輸AJt纖通常具有小于GPF 的芯區(qū)面積，基于光纖的模^寬器M于輸Ajt^GPF之間。在一個(gè)實(shí)施 例中，該模M寬器包插I:當(dāng)設(shè)計(jì)的、基于光纖的GRIN透鏡，該透鏡在約 1000-1600nm的范圍內(nèi)AiJ^上不,于波長(zhǎng)的。在M的實(shí)施例中，該GPF 是滲Er的，信號(hào)波長(zhǎng)約在1500和1600nm之間，而泵浦波"^在1460-1490nm 之間。在另一個(gè)實(shí)財(cái)式中，多個(gè)泵浦源^M^"入LMA的多模GPF的芯中。這 些泵浦源可產(chǎn)生相同波絲不同波長(zhǎng)的光。它們可以，分^I或空分J^]的。才M^^發(fā)明的M實(shí)施例，我們已經(jīng)證明了，在具有875nm2的芯區(qū)面積 的單^g^Er光纖中對(duì)1545nm處的納秒ifeJ^沖的放大；該芯區(qū)是由高亮度拉 曼^bt器在1480nm處抽逸的;而該樂(lè)辦具有數(shù)百kW的創(chuàng)i諒的(record)峰值功率。


通it^面結(jié)合附圖所進(jìn)4詢更詳細(xì)的描述，將易于iS^本發(fā)明及^^t特W^優(yōu)點(diǎn)，其中圖1 ;i才Mtv^發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的ife^bt器的示意性的才匡圖； 圖2A^于本發(fā)明的樹(shù)實(shí)施方式中的模謹(jǐn)寬器的示意圖； 圖3是^^本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的it^器的示意性的框圖，其包括多個(gè)泵浦源；圖4是用于例如圖3的實(shí)施方式中的泵浦^^^X^^iC^寬器的示意圖； 圖5是4捐了由高亮度1480nm泵浦源械的摻Er光纖的;fcaUc器的示意 性的才匡圖；圖6是圖5的;fe^器的示意性的框圖，其中更詳細(xì)地示出了信號(hào)源； 圖7示出了在^r^率和高脈沖重復(fù)率下測(cè)得的M2<L1。由增益產(chǎn)生光纖出 射的光由透皿焦至i^，J器上。增加由透^^^!，j器的距離，測(cè)得了M的H由于高斯a的最佳特性已知，所以最小MH以;sjt^^:沿i^的軸向多巨離(掃描距離)的變^tt^^I于計(jì)算;^的M2。由于該;3t^t常是稍微 非圓形的，該測(cè)量是在由x和y名k示的兩個(gè)正交方向上ii4亍的。(總體結(jié)構(gòu))在詳細(xì)討論本發(fā)明之前，我們首先看圖1，其示出了一ife^器(OA)10， 該放大器包括LMA的多模GPF12，當(dāng)泵浦光(Xp)同喊GPF12吸收時(shí)，其 放大由光源14發(fā)射的信號(hào)光a)。更詳細(xì)地，信號(hào)*泵浦光，通常具有不同 的波長(zhǎng),由獨(dú)立的、典型的標(biāo)^"Ait纖24和26分別傳輸至^^JJ I IK WDM) 18。 WDM18辦號(hào)和泵浦光多i^^輸至典型的標(biāo)W"Ait纖22上， 至GPF12的芯部中。輸AJt纖22、 24和26可以是小芯區(qū)面積單^纖或者是 大芯區(qū)面積多g纖，但^L在^^T一種情況下，該光^f^皮設(shè)計(jì)為M以相同的 單橫模(例如，M)傳皿號(hào)和泵浦光?？蛇x擇地，該泵浦;5te可以以其它 模式傳播；即，其可以A^種禾級(jí)的多模的，只要絲系(咖de group )至少包絲信號(hào)光的該單模即可。對(duì)于典型的高功率應(yīng)用，該信號(hào) _以持續(xù)時(shí)間短的高食&^沖的形式產(chǎn)生 的。這種*辦的賴功率例如大于幾十千瓦且經(jīng)常大于幾百千瓦，才娥本發(fā)明的一個(gè)方面，OA10具有一些重要的特征，其能使我們的狄 器產(chǎn)生具有創(chuàng)^^:的J^(i功率的信號(hào)iy^沖；即，(i)GPF12的芯區(qū)的面積超 it^350jim2， N^^i±^800nm2; (ii)泵浦源16是泵浦光的高^(guò)Ufe源； (iii)泵浦ife^^^入GPF12的芯區(qū)(而不A^典型的賄^t^的DCF設(shè) 計(jì)中那#^"入包層中)；和(iv)泵浦;5fe^t號(hào)光經(jīng)由模i^寬器20被^"入 GPF12中，該泵浦:5fc^信號(hào);5b^^目同的，莫中傳播。M源的^l^X^^^中發(fā)散的每^i體角上的i^焦點(diǎn)處的每 ^i^面積的功率(P)。它是以W/(sr 'cm,為卑^Ji行測(cè)量的。更多的細(xì)節(jié)可 #JL，例如，"Encyclopedia ofLaser Physics and Technology",其T在網(wǎng)^Ji^ URL h加:〃www.rp-photonics.com/brightness.html^:找到iL^jH^ 1 A/ft為^^。 亮度可由功率除以光學(xué)擴(kuò)展量(etend股)表示，其為光源的面積和^"播的立 體角的函數(shù)。對(duì)于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，光學(xué)擴(kuò)^J:可^L^示為;r.S.A^2，其中S 源面^R?？紤]^ii過(guò)芯區(qū)直徑為d而數(shù)值3W圣為NA的M (fiber pigtaU)將;5fe^輸 至GPF的傳統(tǒng)的低^^^l管陣列。典型的市場(chǎng)上銷售的^t^^管陣列 將約為10W的功轉(zhuǎn)輸AjL徑為105nm且NA為0.22的尾纖芯區(qū)中(光學(xué)擴(kuò) 展量約為l 3xl03sr fim2 )，這^5M"輸出光束具有約為7.6mW/(sr 了m2)的亮 度。所謂"毐絲，^5M"我們的泵浦源的狄至少大于傳統(tǒng)的低^L^Jt^L 管陣列的30倍；M大于100倍。因此，我們的高^(guò)L泵浦源示例'^Wt輸至 少760mW/(sr ^11112)至GPF12。通常，模a寬器20的功負(fù)^1增;N^的尺寸(MFA) ^^Jt^^的階 (order )。假設(shè)，例如，模錄寬!1#標(biāo)準(zhǔn)8fim芯徑輸Ait纖22齡至多模 45nm芯徑GPF12中。假itS^信號(hào)it^^Ot纖22中傳播且該^r有50nm2 的MFA。那么，模U寬器20可以，例如，^ft號(hào)的MFA在GPF12中增加 至700jmi2， ^a仍在基漠中4^i亥信號(hào)。勤以的說(shuō)明可應(yīng)用于通過(guò)圖2的展寬器 20傳播的泵浦光。應(yīng)當(dāng)注意，it(^t光纖的芯區(qū)面積Ac^^l^lL芯區(qū)的橫戴面形狀的物理面積(當(dāng)^MJ圓形芯區(qū)時(shí)(^;rZ)2/4 ),然而光纖模(即，其MFA)的有效面積由 《。"=(K一2 / J"間4"定義，其中E是局部電場(chǎng)而這些積^C為在芯區(qū) 的^N^面積Jl^行。這種積分獲得光強(qiáng)的面積》權(quán)，以輛地量化非線性 衰減的影響。這兩個(gè)面積通常是顯然不同的。例如，在1500nm處，An = 0.003 的直徑為30nm的圓形芯區(qū)包含具有僅24jim的，直徑的，。這種^K僅 填充了芯區(qū)面積的約64%。同樣，在1500nm處，An = 0.003的直徑為45pm 的芯區(qū)包含具有僅32nm的^直^f圣的模。il^t^5lf5^真充了芯區(qū)面積、的約53 %。^^vjW22中，該信號(hào)姊泵浦ibffc^M目同的^^中傳播，更艦 #溪中傳播。然而，LMA GPF12的芯區(qū)明顯大于(例如，對(duì)于>350^11112的 芯區(qū)面積是31nm)光纖22的芯區(qū)。因此，模錄寬器20將芯區(qū)相對(duì)較小的很大的芯區(qū)中的較^L的麟。 、如圖2中更詳細(xì)地示出的，模錄寬器20示例',包括與輸AJW 22和 LMA GPF12軸向呈直糊^的基于錄的GRIN透鏡。該GRIN透4^r有拋 物線折射^^布，其導(dǎo)致光以固定的軸向節(jié)距散焦和聚焦。光的橫截面(徑向) 瓶存J^寸沿"]^r向紋。如果GRIN透鏡"^1該節(jié)距的倍數(shù)，輸出5^泉尺 寸(面積)與輸A^泉尺寸相同。然而，如果該^A節(jié)距的一半，那么狄 以較大的孰泉尺寸輸出，其可以與G顧透錄身的直^i^似。利用乂^的設(shè) 計(jì)才^N^泉尺寸^J^上與GPF12的芯區(qū)面積4目等。使我們驚訝的是，我們已^L雌錄寬器，刺o基于二lt/f^光纖的 GRIN透鏡，實(shí)質(zhì)上在約1000-1600nm的范圍上是g賴于波長(zhǎng)的。例如，考 ; _設(shè)計(jì)絲1550nm處將由標(biāo)JjM^獄纖發(fā)出的: y^^到多模、梯度折射率 (△n=0.01)、單M、摻Er的LMA光纖的二IUt^GRIN透鏡。我們利用 GRIN透鏡中的最優(yōu)^##^#射^^布計(jì)算了在800nm至1700nm之間的模 耦合。在1000-1600nm的范圍上，我們發(fā)現(xiàn)IJV模的耦合損耗僅為約 0.12-0.20dB。 ^卜，我們發(fā)現(xiàn)大部分由IJV極失的能量i^v較高階數(shù)的模(例 如，LPo2和LPo3)中。這些計(jì)算表明在信號(hào)和泵浦光波長(zhǎng)之間的相對(duì)寬的分隔;1可以^:的?；诠饫w的GRIN透鏡的制造在D丄DiGiovanni等人的美國(guó)專利No.7，013，678中有描述，該專利是在2006年3月21日授權(quán)的并且引AjH^h作為一種#^的模錄寬器20是通 ，用在>5^的齡器中長(zhǎng)時(shí)間加熱制得 的簡(jiǎn)單的Wt光纖接頭'輸Ait纖22的芯區(qū)可以在;t^t前被擴(kuò)散以增加， 面積而與GPF光纖12的面積匹配。另一種狄的模錄寬器20包括多麟纖的一個(gè)片段，其中芯區(qū)的麟面 積沿該片段的縱，成錐形(例如，如果該片段具有圓形，面，那么該芯區(qū) 直徑A^縮的)。^/H^形片段的一個(gè)^處，^應(yīng)與GPF12的模場(chǎng)匹配 以^t^4fft號(hào)M^入GPF12中時(shí)提供相對(duì)較低的^N員耗。在該片段的相反的 末端應(yīng)當(dāng)與輸AJW22的^相匹配。通itii伸形成錐形，例如，減小芯區(qū)的 徑向尺寸，從而^^TA^纖22^時(shí)時(shí)能以相對(duì)較低的損^^!4t"！^。這 種錐形片段也能以相)^t^低的^^損^^輸泵浦光。多g纖的該錐形片段可 由標(biāo)準(zhǔn)光纖的一片段或由GPF12的4分形成。在本發(fā)明的一個(gè)脊f戈的實(shí)施方式中，多個(gè)泵浦源被用于抽運(yùn)多模LMA GPF12。這些泵浦源可以，分/^^UDiiUi空分復(fù)用至GPF12中的。從而， 如圖3的OA10，中所示，泵浦源16.1和16.2分別經(jīng)由典型的標(biāo))^^rAJt纖26.1 和26.2被M^至WDM18,而信號(hào)源14經(jīng)由典型的標(biāo)準(zhǔn)輸AJt纖24被^^至 WDM 18,如前所述，WDM18辦號(hào)脈泵浦光多騎輸至典型的標(biāo)微入 光纖22， ^!^m^至GPF12的芯區(qū)中。jH^卜，如圖1所示，信號(hào)輸Ajt纖24 和泵浦輸A^纖26.1和26.2可以是^^或多獄纖。模錄寬器20被插在 WDM18和GPF12之間。^il個(gè)實(shí)^r式中，泵浦源可以具有實(shí)質(zhì)Ji^目等的波長(zhǎng)(V=V，例如， 在1480mn處)，或者可以具有不同的波長(zhǎng)(VA>2;例如，在1480nm和1485nm 處)，只要該波長(zhǎng)處于GPF12的吸jfcfe譜中。在無(wú)^卩種情況下，可以使用分 離的WDM (圖中未示出)#^:個(gè)泵浦源^^至GPF12的芯區(qū)，或者可以4^1 多通道WDM例如薄膜濾光器陣列或陣列波導(dǎo)光柵(AWG)。此外，如果 WDM18是與單模泵浦; fe^^fM的，那么該多個(gè)泵浦源應(yīng)具有不同的波長(zhǎng)以 i^^WMD18中產(chǎn)生干涉^。另一方面，為了將多個(gè)泵浦源空間^^至GPF12的芯區(qū)中，我們優(yōu)選圖4 所示的類型的^S&置。此處，錐形光纖束30被^^至GRIN透^^^寬器20,然后其X^^至GPF12。在束30中，泵浦光由夕h^TAiW 26.1和26.2 承載，而信號(hào)光是由中心輸A^纖24承載。t個(gè)光纖均在區(qū)域32中漸縮形 成減小的、緊密絮^i的、熔合的M面，該橫戴面^I于將i^^入GRIN透 鏡20 (即，^^入GPF12的芯區(qū))。然而，在該實(shí)^Mr式中，展寬器20僅僅 增加單模(例如，絲)信號(hào)光的MFA。泵浦光以不同的角度:I^^至GPF12 的芯區(qū)中，激發(fā)有g(shù)充滿芯區(qū)的更高lWl模式。因此，展寬器20不需JH皮設(shè) 計(jì)為增加這種更高f^模式的尺寸。光纖26.1、 26.2和24的夕卜徑是錐形的，在某些情況下它們的芯區(qū)^t^錐形 的。漸縮可通過(guò)物iS4i伸加熱的光纖束而實(shí)現(xiàn)，或在熔^^成為束^L前蝕刻該光 纖而無(wú)需不4i伸而實(shí)現(xiàn)。^f5^5l為了簡(jiǎn)單^L，我們選#^出^^)兩個(gè)泵浦源的',。^^域的才脈 人員會(huì)衝醉，可以m^易地^^超過(guò)兩個(gè)泵浦源，實(shí)際數(shù)目?jī)H，決于將更多 的光^f縮JJL夠小的橫載面的實(shí)際P艮制，該,面小到能4吏泵浦ib^信號(hào)光 有^^入GRIN透鏡20中。光纖束30與D.J.DiGiovanni等人的在1999年1月26日授權(quán)的美國(guó)專利 No.5，864，644中所描述的類似，級(jí)將其引入作為參考。然而，我們的光纖束 30與其的主要不同在于泵浦:felL^^入單^GPF12的芯區(qū)中而不是^"入 雙^GPF的&^中。由于GPF12的芯區(qū)面積湘對(duì)較大，它可以^^艮多，，并且可以傳導(dǎo)高 統(tǒng)泵浦光。從而，泵浦ife^高l^^ 42 (圖4)中是由芯區(qū)收集的，而信 號(hào)M常是在另一個(gè)模式(例如，由高斯分布40^J^的絲)中傳播。如Ji^斤 述，由于泵浦絲GPF12中^L較高喊，泵浦光纖26.1和26.2也可以W 艦纖##輸多模泵浦光。然而，泵浦光的^t還應(yīng)當(dāng)足夠高以便食誠(chéng)GPF12 的芯區(qū)有效收集(即，在高統(tǒng)泵浦源中，絲與光纖軸之間的夾角相對(duì)較小 (shallow),并M而更容易收集)。重要的是，多個(gè)泵的利用增加了^^入 GPF12的芯區(qū)中的泵浦光的量，并M而增加了可用于信號(hào)光的增益。然而， 由于GPF12的大的芯區(qū)由泵浦i^真充，信號(hào)^泵浦光的^ (徑向)分布之 間的重疊小于最佳值，因?yàn)樾盘?hào)模通常僅僅填充LMA芯區(qū)的一小部分。扭 種結(jié)構(gòu)中，多個(gè)泵浦源的利用能夠以略微受損的泵浦-信號(hào)重疊^^產(chǎn)生增益。 然而，這種受損可通itF艮制加入信號(hào)模所在的芯區(qū)的區(qū)域中的增益絲物而部分4卜償。^it種設(shè)計(jì)中，泵浦ib^^4可測(cè)量信號(hào)存在的區(qū)域中朝汰札應(yīng)當(dāng)注意，不同的泵浦g號(hào)波長(zhǎng)的^Ht導(dǎo)致在圖4的;^i^寬器20后的 多泵浦模的統(tǒng)應(yīng)當(dāng)理解，上i^i僅^A對(duì)用^Jt^發(fā)明的原理的應(yīng)用的許多可能的M實(shí)施方式的^W兌明。條這些原理，棉域的^MUv員可以在不脫離本 發(fā)明的^t和范圍的情況下設(shè)i"H午多^tM的其它裝置。特別地，盡管我們描述的圖1-5的泵浦裝U利用共同傳播的泵浦，棘領(lǐng)域技權(quán)員妙道，反向傳緣浦組錄不是她的，也可被利用。砂卜，多個(gè)OA級(jí)(stage)可以相互串^&i經(jīng)。為了提高^(guò)U^t率，每 個(gè)M^r包^E^f變大的芯區(qū)面積GPF，其中最小的芯區(qū)面積GPF M第一 個(gè)(即，最靠近信號(hào)源)，而最大的芯區(qū)面積GPF^U^—個(gè)(即，離信號(hào) 源最遠(yuǎn))。射卜，通it^光學(xué)諧振器中紅GPF12，上述的OA可柳于為絲器提 ^^需要的增益；例如，通ii^GPF12的輸入端和輸出端處的標(biāo)準(zhǔn)光纖中形成合 適的光纖it^或其它^j"器(圖中未示出)。在M器的情況下，當(dāng)然，不需要 利用單獨(dú)的信號(hào)源14;即，該信號(hào)由GPF12在內(nèi)部產(chǎn)生，其用作M器的有 效介質(zhì)。貫穿本說(shuō)明書(shū)中所^a的"鍵長(zhǎng)"指的是^^發(fā)射光的中心波長(zhǎng)，應(yīng)當(dāng), 所有的這些發(fā)射iW具有包括在中心波長(zhǎng)上下的已知波長(zhǎng)范圍的特征鐠線寬 度。jH^卜，所^a的"卓，^^播還包括實(shí)質(zhì)上以單^^播；即，在實(shí)際應(yīng) 用中，不是惑能完全抑制所有其它樣然而，單模拿絲這些其它模的強(qiáng)度很 小或可以忽略。在一些實(shí)施方式中，我們將GPF12說(shuō)^U:"卓惑差"的。在示例中描述的這 些單^g:光纖的確包括由單光學(xué)^J:(例如，二氧^^單M)包圍的芯區(qū)。 然而，通常我們并不認(rèn)為術(shù)發(fā)'卓^^"排除了那些紋雜的M，例如具有多 ^Ht征(例如，折射率環(huán)、槽或^ L)的那些M。 jtt^卜，此處所用的單^ GPF的一個(gè)重要的方面是泵浦iiy皮引導(dǎo)入芯區(qū)，而不是M。#，為了^AJ艮妙(eye^afe)信號(hào)波狄的高功率應(yīng)用，我們艦圖 5所示的類型的OA10"。此處，GPF12《一摻Er光纖，其^^有相^j"較大的芯區(qū) 面積(例如，>800jim2 )。信號(hào)源14在1500nm以上的波長(zhǎng)處(例如，在1545nm處)產(chǎn)生短(例如，納秒)周期光學(xué)脈沖。另一方面，泵浦源16包^f氐M的 第一光源，其被示例'Ii^述為在約卯0-1000nm (例如，915nm)處產(chǎn)生泵浦 光的4^^t^L管(LD) P車列163。該陣列的亮;l通過(guò)利用LD泵浦第二光源而增加(例如，倍妙200),該第二光源為摻Y(jié)b的M泵浦光^m^器16.4。 ^器16,4的輸出(例如，在110(M200nm處)通itM^i曼諧4l^b5t 器16.5移到1480-14卯nm。 Raman ^Ut器由C.Headley在"Raman Amplification in Fiber Optical Communication Syste咖，，EIsevier Academic Press ， Ch.7 Cascaded Raman Resonators，pp303-374(2006)中描述，jH^t將其？ 1入作為參考。 拉曼航器16.5的148(M490nm的輸出經(jīng)由WDM18 ^w^錄寬器20以上述 方式向GPF12 ^1供高M(jìn)的泵浦光。當(dāng)然，其它的增益產(chǎn)生物質(zhì)也可^uu于實(shí)5ye^^^設(shè)計(jì)，包括其它稀土元素(例如，Nd、 Tm、 Ho等)或鉻(Cr)。例如，800nm的LD可Wl于M 摻Nd光圩絲器以^^ 1060nm處產(chǎn)生高^(guò)>￡輸出，該輸出又^^摻Y(jié)b光纖 放大器，以便為1080nm信號(hào)提供增益。 實(shí)施例本實(shí)施例描述了納秒斷在單^的多模LMA摻Er光纖中的M。僅僅 通過(guò)#^']4^供不同的材料、尺寸^l^條降，并且，除非特別規(guī)定，并不用于 限制本發(fā)明的范圍。摻Er芯區(qū)的面積為創(chuàng)記錄的值875nm2。該芯區(qū)在1480nm 處被拉t^WB器抽運(yùn)。摻Er光纖的大的能量^^ft容^M氐的非線性特性使 全光纖系統(tǒng)食t^ M2<1.1的W^中產(chǎn)生創(chuàng)記錄的每多辦的能f^創(chuàng)記錄的峰 值功率。盡管摻Er的LMA it^A^^f，信號(hào)和泵浦光可以在該光纖中以單模 (細(xì)傳輸》"全^if"^M各元件A^結(jié)合在-"^的，而不是自由空間^^在iW 中。具有光纖尾纖的 ^1管和其它元件可利用自由空間齡，但是位于很 ^^M^制的封裝中。圖6是我們的狄微的示意圖。信號(hào)源14包^^皮長(zhǎng)可調(diào)免^卜腔cw絲 器14.1 (ECL;中心波長(zhǎng)設(shè)置為^-1545mn)，其由高衰減電光調(diào)制器14.2 (EOM;可從Photline Technologies, Pittstown， NJ買(mǎi)到)調(diào)節(jié)，它后面有一 些WUe器和i^慮氛務(wù)辦辦時(shí)間和波長(zhǎng)是^^確控制的。500kHz財(cái)序列Er光^ffi^器14.3 (EDEA )中放大。該樂(lè)辦序列由濾光器144 光鐠近慮(消除大部分ASE )，并JM L Er-Yb光^f^bUI 14.5(雙^ir 5/130jun 芯/&^直徑)中放大。該條辦序列接著通過(guò)聲光調(diào)制器14.6 (AOM; 100ns上 升時(shí)間)發(fā)送以便將重^率^Jif端輸出的預(yù)皿。初始的高重Jj^^^致大部^粒子ltM^皮受激(與自發(fā)的相反) 耗盡，形成低的脈間(inter-pulse) ASE。利用AOM^^重飾率還消除了累 計(jì)的脈間ASE。接:fri亥樂(lè)辦在單觀^i: Er-Yb光W^大器14.7 (12/125fim 芯/^g"直徑)中做大。該輸出被lnm寬的帶通濾光器14.8光^t;慮。該光 ^ft號(hào)-背景比為〉45dB。該輸出接著經(jīng)由1480/1550nm熔合的光纖齡器她 合Aj:終的功率放大級(jí)，該齡器湖作WDM18。該點(diǎn)處的l^t峰值功率通 過(guò)非幾H特'跟線P艮于~300W，該特性是由輛益光纖后面的小面積4示準(zhǔn)單模 光纖制成的元件產(chǎn)生的。在濾光器14.4械大器14.5之間、狄器14.5和AOM14.6之間、以及濾 光器14.8和WDM18之間i殳置隔離器14.9。我們的功率^bt級(jí)包括具有45/125jim芯/M直徑的3m長(zhǎng)的、單包層、 大模面積、摻Er、多^^氧^^t纖12。 ^W面積為 875nm2的lW^斤射 ^^布。在1535nm的信號(hào)波"M:每賴^Ui的泵浦吸狄20dB/m。基于二 氧^^t纖的GRIN透鏡的模^ll寬器20將1480/1550nm ^器(WDM)的 辭摻Er耕12的絲匹酉&。多ifii干涉的光鐠測(cè)量表明僅僅~ 1 %的光學(xué)能 :fr^^入高輕中。摻Er光纖環(huán)直4嫂出30cm以使由彎曲引起的^^式》V給 和面積減少的有害影響最小化。見(jiàn)，J.M.Fini， "Bend-Resistant Design of Conventional and Microstructure Fibers with Very Large Mode Area", Optics Express,VoL14，No.l，pp.69-81(2006)，此處將其引入作為參考。在高重復(fù)頻率和^^大^h測(cè)得M^u， ，;Ut大器的凈單模,(圖7 )。對(duì)光纖進(jìn)行處 理不會(huì)引起4封可嚴(yán)重的問(wèn)題，未受干擾的光纖的輸出ife^分布在所有的功率級(jí) 絲一^械定。用于功率放大級(jí)的泵浦包脅圖5所示的泵浦源16的類型的裝置；即，泵 浦源16包括&^泵浦的摻Y(jié)b光纖激光器16.4 (CPFL;由低統(tǒng)915nm ^ 管陣列16.3滅),其波頓it^^i曼諧振器(CRR )狄器16.5由~ U00nm 移至1480nm。通過(guò)915nm的28W的泵浦功率，我們^^單g纖中在1480nm處產(chǎn)生 9W的高^(guò)1光。在CRR的輸出處的傾斜自(圖中未示出)被用于 i^慮中心波長(zhǎng)為~ 1585nm的下一個(gè)斯托克斯(Stokes) 1Er;^器的性能的特;^于是4^AJ^沖周期Tp為lns和5ns處的脈沖重 ^J5率Fr的函數(shù)。輸Al^t的j^iL功率在所有的重，率處4fp^^在250W和 300W之間。放大器輸出廚神能量由20GHz ^f示波器ieJ:的樂(lè)辦^L算出。M面積 (tracearea)和樂(lè)辦能量之間的相互關(guān)系已錄高Uj^率處^^:。我們觀 測(cè)到線性增加的脈沖能量為在不同的重復(fù)頻率處由光纖吸收的泵浦功率的函 數(shù)，證明放大器在最大樂(lè)辦能量處##不飽和。我們ii^作為重M率的函數(shù) 的脈沖能量、平均功率、脈沖峰值功率、和效率進(jìn)行測(cè)量。這些測(cè)量能證明我 們的芯區(qū)泵浦i殳計(jì)的功效，該設(shè)計(jì)具有用于^AJ艮^"的波長(zhǎng)1545nm 納秒務(wù)辦的創(chuàng)記錄的模面積的摻Er光纖。^Mfe全iWi殳計(jì)中具有M2<1.1的單 ，怍下實(shí)現(xiàn)創(chuàng)記錄的脈沖能量(幾個(gè)lOO^J )、峰值功率(幾個(gè)100kW )、和 平均功率(多個(gè)100mW)。然而，利用圖3-4的多個(gè)泵浦源設(shè)計(jì)，有望獲得更 好的結(jié)果。
權(quán)利要求
1. 一種高功率光纖設(shè)備，包括輸入光纖，具有第一芯區(qū)，該第一芯區(qū)以單橫模傳播信號(hào)光，并以至少相同的單橫模傳播泵浦光；所述泵浦光的高亮度光源；多模的增益產(chǎn)生光纖，具有第二芯區(qū)和包圍所述第二芯區(qū)的包層區(qū)，所述第二芯區(qū)的橫截面面積超過(guò)約350μm2且超過(guò)所述第一芯區(qū)的橫截面積，當(dāng)所述泵浦光在所述第二芯區(qū)中被吸收時(shí)所述第二芯區(qū)向在其中傳播的所述信號(hào)光提供增益，和模式展寬器，用于將所述信號(hào)光和所述泵浦光從所述第一芯區(qū)耦合入所述第二芯區(qū)，并且改變所述輸入光纖中的所述信號(hào)光和所述泵浦光的模場(chǎng)面積以與在所述第二芯區(qū)中的相應(yīng)的模場(chǎng)面積相匹配。
2、 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所,i(^艮寬器包括基于光纖的 GRIN透鏡。
3、 ft^'J^求1所述的設(shè)備，其中所述信號(hào)ife^有在約1500-1600nm 范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，所ii^浦it^"在約1480-1490nm范圍內(nèi)的波長(zhǎng)。
4、 H3U'J^求3所述的設(shè)備，其中所鄉(xiāng)益產(chǎn)生光纖是絲有Er的。
5、 N5U'J^"求1所述的設(shè)備，其中所i^浦源包拾 LD陣列，用于產(chǎn)生低亮度的第一泵浦光，和光纖絲器，由所絲一泵浦;jy^,所狄纖'就器的輸出對(duì)所鄉(xiāng)益產(chǎn)生光纖進(jìn)e^。
6、 N5U，J^求5所述的設(shè)備，其中所狄Wjt器包拾 第一光纖就器，響應(yīng)所述低亮度泵浦光，用于產(chǎn)生較高亮度的第二泵浦光；和拉狄纖絲器，響應(yīng)所述較高亮度的第二泵浦光，用于Ji^多所述較高亮 度泵浦光的波長(zhǎng)，所iiJi移的泵浦光被提供給所^益產(chǎn)生光纖以放;^斤迷信 號(hào)光。
7、 6wM，J^求6所述的設(shè)備，其中所述LD陣列在約900-1000nm的波 狄產(chǎn)生所述低亮度的第一泵浦光，所錄一光纖絲器包括產(chǎn)生所述較高亮度的第二泵浦光的摻Y(jié)b光^Ut器，iU斤雄曼絲器響應(yīng)所錄二泵浦光， 用于移動(dòng)波長(zhǎng)以;^^斤述信號(hào)光。
8、 H5U'虔求7所迷的設(shè)備,其中所述摻Y(jié)b絲器包括^泵浦光纖 絲器)JL^斤雄曼航器包^W曼i^^器。
9、 H3U'^^求l所述的i殳備，其中所述第二芯區(qū)面積超過(guò)約800jun2。
10、 ^U，J^求1所述的設(shè)備，其中所ii^浦光的高^(guò)JUfc源包括多個(gè) 泵浦光的光源，每個(gè)光源^^有不同的波長(zhǎng)，所述泵浦#所述信號(hào)狄多路 傳輸至所微Ait纖上。
11、 N5U'JJ^求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括毅大器。
12、 N5U'J^"求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包^Jt器。
13、 ^U'J^求1所述的設(shè)備，其中所鄉(xiāng)益產(chǎn)生光纖包括單^餅。
14、 N5U'J^求1所述的設(shè)備，其中所述輸Ait^^皮構(gòu)it^使得所妙浦itM"中僅以與所述信號(hào)ibf目同的^B^^播。
15、 N5U'溪求1所述的設(shè)備，其中所^^錄寬器包括光纖片段，在在所^第二芯區(qū)附近具有相對(duì)較大的面積:而在所述第::區(qū)附近具有相對(duì)較小的面積。
16、 一種高功率光纖^bt器，包括輸Aj5t纖，具有以^^#^號(hào)#泵浦光的第一芯區(qū)；所述泵浦光的高M(jìn)^源，包括LD陣列，用于產(chǎn)生低亮度的第一泵浦 光；第一光 光器，響應(yīng)所述低亮度泵浦光以產(chǎn)生較高亮度的第二泵浦光； 和拉I^纖M器，響應(yīng)所述較高亮度的第二泵浦光以上移所述較高亮度泵浦 光的波長(zhǎng)，所iiJi移的泵浦;5W^提^^所i^t益產(chǎn)生光纖以iU^斤述信號(hào)光；多模的增益產(chǎn)生摻Er單^光纖，具有第二芯區(qū)和包圍所i^二芯區(qū)的 ^&區(qū)，所鄉(xiāng)二芯區(qū)的麟面面積>^辦80(^1112，絲出所錄一芯區(qū)的橫 截面面積，當(dāng)所述泵浦M所述第二芯區(qū)中^皮吸收時(shí)所i^二芯區(qū)向在其中傳 播的所述信號(hào)狄供增益；和基于光纖的GRIN透^^錄寬器，用于將所述信號(hào)姊所狄浦ifeA^斤 述第一芯區(qū)^^A^斤述第二芯區(qū)，并且用于tt所ii^TTOt纖中的所述信號(hào)光 和所述泵浦光的模場(chǎng)面積，以與所述笫二芯區(qū)中對(duì)應(yīng)的模場(chǎng)面積匹配，其中所述信號(hào)itW"在約1500-1600nm范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，而所述泵浦; Lfr有 約1480-1490nm的波長(zhǎng)。
17、 一種高功率光^H殳備，包拾 輸Ait纖，具有以^^^旨號(hào)光的第一芯區(qū)； 多模的增益產(chǎn)生光纖，具有第二芯區(qū)和包圍所錄二芯區(qū)的^g:區(qū)，所述第二芯區(qū)的橫戴面面積^^it^350nm2， a出所^一芯區(qū)的橫截面面積，當(dāng)所述泵浦it^所述第二芯區(qū)中被吸收時(shí)所述第二芯區(qū)向在其中傳播的所述信號(hào)錄供增益；和所^浦光的多個(gè)高^(guò)t源，^51^^A^斤述第二芯區(qū)， 所鄉(xiāng)益產(chǎn)生光纖，在所鄉(xiāng)二芯區(qū)中以iN^^播所述信號(hào)光，并以不同的^^播所艦甫光。
18、 如擬，決求17所述的設(shè)備，其中所i^浦源產(chǎn)^l^f目同波長(zhǎng)的泵 浦光。
19、 H5U'J^求17所述的設(shè)備，其中所述泵浦源產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的泵浦光。
20、 iwM'J^求18所述的設(shè)備，其中所述信號(hào)it^有在約1500-1600nm 范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，而所ii^浦iferW約1480-14卯nm的波長(zhǎng)。
21、 N^'澳求17所述的設(shè)備，其中在所述芯區(qū)中，所述信號(hào)光以M ;j^^播，而所^浦光以多個(gè)較高1^^播。
22、 N5U慎求17所述的設(shè)備，還^用于將所述信號(hào)組^^"斤 鄉(xiāng)二芯區(qū)中的模錄寬器。
23、 H5U'JJI"求18所述的設(shè)備，還包括用于將所述信號(hào)^所a浦光 光學(xué)^^^斤，i^寬器中的M^器，所ii^器包括用于M所述信號(hào)光 的中心光纖片脈用于絲所錄浦光的多個(gè)外圍光纖片段，這些片絲與所 i^^i^寬ll^的區(qū)域中^f^至減小的橫載面面積。
24、 HsU，J^求17所述的設(shè)備，其中所i^二芯區(qū)面積^lii^ 800jim2。
25、 ^'漆求17所述的設(shè)備，其中所，益產(chǎn)生光纖包括單^:光纖。
26、 N5U'JJNU7所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括ib^器。
27、 N5U'J^求17所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包^^t器。
全文摘要
一種光學(xué)設(shè)備，包括多模的增益產(chǎn)生光纖，用于為在光纖的芯區(qū)中傳播的信號(hào)光提供增益；和泵浦源，用于提供在芯區(qū)中被吸收的泵浦光，其特征在于(i)泵浦源示例性地包括激光二極管的低亮度陣列和用于增加泵浦光亮度的轉(zhuǎn)換器，(ii)泵浦光被直接耦合入芯區(qū)中，和(iii)芯區(qū)的面積超過(guò)約350μm²。在一個(gè)實(shí)施方式中，在進(jìn)入增益產(chǎn)生光纖之前，信號(hào)光以單模在標(biāo)準(zhǔn)輸入光纖中傳輸，而泵浦光在標(biāo)準(zhǔn)輸入光纖中以至少相同的單模共同傳播，而模式展寬器被置于輸入光纖和增益產(chǎn)生光纖之間。在另一個(gè)實(shí)施方式中，多個(gè)泵浦汽被耦合入增益產(chǎn)生光纖的芯區(qū)中。這些泵浦源可產(chǎn)生相同或不同的波長(zhǎng)的光。根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)施例，已經(jīng)證明了在具有875μm²的芯區(qū)面積的單包層摻Er光纖中對(duì)1545nm處的納秒光脈沖的放大；該芯區(qū)是由高亮度拉曼激光器在1480nm處抽運(yùn)的；且該脈沖具有數(shù)百kW的創(chuàng)記錄的峰值功率。
文檔編號(hào)H01S3/091GK101266379SQ20081009630
公開(kāi)日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月26日
發(fā)明者C·海德雷, D·J·迪喬瓦尼 申請(qǐng)人:古河電子北美公司