專利名稱：具有減小的受激布里淵散射的大模場面積光纖放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于光纖;改大器的大模場面積(Large Mode Area, LMA)光纖， 特別涉及，在光學(xué)纖芯部分中包括具有結(jié)構(gòu)化聲學(xué)折射率屬性的選定區(qū)域的大 模場面積光纖，該光學(xué)纖芯部分設(shè)計成將聲能從光模(optical mode)所占據(jù) 的區(qū)域排除或折射，從而減小受激布里淵散射(SBS)。
背景技術(shù)：
具有光纖放大器的激光系統(tǒng)通常使用在多種應(yīng)用中，包括電通信應(yīng)用以及 高功率軍事及工業(yè)纖維光學(xué)應(yīng)用。在操作中，來自激光源的傳播光學(xué)信號被引
入到一段光纖的纖芯區(qū)域，并通過使用光學(xué)"泵浦"信號進(jìn)行放大。所述泵浦 信號具有預(yù)設(shè)波長，其將與包含于光纖放大器的纖芯區(qū)域中的特定摻雜物(典 型的是稀土材料，如鉺、鐿等)相互作用從而將傳播光學(xué)信號放大。
然而，作為產(chǎn)生了不期望的受激布里淵散射(SBS)的結(jié)果，高功率光纖 放大器常常受到在功率上的限制。也就是，在光纖的纖芯中，由熱產(chǎn)生的聲波 使強(qiáng)的光信號背向散射(即，熱布里淵散射)。這個背向散射光被從入射光向 下頻移一個布里淵偏移頻率QB(rad/sec)(斯托克斯散射)，所述布里淵偏移頻 率QB(rad/sec)是由光波波長、纖芯折射率及纖芯中的聲速所確定的。所述經(jīng)斯 托克頻移的背向傳播光與原始正向傳播信號光相結(jié)合，從而在光纖纖芯中產(chǎn)生 4亍進(jìn)周期強(qiáng)度圖案(traveling periodic intensity pattern)。由于電致伸縮效應(yīng)， 所述強(qiáng)度圖案引起了光纖密度的行進(jìn)周期調(diào)制，所述電致伸縮效應(yīng)是指在存在 強(qiáng)的光學(xué)強(qiáng)度的情況下壓縮材料的趨向，從而生成了正向傳播的、電致伸縮后 產(chǎn)生的聲波，此聲波類似于引起原始光散射事件的聲波并且具有與引起原始光 散射事件的聲波相同的聲速。所述調(diào)制增強(qiáng)了由原始熱布里淵散射事件引發(fā)的 散射作用，因而在光纖中產(chǎn)生"受激布里淵散射"或SBS。所述增強(qiáng)是通過兩 種不同機(jī)制產(chǎn)生的(1 )電致伸縮后產(chǎn)生的聲波在相同的波矢和頻率下生成附 加散射，以及(2)電致伸縮后產(chǎn)生的壓力會機(jī)械地驅(qū)動已產(chǎn)生原始熱布里淵散射的聲學(xué)聲子。SBS能量在背向方向行進(jìn)，并且與纖維的聲學(xué)速度和折射率 二者成比例地頻移。在一個典型的布置中，在光學(xué)波長為1083nm處，信號光 向下頻移約15GHz。
SBS的閾值條件可以#1寫成
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，4#是光纖的有效模場面積、gB是布里淵增益系數(shù)、L是光纖的長 度、BW是信號的帶寬以及B『s,。2是硅光纖的布里淵帶寬。
在極端的情況下，背向反射SBS能量會從信號搶奪功率并鉗制輸出功率。 對于高功率稀土纖維放大器，纖芯區(qū)域的稀土材料會進(jìn)一步放大背向反射光，
從而引起極高強(qiáng)度的背向傳播脈沖，該脈沖將損壞光纖或其他上游光學(xué)元件。 因此提高光纖放大器的性能需要降低SBS。
一種減少SBS的攻擊的技術(shù)是增加光學(xué)模場的面積。如上面所述，由于 光學(xué)強(qiáng)度隨著面積增加而減小，因此SBS功率閾值Pth與有效的模場面積々成 正比。所以，很多為高功率放大器生產(chǎn)專業(yè)光纖的制造商制造具有大纖芯直徑 (例如在15-30 iam級別上)的光纖。然而，增加纖芯直徑超過25 p m會增加 帶寬損失及模式耦合，從而降低傳播的光學(xué)信號的質(zhì)量。
另外一種提高SBS閾值的方法是改變光纖纖芯中的聲場分布。在典型的 小模場面積(Small Mode Area，SMA)光纖中，纖芯材料的聲速小于環(huán)繞其的 包層的聲速，因此，聲學(xué)折射率在纖芯區(qū)域較高，從而使聲模(acoustic mode) 像光模一樣被纖芯引導(dǎo)。這樣形成的光場與聲場之間高的空間重疊增強(qiáng)了不期 望的相互作用，并且導(dǎo)致通過熱布里淵散射對SBS作用產(chǎn)生極大促進(jìn)。而且， 在光模所占據(jù)的中心纖芯區(qū)域產(chǎn)生的、電致伸縮后產(chǎn)生的聲場^f皮聲學(xué)波導(dǎo)所引 導(dǎo)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)SBS的產(chǎn)生。
已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的是，通過改變纖芯及包層的成分使纖芯的聲學(xué)速度大于包層 的聲學(xué)速度，可以將聲模從光模占據(jù)的中心纖芯區(qū)域中排除。這種對于聲模的 排除，可以減小引發(fā)SBS作用的布里淵散射。另外，任何在中心纖芯區(qū)域產(chǎn) 生的聲場都會采樣纖芯-包層界面，并折射出反引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。圖l是描述用于常規(guī)小模場面積(SMA)光纖的特定布置的現(xiàn)有技術(shù)，其示出了光纖IO的折射 率屬性，其中，光纖10具有選定的成分，從而使纖芯12的聲學(xué)速度大于包層 14的聲學(xué)速度。圖1中示出了光學(xué)和聲學(xué)折射率屬性。聲學(xué)折射率屬性將熱 聲子從光學(xué)纖芯區(qū)域排除，并且反引導(dǎo)結(jié)構(gòu)使聲學(xué)能量輻射出纖芯區(qū)域，如圖 l中箭頭"A"所示。作為結(jié)果，SBS閾值會提高到大于兩倍。
圖2特別描述了圖1的SMA光纖中的SBS后生成的聲波的折射。如上所 述，光學(xué)引導(dǎo)的聲波由電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生并且以平面波P和孔徑A表示。直 徑D被選為約等于(高斯光模的)聲學(xué)強(qiáng)度分布的1/e的圓形孔徑的存在，使 得聲波在傳播超出了孔徑時衍射。所述到孔徑的距離為L處的衍射的本性是 由菲涅耳數(shù)(Fresnel number)確定的，并且由于在光纖的玻璃材料中的聲能 到熱能的轉(zhuǎn)換，聲學(xué)聲波會顯示有限的壽命。在已知的聲子衰變長度Lph (38 fim)處求得的菲涅耳數(shù)的值為0.32 (因此，小于1 )。由于具有小于1的值， 因此聲波以圖2所示的方式經(jīng)歷了遠(yuǎn)場衍射(Fraunhofer)。如圖所示，聲學(xué)強(qiáng) 度分布從孔徑的附近開始，覆蓋實質(zhì)上與纖芯直徑相等的區(qū)域。隨著聲波在其 壽命存續(xù)期間傳播，聲波擴(kuò)散(衍射)并對纖芯-包層界面和超出纖芯-包層界 面的內(nèi)包層區(qū)域取樣。因此，為了抑制SMA光纖中的SBS的攻擊而設(shè)計的聲 學(xué)折射率結(jié)構(gòu)，必須位于光纖被聲波取樣的區(qū)域中，在這種情況下如圖2中的 陰影框所示。
然而，在大模場面積(LMA)光纖中，光場很好地存在于纖芯區(qū)域中， 如圖3所示。LMA光纖11表示成包括相對較大直徑的纖芯區(qū)域13和圍繞纖 芯的折射率降低的包層區(qū)域15。如圖所示，由于到纖芯-包層界面17的距離超
出了聲子的衰變長度Lph,因此衍射聲波射線(由箭頭"B"表示)會保持在 纖芯區(qū)域13中，并且不能對LMA光纖的纖芯-包層界面17取樣。
圖4示出了在圖3的LMA光纖中的SBS后產(chǎn)生的聲波的聲學(xué)衍射。通常， LMA光纖的纖芯直徑(CD )大于其模場直徑(MFD )，其中假設(shè)CD=1.4*MFD。 如圖2所示，圖4的LMA光纖中的SBS聲波是由平面波P-L和孔徑直徑為D 的孔徑A-L表示的。對于這種布置，求得的菲涅耳數(shù)是3.6 (大于1)，并且在 這種情況下對應(yīng)于近場(菲涅耳)衍射。因此，聲能存在于由用于聲波壽命的 孔徑半徑所確定的半徑中。參照圖4，相比于與圖2中示出SMA光纖有關(guān)的擴(kuò)散，光纖聲波在纖芯中連續(xù)傳播而一點不會擴(kuò)散進(jìn)入纖芯-包層界面。
總體來講，現(xiàn)有的各種布置無法同時提供大的光學(xué)模場和有效的反引導(dǎo)聲
學(xué)結(jié)構(gòu)。因此，現(xiàn)有技術(shù)需要一種配置方式，能夠使LMA光纖中存在的SBS
減小，并且無需犧牲LMA光纖本身的高功率性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明立足于現(xiàn)有技術(shù)仍然存在的與光纖放大器相關(guān)的需求，更具體地 說，關(guān)于大模場面積(LMA)光纖放大器，該大模場面積光纖放大器包括在 纖芯區(qū)域中的具有聲學(xué)折射率的特殊結(jié)構(gòu)區(qū)域，從而減小受激布里淵散射 (SBS )。
依據(jù)本發(fā)明，所期望的大模場面積特性與結(jié)構(gòu)聲學(xué)折射率的提供是獨立考 慮的，從而允許在保持大模場尺寸的同時也保證大多數(shù)的熱產(chǎn)生的聲場或聲子 存在于光模所占據(jù)的纖芯區(qū)域之外。更具體地講，將聲學(xué)折射率的結(jié)構(gòu)配置成
(1)將熱聲子從光模所占據(jù)的光纖區(qū)域中排除，來減小重疊積分和熱布里淵 散射的橫截面；以及(2)從光學(xué)強(qiáng)度最大的纖芯區(qū)域折射電致伸縮后產(chǎn)生的 應(yīng)力，來減小聲子-光子相互作用時間或相互作用長度。更具體地講，通過具 有顯示類似于"負(fù)透鏡"特性的聲學(xué)折射率屬性，可以將應(yīng)力從光it中折射出 去。可以進(jìn)一步配置該透鏡特性來將聲子偏轉(zhuǎn)足夠大的角度，以使聲子散射角 度超出光纖的數(shù)值孔徑(NA)。以此方式，散射光會在角度超出光纖NA的方 向上傳播，并且不會被該波導(dǎo)所捕捉。
在本發(fā)明的一個實施例中，在纖芯區(qū)域中使用了聲學(xué)折射率的漸變的
(graded)逐步變化(例如，類似坡度的通常單調(diào)降低)，將聲模定位在未被 光模所占據(jù)的光纖區(qū)域中，從而提高SBS的閾值。進(jìn)一步，如前面所述，使 用所述類似坡度的聲學(xué)屬性，并對其進(jìn)行配置以體現(xiàn)足夠的斜率，從而使所述 結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)類似于負(fù)透鏡的功能。在這種情況下，所述電致伸縮后產(chǎn)生的聲 學(xué)應(yīng)力波在聲學(xué)折射率屬性控制之下，會從光模所占據(jù)的區(qū)域折射出去。將聲 場從光模所占據(jù)的光纖纖芯區(qū)域部分折射出去，會減小聲波(聲子)與光波(光 子)之間的相互作用時間(長度)，也就是說，減小聲子與光子的相互作用時 間/長度，從而增加SBS閾值。如果聲學(xué)折射足夠強(qiáng)使得聲波在與光軸成較大 角度傳播，那么由聲波散射的光會以超出光纖的數(shù)值孔徑(NA)的飛離角(escape angle)散射。因此，所述光會從波導(dǎo)中丟失并且不能對SBS的攻擊 做出貢獻(xiàn)；作為結(jié)果，進(jìn)一步增加了 SBS閾值。同樣，所述特定配置可用于 大模場面積光纖，適合高功率放大應(yīng)用。
在本發(fā)明的另 一實施例中，光學(xué)折射率在纖芯的中心區(qū)域被極大地變低， 從而產(chǎn)生了環(huán)狀纖芯結(jié)構(gòu)。作為產(chǎn)物的光模主要定位在纖芯的環(huán)狀區(qū)域(也就 是纖芯的"邊緣，，)內(nèi)，從而顯示期望的大模場面積。在光學(xué)折射率高(也就 是在環(huán)形區(qū)域內(nèi))時希望聲學(xué)折射率低，而在光學(xué)折射率低時希望聲學(xué)折射率 高。這種聲學(xué)折射率結(jié)構(gòu)定位熱聲子離開光模，并促使聲能從環(huán)形區(qū)域折射到 機(jī)會沒有光能的區(qū)域。只要環(huán)的寬度保持小于聲子的衰減長度，聲能就會折射 出光場并最小化SBS的產(chǎn)生。
在本發(fā)明的又一實施例中，在被適當(dāng)設(shè)計的光纖中的高次模(higher order mode, HOM)顯示出極大的有效面積，并且也可以考慮成適合用作具有減小的 SBS的光纖放大器的LMA光纖。HOM光纖顯示了高結(jié)構(gòu)化的光學(xué)強(qiáng)度屬性， 所述屬性遍布大的纖芯尺寸(例如，已經(jīng)證明了大于約40 |i m的半徑)。發(fā)明 的HOM光纖的聲學(xué)折射率屬性因此能夠?qū)崧暷墓饽Ｋ紦?jù)的纖芯區(qū)域排 除，并將聲能從光模所占據(jù)的區(qū)域折射出去，從而減小聲與光的相互作用，并 增加HOM光纖中SBS閾值。
參照附圖，其他或者更多的實施例以及本發(fā)明的各方面將在下面的討論中 會變得清楚。


現(xiàn)在參照附圖，
圖1是現(xiàn)有小模場面積(SMA)的折射率屬性，示出了光學(xué)的和聲學(xué)的 屬性；
圖2說明了 SBS后產(chǎn)生的聲波沿圖1的SMA光纖的衍射； 圖3是現(xiàn)有大模場面積(LMA)光纖的折射率屬性，同樣示出了光學(xué)的 和聲學(xué)的屬性；
圖4說明了 SBS后產(chǎn)生的聲波沿圖3所示LMA光纖的衍射； 圖5示出了依據(jù)本發(fā)明的，應(yīng)用負(fù)聲學(xué)折射屬性("透鏡")將聲學(xué)射線從 LMA光纖的光軸折射出去的射線圖；圖6是本發(fā)明的示意性"基架"("pedestal")折射率LMA纖維的折射率 屬性；
圖7包含了說明發(fā)明的LMA光纖的光模強(qiáng)度分布以及顯示與光模強(qiáng)度分 布最大重疊的相關(guān)的聲學(xué)本征函數(shù)的圖表；
圖8是依據(jù)本發(fā)明的示例性LMA光纖的折射率屬性，所述LMA光纖包 括環(huán)形纖芯區(qū)域，用于提供期望的變低的折射率和結(jié)構(gòu)化的聲學(xué)折射率；
圖9描述了示意性的HOM光纖，包括圖9(a)中的，具有多個折射率變 低的區(qū)域的結(jié)構(gòu)化的聲學(xué)折射率；圖9(b)示出了摻雜物屬性的特定的實施例， 設(shè)計來實現(xiàn)期望的光學(xué)及聲學(xué)折射率屬性；以及，圖9(c)包括列出了各種摻雜 物對硅中的光學(xué)及聲學(xué)折射率產(chǎn)生的影響表格；以及
圖10-13包括了依據(jù)本發(fā)明的，包含試驗結(jié)果的各種圖表。
具體實施例方式
如下面要詳細(xì)討淪的，減小在依據(jù)本發(fā)明的大;^莫場面積光纖(LMA)中 的受激布里淵散射(SBS)的能力，涉及兩個單獨設(shè)計考慮的學(xué)習(xí)和理解。首 先，要求配置LMA的中心纖芯區(qū)域來顯示結(jié)構(gòu)化的聲學(xué)折射率，所述結(jié)構(gòu)化 的聲學(xué)折射率能夠從纖芯的中央部分(多數(shù)光子模式的駐留區(qū)域)排除熱產(chǎn)生 的聲場(聲子)，從而降低光成分與聲成分間的重疊積分以及熱布里淵光散射 截面。正是所述熱布里淵光散射，通過類似于已對SMA光纖描述的方法引起 SBS作用(從而提高開始SBS的閾值)。因為期望的聲學(xué)折射率結(jié)構(gòu)是由在不 同區(qū)域之間的聲學(xué)折射率上相對較小的對比度實現(xiàn)的，因此無需選擇產(chǎn)生大對 比度的摻雜物濃度。由于降低了制造這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的難度，因此這是很有吸引 力的。然而，所述聲學(xué)折射率結(jié)構(gòu)不滿足第二種考慮的要求，在第二種考慮中， 通過對光學(xué)折射率的控制，將電致伸縮后產(chǎn)生的應(yīng)力從光學(xué)濃度最大的纖芯部 分折射出去，從而降低光子與聲子相互作用的時間或長度。
這兩種設(shè)計考慮依據(jù)本發(fā)明而提出，通過在光學(xué)纖芯中設(shè)計一種"負(fù)聲學(xué) 透鏡"將聲能從光模所占據(jù)的中心纖芯區(qū)域折射出去。因為聲波的波長大約等 于0.4nm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于纖芯直徑(表示為約為45Mm)或才莫場直徑(表示為約 為25pm)，對于在光纖中的聲波傳播的幾何"聲學(xué)，，描述是適當(dāng)?shù)摹?br> 經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用"負(fù)聲透鏡"能夠以兩種方式對于SBS的產(chǎn)生進(jìn)行抑制。首先，該透鏡會將電致伸縮聲場與光模的交互作用時間或長度最小化。進(jìn)一步， 如下面詳細(xì)描述的，所述透鏡的存在能夠充分地使聲波彎曲，從而由電致伸縮
波導(dǎo)。附圖5中描述了這樣的聲學(xué)透鏡20。在下面段落中將說明如何通過結(jié) 構(gòu)化的聲學(xué)折射率使聲學(xué)射線彎曲。
通常，在現(xiàn)有的具有聲學(xué)均勻纖芯的光纖中，具有波矢koA及角頻率OV的 入射光波由波矢為QA的且角頻率Q等于布里淵位移頻率QB的后退的
(retreating)聲波散射，如圖5所示。所述背向散射后(backscattered)的斯
托克光將具有波矢kfA和角頻率QfA二D()A- QB 。所述光波與聲波的波矢均與
光纖的光軸共軸，并且滿足動量守恒定的要求koA=kfA + QA。
依據(jù)本發(fā)明，由于與透鏡20 (在圖5中用"G"來表示)相關(guān)的負(fù)聲學(xué)折 射率梯度的存在，會使得后退的聲波彎曲，在圖5中由聲學(xué)射殘Qb表示。這 會以兩種方式輔助對于SBS的抑制(1 )減少光子與聲子的相互作用時間(長 度)和最高布里淵增益(peakBrillouingain),以及(2 )增加光散射角度，以 超出飛離角或光纖數(shù)值孔徑。
無論是熱產(chǎn)生的或是由電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的聲子，只要其持續(xù)存在于光模 中，就會對SBS做出貢獻(xiàn)。對于熱產(chǎn)生的聲子來說，所述相互作用的時間常 數(shù)是由與聲能的熱變換相關(guān)的聲子壽命所給出的。聲子壽命r和增益帶寬AvB 通過AvB =1/丌r而相關(guān)。所述最高布里淵增益由以下z>式給出 &=2丌2."7.;72.7"/。;12./77，其中n是折射率、p是光彈性常數(shù)、c是光速、p 是纖芯密度以及V是纖芯聲速。因此，所述最高布里淵峰增益與聲子壽命r成 正比。
依據(jù)本發(fā)明，聲學(xué)折射率屬性中的梯度的存在，使得聲能從低聲學(xué)折射率 區(qū)域折射出去。因此，聲子在該光模存在的情況下僅會度過較短的時間。從而， 這具有減小的有效壽命2"和減少的布里淵增益。這會對抑制SBS做出貢獻(xiàn)。
關(guān)于飛離角控制，經(jīng)過負(fù)聲學(xué)透鏡20的折射，散射后的波矢kffl-koB-QB
與光軸成角度VK,如圖5所示。所述角度v由依據(jù)本發(fā)明配置的聲學(xué)負(fù)折射率 屬性的結(jié)構(gòu)所確定。具體地，期望使用具有足夠大的梯度(dN/dr)及折射率 對比度(Ndad-Nc。re)的聲學(xué)折射率，使散射角度v)/大于光纖數(shù)值孔徑。散射后的光會逃離波導(dǎo)，并且不能夠參與到SBS過程中，從而導(dǎo)致進(jìn)一步的SBS 抑制。
生會改變光模的大的光學(xué)折射率對比度。這可以在具有光學(xué)折射率的基架設(shè)計 的光纖纖芯中實現(xiàn)，如圖6所示。所述基架設(shè)計允許在纖芯和周圍的基架中使 用高的摻雜物濃度(Ge和Al)，從而顯著地修正玻璃的聲速。這可以擴(kuò)大有 助于產(chǎn)生期望的聲學(xué)折射率對比度的聲學(xué)特性的可用范圍。盡管摻雜濃度較 高，光場也會對光學(xué)折射率的對比度做出反應(yīng)，所述對比度可以通過調(diào)整基架 與纖芯之間的對比度而變小。參照圖6，具有較高鍺濃度的基架22圍繞著由 鍺和鋁的徑向定制的(radially-tailored)混合物組成的纖芯24。所述鍺濃度從 纖芯的邊緣23到纖芯24的中心25,由高變低。鋁濃度則遵循相反規(guī)律。平 衡鍺和鋁的相對濃度，產(chǎn)生均勻的光學(xué)折射率，并且，聲學(xué)折射率在從僅高摻 雜了 Ge的纖芯外圍到僅高摻雜了 Al的纖芯所獲得的寬的范圍內(nèi)變化。
漸變的聲學(xué)折射率可以配置來顯示不同的幾何形狀，在圖6中的聲學(xué)屬性 中顯示了三種不同的潛在的漸變的幾何結(jié)構(gòu)gl、 g2、 g3。例如，可以通過使 光軸(纖芯25的中央)具有最大量的Al且不含有Ge并且在內(nèi)纖芯(~10um 半徑)具有最大量的Ge且不含有Al來改變光纖纖芯中的Al到Ge的比例， 從而得到這些幾何結(jié)構(gòu)，其中，相對于Al使硅中的聲學(xué)折射率變低，而Ge 使硅中的聲學(xué)折射率增加。在任何情況下，所述聲學(xué)屬性的斜率需要足以促使 所述負(fù)透鏡結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。具體地，0.01/jam級別的斜率已經(jīng)被成功地用于產(chǎn)生 所述負(fù)透鏡。更常見的，大于0.005/)itn的值將提供足夠大的斜率來引起負(fù)透 一鏡效應(yīng)。
需要注意的是，光學(xué)折射率的基架結(jié)構(gòu)在允許使用Al和Ge的高摻雜濃 度的同時，還允許大模場面積(光學(xué))設(shè)計所需的、纖芯與環(huán)繞區(qū)域(基架區(qū) 域)之間的小折射率差，因此提供了中心的與外圍的纖芯區(qū)域之間的大的聲學(xué) 折射率對比度。大于約0.05的對比度值被認(rèn)為可以滿足本發(fā)明的目的。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到通過聲學(xué)模態(tài)分析，對LMA光纖中SBS抑制的研究，所述分析 建立在可以定義為棒狀玻璃的一種示意性光纖的基礎(chǔ)上，所述棒狀玻璃具有由 玻璃矩陣中的摻雜物確定的光學(xué)折射率及聲學(xué)折射率的橫向分布。所述光學(xué)折
ii射率由n(r^c/v(r)給出，其中，c是在真空中的光速、v(r)是作為半徑的函數(shù)的 光相位速度。類似的，所述聲學(xué)折射率由N(r)= F"。2,(r)給出，其中，V(r) 是在半徑r時的聲速、「 2是硅包層中的聲速。折射率屬性n(r)對光線進(jìn)行引 導(dǎo)。所述聲學(xué)折射率屬性N(r)確定玻璃柱體或熱聲子的常規(guī)振動模式。這些可 以根據(jù)由赫爾姆霍茨等式確定的密度波動p(r)來計算
<formula>formula see original document page 12</formula>
(2)
其中，W是;f黃向拉普拉斯算子，f是以Hz為單位的聲頻，Ao是在硅中的 聲波波長，,八° = 7"。2， 7"。2是在硅內(nèi)包層中的聲速，aw是有效聲學(xué)折射率。 布里淵散射還要求滿足布拉格條件以確保光場共鳴地激勵聲場，也就是
<formula>formula see original document page 12</formula> (3)
其中，義是光波波長，財是有效光學(xué)折射率。這兩個條件可根據(jù)能夠參
與到熱布里淵散射事件中的mth聲波本征頻率fm以及mth聲波本征頻率pm(r),
對特定的聲學(xué)折射率屬性生成光纖的常規(guī)振動方式。根據(jù)聲學(xué)有效折射率
將所述本征頻率表示成
<formula>formula see original document page 12</formula>(4)
密度變量Pm(r)造成光學(xué)電介質(zhì)常量s的波動，這會提升散射后的電場
<formula>formula see original document page 12</formula>5)
其中，K是比例常量，E(r)是模型電場分布。由同樣的光纖模式所捕捉的 散射電場^加W的場振幅A,與散射電場A"^)與模型場e(。之間的重疊成正 比<formula>formula see original document page 12</formula> (6)
可以通過對上述表達(dá)式進(jìn)行平方和重新歸一化，從而生成光學(xué)功率歸一化
后的重疊積分
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，尖括號表示對光纖橫截面的積分，「"'是通過密度波動^(。從在光模中的正向傳播的光背向散射的并且由同一光模捕獲的光強(qiáng)度的量。需要注意
的是，如果聲模與光模的完全重疊，則^ =1 ;而在沒有重疊時，「"'=0。因此，
通過使重疊積分r"'最大化的聲子密度波動pm(r)，會將光學(xué)功率最大化地散射
進(jìn)光模E(r)。相反地，對布里淵散射及SBS的抑制需要一種聲學(xué)設(shè)計，具體
講是聲學(xué)折射率屬性N(r),其使^最小化。
盡管圖6的基架聲學(xué)折射率結(jié)構(gòu)能夠使r"'最小化，但通常^不會等于零，
并且仍然會有由光才莫捕獲一些熱布里淵散射。這會產(chǎn)生具有與光模密度E(r)2
成正比的橫向分布的電致伸縮密度波動p(O。這些密度波動(通過定義)包括
統(tǒng)一的重疊積分以及如由熱聲子散射的具有相同頻率和波矢的散射光，并且對
SBS的產(chǎn)生做出貢獻(xiàn)。
由=廣f("2給出的電致伸縮壓力波以與熱聲子相等的聲速行進(jìn)。壓
力波的橫向分布等于模型密度分布。電致伸縮壓力波對聲模進(jìn)行機(jī)械作用，從 而增加聲模能量和引起SBS過程的熱布里淵散射。熱聲子的電致伸縮驅(qū)動的 效率與壓力波和密度波動的乘積成正比
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中，K，是常數(shù)。因此，也可以用歸一化后的重疊積分^表示所述熱聲 子的電致伸縮驅(qū)動的效率。這種對熱聲子的機(jī)械驅(qū)動也會對SBS的產(chǎn)生做出 貢獻(xiàn)。
本發(fā)明的基本意圖是，設(shè)計一種具有聲學(xué)折射率屬性N(r)的光纖，所述聲 學(xué)折射率屬性N(r)在中心纖芯區(qū)域會產(chǎn)生使與光場的重疊L最小化的聲波本 征函數(shù)aW，從而減小引起SBS過程的熱布里淵散射。已通過數(shù)學(xué)模擬對用 于使應(yīng)力與光場之間的重疊最小化而設(shè)計的漸變的聲學(xué)折射率的聲波本征函 數(shù)進(jìn)行調(diào)查。例如，已詳細(xì)考查了用于類似于圖6中的聲學(xué)折射率屬性的聲波 本征函數(shù)。已經(jīng)對所有的聲波本征函數(shù)進(jìn)行了計算，并且也已經(jīng)對重疊積分^ 進(jìn)行了計算。SBS的攻擊被預(yù)期為，由具有最大重疊積分^值的聲波本征函數(shù) 引發(fā)。圖7描述了所述本征函數(shù)，在這種情況下，重疊積分^等于0.32。圖7中同樣描述了光纖的光模強(qiáng)度分布。
此外，如上面討論的，上述聲學(xué)折射率屬性N(r)應(yīng)當(dāng)是，它可以形成類似 于負(fù)聲學(xué)透鏡的結(jié)構(gòu)，來電致伸縮后產(chǎn)生的聲波分散，因此減小它們的與光模 和在超過光纖數(shù)值孔徑的角度上的散射光之間的相互作用。
除上述聲學(xué)激勵的考慮之外，還可以基于對聲子壽命的關(guān)注對上述設(shè)計進(jìn)
的某些范圍)，因此若保持相對較低級別的SBS是必要條件，則光學(xué)部件的物 理尺寸將無法4艮大。然而，所述物理尺寸的限制有悖于具有用于光纖;故大器應(yīng) 用中的增加的光學(xué)功率的大模場的期望。
在已揭示的發(fā)明的一個實施例中，通過具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的光學(xué)折射率來確定 大區(qū)域光模，所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)具有設(shè)計來將聲波從光模所占據(jù)的纖芯區(qū)域排除的 聲學(xué)折射率。優(yōu)選的，使用"折射率低的包層"的中心纖芯部分，和具有較高
折射率的、圍繞于所述中心纖芯部分的"環(huán)形"纖芯部分來形成上述結(jié)構(gòu)。圖 8描述了依據(jù)本發(fā)明的這個實施方式示意性光纖30的光學(xué)及聲學(xué)折射率屬性。 如圖所示，光纖30包括折射率值為nd的中心纖芯部分32，所述中心纖芯部 分32由折射率為nc2的環(huán)狀纖芯部分34圍繞，且nc2 >ncl。包層36環(huán)繞于環(huán) 狀纖芯部分34并且具有小于ne2的折射率值ndad，從而傳播的光學(xué)信號保持在 由中心纖芯部分32和環(huán)狀纖芯部分34形成的纖芯區(qū)域38中。
參照圖8，纖芯區(qū)域38的直徑以D,arge表示，包括對中心纖芯部分及環(huán)狀 纖芯部分34的全部測量長度。由于已經(jīng)部分地通過所述直徑D,arge對光學(xué)功率
特性進(jìn)行限定，因此光纖放大器30的纖芯區(qū)域38的結(jié)構(gòu)可以提供期望的大的
光學(xué)模場。但是，已發(fā)現(xiàn)上述配置的聲學(xué)特性由在圖8中以dring表示的、環(huán)狀 纖芯部分34的直徑定義。因此，只要環(huán)直徑d—保持小于聲子衰減長度(大
約20jam)，聲能就會從光場中折射出去。所述折射在圖8中由箭頭B表示。
由于能夠減小光場與聲場的空間重疊，因此發(fā)現(xiàn)將聲能從光場中折射出去可以
有效地減小SBS。
本發(fā)明的光纖30的成分被選擇來提供如圖8所示的期望的光學(xué)折射率屬 性，并提供為實現(xiàn)放大所需要的期望程度的光學(xué)增益。摻雜物如，Al、 P及 Ge會提高(光學(xué))純硅光纖的折射率，而在硅光纖中摻雜F會降低(光學(xué))折射率。相對于對聲學(xué)折射率的理解，除了 Al被發(fā)現(xiàn)會降低聲學(xué)折射率以外， 所有相關(guān)摻雜物均會增加聲學(xué)折射率。依照上述特性，可以利用光纖成分的幾
種變化來提供如圖8所示的光纖30的期望的折射率屬性。例如，中心纖芯部 分32和包層36可以由純硅或者輕度摻雜的硅構(gòu)成，而在環(huán)形纖芯部分34中 摻雜Yb (用于放大目的的稀土摻雜物)和Al (用于降低聲學(xué)折射率)?？蛇x 的，其他如F及P的摻雜物，可以用于在將光纖30與通信光纖鄰接部分拼4妄 時實現(xiàn)快速的摻雜物擴(kuò)散，從而使拼接區(qū)域的折射率屬性平滑，并使光纖的整 體屬性回歸通常的高斯分布。
如上所述，在適當(dāng)設(shè)計的光纖中的高次模(HOM)具有極大的有效面積， 并因此可以被認(rèn)為是用于提高SBS閾值的"大模場面積"光纖。圖9描述了 示意性的HOM光纖50 (具有LP07模式)，其具有半徑約為40 ju m的光學(xué)纖 芯52。在這種情況下，必須對聲學(xué)屬性進(jìn)行配置，以將熱聲模從光模所占據(jù) 的纖芯區(qū)域中排除，以減小聲學(xué)光學(xué)相互作用，提高SBS閾值。如圖所示， 聲學(xué)屬性包括多個低聲學(xué)折射率值區(qū)域54，從而在纖芯區(qū)域形成了多個環(huán)， 其中，區(qū)域的間隔被選擇來提供用于將聲波從光學(xué)模場中折射出去，在圖9 中由箭頭"C"表示。
在圖9(b)的示意性實施例中，P和Al的交替層分別允許聲學(xué)折射率屬性 的增加和減少，從而達(dá)到將聲能從光能所占據(jù)的纖芯區(qū)域折射出去的效果，同 時保持高次光模所需的恒定光學(xué)折射率。需要注意的是，無需使強(qiáng)度分布中的 聲波折射率低的區(qū)域的數(shù)目與峰的數(shù)目相等。事實上，僅具有簡單的、低的中 心聲學(xué)折射率，或者僅具有一個或多個具有聲波折射率低的環(huán)，就足夠了。圖
9(c)的表格列出了選定的摻雜物對于光學(xué)與聲學(xué)折射率(關(guān)于硅的)的影響， 在這個表格中列舉的特定摻雜物僅是示意性的，絕對不是對于可用于本發(fā)明的 多種摻雜物種類(或化合物)的窮舉。 試驗結(jié)果
根據(jù)本發(fā)明揭示的原理設(shè)計一種SBS抑制光纖原型。 一種摻雜Yb的雙包 層光纖制作成纖芯直徑為22um、基架直徑為28um、內(nèi)纖芯An為約0.002、 以及基架An為0.008。圖10中描述了所述折射率屬性及非SBS抑制的常規(guī)現(xiàn) 有光纖(作為控制光纖)的折射率屬性。實線表示了具有基架折射率屬性的Al/Ge光纖的等同光學(xué)折射率。圖10中插入了摻雜物Al與Ge的折射率的示 意圖。圖11表示了歸一化的強(qiáng)度屬性。需要注意的是，由于在中心纖芯區(qū)域 的Ge蒸發(fā)，控制光纖具有中部的下降(dip)。本發(fā)明所述SBS抑制光纖具有 177jin^大小的有效光學(xué)面積，而控制纖維具有314ian^大小的有效光學(xué)面積。
圖12是作為這兩種光纖的半徑函數(shù)的聲學(xué)折射率屬性N(r)的圖示。SBS 抑制光纖的聲學(xué)折射率由超聲波測量確定，而控制光纖的聲學(xué)折射率由聲速與 Ge摻雜濃度之間的構(gòu)成關(guān)系確定?？梢钥吹?，本發(fā)明SBS抑制光纖顯示極大 的聲學(xué)折射率對比度 0.09及較大的折射率斜率 0.011/iam。另一方面，控制 光線具有較小的聲學(xué)折射率對比度 0.01及較小的折射率斜率 0.003/jum。圖 13(a)描述了在光纖功率為24.8W時，SBS峰值約為-48dBm的SBS抑制光纖 的SBS光譜。圖13(b)類似地描述了在光纖功率為6.9W時，SBS功率為-48dBm 的控制光纖的SBS光譜。由此可見，本發(fā)明SBS抑制光纖相對于控制光纖顯 示了 5.6dB的抑制?？梢约僭O(shè)，如果兩種光纖模型的有效面積相等，則本發(fā) 明SBS抑制光纖相對于控制光纖將會顯示 8.1dB的抑制。更為詳細(xì)的分析進(jìn) 一步顯示了，兩者的相對SBS抑制會高達(dá)11.2dB。
應(yīng)當(dāng)理解的是，前述說明僅僅是對于本發(fā)明的示意性說明，并意在對權(quán)利 要求中所限定的發(fā)明的本質(zhì)和特性進(jìn)行整體的解釋。附圖作為本說明書的一部 分，進(jìn)一步對發(fā)明做出解釋。附圖結(jié)合對其的說明，描述了本發(fā)明的多種特性 和實施方式，用于解釋本發(fā)明的原理和操作。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到，對于 前述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式可以進(jìn)行各種修改，而不會超出權(quán)利要求中所限定 的本發(fā)明的設(shè)計思想。
1權(quán)利要求
1.一種光纖，包括纖芯區(qū)域，具有至少10μm的直徑；以及包層，設(shè)置成環(huán)繞纖芯區(qū)域，其中，所述纖芯區(qū)域在預(yù)定區(qū)域中摻雜，從而產(chǎn)生聲學(xué)折射率屬性，所述聲學(xué)折射率屬性能夠?qū)崧曌訌墓饽Ｋ紦?jù)的區(qū)域排除并顯示負(fù)透鏡結(jié)構(gòu)，所述負(fù)透鏡結(jié)構(gòu)將聲學(xué)電致伸縮后產(chǎn)生的波從所述光模所占據(jù)的區(qū)域折射出去并且減小光子與聲子相互作用的時間和/或長度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中，所述聲學(xué)折射率屬性是由向纖芯 區(qū)域中心降低摻雜物濃度而產(chǎn)生的單調(diào)屬性，所述聲學(xué)折射率屬性的斜率足以 產(chǎn)生所述負(fù)聲學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖，其中，所述單調(diào)聲學(xué)折射率屬性的斜率 大于0.005/jLim。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖，其中，所述聲學(xué)折射率對比度大于0.05。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中，較大的聲學(xué)折射率對比度值通過 基架光學(xué)折射率屬性實現(xiàn)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中，所述纖芯區(qū)域顯示大于約20ym 的直徑。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中，所述光學(xué)及聲學(xué)折射率的摻雜屬 性配置來使前進(jìn)的光場(光子)與后退的聲場(聲子)之間的、被定義為光子 -聲子重疊積分的重疊積分最小化。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中，所述光纖包括大模場面積(LMA) 光纖。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中，所述光纖包括高次模(HOM)光纖。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光纖，其中，所述纖芯區(qū)域配置成具有由摻雜 物種類的第 一組合摻雜的中心區(qū)域和由摻雜物種類的第二組合摻雜的至少一 個環(huán)區(qū)域的屬性，所述至少一個環(huán)的間隔被控制來將聲能從光模場折射出去。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的光纖，其中，所述纖芯區(qū)域配置成具有中心區(qū)域，以所述摻雜物種類的第一組合摻雜；以及，多個環(huán)形區(qū)域，由所述摻 雜物種類的第二組合摻雜。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中，所述纖芯區(qū)域包括 中心纖芯區(qū)域；以及環(huán)形纖芯部分，圍繞所述中心纖芯部分，并且包括能夠提高光學(xué)折射率并 且降低聲學(xué)折射率的摻雜物種類。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的光纖，其中，所述環(huán)形纖芯部分以鋁摻雜。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的光纖，其中，所述環(huán)形纖芯部分的寬度被選 擇來保持小于聲子的壽命，以將聲能從光場折射出去。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中，所述纖芯區(qū)域被摻雜來顯示類基 架的折射率屬性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有減小的受激布里淵散射的大模場面積光纖放大器。適用于高功率應(yīng)用的大模場面積光纖放大器包括纖芯區(qū)域，所述纖芯區(qū)域配置來允許高功率操作并限制產(chǎn)生的SBS量。所述纖芯區(qū)域的成分選擇來在選定區(qū)域具有摻雜物(如鋁)，以減小纖芯的聲學(xué)折射率并限制聲場與光場之間的空間重疊。所述聲學(xué)折射率同樣構(gòu)造來使聲場從中心纖芯區(qū)域折射出去。在一個實施例中，所述纖芯可以包括低折射率的中心部分和環(huán)繞的環(huán)狀纖芯區(qū)域，其中，所述中心部分包括摻雜的鋁，而環(huán)狀部分形成來對于操作波長有小于聲子的衰變長度的直徑。
文檔編號H01S3/067GK101581811SQ20081017464
公開日2009年11月18日 申請日期2008年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月1日
發(fā)明者大衛(wèi)·J.·迪喬瓦尼, 馬克·D.·默梅爾斯坦 申請人:Ofs飛泰爾公司