专利名称：有色散的光纤和光纤装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤装置，其中该装置的总色散大于材料色散。 背景技木光纤可以引导有多个空间困形的光，每个空间困形被唯一地命名 为光纤的横模(以下为了简化，称它为模).光纤中光信号的色散特 性取决于它正在传播的棋。因此，每种模的特征是它特有的色散值. 模的色散大致等于材料色散(Dm )与波导色散(Dw )之和。材料色散 是光信号所驻留的材料色散，即，制作光纤的材料(最普遍的是，有 微量锗，鳞，象和其他掺杂刑的石英)。波导色散是由于限定光纤波 导的折射率分布造成的。因此，通过合适地改变光纤的折射率分布(它改变DJ ,可以设计模的色散(Dt。tjd=Dm+Dw)。如以下所解释的， 在大多数的光纤设计中，波导色散Dw是负值.因此，光纤的折射率 分布可以设计成得到Dw有很大的负值，从而可以实现有各种不同负 值的光纤色散Dt。ta，而在最大可实现的色散中，大多数光纤的色散是 材料色散.对于有各种掺杂剂的石英，在约大于1300nm的波长下， 它的DmX)，而在小于1300nm的波长下，它的Dm<0。因此，在大于 1300 nm的波长下，大多数光纤可以实现正的或负的色散(Dt。tal)， 而在小于1300 nm的波长下，光纤色散仅可能是Dt。tal <0。光脉沖在光纤中的光响应主要取决于它经受的色散。这对于诸如 脉冲扩展的线性效应和诸如脉冲崎变和孤子形成的非线性效应都是正 确的，因此，光纤的色散在设计光纤基装置中起关鍵的作用。虽然光 纤通信系统通常工作在1300 nm或1500 nm与1650 nm之间的波长范 围内，但许多其他重要的光学系统是在较低的波长下工作.光纤激光 器的优选工作波长是在1060 nm,普遍存在的掺钬蓝宝石激光器可用 在几个泵探測实臉以及生物医学成像或治疗中，它通常工作在700 nm
至lOOOmn的波长范围内.最后，人眼可以看见的所有波长，罔此， 诸如激光指示器的几种商品化器件工作的波长，它们的波长范围是从 400 nm至700 nm.所有这些应用中共同的工作波长都是在1300 nm 以下，其中石英光纤仅产生负的色散.在这些波长范围内有正色散或 零色散的光纤能够传播孤子并产生宽带超连续光谦，例如，它对于生 物医学成像系统是有用的。在许多的这种系统中，在这些波长下要求 正的低色散光纤，因此，我们需要这样的光纤，它在小于1300nm的 波长下可以提供稳定的光脉冲传播，其色散是正值，并可以通过合适 设计折射率分布进行调节.我们需要这样一种光纤，在任何所需的波 长范围内，它的波导色散Dw可以设计成大于零，大多数光纤是单棋光纤，这意味着这些光纤仅支持最低阶的基 模，J^标记为LPM模.下标中的两个数字分别表示空间光困形在沿 方位角方向(笫一个下标)和沿径向(笫二个下标)有强度最小值(零) 的数目，如上所述，标准石英光纤中LP(u棋仅可以实现Dw<0，其中 折射率分布是由石英中的各种掺杂剂确定。因此，整个这类光纤可以 有最大的D她产Dm,其中Dm是石英的材料色散。由于在<1300 iim的 波长下，Dm<0，在这个波长范围内不能实现Dt。wX)。包含气眼的光纤(以下称之为空气-石英光纤)是沿该光纤轴的 纵向延伸，它具有J.C. Knight及其同亊在2000年7月出版的压￡￡ isotonics 7Vc/i"< togy Inters, Volume 12， page 807中所描迷的有趣 性质,其标趙是"Anomalous Dispersion in Photonic Crystal Fiber", 他们说明空气-石英光纤在任何的波长范围内可以实现大的正色散.然 而，空气-石英光纤的色散与它们的模区紧密联系，它不可能实现高的 色散并有很大的有效模区，因此，这种设计空间仅可用在要求有高的 正色散和低的非线性的系统中.此外，我们知道这种光纤有大的双折 射和损耗，它们大大降低在实际系统中的使用。而且，利用常规技术 制成的全爾态光纤总是比要求人工装配光纤预制件的光纤(如在空气-石英光纤的情况)有较低的成本.这种光纤也存在终端问趙与其他 光纤的拼接造成损耗，光性质的变化，以及不能够可象地制作.
Lysiansky， Rosenblit和Wei公开另一种技术以得到Dw>0。在 US Patent No. 6，724，694中，他们7>开一种固态(即，不是空气-石英) 光纤的典型折射率分布，该光纤支持LP(n模和高阶模(HOM),其 中波导设计产生的LP。2模或LP。3模的色散大于+50 ps/nm-km。然而， 这些设计不能在<1300 nm的波长范围内实现零或低的正色散值，因 此，它不能用于诸如孤子压缩和超连续光谗产生的应用中，这些应用 通常是利用700-900 nm波长范围内的激光器，此外，这些HOM光纤 具有大多数光纤支持多棋的严重缺点.虽然我们希望光基本驻留在所 需的HOM中，但是，存在其他的模使这种设计对于模耦合是敏感的， 而光在模辆合过程中可以损失或可以造成有害的干涉噪声问题.这种 模耦合是随所需模与任何其他模的有效折射率(neff)之差的减小而增 大，上述作者公开的设计空间导致LPo2模和LPu模在工作波长下有 相同的Heff.因此，这些设计对于干涉噪声和损失是特别敏感的.因此，我们需要一种可以利用常规制作技术制作的光纤，它有这 样的折射率分布，在各种波长范围内不仅产生任何大小的正色散，而 且还可以确保该光纤中的模间隔对于模耦合是不敏感的。发明内容本发明涉及包舍有光纤的光纤装置，该光纤具有的折射率分布在 任何的波长范围内可以产生Dt。tal>Dm,它使Dt。tal<+50 ps/nm-km ，这 种性质在利用光的非线性的各种光纤装置是理想的.若光基本上驻留 在光纤的单个高阶模(HOM)上，则上迷折射率分布产生给定的色散 值。通常，这个HOM是光纤的LPo2模，但是，专业人员应当知道， 可以把这种设计扩展到其他的HOM，例如，LPu模或LP。3模，我们 说明典型的折射率分布，它在820-900 nm以及1040-1160 nm的波长 范围内有很小的正色散Dt。tal (<+50 ps/nm-km)，因为这些波长范围 对于非线性光纤光学装置是特别有意义的，正是在这些波长范围内，普通的石美光纤有Dt。t^0,从而激励需要其他的方案，此处还公开这样一种折射率分布，它在任何的波长范围内产生 Dt。tal>Dm，且没有约束色散Dt^的大小，但同时产生穗定的和没有模 式輛合的倌号传播.为了实现这后一特征，光纤设计被局限于这样的光纤，其中所需HOM与任何其他模的neff之差(以下标记为Aneff)的 绝对值大于10".此处我们所公开的设计的光纤可以实现Dt。ta,>0和 八11必的绝对值>10-4，它能应用于在<1300 nm的波长范围内的各种光 纤装置，而目前仅有体光学装置.本发明还涉及一种用于得到有D她戶Dm的设备，包括光纤和至 少一个模转换器，用于把输入光转换成光纤的理想HOM，因此，光 的传播基本发生在理想的模式上.在某些情况下，这种装置还包括在 该装置榆出端的模转换器，为的是从该装置的输出中得到熟悉的高斯 空间困形的光.在一个实施例中，棋转换器是静态或可调谐的长周期光纤光栅.具体实施方式
困l表示支持多个棋的光纤的折射率分布，但是，该光纤设计成 产生LPa2棋所需的Dt。w。该折射率分布包括:延伸到径向位置为1 nm 的纤芯10， 其AN等于0.039;以下是厚度为0.5 pm的沟渠区(下掺 杂环)11，其AN等于-0.008;以下是厚度为1.4 jrni的上掺杂环12， 其AN等于0.027.在此之后，仅由石英玻璃制成的光纤包层13延伸 到该光纤的玻璃包层边缘.在典型的光纤中，光纤的玻璃包层延伸到 62.5 Jim的径向位置.困1中示出的折射率分布仅到达7nm的径向位 置，因为光纤的其余部分仅仅是石英玻璃包层的延伸。折射率分布的 特征是用AN表示，AN是有用区城与石英包层之间的折射率差。困2表示困l所示光纤的LPo2模20的色散作为波长的函数.困 2还画出石英(21)的材料色散，它在820-900 nm的波长范围内有很 大的负值.作为参照，困2还画出表示零色散线的虚线(22)。从这 个困中可以看出，这种光纤的LPo2模有很大的波导色散Dw,这是因 为这个模的色散(Dt他皿)是在0与约+5 ps/nm-km之间变化，而在这 个波长范闺内，介质的材料色散Dm是在-78 ps/nm-km与-109 ps/nm-km之间变化.由于Dt。tw=Dm+ Dw，和D加有很大的负值，Dw 必须有很大的正值，为的是使D函有很小的正色散，
专业人员应当明白，介质的波导色散相对于波导尺寸与工作波长的互补比例是大致恒定的，如在Synder和Love在Opftc"/『in^g"/<sfe T7i卯7， Chapman肌d Hall， New York, 1983中所详细描迷的.亙 补比例的概念是，在波导尺寸与工作波长的给定比例下，该波导有大 致相同的波导色散Dw,因此，专业人员应当明白，虽然困l描述的光 纤是在800-900 nm的波长范围内产生很小的正色散，但是，适当配置 折射率分布的径向尺寸可以产生类似的波导，该波导在其他波长下的 LPo2模可以产生相同大小的Dw。因此，这种设计模型可用在<1300 nm 的任意所需波长范围内得到很小的正色散，此外，困2画出色散斜率是零，负值或正值的情况，它取决于 工作波长，其中色散斜率的定义是Dt。w相对于波长的导数。因此，借 助于互补比例的概念，显然，这种设计类型可以产生任何符号(包括 零)的色散斜率，与此同时，在〈1300nm的波长范围内产生很小的正色散Dtotai,图3表示支持多个模的光纤的折射率分布，但是，它设计成产生 LPo2棋所需的Dt tal,与此同时，还确保光信号相对于模耦合是穗定的. 该折射率分布包括延伸到径向位置为1.1 的纤芯30，其AN等 于0.026;以下4jf"度为1.4 jmi的沟渠区31，其AN等于-0.0087;以 下是厚度为0.7 jim的上捧杂环32，其AN等于0.022;以下是厚度为 0.7 nm的沟渠区33，其AN等于-0.0085;以下是厚度为1.44 pm的上 掺杂环34，其AN等于0.015;以下是厚度为1 nm的沟渠区35,其AN 等于0.0073.在此之后，仅由石英玻璃制成的光纤包层36延伸到该光 纤的玻璃包层边缘.困4表示困3中所示波导的LPo2模的色散D她,。显然，LPo2模 有4艮大的正色散，在1040 nm的波长下可以高达+100 ps/nm-km.此 外，它在从1040 nm至1160 nm波长范围内的120 nm跨度上有正色散.困5表示困3所示光纤的两个不同模的有效折射率iieff.直线50 是LP。2棋的Heff，它有很大的正Dt。w，且它是理想的工作棋式，而直线51是LPu模的neff，它有最接近于这种光纤理想LPo2模的iieff值， 在这种光纤中可以看出，两个模式之间neff的差在从1040 nm至1160 iim的整个优逸工作波长范围内大于IO-4。这种光纤的LPo2模与任何 其他导模之间有这个很大间隔，可以确保LP。2模的光传播不容易辆合 到这种光纤的任何其他模，从而确保光信号有稳定的、没有模耦合的、 低损耗传播.困5没有画出这种光纤中其他导模的neff，因为它们与 LPo2模的间隔甚至更大，因此，没有模耦合造成的不穗定性. 一般地 说，在这种光纤设计中，通常需要计算每个导模的neff，并确保所需 HOM与任何其他棋之间neff的最小差值超过10_4.至此，我们已描述两种典型的光纤折射率分布， 一种折射率分布 产生的D幽大于介质(通常是有微重掺杂刑的石英)的材料色散Dm, 但是在<1300 nm的波长范围内，Dt。tal<50 ps/nm-km.另一种折射率分 布提供的色散Dt。tal大于材料色散Dm， Dt。w在〈300 nm的波长下有任 意大的正值，因此，所需棋与寄生棋之间的Aiieff总是大于10-4，为的 是确保稳定的运行.困6表示成品光纤预制件的折射率分布，它产生 满足上述两个条件的LPo2模。图7表示困6所示光纤的LPo2模的色 散(Dt。tal) 在从820-920 nm的波长范围内100 nm的跨度上，LP02 模的色散Dt。ta^+40ps/nm-km。因此，在材料色散有很大的负值(如 围2所示约-100 ps/nm-km)的波长范围内，这产生有低的正色散的光 纤。请注意，困7所示的色散曲线(以及围2所示的色散曲线)在感 兴趣的波长范围内有转折区，即，在工作波长。困8分别函出LPo2模(80)和LPu模(81)的neff。如在困3, 4，和5所示光纤的情况下，LPu棋的neff最接近于这种光纤中LPU 棋的Ileff，因此，它足以研究二者之差以评价它们抗模辆合的能力。从 困8中可以推断，neff之差(Aneff)在从820nm-920nm的整个工作波 长范围内大于10".在上迷光纤的所有讨论中，优选的工作模式是LP似模.可以实 施相同的设计技术以产生这样的光纤，其中传播发生在另 一个高阶模, 它具有上迷的色散和穗定特性.
利用上迷本发明光纤的光学装置需要模转换器，为的是引入光信号到HOM光纤的优选模，因此，通常是高斯光束空间困形的输入光 束，因为它是普通光纤的逸择模式，以及自由空间光束，必须高效率 地被空间转换成优选的HOM。利用适当设计的长周期光纤光栅可以 容易地实现这个目的，在US Patent No. 6084996和No. 6768835中详 细描述它们的运行作为静态和动态模转换器。光纤光栅模转换器可以 实现低至O.l dB的损耗，与此同时，它提供高达99.99%的模式转换 效率，如Ramachandran et al.在实验上给以展示，并在0/;Ac;s丄"tefs， vol.27 ， p.698， 2002中描述，其标題是"Bandwidth control of long-period grating-based mode converters in few-mode fibers", 困9(a)表示利用光纤光栅的典型装置结构，其中HOM光纤在该光纤的 输入端和输出端连接到光栅，为的是确保该装置的输入端和输出端是 普通的高斯光束棋式，即使在该装置内部的优选运行模式可以是不同 的。用箭头表示的光源和光程可以有任何合适的波长，但最好是在 1300nm以下。此外，在这个示意困中还画出普通的低阶模(LOM ) 的模困像，通常是LP(u，和所需的HOM，最好是有理想色散和穗定 性的LP。2.按照这种结构，该装置可以连接到任何其他的系统，不管 它是在激光腔内要求正色散的掺Yb光纤激光器，还是Ti:蓝宝石激光 器的脉冲传递方式，其中该装置用在光射出固态激光器之后(在该围 中没有画出激光器和系统结构)。或者，Ishaaya et al.在liters, vol.30， p.1770, 2005中描述的离散相移板，其标题是"Intracavity coherent addition of single high-order modes",在困9 (b)中画出这 个示意图，几个应用要求高功率的光束输出，它可以是准直光束，而 不是高斯光束形状.在这些应用中，图9(c)的示意图可能是合适的， 其中合适的模转换器把榆入的高斯模转换成所需的HOM，但其输出 仅在自由空间中被准直和中继.如以上所描述的，光纤装置被设计成在一段光波导中传播高阶模(HOM),最好是光纤，因此，该段光纤中的总色散大于该段光波导 中的材料色散.为了实现这个目的，光波导/光纤支持HOM的传^Mt
为主传播棋，即，大部分的光能量是在优选的HOM中。如上所迷， 为了确保大部分的光能量保留在优选的HOM中，即，没有模式转换， 优选的HOM的有效折射率与任何其他模的有效折射率之差至少为 0.0001。为了限定本发明，有这种特征的光纤可以称之为少模光纤， 即，它是支持基棋和至少另一个模的光纤。专业人员可以对本发明作出各种改动。与这个说明书具体内容的所有偏离都应该看成是在本发明所描述和申请的范围内，其中这些偏 离基本上依靠本发明的原理及其相当的内容。
权利要求
1.一种用于支持高阶传播模(HOM)的光信号的光波导，其中所述HOM的总色散大于光波导的材料色散，且具有小于+50ps/nm-km的色散值。
2. 按照权利要求l的光波导，其中光波导是少模光纤.
3. 按照权利要求2的光波导，其中该光波导的色散值大于零，
4. 按照权利要求2的光波导，其中该色散的斜率是正的。
5. 按照权利要求2的光波导，其中该色散的斜率是负的。
6. 按照权利要求2的光波导，其中该色散有转折区.
7. 按照权利要求2的光波导，其中HOM是LPo2。
8. —种光学装置，包括与模转换器组合的按照权利要求1的 光波导，用于转换低阶棋到所述HOM,
9. 按照权利要求8的光学装置，其中模转换器是长周期光栅.
10. 按照权利要求8的光学装置，其中模转换器是相移板。
11. 按瓶权利要求8的光学装置，还包括用于转换HOM到 低阶模的棋转换器.
12. —种用于支持高阶传播模(HOM)的光倌号的光波导， 其中所迷HOM的总色散大于光波导的材料色散，并且HOM的有效 折射率与任何其他模的折射率之差至少为0.0001。
13. 按照权利要求12的光波导，其中光波导是少模光纤。
14. 按照权利要求13的光波导，其中光该波导的色散值大于零。
15.按赋权利要求13的光波导，其中该色散的斜芈是正的。
16.按照权利要求13的光波导，其中该色散的斜率是负的。
17.按照权利要求13的光波导，其中该色散有转折区。
18.按照权利要求13的光波导，其中该色散有转折区. 按照权利要求13的光波导，其中HOM是LP02. .
19.一种光学装置，包括与棋转换器组合的按照权利要求12的光波导，用于转换低阶棋到所述HOM
20. 按照权利要求19的光学装置，其中模转换器是长周期光栅。
21. 按照权利要求19的光学装置，其中模转换器是相移板.
22. 按照权利要求19的光学装置，还包括用于转换HOM 到低阶模的模转换器.
全文摘要
公开包含有光纤的光纤装置，该光纤具有大于材料色散的总色散，并且具有小于+50ps/nm-km的最佳色散值。当光基本上驻留在光纤的单个高阶模(HOM)，典型地是LP<sub>02</sub>模上时，获得期望的色散值。该光纤还有利地具有HOM与任何其他模的折射率之间的显著的间隔。
文档编号G02B6/02GK101153938SQ20071008444
公开日2008年4月2日 申请日期2007年3月2日 优先权日2006年3月4日
发明者西达尔斯·拉马钱德兰 申请人:古河电子北美公司