增大包层吸收同时保持单模操作的双包层增益产生光纤的制作方法
【专利摘要】本发明是增大包层吸收同时保持单模操作的双包层增益产生光纤。在芯区与内包层区之间设有沟槽区的光纤设计中，增大单模的双包层的增益产生光纤的包层吸收。在实现增大包层吸收的同时，保持单模操作。
【专利说明】增大包层吸收同时保持单模操作的双包层增益产生光纤
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请主张在2012年8月29日提交的临时申请号61 / 694，709，发明名称为“DOUBLE CLAD, GAIN PRODUCING FIBERS WITH INCREASED CLADDING ABSORPTION WHILEMAINTAINING SINGLE MODE OPERATION”的优先权权益。此外，本申请同时以申请号N0.(T.F.Taunay 19)且发明名称为 “GAIN-PRODUCING FIBERS WITH INCREASED CLADDINGABSORPTION WHILE MAINTAINING SINGLE-MODE OPERATION” 提交申请。
【技术领域】
[0003]本发明涉及一种支持单信号模或少量信号模的增益产生光纤(GPF)，尤其涉及一种被设计成增大泵浦光的包层吸收，同时保持单信号模操作的双包层GPF。
【背景技术】
[0004]具有双包层光纤(DCF)设计的单模GPF通常应用于要求良好光束质量的高功率光纤激光器和放大器中。图7表不一种已知的DCF70,其包括芯区70.1,围绕芯区的内包层区70.3，以及围绕内包层区的外包层区70.4。主要由芯区和内包层区构成的波导，被设计成支持和引导信号光以单模、即优选以基模(LPtll)的方式传播。
[0005]为了在适当泵浦时产生增益，向芯区掺入增益产生物质，通常根据将被放大的信号光或者待生成的激光的波长，掺入一种或多种稀土兀素(例如Er, Yb, Tm, Nd),或者一种或多种非稀土元素(例如Cr，Bi)。经由(通过)内包层区耦合(射入)芯区中的多模泵浦光，从内包层区和外包层区之间的界面70.5反射，并且随着其沿光纤轴向下传播，泵浦光横穿过芯区，并被芯区中的特定杂质(例如增益产生物质)吸收。在此情形中，信号光在(主要)沿着光纤芯区向下传播的同时，被泵浦光能量放大。
[0006]放大过程(即，能量从泵浦光转移到信号光)的效率，部分地由称作(泵浦光)包层吸收率的参数Odad)来表示
[0007]aclad=ad[Ad / AclJ(I)
[0008]其中，a d为泵浦光在掺有增益产生物质的光纤部分(下面称作增益区域；例如，图7的芯区70.1)中的材料吸收率，Ad是增益区域的横截面面积，Acdad为内包层区70.3以内的整个横截面面积(例如，对于具有圆形截面的内包层区而言为^iDic2 / 4)。而材料吸收率由
[0009]a d=Nd σ d(2)
[0010]定义，其中Nd为增益区域中增益产生物质的体积密度，σ d为在泵浦光波长下增益区域基质(例如晶体或玻璃)中杂质的吸收截面。
[0011]增大泵浦光包层吸收是有益的。在光纤激光器和放大器中，对于给定的输出功率，泵浦光吸收增大表明增益增大，继而表明，在放大器中可以利用更短的光纤长度、在激光器中可以用更短的空腔谐振器长度获得所需输出功率。而更短的光纤长度会减小诸如受激拉曼散射(SRS)的非线性效应的发生，并且有利于改善光纤激光器的功率稳定性和长期可靠性。
[0012]公式⑴和⑵看起来似乎建议可以通过简单地增大光纤的Nd、芯区70.1中的增益产生物质的浓度、或更具体来说掺杂区域Ad中的增益产生物质的浓度来增大包层吸收。然而，对于某些在商业上很重要的稀土物质(特别是Yb)，泵浦光诱发的光暗化会限制增益产生物质的浓度，从而限制了通过简单地增大浓度来获得包层吸收。
[0013]另一种增大包层吸收的可选方法是简单地增大增益区域的面积；例如，增大芯区的直径。然而，当芯区的直径被增大到过大时，就会对光纤保持单信号模操作的能力造成不利影响；也就是说，允许高阶信号模(HOM)传播。HOM的激发造成功率不稳定，这是人们非常不期望的，并且有可能损坏光纤激光器或放大器的结构。这种对芯区尺寸的限制，还限制了传统DCF可获得的模场直径(MFD)，这也是不期望的。
[0014]因而，在双包层GPF中需要在增大包层吸收的同时保持单模操作，并且无需增加增益区域内光纤的增益产生物质的浓度。
[0015]还需要一种能支持大约16 μ m这样大的MFD的双包层GPF。
【发明内容】
[0016]根据本发明一个方面，提供一种包层吸收增大且不必增大增益区域中增益产生物质浓度的双包层GPF。这种设计能增大芯区的直径，同时保持MFD和单模操作。单模操作意味着光纤仅支持单信号模(最好是基模)或者少量信号模(最好是基模加上不超过大约1-4个Η0Μ)。最好光纤仅工作在基模下。
[0017]因此，根据本发明一个实施例，该GPF包括:具有纵轴的芯区，和围绕该芯区的包层区。该芯区和包层区被配置成支持和引导信号光的基横模(主要)在芯区中沿轴向传播。该包层区包括围绕该芯区的沟槽区，围绕该沟槽区的内包层区，以及围绕内包层区的外包层区。该外包层区的折射率低于内包层区的折射率，内包层区的折射率介于外包层区的折射率与芯区的折射率之间，并且沟槽区的折射率低于内包层区的折射率。至少芯区包括至少一种增益产生物质，当向光纤施加适当的泵浦能量时，例如，当经由(通过)内包层区将多模泵浦光耦合(输入)芯区中时，能为信号光提供增益。将芯区和包层区配置成在芯区中主要引导基模，从而沟槽区与内包层区之间的折射率差的绝对值，小于芯区与内包层区之间的折射率差的绝对值。已经证实，对于大多数采用Yb掺杂芯区、Tm掺杂芯区的GPF设计，以及某些具有Er掺杂芯区的设计(特别是那些芯半径与MFD的比值小于大约0.6的设计)，这一条件是有效的。
[0018]另一方面，在其他采用掺Er芯区的GPF实施例中，将芯区和包层区也配置成主要在芯区中引导基模，从而沟槽区与内包层区之间的折射率差的绝对值大于芯区与内包层区之间的折射率差的绝对值。在这些实施例中，芯半径与MFD的比值大于大约0.6。
[0019]本发明一些实施例的计算结果证实实现了包层吸收增大(例如增大大约30% )的单模GPF设计。计算结果还表明对于给定的包层吸收，这种GPF设计的某些实施例减小了由于光暗化引起的光损耗。
[0020]此外，其他计算结果表明这种GPF设计的某些实施例能工作在单模下，而不会发生弯曲损耗增大。
[0021]根据本发明的另一方面，一种用于增大双包层增益产生光纤的包层吸收的方法，包括如下步骤:(a)在芯区与内包层区之间形成沟槽区；(b)配置芯区、沟槽区和内包层区使得:(i)沟槽区的折射率小于内包层区的折射率，和(ii)沟槽区与内包层区之间的折射率差的绝对值小于芯区与内包层区之间的折射率差的绝对值；以及(c)配置芯区、沟槽区和内包层区，主要在芯区中支持和引导信号的基模，并且进一步允许经由(通过)内包层区将多模泵浦光耦合(输入)到芯区中。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]当结合所附附图来阅读【具体实施方式】时，能够对本发明的各个特征和优势获得更好的理解，其中:
[0023]图1是根据本发明一个实施例的双包层GPF的示意性横截面；
[0024]图2示意地表示图1的GPF的折射率分布；
[0025]图3中的曲线30示出根据传统设计的阶跃折射率芯(SIC)光纤的折射率分布，曲线31是根据本发明一个实施例具有沟槽区的GPF的折射率分布(图3中所示的两个光纤都是双包层GPF，不过为了简单，没有表示出外包层区)。图3的曲线32和33还分别表示出针对SIC光纤和GPF计算出的基模功率。与图2相比，图3仅表示第一和第四象限中的折射率分布，应当理解，第二和第三象限的相应分布分别是第一和第四象限的镜像。注意，折射率锐减34是制造光纤所用的具体工艺带来的；即由诸如但不限于GeO2或P2O5的芯区共掺杂质的部分气化所引起的烧离效应。
[0026]图4表示在600nm到IlOOnm范围的泵浦光波长处，由于泵浦光的吸收所导致的光暗化；即光(信号)损耗的曲线。曲线40表示针对标准SIC光纤(图3的折射率分布30)的结果，而曲线41表示针对本发明的GPF(图3的分布31)的结果；
[0027]图5的示意性框图表示采用本发明一个实施例的GPF的示例性光纤放大器；
[0028]图6的示意性框图表示采用本发明一个实施例的GPF的示例性包层泵浦的光纤激光器；和
[0029]图7是根据传统(现有技术)设计的双包层GPF的示意性横截面。
[0030]上述多个特征被示意地表示而未按照比例表示，和/或为了说明的简要和清楚，不包括实际光纤或产品的所有细节。
[0031]术语
[0032]弯曲:宏弯曲通常指的是当光纤弯曲、缠绕或卷曲时发生的简单弯曲，从而沿其至少一部分长度其曲率是相对恒定的。相反，当在每个具体光纤的绝热长度尺度内(例如，沿光纤长度为毫米量级或更小的尺寸)曲率明显改变时，发生微弯曲。例如，在标准微弯曲试验中通过将光纤压入砂纸而形成这种微弯曲。
[0033]中心波长:在本文中提到波长时指的是具体光发射的中心波长，应当理解，所有这些发射都具有包括在中心波长上下的已知波长范围的特征谱线宽度。
[0034]玻璃纤维:此处所述类型的光纤通常由玻璃(例如二氧化硅)制造而成，其中，如本领域中公知的，通过一种或多种杂质(例如P，Al，Ge，F，Cl)的量和种类，或者通过光纤制造过程中合并入的空穴，来控制芯区和包层区的折射率。如本领域所公知的，这些折射率以及芯/包层区的厚度/直径，决定了重要的工作参数。为了使这种玻璃纤维在适当泵浦时产生增益，还向它们掺入一种或多种增益产生物质[稀土物质(例如Er，Yb，Tm, Dy，Ho等)或非稀土元素(例如Bi, Cr)]。
[0035]折射率(Index):术语折射率表示折射率。在特定区域(例如包层区)包括微结构[例如，被填充(例如通过低折射率气体、液体或固体)或未被填充(例如空气孔)的孔]的设计中，该区域的折射率指的是光在该区域传播时的平均折射率。
[0036]折射率分布:图2-3的示意性折射率分布表示在光纤中可观察到的实际折射率微小改变的平均值。此外，尽管可以将折射率分布的多个区域表示成矩形，不过，这些区域的边界并非必须是水平或垂直的；一个或多个边界可以是倾斜的，例如区域可以是梯形或三角形。
[0037]LMA:在高功率应用中，将大模场面积(LMA)光纤定义为基模有效面积大于或基本等于90λ2，其中λ是信号波长。例如，在1060nm(l.06μπι)波长处，大约ΙΟΟμπι2或更大的有效区域构成了大模区域，而在1550nm(l.55μπι)波长处，216 μ m2或更大的有效区域构成了大模区域。
[0038]M2:LMA光纤的光学性质对其横向折射率分布的细节很敏感。现有知识表明人们所期望的LMA光纤具有M2非常接近于1.0的基模，这意味着当假设芯区内部的横向折射率分布基本均匀，即在芯区的横截面内折射率分布基本均匀时，基横模的光场在形状上非常接近于高斯函数。M2表征了模场与真正高斯函数之间的相似度。更具体而言，对于具有高斯形状的某一模，M2=L 0，对于所有其他模场形状，M2>1.0。
[0039]M2定义了光纤的基横模与理想高斯函数的相似度，如P.A.Belanger在OpticalEngineering，第32卷，第9期，第2107-2109页(1993)中所述，该文献在此引作参考。(尽管本文为阶跃折射率光纤的LPtll基模定义了 M2，不过该定义对于此处所述的所有光纤都是有效的。)理论上，M2可以任意大，不过在实际上对于GPF来说，M2通常介于大约1〈M2〈10的范围内。此外，例如，通常认为M2~1.06较小，在某种意义上说是M2~1.0，而认为M2~
1.3较大，在某种意义上说是M2>>1.0。
[0040]当M2非常接近1.0时，从光纤发射出的光束可以被有效地准直或被紧凑地聚焦成衍射极限光斑。
[0041]因而，M2是一种公知的通常被称作光束质量的测量值。
[0042]模:术语模表示电磁波(例如信号光，其包括光放大器情形中被放大的信号光或激光器情形中的受激发射)的横模。
[0043]模尺寸:光学模的尺寸用其有效面积Aeff来表示，由下式给出:
【权利要求】
1.一种双包层的增益产生光纤，包括: 具有纵轴的芯区， 围绕所述芯区的包层区，所述芯区和包层区被配置成支持和引导基横模的信号光沿所述轴的方向传播， 所述包层区包括围绕所述芯区的沟槽区、围绕所述沟槽区的内包层区和围绕所述内包层区的外包层区，所述外包层区的折射率低于所述内包层区的折射率，所述内包层区的折射率介于所述外包层区的折射率与所述芯区的折射率之间，所述沟槽区的折射率低于所述内包层区的折射率， 至少所述芯区包括至少一种增益产生物质，当向所述光纤施加适当的泵浦能量时，为所述信号光提供增益，以及 所述芯区和包层区被配置成使得所述基模主要在所述芯区中被引导，并且所述沟槽区与所述内包层区的折射率差Anta的绝对值小于所述芯区与所述内包层区之间的折射率差八11。_的绝对值，从而与不具有所述沟槽区的相应的增益产生光纤相比，能同时增大所述芯区的直径和所述光纤的包层吸收，同时保持所述信号光的单模操作。
2.如权利要 求1所述的光纤，其中，至少所述芯区掺有Yb，所述基模的特征在于模场直径(MFD)为大约6-16μπι，所述芯区和包层区被配置成使得与不具有所述沟槽区的相应增益产生光纤相比，所述包层吸收增大大约26-69%。
3.如权利要求2所述的光纤，其中，所述MFD为大约6-8μ m,所述芯区的半径为大约2.9-4.1 μ m，所述芯区的折射率差异为大约4.3-7.8 X 10_3，所述沟槽区的折射率差异为大约-0.5X 10_3到-4.0 X 10_3，并且所述沟槽区的最小宽度为大约1.5-7.0ym0
4.如权利要求2所述的光纤，其中，所述MFD为大约10-16μ m,所述芯区的半径为大约4.6-8.7 μ m，所述芯区的折射率差异为大约1.1_2.8X 10_3，所述沟槽区的折射率差异为大约-0.15X 10_3到-0.8X 10_3，并且所述沟槽区的最小宽度为大约2.5-10.0ym0
5.如权利要求1所述的光纤，其中，所述沟槽区的至少一部分还包括至少一种增益产生物质。
6.如权利要求1所述的光纤，其中，所述芯区，沟槽区和内包层区包括二氧化硅，并且所述外包层区选自低折射率聚合物，向下掺杂的二氧化硅和空气包层结构组成的组。
7.如权利要求1所述的光纤，其中，所述芯区，沟槽区和内包层区被配置成使得与不具有所述沟槽区但具有类似MFD的光纤相比，所述光纤的包层吸收(Cicdad)增加至少大约30%，其中adad=ad[Ad / Aclad], a d为所述光纤的包括增益产生物质的区域的吸收系数，Ad为所述光纤包括增益产生物质的区域的横截面面积，并且Adad为包含在所述外包层内的所述光纤的总横截面面积。
8.如权利要求1所述的光纤，其中，所述芯区和包层区被配置成仅支持和引导所述信号光的所述基模。
9.如权利要求1所述的光纤，其中，所述芯区和包层区被配置成支持和引导所述信号光的所述基模以及不超过大约1-4个模。
10.如权利要求1所述的光纤，其中，由多模泵浦光源提供所述泵浦能量，并且所述芯区和包层区被配置成使所述泵浦光能通过所述内包层区耦合到所述芯区中。
11.一种光学设备，包括:根据权利要求1-10中任一项所述的光纤，用于响应于所施加的泵浦光，对耦合到所述芯区中的所述信号光进行放大， 所述泵浦能量的源，所述泵浦能量通过所述内包层区耦合到所述芯区中。
12.如权利要求11所述的设备，其中，所述泵浦能量的泵浦源提供多模泵浦光，并且进一步包括用于将所述泵浦光和所述信号光耦合到所述芯区中的组合器。
13.如权利要求12所述的设备，其中，所述光纤、所述源和所述组合器被配置成光放大器。
14.一种光学设备，包括: 空腔谐振器， 设置在所述谐振器内的根据权利要求1-10中任一项所述的光纤，以及 耦合器，用于将泵浦能量通过所述内包层区耦合到所述芯区中，从而在所述芯区中以受激发射的方式产生所述信号。
15.如权利要求14所述的光学设备，其中，所述光纤、所述谐振器和所述耦合器被配置成激光器。
16.一种增大双包层的增益产生光纤的包层吸收的方法，所述双包层的增益产生光纤包括增益产生芯区，围绕所述芯区的内包层区和围绕所述内包层区的外包层区，所述方法包括如下步骤: (a)在所述芯区与所述内`包层区之间形成沟槽区；所述芯区的直径大于不具有沟槽区的相应双包层的增益产生光纤的芯区的直径； (b)将所述芯区、沟槽区和内包层区配置成使得:(i)所述沟槽区的折射率小于所述内包层区的折射率，和(ii)所述沟槽区与内包层区之间的折射率差Anfe小于所述芯区与所述内包层区之间的折射率差Aneme ;和 (c)将所述芯区、沟槽区和内包层区配置成使得在所述芯区中支持和引导信号光的基模，从而可通过所述内包层区将所述多模泵浦光耦合到所述芯区中。
17.如权利要求16所述的方法，其中，步骤(a)，(b)和(c)配置所述芯区、沟槽区和包层区，使得所述基模的特征在于模场直径(MFD)为大约6-16 μ m，所述芯区和包层区被配置成使得所述包层吸收增大大约26-69%。
18.如权利要求17所述的方法，其中，步骤(a)，(b)和(c)配置所述芯区、沟槽区和包层区，使得所述MFD为大约6-8 μ m,所述芯区的半径为大约2.9-4.1 μ m,所述芯区的折射率差异为大约4.3-7.8 X 10_3，所述沟槽区的折射率差异为大约-0.5 X 10_3到-4.0X 10_3，并且所述沟槽区的宽度为大约1.5-7.0 μ m。
19.如权利要求17所述的方法，其中，步骤(a)，(b)和(c)配置所述芯区、沟槽区和包层区，使得所述MFD为大约10-16 μ m,所述芯区的半径为大约4.6-8.7 μ m,所述芯区的折射率差异为大约1.1-2.8 X 10_3，所述沟槽区的折射率差异为大约-1.5 X 10_3到-0.15X10-3，并且所述沟槽区的最小宽度为大约2.5-10.0 μ m。
20.如权利要求16所述的方法，其中，步骤(a)形成所述沟槽区，使得所述沟槽区的至少一部分还包括至少一种增益产生物质。
21.如权利要求16所述的方法，其中，步骤(a)，(b)和(c)将所述芯区、沟槽区和内包层区配置成包括二氧化硅，所述外包层区选自低折射率聚合物、向下掺杂的二氧化硅和空气包层结构组成的组。
22.如权利要求16所述的方法，其中，步骤(a)，(b)和(c)配置所述芯区、沟槽区和内包层区，以便与不具有所述沟槽区的类似光纤相比，所述光纤的包层吸收(a。-)增加至少大约30%，其中adad=ad[Ad / Adad]，Cid为所述光纤的包括增益产生物质的区域的吸收系数，Ad为所述光纤包括增益产生物质的区域的横截面面积，并且Adad为所述光纤的总横截面面积。
23.如权利要求16所述的方法，其中，步骤(a)，(b)和(c)配置所述芯区、沟槽区和内包层区，使得所述光纤仅支持和引导所述信号光的所述基模。
24.如权利要求16 所述的方法，其中，步骤(a)，(b)和(c)配置所述芯区、沟槽区和内包层区，从而所述光纤支持和引导所述信号光的所述基模以及不超过大约1-4个模。
【文档编号】G02B6/032GK103675991SQ201310491351
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月29日 优先权日:2012年8月29日
【发明者】蒂里·F·陶内伊 申请人:Ofs飞泰尔公司