增大包層吸收同時(shí)保持單模操作的增益產(chǎn)生光纖制造技術(shù)

在芯區(qū)與內(nèi)包層區(qū)之間設(shè)有溝槽區(qū)的光纖設(shè)計(jì)中，增大單模的增益產(chǎn)生光纖的包層吸收。在實(shí)現(xiàn)增大包層吸收的同時(shí)，保持單模操作。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
增大包層吸收同時(shí)保持單模操作的增益產(chǎn)生光纖相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考本申請(qǐng)主張?jiān)?012年8月29日提交的臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/694，709，專利技術(shù)名稱為“DOUBLE CLAD, GAIN PRODUCING FIBERS WITH INCREASED CLADDING AB S ORPTION WHILEMAINTAINING SINGLE MODE OPERATION”的優(yōu)先權(quán)權(quán)益。此外，本申請(qǐng)同時(shí)以申請(qǐng)?zhí)朜0.(T.F.Taunay12)且專利技術(shù)名稱為 “D0UBLE-CLAD，GAIN-PRODUCING FIBERS WITH INCREASEDCLADDING AB S ORPTI ON WHILE MAINTAINING SINGLE-MODE OPERATI ON，，提交申請(qǐng)。
本專利技術(shù)涉及一種支持單信號(hào)模或少量信號(hào)模的增益產(chǎn)生光纖(GPF)，尤其涉及一種被設(shè)計(jì)成增大泵浦光的包層吸收，同時(shí)保持單信號(hào)模操作的GPF。
技術(shù)介紹
具有雙包層光纖(DCF)設(shè)計(jì)的單模GPF通常應(yīng)用于要求良好光束質(zhì)量的高功率光纖激光器和放大器中。圖7表不一種已知的DCF70,其包括芯區(qū)70.1,圍繞芯區(qū)的內(nèi)包層區(qū)70.3，以及圍繞內(nèi)包層區(qū)的外包層區(qū)70.4。主要由芯區(qū)和內(nèi)包層區(qū)構(gòu)成的波導(dǎo)，被設(shè)計(jì)成支持和引導(dǎo)信號(hào)光以單模、即優(yōu)選以基模(LPtll)的方式傳播。為了在適當(dāng)泵浦時(shí)產(chǎn)生增益，向芯區(qū)摻入增益產(chǎn)生物質(zhì)，通常根據(jù)將被放大的信號(hào)光或者待生成的激光的波長(zhǎng)，摻入一種或多種稀土兀素(例如Er, Yb, Tm, Nd, Ho),或者一種或多種非稀土元素(例如Cr，Bi)。可選的，通過(guò)利用玻璃(例如，二氧化硅)光纖中的拉曼效應(yīng)來(lái)生成增益。經(jīng)由(通過(guò))內(nèi)包層區(qū)耦合(射入)芯區(qū)中的多模泵浦光，從內(nèi)包層區(qū)和外包層區(qū)之間的界面70.5反射，并且隨著其沿光纖軸向下傳播，泵浦光橫穿過(guò)芯區(qū)，并被芯區(qū)中的特定雜質(zhì)(例如增益產(chǎn)生物質(zhì))吸收。在此情形中，信號(hào)光在(主要)沿著光纖芯區(qū)向下傳播的同時(shí)，被泵浦光能量放大。放大過(guò)程(即，能量從泵浦光轉(zhuǎn)移到信號(hào)光)的效率，部分地由稱作(泵浦光)包層吸收率的參數(shù)Odad)來(lái)表示aclad= ad[Ad/Aclad] (I)其中，a d為泵浦光在摻有增益產(chǎn)生物質(zhì)的光纖部分(下面稱作增益區(qū)域；例如，圖7的芯區(qū)70.1)中的材料吸收率，Ad是增益區(qū)域的橫截面面積，并且Adad為內(nèi)包層區(qū)70.3以內(nèi)的整個(gè)橫截面面積(例如，對(duì)于具有圓形截面的內(nèi)包層區(qū)而言為nDic;2/4)。而材料吸收率由CId = NdOd (2)定義，其中Nd為增益區(qū)域中增益產(chǎn)生物質(zhì)的體積密度，σ d為在泵浦光波長(zhǎng)下增益區(qū)域基質(zhì)(例如晶體或玻璃)中雜質(zhì)的吸收截面。增大泵浦光包層吸收是有益的。在光纖激光器和放大器中，對(duì)于給定的輸出功率，泵浦光吸收增大表明增益增大，繼而表明，在放大器中可以利用更短的光纖長(zhǎng)度、在激光器中可以用更短的空腔諧振器長(zhǎng)度獲得所需輸出功率。而更短的光纖長(zhǎng)度會(huì)減小諸如受激拉曼散射(SRS)的非線性效應(yīng)的發(fā)生，并且有利于改善光纖激光器的功率穩(wěn)定性和長(zhǎng)期可靠性。公式⑴和⑵看起來(lái)似乎建議可以通過(guò)簡(jiǎn)單地增大光纖的Nd、芯區(qū)70.1中的增益產(chǎn)生物質(zhì)的濃度、或更具體來(lái)說(shuō)摻雜區(qū)域Ad中的增益產(chǎn)生物質(zhì)的濃度來(lái)增大包層吸收。然而，對(duì)于某些在商業(yè)上很重要的稀土物質(zhì)(特別是Yb)，泵浦光誘發(fā)的光暗化會(huì)限制增益產(chǎn)生物質(zhì)的濃度，從而限制了通過(guò)簡(jiǎn)單地增大濃度來(lái)獲得包層吸收。另一種增大包層吸收的可選方法是簡(jiǎn)單地增大增益區(qū)域的面積；例如，增大芯區(qū)的直徑。然而，當(dāng)芯區(qū)的直徑被增大到過(guò)大時(shí)，就會(huì)對(duì)光纖保持單信號(hào)模操作的能力造成不利影響；也就是說(shuō)，允許高階信號(hào)模(HOM)傳播。HOM的激發(fā)造成功率不穩(wěn)定，這是人們非常不期望的，并且有可能損壞光纖激光器或放大器的結(jié)構(gòu)。這種對(duì)芯區(qū)尺寸的限制，還限制了傳統(tǒng)DCF可獲得的模場(chǎng)直徑(MFD)，這也是不期望的。因而，在雙包層GPF中需要在增大包層吸收的同時(shí)保持單模操作，并且無(wú)需增加增益區(qū)域內(nèi)光纖的增益產(chǎn)生物質(zhì)的濃度。還需要一種能支持大約16-20 μ m這樣大的MFD的雙包層GPF。另一方面，并非所有的GPF都是包層泵浦的DCF ;有些是通過(guò)其他可選的配置進(jìn)行泵浦，諸如芯泵浦設(shè)計(jì)，也能利用本專利技術(shù)的原理，在增大包層吸收的同時(shí)保持單模操作。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
根據(jù)本專利技術(shù)一個(gè)方面，提供一種包層吸收增大且不必增大增益區(qū)域中增益產(chǎn)生物質(zhì)濃度的GPF。這種設(shè)計(jì)能增大芯區(qū)的直徑，同時(shí)保持MFD和單模操作。單模操作意味著光纖僅支持單信號(hào)模(最好是基模)或者少量信號(hào)模(最好是基模加上不超過(guò)大約1-4個(gè)Η0Μ)。最好光纖僅工作在基模下。因此，根據(jù)本專利技術(shù)一個(gè)實(shí)施例，該GPF包括:具有縱軸的芯區(qū)，和圍繞該芯區(qū)的包層區(qū)。該芯區(qū)和包層區(qū)被配置成支持和引導(dǎo)基橫模信號(hào)光(主要)在芯區(qū)中沿軸向傳播。待放大的信號(hào)光(或待產(chǎn)生的激光)通常具有大約IOOOnm或以上的波長(zhǎng)。該包層區(qū)包括圍繞該芯區(qū)的溝槽區(qū)、圍繞該溝槽區(qū)的內(nèi)包層區(qū)以及圍繞內(nèi)包層區(qū)的外包層區(qū)。在一些實(shí)施例(例如DCF)中，該外包層區(qū)的折射率低于內(nèi)包層區(qū)的折射率，內(nèi)包層區(qū)的折射率介于外包層區(qū)與芯區(qū)之間，并且溝槽區(qū)的折射率低于內(nèi)包層區(qū)的折射率。至少芯區(qū)包括至少一種增益產(chǎn)生物質(zhì)，當(dāng)向光纖施加適當(dāng)?shù)谋闷帜芰繒r(shí)，例如，當(dāng)經(jīng)由(通過(guò))內(nèi)包層區(qū)將多模泵浦光耦合(輸入)芯區(qū)中時(shí)，能為信號(hào)光提供增益。將芯區(qū)和包層區(qū)配置成在芯區(qū)中主要引導(dǎo)基模，從而溝槽區(qū)與內(nèi)包層區(qū)之間的折射率差的絕對(duì)值，小于芯區(qū)與內(nèi)包層區(qū)之間的折射率差的絕對(duì)值。已經(jīng)證實(shí)，對(duì)于大多數(shù)采用Yb摻雜芯區(qū)、Tm摻雜芯區(qū)的GPF設(shè)計(jì)，以及某些具有Er摻雜芯區(qū)的設(shè)計(jì)(特別是那些芯半徑與MFD的比值小于大約0.6的設(shè)計(jì))，這一條件是有效的。另一方面，在其他采用摻Er芯區(qū)的GPF實(shí)施例中，將芯區(qū)和包層區(qū)也配置成主要在芯區(qū)中引導(dǎo)基模，從而溝槽區(qū)與內(nèi)包層區(qū)之間的折射率差的絕對(duì)值大于芯區(qū)與內(nèi)包層區(qū)之間的折射率差的絕對(duì)值。在這些實(shí)施例中，芯半徑與MFD的比值大于大約0.6。本專利技術(shù)一些實(shí)施例的計(jì)算結(jié)果證實(shí)實(shí)現(xiàn)了包層吸收增大(例如增大大約30% )的單模GPF設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果還表明對(duì)于給定的包層吸收，這種GPF設(shè)計(jì)的某些實(shí)施例減小了由于光暗化引起的光損耗。此外，其他計(jì)算結(jié)果表明這種GPF設(shè)計(jì)的某些實(shí)施例能工作在單模下，而不會(huì)發(fā)生彎曲損耗增大。根據(jù)本專利技術(shù)的另一方面，一種用于增大增益產(chǎn)生光纖的包層吸收的方法，包括如下步驟:(a)在芯區(qū)與內(nèi)包層區(qū)之間形成溝槽區(qū)；(b)配置芯區(qū)、溝槽區(qū)和內(nèi)包層區(qū)使得:(i)溝槽區(qū)的折射率小于內(nèi)包層區(qū)的折射率，和(ii)溝槽區(qū)與內(nèi)包層區(qū)之間的折射率差的絕對(duì)值小于芯區(qū)與內(nèi)包層區(qū)之間的折射率差的絕對(duì)值；以及(c)配置芯區(qū)、溝槽區(qū)和內(nèi)包層區(qū)，主要在芯區(qū)中支持和引導(dǎo)信號(hào)光的基模，另外可以將泵浦光耦合(輸入)到芯區(qū)中。【附圖說(shuō)明】當(dāng)結(jié)合所附附圖來(lái)閱讀【具體實(shí)施方式】時(shí)，能夠?qū)Ρ緦＠夹g(shù)的各個(gè)特征和優(yōu)勢(shì)獲得更好的理解，其中:圖1是根據(jù)本專利技術(shù)一個(gè)實(shí)施例的雙包層GPF的示意性橫截面；圖2示意地表示圖1的GPF的折射率分布；圖3中的曲線30示出根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的階躍折射率芯(SIC)光纖的折射率分布，曲線31是根據(jù)本專利技術(shù)一個(gè)實(shí)施例具有溝槽區(qū)的GPF的折射率分布(圖3中所示的兩個(gè)光纖都是雙本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種增益產(chǎn)生光纖，包括：具有縱軸的芯區(qū)，圍繞所述芯區(qū)的包層區(qū)，所述芯區(qū)和包層區(qū)被配置成支持和引導(dǎo)基橫模的信號(hào)光沿所述軸的方向傳播，所述包層區(qū)包括圍繞所述芯區(qū)的溝槽區(qū)、圍繞所述溝槽區(qū)的內(nèi)包層區(qū)和圍繞所述內(nèi)包層區(qū)的外包層區(qū)，所述內(nèi)包層區(qū)的折射率低于所述芯區(qū)的折射率，所述溝槽區(qū)的折射率低于所述內(nèi)包層區(qū)的折射率，至少所述芯區(qū)包括至少一種增益產(chǎn)生物質(zhì)，當(dāng)向所述光纖施加適當(dāng)?shù)谋闷帜芰繒r(shí)，為所述信號(hào)光nm提供增益，以及所述芯區(qū)和包層區(qū)被配置成使得基模主要在所述芯區(qū)中被引導(dǎo)，并且所述溝槽區(qū)與所述內(nèi)包層區(qū)的折射率差Δntr的絕對(duì)值小于所述芯區(qū)與所述內(nèi)包層區(qū)之間的折射率差Δncore的絕對(duì)值，從而與不具有所述溝槽區(qū)的相應(yīng)的增益產(chǎn)生光纖相比，能同時(shí)增大所述芯區(qū)的直徑和所述光纖的包層吸收，同時(shí)保持所述信號(hào)光的單模操作。

【技術(shù)特征摘要】
2012.08.29 US 61/694,709;2013.08.27 US 14/010,8251.一種增益產(chǎn)生光纖，包括: 具有縱軸的芯區(qū)， 圍繞所述芯區(qū)的包層區(qū)，所述芯區(qū)和包層區(qū)被配置成支持和引導(dǎo)基橫模的信號(hào)光沿所述軸的方向傳播， 所述包層區(qū)包括圍繞所述芯區(qū)的溝槽區(qū)、圍繞所述溝槽區(qū)的內(nèi)包層區(qū)和圍繞所述內(nèi)包層區(qū)的外包層區(qū)，所述內(nèi)包層區(qū)的折射率低于所述芯區(qū)的折射率，所述溝槽區(qū)的折射率低于所述內(nèi)包層區(qū)的折射率， 至少所述芯區(qū)包括至少一種增益產(chǎn)生物質(zhì)，當(dāng)向所述光纖施加適當(dāng)?shù)谋闷帜芰繒r(shí)，為所述信號(hào)光nm提供增益 ，以及 所述芯區(qū)和包層區(qū)被配置成使得基模主要在所述芯區(qū)中被引導(dǎo)，并且所述溝槽區(qū)與所述內(nèi)包層區(qū)的折射率差A(yù)nta的絕對(duì)值小于所述芯區(qū)與所述內(nèi)包層區(qū)之間的折射率差八11。_的絕對(duì)值，從而與不具有所述溝槽區(qū)的相應(yīng)的增益產(chǎn)生光纖相比，能同時(shí)增大所述芯區(qū)的直徑和所述光纖的包層吸收，同時(shí)保持所述信號(hào)光的單模操作。2.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中，所述增益產(chǎn)生物質(zhì)為信號(hào)波長(zhǎng)為大約1000nm或以上的所述信號(hào)光提供增益。3.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中，至少所述芯區(qū)摻有Tm，所述基模的特征在于模場(chǎng)直徑(MFD)為大約8-20μπι，所述芯區(qū)和包層區(qū)被配置成使得與不具有所述溝槽區(qū)的所述相應(yīng)的增益產(chǎn)生光纖相比，所述包層吸收增大大約41-53%。4.如權(quán)利要求3所述的光纖，其中，所述芯區(qū)的半徑為大約3.5-11.0 μ m，所述芯區(qū)的折射率差異為大約2.3-16.0 X 10_3，所述溝槽區(qū)的折射率差異為大約-1.0 X 10_3到-7.0X 10_3，并且所述溝槽區(qū)的最小寬度為大約3.0-6.0 μ m。5.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中，所述溝槽區(qū)的至少一部分還包括至少一種增益產(chǎn)生物質(zhì)。6.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中，所述增益產(chǎn)生光纖包括雙包層光纖，并且其中所述芯區(qū)、溝槽區(qū)和內(nèi)包層區(qū)包括二氧化硅，并且所述外包層區(qū)選自低折射率聚合物、向下?lián)诫s的二氧化硅和空氣包層結(jié)構(gòu)組成的組。7.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中，所述芯區(qū)、溝槽區(qū)和內(nèi)包層區(qū)被配置成使得與不具有所述溝槽區(qū)但具有類似MFD的光纖相比，所述光纖的包層吸收(Cicdad)增加至少大約30%，其中adad= a d(Ad/Aclad), a d為所述光纖的包括增益產(chǎn)生物質(zhì)的區(qū)域的吸收系數(shù)，Ad為所述光纖的包括增益產(chǎn)生物質(zhì)的區(qū)域的橫截面面積，并且Adad為包含在所述外包層內(nèi)的所述光纖的總橫截面面積。8.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中，所述芯區(qū)和包層區(qū)被配置成僅支持和引導(dǎo)所述信號(hào)光的所述基模。9.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中，所述芯區(qū)和包層區(qū)被配置成支持和引導(dǎo)所述信號(hào)光的所述基模以及不超過(guò)大約1-4個(gè)模。10.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中，所述增益產(chǎn)生光纖包括雙包層光纖，并且其中由多模泵浦光源提供所述泵浦能量，并且所述芯區(qū)和包層區(qū)被配置成，使所述泵浦光能通過(guò)所述內(nèi)包層區(qū)耦合到所述芯區(qū)中。11.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中，至少所述芯區(qū)摻有Er，所述基模的特征在于模場(chǎng)直徑(MFD)為大約9-20 μ m，所述芯區(qū)和包層區(qū)被配置成使得與不具有所述溝槽區(qū)的所述相應(yīng)的增益產(chǎn)生光纖相比，所述包層吸收增大大約76-98%，并且所述芯區(qū)的半徑與所述MFD的比值小于大約0.6。12.如權(quán)利要求11所述的光纖，其中，所述芯區(qū)的半徑為大約4.3-11.8 μ m，所述芯區(qū)的折射率差異為大約1.0-4.5X 10_3，所述溝槽區(qū)的折射率差異為大約-1.0X 10_3到-4.0X 10_3，并且所述溝槽區(qū)的最小寬度為大約2.0-5.0ym013.如權(quán)利要求1所述的光纖，其中，至少所述芯區(qū)摻有Er，所述基模的特征在于...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：蒂里·F·陶內(nèi)伊，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：OFS飛泰爾公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：美國(guó);US