專利名稱：復合波導的制作方法
技術領域：
本文公開的本發(fā)明各實施方式一般涉及光學波導，尤其涉及光纖。
背景技術：
由于高亮度半導體二極管泵浦的進步和大模面積(large-mode area)光纖的出現，光纖激光器系統(tǒng)的功率輸出快速增加。大模面積光纖便于通過降低纖芯中非線性交互的有害效應、通過降低光纖對光學損傷的敏感性、以及通過允許雙包層光纖的更大包覆尺寸來實現高功率。
結果，光纖激光器變成迄今為止最強大的固態(tài)激光器技術，能提供比常規(guī)固態(tài)激光器大近兩個量級的衍射極限功率。由于光纖激光器的實用性，光纖激光器技術的出現甚至更加意義重大。實際上，光纖激光器為單塊、緊湊型和極有效率的激光器提供了技術平臺，這些激光器可通過與建立電子設備相似的方式生產，且與通常常規(guī)開腔激光器所需的復雜、技術密集的組裝過程極為不同。因此，存在用更加緊湊、可靠、有效且成本有效的光纖激光器代替大多數目前使用的常規(guī)固態(tài)激光器的可能性，從而顯著改進大多數激光器應用。
目前，存在三種允許使用大模面積(LMA)光纖的技術(i)多模芯的單模激勵，(ii)適當卷繞的光纖中分布式模式濾波，和(iii)光子晶體大模光纖。所有三種技術對最大允許模大小具有大致相似的限制，盡管事實上技術(i)和(ii)都使用多模芯光纖而(iii)本質上不同，因為它使用單模芯光纖。
然而，在許多重要的實際方面，當前模大小定標的方法非常有限。首先，模大小是有限的，從而進一步限制了功率和能量定標。其次，大芯光纖的使用實際上被其多模特性所限制。第三，直接光纖接合不能實現且常規(guī)的熔合單模器件是不可能的。因此，由于光纖激光器制造比單模電信類器件顯然更復雜，光纖激光器技術的進一步實用發(fā)展得到制約。
因此，需要顯著增加模大小、并提供具有有效單模芯的大模光纖的光纖設計。較佳地，這種光纖設計也可允許使用標準的單模光纖接合技術。此外，這種光纖設計較佳地用于折射率引導光纖和光子晶體光纖。而且，光纖設計較佳地對大模場直徑的彎曲效應(bending effect)不敏感。這使光纖的模場性質由結構而非卷繞決定。最后，這種光纖設計較佳地不需要復雜濾模和激勵技術，從而使光纖可用于無源光纖或放大光纖。

發(fā)明內容
公開了一種復合波導。該復合波導具有中芯以及圍繞中芯螺旋式纏繞且光學鄰近該中芯的至少一個側芯。中芯可被配置成大模面積且復合波導可被配置為折射率引導光纖或光子晶體光纖。在可選實施方式中，中芯可被配置成傳導主模。中芯也可以是直的。側芯可被配置成提供側芯與中芯中的模之間的有效且選擇性的耦合。側芯與中芯之間的耦合可被配置成實質上只有中芯的預定高階模耦合于側芯。側芯還可被配置成向沿側芯傳播的模提供高損耗。中芯與側芯的模場可至少部分地重疊。
或者，復合波導可包括中芯、圍繞中芯螺旋式纏繞且光學鄰近中芯的至少一個側芯、以及圍繞中芯螺旋式纏繞且沿中芯長度在方位角改變的方向上對中芯施加應力的至少一個應力絲。
在另一實施方式中，復合波導可包括中芯、圍繞中芯螺旋式纏繞的至少一個側芯，該側芯的第一邊緣與中芯光學通信、且該側芯的外表部分基本上靠近復合波導的外徑。該外表部分包括易于引起復合波導模損耗的至少一個結構缺陷。結構缺陷可使用毛細管堆積、摻雜物或摻雜物吸收來配置。
此外，復合波導還包括傳導主模的裝置和圍繞傳導主模的裝置螺旋式設置并傳導高階模的裝置。傳導高階模的裝置還可包括增加高階模損耗的裝置。
制造復合波導的方法可包括拉制具有中芯和至少一個偏心側芯的光纖預制棒并在拉制復合波導時旋轉預制棒。中芯可被配置成大模面積且光纖拉制烘箱可旋轉以轉動預制棒?；蛘撸瑥秃喜▽Э杀慌渲脼檎凵渎室龑Ч饫w或光子晶體光纖。旋轉速度可基本上恒定。偏心芯的螺旋周期可根據旋轉速度和/或光纖拉制速度來確定。旋轉方向可周期性地反向。旋轉速度可改變以提供偏心芯的可變螺旋周期。


在結合附圖閱讀以下詳細描述和權利要求書之后，本發(fā)明的特征和發(fā)明方面可變得更加顯而易見，以下是附圖的簡要描述圖1A是根據第一實施方式的復合波導的立體圖；圖1B是圖1的復合波導的橫截面圖；圖2是圖1的復合波導的基模(LP01)和高階模(LP11)的橫截面和三維輪廓；圖3A是示出圖1的30μm中芯的復合波導的精確相位匹配和準相位匹配模式耦合之間不同的曲線；圖3B是示出圖1的60μm中芯的復合波導的精確相位匹配和準相位匹配模式耦合之間不同的曲線；圖4是復合波導的另一實施方式的橫截面圖；圖5是在圖4的復合波導的輸入處和一定傳播距離之后的橫模頻譜的曲線；圖6A-6D是在圖4的復合波導中傳播之后光束輪廓的曲線；圖7是示出圖4的復合波導的不同模的模損耗作為螺旋周期的函數的曲線；圖8是比較圖4的復合波導與相同尺寸的真正單模光纖中功率瞬態(tài)的曲線；圖9A-9D還示出復合波導的可選實施方式；圖10A-10C示出在中芯尺寸增加時圖1的復合波導的側芯模與中芯模LP01和LP11之間的模耦合；圖11A是用于圖1的復合波導的環(huán)狀纖芯輪廓的橫截面圖；圖11B是圖11A的環(huán)狀纖芯的折射率分布；圖12示出沿光纖長度在方位角改變方向上對圖1的復合波導施加應力的應力絲；圖13A-13C示出制造圖1的復合波導的方法的一個實施方式。
具體實施例方式
現在參看附圖，詳細地示出了各說明性實施方式。雖然附圖示出了實施方式，但是附圖沒必要標度且可放大某些特征，以更好地示出并說明實施方式的新穎性方面。此外，本文描述的各實施方式并非旨在窮盡性的，或者否則將本發(fā)明限制或限定于附圖所示、以及以下詳細描述中公開的精確形式和配置。
現在參看圖1，示出了螺旋耦合芯(HCC)光纖20。HCC光纖20包括大模面積中芯22和螺旋側芯24。中芯22通常是直的而螺旋側芯24螺旋地纏繞在HCC光纖20的周圍。中芯22傳導沿z方向傳播的模，而螺旋側芯24支持在圍繞中芯22的螺旋路徑中傳播的模。因為螺旋側芯24與中芯22光學鄰近，所以HCC光纖20是復合波導。相鄰芯22、24的光場部分地重疊，且因此相互作用。
通過設計，中芯22的所有高階模具有大損耗，而中芯22的基模具有可忽略的損耗。中芯22和螺旋側芯24的復合結構提供中芯22與螺旋側芯24的高階模之間的有效和高選擇性的耦合。此外，復合結構向在螺旋側芯24中傳播的模提供高損耗、并向中芯22的耦合高階模引入高損耗。因此，HCC光纖20的中芯22是有效率的單模。
中芯22和螺旋側芯24的光學鄰近被確定成使相鄰芯22、24的模場重疊。為了提供光學鄰近，相鄰芯22、24被分開與相鄰芯22、24中模場具有顯著模場重疊的光學波長的長度尺寸可比擬的距離“D”。中芯22和螺旋側芯24通過模對稱方式耦合。即，相鄰芯22、24可被配置成根據不同模式的方位輪廓與徑向輪廓之間的不同來耦合。
以下參看圖1-9詳細說明中芯22和螺旋側芯24或HCC光纖20的配置和耦合。通常，兩個直波導的兩個模之間的功率耦合僅在模的相速度(或，等效地，傳播常數β(1)和β(2))變得相等(模之間的精確相位匹配)時發(fā)生。當螺旋側芯24圍繞中芯22螺旋式纏繞時，相位匹配條件由于側芯模式路徑的螺旋性而改變，該螺旋性有效地“減慢”側模沿光纖軸z的傳播。這樣，模耦合的相位匹配條件變成β(1)+Δβ螺旋修正＝β(2)，其中β(1)和β(2)分別是螺旋芯模和中芯模傳播常數且螺旋修正表示為 其中R是螺旋半徑且Λ是螺旋周期。
為了揭示附加的相位匹配機制，需要考慮中芯模的方位結構。在與根據圖1的HCC光纖20相關聯的柱坐標系(r，，z)中，中芯22的?？擅枋龀蓛H徑向改變分量與僅方位角改變分量的乘積E(r，)＝E(r)sin(l)。此處整數l表示各個特定模的方位階數。這通過圖2中示出的基模(LP01)和高階模(LP11)的2D和3D輪廓來描述。因為螺旋側的方位位置繞沿HCC光纖20的光纖軸z以周期Λ旋轉，所以對于l＞0的中芯22模式，在中芯22模和螺旋側芯24模沿z軸傳播之間的每個Λ之后需要一附加相位差2πl(wèi)。因此，在螺旋修正因子中存在附加項
該項可描述為中芯22與螺旋側芯24的模之間的準相位匹配(QPM)。因為基礎中芯22模l＝0，所以方位或徑向相位不相關且不存在準相位匹配。即使例如基礎LP01和之后的LP11中芯模的傳播常數任意地接近(在極大的芯尺寸時發(fā)生)，準相位匹配的適當使用可規(guī)定僅僅LP11與螺旋傳播模式強烈相互作用，因此僅僅LP11有損耗。注意，根據徑向對稱差別(徑向相位相關)的選擇也可在HCC光纖20中進行，從而允許抑制l＝0的高階模。
精確相位匹配與準相位匹配模耦合之間的差別在圖3A中揭示，從而示出從中芯22的LP01和LP11模與單模螺旋側芯24的模耦合被示為螺旋周期的函數的耦合模理論結果。HCC光纖20的結構由30μm且0.06數值孔徑(NA)的中芯22、以及與中芯22分開4μm(邊-到-邊)的單個8μm且0.07NA的螺旋側芯24組成。
如圖所示，百分之五十的耦合規(guī)定總功率的平均一半在各個芯22、24中。在相位匹配的LP0130與準相位匹配的LP11模32、34之間的定性差別是LP01耦合存在單個窄峰，而LP11耦合存在兩個峰；第二峰比LP01模峰寬得多并遠離之。圖3B示出60μm尺寸的中芯22的耦合。再一次，相關于LP11模32、34的模耦合與LP0130很不同。也注意，60μm中芯22光纖的情形的“峰”與圖3A的30μm中芯22光纖相比更窄。這樣，對HCC光纖20的尺寸標度存在技術折衷，其中中芯22尺寸的增加需要制造中更緊密的公差。注意，該共振特性允許100-200nm的頻譜帶寬，這對所有使用目的足夠寬，并可對以下詳細描述的某些應用有利。
HCC光纖20’的另一實施方式在圖4中示出、并包括中芯22、第一螺旋30和第二螺旋42。第一螺旋40沿中芯22螺旋纏繞并與其光學鄰近，其中R1表示從中芯22的中軸到第一螺旋40的中軸的距離，而D2表示第一螺旋40的直徑。第二螺旋42類似地沿中芯22纏繞但與第一螺旋40光學鄰近，其中R2表示從中芯22的中軸到第二螺旋42中軸的距離，而D3表示第二螺旋42的直徑。
與圖1的單螺旋結構相比，以上圖3A和3B的耦合模式描述并不包括螺旋導致損耗，因而沒有示出HCC光纖20’中模匹配特性的細節(jié)。準相位匹配和螺旋側損耗的效應的精確預測可通過使用光束傳播值模擬獲得。對于一特殊結構的結果如下參考圖5和表I-II描述。例如，中芯22的直徑為30μm并該中芯22具有對應于0.06數值孔徑的芯-包層折射率階躍分布，且自身支持五個導模。第一螺旋40和第二螺旋42由兩個12μm直徑的芯組成，彼此邊-到-邊的間距為2μm。此外，第一螺旋40與中芯22分開，邊-到-邊間距為2μm。結構的細節(jié)在以下表I中列出且結構本身如圖4所示。
表I

圖5示出給定8.1mm的螺旋周期，在圖4的HCC光纖20’的輸入處和在該光纖中傳播約16cm和65cm距離之后的橫模頻譜。輸入處的激勵光束被選擇成使所有五個中芯22的模被激勵。中芯22的四個模各自包含12.5％的總輸入光束功率且一個模(LP02)包含總輸入功率的50％。線50表示五模輸入頻譜。線52表示在HCC光纖20’中傳播16.384cm之后的模頻譜。線54表示在HCC光纖20’中傳播65.536cm后的模頻譜。如圖所示，基模(LP01)以可忽略的損耗傳播(在曲線的標度上觀察不到)，而所有高階模經歷其功率的數量級衰減。例如，在16cm距離處所有高階模減弱超過100倍。在65cm之后所有高階模減弱106倍。8.1mm螺旋周期的所計算的模損耗在表II中示出。
表II.8.1mm螺旋周期的模損耗

這在圖6中進一步示出，其中示出在HCC光纖20’結構中傳播之后的光束輪廓。在中芯22中傳播30cm之后，僅僅保留中芯22基模。
圖7示出HCC光纖20’的不同模的作為螺旋周期的函數的模損耗。示出了LP01模55、LP11模56、LP21模57、LP02模58和LP31模59。存在具有可忽略基模損耗、且同時對LP11模56以上的所有高階模具有高損耗的較寬螺旋周期范圍(7.5mm至10mm)。LP11模56最接近LP01基模55，且通常被證明為最難抑制。如從圖中可看到，LP11模56在兩個8.1mm和10mm螺旋周期值處被抑制。雖然在10mm螺旋周期處約50dB/m的LP11模損耗比在8.1mm處小得多，但是對于所有實用目的它仍然很大。此外，在10mm周期處LP01模55損耗＜0.3dB/m。圖7示出的示例說明HCC光纖20、20’結構可設計成具有顯著設計余量，以便于其實際實施。
重要的是注意由于甚至LMA芯中的模間散射也較大程度地得到抑制，因此高階模的這種高損耗使HCC光纖20、20’成為有效的單模。圖8示出HCC光纖20、20’和相同尺寸的真正單模光纖(極低的0.02NA和30μm芯)中的對比功率瞬態(tài)。SM光纖中功率瞬態(tài)發(fā)生在5cm內，而在HCC光纖20、20’中功率瞬態(tài)發(fā)生在10cm光纖長度內，表明HCC光纖20、20’實際表現為類似于真正的單模光纖。這說明甚至較短光纖長度的HCC光纖20、20’也將只傳播基模，從而顯著地有利于其中無源光纖導線的長度不應超過10cm～30cm的單塊全光纖LMA光纖激光器系統(tǒng)。
HCC光纖20的另一可選擇實施方式在圖9A-9D中示出。圖9A-9D中示出的可選實施方式分成根據相鄰芯的相互作用而確定的類別。圖9A示出其中光學鄰近相互作用徑向地發(fā)生，且僅在中芯22和側芯24’之間而不在側芯24’之間發(fā)生的結構?？蛇x實施方式相關于數目、相對位置和側芯24’的尺寸而彼此不同，但是沒有一個側芯24’足夠靠近彼此而能發(fā)生相互作用。圖9B示出其中光學鄰近相互作用在中芯22與側芯24’之間徑向地發(fā)生、以及在沿徑向排列成一層以上(形成同心環(huán))的相鄰側芯24’之間發(fā)生的結構。圖9C示出其中中芯22與側芯24’之間的相互作用在徑向上進行，而沿同心環(huán)排列成一行的側芯24’之間的相互作用沿方位方向進行的結構。圖9D示出其中相鄰側芯24’之間的相互作用沿徑向和方位方向進行的結構示例。
上述圖9A-9D所示的可選實施方式的先前示例僅僅用來示出和描述本發(fā)明可能配置的示例性實施方式。這些配置以及在圖1A、1B和4中詳述的配置并不旨在窮盡或將本發(fā)明限制于所公開的任何精確形式。本領域技術人員應該理解，對于相對芯位置、它們的數目、芯尺寸和形狀以及它們的折射率和折射率分布，存在各種其它選擇，從而允許對于實現期望選擇模耦合和選擇模損耗而優(yōu)化整體性能的許多其它自由度，以及實現對這種光纖結構的各種其它設計目的。
現在參看示出有效單模中芯22尺寸的可量測性的圖10A-10C，示出在0.06-NA的50μm、70μm和90μm尺寸的中芯22與單個8μm、0.07-NA、與中芯22的邊-到-邊間距為4μm的側芯24之間的耦合。圖10A-10C示出側芯24與中芯20的LP01(由耦合曲線的峰70表示)和LP11(由峰72、74表示)模之間的模耦合。圖10A-10C示出耦合共振相對位置和寬度不隨芯尺寸的增加而顯著地改變，而只有耦合強度隨中芯22尺寸的增加而減小。LP01的峰70和LP11模式的峰72保持在不同螺旋周期值的事實對于選擇性地保持模損耗很重要，因而對保持中芯22的尺寸可量測性很重要。耦合幅度的減小僅僅影響抑制特定模的速率。此外，用于圖10A-10C中比較的HCC光纖20未對尺寸大于30μm的中芯22優(yōu)化。因此，對螺旋側結構、對任何給定尺寸的中芯的優(yōu)化僅可規(guī)定隨著中芯22尺寸的增加耦合強度減少較小。
在比較圖10A-10C的所示時，雖然中芯22的尺寸增加，但可保持選擇性耦合和有效的高階模抑制。該現象允許極大的有效單模芯尺寸。對最大可實現有效單模芯尺寸的實際限制可由兩個主要因素決定第一，中芯22中的模間散射，以及第二，可實現的HCC光纖22制造公差。隨著中芯22尺寸的增加，模間散射增加，最終導致通過散射進高階模的基模損耗以及隨后通過側芯24螺旋耦合的功率損耗的增加。然而，高階模的極大值抑制也有效減少基模和高階模之間的耦合強度。
雖然以上HCC光纖20的結構示例基于階躍折射率光纖分布，但是其它單芯分布(諸如漸變折射率、環(huán)狀芯、M芯等)也可能。此外，一些非階躍分布結構甚至對實施HCC光纖20結構有利。
現在參看圖11A-11B，示出環(huán)狀纖芯及相關聯的折射率分布。環(huán)狀纖芯可與中芯22或側芯24一同使用。然而，在一實施方式中，至少較佳地對側芯24使用環(huán)狀光纖分布，因為環(huán)狀分布僅提供適于側芯24的較高模損耗。
由于HCC光纖20的共振特性概念，極需優(yōu)化以最大化中芯22與螺旋側芯24的耦合強度、拓寬該耦合的共振寬度(作為芯NA和/或螺旋周期的函數)以及最大化螺旋側芯24的損耗。這種優(yōu)化提供更寬范圍的制造公差和更高的實際可實現的高階模損耗。實施優(yōu)化的一個主要益處是增加進入包層的模滲透(模尾)深度。相鄰芯模的更長尾部確保所有三個優(yōu)化參數的改進，從而提供(i)不同芯之間更強的模重疊導致更強的芯間耦合和更寬的共振，以及(ii)更長的模尾通常導致來自螺旋卷繞芯的更高的輻射損耗。
例如圖11A-11B示出如何使用環(huán)狀纖芯分布增加模尾。對于某些結構參數(內、外半徑分別為R1和R2，且相對于包層的折射率差分別為Δn1和Δn2)進入包層的模滲透可增加一個以上的數量級。然而，圖11A的特定結構僅是可用于優(yōu)化HCC結構的許多其它可能折射率中的一個示例。
表III示出環(huán)狀芯結構參數(在圖11A-11B中示出)的優(yōu)化如何顯著增加側芯24中的模式損耗。表III示出對于不同參數值，芯的曲率半徑Rc＝5mm時所計算的模式損耗α損耗。參數被選擇成使環(huán)狀芯模式的有效折射率Δn有效保持為大致相同，這表示中芯和側芯耦合條件對各個側芯24、24’、40、42結構保持相同。表III中第一行對應于標準折射率階躍芯纖作為參考。如最后一列中的損耗值所示，這種環(huán)狀結構的損耗與具有相同有效折射率值的階躍折射率分布模相比幅度增加了許多量級。
表III.環(huán)狀芯結構參數的優(yōu)化

由于來自彎曲纖芯的模輻射，螺旋側芯24可用來向從中心LMA芯耦合的模提供高損耗。通常，芯的曲率隨螺旋周期的減小、以及HCC光纖20的側芯24與軸之間距離(離軸距離)的增加而增加。在設計HCC光纖20時，螺旋周期和側芯24的參數可設置成可同時確保從中芯22的有效高階模耦合和側芯24的損耗。擴展發(fā)生高螺旋側損耗的螺旋周期的范圍是有利的。一種方法是將結構缺陷引入到側螺旋外側，從而便于該芯的附加模損耗。例如，這可在微結構光纖中實現。該微結構通常使用毛細管堆積技術制成?；蛘?，側芯24可用摻雜物處理，從而在所需信號波長處提供高損耗。
現在考慮光纖雙折射，HCC光纖20與現有高雙折射光纖設計兼容。圖12示出沿光纖長度方向在方位角變化的方向上對芯施加應力的應力絲。受力HCC光纖96包括中芯90、側芯92和應力絲94。應力絲94沿螺旋HCC光纖96的長度在方位角變化的方向上對中芯90施加應力，從而在光纖中產生圓偏雙折射。這種幾何結構可稱為“螺旋”光纖并與HCC光纖20的概念完全兼容。此外，有可能結合HCC光纖20和螺旋光纖技術，從而產生單偏振LMA光纖。
使用螺旋光纖技術，右旋或左旋圓偏模是螺旋HCC光纖96的本征模。因此，偏振的起動圓偏態(tài)沿傳輸方向不變。此外，如果光纖由圓偏光(右旋或左旋)激發(fā)，則沿光纖傳播的光沿光纖的整個長度為且僅為該圓偏振。在實際使用中，螺旋HCC光纖96的片段的接合使用常規(guī)方法。因為螺旋應力絲的偏置會造成傳播光在接頭處的相移，但不會改變偏振的圓偏態(tài)，所以連續(xù)片段的螺旋應力絲在接口處無需連續(xù)。此外，螺旋HCC光纖96容許相對較小曲率半徑的彎曲而不擾亂傳輸本征模式的圓偏振。
總之，HCC光纖20的概念可用于設計螺旋HCC光纖96復合波導以實現高圓偏雙折射光纖。此外，高圓偏雙折射規(guī)定HCC光纖20的LMA中芯22中的基模LP01分成兩個正交偏振(右手圓偏(RCP)和左手圓偏(LCP))模，各個模由不同相速度表征。通過選擇適當的螺旋側芯24的周期，有可能實現相位匹配，從而這兩個偏振模式之一與側芯24的功率耦合。因此，對基模偏振導致高損耗。從而，大模場HCC光纖20可被構建成僅支持單個空間模中的單個偏振(單偏振光纖)。許多重要應用(例如，相干光束或光譜光束結合)需要這種光纖。然而，現有的單偏振光纖僅具有極小的芯尺寸(與典型LMA光纖模大小相比小得多的模大小)。
或者，有可能設計單偏振HCC光纖而不使用高雙折射方法(即不使用上述螺旋光纖)。由于螺旋光程的幾何結構，螺旋卷繞的芯具有圓偏雙折射，即同一空間螺旋芯模的LCP和RCP組成具有不同相速度的兩種常規(guī)傳播模式(傳播但不改變其偏振態(tài))。此外，由于只有相同偏振的場在相互作用，所以LCP偏振的側螺旋模僅與LCP偏振的中芯22模相互作用，類似地，僅僅中芯22和螺旋側芯24、24’的RCP模在相互作用。因此，中心與螺旋側模之間相位匹配的RCP和LCP相互作用的螺旋周期不同，從而可選擇除了高階模式抑制外也允許抑制圓偏振中芯基模之一的這種HCC光纖設計。
HCC光纖20的再一應用包括使用四波混頻(FWM)非線性相互作用的波長轉換?，F有光纖激光器使用玻璃基質中的稀土摻雜物以提供在根據摻雜物的光譜特性確定的波長處的光學增益。然而，極其有限的光譜范圍可被現有稀土摻雜光纖激光器和放大器覆蓋。因此，非常期望將激光操作擴展到任何期望的光學波長。
原理上，這可通過使用通過光纖中諸如四波混頻(參量放大)的非線性相互作用的非線性波長轉換實現。實際限制是有效的波長轉換僅能通過相互作用波的相位匹配實現。使用光纖模式的傳播常數，該相位匹配條件可表示為β信號+β閑頻＝2β泵浦。在此，信號、閑頻和泵浦波的光學頻率應該遵守能量守恒關系ω信號+ω閑頻＝2ω泵浦。由于相位匹配要求，單模光纖中有效的FWM參量波長轉換至今僅在使用零色散波長附近的FWM相互作用、使用光纖雙折射或利用相位匹配偶然滿足的頻譜有限范圍內實現。
然而，由于準相位匹配，即當交換功率的模的相速度不相等時，中芯模與螺旋側之間的HCC光纖20功率交換發(fā)生。例如，考慮中芯22的LP01模與螺旋側芯24的LP11模之間的相互作用。由于該芯間功率交換，與非耦合芯中的相速度相比，LP01模的相速度應增大。因為光場在“慢”中芯LP01與“快”螺旋側LP11模之間循環(huán)，所以有效相速度應獲得在該“慢”與“快”相速度之間的值。所得相速度的確切值可根據芯22、24之間的耦合度來確定。這允許通過控制確定模之間耦合度的HCC光纖20結構參數來控制LP01模的相速度。發(fā)生該相速度控制的波長范圍通過選擇適當的側螺旋周期來選擇。
對于在光纖透明范圍內的信號、閑頻和泵浦波長的任何組合可實現相速度匹配。唯一限制是能量守恒定律。結果，該技術允許所有基于光纖的波長轉換器件。存在使用這種HCC光纖20的波長轉換方案的各種可能實現。一種方法是使用通過在ω泵浦工作的外部激光泵浦的無源HCC光纖20?；蛘?，可將波長轉換的HCC光纖20結構與有源稀土摻雜中芯20集成。在這種情形中，摻雜中芯22會在由激光腔內光譜選擇部件(諸如布拉格光纖光柵)確定的ω泵浦處提供光學增益。相位匹配FWM的HCC光纖20設計則在對應于ω信號和ω閑頻的所需波長處提供參量增益。這種激光器會產生多波長輸出(在對應于ω信號、ω閑頻和ω泵浦的波長處)。此外，激光器可優(yōu)化成在ω信號處產生大多數輸出功率。因此，激光器在稀土離子增益帶外的波長處工作。雖然波長轉換有利地將單模中芯22用來最大化非線性相互作用，但是對于極高功率(例如在1-10kW之間的范圍內)可選擇更大的中芯。此外，控制HCC光纖20結構中的模相速度也允許模色散(相速度的波長相關性)的控制。該能力對超短脈沖光纖激光器系統(tǒng)中HCC光纖的使用很重要。
現在考慮受激拉曼散射(SRS)，討論光纖放大器和激光器中可實現的峰值功率和平均功率的限制。SRS是具有良好定義的強度閾值的非線性光學現象。高于該閾值，光纖中的光學信號開始放大長波長光學信號。該拉曼增益可變得很大(＞50dB)以致于能產生僅僅從總是在拉曼增益光譜帶中存在的幾個自發(fā)光子開始的強信號。結果，產生從泵浦向長波長側偏移＞10THz的極強光學信號。在許多實際情形中對于光纖激光器或放大器，這是很不期望的，因此將光纖中可實現的峰值或平均信號功率限制在SRS閾值之下。
HCC光纖20中的該SRS閾值可通過利用其窄帶特性得到抑制。中芯20與螺旋側芯24模之間的模耦合僅在有限波長范圍內發(fā)生，并以相位匹配或準相位匹配條件為中心。光譜寬度(和光譜峰值位置)強烈地取決于螺旋側芯24和中芯22設計的實施。因此，HCC光纖20的結構可被配置成中芯22中僅在信號波長處支持光學單模信號傳播，并禁止對應于與該信號相關的拉曼增益帶的波長處的所有模的傳播。由于可使拉曼帶中的模損耗極大(＞＞100dB/m)，因此SRS閾值可顯著增加，從而為峰值和平均功率定標提供附加方法。
現在考慮為HCC光纖20設計的稀土離子增益帶。HCC光纖20的頻譜共振特性也可用來更改稀土摻雜光纖的增益帶寬。例如，HCC光纖20的結構可被配置成完全抑制Yb摻雜光纖的“常規(guī)”1030nm至＞1100nm頻譜范圍內的光學增益。因此，可在980nm處實現光學增益。在該波長處的這種增益目前僅通過使用小芯單模光纖實現。在980nm工作的大芯HCC光纖20的重要性在于它允許從橫向多模輸出運行的914nm和940nm多模激光器二極管到衍射限制的980nm波長的極有效(＞80％)亮度轉換。在大芯光纖中實現這些提供980nm的單個橫模中的極高平均功率(有希望＞1kW)。這允許可作為芯內泵浦系統(tǒng)而非包層泵浦系統(tǒng)的高功率光纖激光器設計。
而且，HCC光纖20結構中的該光譜相關耦合可用于重整形Yb摻雜光纖增益分布。Yb光纖通常在約1030nm附近具有很快向長波長下降的強增益峰。雖然Yb摻雜光纖的光學增益顯著擴展到1100nm外，但是該寬帶不能直接用于寬帶(＞100nm FWHM)光學信號放大，因為顯著增益斜率不可避免地將放大光譜變窄到1030nm附近。使用對于1030nm處的所有模具有高損耗的HCC光纖20結構可在Yb摻雜光纖中偏置增益斜率、并有效產生極寬的放大帶。
工業(yè)上，HCC光纖20、20’通過將磁化率減小到非線性效應并改進高功率泵浦條件以便于高功率光纖功率定標。由HCC光纖20、20’提供的獨特大模場面積對于需要產生高能量脈沖的應用尤其有利。HCC光纖20、20’的顯著優(yōu)點是它們消除了與接合現有LMA光纖相關的困難。因為不需要卷繞，所以甚至光纖系統(tǒng)(諸如單塊泵浦組合器或光纖耦合光隔離器)的較短HCC光纖20、20’允許有效的高階模抑制。因此，不同光纖之間模匹配的不精確僅導致附加的接合損耗，而非如目前存在的LMA光纖的情形中的模-質量退化。而且，HCC光纖20、20’的一個重要優(yōu)點是配置不需要纖芯的低NA。這允許在實現低NA是顯著技術障礙的約1550nm和1800nm至2000nm的技術上重要的護眼波長處工作的Er和Tm摻雜光纖的LMA設計。此外，HCC光纖20、20’通?？捎糜诔Ｒ?guī)折射率引導光纖以及微結構光纖和光子晶體光纖。
現在考慮HCC光纖20、20’的制造，由中芯22和螺旋纏繞的側芯24或芯24’、40、42(上述)組成的復合光纖結構可通過使用現有光纖拉制技術制造。用于制造HCC光纖20的制造技術的一個實施方式通過使光纖預制棒具有中心轉軸102、并包含中芯122和相對于中心轉軸102偏心設置的螺旋纏繞側芯124(如圖13A所示)來開始。在一實施方式中，對具有單個中芯122的常規(guī)預制棒100鉆孔以插入側芯124。側芯124可選自具有預定摻雜組分的預制造玻璃棒然后插入預制棒100的鉆孔中。在HCC光纖20、20’的多側芯24、24’、40、42實施方式的情形中，可對預制棒100多次鉆孔并插入多個側芯124。然后加熱預制棒100的最終結構以坍縮任何氣隙。
或者，可使用常規(guī)光子晶體光纖的制造過程。這樣，多個玻璃毛細管可堆積在一起?？傮w結構可通過選擇在某些位置缺少毛細管或者通過插入摻雜毛細管來選擇。然后加熱并坍縮堆積結構以提供堅固結構。
然后HCC光纖20、20’可通過在預制棒100轉動的同時從預制棒100抽或拉光纖(如圖13B所示)。因此，產生直的中芯22和螺旋式纏繞的側芯24(如圖13C所示)或芯24’、40、42。轉動可通過以恒定速率轉動其中裝有光纖預制棒100的光纖拉制烘箱來實現。所需螺旋周期然后可通過選擇光纖拉制速度與烘箱轉動速率的適當組合來實現。該方法可產生具有恒定螺旋周期和固定螺旋旋向的螺旋芯(諸如HCC光纖20)。
或者，烘箱轉動速度可在拉制過程中改變，從而產生各種螺旋周期。而且，轉動可改變方向和速率，從而沿光纖產生可變螺旋周期和交變螺旋旋向。該方法有利于產生更加復雜的復合波導結構。
上述描述僅僅呈現用來示出和描述本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的示例性實施方式。它并非旨在窮盡本反面，或將本發(fā)明限制于任何精確公開形式。本領域技術人員應該理解，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下可進行各種變化且可用等效體代替其元素。此外，可進行許多更改以使特定情況或材料適于本發(fā)明的示教而不背離其基本范圍。因此，本發(fā)明不局限于如用于實施本發(fā)明的最佳實施方式所公開的任何特定實施方式，而是包括落入權利要求書范圍的所有實施方式。本發(fā)明可在不背離其精神或范圍的情況下通過除已具體說明和示出以外的進行實施。本發(fā)明的范圍僅由所附權利要求書限定。
權利要求
1.一種復合波導，包括中芯；以及至少一個側芯，圍繞所述中芯螺旋纏繞并光學鄰近所述中芯。
2.如權利要求1所述的復合波導，其特征在于，所述中芯被配置成用于大模面積。
3.如權利要求1所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導是折射率引導光纖。
4.如權利要求1所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導是光子晶體光纖。
5.如權利要求1所述的復合波導，其特征在于，所述中芯被配置成傳導主模。
6.如權利要求1所述的復合波導，其特征在于，所述中芯是直的。
7.如權利要求1所述的復合波導，其特征在于，所述至少一個側芯被配置成提供所述側芯與所述中芯中的模之間的有效和選擇性的耦合。
8.如權利要求7所述的復合波導，其特征在于，所述至少一個側芯被配置成實質上只有所述中芯的預定高階模被耦合到所述側芯中。
9.如權利要求1所述的復合波導，其特征在于，所述側芯被配置成向沿所述側芯傳播的模提供高損耗。
10.如權利要求1所述的復合波導，其特征在于，所述中芯和所述側芯的模場至少部分地交疊。
11.如權利要求1所述的復合波導，所述至少一個側芯包括圍繞第一同心環(huán)設置的至少一個近芯，所述至少一個近芯光學鄰近所述中芯；以及圍繞第二同心環(huán)設置的至少一個遠芯，所述至少一個遠芯光學鄰近所述至少一個近芯。
12.如權利要求1所述的復合波導，還包括圍繞所述中芯螺旋纏繞的多個側芯。
13.如權利要求12所述的復合波導，其特征在于，所述側芯光學鄰近所述中芯，且所述側芯的每一個都與其它所述側芯分開。
14.如權利要求12所述的復合波導，其特征在于，所述側芯沿至少一條徑向線設置。
15.如權利要求14所述的復合波導，其特征在于，所述側芯光學鄰近相鄰的所述側芯，并且相鄰于所述中芯的所述側芯光學鄰近所述中芯。
16.如權利要求12所述的復合波導，其特征在于，所述側芯圍繞多個同心環(huán)設置。
17.如權利要求16所述的復合波導，其特征在于，所述側芯的每一個光學鄰近相鄰的所述側芯，并且相鄰于所述中芯的所述側芯光學鄰近所述中芯。
18.如權利要求16所述的復合波導，其特征在于，所述側芯的每一個光學鄰近相鄰側芯和所述中芯。
19.如權利要求12所述的復合波導，其特征在于，所述側芯圍繞單個同心環(huán)設置，所述單個同心環(huán)以所述中芯的中心為中心。
20.如權利要求1所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導被配置用于與另一波導或另一復合波導接合。
21.如權利要求1所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導被配置成在約975nm處工作。
22.如權利要求1所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導被配置用于拉曼抑制。
23.如權利要求1所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導被配置用于增益再整形。
24.如權利要求1所述的復合波導，其特征在于，所述中芯和所述至少一個側芯被配置用于相位匹配以創(chuàng)建參量波長轉換。
25.一種復合波導，包括中芯；至少一個側芯，圍繞所述中芯螺旋纏繞并光學鄰近所述中芯；以及至少一個應力絲，圍繞所述中芯螺旋纏繞并沿所述中芯長度在方位角變化方向對所述中芯施加應力。
26.如權利要求25所述的復合波導，其特征在于，所述中芯被配置成用于大模面積。
27.如權利要求25所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導為折射率引導光纖。
28.如權利要求25所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導為光子晶體光纖。
29.如權利要求25所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導被配置用于與另一波導或另一復合波導接合。
30.如權利要求25所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導被配置用于在約975nm工作。
31.如權利要求25所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導被配置用于保持所述中芯的偏振。
32.如權利要求25所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導被配置用于拉曼抑制。
33.如權利要求25所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導被配置用于增益重整形。
34.如權利要求25所述的復合波導，其特征在于，所述中芯和所述至少一個側芯被配置用于相位匹配以創(chuàng)建參量波長轉換。
35.一種復合波導，包括中芯；至少一個側芯，圍繞所述中芯螺旋纏繞；所述至少一個側芯的第一邊緣與所述中芯光學通信；以及所述至少一個側芯的外部，基本上鄰近所述復合波導的外徑，所述外部包括至少一個結構缺陷，由此所述至少一個結構缺陷容易引起所述復合波導的模損耗。
36.如權利要求35所述的復合波導，其特征在于，所述中芯被配置用于大模面積。
37.如權利要求35所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導是折射率引導光纖。
38.如權利要求35所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導是光子晶體光纖。
39.如權利要求38所述的復合波導，其特征在于，所述至少一個結構缺陷通過使用毛細管堆積來配置。
40.如權利要求35所述的復合波導，其特征在于，所述至少一個結構缺陷通過使用摻雜物來配置。
41.如權利要求35所述的復合波導，其特征在于，所述至少一個結構缺陷通過所述至少一個側芯吸收摻雜物來配置。
42.如權利要求35所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導被配置用于與另一波導或另一復合波導接合。
43.如權利要求35所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導被配置用于在約975nm工作。
44.如權利要求35所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導被配置用于拉曼抑制。
45.如權利要求35所述的復合波導，其特征在于，所述復合波導被配置用于增益重整形。
46.如權利要求35所述的復合波導，其特征在于，所述中芯和所述至少一個側芯被配置用于相位匹配以創(chuàng)建參量波長轉換。
47.一種復合波導，包括用于傳導主模的裝置；以及圍繞所述用于傳導主模的裝置螺旋設置的用于傳導高階模的裝置。
48.如權利要求47所述的復合波導，其特征在于，所述中芯被配置用于大模面積。
49.如權利要求47所述的復合波導，其特征在于，所述用于傳導高階模的裝置還包括用于增加所述高階模損耗的裝置。
50.如權利要求47所述的復合波導，其特征在于，所述中芯和所述至少一個側芯被配置用于相位匹配以創(chuàng)建參量波長轉換。
51.一種制造復合波導的方法，包括拉制具有中芯和至少一個偏心側芯的光纖預制棒；以及在拉制所述復合波導時轉動所述預制棒。
52.如權利要求51所述的方法，其特征在于，所述中芯被配置用于大模面積。
53.如權利要求51所述的方法，其特征在于，所述光纖預制棒被配置用于折射率引導光纖。
54.如權利要求51所述的方法，其特征在于，所述光纖預制棒被配置用于光子晶體光纖。
55.如權利要求51所述的方法，其特征在于，旋轉光纖拉制烘箱以旋轉所述預制棒。
56.如權利要求51所述的方法，其特征在于，所述旋轉的速度基本上恒定。
57.如權利要求51所述的方法，其特征在于，所述至少一個偏心芯的螺旋周期由所述旋轉速度和/或光纖拉制速度確定。
58.如權利要求51所述的方法，其特征在于，所述旋轉的方向周期性反向。
59.如權利要求51所述的方法，其特征在于，變化所述轉動的速度以提供所述偏心側芯的可變螺旋周期。
全文摘要
一種復合波導，包括中芯、以及圍繞所述中芯螺旋纏繞并光學鄰近該中芯的至少一個側芯。
文檔編號G02B6/28GK101052907SQ200580030583
公開日2007年10月10日 申請日期2005年7月14日 優(yōu)先權日2004年7月14日
發(fā)明者A·加爾萬奧斯卡斯 申請人:密執(zhí)安州立大學董事會