專利名稱：摻雜稀土的大模場面積多模混合光纖以及使用其的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖，特別是涉及用于高功率光放大器或激光器應(yīng)用和改進(jìn)的耦合效率的摻雜稀土的、大模場面積、多模混合光纖。
背景技術(shù)：
由于具有高性能和成本效率，因此摻雜稀土的光纖放大器(REDFA)，特別是摻鉺光纖放大器(EDFA)被廣泛用于諸如例如遠(yuǎn)距離傳輸和CATV應(yīng)用的硅石光導(dǎo)纖維通信系統(tǒng)中。摻雜稀土的光纖(REDF)特別是摻鉺光纖(EDF)的創(chuàng)新設(shè)計和優(yōu)化均對這些應(yīng)用起到關(guān)鍵作用。特別地，限制光模場(optical mode field)并控制鉺分布的設(shè)計使得能夠以低中光功率級對光進(jìn)行有效、低噪聲的放大。另一方面，對于高功率應(yīng)用，具有較低的數(shù)值孔徑(NA)的大模場面積(large-mode-area)(LMA)光纖降低信號強(qiáng)度，由此降低有害的非線性效應(yīng)，并且還增加泵浦吸收效率。高功率REDFA和摻雜稀土的光纖激光器(REDFL)，特別是利用摻鐿光纖(YDF)的那些，在傳統(tǒng)電信工業(yè)以外也有許多應(yīng)用。例如，高功率LMA、YDF用于焊接和切削、激光測距和目標(biāo)指示、醫(yī)療應(yīng)用和污染檢測以及自由空間通信(例如，在衛(wèi)星之間)。
LMA光纖的光學(xué)特性敏感地依賴于其橫向折射率分布的細(xì)節(jié)。常規(guī)的知識表明，希望的LMA光纖具有M2非常接近1.0的基模，由于折射率分布在纖芯的整個軸向斷面上基本上均勻，因此這意味著基橫模(fundamental transverse mode)的光場在形狀上非常接近高斯型。M2測量模場(mode field)和真實(shí)高斯函數(shù)之間的相似性。更具體地，對于具有高斯型形狀的模式，M2＝1.0，對于所有其它的模場形狀，M2＞1.0。非常接近1.0的M2便于低損失光耦合，并且從光纖出射的光束可有效對準(zhǔn)或緊密地聚焦到衍射受限點(diǎn)上。但是，由于分布(profile)趨于表現(xiàn)出在縱軸附近折射率下降(也稱為中心下降或燒除)，因此制造具有理想的基模(M2＝1.0)和均勻的纖芯折射率分布的LMA光纖會是困難的。并且，與具有類似的纖芯直徑但中心下降顯著的基橫模的光纖相比，基橫模M2非常接近1.0的LMA光纖表現(xiàn)出更小的有效面積并由此降低不希望的光學(xué)非線性的閾值。最后，當(dāng)LMA EDF的纖芯橫向折射率分布基本上均勻且基模的M2非常接近1.0時，在基模和摻雜的纖芯的外部區(qū)部之間存在相對很少的交迭。結(jié)果，基模會經(jīng)歷較低的放大效率，而高階模(high-order mode)會經(jīng)歷不希望的放大。
因此，在本領(lǐng)域中仍需要具有改進(jìn)的光耦合效率的LMA REDF。
還需要適用于高功率光纖放大器和激光應(yīng)用的這種LMA REDF。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)我們的發(fā)明的一個方面，LMA REDF被配置為支持其纖芯區(qū)內(nèi)的多橫模的信號發(fā)射(radiation)。我們的光纖是包含至少兩個具有明顯不同特性的軸向段的混合設(shè)計。在第一軸向段中，橫向折射率分布沿徑向不均勻，其特征在于在折射率方面有徑向下降。第一段支持多于一個的橫模。在第二軸向段中，橫向折射率分布比第一段均勻。兩個段絕熱地相互耦合。作為例子，第二段是有利于與其它部件耦合的光纖的終端部分。
在我們的發(fā)明的一個實(shí)施例中，在第一段中M12＞1.0，在第二段中M22＜＜M12。在優(yōu)選實(shí)施中，M12＞＞1.0且M22～1.0。


通過結(jié)合附圖閱讀以下更詳細(xì)的說明，可以容易地理解本發(fā)明及其各種特征和優(yōu)點(diǎn)，其中，圖1是現(xiàn)有REDFA的示意性框圖；
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的表示輸入段12i、絕熱耦合段12a、和低M2終端段12t的光纖12′的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的另外表示設(shè)置在一對絕熱耦合段12a2和12a3之間的另一低M2段12m的光纖12″的示意圖；圖4A是沿其傳播軸切取的REDF的示意性斷面圖；圖4B是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的圖4A中所示的REDF的終端段的示意性橫向折射率分布；圖4C是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的圖4A中所示的REDF的輸入段的示意性橫向折射率分布，表示分布在纖芯區(qū)的中心或附近的明顯的下降；圖4D是圖4C的纖芯區(qū)的示意性折射率分布的明顯下降的放大圖；圖5是纖芯-包層橫向折射率階躍(Δn)與拉制光纖(曲線5.1)、熱處理光纖(曲線5.2)和均勻階躍折射率光纖(曲線5.3)的徑向位置的關(guān)系圖；圖6是拉制光纖(曲線6.1)、熱處理光纖(曲線6.2)和均勻階躍折射率光纖(曲線6.3)的基橫模(LP01)的歸一化光強(qiáng)度的曲線圖；圖7是具有明顯的中心下降的光纖和均勻階躍折射率光纖的歸一化光強(qiáng)度與徑向位置的關(guān)系圖，用于比較圖5的光纖設(shè)計的拉制光纖(曲線7.1)和理想均勻階躍折射率光纖(曲線7.3)的基橫模和折射率分布之間的交迭。
具體實(shí)施例方式
(一般REDFA結(jié)構(gòu))如圖1所示，典型的REDFA10包含在光學(xué)上耦合耦合裝置14和使用裝置20的REDF12。在電信應(yīng)用中，裝置14被稱為波分多路復(fù)用器；在高功率非電信應(yīng)用，它被稱為泵組合器(pump-combiner)。為了簡化，以下我們將在高功率電信應(yīng)用的上下文中說明我們的發(fā)明。在這種情況下，泵組合器14將光輸入信號源16和光泵源18的輸出端耦合到REDF12中。輸入信號源16產(chǎn)生通過常規(guī)的光纖22與泵組合器14的輸入端耦合的第一波長光輸入信號，而泵源18產(chǎn)生通過常規(guī)的光纖24與泵組合器14的另一輸入端耦合的第二波長光泵信號。
在本領(lǐng)域中公知，泵信號在REDF12中產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(population inversion)，這放大來自輸入源16的輸入信號。放大的輸入信號沿REDF12傳播到使用裝置20。在高功率應(yīng)用中，后者可包含大量公知的裝置和設(shè)備；例如，另一REDFA、光束準(zhǔn)直儀、透鏡系統(tǒng)、工件(例如，用于切削或焊接)；而在電信應(yīng)用中，使用裝置20可包含光接收器、光調(diào)制器、光耦合器或分光器或一個終端設(shè)備。這些裝置或設(shè)備中的一些可通過標(biāo)準(zhǔn)尾纖連接器(未示出)與REDF12耦合。
作為例子，輸入源16是在稀土種類的REDF12的放大范圍中的波長處產(chǎn)生較低功率的光輸入信號的激光器，而泵源18是在產(chǎn)生希望的放大率的輸入信號的較短的中心波長處產(chǎn)生較高的光功率(例如，高于約150mW)泵信號的發(fā)光二極管(LED)或LED的陣列。優(yōu)選地，REDF12是摻鐿光纖，信號源16產(chǎn)生具有約1080nm的中心波長的輸入信號，并且泵源18在約915nm或約975nm的中心波長產(chǎn)生泵信號。這里我們注意到，半導(dǎo)體激光器也可被用作泵源，但是，由于用LED時可將更完全的光耦合到光纖中，因此，LED特別是LED的陣列是優(yōu)選的。
雖然圖1的REDFA示出共同的共傳播泵配置(即，泵和輸入信號通過REDF沿相同的方向傳播)，但是，也能夠使用反向傳播的配置(即，泵和輸入信號通過REDF沿相反的方向傳播)。另外，可以串聯(lián)配置多個REDFA，這是本領(lǐng)域中公知的用于增加高功率多級系統(tǒng)的總增益的方案。泵能量也可沿橫向被耦合到REDFA中。
另外，當(dāng)提供適當(dāng)?shù)墓墓庵C振器(例如，一對隔開的光纖光柵(fiber grating))時，REDF可用作激光器。
(混合REDF設(shè)計)根據(jù)我們的發(fā)明的一個方面，如圖4A所示，LMA REDF12′包含被直徑為d0的包層區(qū)12.2包圍的直徑為dc的纖芯區(qū)12.1。我們定義短語大模場面積(LMA)如下LMA光纖的纖芯區(qū)和包層區(qū)被配置為產(chǎn)生比常規(guī)的單模光纖大得多的有效模場面積(mode area)。例如，在約1080nm的波長，常規(guī)的單模光纖作為例子具有約50μm2的模場面積，但在相同的波長，LMA光纖可具有約100μm2的模場面積。類似地，在約1550nm的波長，常規(guī)的單模光纖作為例子具有約80μm2的模場面積，但在相同的波長，LMA光纖可具有約160μm2的模場面積。雖然這些說明表示在相同的波長LMA光纖具有單模光纖的兩倍大的模場面積，但是，根據(jù)LMA REDF的特定應(yīng)用和希望的性能，其它的比值也可以是合適的。
纖芯區(qū)12.1的折射率高于包層區(qū)12.2，折射率的差由Δn表示。雖然沒有示出，但眾所周知，包層區(qū)可包含內(nèi)(壓低的)包層區(qū)和外包層區(qū)，外包層區(qū)的折射率在纖芯區(qū)和內(nèi)包層區(qū)之間。
在任一種情況下，纖芯區(qū)和包層區(qū)被配置為支持從源16在其中傳播的輸入信號發(fā)射的多橫模的傳播(圖1)。根據(jù)我們的發(fā)明的一個方面，如圖2所示，REDF12′是混合光纖，在于它包含具有不同的特性的至少兩個軸向段；即，例如通過LMA軸向絕熱段12a絕熱地相互耦合的LMA軸向輸入段12i和LMA軸向終端段(terminal segment)12t。另外，混合光纖12′可在其輸入端(未示出)、其輸出端(如圖2所示)或兩者上包含LMA終端段。
更具體地，在一種意義上，終端和輸入段具有不同的特性，在于它們分別如圖4B和圖4C所示具有不同的橫向折射率分布。一般地，終端段12t的纖芯區(qū)的橫向折射率分布比輸入段12i的均勻。通過例如分布形狀的傅立葉變換的高頻量測量均勻度。因此，傅立葉變換包含較少的高頻分量的分布(profile)被認(rèn)為比傅立葉變換包含較多的高頻分量的分布更均勻。簡單分布的相對均勻性的目視觀察常與這種類型的定量分析一致；例如，圖4B表示，終端段12t的纖芯區(qū)的分布表現(xiàn)出基本上恒定的橫向折射率，因此在其傅立葉變換中具有較少的高頻分量，而圖4C表示，輸入段12i的纖芯區(qū)的分布在橫向折射率中表現(xiàn)出明顯的中心下降，并因此在其傅立葉變換中具有更多的高頻分量。因此，如圖4C所示，在輸入段12i中，纖芯區(qū)12.1的橫向折射率分布沿徑向不均勻；即，折射率分布表現(xiàn)出明顯的下降12.1d，這里，纖芯區(qū)12.1的中心或中心附近的橫向折射率如圖4D所示減少量Δnd。相反，在終端段12t中，纖芯區(qū)的折射率分布如圖4B所示更接近均勻(或沿徑向恒定)。
另外，輸入段12i被配置為支持多于一個的橫模。
在設(shè)計明顯的橫向折射率下降12.1d的特征時，我們優(yōu)選下降的幅度Δnd應(yīng)不大于纖芯-包層折射率差Δn的約100％。Δn的大小取決于REDF的稀土摻雜物以及可被添加到纖芯區(qū)和/或包層區(qū)的諸如Ge、P、Al或F的任何改變折射率的摻雜物；例如，在摻雜Yb的光纖中Δn～0.005，而在摻雜ErYb的光纖中Δn～0.01。在相反的極端，下降的幅度應(yīng)不小于Δn的約5％。如下所述，主要根據(jù)對從純高斯型充分?jǐn)_動橫模形狀的需要規(guī)定范圍的下端。另一方面，下降的寬度或直徑dd應(yīng)大致大于在系統(tǒng)中使用的光的最短波長(例如，大于一般比信號波長短的泵波長)。在相反的極端，下降的最大寬度dd可等于纖芯區(qū)12.1的直徑dc，但一般為約dc/3。這些條件的目的在于，光“看見”由下降產(chǎn)生的折射率的擾動。另外，雖然下降被示為圓錐形，但其它幾何形狀(例如，圓筒狀)以及更復(fù)雜的形狀也可以是合適的。
在另一種意義上，如P.A.Belanger在Optical Engineering，第32卷，第9期，第2107～2109頁(1993)中說明的那樣，終端和輸入段具有不同的特性，這種不同在于它們的M2參數(shù)相互不同，這里M2限定光纖的基橫模與理想的高斯函數(shù)的相似性，在此包含該文獻(xiàn)作為參考。(盡管該文章限定階躍折射率光纖的LP01基模的M2，但該限定對所有的光纖有效，包括這里所述的類型的在橫向折射率分布中具有中心下降的光纖。)特別地，輸入段12i的特征在于參數(shù)M12，終端段12t的特征在于參數(shù)M22，并滿足以下不等式M12＞1.0且M22＜＜M12。在優(yōu)選的實(shí)施例中，M12＞＞1.0且M22～1.0。在理論上，M2可以任意大，但實(shí)際中REDF的M2一般大致在范圍1＜M2＜10中。并且，例如，在M22～1.0的意義上M2～1.06一般被認(rèn)為較小，而在M12＞＞1.0的意義上M2～1.3一般被認(rèn)為較大。
另外，輸入段12i和終端段12t相互絕熱地耦合；例如，如圖2所示通過LMA絕熱段12a。一般地，這種耦合器確保以輸入段中的特定橫模傳播的能量不被較多地耦合到終端段中的其它橫模中，反之亦然。在本領(lǐng)域中公知的絕熱耦合技術(shù)和設(shè)計包含在物理上使纖芯區(qū)漸變，使得直徑沿耦合區(qū)域、沿軸向平滑地增加(或減小)，或在化學(xué)上使摻雜物的濃度漸變，使得它們的密度沿耦合區(qū)域、沿軸向逐漸增加(或減少)。在后一種情況下，優(yōu)選的技術(shù)包括(i)加熱REDF(例如，用常規(guī)的噴燈(torch))以導(dǎo)致光纖中的摻雜物擴(kuò)散和(ii)根據(jù)沿光纖的噴燈的縱向位置可控地改變施加到光纖的熱量，使得實(shí)現(xiàn)所希望的摻雜物分布。
各段的M2參數(shù)的設(shè)計和它們之間的絕熱轉(zhuǎn)變的使用的組合提高基橫模的耦合，并顯著降低從輸入段到終端段與高階的橫模耦合。
我們的發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于，即使在不存在熔接器(耦合不同的單模光纖的典型現(xiàn)有技術(shù)方法)、例如當(dāng)借助于適當(dāng)?shù)耐哥R或透鏡系統(tǒng)在自由空間中實(shí)現(xiàn)REDF的終端段和塊體(非纖維)光學(xué)元件(例如，望遠(yuǎn)鏡)之間的耦合時，也可以應(yīng)用上述原理。
在用于在上述波長范圍中操作的本領(lǐng)域中公知的典型的基于硅石的REDF中，纖芯區(qū)12.1與至少一種稀土元素(例如，Er、Yb、Tb、Tm、Nd和/或Pr)和一種或更多種諸如Ge、P或Al(增加折射率)或F(減小折射率)的改變折射率的物質(zhì)摻雜。包層區(qū)12.2可以為純的硅石，或者它也可以被摻雜。作為例子，根據(jù)如上所述使用的摻雜物，選擇摻雜水平，使得纖芯區(qū)和包層區(qū)之間的折射率階躍(indexstep)Δn為約0.005～0.01，并且，輸入段中的折射率下降Δnd的大小大致與Δn相同。
并且，對于支持多橫模的光纖，纖芯直徑dc作為例子為約20μm。這種光纖的外徑do一般為約125～600μm。另外，很明顯，輸入段12i是光纖12′的總長的主要部分，而終端段12t是相對較小的部分；例如，終端段作為例子小于約500μm長，而輸入段作為例子為1m或1km長的量級。
(光纖端接處理)如上所述，M2高的光纖可被局部加熱，以誘發(fā)局部降低光纖的M2的摻雜物擴(kuò)散。將光纖加熱到足夠的溫度(例如，接近或高于約2000℃的熔接溫度(fusion splicing temperature))誘發(fā)改變折射率的摻雜物的顯著擴(kuò)散，由此誘發(fā)光纖的橫向折射率分布的顯著改變。使用這種摻雜物擴(kuò)散以抑制增加LP01基模的M2的中心下降、脊(ridge)或其它折射率分布特征。在我們的發(fā)明的許多(但不是全部)實(shí)施中，LP01基橫模的MFD(模場直徑)實(shí)際上跟隨熱致擴(kuò)散減少。
在我們的發(fā)明中，拉制的光纖被局部加熱到高溫(＞＞1200℃)以誘發(fā)摻雜物擴(kuò)散，該摻雜物擴(kuò)散抑制升高光纖的LP01基模的M2的、折射率分布中的中心下降或其它特征。圖5的曲線5.1表示摻雜ErYb的光纖的理論拉制光纖折射率分布，該摻雜ErYb的光纖的初始MFD(使用常規(guī)的“Petermann II”定義)為13.4μm且其初始M2～1.32。在該模擬的折射率分布中可看到深的中心下降。將這種光纖設(shè)計加熱到約2100℃約25秒可望改變折射率分布(曲線5.2)，使得最終的MFD為13.3μm且初始M2減少(提高)到約1.0。不管使用的耦合技術(shù)(常規(guī)的熔接、連接、自由空間耦合、GRIN光纖透鏡等)如何，將這種改變應(yīng)用于光纖12′的終端段12t(圖2)可望顯著提高出入該光纖的耦合效率。在圖6中示出相應(yīng)的橫向LP01模場形狀(強(qiáng)度場)。
對于該特定的例子，重要的是要注意，對于給定量的在LP01基模中引導(dǎo)的功率，拉制光纖的峰值光強(qiáng)度僅是在熱處理的光纖中出現(xiàn)的峰值光強(qiáng)度的約37％。因此，如果用圖5中示出的橫向折射率分布(曲線5.1)設(shè)計的光纖被端接在各端，段12t被局部加熱以誘發(fā)圖5中所示的擴(kuò)散的折射率分布(曲線5.2)，那么在大部分的光纖中經(jīng)受的峰值光強(qiáng)度可望相對較小，使得不希望有的非線性光學(xué)效應(yīng)(例如，模擬的布里淵散射或模擬的拉曼散射)的開始的閾值將相對較高。同時，由于終端段12t中的M2接近1.0，因此，耦合效率將在光纖端接點(diǎn)上十分優(yōu)異。光強(qiáng)度可望僅在光纖的熱處理的終端段的較短(＜約500μm)區(qū)域中升高。由于有害的非線性光學(xué)效應(yīng)隨峰值強(qiáng)度以及光纖段長度而變化，因此，可以在光纖的較短的終端段上容許升高的光強(qiáng)度。
可通過使用常規(guī)的熔接器(fusion splicer)對光纖端接進(jìn)行熱處理。如果光纖在熱處理區(qū)內(nèi)被劈開或被拋光，那么可以使用自由空間耦合(例如，用常規(guī)的塊體透鏡(bulk lense)，以獲得與拉制狀態(tài)LP01模場形狀非常明顯不是高斯型的光纖的LP01基橫模的有效光耦合。作為替代方案，可包含熱處理作為熔接過程的一部分。圖6中的與拉制狀態(tài)(未加熱)光纖的MFD匹配的高斯場之間的預(yù)測耦合損失(曲線6.1)為約0.7dB，而對于熱處理的光纖相應(yīng)的預(yù)測耦合損失小于約0.01dB(曲線6.2)。并且，10％以上的高斯能量將被耦合到拉制光纖的不希望有的LP02模中，而耦合到熱處理的光纖的LP02模中的能量的量是測量不到的。
如上所述，為了確保能量不在光纖的熱處理狀態(tài)和拉制狀態(tài)區(qū)之間的轉(zhuǎn)變區(qū)中從LP01基模損失，應(yīng)使得轉(zhuǎn)變?yōu)闈u變的和絕熱的。轉(zhuǎn)變區(qū)中的折射率分布的變化必須沿其長度非常平緩。當(dāng)通過熱致?lián)诫s物擴(kuò)散產(chǎn)生轉(zhuǎn)變區(qū)時，可以通過沿其長度改變施加到轉(zhuǎn)變區(qū)的熱量、例如通過選擇較寬的(即，散開的)熱源或沿轉(zhuǎn)變區(qū)掃描更聚焦的熱源，實(shí)現(xiàn)平緩的轉(zhuǎn)變。根據(jù)本領(lǐng)域公知的原理，該變化必須多平緩地出現(xiàn)取決于折射率分布的細(xì)節(jié)和操作波長?？扇菀椎厥褂没谡凵渎史植嫉臄?shù)值模擬以及經(jīng)驗(yàn)性的過程優(yōu)化，以找到對于使轉(zhuǎn)變損失最小化合適的加熱條件。
(操作理論)當(dāng)LMA光纖的基橫模具有M2＞1.0時，其耦合損失(自由空間或熔接器)增加，并且從光纖出現(xiàn)的基橫模輸入信號不能容易地、緊密地被向下聚焦到較小的點(diǎn)尺寸或被容易地校準(zhǔn)。但是，具有增加的M2(＞1.0)存在某些優(yōu)點(diǎn)。特別地，基橫模場具有更大的M2值的光纖表現(xiàn)出更大的有效模場面積，并由此表現(xiàn)出比具有相同的纖芯直徑但M2較小的光纖低的低峰值光強(qiáng)度。結(jié)果，具有較高的M2的光纖對于不希望有的諸如SBS(模擬布里淵散射)和SRS(模擬拉曼散射)的光學(xué)非線性表現(xiàn)出更高的閾值。除了這種益處，具有較高的M2的光纖(例如，如圖4C對輸入光纖段12i所示的纖芯區(qū)折射率的明顯的中心下降)可在纖芯區(qū)中的稀土摻雜物和在纖芯區(qū)中傳播的輸入信號的基橫模場之間表現(xiàn)出較多的交迭。因此，基橫模的放大效率可增加，并且，可通過設(shè)計具有較高的M2的光纖減少不希望有的高階的橫模的放大。
在圖5～6中這些優(yōu)點(diǎn)是明顯的，這些圖包含三個LMA光纖具有較高的M2的理論拉制光纖(曲線5.1、6.1)；同樣具有較高的M2的均勻階躍折射率光纖(曲線5.3、6.3)；和被熱處理以降低其M2的光纖(曲線5.2、6.2)。在圖5中比較它們的折射率分布，并在圖6中比較它們在1550nm的相應(yīng)的LP01基橫模光強(qiáng)度分布。拉制和階躍折射率光纖中的光強(qiáng)度已對于光纖的熱處理部分中的峰值強(qiáng)度被歸一化，使得它們均代表相同的量的光功率。
更具體地，對應(yīng)例如圖2的輸入光纖段12i的拉制光纖在纖芯區(qū)橫向折射率方面表現(xiàn)出明顯的中心下降(如前面定量的)，并因此表現(xiàn)出約1.32的增加的基模M2和約259μm2的相對較大的有效模場面積。拉制光纖和均勻階躍折射率光纖均具有Δn～0.01和dc～20μm。但是，均勻階躍折射率光纖具有約1.05的基模M2和約200μm2的減少的有效面積。為了說明纖芯區(qū)折射率分布和具有較高的M2的光纖的強(qiáng)度分布之間的較多的交迭，圖6將歸一化的強(qiáng)度分布與這些光纖的折射率分布相比較。
另一方面，在對應(yīng)例如圖2的終端光纖段12t的熱處理的光纖中，熱處理具有從1.32到約1.0的增加(降低)的M2，將有效模場面積從259μm2減少到139μm2，將峰值光強(qiáng)度從約0.37增加到1.0，并且基本上不改變公知的“Petermann”MFD(對于拉制狀態(tài)和熱處理狀態(tài)的光纖均為約13.3μm)。為了比較，還示出理想均勻的階躍折射率分布的折射率分布和相應(yīng)的歸一化強(qiáng)度分布(曲線5.3、6.3)。
最后，圖7結(jié)合圖5～6比較上述的拉制光纖(曲線5.1、7.1)和理想均勻的階躍折射率光纖(曲線5.3、7.3)的基橫模和折射率分布之間的交迭。折射率分布和光強(qiáng)度被單獨(dú)地對于其自身歸一化。圖7表示，階躍折射率光纖的外纖芯區(qū)的大部分經(jīng)受相對較低的光強(qiáng)度，而拉制光纖的較大的部分經(jīng)受較高的光強(qiáng)度。因此，拉制光纖在橫模場和稀土摻雜物之間具有更好的交迭，這意味著拉制光纖還表現(xiàn)出更好的放大效率。
(替代性實(shí)施例)應(yīng)當(dāng)理解，上述配置僅是用于解釋許多可能的特定實(shí)施例，這些特定實(shí)施例可被設(shè)計為代表本發(fā)明的原理的應(yīng)用。在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)這些原理設(shè)計大量和各種其它配置。
特別地，如圖3所示，除了通過LMA絕熱耦合器12a1與輸入段12i絕熱耦合的LMA終端段12t以外，LMA光纖12″還可包含位于光纖的端部之間的位置上的LMA中間段12m。中間段12m也例如通過LMA絕熱耦合器12a2和12a3與輸入段12i絕熱耦合。與終端段12i相似，中間段12m具有比輸入段12i的小并優(yōu)選接近1.0的基橫模M2。這種中間段12m的一種應(yīng)用是濾除不希望有的高階橫模。
另外，雖然我們已在EDFA應(yīng)用的上下文中說明了我們的發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易地認(rèn)識到，其應(yīng)用可被擴(kuò)展到需要與EDF耦合的任何裝置(例如光纖激光器)。
權(quán)利要求
1.一種多橫模摻雜稀土的光纖，包括摻雜有至少一種稀土元素的纖芯區(qū)，所述纖芯區(qū)的橫斷面具有橫向折射率分布；鄰近所述纖芯區(qū)的包層區(qū)，所述纖芯區(qū)和包層區(qū)被配置為支持所述纖芯區(qū)內(nèi)的多橫模的光信號發(fā)射，包含所述分布沿徑向不均勻的第一軸向段的所述光纖的特征在于折射率的徑向下降，所述第一段支持所述橫模中的一種以上，所述光纖具有與所述第一段光耦合的第二軸向段，所述第二段的所述分布比所述第一段的均勻，并且所述各個段相互絕熱耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中，所述第一段的特征在于參數(shù)M12，所述第二段的特征在于參數(shù)M22，其中，M2限定所述光纖的基橫模與理想的高斯函數(shù)的相似性，并且其中，M12＞1.0且M22＜＜M12。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的光纖，其中，M12＞＞1.0且M22～1.0。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中，所述第一段包含所述光纖的長度的主要部分，并且所述第二段包含所述光纖的終端部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的光纖，其中，所述光纖包含與所述第一段光耦合的第三軸向段，所述第三段的所述分布比所述第一段的均勻并與所述第一段絕熱耦合，所述第二段位于所述第一段的一端，并且所述第三段位于所述第一段的相反的一端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中，所述纖芯區(qū)的所述分布表現(xiàn)出Δnd的折射率下降，該下降是所述纖芯區(qū)和所述包層區(qū)之間的橫向折射率的差Δn的約5～100％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中，光纖被配置為以基橫模傳播所述信號發(fā)射。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中，所述第一段包含所述光纖的長度的主要部分，并且所述第二段包含所述光纖的中間部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，其中，所述纖芯區(qū)和包層區(qū)被配置為形成大模場面積光纖。
10.一種光學(xué)放大器，包括根據(jù)權(quán)利要求1的光纖，該光纖用于響應(yīng)向其施加的光泵能放大所述信號發(fā)射；所述泵能的源；和用于將所述泵能和所述光信號耦合到所述光纖中的耦合器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的放大器，其中，所述光信號具有第一中心波長，并且所述泵能的源包含用于產(chǎn)生具有第二中心波長的光泵信號的LED。
12.一種高功率光放大器，包括多橫模、大模場面積混合光纖，該光纖包括摻雜有至少一種稀土元素的纖芯區(qū)，所述纖芯區(qū)的橫斷面具有橫向折射率分布，所述纖芯區(qū)被配置為響應(yīng)向其施加的光泵能放大在其中傳播的光輸入信號；鄰近所述纖芯區(qū)的包層區(qū)，所述纖芯區(qū)和包層區(qū)被配置為支持所述纖芯區(qū)內(nèi)的多橫模的光發(fā)射，包含所述分布沿徑向不均勻的第一軸向段的所述光纖的特征在于折射率的徑向下降，所述第一段支持所述橫模中的一種以上，所述光纖具有與所述第一段光耦合的第二軸向段，所述第二段的所述分布比所述第一段的均勻，所述各個段相互絕熱耦合，使得在所述第一段中以特定的橫模傳播的能量不被顯著耦合到所述第二段中的其它橫模中，并且，所述第一段的特征在于參數(shù)M12，所述第二段的特征在于參數(shù)M22，其中，M2限定所述光纖的基橫模與理想的高斯函數(shù)的相似性，并且，M12＞1.0且M22＜＜M12，所述第二段位于所述第一段的輸入端、所述第一段的輸出端或兩者上；用于在與所述光信號的波長不同的中心波長產(chǎn)生所述光泵能的LED；和用于將所述泵能耦合到所述光纖中的泵組合器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的放大器，其中，M12＞＞1.0且M22～1.0。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的放大器，其中，所述纖芯區(qū)的所述分布表現(xiàn)出Δnd的折射率下降，該下降是所述纖芯區(qū)和所述包層區(qū)之間的橫向折射率的差Δn的約5～100％。
全文摘要
一種大模場面積的摻雜稀土的光纖被配置為支持纖芯區(qū)內(nèi)的多橫模的信號發(fā)射。光纖是包含至少兩個具有不同特性的軸向段的混合設(shè)計。在第一軸向段中，橫向折射率分布沿徑向不均勻，其特征在于在折射率方面有徑向下降。第一段支持多于一個的橫模。在第二軸向段中，橫向折射率分布比第一段均勻。兩個段絕熱地相互耦合。作為例子，第二段是有利于與其它部件耦合的光纖的終端部分。在一個實(shí)施例中，在第一段中M
文檔編號G02F1/39GK1982929SQ20061016041
公開日2007年6月20日 申請日期2006年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者羅伯特·S·溫德勒, 安德魯·D·亞布隆 申請人:古河電子北美公司