多模光纖的制作方法
【專利摘要】一種整體光纖被構(gòu)造成具有雙瓶頸形多模(MM)纖芯，其能夠在給定波長下實(shí)質(zhì)上只支持基模，并具有相對(duì)的端區(qū)、從相應(yīng)的端區(qū)向內(nèi)延伸的錐臺(tái)形狀的轉(zhuǎn)換器區(qū)和橋接所述轉(zhuǎn)換器區(qū)的尺寸均勻的中心區(qū)。MM纖芯具有階躍折射率分布，所述階躍折射率分布被構(gòu)造成具有居中的下凹，所述下凹具有沿光纖長度可變的寬度。下凹的寬度在MM纖芯的端區(qū)較小，以便只支持具有高斯分布的基模。隨著下凹沿輸入轉(zhuǎn)換器區(qū)變大，其逐漸使高斯分布形成為基模的環(huán)分布，其沿MM纖芯的中心區(qū)被導(dǎo)引。下凹沿輸出轉(zhuǎn)變區(qū)逐漸變小，以便使環(huán)分布的形狀回到從MM纖芯的輸出端區(qū)輻射的基模的實(shí)質(zhì)上的高斯分布。折射率分布具有摻雜一種或多種稀土元素的環(huán)區(qū)域，并被構(gòu)造成實(shí)質(zhì)上只是放大基模。
【專利說明】多模光纖
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2010年9月8日，申請(qǐng)?zhí)枮?01080036256. 8的發(fā)明專利申請(qǐng) "多模光纖"的分案申請(qǐng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 摶術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及多模（MM)光纖，其幾何配置可實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上的基模在麗光纖輸入端的 激發(fā)，并且導(dǎo)引激發(fā)的基模而不使之與高階模耦合。
[0004] R知摶術(shù)
[0005] 許多光纖激光器的應(yīng)用需要高功率、高品質(zhì)的光束。利用SM有源光纖的光纖激光 器由于出現(xiàn)光學(xué)非線性的原因在功率方面受到限制。一種常見的解決方案是使用能夠支持 一些高階模（Η0Μ)但配置成可防止這些Η0Μ的激發(fā)和放大的MM有源光纖。
[0006] 然而，由于非線性的存在，所述非線性包括但不限于受激拉曼散射（SRS)，這種MM 光纖的功率縮放也有些受到限制。也許產(chǎn)生相對(duì)高的光學(xué)非線性閾值的最有效的切實(shí)可行 辦法是通過增大纖芯直徑、減小數(shù)值孔徑并且還縮短非線性相互作用的有效長度的方式來 減少M(fèi)M光纖的纖芯內(nèi)部的功率密度。遺憾的是，由于以下原因，這種幾何形狀是難以達(dá)到 的。首先，纖芯直徑的增大導(dǎo)致Η0Μ數(shù)增多，而Η0Μ易被激發(fā)，這可能會(huì)不利地影響輸出光 束的品質(zhì)。其次，制造具有真正極低Λη的高品質(zhì)光纖是非常具有挑戰(zhàn)性的。第三，這種光 纖對(duì)彎曲載荷是敏感的。
[0007] 光纖激光器領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的技術(shù)之一包括用占據(jù)纖芯中心區(qū)的摻雜劑分 布來構(gòu)造麗光纖的纖芯，這將在下文討論。中心摻雜區(qū)有效地將周邊非零方位角編號(hào) Η0Μ(如LP11)的激發(fā)減到最少，而所述激發(fā)在常規(guī)上被認(rèn)為是起自麗光纖的輸入端或者 是模耦合的結(jié)果。然而，中心摻雜區(qū)促進(jìn)在ΜΜ光纖的輸入端具有零方位角編號(hào)的中心對(duì)稱 Η0Μ(如LP02)的激發(fā)。如同任何其它的激發(fā)Η0Μ，激發(fā)的中心模傾向于從基模中抽取能量， 因此這產(chǎn)生了嚴(yán)重的問題。
[0008] 因此，需要被構(gòu)造成具有這樣的軸向截面的ΜΜ光纖，所述軸向截面提供對(duì)實(shí)質(zhì)上 只激發(fā)基模最有利的條件。
[0009] 還需要具有這樣的纖芯的ΜΜ光纖，所述纖芯被構(gòu)造成具有這樣的折射率，所述折 射率提供激發(fā)基模的增大的有效面積和對(duì)于非線性而言較高的閾值，其可使ΜΜ光纖輸出 實(shí)質(zhì)上集中于基模的數(shù)十kW數(shù)量級(jí)的輻射。
[0010] 又需要具有這樣的摻雜劑分布的麗光纖纖芯，所述摻雜劑分布被構(gòu)造成增益實(shí) 質(zhì)上導(dǎo)引基模UV而不使之與中心對(duì)稱模（如LPJ耦合。
[0011] 進(jìn)一步需要用上述MM光纖放大器構(gòu)造的高功率光纖激光器系統(tǒng)，所述MM光纖放 大器被構(gòu)造成提供基模與高階模之間的顯著增益差異。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] -種MM光纖可滿足所有上述指定的需求，所述MM光纖具有以光纖縱向軸為中心 的纖芯，并被構(gòu)造成具有雙瓶頸形軸向截面和折射率的可控凹區(qū)，所述凹區(qū)以穿過縱向軸 延伸的纖芯軸為中心。所公開的MM光纖放大器的每一特點(diǎn)解決相應(yīng)一種上面討論的已知 現(xiàn)有技術(shù)的特性問題，并改進(jìn)放大器的實(shí)質(zhì)上單模（SM)操作的特性。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，光纖系統(tǒng)的麗有源光纖具有被構(gòu)造成將光纖的相對(duì)兩 窄端的耦合損失減到最少的雙瓶頸形狀。通常情況下，在高功率光纖系統(tǒng)中，輸入的SM| 束由與MM有源光纖的輸入端接合的SM無源光纖來傳輸。如果相應(yīng)光纖的折射率和纖芯幾 何形狀不同，也就是相應(yīng)單模與基模的模場直徑（MFD)和形狀或分布相互不匹配，則Η0Μ激 發(fā)的可能性很高。因此，這樣構(gòu)造纖芯的相對(duì)窄輸入瓶頸形端部，使得MFD和相應(yīng)的輸入SM 及激發(fā)基模的形狀實(shí)質(zhì)匹配。
[0014] 考慮到數(shù)十kw數(shù)量級(jí)的高功率，沿標(biāo)準(zhǔn)均勻構(gòu)造的纖芯傳播的光的功率密度高， 非線性的閾值低。非線性效應(yīng)的存在對(duì)高功率光纖激光器或放大器是限制性因素。因此， 所公開的麗光纖的小端區(qū)對(duì)于非線性的產(chǎn)生來說是足夠短的，而光纖的中心區(qū)具有擴(kuò)大 的均勻直徑，因此能實(shí)現(xiàn)功率密度的減少，并從而提高非線性的閾值。
[0015] 連接MM光纖放大器的相應(yīng)的相對(duì)端和中心區(qū)的相應(yīng)端部的轉(zhuǎn)換器區(qū)各自具有錐 臺(tái)形截面。因此，轉(zhuǎn)換器區(qū)沿光路分別逐漸擴(kuò)張并逐漸變窄。因此轉(zhuǎn)換器區(qū)的幾何形狀允 許激發(fā)基模的膨脹和壓縮，這將沿所述路徑的基模與Η0Μ之間的耦合減到最少。因此，由于 在輸入端主要只是基模受激發(fā)，所公開的MM光纖的形狀提供對(duì)這種模的保持和放大，以便 在實(shí)質(zhì)上的基模中具有大功率的輸出。
[0016] 本發(fā)明進(jìn)一步的方面涉及除了具有雙瓶頸截面外還有助于得到對(duì)非線性的高閾 值的光纖構(gòu)造。特別是，所公開的MM光纖被構(gòu)造成增加激發(fā)基模的模場直徑，并因此能更 進(jìn)一步地提高對(duì)非線性的閾值。
[0017] 在麗光纖的相對(duì)端的激發(fā)基|旲具有實(shí)質(zhì)上的1?斯分布，所述實(shí)質(zhì)上的1?斯分布 分別對(duì)應(yīng)于輸入及傳輸SM無源光纖的相應(yīng)高斯分布。高斯形基模的MFD的增加是通過所 公開的具有折射率分布的光纖實(shí)現(xiàn)的，所述折射率分布提供由高斯分布向環(huán)分布的轉(zhuǎn)換， 所述轉(zhuǎn)換由MM有源光纖的中心厚區(qū)支持。從結(jié)構(gòu)上來說，這是通過在折射率分布的中心區(qū) 內(nèi)提供下凹實(shí)現(xiàn)的。
[0018] 通過沿所公開的MM光纖的整個(gè)長度的下凹的幾何形狀來解決基模的高斯分布與 環(huán)分布之間的錯(cuò)配問題。為了分別保持MFD與SM和MM光纖的相應(yīng)單模和基模的分布之間 的所需匹配，下凹的構(gòu)造小到足以防止模分布失真。因此，相應(yīng)SM光纖和有源MM的接合端 均具有實(shí)質(zhì)上的高斯分布。
[0019] 下凹1的寬度沿MM光纖的擴(kuò)張的輸入轉(zhuǎn)換區(qū)漸增并達(dá)到其最大尺寸，該最大尺寸 對(duì)應(yīng)于在中心區(qū)的輸入端的基模的環(huán)分布。模的有效面積越大，對(duì)非線性的閾值就越高。將 輸出轉(zhuǎn)換器區(qū)構(gòu)造成具有漸減的下凹寬度，這有助于由環(huán)分布向高斯分布的反向轉(zhuǎn)換。后 者的MFD與SM傳輸光纖的高斯分布的MFD相匹配?？偟膩碚f，上面公開的有源麗光纖放 大器使Η0Μ在接合區(qū)的激發(fā)和放大的可能性降到最低。
[0020] 在本發(fā)明進(jìn)一步的方面中，所公開的光纖麗光纖放大器具有這樣的結(jié)構(gòu)，所述結(jié) 構(gòu)被構(gòu)造成提供對(duì)基模的顯著增益，但防止中心對(duì)稱模（如LP02)的放大。這是通過提供 具有環(huán)形截面的摻雜劑分布實(shí)現(xiàn)的，即，環(huán)形的摻雜劑分布不提供在折射率的中心區(qū)和周 邊區(qū)內(nèi)的任何增益。然而，可構(gòu)造環(huán)形的摻雜劑分布，使之在基模的強(qiáng)度分布具有其峰值的 纖芯區(qū)中提供顯著的增益，所述峰值位于中心纖芯區(qū)與周邊纖芯區(qū)之間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 參考以下的描述、所附權(quán)利要求和附圖可以更好地理解本發(fā)明的這些及其它特 征、方面和優(yōu)點(diǎn)，其中：
[0022] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的具有雙瓶頸形截面的MM有源光纖。1US 7, 400, 807和 6, 018, 533各自公開了尺寸均勻的下凹。
[0023] 圖2示出圖1的麗光纖的折射率分布。
[0024] 圖3示出相應(yīng)的中心對(duì)稱模和基模沿所公開的MM光纖的端區(qū)的折射率及強(qiáng)度場 分布。
[0025] 圖4示出相應(yīng)的中心對(duì)稱模和基模沿MM光纖的中心區(qū)的折射率及強(qiáng)度場分布。
[0026] 圖5示出在已知現(xiàn)有技術(shù)的高功率光纖系統(tǒng)中觀察到的折射率及模分布。
[0027] 圖6示出具有折射率分布的圖1的MM光纖，其被構(gòu)造成具有能夠提供主要針對(duì)基 模的增益導(dǎo)引的摻雜劑環(huán)分布。
[0028] 圖7示出作為光纖放大器和作為無源傳輸光纖裝配到SM高功率光纖激光器系統(tǒng) 中的所公開的麗光纖的圖解視圖。
[0029] 圖8A示出裝配了圖1的麗光纖的SM光纖系統(tǒng)的側(cè)泵浦布置，特別顯示了泵浦布 置沿MM光纖的端區(qū)延伸的一部分。
[0030] 圖8B示出沿圖1的麗光纖的中心區(qū)的側(cè)泵浦布置的一個(gè)實(shí)施例。
[0031] 圖8C示出沿圖1的麗光纖的中心區(qū)的側(cè)泵浦布置的另一實(shí)施例。
[0032] 圖8D和8E示出圖1的麗光纖的端泵浦技術(shù)。 具體實(shí)施方案
[0033] 現(xiàn)在要詳細(xì)敘述所公開的特種光纖的生產(chǎn)方法、特種光纖本身以及裝配了所公開 的特種光纖的高功率光纖激光器系統(tǒng)。在可能的情況下，在附圖及說明書中使用相同或類 似的輔助標(biāo)號(hào)指代相同或類似的部件。附圖是簡化形式的而非精確的比例。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，構(gòu)造整體麗光纖以提供主要是基模在給定波長處的激 發(fā)。所公開的MM光纖的構(gòu)造對(duì)纖芯輸入端處實(shí)質(zhì)上只是基模的激發(fā)創(chuàng)造了有利的條件，下 面緊接著公開其沿纖芯的未失真?zhèn)鞑ァ?br> [0035] 圖1示出MM光纖10,其包括MM纖芯12和至少一個(gè)包層14。包層14可具有多種 構(gòu)造，所示的一個(gè)僅僅是示例性截面。如果沿縱向軸A-A'觀察，則Μ纖芯12是根據(jù)本發(fā)明 的各方面中有關(guān)雙瓶頸形截面的一方面構(gòu)造的。因此構(gòu)成的ΜΜ纖芯12具有若干區(qū)，包括 相對(duì)的尺寸均勻的輸入端區(qū)及輸出端區(qū)36、中心區(qū)或放大器38 (直徑大于端區(qū)36的直徑） 和兩個(gè)錐臺(tái)形模轉(zhuǎn)換器39 (各自分別位于端區(qū)與中心區(qū)36、38之間）。
[0036] 端區(qū)36每個(gè)都實(shí)質(zhì)上比中心區(qū)38短，并且端區(qū)36形成為可防止表現(xiàn)出非線性效 應(yīng)的尺寸。構(gòu)造纖芯12的輸入端區(qū)36,使得由射入的SM輸入激發(fā)的基模的MFD和場分布 實(shí)質(zhì)上與射入的SM輸入的相應(yīng)MFD及分布相匹配。特別是，基模及SM模兩者均具有相應(yīng) 的實(shí)質(zhì)上的高斯場分布，所述高斯場分布具有實(shí)質(zhì)上匹配的MFD。類似地，將ΜΜ光纖10的 輸出端36構(gòu)造成以基模發(fā)射輸出光束，所述基模的MFD及形狀實(shí)質(zhì)上與同光纖10的輸出 端接合的傳輸SM光纖的相應(yīng)MFD及形狀相匹配。
[0037] 相應(yīng)基模及單模的實(shí)質(zhì)上匹配的MFD及分布可防止Η0Μ在輸入端區(qū)的激發(fā)。因此， 如果將光纖10構(gòu)造為有源放大光纖，即纖芯12摻雜以稀土元素，則激發(fā)模沿其通過纖芯12 的路徑被放大。相比之下，如果Η0Μ不在輸入端區(qū)36被激發(fā)，則其不會(huì)沿光纖10被放大。 否則如果Η0Μ實(shí)質(zhì)上被放大到基模放大的程度，則后者會(huì)由于所謂的模耦合而造成功率損 耗。當(dāng)然可以將光纖10構(gòu)造為具有上文所公開的相同機(jī)制但沒有放大功能的無源光纖。
[0038] 中心放大器38的擴(kuò)大的纖芯直徑能實(shí)現(xiàn)更好的功率處理特性，因?yàn)槔w芯直徑的 增大使功率密度減小，并因此提高了對(duì)非線性（如SRS)的閾值。然而，纖芯直徑增大通常伴 有Η0Μ激發(fā)的可能性增加，這種可能性是極不可取的。因此希望的是增大基模UV的MFD， 這將提供對(duì)非線性的相對(duì)高的閾值，同時(shí)將Η0Μ激發(fā)的可能性降到最低。
[0039] 如與圖1 一起討論的圖2所示，通過在纖芯12的折射率分布中提供中心下凹18 來實(shí)現(xiàn)MFD的增大。一般來說，從制造過程來看，下凹是MM光纖中的相當(dāng)?shù)湫偷臉?gòu)造，其在 常規(guī)上被認(rèn)為是Η0Μ模的激發(fā)及其與基模UV耦合的原因。由于以下原因，與已知的現(xiàn)有 技術(shù)相比，所公開的下凹18被有意地并以可控的方式沿中心區(qū)38擴(kuò)大了。
[0040] 構(gòu)造下凹18以將在輸入?yún)^(qū)36的激發(fā)基模的實(shí)質(zhì)上的高斯分布轉(zhuǎn)換成更大的環(huán)形 分布，相比擴(kuò)展的高斯分布來說，所述環(huán)形分布沿中心區(qū)38與更大的纖芯面積相重疊?；?模的MFD越大，對(duì)非線性的閾值就越高。然而，高斯分布與環(huán)分布明顯不匹配，這在MM光纖 10的相對(duì)端區(qū)36處尤其麻煩，因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下，這些端區(qū)與相應(yīng)的SM輸入及傳輸光纖接 合。
[0041] 將SM光纖構(gòu)造成支持通常具有實(shí)質(zhì)上的高斯分布的單模。如果將MM光纖10的端 區(qū)36構(gòu)造成支持基模的環(huán)分布，則光功率的耦合損失可能是相當(dāng)大的。因此根據(jù)本發(fā)明， 將下凹18構(gòu)造成具有沿MM光纖10可控變化的構(gòu)造，如下文所公開的那樣。
[0042] 在圖1背景下討論的圖3示出所公開的纖芯12沿設(shè)有下凹18的端區(qū)36的階躍 折射率，所述下凹18被構(gòu)造成使激發(fā)基模的高斯模失真最小。換句話說，使沿端區(qū)36的下 凹18的尺寸不擾亂基模的高斯分布。優(yōu)選的是，下凹18沿端區(qū)36的寬度在約1 λ至約 5 λ之間的范圍內(nèi)變化，其中λ是給定的波長，在該給定波長下纖芯12能夠?qū)嵸|(zhì)上只支持 基模。隨著基模沿輸入轉(zhuǎn)換器區(qū)39繼續(xù)傳播，由于下凹18逐漸擴(kuò)大，高斯分布逐漸轉(zhuǎn)換成 環(huán)分布。下凹越大，基模就越像環(huán)。
[0043] 圖4示出與基模LP01的鉸接環(huán)分布關(guān)聯(lián)的下凹18的最大尺寸，所述鉸接環(huán)分布 出現(xiàn)在基模LP01進(jìn)入麗光纖10的中心區(qū)38之時(shí)?；P Q1的環(huán)分布包括兩個(gè)能量峰 (分別為20和22)和位于中心的能谷，所述能谷橋接峰區(qū)并展開，與高斯分布相比，其占據(jù) 更大的纖芯12的面積。可以通過以可控的方式摻雜纖芯12的中心區(qū)來得到下凹18,優(yōu)選 用氟化物的離子進(jìn)行摻雜。作為另外的選擇，可以使用硼的離子，但硼可能具有本文中未予 考慮的一些影響，這些影響使此元素與受控濃度的氟化物相比而言就不那么有利。還有另 一種可能是以可控的方式用濃度不同于纖芯12的周邊區(qū)中的磷酸鹽濃度的磷酸鹽摻雜中 心區(qū)32。
[0044] 如果是有源光纖10,纖芯12充分摻雜以一種或多種選自以下的稀土離子：Yb、Er、 Nd、Tm、Pr、Ce和/或Ho離子以及它們的組合。纖芯12的主體材料可以包括二氧化硅，但 優(yōu)選的是，纖芯的主體材料包括磷酸鹽。后者是有利的，因?yàn)閾诫s劑在磷酸鹽中的濃度可顯 著地高于在二氧化硅中的濃度而不會(huì)產(chǎn)生簇（cluster)，而簇會(huì)導(dǎo)致波導(dǎo)的劣化。通常情況 下，當(dāng)離子（如Yb)的濃度達(dá)到約1000-2000ppm時(shí)觀察到Si中簇的產(chǎn)生。相比之下，磷酸 鹽主體材料允許稀土離子濃度高達(dá)約5000ppm及更高。
[0045] 分別參考圖3、4和5,與圖5中所示的已知現(xiàn)有技術(shù)的示例性標(biāo)準(zhǔn)MM光纖相比，可 以很容易地意識(shí)到圖3和4中所示公開的光纖的優(yōu)點(diǎn)。
[0046] 圖5示出尺寸均勻的麗光纖100的折射率分布和強(qiáng)度分布。多年來，生產(chǎn)的MM 光纖（如MM光纖100)具有不完善的構(gòu)造，如較差的纖芯-包層同心度及纖芯圓度。因此， 光纖10與任何SM光纖的熔合通?？赡軙?huì)導(dǎo)致相應(yīng)的HOM LPn和ΙΛ2的激發(fā)，在各種不同 的Η0Μ中，這兩者最有可能在接合區(qū)中被激發(fā)。如果光纖是不完善的，LP 11(I占據(jù)周邊纖芯 區(qū)且易被激發(fā)。因此，大多數(shù)已知技術(shù)大多致力于防止或最大程度地減少此模的激發(fā)2。對(duì) 包括LP%在內(nèi)的對(duì)稱中心模的激發(fā)少有研究，并且許多有源光纖構(gòu)造（如具有中心摻雜區(qū) 3的那些）甚至放大中心Η0Μ。
[0047] 隨著光纖制造方法的出現(xiàn)，MM光纖（特別是有源光纖）的構(gòu)造趨于接近"理想"特 性，包括纖芯-包層同心度< 0. 5 μ m，及纖芯圓度> 0. 99。此外，熔合光纖之間的接合也不 斷地得到改善。因此，在這些"理想"的光纖中，非對(duì)稱模以及最為顯著的LPn?？赡懿辉?接合區(qū)中被激發(fā)，因此由于對(duì)稱原則之故不會(huì)在"理想"的MM光纖的輸入端區(qū)被激發(fā)。類 似地，總的來說，熔合在一起時(shí)的無源"理想"光纖的特征也在于只是中心對(duì)稱高階模（如 LPQ2)的激發(fā)。
[0048] 回到圖3中來，所公開的MM光纖10的構(gòu)造被認(rèn)為具有實(shí)質(zhì)上是理想的構(gòu)造，該圖 示出在麗光纖10的輸入端被激發(fā)的Η0Μ?？梢钥吹?，實(shí)質(zhì)上只是中心高階模LP%連同基 模UV被激發(fā)。因此，所公開的光纖10沿中心區(qū)38的構(gòu)造應(yīng)該是這樣的，即不僅可防止此 中心Η0Μ的強(qiáng)度的進(jìn)一步增加，而且理想的是，還可使其強(qiáng)度有所減少。
[0049] 參考圖4,可以很容易地觀察到，沿光纖的28區(qū)存在的下凹18將中心纖芯折射率 區(qū)32中的的峰強(qiáng)度降到最低。此外，基模UV的側(cè)翼部分抽取離開中心HOM LPu的側(cè) 翼部分的泵浦功率的最大份額而幾乎沒有增益。然而要注意的是，下凹18的擴(kuò)大不是沒有 限制的，因?yàn)槟撤N下凹幾何形狀會(huì)導(dǎo)致的強(qiáng)度分布呈現(xiàn)出類似于基模UV中的環(huán)形狀。 如果發(fā)生HOM LPQ2的這種轉(zhuǎn)換，則所公開的下2美國專利5, 818, 6303同上凹18的構(gòu)造（其 導(dǎo)致只是基模的有效面積增大，這轉(zhuǎn)而促使對(duì)非線性的閾值更高）不再能提供所公開的優(yōu) 點(diǎn)。
[0050] 參考結(jié)合圖3和4討論的圖6,雖然下凹18與充分摻雜的纖芯12的組合可得到所 需的結(jié)果，即基模UV的實(shí)質(zhì)上未失真的傳播和放大，但有源光纖可以具有能夠獲得相同 結(jié)果的不同構(gòu)造。近來的光纖設(shè)計(jì)已集中于定制增益摻雜劑的橫向分布以提供模態(tài)辨別。 例如，如上所述，一種設(shè)計(jì) 4包括纖芯的中心摻雜區(qū)。這種技術(shù)提供中心HOM LP02的放大， 其實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于基模UV所獲得的增益，在MM光纖的輸出端導(dǎo)致基模中的能量損失。
[0051] 因此，纖芯12可以被構(gòu)造成具有不覆蓋整個(gè)纖芯面積的環(huán)摻雜區(qū)16。特別是，增 益區(qū)或摻雜劑分布16環(huán)繞纖芯12的中心區(qū)32,并終止于與纖芯12的周邊相隔一定距離 處。構(gòu)造增益區(qū)16,以便包括20和22區(qū)，即見于圖4中的基模的峰值功率區(qū)。作為結(jié)果， 這些峰值功率區(qū)的放大對(duì)基模提供顯著的增益，而中心Η0Μ(如LPJ不獲得增益或所獲增 益微不足道。
[0052] 現(xiàn)在集中來看圖6的折射率分布的中心區(qū)32,相應(yīng)中心Η0Μ(如LPJ的強(qiáng)度峰保 持在中心，與環(huán)形摻雜區(qū)16的存在與否無關(guān)。然而，這些峰沒獲得任何增益。因此，見于圖 4中的LP Q2的峰不被放大，這相當(dāng)于這種模在麗光纖10的輸出端強(qiáng)度低。因此，除了麗光 纖10的雙瓶頸截面與尺寸可控的下凹18相結(jié)合之外，環(huán)形增益區(qū)16也可進(jìn)一步提高基模 的輸出功率。
[0053] 可以按脈沖及CW構(gòu)造裝配光纖10。因此，可以提高對(duì)其它非線性效應(yīng)（如自相位 調(diào)制、4波混頻、SRS和SBS)的閾值。
[0054] 圖7以圖解的方式示出示例的包括一個(gè)或多個(gè)增益模塊的高功率光纖激光器系 統(tǒng)50。每個(gè)增益模塊50被構(gòu)造成具有所公開的在相對(duì)的端部36與相應(yīng)的SM無源光纖42 熔合的麗有源光纖10。構(gòu) 4美國專利5, 818, 630造相應(yīng)的無源光纖42的輸出和輸入?yún)^(qū) (它們每個(gè)耦合于光纖10的端部36)的幾何形狀，使得由SM光纖支持的SM光的MFD和分 布實(shí)質(zhì)上與麗光纖10的基模的MFD和分布相匹配。作為結(jié)果，構(gòu)造具有下凹18 (圖3、4) 與雙瓶頸形狀相結(jié)合的光纖有源MM10不但將耦合功率損失減到最少，而且還放大基模。由 于激光器系統(tǒng)50可處理kW數(shù)量級(jí)的高功率，SM無源光纖42各自也可以具有雙瓶頸形狀， 由于大直徑區(qū)內(nèi)相對(duì)較低的功率密度的原因而使無源傳輸光纖42中非線性效應(yīng)的發(fā)生最 少。
[0055] 示例形式的系統(tǒng)50可包括Yb摻雜的MM有源光纖10。其被拉制成相應(yīng)的相對(duì)端 部36的外徑各為125 μ m，中心部分或放大器38的外徑為約150-250 μ m，且纖芯12在端部 36的直徑為約18 μ m。構(gòu)造具有約125 μ m端部和所需模場直徑的無源光纖42,可以使MM 光纖10與無源光纖42之間的熔合幾乎沒有損失。
[0056] 圖8A-8C示出用在包括有源MM光纖10的HP光纖激光器系統(tǒng)中的相應(yīng)側(cè)泵浦布 置。優(yōu)選的是，泵浦傳輸光纖55操作性地連接于有源麗光纖10的包層14 (沿實(shí)質(zhì)上有 源麗光纖10的長度）。因此，圖8A示出側(cè)泵浦布置的端部，麗光纖10的端區(qū)36沿其延 伸。所連接的光纖10和55分別包封在由折射率比包層14低的材料制成的套管60中，以 便防止泵浦光耦合離開光纖10和55。要注意的是，耦合的光纖10和55沿圖8A的端區(qū)具 有實(shí)質(zhì)上相同的外徑。圖8B不出側(cè)布置的中心部分，特征在于光纖10和55具有實(shí)質(zhì)上相 同的直徑，該直徑大于圖8A的輸入端的直徑。圖8C也表示沿所述布置的中心區(qū)的耦合，其 中泵浦傳輸光纖55的外徑實(shí)質(zhì)上比MM光纖10的外徑要小。圖8C中所示的構(gòu)造是特別有 利的，因?yàn)橄喈?dāng)部分的泵浦輻射在麗光纖10的纖芯12中被吸收。圖8D和8E示出端泵浦 技術(shù)的相應(yīng)構(gòu)造。圖8D的構(gòu)造包括進(jìn)入端區(qū)36的耦合泵浦輻射，而圖8E示出泵浦中心區(qū) 38的可能性，如共同待決申請(qǐng)No.中的討論。
[0057] 本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可以對(duì)本文中公開的激光器功率系統(tǒng)進(jìn)行各種修 改和變動(dòng)。因此，本發(fā)明旨在涵蓋對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的修改和變動(dòng)，條件是這些修改和變動(dòng)處于 所附權(quán)利要求及其等同表述的范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種高功率單模SM光纖激光器系統(tǒng)，包括： 輸入無源光纖，具有引導(dǎo)高斯形狀的SM光的纖芯； 有源光纖，具有整體多模MM纖芯，所述整體多模MM纖芯配置為沿纖芯的整個(gè)長度引導(dǎo) 基模和多個(gè)高階橫模HOM并且具有雙瓶頸形橫截面，所述雙瓶頸形橫截面包括： 分離的輸入端區(qū)和輸出端區(qū)； 中心區(qū)，所述中心區(qū)的內(nèi)徑大于輸入端區(qū)和輸出端區(qū)的內(nèi)徑；以及 輸入錐臺(tái)形區(qū)和輸出錐臺(tái)形區(qū)，分別將輸入端區(qū)和輸出端區(qū)與中心區(qū)的相應(yīng)端橋接， 其中輸入無源光纖的纖芯耦合到整體多模麗纖芯的輸入?yún)^(qū)，并配置為在接收到所需 波長的SM光時(shí)，使得SM光的模場直徑MFD和高斯形狀與在整體多模MM纖芯的輸入端區(qū)中 激發(fā)的基模的相應(yīng)MFD和基模形狀相匹配，而不會(huì)激發(fā)HOM。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率SM光纖激光器，還包括SM輸出無源傳輸光纖，所述 SM輸出無源傳輸光纖的纖芯接收來自整體多模麗纖芯的輸出端區(qū)的基模，并配置為引導(dǎo) 具有與基模的相應(yīng)形狀和MFD相匹配的高斯形狀和MFD的SM。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高功率SM光纖激光器系統(tǒng)，其中SM輸出無源傳輸光纖的纖 芯具有雙瓶頸形狀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高功率SM光纖激光器系統(tǒng)，其中有源光纖的MM纖芯配置為 具有如下的基模折射率分布，該分布具有沿MM纖芯的整個(gè)長度的中心下凹，在有源光纖的 整體多模MM纖芯的彼此相對(duì)的輸入端區(qū)和輸出端區(qū)處的該下凹遠(yuǎn)小于有源光纖的整體多 模MM纖芯的中心區(qū)處的該下凹，該下凹配置為將基模從高斯形狀整形為環(huán)形，再整形回高 斯形狀。
【文檔編號(hào)】H01S3/067GK104112973SQ201410384285
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2010年9月8日 優(yōu)先權(quán)日:2009年9月14日
【發(fā)明者】瓦倫丁·蓋龐特瑟夫, 邁克爾·弗亞特金, 瓦倫丁·弗明, 尼古拉·普拉特諾夫 申請(qǐng)人:Ipg光子公司