專利名稱：：光纖中的模場大小調(diào)整的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及光纖中的模場大小調(diào)整，尤其涉及需要將不同光纖的模場大小相互匹配的高功率設(shè)備。
背景技術(shù)：
：近來，高功率光纖激光器和放大器得到了極大關(guān)注。這些設(shè)備通常使用的是雙包層光纖(DCF)，并且這種光纖具有圖1中例示的折射率分布。DCF包括可以摻雜生成增益的物種(例如稀土元素)的纖芯區(qū)域12，用于將信號光約束在纖芯區(qū)域的內(nèi)包層14，以及外包層16，其中該外包層可以是低折射率聚合物或低折射率玻璃。內(nèi)包層14還充當(dāng)受到外包層16約束的多模泵浦光的纖芯。在將泵浦光射入內(nèi)包層14時，它可以在纖芯區(qū)域12中被吸收，并且信號光會在該區(qū)域中被放大。這樣一來，具有高NA的大量泵浦功率可以被轉(zhuǎn)換成約束于很小的纖芯區(qū)域12內(nèi)并且具有較低NA的光。在很多應(yīng)用中，纖芯區(qū)域12僅僅引導(dǎo)的是基模。作為替換，纖芯區(qū)域12本身可以是多模的，但是信號光可以被仔細(xì)射入，從而只優(yōu)先激勵基模。與固態(tài)激光器相比，DCF激光器的優(yōu)點(diǎn)包括穩(wěn)定的光學(xué)特性(也就是由于在光纖中引導(dǎo)的模式而具有穩(wěn)定的橫向模態(tài)屬性)，容易的熱量管理(也就是由于光纖大的表面積-體積比)以及很有吸引力的物理屬性(例如輕便和結(jié)實(shí))。兩種主要的應(yīng)用是達(dá)到千瓦范圍的高功率CW操作，以及以超出100kW的峰值功率達(dá)到毫焦耳脈沖的脈沖應(yīng)用。在這些應(yīng)用中存在著若干問題，其中包括(i)將所需要的泵浦功率耦合到光纖；(ii)防止信號中的非線性效應(yīng)增長；以及(iii)從增益區(qū)域中提取足夠的能量和功率。目前，一種常用于將光耦合到生成增益的光纖(GPF，GainProducingFiber)的全光纖解決方案是錐形光纖束(TFB,taperedfiberbundle)。在圖2A中顯示了TFB20的示意圖。在該方法中，若干條光纖21、26被緊密地保持在一起。這些光纖通常具有由較低折射率包層包圍的純硅纖芯。捆綁在一起的這些光纖將會緩慢地融合在一起，并且該組合體會在區(qū)段27中通過拉伸而被錐形化，由此與輸出尾纖28的直徑相匹配，而所述尾纖則是接合到GPF(未顯示)的熔接點(diǎn)。為了在放大器中使用或是用于對光纖激光器實(shí)施反泵浦處理(counter-pump)，除了泵浦光之外，TFB20還必須傳送信號光。相應(yīng)地，在中心光纖26中包含了信號引導(dǎo)纖芯。在圖2B中顯示了TFB中的區(qū)段27的劈裂端面，其中該TFB包含了六個泵浦引導(dǎo)光纖21以及一個中心信號引導(dǎo)光纖26。作為例證，商用的TFB具有大于95%的泵浦吞吐率以及大于90%的信號吞吐率。為了防止在高功率信號光中出現(xiàn)有害的非線性效應(yīng)，目前業(yè)已使用了具有大模面積(LMA,largemodearea)的光纖。由于非線性效應(yīng)的閾值等級與光纖的強(qiáng)度分布的有效面積成比例，而與光纖長度成反比，因此，使用LMA光纖將會提高很多有害的非線性效應(yīng)的閾值。關(guān)于這種效應(yīng)的實(shí)例包括受激拉曼散射、受激布里淵散射以及自相位調(diào)制。由于LMA光纖將會減小所需要的光纖長度，因此可以進(jìn)一步提高非線性閾值。此外對LMA光纖來說，其較大的纖芯區(qū)域?qū)试S將數(shù)量更多的摻雜離子混合到光纖中，并且允許更大的信號能量存儲和提取。另一方面，LMA光纖允許傳播處于多個橫模之中的信號光，由此會在與纖芯的增益區(qū)域重疊的所有模式之間產(chǎn)生增益竟?fàn)?。此外，由于信號射入增益光纖時的有缺陷的信號耦合、由于更高階模式所捕獲的自發(fā)輻射、或是由于沿著光纖長度的模式耦合，信號光有可能會駐留在非預(yù)期的更高階模式中。隨著模式有效面積(Aeff)的增大，由于針對光纖的不可避免的干擾，出現(xiàn)意外的模式耦合的可能性將會增加。耦合到更高階模式中的信號光將被放大，由此導(dǎo)致放大器輸出的波束質(zhì)量降級。對高功率光纖放大器來說，該放大器通常需要通過多個增益級來將信號放大到預(yù)期的最終功率電平，在這種高功率放大器的設(shè)備情形中，使用LMA光纖同樣是存在問題的。此外，這些放大器還包含了若干種類型的級間部件，其中舉例來說，這些級間部件通常被用于控制光的方向，過濾不希望的鐠分量，或是控制脈沖信號的調(diào)制速度。在此類放大器的第一級中，由于信號功率4艮低并且強(qiáng)度的增加將會提高能量提取效率，因此，較為優(yōu)選的是使用常規(guī)的單模光纖(SMF)。但是，隨著信號功率在放大器通路(amplifierchain)中的增加，在某些點(diǎn)，轉(zhuǎn)換成LMA光纖將會較為理想。這種LMA光纖可以具有大于15jim的纖芯，在某些情況下，其纖芯可以大于45jim。如果在同一放大通路中具有不同的纖芯大小，那么將會產(chǎn)生一個非常實(shí)際的問題，那就是將來自較小模場面積/直徑(例如SMF或相對較小的LMA光纖)的光耦合到較大的模場面積/直徑(例如較大的LMA光纖)或是相反的耦合處理。非常重要的是，這種耦合以一種將LMA光纖的總信號功率損耗以及不希望的更高階模式激勵減至最小的方式實(shí)現(xiàn)。對耦合到更高階模式的光來說，它有可能對輸出光束質(zhì)量產(chǎn)生若干種有害影響。當(dāng)前的TFB被設(shè)計(jì)成在輸入和輸出端具有基本相當(dāng)?shù)哪鲋睆?MFD)或有效面積(Aeff)。相關(guān)實(shí)例參見D.J.DiGiovanni等人的美國專利5,864,644(1999)，在下文中將其稱為D/Ov<m"/，6W。目前建議的一種用于在放大器架構(gòu)中調(diào)整模場大小的技術(shù)方案包括在TFB的錐形部分之后放置一個分立的模式大小調(diào)整器(resizer)。參見D.J.DiGiovanni等人的美國專利6,970,624(2005)。但是，這個大小調(diào)整器添加了附加的接頭(splice),而這有可能導(dǎo)致信號或泵浦損耗增大、信號反射、與更高階模式相耦合，以及制造成品率降低。在這里，這兩份專利全都引入作為參考。相應(yīng)地，在本領(lǐng)域中需要一種解決現(xiàn)有技術(shù)中的一個或多個缺陷的模場大小調(diào)整器。特別地，目前需要一種包含能夠顯著改變信號光的MFD或Aeff的模場大小調(diào)整器的全光纖TFB(在下文中，短語MFD或Aeff將被寫為"MFD/Aeff")。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種光學(xué)設(shè)備(例如全光纖模場大小調(diào)整器)包括第一光纖，該第一光纖被配置成沿著從第一輸入/輸出(I/O)端口到第二I/O端口的縱軸傳播預(yù)定橫模中的信號光。該第一光纖被配置成在第一I/O端口附近具有第一Aeff和第一纖芯參數(shù)V，并且在第二I/O端口附近具有第二Aeff和第二纖芯參數(shù)V。該第二Aeff大于第一Aeff,并且第二參數(shù)V小于第一參數(shù)V。如下文中更全面論述的那樣，光纖的參數(shù)V與纖芯直徑以及數(shù)值孔徑(NA)成正比，而且與波長成反比。在一個實(shí)施例中，第二參數(shù)V近似小于1.3，并且優(yōu)選小于l.O。在另一個實(shí)施例中，第一參數(shù)V近似大于1.8。在另一個實(shí)施例中，本發(fā)明的模場大小調(diào)整器被結(jié)合到TFB中。更具體地說，大量的成束的錐形光纖被配置成傳播泵浦光，所述大量光纖在第一光纖周圍形成束并且被配置成將泵浦光耦合到具有生成增益的部分的第二光纖中。該第一光纖被配置成傳播要由增益部分放大的信號光。從以下結(jié)合附圖的更詳細(xì)描述中很容易就可以理解本發(fā)明及其各種特征和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的DCF的示意性折射率分布；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的TFB的示意性三維視圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的包含了模式大小調(diào)整器的光學(xué)設(shè)備的示意性框圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的模式大小調(diào)整器的示意性截面圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實(shí)施例的TFB(圖5B)的示意圖。圖5C顯示的是處于不同軸位置的TFB的截面形狀，并且圖5A顯示的是MFD和參數(shù)V如何沿著TFB發(fā)生軸向變化；圖6是一組用于描述公知的纖芯參數(shù)V的折射率分布(6a，6b，6c)和光強(qiáng)度分布(6A，6B,6C);圖7顯示的是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中的模式匹配方法而將不同NA的MFD與纖芯參數(shù)V相對比的圖形族。這些圖形是使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)"PetermannII，，定義來計(jì)算的；圖8顯示的是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例而將不同NA的MFD與纖芯參數(shù)V相對比的圖形族。這些圖形同樣是使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)"PetermannII"定義計(jì)算的；圖9顯示的是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例并且具有纖芯基座分布的^^場大小調(diào)整器的示意性折射率分布；以及圖io是顯示如何根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例而將折射率增加的環(huán)(raised-indexring)引入圖9的基座概念的示意性折射率分布。具體實(shí)施方式模場大小調(diào)整器一通用在詳細(xì)論述本發(fā)明之前，首先轉(zhuǎn)到圖3，該圖3顯示的是包含了通過光纖鏈路相互耦合的第一使用器件32和第二使用器件34的設(shè)備、子系統(tǒng)或系統(tǒng)30。使用器件32、34可以包括眾多的光學(xué)和/或光電子器件，例如光源、受光器或者同時包含這兩者。典型的光源是激活器或激光器-放大器組合。典型的激光器是光纖激光器或半導(dǎo)體激光器。當(dāng)然，其他類型的激光器或激光器-放大器組合也是適合的。另一方面，典型的受光器是一段光纖、光學(xué)放大器、光學(xué)復(fù)用器、光學(xué)循環(huán)器、光柵、大量光學(xué)元件、光隔離器、光檢測器、光接收機(jī)等等。作為例證，當(dāng)使用器件之一包含光源時，其他器件包含至少一個受光器。該鏈路例示性地串聯(lián)包括與使用器件32相耦合的第一光纖(例如標(biāo)準(zhǔn)的SMF)36，依照本發(fā)明的一個方面設(shè)計(jì)的全光纖模場大小調(diào)整器37、尾纖38、以及與使用器件34相耦合的生成增益的光纖(GPF，gain-producingfiber)39。通常，標(biāo)準(zhǔn)的熔接接頭(處于接口33.1，33.2，35)被用于將大小調(diào)整器37、尾纖38以及GPF39耦合在一起。一般來說，GPF39被結(jié)合到公知的光學(xué)放大器31中。為了簡單起見，放大器31是以框圖形式示意性顯示的。在這里省略了涉及GPF39的泵浦操作的細(xì)節(jié)，但是這些細(xì)節(jié)在本領(lǐng)域中是公知的。舉例來說，眾所周知，放大器可以使用同向傳播(a-/^，fl^m>w)泵浦方案，在該方案中，信號光和泵浦光通過GPF39在相同方向上傳播，此外，放大器也可以使用反向傳播(c<wwte/*-/7i^/ni^iriwg)方案，在該方案中，信號光和泵浦光通過GPF39在相反方向上傳播。無論哪一種情況，依照本發(fā)明的一個方面，圖5所示類型的TFB都可以用于將多個泵浦光源耦合到GPF39中。由于信號光可以在任何方向上通過GPF39傳播，因此它同樣可以在任何方向上通過鏈路傳播，尤其是通過模場大小調(diào)整器37來進(jìn)行傳播。相應(yīng)地，處于大小調(diào)整器37相對端上的接口33.1和33.2可以充當(dāng)輸入端口或輸出端口。因此在下文中將其簡稱為1/0端口。通常，第一光纖36具有相對較小的MFD/Aeff，而尾纖38則具有相對較大的MFD/Aeff。一般來說，尾纖38與GPF39的所有方面都基本相同，但是它并未包含增益摻雜劑；尤其是這二者的MFD/Aeff是基本相同的。舉例來說，作為例證，尾纖38和GPF39都是DCF。雖然光學(xué)放大器31通常配備了這種尾纖，但是在某些應(yīng)用中，尾纖是可以省略的，在這種情況下，模場大小調(diào)整器37會將光纖36直接耦合到GPF39。無論哪一種情況，依照本發(fā)明的另一個方面，全光纖模場大小調(diào)整器37都被用于將光纖36的MFD/Aeff匹配于尾纖38的MFD/Aeff，或者在省略尾纖的情況下將其匹配于GPF39。在圖4中顯示了模場大小調(diào)整器47的更詳細(xì)視圖，其中該大小調(diào)整器是作為光纖鏈路40的一部分顯示的。與圖3中一樣，模場大小調(diào)整器47例示性地將在接口(I/O端口)43.1具有參數(shù)集合(MFD"Vi)的第一光纖46耦合到在接口(I/O端口)43.2具有參數(shù)集^KMFD2，Vj的尾纖48，其中參數(shù)V將會在下文中得到更詳細(xì)的描述。(為了清楚起見，在這里只顯示了模場大小調(diào)整器47的纖芯區(qū)域47.1，而鏈路中的所有其他光纖的纖芯區(qū)域則被省略)。根據(jù)本發(fā)明的這個實(shí)施例，通過對模場大小調(diào)整器進(jìn)行配置，可以使<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(1)以及<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(2)圖6顯示了階躍折射率光纖(也稱"階躍光纖"，或"突變型光纖"，stepindexfiber)(纖芯NA-0.07;纖芯/包層An=0.0017)的三個折射率分布(6a，6b，6c)以及三個相應(yīng)的光強(qiáng)度分布(6A，6B，6C)，以便論證MFD如何隨著信號波長X-1080nm上的纖芯參數(shù)V而改變。當(dāng)參數(shù)V(也被稱為數(shù)值V)很小(V<1.5;例如V-l.O，圖6A)，并且由此纖芯直徑同樣相對較小時，基模場(fundamentalmodefield)6A深度滲入到包層中，并且在纖芯(MFD=7.5jim,Aeff=248nm2)內(nèi)部傳送4艮少的一部分光。由此，基模形狀(fundamentalmodeshape)(強(qiáng)度)將會不及高斯分布，這意味著更加難以實(shí)現(xiàn)低損耗互連，并且光纖更易遭受宏彎曲損耗。與此相反，當(dāng)參數(shù)V較大并且由此纖芯直徑相對較大時圖6B(V-2.0;MFD-12.2pm,Aeff=115jun2)以及圖6C(V-4.0;MFD=16.7nm，Ae=246jim2)，基模將會得到更好的限制，并且該模形狀(modeshape)將會更接近高斯分布。如下一部分更詳細(xì)論述的那樣，作為例證，模場大小調(diào)整器47的纖芯區(qū)域47.1將會漸漸縮小成錐形，由此在接口(1/0端口)43.1和43.2上或是在所述接口附近滿足不等式(1)和(2)。此外，至少一個外包層區(qū)域可被蝕刻(或是以其他方式改變)，以便減小模場大小調(diào)整器光纖的外直徑，由此能夠調(diào)諧纖芯直徑與包層直徑的比值；換言之，纖芯區(qū)域與包層區(qū)域的直徑的比值會沿著大小調(diào)整器縱向變化。上述類型的模場大小調(diào)整器具有用于橋接那些具有不同MFD/Aeff的光纖的一般應(yīng)用。但是在下一部分中，將會專注于特別重要的應(yīng)用即在高功率放大器/激光器中使用的TFB，但是該TFB將會被修改以便包含依照本發(fā)明的另一個實(shí)施例的模場大小調(diào)整器。模場大小調(diào)整器一TFB應(yīng)用在本發(fā)明的這個實(shí)施例中，通過恰當(dāng)設(shè)計(jì)中心的信號光傳送光纖(例如SMF)56的模場大小調(diào)整區(qū)段57而在TFB50(圖5B)中實(shí)現(xiàn)模場大小調(diào)整。在光纖56的周圍圍繞了一束泵浦光傳送多模光纖51(或者在替換實(shí)施例中，這些光纖至少圍繞光纖區(qū)段59的一部分和所有光纖區(qū)段57)。所有這些光纖全都在光纖56的區(qū)段57中沿著軸向錐形化，但是最重要的方面是區(qū)段57被配置成滿足先前所述的MFD(或等同的Aeff)不等式(1)以及參數(shù)V不等式(2)。在該設(shè)計(jì)中，區(qū)段57實(shí)際是信號光纖56的一個組成部分，并且該設(shè)計(jì)消除了額外的接頭或部件，減少了信號損耗以及與不希望的模式的耦合，此外還顯著簡化了制造過程。只有明顯的接頭位于光纖56的I/O端口53.1以及尾纖58的I/O端口53.2。(但是，如果可以容忍額外接頭，那么可以在接口53.3將區(qū)段57接合到光纖(例如SMF)59的可選分立部分)。在公知的TFB制造過程中，以預(yù)定的可重復(fù)方式伸展并錐形化一束光纖51，56。對直徑相等的光纖來說，在錐形化之前，光纖束的總的截面面積Ain(圖5C，截面50.1)是如下給出的<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>其中D—卯t是單個輸入光纖的每一個的直徑Narms。在錐形化之后，輸出面積A。ut是如下給出的<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>其中DT。u^t是錐形化的熔接束的直徑(圖5C;處于接口/接頭53.2的截面50.3)。應(yīng)該注意的是，由于信號光有可能根據(jù)應(yīng)用而在任何方向上通過大小調(diào)整器50傳播，因此標(biāo)記",Vi/7M,"和M印"r"可以顛倒，而不會改變本發(fā)明教導(dǎo)的本質(zhì)。單個光纖纖芯的直徑錐度遞減比(diametertaper-down-ratio)(TDR)是由V^^:或是如下給出的<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(5)由于TDR是在制造TFB的過程中預(yù)先確定的，因此可以在引導(dǎo)纖芯中使用光傳播的唯一特征對階躍折射率波導(dǎo)來說，隨著纖芯直徑從常規(guī)值遞減，MFD將會遞減至最小值，然后則會增大(參見D/G/ov"mw'，6W的圖4，5/7.)。在圖7中以圖形方式按照纖芯的參數(shù)V示出了的這種關(guān)系。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>其中人是信號波長，Dc肌是纖芯直徑，！lc。re是纖芯的折射率，nclad是包層的折射率，NA是纖芯的數(shù)值孔徑。如果TFB的輸入MFD與纖芯NA-0.05時的輸出端上的MFD基本相等，那么在這種情況下，由于TDR所導(dǎo)致的參數(shù)V變化是由圖7中標(biāo)記為TDR-1.65的水平線表示的。在D/G/ovflfm/，6W，中對這種設(shè)計(jì)策略進(jìn)行了論述。但是，根據(jù)本發(fā)明，認(rèn)識到較為有利的是重新調(diào)整模場大小，以使錐形化之后在輸出端上的MFD/Aeff顯著大于輸入端上的MFD/Aeff。在圖8中對于信號光纖56而對這個概念進(jìn)行了例證，其中該光纖在X1080nm上具有下列近似特性NA-0.06,V=1.85，MFD=14nm，Aef產(chǎn)130fim2，以及De。re-10.6nm。如果再次按照TDR-1.65來實(shí)施錐形化處理，那么將會導(dǎo)致產(chǎn)生下列近似特性V=1.12，De。re=6.4jim,MFD=18nm，以及Aeff=230nm2。雖然Dc減小了1.65倍，但是MFD增大了大約1.3倍。當(dāng)對纖芯錐形化使得參數(shù)V趨于一(V=l)時，這時可以知道，模場形狀(modefieldshape)將會相對變成非高斯分布，在與具有嚴(yán)格的高斯分布模場形狀的光纖互連時，這種情況將會導(dǎo)致?lián)p耗增大。此外，當(dāng)接收光纖是LMA光纖時，在互連處"丟失，，的信號有可能被耦合到非期望的更高階纖芯模式中。對這些效應(yīng)來說，它們可以通過仔細(xì)匹配模場形狀而被減至最小。例如，雖然通過使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PetermannII定義而使上述示例中的MFD大約是18fim，但是可以發(fā)現(xiàn)21nm的MFD高斯分布是嚴(yán)格的高斯分布模場形狀的最小接頭損耗，并且這個接頭損耗是可接受的0.26dB。由此，圖5的TFB可以用于以可接受的信號損耗而將14nm的MFD單模輸入信號光纖耦合到LMA光纖的21nm的MFD高斯分布基模中。應(yīng)該理解的是，當(dāng)模場直徑形狀偏離嚴(yán)格的高斯分布時，這時MFD并不是一種用于描迷引導(dǎo)模式中的直徑或截面面積的有益方式。在這種情況下，工業(yè)上將會改為依靠如下給出的有效模面積(modeleffectivearea)Aeff:(7)夠"其中E是該模式的電場的橫向空間包絡(luò)，并且應(yīng)當(dāng)理解是對光纖的截面面積執(zhí)行積分運(yùn)算。當(dāng)模場形狀接近于軸對稱(也就是關(guān)于光纖縱向旋轉(zhuǎn)軸對稱)高斯函數(shù)(axisymmetricGaussianfunction)時，MFD將會是用于模式直徑的恰當(dāng)量度，并且可以表述為MF￡)=2IJi',(8)巡W其中r是徑向坐標(biāo)。當(dāng)模場形狀正好等于軸對稱高斯函數(shù)時，Aef產(chǎn)丌xMFD2/4。替換實(shí)施例在將纖芯錐形化而使參數(shù)V趨于一時，尤其是在V<0.9時，該纖芯會向模場提供較差的限制。由此，該模式可以顯現(xiàn)出提升的宏彎曲或微彎曲損耗?？梢允褂们‘?dāng)?shù)姆庋b處理來抑制這些效應(yīng)，其中該封裝處理將會確保錐形光纖保持筆直并且在所述封裝內(nèi)部是相對無應(yīng)力的。但是，在上迷關(guān)于模場失真和牢固性的問題成為問題之前，使用圖8所示策略的模場直徑擴(kuò)展會受到如下的限制(i)V<0.9時模場的非高斯分布形狀，以及(ii)V<0.9時開始出現(xiàn)的物理封裝的彎曲損耗或靈敏性。由于這些效應(yīng)是因?yàn)槔w芯無法適當(dāng)限制模式而發(fā)生的，因此可以添加輔助波導(dǎo)來有效捕捉該模式。該輔助波導(dǎo)允許進(jìn)一步擴(kuò)展模場。如圖9所示，本發(fā)明在光纖卯的基座設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)這個概念(作為一個實(shí)際問題，這種設(shè)計(jì)可以通過形成降低折射率、圍繞在更高折射率周圍的外包層，內(nèi)包層并且由此將內(nèi)包層變換成基座來實(shí)現(xiàn))。在光纖卯的非錐形部分(例如與圖5B的部分59相似，但是未必是分立的)，直徑為Di的纖芯92.1被直徑為D2的基座92.2所包圍。該基座92.2的折射率介于纖芯92.1與包層93的折射率之間；也就是說，該基座的折射率是低于纖芯折射率Am并高于包層折射率An2。在光纖的錐形部分(例如圖5B的部分57)，基座具有最終直徑D2/TDR。在非錐形部分，信號在光纖纖芯92.1中被引導(dǎo)。在具有很小的纖芯參數(shù)V的錐形部分中，信號將會離開纖芯92.1,并且將會為基座92.2所捕獲和引導(dǎo)。通過仔細(xì)選擇參數(shù)DpD2、Aih和Aih，和獲知TDR，可以很容易對光纖進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使TFB中的信號光在離開光纖時被恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整大小。表I描述了這種光纖(在錐形化之前)的例示設(shè)計(jì)表I<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>表I中的光纖的非錐形部分會在其MFD6.9nm的單模纖芯92.1中引導(dǎo)1000nm信號光。但是，同一光纖的錐形部分(TDR2.7)將會引導(dǎo)MFD12nm的高斯分布基模形狀。此外，這種錐形，光纖的基模與具有15nmMFD的高斯分布模式之間的預(yù)期耦合損耗小于O.ldB，這在很多應(yīng)用中都是可以接受的。由此，對模式大小調(diào)整區(qū)段57包含具有這種設(shè)計(jì)的錐形光纖的TFB50(圖5)來說，該TFB50會將實(shí)際是高斯分布的6.9nmMFD單模輸入信號轉(zhuǎn)換成與LMA15nm直徑的高斯分布模式相兼容的輸出信號。一般來說，這種光纖可以被認(rèn)為具有纖芯加基座設(shè)計(jì)?；c包層的折射率對比值A(chǔ)ih通常是0.00125或更大(NA>0.06)。此外，初始非錐形光纖中的基座直徑D2通常會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于(例如至少3倍)由纖芯引導(dǎo)的模式的MFD。作為例證，D2>18jim。此外，D2通常足夠大，以使錐形光纖基模的有效面積是非錐形光纖基模有效面積的2.3倍以上。對波長范圍10001600nm來說，這意味著D2至少是40nm。通過選擇纖芯直徑Di以及纖芯與基座的折射率對比值A(chǔ)m，可以使通過使用這些數(shù)值計(jì)算得到的纖芯相對于基座(在輸入端，例如在圖5B的53.3)的參數(shù)V介于大約1.8與2.4之間，由此確保非錐形纖芯傳播的是具有基本為高斯分布形狀的單模。所述錐度比(taperratio)至少被選定為2.0，以便確保錐形化處理極大減小了纖芯的參數(shù)V(在輸出端，例如圖5B的53.2);也就是iJL錐形纖芯的參數(shù)V將會近似小于1.3，并且優(yōu)選近似小于l.O。當(dāng)錐形纖芯的參數(shù)V近似小于1.0時，纖芯僅僅對該模式進(jìn)行非常弱的引導(dǎo)，而基座則會對其進(jìn)行強(qiáng)的引導(dǎo)。雖然該模式將會由錐形基座引導(dǎo)，但是纖芯會通過將光吸引到中心而使模場形狀變形。當(dāng)錐形纖芯的參數(shù)V遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1.0(也就是0.9或更低)時，錐形纖芯對錐形光纖基模形狀的影響將會減至最小。在纖芯加基座的設(shè)計(jì)中，在錐形化處理之后，該模式會在纖芯92.1所引入的輕微失真的情況下由基座92.2來進(jìn)行引導(dǎo)。雖然模場形狀將會因?yàn)橄鄬^大的基座直徑而偏離高斯分布(也就是說，它是非高斯分布)，但是它會在具有或不具有纖芯特征的情況下很好地與具有相似纖芯直徑的光纖相耦合。這種設(shè)計(jì)特征非常重要，因?yàn)樗峁┝藢FB輸出的模形狀與尾纖58(圖5B)或是GPF自身(在圖5中并未顯示)的模形狀相耦合的可能性。作為一個用于產(chǎn)生非高斯分布輸出的設(shè)計(jì)示例，圖10顯示了經(jīng)過修改的纖芯加基座光纖100的折射率分布，其中處于基座102.2邊緣的折射率增加的環(huán)會從中心線釆集光能。由此，所述環(huán)102,3會使徑向強(qiáng)度分布變平，降低中心線上的強(qiáng)度，并且增大有效模面積(modearea)。這樣一來，光纖100的模場形狀將會模擬GPF或是其尾纖58(圖5B)的模場形狀。而中心特征(纖芯102.1)的輕微干擾則不可能顯著改變模場重疊，這是因?yàn)樵摾w芯被設(shè)計(jì)成在錐形化之后具有很小的參數(shù)V。在本發(fā)明這個實(shí)施例中，TFB會在直徑逐漸變小的時候執(zhí)行如下兩個新的功能(i)它會擴(kuò)展模場直徑，以及(ii)它會修改模場的形狀，以便與期望的(例如非高斯分布)的輸出分布相匹配。纖芯102.1(、基座102.2(An2)和環(huán)102.3(An3)的折射率對比值大小以及環(huán)的厚度(t3)全都取決于所耦合的光纖的參數(shù)(例如分別取決于圖3、4、5中的光纖38，48，58)。由此，雖然在圖10中將纖芯的Aiu描述成大于基座的An2，但是在實(shí)踐中，An2在大小上是可以與Ai^相比甚至是可以大于Ani的。另一方面，相對于Aih和Alh來說，由于甚至很小的All3就會對模場形狀產(chǎn)生顯著影響，因此，環(huán)的Aii3應(yīng)該相對較小。最后，同樣是根據(jù)所耦合的光纖，環(huán)102.3的厚度t3可以相對較薄或較厚。應(yīng)該理解的是，上述方案僅僅例證了眾多可行的具體實(shí)施例，這些實(shí)施例可被設(shè)計(jì)，以便表明本發(fā)明原理的應(yīng)用。才艮據(jù)這些原理，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下設(shè)計(jì)出多種不同的其他方案。在實(shí)踐中，對典型的高功率應(yīng)用來說，信號光是以短持續(xù)時間和高能量脈沖的形式產(chǎn)生的。作為例證，這種脈沖的峰值功率大于數(shù)十千瓦，并且通常大于數(shù)百千瓦。在本論述中，針對波長所做的參考旨在表示特定光發(fā)射的中心波長，由此應(yīng)該理解，所有這些發(fā)射都具有特有的線寬，并且這其中包括中心波長以上和以下的公知波長范圍。此外，對于單一橫模中的光傳播所作的參考旨在包含基本處于單模中的傳播；也就是說，從實(shí)踐的意義上講，完全抑制所有其他模式并未不總是可能。但是，所述單模并不意味著所述其他模式的強(qiáng)度很小或是不顯著。當(dāng)本發(fā)明參考GPF時，參考指的是摻雜諸如Er、Yb或是這二者之類的生成增益的物種的光纖。但是，其他的生成增益的物種既可以用于取代Er和/或Yb,也可以與這二者相結(jié)合，以便實(shí)現(xiàn)光放大/激光發(fā)射方案，這其中包括其他的稀土元素(例如Nd、Tm、Ho等等)或鉻(Cr)。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到，對處于組合器件中的熔接接頭，例如處于圖3中的位置33.1和33.2或是圖4中的位置43.1和43.2的熔接接頭來說，在這些熔接接頭可以應(yīng)用用于減小熔接接頭損耗的公知技術(shù)。例如，眾所周知，在熔接過程之前、之中或之后的持續(xù)時間相對較長的加熱步驟會在熔接接頭的位置處引起摻雜到物種的擴(kuò)散，并且可能減小光耦合損耗。相關(guān)內(nèi)容可以參見A.D.Yablon，"OpticalFiberFusionSplicing，，，Springer,NewYork(2005)，該文獻(xiàn)在這里引入作為參考。此外，光纖還可以局部加熱，以便引起局部降低光纖M2的摻雜劑擴(kuò)散(其中由于纖芯內(nèi)部的橫向折射率分布基本一致，因此在M2非常接近于1.0時，基本橫模的光場非常接近于高斯分布形狀)。將光纖加熱到滿足需要的溫度(例如接近或高于大約2000°C的熔接溫度)的處理引起充分?jǐn)U散改變折射率的摻雜劑，由此導(dǎo)致在光纖的橫向折射率分布方面引起顯著變化。這種摻雜劑擴(kuò)散被用于抑制中心下降(centerdip)、隆起或是其他那些增加基本LP(n模式的M2的折射率分布特征。對基本的橫向LPcn模式來說，在某些情況下，其MFD實(shí)際將會減小后續(xù)通過加熱所引起的擴(kuò)散。相關(guān)內(nèi)容參見R.S.Windeler和A.D.Yablon于2006年12月5日提交的共同未決的專利申請11/633,999。舉例來說，該方法可以用于改進(jìn)與GPF39、49(分別是圖3，4)或是GPF尾纖38、48、58(分別是圖3、4、5)的耦合。最終，在實(shí)際的光纖中，折射率分布并不是一個理想化的階躍，相反，它會因?yàn)橹圃爝^程而顯現(xiàn)橫向的非一致性。這種橫向的非一致性有可能包括中心下降、波動或是折射率分布的舍入(rounding-off)。作為替換，正如在本領(lǐng)域中公知的那樣，橫向的非一致性可以被故意引入到光纖的折射率分布中，其中舉例來說，這種處理與在纖芯折射率分布的分級或峰化處理中一樣。當(dāng)實(shí)際折射率分布并非由離散的均勻階躍表征時，在等式(6)中出現(xiàn)的參數(shù)V的定義是不能直接應(yīng)用的。在這種情況下，一種可接受的實(shí)踐是使用等價的階躍折射率(ESI)分布，以便量化波導(dǎo)的參數(shù)V。用于為非階躍折射率光纖分布確定ESI的方法在若干份文獻(xiàn)中均有論述，包括L.B.Jeunhomme,"Single-ModeFiberOptics:PrinciplesandApplications,"2ndEd"Dekker，NewYork(1990)以及J.A.Buck,"FundamentalsofOpticalFibers,"2ndEd.，Wiley-Interscience,NewJersey,(2004)，這兩份文獻(xiàn)在這里全都引入作為參考。權(quán)利要求1.一種光纖設(shè)備，包括第一光纖，被配置成沿著縱軸傳播預(yù)定橫模中的信號光，所述第一光纖具有纖芯和包層，所述第一光纖被配置成在第一輸入/輸出端口附近具有第一有效模場面積和第一纖芯參數(shù)V，以及在第二輸入/輸出端口附近具有第二有效模場面積和第二纖芯參數(shù)V，所述第二模場面積大于所述第一模場面積，并且所述第二參數(shù)V小于所述第一參數(shù)V。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一光纖的軸向截面沿縱向呈錐形。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一光纖包括具有纖芯區(qū)域和包層區(qū)域的縱向區(qū)段，其中所述纖芯區(qū)域與包層區(qū)域的截面面積的比值沿著所述區(qū)段縱向改變。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括與所述第二端口相耦合的第二光纖，所述第二光纖包括生成增益的部分。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述生成增益的部分鄰接所述第二端口。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述第二光纖包括插入在所述第二端口與所述生成增益的部分之間的不生成增益的部分。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述第二光纖的有效模場面積近似等于所述第一光纖的所述第二有效模場面積。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，還包括多個成束的錐形第三光纖，這些光纖被配置成傳播泵浦光，所述多個光纖在所述第一光纖周圍形成束并且被配置成將所述泵浦光耦合到所述第二光纖中，所述第一光纖被配置成傳播要由所述生成增益的部分放大的信號光。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第二參數(shù)V近似小于(1.3。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述笫二參數(shù)V近似小于1.0。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一參數(shù)V近似大于1.8。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述第一光纖包括插入在所述纖芯區(qū)域與所述包層區(qū)域之間的基座區(qū)域，所述基座區(qū)域的折射率介于所述纖芯區(qū)域和所述包層區(qū)域的折射率之間。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述第二參數(shù)V是纖芯-基座參數(shù)V，并且近似小于0.9。14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述第一光纖被配置成在所述輸入/輸出端口之一產(chǎn)生所述信號光的非高斯模場。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，還包括插入在所迷基座區(qū)域與所述包層區(qū)域之間的折射率增加的環(huán)，所述環(huán)的折射率大于所述基座區(qū)域的折射率。16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括光學(xué)放大器。17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括激光器。18.—種全光纖模場大小調(diào)整器，包括第一光纖，被配置成沿著縱軸傳播預(yù)定橫模中的光，所述第一光纖具有錐形纖芯和錐形包層，所述第一光纖被配置成在第一輸入/輸出端口附近具有第一有效模場面積和第一纖芯參數(shù)V，以及在第二輸入/輸出端口附近具有第二有效模場面積和第二纖芯參數(shù)V，所述第二模場面積大于所述第一模場面積，并且所述第二參數(shù)V小于所述第一參數(shù)V，所述第二參數(shù)V近似小于1.3，所述第一參數(shù)V近似大于1.8，以及與所述第二端口相耦合的第二光纖，所述第二光纖包括生成增益的部分。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的大小調(diào)整器，其中所迷第二參數(shù)V近似小于1.0。20.—種光纖耦合器，包括多個成束的多模錐形泵浦光纖，所述光纖被配置成傳播泵浦光，所述多個光纖在信號光纖周圍形成束并且被配置成將所述泵浦光耦合到包含生成增益的部分的輸出光纖中，所述信號光纖具有被配置成傳播要由所述生成增益的部分放大的信號光的區(qū)段，所述信號光纖的區(qū)段被配置成在第一輸入/輸出端口附近具有第一有效模場面積和第一纖芯參數(shù)V，以及在第二輸入/輸出端口附近具有第二有效模場面積和第二纖芯參數(shù)V，所述第二模場面積大于所述第一模場面積，并且所述第二參數(shù)V小于所述第一參數(shù)V，所述第一端口與所述信號光纖相耦合，并且所述第二端口與所述輸出光纖相耦合。21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的耦合器，其中所述第二參數(shù)V近似小于1.3。22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的耦合器，其中所述第二參數(shù)V近似小于1.0。23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的耦合器，其中所述第一參數(shù)V近似大于1.8。全文摘要本發(fā)明涉及光纖中的模場大小調(diào)整。一種全光纖模場大小調(diào)整器，包括第一光纖，該第一光纖被配置成沿著從第一輸入/輸出(I/O)端口到第二I/O端口的縱軸傳播預(yù)定橫模中的信號光。該第一光纖被配置成在第一I/O端口附近具有第一有效模場面積和第一纖芯參數(shù)V，并且在第二I/O端口附近具有第二有效模場面積和第二纖芯參數(shù)V。該第二有效模場面積大于第一有效模場面積，并且第二參數(shù)V小于第一參數(shù)V。在一個實(shí)施例中，第二參數(shù)V近似小于1.3，并且優(yōu)選小于1.0。在另一個實(shí)施例中，第一參數(shù)V近似大于1.8。在再一個實(shí)施例中，本發(fā)明的模場大小調(diào)整器被結(jié)合到錐形光纖束中。文檔編號G02B6/26GK101299081SQ20081009173公開日2008年11月5日申請日期2008年4月14日優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日發(fā)明者A·D·亞布隆,C·海德雷,D·J·迪喬瓦尼申請人:古河電子北美公司