專利名稱：多模光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多模(MM)光纖，其幾何配置可實現(xiàn)實質(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。已知技術(shù) 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(HOM)但配置成可防止這些HOM的激發(fā)和放大的MM有源光纖。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)生相對高的光學(xué)非線性閾值的最有效的切實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MM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到的。首先，纖芯直徑的增大導(dǎo)致HOM數(shù)增多，而HOM易被激發(fā)，這可能會不利地影響輸出光束的品質(zhì)。其次，制造具有真正極低An的高品質(zhì)光纖是非常具有挑戰(zhàn)性的。第三，這種光纖對彎曲載荷是敏感的。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HOM(如LP 11)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MM光纖的輸入端或者是模耦合的結(jié)果。然而，中心摻雜區(qū)促進在MM光纖的輸入端具有零方位角編號的中心對稱HOM(如LP02)的激發(fā)。如同任何其它的激發(fā)H0M，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。因此，需要被構(gòu)造成具有這樣的軸向截面的MM光纖，所述軸向截面提供對實質(zhì)上只激發(fā)基模最有利的條件。還需要具有這樣的纖芯的MM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于非線性而言較高的閾值，其可使MM光纖輸出實質(zhì)上集中于基模的數(shù)十kW數(shù)量級的輻射。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)造成增益實質(zhì)上導(dǎo)引基模LPtll而不使之與中心對稱模(如LPtl2)耦合。進一步需要用上述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
—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。所公開的麗光纖放大器的每一特點解決相應(yīng)一種上面討論的已知現(xiàn)有技術(shù)的特性問題，并改進放大器的實質(zhì)上單模(SM)操作的特性。根據(jù)本發(fā)明的ー個方面，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光束由與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HOM激發(fā)的可能性很高。因此，這樣構(gòu)造纖芯的相對窄輸入瓶頸形端部，使得MFD和相應(yīng)的輸入SM及激發(fā)基模的形狀實質(zhì)匹配?？紤]到數(shù)十kW數(shù)量級的高功率，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)具有擴大的均勻直徑，因此能實現(xiàn)功率密度的減少，并從而提高非線性的閾值。 連接MM光纖放大器的相應(yīng)的相對端和中心區(qū)的相應(yīng)端部的轉(zhuǎn)換器區(qū)各自具有錐臺形截面。因此，轉(zhuǎn)換器區(qū)沿光路分別逐漸擴張并逐漸變窄。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HOM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光纖的形狀提供對這種模的保持和放大，以便在實質(zhì)上的基模中具有大功率的輸出。本發(fā)明進一歩的方面涉及除了具有雙瓶頸截面外還有助于得到對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，并因此能更進ー步地提高對非線性的閾值。在麗光纖的相對端的激發(fā)基模具有實質(zhì)上的高斯分布，所述實質(zhì)上的高斯分布分別對應(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的増加是通過所公開的具有折射率分布的光纖實現(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)提供下凹實現(xiàn)的。通過沿所公開的MM光纖的整個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的接合端均具有實質(zhì)上的高斯分布。下凹1的寬度沿MM光纖的擴張的輸入轉(zhuǎn)換區(qū)漸增并達到其最大尺寸,該最大尺寸對應(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，上面公開的有源匪光纖放大器使HOM在接合區(qū)的激發(fā)和放大的可能性降到最低。在本發(fā)明進ー步的方面中，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)造成提供對基模的顯著增益，但防止中心對稱模(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)的任何増益。然而，可構(gòu)造環(huán)形的摻雜劑分布，使之在基模的強度分布具有其峰值的纖芯區(qū)中提供顯著的増益，所述峰值位于中心纖芯區(qū)與周邊纖芯區(qū)之間。附圖
說明參考以下的描述、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，其中圖I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。 圖2示出圖I的麗光纖的折射率分布。圖3示出相應(yīng)的中心對稱模和基模沿所公開的MM光纖的端區(qū)的折射率及強度場分布。圖4示出相應(yīng)的中心對稱模和基模沿MM光纖的中心區(qū)的折射率及強度場分布。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。圖6示出具有折射率分布的圖I的MM光纖，其被構(gòu)造成具有能夠提供主要針對基模的增益導(dǎo)引的摻雜劑環(huán)分布。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。圖8A示出裝配了圖I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。圖8A示出沿圖I的麗光纖的中心區(qū)的側(cè)泵浦布置的一個實施例。圖8C示出沿圖I的麗光纖的中心區(qū)的側(cè)泵浦布置的另一實施例。圖9A和9B示出圖I的麗光纖的端泵浦技術(shù)。
具體實施方案現(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。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，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)造對纖芯輸入端處實質(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DI示出MM光纖10，其包括MM纖芯12和至少一個包層14。包層14可具有多種構(gòu)造，所示的一個僅僅是示例性截面。如果沿縱向軸A-A'觀察，則M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MM纖芯12具有若干區(qū)，包括相對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)和兩個錐臺形模轉(zhuǎn)換器39 (各自分別位于端區(qū)與中心區(qū)36、38之間)。端區(qū)36每個都實質(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)的實質(zhì)上的高斯場分布，所述高斯場分布具有實質(zhì)上匹配的MFD。類似地，將MM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。相應(yīng)基模及單模的實質(zhì)上匹配的MFD及分布可防止HOM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HOM不在輸入端區(qū)36被激發(fā)，則其不會沿光纖10被放大。否則如果HOM實質(zhì)上被放大到基模放大的程度，則后者會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制但沒有放大功能的無源光纖。中心放大器38的擴大的纖芯直徑能實現(xiàn)更好的功率處理特性，因為纖芯直徑的增大使功率密度減小，并因此提高了對非線性(如SRS)的閾值。然而，纖芯直徑増大通常伴有HOM激發(fā)的可能性増加，這種可能性是極不可取的。因此希望的是增大基模LPtll的MFD，這將提供對非線性的相對高的閾值，同時將HOM激發(fā)的可能性降到最低。如與圖I 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來實現(xiàn)MFD的増大。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HOM模的激發(fā)及其與基模LPtll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擴大了。構(gòu)造下凹18以將在輸入?yún)^(qū)36的激發(fā)基模的實質(zhì)上的高斯分布轉(zhuǎn)換成更大的環(huán)形分布，相比擴展的高斯分布來說，所述環(huán)形分布沿中心區(qū)38與更大的纖芯面積相重疊?；５腗FD越大，對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的相對端區(qū)36處尤其麻煩，因為在通常情況下，這些端區(qū)與相應(yīng)的SM輸入及傳輸光纖接
ム
ロ ο將SM光纖構(gòu)造成支持通常具有實質(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。在圖I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I λ至約5λ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)上只支持基摸。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)。圖4示出與基模LPOl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LPOl進入麗光纖10的中心區(qū)38之吋?；Ptll的環(huán)分布包括兩個能量峰(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?？梢酝ㄟ^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。還有另ー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。
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ニ氧化硅，但優(yōu)選的是，纖芯的主體材料包括磷酸鹽。后者是有利的，因為摻雜劑在磷酸鹽中的濃度可顯著地高于在ニ氧化硅中的濃度而不會產(chǎn)生簇(cluster)，而簇會導(dǎo)致波導(dǎo)的劣化。通常情況下，當(dāng)離子(如Yb)的濃度達到約1000-2000ppm時觀察到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約5000ppm及更高。
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，可以很容易地意識到圖3和4中所示公開的光纖的優(yōu)點圖5示出尺寸均勻的匪光纖100的折射率分布和強度分布。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光纖的熔合通常可能會導(dǎo)致相應(yīng)的HOM LP11和LPtl2的激發(fā)，在各種不同的HOM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，LP110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)大多致カ于防止或最大程度地減少此模的激發(fā)2。對包括LPtl2在內(nèi)的對稱中心模的激發(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。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< O. 5 μ m，及纖芯圓度> O. 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，非対稱模以及最為顯著的LP11?？赡懿辉诮雍蠀^(qū)中被激發(fā)，因此由于對稱原則之故不會在“理想”的MM光纖的輸入端區(qū)被激發(fā)。類似地，總的來說，熔合在一起時的無源“理想”光纖的特征也在于只是中心對稱高階模(如LPtl2)的激發(fā)?；氐綀D3中來，所公開的MM光纖10的構(gòu)造被認(rèn)為具有實質(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?？梢钥吹剑瑢嵸|(zhì)上只是中心高階模LPtl2連同基模LPtll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HOM的強度的進ー步増加，而且理想的是，還可使其強度有所減少。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LPtl2的峰強度降到最低。此外，基模LPtll的側(cè)翼部分抽取離開中心HOM LP02的側(cè)翼部分的泵浦功率的最大份額而幾乎沒有増益。然而要注意的是，下凹18的擴大不是沒有限制的，因為某種下凹幾何形狀會導(dǎo)致LPtl2的強度分布呈現(xiàn)出類似于基模LPtll中的環(huán)形狀。如果發(fā)生HOM LP02的這種轉(zhuǎn)換，則所公開的下凹18的構(gòu)造(其導(dǎo)致只是基模的有效面積増大，這轉(zhuǎn)而促使對非線性的閾值更高)不再能提供所公開的優(yōu)點。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LPtll的實質(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)計已集中于定制増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，其實質(zhì)上相當(dāng)于基模LPtll所獲得的増益，在MM光纖的輸出端導(dǎo)致基模中的能量損失。因此，纖芯12可以被構(gòu)造成具有不覆蓋整個纖芯面積的環(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)的放大對基模提供顯著的増益，而中心Η0Μ(如LPtl2)不獲得増益或所獲增益微不足道?，F(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HOM(如LPtl2)的強度峰保持在中心，與環(huán)形摻雜區(qū)16的存在與否無關(guān)。然而，這些峰沒獲得任何増益。因此，見于圖4中的LPtl2的峰不被放大，這相當(dāng)于這種模在麗光纖10的輸出端強度低。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也可進ー步提高基模的輸出功率?？梢园疵}沖及CW構(gòu)造裝配光纖10。因此，可以提高對其它非線性效應(yīng)(如自相位調(diào)制、4波混頻、SRS和SBS)的閾值。
圖7以圖解的方式示出示例的包括一個或多個增益模塊的高功率光纖激光器系統(tǒng)50。每個增益模塊50被構(gòu)造成具有所公開的在相對的端部36與相應(yīng)的SM無源光纖42熔合的MM有源光纖10。構(gòu)造相應(yīng)的無源光纖42的輸出和輸入?yún)^(qū)(它們每個耦合于光纖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MMlO不但將稱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。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)的相對端部36的外徑各為125 u m,中心部分或放大器38的外徑為約150-250 u m,且纖芯12在端部36的直徑為約18 u m。構(gòu)造具有約125 u 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。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具有實質(zhì)上相同的直徑，該直徑大于圖8A的輸入端的直徑。圖SC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的外徑實質(zhì)上比MM光纖10的外徑要小。圖SC中所示的構(gòu)造是特別有利的，因為相當(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)造包括進入端區(qū)36的耦合泵浦輻射，而圖SE示出泵浦中心區(qū)38的可能性，如共同待決申請No.中的討論。本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可以對本文中公開的激光器功率系統(tǒng)進行各種修改和變動。因此，本發(fā)明旨在涵蓋對本發(fā)明進行的修改和變動，條件是這些修改和變動處于所附權(quán)利要求及其等同表述的范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光纖，沿縱向光纖軸延伸且包括以光纖軸為中心的至少一個包層；和細(xì)長的多模MM纖芯，與所述一個包層同心并被所述一個包層環(huán)繞，所述MM纖芯被構(gòu)造成具有雙瓶頸形截面，以便提供實質(zhì)上只針對基模的激發(fā)和無失真導(dǎo)引。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光纖，其中所述MM的雙瓶頸形截面包括輸入模轉(zhuǎn)換器區(qū)和輸出模轉(zhuǎn)換器區(qū)，彼此軸向地隔開，并各自具有錐臺形狀的截面，使得所述轉(zhuǎn)換器區(qū)各自具有較小端和較大端；及尺寸均勻的中心區(qū)，橋接相應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換器區(qū)和輸出轉(zhuǎn)換器區(qū)的所述大端；尺寸均勻的輸入端區(qū)，延伸到所述輸入轉(zhuǎn)換器區(qū)的所述小端中，所述輸入端區(qū)被構(gòu)造成響應(yīng)于射入所述輸入端區(qū)的單模SM輸入光束而在所述輸入端區(qū)中實質(zhì)上僅激發(fā)基模，尺寸均勻的輸出端區(qū)，從所述輸出轉(zhuǎn)換器延伸，并從所述輸出轉(zhuǎn)換器接收所述基模，以便以實質(zhì)上基模輸出輻射。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖，其中所述輸入端區(qū)和輸出端區(qū)各自具有在約IX至約 5入之間變化的長度，其中\(zhòng)是給定的波長，在該波長下所述MM纖芯實質(zhì)上只支持所述基模。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖，其中所述MM纖芯被構(gòu)造成具有階躍折射率分布，所述階躍折射率分布具有位于中心的下凹，所述輸入端區(qū)中的SM輸入光束和所述基模具有相應(yīng)的實質(zhì)上的高斯強度分布，所述高斯強度分布的形狀具有實質(zhì)上彼此匹配的相應(yīng)的模場直徑MH)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖，其中所述下凹逐漸地沿所述輸入轉(zhuǎn)換器區(qū)擴大，以便將所述高斯分布轉(zhuǎn)換成耦合進入所述纖芯的中心區(qū)的所述基模的環(huán)分布，以及沿所述輸出轉(zhuǎn)換器區(qū)朝著所述纖芯的所述輸出端區(qū)變窄，以便將所述基模的所述環(huán)分布轉(zhuǎn)換成所述基模的所述的實質(zhì)上的高斯分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖，其中沿所述中心區(qū)延伸的所述下凹被構(gòu)造成具有均勻的寬度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖，其中所述基模的所述環(huán)分布的形狀具有與所述纖芯的階躍折射率的對稱軸等距離隔開的兩個功率峰區(qū)和以所述對稱軸為中心并橋接所述峰值功率區(qū)的谷。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖，其中所述纖芯被構(gòu)造成具有摻雜的環(huán)形區(qū)，所述摻雜的環(huán)形區(qū)與所述對稱軸隔開，并終止于與所述階躍折射率的周邊相隔一定距離處，所述摻雜區(qū)對所述基模的所述峰值功率區(qū)提供增益而不放大中心及周邊HOM。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光纖，其中所述MM纖芯被構(gòu)造成具有摻雜劑濃度區(qū)域或沒有所述摻雜劑濃度區(qū)域。
10.一種包括MM纖芯的光纖,所述MM纖芯在給定波長下能夠?qū)嵸|(zhì)上支持單一的基模， 所述纖芯被構(gòu)造成具有提供了下凹的折射率分布，所述下凹被構(gòu)造成在所述基模沿所述纖芯傳播時將所述基模的強度分布在高斯強度分布與環(huán)強度分布之間轉(zhuǎn)換。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光纖，其中所述下凹具有沿所述纖芯的長度變化的構(gòu)造。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光纖，其中所述纖芯被構(gòu)造成具有輸入端區(qū)，接收單模輸入并被構(gòu)造成支持響應(yīng)所接收到的SM輸入而激發(fā)的基模；輸出端區(qū)，與所述輸入端區(qū)隔開，并被構(gòu)造成分別以所述基模輸出輻射，輸入和輸出轉(zhuǎn)換器區(qū)，從相應(yīng)的輸入端區(qū)和輸出端區(qū)向內(nèi)延伸，所述轉(zhuǎn)換器區(qū)各自具有隔開的小直徑端和大直徑端，和中心區(qū)，在相應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換器區(qū)及輸出轉(zhuǎn)換器區(qū)的所述大直徑端之間延伸，其中所述端區(qū)、轉(zhuǎn)換器區(qū)和中心區(qū)被構(gòu)造成沿所述纖芯無失真地導(dǎo)引所述基模。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光纖，其中所述下凹具有在所述纖芯的所述輸入端區(qū)及輸出端區(qū)處的小寬度，沿所述中心區(qū)大于所述小寬度的大寬度，和沿相應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換器區(qū)及輸出轉(zhuǎn)換器區(qū)逐漸擴展和變窄的寬度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光纖，其中所述纖芯的所述輸入端區(qū)被構(gòu)造成使相應(yīng)的SM 輸入和基模的模場直徑實質(zhì)上彼此匹配。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光纖，其中所述下凹被構(gòu)造成使所述基模的強度環(huán)分布與所述纖芯的所述中心區(qū)的一定面積相重疊，所述一定面積大于所述中心區(qū)被高斯分布所覆蓋的面積。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光纖,其中所述纖芯具有摻雜劑濃度分布,所述摻雜劑濃度分布具有環(huán)形狀，所述環(huán)形狀被構(gòu)造成實質(zhì)上只對所述基模沿所述纖芯的所述中心區(qū)的所述強度環(huán)分布的峰值功率區(qū)提供增益。
17.一種高功率SM光纖激光器系統(tǒng)，包括具有麗纖芯的有源光纖，所述麗纖芯具有被構(gòu)造成實質(zhì)上只導(dǎo)引基模而不激發(fā)HOM 的雙瓶頸形截面，所述纖芯被構(gòu)造成接收具有實質(zhì)上的高斯形狀的所述基模，進一步使高斯模的形狀成為環(huán)形的基模以及回到高斯形狀；和具有SM纖芯的無源傳輸光纖，所述SM纖芯被構(gòu)造成具有尺寸均勻的窄輸入端區(qū)和錐臺形區(qū)，所述窄輸入端區(qū)接收來自所述有源光纖的具有所述實質(zhì)上的高斯形狀的所述基模，所述錐臺形區(qū)導(dǎo)引所述基模進入所述無源光纖的中心區(qū)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的高功率SM光纖激光器系統(tǒng)，其中所述MM纖芯被構(gòu)造成具有折射率分布，所述折射率分布具有中心下凹，所述下凹在所述有源光纖的所述MM纖芯的相對端區(qū)處實質(zhì)上比沿所述MM纖芯的中間區(qū)要小，以便能實現(xiàn)所述基模的形狀轉(zhuǎn)換。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的高功率SM光纖激光器系統(tǒng)，其中所述有源光纖的所述MM 纖芯的折射率具有環(huán)形摻雜劑分布，使得實質(zhì)上只有所述基模獲得增益。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的高功率SM光纖激光器系統(tǒng)，其中所述無源光纖進一步具有從所述無源光纖的所述中心區(qū)延伸的逐漸變窄區(qū)。
全文摘要
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質(zhì)上只支持基模，并具有相對的端區(qū)、從相應(yīng)的端區(qū)向內(nèi)延伸的錐臺形狀的轉(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)造成實質(zhì)上只是放大基模。
文檔編號G02B6/028GK102625919SQ201080036256
公開日2012年8月1日 申請日期2010年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月14日
發(fā)明者尼古拉·普拉特諾夫, 瓦倫丁·弗明, 瓦倫丁·蓋龐特瑟夫, 邁克爾·弗亞特金 申請人:Ipg光子公司