本发明专利技术涉及一种具有减小的受激布里渊散射的大模场面积光纤放大器。适用于高功率应用的大模场面积光纤放大器包括纤芯区域，所述纤芯区域配置来允许高功率操作并限制产生的ＳＢＳ量。所述纤芯区域的成分选择来在选定区域具有掺杂物（如铝），以减小纤芯的声学折射率并限制声场与光场之间的空间重叠。所述声学折射率同样构造来使声场从中心纤芯区域折射出去。在一个实施例中，所述纤芯可以包括低折射率的中心部分和环绕的环状纤芯区域，其中，所述中心部分包括掺杂的铝，而环状部分形成来对于操作波长有小于声子的衰变长度的直径。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用于光纤;改大器的大模场面积(Large Mode Area, LMA)光纤， 特别涉及，在光学纤芯部分中包括具有结构化声学折射率属性的选定区域的大 模场面积光纤，该光学纤芯部分设计成将声能从光模(optical mode)所占据 的区域排除或折射，从而减小受激布里渊散射(SBS)。
技术介绍
具有光纤放大器的激光系统通常使用在多种应用中，包括电通信应用以及 高功率军事及工业纤维光学应用。在操作中，来自激光源的传播光学信号被引入到一段光纤的纤芯区域，并通过使用光学"泵浦"信号进行放大。所述泵浦 信号具有预设波长，其将与包含于光纤放大器的纤芯区域中的特定掺杂物(典 型的是稀土材料，如铒、镱等)相互作用从而将传播光学信号放大。然而，作为产生了不期望的受激布里渊散射(SBS)的结果，高功率光纤 放大器常常受到在功率上的限制。也就是，在光纤的纤芯中，由热产生的声波 使强的光信号背向散射(即，热布里渊散射)。这个背向散射光被从入射光向 下频移一个布里渊偏移频率QB(rad/sec)(斯托克斯散射)，所述布里渊偏移频 率QB(rad/sec)是由光波波长、纤芯折射率及纤芯中的声速所确定的。所述经斯 托克频移的背向传播光与原始正向传播信号光相结合，从而在光纤纤芯中产生 4亍进周期强度图案(traveling periodic intensity pattern)。由于电致伸缩效应， 所述强度图案引起了光纤密度的行进周期调制，所述电致伸缩效应是指在存在 强的光学强度的情况下压缩材料的趋向，从而生成了正向传播的、电致伸缩后 产生的声波，此声波类似于引起原始光散射事件的声波并且具有与引起原始光 散射事件的声波相同的声速。所述调制增强了由原始热布里渊散射事件引发的 散射作用，因而在光纤中产生"受激布里渊散射"或SBS。所述增强是通过两 种不同机制产生的(1 )电致伸缩后产生的声波在相同的波矢和频率下生成附 加散射，以及(2)电致伸缩后产生的压力会机械地驱动已产生原始热布里渊散射的声学声子。SBS能量在背向方向行进，并且与纤维的声学速度和折射率 二者成比例地频移。在一个典型的布置中，在光学波长为1083nm处，信号光 向下频移约15GHz。SBS的阈值条件可以#1写成<formula>formula see original document page 5</formula>其中，4#是光纤的有效模场面积、gB是布里渊增益系数、L是光纤的长 度、BW是信号的带宽以及B『s,。2是硅光纤的布里渊带宽。在极端的情况下，背向反射SBS能量会从信号抢夺功率并钳制输出功率。 对于高功率稀土纤维放大器，纤芯区域的稀土材料会进一步放大背向反射光，从而引起极高强度的背向传播脉冲，该脉沖将损坏光纤或其他上游光学元件。 因此提高光纤放大器的性能需要降低SBS。一种减少SBS的攻击的技术是增加光学模场的面积。如上面所述，由于 光学强度随着面积增加而减小，因此SBS功率阈值Pth与有效的模场面积々成 正比。所以，很多为高功率放大器生产专业光纤的制造商制造具有大纤芯直径 (例如在15-30 iam级别上)的光纤。然而，增加纤芯直径超过25 p m会增加 带宽损失及模式耦合，从而降低传播的光学信号的质量。另外一种提高SBS阈值的方法是改变光纤纤芯中的声场分布。在典型的 小模场面积(Small Mode Area，SMA)光纤中，纤芯材料的声速小于环绕其的 包层的声速，因此，声学折射率在纤芯区域较高，从而使声模(acoustic mode) 像光模一样被纤芯引导。这样形成的光场与声场之间高的空间重叠增强了不期 望的相互作用，并且导致通过热布里渊散射对SBS作用产生极大促进。而且， 在光模所占据的中心纤芯区域产生的、电致伸缩后产生的声场^f皮声学波导所引 导，从而进一步增强SBS的产生。已经被发现的是，通过改变纤芯及包层的成分使纤芯的声学速度大于包层 的声学速度，可以将声模从光模占据的中心纤芯区域中排除。这种对于声模的 排除，可以减小引发SBS作用的布里渊散射。另外，任何在中心纤芯区域产 生的声场都会采样纤芯-包层界面，并折射出反引导结构。图l是描述用于常规小模场面积(SMA)光纤的特定布置的现有技术，其示出了光纤IO的折射 率属性，其中，光纤10具有选定的成分，从而使纤芯12的声学速度大于包层 14的声学速度。图1中示出了光学和声学折射率属性。声学折射率属性将热 声子从光学纤芯区域排除，并且反引导结构使声学能量辐射出纤芯区域，如图 l中箭头"A"所示。作为结果，SBS阈值会提高到大于两倍。图2特别描述了图1的SMA光纤中的SBS后生成的声波的折射。如上所 述，光学引导的声波由电致伸缩效应产生并且以平面波P和孔径A表示。直 径D被选为约等于(高斯光模的)声学强度分布的1/e的圓形孔径的存在，使 得声波在传播超出了孔径时衍射。所述到孔径的距离为L处的衍射的本性是 由菲涅耳数(Fresnel number)确定的，并且由于在光纤的玻璃材料中的声能 到热能的转换，声学声波会显示有限的寿命。在已知的声子衰变长度Lph (38 fim)处求得的菲涅耳数的值为0.32 (因此，小于1 )。由于具有小于1的值， 因此声波以图2所示的方式经历了远场衍射(Fraunhofer)。如图所示，声学强 度分布从孔径的附近开始，覆盖实质上与纤芯直径相等的区域。随着声波在其 寿命存续期间传播，声波扩散(衍射)并对纤芯-包层界面和超出纤芯-包层界 面的内包层区域取样。因此，为了抑制SMA光纤中的SBS的攻击而设计的声 学折射率结构，必须位于光纤被声波取样的区域中，在这种情况下如图2中的 阴影框所示。然而，在大模场面积(LMA)光纤中，光场很好地存在于纤芯区域中， 如图3所示。LMA光纤11表示成包括相对较大直径的纤芯区域13和围绕纤 芯的折射率降低的包层区域15。如图所示，由于到纤芯-包层界面17的距离超出了声子的衰变长度Lph,因此衍射声波射线(由箭头"B"表示)会保持在 纤芯区域13中，并且不能对LMA光纤的纤芯-包层界面17取样。图4示出了在图3的LMA光纤中的SBS后产生的声波的声学衍射。通常， LMA光纤的纤芯直径(CD )大于其模场直径(MFD )，其中假设CD=1.4*MFD。 如图2所示，图4的LMA光纤中的SBS声波是由平面波P-L和孔径直径为D 的孔径A-L表示的。对于这种布置，求得的菲涅耳数是3.6 (大于1)，并且在 这种情况下对应于近场(菲涅耳)衍射。因此，声能存在于由用于声波寿命的 孔径半径所确定的半径中。参照图4，相比于与图2中示出SMA光纤有关的扩散，光纤声波在纤芯中连续传播而一点不会扩散进入纤芯-包层界面。总体来讲，现有的各种布置无法同时提供大的光学模场和有效的反引导声学结构。因此，现有技术需要一种配置方式，能够使LMA光纤中存在的SBS减小，并且无需牺牲LMA光纤本身的高功率性能。
技术实现思路
本专利技术立足于现有技术仍然存在的与光纤放大器相关的需求，更具体地 说，关于大模场面积(LMA)光纤放大器，该大模场面积光纤放大器包括在 纤芯区域中的具有声学折射率的特殊结构区域，从而减小受激布里渊散射 (SBS 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种光纤，包括： 纤芯区域，具有至少１０μｍ的直径；以及 包层，设置成环绕纤芯区域，其中，所述纤芯区域在预定区域中掺杂，从而产生声学折射率属性，所述声学折射率属性能够将热声子从光模所占据的区域排除并显示负透镜结构，所述负透镜结构 将声学电致伸缩后产生的波从所述光模所占据的区域折射出去并且减小光子与声子相互作用的时间和／或长度。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：大卫J迪乔瓦尼，马克D默梅尔斯坦，
申请(专利权)人：OFS飞泰尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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