增大包层吸收同时保持单模操作的增益产生光纤制造技术

在芯区与内包层区之间设有沟槽区的光纤设计中，增大单模的增益产生光纤的包层吸收。在实现增大包层吸收的同时，保持单模操作。

【技术实现步骤摘要】
增大包层吸收同时保持单模操作的增益产生光纤相关申请的交叉参考本申请主张在2012年8月29日提交的临时申请号61/694，709，专利技术名称为“DOUBLE CLAD, GAIN PRODUCING FIBERS WITH INCREASED CLADDING AB S ORPTION WHILEMAINTAINING SINGLE MODE OPERATION”的优先权权益。此外，本申请同时以申请号N0.(T.F.Taunay12)且专利技术名称为 “D0UBLE-CLAD，GAIN-PRODUCING FIBERS WITH INCREASEDCLADDING AB S ORPTI ON WHILE MAINTAINING SINGLE-MODE OPERATI ON，，提交申请。
本专利技术涉及一种支持单信号模或少量信号模的增益产生光纤(GPF)，尤其涉及一种被设计成增大泵浦光的包层吸收，同时保持单信号模操作的GPF。
技术介绍
具有双包层光纤(DCF)设计的单模GPF通常应用于要求良好光束质量的高功率光纤激光器和放大器中。图7表不一种已知的DCF70,其包括芯区70.1,围绕芯区的内包层区70.3，以及围绕内包层区的外包层区70.4。主要由芯区和内包层区构成的波导，被设计成支持和引导信号光以单模、即优选以基模(LPtll)的方式传播。为了在适当泵浦时产生增益，向芯区掺入增益产生物质，通常根据将被放大的信号光或者待生成的激光的波长，掺入一种或多种稀土兀素(例如Er, Yb, Tm, Nd, Ho),或者一种或多种非稀土元素(例如Cr，Bi)。可选的，通过利用玻璃(例如，二氧化硅)光纤中的拉曼效应来生成增益。经由(通过)内包层区耦合(射入)芯区中的多模泵浦光，从内包层区和外包层区之间的界面70.5反射，并且随着其沿光纤轴向下传播，泵浦光横穿过芯区，并被芯区中的特定杂质(例如增益产生物质)吸收。在此情形中，信号光在(主要)沿着光纤芯区向下传播的同时，被泵浦光能量放大。放大过程(即，能量从泵浦光转移到信号光)的效率，部分地由称作(泵浦光)包层吸收率的参数Odad)来表示aclad= ad[Ad/Aclad] (I)其中，a d为泵浦光在掺有增益产生物质的光纤部分(下面称作增益区域；例如，图7的芯区70.1)中的材料吸收率，Ad是增益区域的横截面面积，并且Adad为内包层区70.3以内的整个横截面面积(例如，对于具有圆形截面的内包层区而言为nDic;2/4)。而材料吸收率由CId = NdOd (2)定义，其中Nd为增益区域中增益产生物质的体积密度，σ d为在泵浦光波长下增益区域基质(例如晶体或玻璃)中杂质的吸收截面。增大泵浦光包层吸收是有益的。在光纤激光器和放大器中，对于给定的输出功率，泵浦光吸收增大表明增益增大，继而表明，在放大器中可以利用更短的光纤长度、在激光器中可以用更短的空腔谐振器长度获得所需输出功率。而更短的光纤长度会减小诸如受激拉曼散射(SRS)的非线性效应的发生，并且有利于改善光纤激光器的功率稳定性和长期可靠性。公式⑴和⑵看起来似乎建议可以通过简单地增大光纤的Nd、芯区70.1中的增益产生物质的浓度、或更具体来说掺杂区域Ad中的增益产生物质的浓度来增大包层吸收。然而，对于某些在商业上很重要的稀土物质(特别是Yb)，泵浦光诱发的光暗化会限制增益产生物质的浓度，从而限制了通过简单地增大浓度来获得包层吸收。另一种增大包层吸收的可选方法是简单地增大增益区域的面积；例如，增大芯区的直径。然而，当芯区的直径被增大到过大时，就会对光纤保持单信号模操作的能力造成不利影响；也就是说，允许高阶信号模(HOM)传播。HOM的激发造成功率不稳定，这是人们非常不期望的，并且有可能损坏光纤激光器或放大器的结构。这种对芯区尺寸的限制，还限制了传统DCF可获得的模场直径(MFD)，这也是不期望的。因而，在双包层GPF中需要在增大包层吸收的同时保持单模操作，并且无需增加增益区域内光纤的增益产生物质的浓度。还需要一种能支持大约16-20 μ m这样大的MFD的双包层GPF。另一方面，并非所有的GPF都是包层泵浦的DCF ;有些是通过其他可选的配置进行泵浦，诸如芯泵浦设计，也能利用本专利技术的原理，在增大包层吸收的同时保持单模操作。
技术实现思路
根据本专利技术一个方面，提供一种包层吸收增大且不必增大增益区域中增益产生物质浓度的GPF。这种设计能增大芯区的直径，同时保持MFD和单模操作。单模操作意味着光纤仅支持单信号模(最好是基模)或者少量信号模(最好是基模加上不超过大约1-4个Η0Μ)。最好光纤仅工作在基模下。因此，根据本专利技术一个实施例，该GPF包括:具有纵轴的芯区，和围绕该芯区的包层区。该芯区和包层区被配置成支持和引导基横模信号光(主要)在芯区中沿轴向传播。待放大的信号光(或待产生的激光)通常具有大约IOOOnm或以上的波长。该包层区包括围绕该芯区的沟槽区、围绕该沟槽区的内包层区以及围绕内包层区的外包层区。在一些实施例(例如DCF)中，该外包层区的折射率低于内包层区的折射率，内包层区的折射率介于外包层区与芯区之间，并且沟槽区的折射率低于内包层区的折射率。至少芯区包括至少一种增益产生物质，当向光纤施加适当的泵浦能量时，例如，当经由(通过)内包层区将多模泵浦光耦合(输入)芯区中时，能为信号光提供增益。将芯区和包层区配置成在芯区中主要引导基模，从而沟槽区与内包层区之间的折射率差的绝对值，小于芯区与内包层区之间的折射率差的绝对值。已经证实，对于大多数采用Yb掺杂芯区、Tm掺杂芯区的GPF设计，以及某些具有Er掺杂芯区的设计(特别是那些芯半径与MFD的比值小于大约0.6的设计)，这一条件是有效的。另一方面，在其他采用掺Er芯区的GPF实施例中，将芯区和包层区也配置成主要在芯区中引导基模，从而沟槽区与内包层区之间的折射率差的绝对值大于芯区与内包层区之间的折射率差的绝对值。在这些实施例中，芯半径与MFD的比值大于大约0.6。本专利技术一些实施例的计算结果证实实现了包层吸收增大(例如增大大约30% )的单模GPF设计。计算结果还表明对于给定的包层吸收，这种GPF设计的某些实施例减小了由于光暗化引起的光损耗。此外，其他计算结果表明这种GPF设计的某些实施例能工作在单模下，而不会发生弯曲损耗增大。根据本专利技术的另一方面，一种用于增大增益产生光纤的包层吸收的方法，包括如下步骤:(a)在芯区与内包层区之间形成沟槽区；(b)配置芯区、沟槽区和内包层区使得:(i)沟槽区的折射率小于内包层区的折射率，和(ii)沟槽区与内包层区之间的折射率差的绝对值小于芯区与内包层区之间的折射率差的绝对值；以及(c)配置芯区、沟槽区和内包层区，主要在芯区中支持和引导信号光的基模，另外可以将泵浦光耦合(输入)到芯区中。【附图说明】当结合所附附图来阅读【具体实施方式】时，能够对本专利技术的各个特征和优势获得更好的理解，其中:图1是根据本专利技术一个实施例的双包层GPF的示意性横截面；图2示意地表示图1的GPF的折射率分布；图3中的曲线30示出根据传统设计的阶跃折射率芯(SIC)光纤的折射率分布，曲线31是根据本专利技术一个实施例具有沟槽区的GPF的折射率分布(图3中所示的两个光纤都是双本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增益产生光纤，包括：具有纵轴的芯区，围绕所述芯区的包层区，所述芯区和包层区被配置成支持和引导基横模的信号光沿所述轴的方向传播，所述包层区包括围绕所述芯区的沟槽区、围绕所述沟槽区的内包层区和围绕所述内包层区的外包层区，所述内包层区的折射率低于所述芯区的折射率，所述沟槽区的折射率低于所述内包层区的折射率，至少所述芯区包括至少一种增益产生物质，当向所述光纤施加适当的泵浦能量时，为所述信号光nm提供增益，以及所述芯区和包层区被配置成使得基模主要在所述芯区中被引导，并且所述沟槽区与所述内包层区的折射率差Δntr的绝对值小于所述芯区与所述内包层区之间的折射率差Δncore的绝对值，从而与不具有所述沟槽区的相应的增益产生光纤相比，能同时增大所述芯区的直径和所述光纤的包层吸收，同时保持所述信号光的单模操作。

【技术特征摘要】
2012.08.29 US 61/694,709;2013.08.27 US 14/010,8251.一种增益产生光纤，包括: 具有纵轴的芯区， 围绕所述芯区的包层区，所述芯区和包层区被配置成支持和引导基横模的信号光沿所述轴的方向传播， 所述包层区包括围绕所述芯区的沟槽区、围绕所述沟槽区的内包层区和围绕所述内包层区的外包层区，所述内包层区的折射率低于所述芯区的折射率，所述沟槽区的折射率低于所述内包层区的折射率， 至少所述芯区包括至少一种增益产生物质，当向所述光纤施加适当的泵浦能量时，为所述信号光nm提供增益 ，以及 所述芯区和包层区被配置成使得基模主要在所述芯区中被引导，并且所述沟槽区与所述内包层区的折射率差Anta的绝对值小于所述芯区与所述内包层区之间的折射率差八11。_的绝对值，从而与不具有所述沟槽区的相应的增益产生光纤相比，能同时增大所述芯区的直径和所述光纤的包层吸收，同时保持所述信号光的单模操作。2.如权利要求1所述的光纤，其中，所述增益产生物质为信号波长为大约1000nm或以上的所述信号光提供增益。3.如权利要求1所述的光纤，其中，至少所述芯区掺有Tm，所述基模的特征在于模场直径(MFD)为大约8-20μπι，所述芯区和包层区被配置成使得与不具有所述沟槽区的所述相应的增益产生光纤相比，所述包层吸收增大大约41-53%。4.如权利要求3所述的光纤，其中，所述芯区的半径为大约3.5-11.0 μ m，所述芯区的折射率差异为大约2.3-16.0 X 10_3，所述沟槽区的折射率差异为大约-1.0 X 10_3到-7.0X 10_3，并且所述沟槽区的最小宽度为大约3.0-6.0 μ m。5.如权利要求1所述的光纤，其中，所述沟槽区的至少一部分还包括至少一种增益产生物质。6.如权利要求1所述的光纤，其中，所述增益产生光纤包括双包层光纤，并且其中所述芯区、沟槽区和内包层区包括二氧化硅，并且所述外包层区选自低折射率聚合物、向下掺杂的二氧化硅和空气包层结构组成的组。7.如权利要求1所述的光纤，其中，所述芯区、沟槽区和内包层区被配置成使得与不具有所述沟槽区但具有类似MFD的光纤相比，所述光纤的包层吸收(Cicdad)增加至少大约30%，其中adad= a d(Ad/Aclad), a d为所述光纤的包括增益产生物质的区域的吸收系数，Ad为所述光纤的包括增益产生物质的区域的横截面面积，并且Adad为包含在所述外包层内的所述光纤的总横截面面积。8.如权利要求1所述的光纤，其中，所述芯区和包层区被配置成仅支持和引导所述信号光的所述基模。9.如权利要求1所述的光纤，其中，所述芯区和包层区被配置成支持和引导所述信号光的所述基模以及不超过大约1-4个模。10.如权利要求1所述的光纤，其中，所述增益产生光纤包括双包层光纤，并且其中由多模泵浦光源提供所述泵浦能量，并且所述芯区和包层区被配置成，使所述泵浦光能通过所述内包层区耦合到所述芯区中。11.如权利要求1所述的光纤，其中，至少所述芯区掺有Er，所述基模的特征在于模场直径(MFD)为大约9-20 μ m，所述芯区和包层区被配置成使得与不具有所述沟槽区的所述相应的增益产生光纤相比，所述包层吸收增大大约76-98%，并且所述芯区的半径与所述MFD的比值小于大约0.6。12.如权利要求11所述的光纤，其中，所述芯区的半径为大约4.3-11.8 μ m，所述芯区的折射率差异为大约1.0-4.5X 10_3，所述沟槽区的折射率差异为大约-1.0X 10_3到-4.0X 10_3，并且所述沟槽区的最小宽度为大约2.0-5.0ym013.如权利要求1所述的光纤，其中，至少所述芯区掺有Er，所述基模的特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒂里·F·陶内伊，
申请(专利权)人：OFS飞泰尔公司，
类型：发明
国别省市：美国;US