光纤的分段增益掺杂.pdf

本发明提供一种通过将增益材料或泵浦分布图与高阶模(HOM)信号的信号分布图相匹配而更有效地放大信号的方案。通过这样做，实现更有效的能量提取。

1.  一种光纤，包括：
具有第一折射率的芯；
位于所述芯的径向外部的内包层，所述内包层具有第二折射率，所述第二折射率小于所述第一折射率；
在预定位置处对内包层进行掺杂的增益掺杂剂，所述预定位置对应于高阶模(HOM)信号的强度分布图；以及
位于所述内包层径向外部的沟槽，所述沟槽具有第三折射率，所述第三折射率小于所述第二折射率。

2、  如权利要求1所述的光纤，所述芯是增益掺杂的。

3、  如权利要求1所述的光纤，所述增益掺杂剂包括稀土掺杂剂。

4、  如权利要求3所述的光纤，所述稀土掺杂剂包括铒。

5、  如权利要求3所述的光纤，所述稀土掺杂剂包括镱。

6、  一种光纤，包括：
芯；
位于所述芯的径向外部的内包层；以及
在预定位置处对内包层进行掺杂的增益掺杂剂，所述预定位置对应于高阶模(HOM)信号的强度分布图。

7、  如权利要求6所述的光纤，所述内包层为具有高数值孔径的波导。

8、  如权利要求6所述的光纤，还包括：
位于所述内包层的径向外部的沟槽，所述沟槽的折射率小于所述内包层的折射率。

9、  如权利要求8所述的光纤，所述沟槽包括空气。

10、  如权利要求8所述的光纤，所述沟槽包括硅石网。

11、  如权利要求8所述的光纤，所述沟槽包括低折射率聚合物。

12、  如权利要求6所述的光纤，所述强度分布图包括多个同心环。

13、  如权利要求6所述的光纤，所述增益掺杂剂包括稀土掺杂剂。

14、  如权利要求7所述的光纤，所述稀土掺杂剂包括铒。

15、  如权利要求7所述的光纤，所述稀土掺杂剂包括镱。

光纤的分段增益掺杂
相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年2月5日提交的，名为“Higher Order ModeAmplifiers(高阶模放大器)”的美国临时专利申请No.60/888114的优先权，所述美国临时专利申请通过引用而全部并入本文。
此外，下述美国专利申请通过引用而并入本文，如同它们全部在此陈述过一样：
(a)DiGiovanni等人于2006年11月30日提交的美国专利申请No.11/606718；
(b)Nicholson等人于2005年9月20日提交的美国专利申请No.11/230905；
(c)Ramachandran等人于2005年4月14日提交的美国专利申请No.11/105850；
(d)Ramachandran等人于2006年3月4日提交的美国专利申请No.11/367495；
(e)Fini等人于2006年7月14日提交的美国专利申请No.11/487258；
并且，同时提交的下述美国专利申请也通过引用而并入本文，如同它们全部在此陈述过一样：
(f)[案卷编号：FENA 001363]，Ramachandran和Yablon的名为“Preventing Dielectric Breakdown in Optical Fibers(防止光纤中的电介质击穿)”的申请；
(g)[案卷编号：FENA 001364]，DiGiovanni和Ramachandran的名为“Sequentially Increasing Effective Area in Higher-OrderMode(HOM)Signal Propagation(顺序增加高阶模(HOM)信号传播中的有效面积)”的申请；
(h)[案卷编号：FENA 001365]，Ramachandran的名为“Pumping in a Higher-Order Mode that is Different From a SignalMode(在与信号模不同的高阶模下泵浦)”的申请；以及
(i)[案卷编号：FENA 001367]，DiGiovanni和Ramachandran的名为“Selectively Pumping a Gain-Doped Region of a Higher-OrderMode Optical Fiber(选择性地泵浦高阶模光纤的增益掺杂区域)”的申请；以及
(j)[案卷编号：FENA 001368]，DiGiovanni和Headly的名为“Pumping in a Higher-Oder Mode that is Substantially Identical toa Signal Mode(在与信号模基本相同的高阶模下泵浦)”的申请。
技术领域
本发明一般涉及光纤，并且更具体地涉及光纤中的高阶模(“HOM”)信号传输。
背景技术
自从硅基光纤被用于高功率激光器和放大器，一直在努力增加通过光纤传输的信号的功率，并且提高信号放大期间的能量效率。
在传统的激光器泵浦中，能量从外部源传送至增益掺杂(gain-doped)光纤(或其它激光增益介质)。该被传送的能量在光纤中被吸收，从而在光纤内产生原子的激发态。在给定点，在一个激发态的粒子的数量超过了基态(或另一个较不激发的状态)粒子的数量。在这种条件下，已知为粒子数反转，可出现受激发射，并且光纤可用作激光器或光学放大器。因此，当信号被注入光纤时，泵浦能量从增益介质传送至被注入的信号，从而在被注入的信号沿光纤传播的同时放大被注入的信号。
已进行了努力以改变被注入的信号的分布图(profile)。然而，还没有广泛地研究的是构形泵浦的效果。
附图说明
参考下述附图，可更好地理解本发明的许多方面。附图中的元件不一定按规定比例，而是在清楚地示例本发明的原理的同时有重点地示出。此外，在附图中，相同的附图标记指示遍及几个视图中的相应的部件。
图1A是示出了用于将泵浦和信号都变换为高阶模(HOM)的示例设置的示意图；
图1B是示出了用于将泵浦和信号都变换为HOM的另一个示例设置的示意图；
图2A是示出了用于将泵浦和信号都变换为HOM的第三个示例设置的示意图；
图2B是示出了用于将泵浦和信号都变换为HOM的第四个示例设置的示意图；
图3是示出了光纤的示例折射率(index)分布图的图；
图4A是示出了光纤的横截面的近场图像的图；
图4B是示出了沿图4A中的光纤传输的示例信号的近场图像的图；
图5A是示出了光纤的折射率分布图和可沿光纤传输的对应的HOM信号的图；
图5B是示出了HOM信号的信号分布图和对应的光纤增益掺杂分布图的图；
图6A是示出了示例HOM信号的近场图像的图；
图6B是示出了对应于图6A的HOM信号的泵浦区域的图；
图7A是示出了示例HOM信号的近场图像的图；
图7B是示出了对应于图7A的HOM信号的泵浦区域的图。
具体实施方式
如图所示，现在详细参照对实施例的描述。尽管结合这些图描述了几个实施例，但其目的不是将本发明限制为此处公开的一个或多个实施例。相反，目的是覆盖所有的变形、修改和等同物。
如上所述，在传统的激光泵浦中，能量从外部源传送至增益掺杂光纤，从而在光纤内产生原子的激发态。当达到粒子数反转时，可出现受激发射，并且光纤可用作激光器或光学放大器。因此，当信号被注入光纤时，泵浦能量从增益介质被传送至注入的信号，从而在被注入的信号沿光纤传播的同时放大被注入的信号。
产生约1.5微米的波长的高功率信号的稀土掺杂放大器(例如，掺铒(Er)或镱(Yb)的放大器)通常是包层泵浦的，这是指泵浦被引入了没有增益掺杂的包层。包层中的泵浦光，通过各种已知的反射和折射机构，最终进入光纤的增益掺杂区域，从而在增益掺杂区域中产生粒子数反转。
不幸地，对于具有与没有增益掺杂的包层区域相比非常小的增益掺杂的横截面面积的光纤，泵浦吸收长度变大。吸收长度的增加导致了较低的激发级以及折衷的能量效率。
为了解决这个问题，需要泵浦芯部(或其它增益掺杂区域)，而不是包层，包层典型地不被增益掺杂。然而，可直接耦合至增益掺杂区域的适合的泵浦二极管不具有足够的功率。在本发明的一些实施例中，如此处的图1和2所示，使用级联拉曼共振器(CRR)来泵浦芯部(或其它增益掺杂区域)。应理解为本发明不限于CRR的使用。而是，可使用其它光纤激光器来泵浦光纤的增益掺杂区域。
图1A、1B、2A和2B也示出了通过适当地调整泵浦以与正在被放大的信号的空间强度分布图相匹配而进一步增加变换效率的各种方法。通过使泵浦的空间强度分布图与信号的空间强度分布图相匹配，实现了更有效的能量抽取。原因是：当泵浦能量没有被传送至信号时，导致了放大自发辐射(ASE)，如本领域中已知的，这是一种不想要的效应。
现在参照附图，图1A示出了用于将泵浦和信号都变换为高阶模(HOM)的示例结构。具体地讲，图1A示出了使用级联拉曼共振器(CRR)115作为泵浦源的实施例。泵浦与信号110在输入光纤160处多路复用，并且多路复用的光被发射(launch)至与输入光纤160相接合120的增益掺杂光纤155。因为CRR 115在发射端泵浦增益掺杂区域，而不是泵浦外包层(该层不是增益掺杂的)，所以与传统包层泵浦相比，该配置通过将泵浦光限制在出现了能量变换的增益掺杂区而提高了能量效率。
在图1A中，诸如长周期光栅(LPG)的模变换器135放置在沿增益光纤155的一定距离处，允许信号在变换为高阶模(HOM)信号之前在基模LP₀₁125中被放大。增益光纤155具有与图3所示的分布图相似的分布图。因为本领域技术人员熟悉这些折射率分布图，所以此处不详细讨论图3。可以说，在图1A的实施例中，芯部(d_core)和内包层(d_iclad)都是增益掺杂的，所以经过芯部和内包层的信号将被放大。
继续图1A，模变换器135可以被设计为具有变换效率的多个峰值，从而与泵浦波长和信号波长相适应。由于模变换器的高消光性，没有与模变换器135共振的光将通过变换器135而几乎没有衰减或失真。
尽管对于1480和在1500-1600之间(此处被示为15xx)的范围内的波长示出了峰值，应理解为模变换器135可以被设计为实际上适应于任何波长组合。因为可以用宽带操作设计和制造模变换器，特别是当在转向点(TAP)操作时，如果泵浦和信号波长在变换带宽内，则在光145继续沿增益光纤155传播的同时，信号和泵浦都将被变换为相同的HOM。
图7A和7B是分别示出了示例信号610和泵浦720的近场图像的图，所述示例信号610和泵浦720都已变换为HOM，使得泵浦720的强度分布图基本上与信号610的强度分布图重叠。尽管图7A和7B示出了HOM是LP₀₆模，应理解为泵浦和信号可以按照希望或需要变换为其它HOM。因为，如图7A和7B所示，LP₀₆泵浦720现在与LP₀₆信号610重叠，所以泵浦能量被更有效地变换，并且ASE来自“暗”区域的可能性较小。
在其它实施例中，可使用多个变换器来分别地变换泵浦和信号。并且，对于其它实施例，信号和泵浦不需要被变换为相同的HOM。而是信号可以被变换为一个HOM，而泵浦被变换为另一个HOM。图2A示出了一个实施例，其中使用两个单独的串联放置的模变换器将信号和泵浦变换为不同的HOM。
图2A所示的结构包括发射信号210的信号源205和用于泵浦的CRR 215。信号210和泵浦被多路复用至与增益掺杂光纤250相接合220的输入光纤255。与参照图1A描述的实施例相似，图2A的增益掺杂光纤具有增益掺杂芯部和增益掺杂内包层。
多路复用的LP₀₁光225沿光纤250经过一段距离，从而允许信号在基模LP₀₁中被放大。在一些点处，在通过泵浦而几乎没有或没有失真或衰减的同时，信号模变换器将信号变换为LP_0m模235。图6A和6B示出了其中m＝6的具体例子。一通过信号模变换器230，得到的LP₀₆信号看上去与图6A所示的信号相似，而通过信号模变换器230而没有变换的泵浦看上去与图6B所示的相似。
在通过信号模变换器230之后，HOM信号610和泵浦620通过泵浦模变换器240，所述泵浦模变换器240被具体配置为仅影响泵浦波长。同样地，HOM信号610通过泵浦模变换器而几乎没有或没有失真或衰减，同时LP₀₁泵浦被变换为HOM。现在包括HOM信号和HOM泵浦的被变换的光245继续沿增益光纤250传播。
尽管图2A示出了信号模变换器230和泵浦模变换器240沿增益光纤250串联设置，应理解为：如果模变换器由LPG或其它可比较的结构构成，则模变换器230、240可被写入增益光纤250的相同物理位置处。可供替换地，可重新设置模变换器的串联顺序而对设备的操作没有有害的影响。并且，如图2A的实施例所示，泵浦的HOM(n)不需要与信号的HOM(m)相同。
将信号和泵浦变换为不同的HOM(即，m≠n)是有原因的。例如，泵浦模变换器240可以是被构成为在光栅TAP附近的宽带变换器，以与泵浦波长或几个泵浦的波长复用的不确定性或漂移性相适应。信号模变换器230可以是窄带装置以过滤不想要的波长分量。对于该具体环境，可要求使泵浦模式(n)与信号模式(m)不同。
回到图1A的实施例中，为了提高模消光性，可通过有策略地在模变换器135之前放置可选择的HOM模消除器130来消除来自接合和散射的不想要的模。图1B示出了另一个没有HOM模消除器130的实施例。因为图1A的结构基本上与图1B的结构相似，区别是模消除器130，所以此处省略对任何重复条目的描述。
继续，图1A中示出的模消除器130可以被制造为短长度的其上的涂层被移除的光纤，并且该光纤逐渐变细或被蚀刻，以使得包层中的光被去掉。这样，只保留被中央芯部传导的光(所述光包括泵浦和信号)。换句话说，模消除器130移除(或去掉)系统中可能存在的各种不想要的HOM，并且模消除器130与模变换器135一起完成了所有滤波功能，除了相同模下的带内ASE。
例如，光可留在向后传播(或与信号反向)的任何数量的HOM中。ASE或HOM增益光纤155中出现的受激布里渊散射(SBS)或反射光可以导致这些不想要的HOM。这些向后传播的光将不与模变换器135共振并且保留在包层中，以便被模消除器130移除。
向前传播的HOM光可源自在模消除器130的信号侧的一段内或前的接合或散射。模消除器130也将移除该向前传播的HOM光。
此外，所需HOM中产生的、但对于模变换器135是带外的任何ASE也将不被变换为基模。这样，也可以移除该带外HOM。
并且，在HOM部分的LP₀₁基模中产生的向后传播的带内ASE将变换为LP₀₇，并且将由模消除器130移除。
简而言之，模消除器130将移除所有模，除了带内HOM和带外基模。然而，带内ASE典型地不是一个问题。带外基模也可以不是一个问题，因为泵浦分布图将显然地与信号的分布图相匹配。这样，光的许多有问题的部分将通过模消除器130移除，并且保持不受模消除器130影响的任何光都将可能是良性的。
根据图1A中的模消除器130的功能，可通过有策略地在模变换器230之前放置可选择的HOM模消除器130来在图2A的实施例中实现相似的改进。图2B示出了包括HOM模消除器130的这样的实施例。因为图2B的其余结构与图2A中的结构基本相似，此处省略对图2B中的其它相似元件的讨论。
因为CRR 115、215泵浦芯部(或其它直径较小的增益掺杂区域)，所以值得更详细地检查增益掺杂光纤的结构。图4A是示出了光纤的横截面的近场图像的图，而图4B是示出了沿图4A的光纤传输的示例信号的近场图像的图。
作为背景，包括HOM放大器的传统双包层放大器被包层泵浦。这些包层泵浦放大器包括传导信号的区域(典型地为增益掺杂的芯部)、和传导泵浦光的区域(典型地为没有增益掺杂的包层)。包层的横截面面积通常比芯部的横截面面积大得多。该面积差与用于高功率操作的低亮度泵浦相适应，这意味着泵浦光的吸收率减小了大约与两个面积的比率成比例的量。这使得光纤长度相应地增加了。
不幸地，对于高功率放大器，该长度的增加伴随地增加了不需要的基于长度的非线性效应的量。由于该原因，需要像信号一样引导相同空间区域中的泵浦以增加重叠。
在具有低亮度泵浦的传统大模面积(LMA)光纤中，这典型地是不可能的，因为芯部具有相对低的数值孔径(NA)以减小被传导的模的数量，并且保持大的模面积。在这样的设计中，泵浦光导(例如，包层)具有不同特征，从而必须在与信号光导不同的空间区域(例如，芯部)中。
对于HOM传播，不需要这样。因为模被稳健地传导，并且抵抗模耦合，并且因为其可用高消光性激发，所以光导的NA可以是大的。实际上，泵浦光导和HOM光导可以在相同的区域。回到附图，图4A示出了可传播HOM信号的光纤(或波导)的横截面图像410。该光纤包括中央芯部(在图像410中不可见)和包围着芯部的内包层430。内包层430径向的外部是气孔440的环，所述环也因此由硅石环450包围。尽管未示出，聚合体层包围着整个结构。图3中示出了这样的光纤的折射率分布图。
内包层430由限定了气孔的薄硅石网支持。网的厚度小得足以有效地将光限制在内包层430内并且防止光泄露到硅石环450中。由于空气和硅石之间的折射率的大的对比(在图3中由ΔN_dd表示)，内包层430是高NA光导(约为0.6至0.8)，适合于包含泵浦光。
此外，因为NA可以显著地高于传统双包层光纤，所述光纤由低折射率聚合物而不是气孔构成，所以图4A中的光纤的载光能力等于直径变大50％的光纤的载光能力。对于一些HOM设计，泵浦光导可使用自由空间光学器件来泵浦。
图4B示出了沿图4A的光纤传输的示例HOM信号的近场图像420。具体地讲，图4B的比例与图4A的比例相匹配，以示出LP₀₆HOM信号最外环的直径和内包层430的直径之间的对应关系。基于该对应关系，本领域技术人员可看到：当增益掺杂时，内包层430适合于传导HOM。这样，泵浦和信号可具有高空间重叠并且由相同的增益掺杂区域430(芯部和内包层)传导。换句话说，相同的波导限制信号和泵浦，即使信号和泵浦可能在不同的空间模中。
继续图4B，HOM图像420上的强度图案展现了由内包层430的周长的形状导致的微弱的调制。在传统的双包层光纤中，进行了很多努力来创建非圆形的泵浦波导，或在泵浦波导内引起模失真以更有效地将泵浦光耦合到较小的增益(或芯部)区域。与传统双包层光纤不同，在图4A中，泵浦和信号是共同定位的，从而泵浦波导可以是圆形的和不失真的。
对于其它实施例，可以配置非圆形内包层。例如，可使用矩形内包层，这是由于它们在薄的尺寸上的提高的热传递特性。
值得注意的是：尽管图4A中具体示出了气包层光纤，但芯部泵浦概念可延伸到聚合物包层光纤和玻璃包层光纤。对于具有非常深的沟槽(图3的ΔN_dd非常大)的一些实施例，可增大沟槽面积(图3中的d_dd)。因此，可以一起消除外部区域(图3中的d_oclad)。
如上面注意的，图1和2中的实施例示出了使信号的强度分布图与泵浦的强度分布图相匹配的各种方法。通过使强度分布图相匹配，可减小来自“暗”区域的ASE。另一个选择是通过选择性地掺杂增益掺杂光纤使得对应于信号的“暗”区域的光纤区域将不具有增益掺杂剂，从而来减小这些所谓的“暗”区域中的ASE。将参照图5A和5B对此进行更加详细的描述。
图5A是示出了光纤的折射率分布图510和可沿光纤传输的对应的HOM信号520的图500。如图5A所示，LP₀₈HOM信号520沿内包层被运送，并且在该具体实施例中，径向向外延伸约40微米。“暗”区域对应于HOM信号520图上的零强度。
图5B是示出了图5A的HOM信号520和对应的光纤增益掺杂分布图560的图。如可见，光纤在不同的径向位置处掺杂有稀土(RE)掺杂剂。具体地讲，增益掺杂剂的位置对应于LP₀₈HOM信号520的每一个强度峰值。因此，与传统的增益掺杂光纤不同，所述光纤在整个内包层内大量地具有RE掺杂剂的均匀分布，图5B的实施例示出了光纤的分段掺杂以与将沿该特定光纤传输的特定HOM信号相对应。
与仅将泵浦变换为HOM相比，分段掺杂的一个缺点是模选择的较小的灵活性。一旦光纤已经在具体区域被增益掺杂，信号的强度分布图就不能再改变，除非破坏信号与增益掺杂光纤分布图的空间对应关系。此外，任何不规则的掺杂都可能导致增益掺杂区域和HOM信号的不完美的重叠。由于该原因，优选地使用参照图1和2教导的方法，而不是图5A和5B的分段掺杂方法。
尽管已示出和描述了示例性实施例，本领域技术人员应清楚：可对公开的发明进行多个改变、修改或变形。例如，尽管已在附图中示出了并详细地描述了具体HOM，应理解为可使用其它模阶(除了表达性地示出的)来适应各种其它设计参数。此外，尽管已示出和描述了掺杂分布图的具体例子，应理解为可改变这些具体掺杂分布图以在不同的程度上对应不同的HOM信号。因此，所有这些改变、修改和变形都应被看作是在本发明的范围内。