CN101052907A - 复合波导 - Google Patents

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Abstract

一种复合波导，包括中芯、以及围绕所述中芯螺旋缠绕并光学邻近该中芯的至少一个侧芯。

Description

复合波导
相关申请的交叉引用
本发明要求2004年7月14日提交的美国临时申请No.60/587,988的优先权，它通过引用整体结合于此。
技术领域
本文公开的本发明各实施方式一般涉及光学波导，尤其涉及光纤。
背景技术
由于高亮度半导体二极管泵浦的进步和大模面积(large-mode area)光纤的出现，光纤激光器系统的功率输出快速增加。大模面积光纤便于通过降低纤芯中非线性交互的有害效应、通过降低光纤对光学损伤的敏感性、以及通过允许双包层光纤的更大包覆尺寸来实现高功率。
结果，光纤激光器变成迄今为止最强大的固态激光器技术，能提供比常规固态激光器大近两个量级的衍射极限功率。由于光纤激光器的实用性，光纤激光器技术的出现甚至更加意义重大。实际上，光纤激光器为单块、紧凑型和极有效率的激光器提供了技术平台，这些激光器可通过与建立电子设备相似的方式生产，且与通常常规开腔激光器所需的复杂、技术密集的组装过程极为不同。因此，存在用更加紧凑、可靠、有效且成本有效的光纤激光器代替大多数目前使用的常规固态激光器的可能性，从而显著改进大多数激光器应用。
目前，存在三种允许使用大模面积(LMA)光纤的技术：(i)多模芯的单模激励，(ii)适当卷绕的光纤中分布式模式滤波，和(iii)光子晶体大模光纤。所有三种技术对最大允许模大小具有大致相似的限制，尽管事实上技术(i)和(ii)都使用多模芯光纤而(iii)本质上不同，因为它使用单模芯光纤。
然而，在许多重要的实际方面，当前模大小定标的方法非常有限。首先，模大小是有限的，从而进一步限制了功率和能量定标。其次，大芯光纤的使用实际上被其多模特性所限制。第三，直接光纤接合不能实现且常规的熔合单模器件是不可能的。因此，由于光纤激光器制造比单模电信类器件显然更复杂，光纤激光器技术的进一步实用发展得到制约。
因此，需要显著增加模大小、并提供具有有效单模芯的大模光纤的光纤设计。较佳地，这种光纤设计也可允许使用标准的单模光纤接合技术。此外，这种光纤设计较佳地用于折射率引导光纤和光子晶体光纤。而且，光纤设计较佳地对大模场直径的弯曲效应(bending effect)不敏感。这使光纤的模场性质由结构而非卷绕决定。最后，这种光纤设计较佳地不需要复杂滤模和激励技术，从而使光纤可用于无源光纤或放大光纤。
发明内容
公开了一种复合波导。该复合波导具有中芯以及围绕中芯螺旋式缠绕且光学邻近该中芯的至少一个侧芯。中芯可被配置成大模面积且复合波导可被配置为折射率引导光纤或光子晶体光纤。在可选实施方式中，中芯可被配置成传导主模。中芯也可以是直的。侧芯可被配置成提供侧芯与中芯中的模之间的有效且选择性的耦合。侧芯与中芯之间的耦合可被配置成实质上只有中芯的预定高阶模耦合于侧芯。侧芯还可被配置成向沿侧芯传播的模提供高损耗。中芯与侧芯的模场可至少部分地重叠。
或者，复合波导可包括中芯、围绕中芯螺旋式缠绕且光学邻近中芯的至少一个侧芯、以及围绕中芯螺旋式缠绕且沿中芯长度在方位角改变的方向上对中芯施加应力的至少一个应力丝。
在另一实施方式中，复合波导可包括中芯、围绕中芯螺旋式缠绕的至少一个侧芯，该侧芯的第一边缘与中芯光学通信、且该侧芯的外表部分基本上靠近复合波导的外径。该外表部分包括易于引起复合波导模损耗的至少一个结构缺陷。结构缺陷可使用毛细管堆积、掺杂物或掺杂物吸收来配置。
此外，复合波导还包括传导主模的装置和围绕传导主模的装置螺旋式设置并传导高阶模的装置。传导高阶模的装置还可包括增加高阶模损耗的装置。
制造复合波导的方法可包括拉制具有中芯和至少一个偏心侧芯的光纤预制棒并在拉制复合波导时旋转预制棒。中芯可被配置成大模面积且光纤拉制烘箱可旋转以转动预制棒。或者，复合波导可被配置为折射率引导光纤或光子晶体光纤。旋转速度可基本上恒定。偏心芯的螺旋周期可根据旋转速度和/或光纤拉制速度来确定。旋转方向可周期性地反向。旋转速度可改变以提供偏心芯的可变螺旋周期。
附图说明
在结合附图阅读以下详细描述和权利要求书之后，本发明的特征和发明方面可变得更加显而易见，以下是附图的简要描述：
图1A是根据第一实施方式的复合波导的立体图；
图1B是图1的复合波导的横截面图；
图2是图1的复合波导的基模(LP01)和高阶模(LP11)的横截面和三维轮廓；
图3A是示出图1的30μm中芯的复合波导的精确相位匹配和准相位匹配模式耦合之间不同的曲线；
图3B是示出图1的60μm中芯的复合波导的精确相位匹配和准相位匹配模式耦合之间不同的曲线；
图4是复合波导的另一实施方式的横截面图；
图5是在图4的复合波导的输入处和一定传播距离之后的横模频谱的曲线；
图6A-6D是在图4的复合波导中传播之后光束轮廓的曲线；
图7是示出图4的复合波导的不同模的模损耗作为螺旋周期的函数的曲线；
图8是比较图4的复合波导与相同尺寸的真正单模光纤中功率瞬态的曲线；
图9A-9D还示出复合波导的可选实施方式；
图10A-10C示出在中芯尺寸增加时图1的复合波导的侧芯模与中芯模LP01和LP11之间的模耦合；
图11A是用于图1的复合波导的环状纤芯轮廓的横截面图；
图11B是图11A的环状纤芯的折射率分布；
图12示出沿光纤长度在方位角改变方向上对图1的复合波导施加应力的应力丝；
图13A-13C示出制造图1的复合波导的方法的一个实施方式。
具体实施方式
现在参看附图，详细地示出了各说明性实施方式。虽然附图示出了实施方式，但是附图没必要标度且可放大某些特征，以更好地示出并说明实施方式的新颖性方面。此外，本文描述的各实施方式并非旨在穷尽性的，或者否则将本发明限制或限定于附图所示、以及以下详细描述中公开的精确形式和配置。
现在参看图1，示出了螺旋耦合芯(HCC)光纤20。HCC光纤20包括大模面积中芯22和螺旋侧芯24。中芯22通常是直的而螺旋侧芯24螺旋地缠绕在HCC光纤20的周围。中芯22传导沿z方向传播的模，而螺旋侧芯24支持在围绕中芯22的螺旋路径中传播的模。因为螺旋侧芯24与中芯22光学邻近，所以HCC光纤20是复合波导。相邻芯22、24的光场部分地重叠，且因此相互作用。
通过设计，中芯22的所有高阶模具有大损耗，而中芯22的基模具有可忽略的损耗。中芯22和螺旋侧芯24的复合结构提供中芯22与螺旋侧芯24的高阶模之间的有效和高选择性的耦合。此外，复合结构向在螺旋侧芯24中传播的模提供高损耗、并向中芯22的耦合高阶模引入高损耗。因此，HCC光纤20的中芯22是有效率的单模。
中芯22和螺旋侧芯24的光学邻近被确定成使相邻芯22、24的模场重叠。为了提供光学邻近，相邻芯22、24被分开与相邻芯22、24中模场具有显著模场重叠的光学波长的长度尺寸可比拟的距离“D”。中芯22和螺旋侧芯24通过模对称方式耦合。即，相邻芯22、24可被配置成根据不同模式的方位轮廓与径向轮廓之间的不同来耦合。
以下参看图1-9详细说明中芯22和螺旋侧芯24或HCC光纤20的配置和耦合。通常，两个直波导的两个模之间的功率耦合仅在模的相速度(或，等效地，传播常数β(1)和β(2))变得相等(模之间的精确相位匹配)时发生。当螺旋侧芯24围绕中芯22螺旋式缠绕时，相位匹配条件由于侧芯模式路径的螺旋性而改变，该螺旋性有效地“减慢”侧模沿光纤轴z的传播。这样，模耦合的相位匹配条件变成β(1)+Δβ螺旋修正＝β(2)，其中β(1)和β(2)分别是螺旋芯模和中芯模传播常数且螺旋修正表示为：
Figure A20058003058300101
其中R是螺旋半径且Λ是螺旋周期。
为了揭示附加的相位匹配机制，需要考虑中芯模的方位结构。在与根据图1的HCC光纤20相关联的柱坐标系(r，，z)中，中芯22的模可描述成仅径向改变分量与仅方位角改变分量的乘积：E(r，)＝E(r)sin(l)。此处整数l表示各个特定模的方位阶数。这通过图2中示出的基模(LP01)和高阶模(LP11)的2D和3D轮廓来描述。因为螺旋侧的方位位置绕沿HCC光纤20的光纤轴z以周期Λ旋转，所以对于l＞0的中芯22模式，在中芯22模和螺旋侧芯24模沿z轴传播之间的每个Λ之后需要一附加相位差2πl。因此，在螺旋修正因子中存在附加项：
Figure A20058003058300102
该项可描述为中芯22与螺旋侧芯24的模之间的准相位匹配(QPM)。因为基础中芯22模l＝0，所以方位或径向相位不相关且不存在准相位匹配。即使例如基础LP01和之后的LP11中芯模的传播常数任意地接近(在极大的芯尺寸时发生)，准相位匹配的适当使用可规定：仅仅LP11与螺旋传播模式强烈相互作用，因此仅仅LP11有损耗。注意，根据径向对称差别(径向相位相关)的选择也可在HCC光纤20中进行，从而允许抑制l＝0的高阶模。
精确相位匹配与准相位匹配模耦合之间的差别在图3A中揭示，从而示出从中芯22的LP01和LP11模与单模螺旋侧芯24的模耦合被示为螺旋周期的函数的耦合模理论结果。HCC光纤20的结构由30μm且0.06数值孔径(NA)的中芯22、以及与中芯22分开4μm(边-到-边)的单个8μm且0.07NA的螺旋侧芯24组成。
如图所示，百分之五十的耦合规定总功率的平均一半在各个芯22、24中。在相位匹配的LP0130与准相位匹配的LP11模32、34之间的定性差别是LP01耦合存在单个窄峰，而LP11耦合存在两个峰；第二峰比LP01模峰宽得多并远离之。图3B示出60μm尺寸的中芯22的耦合。再一次，相关于LP11模32、34的模耦合与LP0130很不同。也注意，60μm中芯22光纤的情形的“峰”与图3A的30μm中芯22光纤相比更窄。这样，对HCC光纤20的尺寸标度存在技术折衷，其中中芯22尺寸的增加需要制造中更紧密的公差。注意，该共振特性允许100-200nm的频谱带宽，这对所有使用目的足够宽，并可对以下详细描述的某些应用有利。
HCC光纤20’的另一实施方式在图4中示出、并包括中芯22、第一螺旋30和第二螺旋42。第一螺旋40沿中芯22螺旋缠绕并与其光学邻近，其中R1表示从中芯22的中轴到第一螺旋40的中轴的距离，而D2表示第一螺旋40的直径。第二螺旋42类似地沿中芯22缠绕但与第一螺旋40光学邻近，其中R2表示从中芯22的中轴到第二螺旋42中轴的距离，而D3表示第二螺旋42的直径。
与图1的单螺旋结构相比，以上图3A和3B的耦合模式描述并不包括螺旋导致损耗，因而没有示出HCC光纤20’中模匹配特性的细节。准相位匹配和螺旋侧损耗的效应的精确预测可通过使用光束传播值模拟获得。对于一特殊结构的结果如下参考图5和表I-II描述。例如，中芯22的直径为30μm并该中芯22具有对应于0.06数值孔径的芯-包层折射率阶跃分布，且自身支持五个导模。第一螺旋40和第二螺旋42由两个12μm直径的芯组成，彼此边-到-边的间距为2μm。此外，第一螺旋40与中芯22分开，边-到-边间距为2μm。结构的细节在以下表I中列出且结构本身如图4所示。
                         表I
  芯径(μm)   芯NA  距离中轴的半径(μm)
  D1＝30μm(中芯22) 0.06 0μm
  D2＝12μm(第一螺旋40)   0.075895(√1.6*0.06) R1＝23μm
  D3＝12μm(第二螺旋42)   0.075895(√1.6*0.06) R2＝37μm
图5示出给定8.1mm的螺旋周期，在图4的HCC光纤20’的输入处和在该光纤中传播约16cm和65cm距离之后的横模频谱。输入处的激励光束被选择成使所有五个中芯22的模被激励。中芯22的四个模各自包含12.5％的总输入光束功率且一个模(LP02)包含总输入功率的50％。线50表示五模输入频谱。线52表示在HCC光纤20’中传播16.384cm之后的模频谱。线54表示在HCC光纤20’中传播65.536cm后的模频谱。如图所示，基模(LP01)以可忽略的损耗传播(在曲线的标度上观察不到)，而所有高阶模经历其功率的数量级衰减。例如，在16cm距离处所有高阶模减弱超过100倍。在65cm之后所有高阶模减弱106倍。8.1mm螺旋周期的所计算的模损耗在表II中示出。
                            表II.8.1mm螺旋周期的模损耗
  模   LP01   LP11   LP21   LP02   LP31
  损耗   1.1dB/m   150dB/m   160dB/m   350dB/m   400dB/m
这在图6中进一步示出，其中示出在HCC光纤20’结构中传播之后的光束轮廓。在中芯22中传播30cm之后，仅仅保留中芯22基模。
图7示出HCC光纤20’的不同模的作为螺旋周期的函数的模损耗。示出了LP01模55、LP11模56、LP21模57、LP02模58和LP31模59。存在具有可忽略基模损耗、且同时对LP11模56以上的所有高阶模具有高损耗的较宽螺旋周期范围(7.5mm至10mm)。LP11模56最接近LP01基模55，且通常被证明为最难抑制。如从图中可看到，LP11模56在两个8.1mm和10mm螺旋周期值处被抑制。虽然在10mm螺旋周期处约50dB/m的LP11模损耗比在8.1mm处小得多，但是对于所有实用目的它仍然很大。此外，在10mm周期处LP01模55损耗＜0.3dB/m。图7示出的示例说明HCC光纤20、20’结构可设计成具有显著设计余量，以便于其实际实施。
重要的是注意：由于甚至LMA芯中的模间散射也较大程度地得到抑制，因此高阶模的这种高损耗使HCC光纤20、20’成为有效的单模。图8示出HCC光纤20、20’和相同尺寸的真正单模光纤(极低的0.02NA和30μm芯)中的对比功率瞬态。SM光纤中功率瞬态发生在5cm内，而在HCC光纤20、20’中功率瞬态发生在10cm光纤长度内，表明HCC光纤20、20’实际表现为类似于真正的单模光纤。这说明甚至较短光纤长度的HCC光纤20、20’也将只传播基模，从而显著地有利于其中无源光纤导线的长度不应超过10cm～30cm的单块全光纤LMA光纤激光器系统。
HCC光纤20的另一可选择实施方式在图9A-9D中示出。图9A-9D中示出的可选实施方式分成根据相邻芯的相互作用而确定的类别。图9A示出其中光学邻近相互作用径向地发生，且仅在中芯22和侧芯24’之间而不在侧芯24’之间发生的结构。可选实施方式相关于数目、相对位置和侧芯24’的尺寸而彼此不同，但是没有一个侧芯24’足够靠近彼此而能发生相互作用。图9B示出其中光学邻近相互作用在中芯22与侧芯24’之间径向地发生、以及在沿径向排列成一层以上(形成同心环)的相邻侧芯24’之间发生的结构。图9C示出其中中芯22与侧芯24’之间的相互作用在径向上进行，而沿同心环排列成一行的侧芯24’之间的相互作用沿方位方向进行的结构。图9D示出其中相邻侧芯24’之间的相互作用沿径向和方位方向进行的结构示例。
上述图9A-9D所示的可选实施方式的先前示例仅仅用来示出和描述本发明可能配置的示例性实施方式。这些配置以及在图1A、1B和4中详述的配置并不旨在穷尽或将本发明限制于所公开的任何精确形式。本领域技术人员应该理解，对于相对芯位置、它们的数目、芯尺寸和形状以及它们的折射率和折射率分布，存在各种其它选择，从而允许对于实现期望选择模耦合和选择模损耗而优化整体性能的许多其它自由度，以及实现对这种光纤结构的各种其它设计目的。
现在参看示出有效单模中芯22尺寸的可量测性的图10A-10C，示出在0.06-NA的50μm、70μm和90μm尺寸的中芯22与单个8μm、0.07-NA、与中芯22的边-到-边间距为4μm的侧芯24之间的耦合。图10A-10C示出侧芯24与中芯20的LP01(由耦合曲线的峰70表示)和LP11(由峰72、74表示)模之间的模耦合。图10A-10C示出耦合共振相对位置和宽度不随芯尺寸的增加而显著地改变，而只有耦合强度随中芯22尺寸的增加而减小。LP01的峰70和LP11模式的峰72保持在不同螺旋周期值的事实对于选择性地保持模损耗很重要，因而对保持中芯22的尺寸可量测性很重要。耦合幅度的减小仅仅影响抑制特定模的速率。此外，用于图10A-10C中比较的HCC光纤20未对尺寸大于30μm的中芯22优化。因此，对螺旋侧结构、对任何给定尺寸的中芯的优化仅可规定：随着中芯22尺寸的增加耦合强度减少较小。
在比较图10A-10C的所示时，虽然中芯22的尺寸增加，但可保持选择性耦合和有效的高阶模抑制。该现象允许极大的有效单模芯尺寸。对最大可实现有效单模芯尺寸的实际限制可由两个主要因素决定：第一，中芯22中的模间散射，以及第二，可实现的HCC光纤22制造公差。随着中芯22尺寸的增加，模间散射增加，最终导致通过散射进高阶模的基模损耗以及随后通过侧芯24螺旋耦合的功率损耗的增加。然而，高阶模的极大值抑制也有效减少基模和高阶模之间的耦合强度。
虽然以上HCC光纤20的结构示例基于阶跃折射率光纤分布，但是其它单芯分布(诸如渐变折射率、环状芯、M芯等)也可能。此外，一些非阶跃分布结构甚至对实施HCC光纤20结构有利。
现在参看图11A-11B，示出环状纤芯及相关联的折射率分布。环状纤芯可与中芯22或侧芯24一同使用。然而，在一实施方式中，至少较佳地对侧芯24使用环状光纤分布，因为环状分布仅提供适于侧芯24的较高模损耗。
由于HCC光纤20的共振特性概念，极需优化以最大化中芯22与螺旋侧芯24的耦合强度、拓宽该耦合的共振宽度(作为芯NA和/或螺旋周期的函数)以及最大化螺旋侧芯24的损耗。这种优化提供更宽范围的制造公差和更高的实际可实现的高阶模损耗。实施优化的一个主要益处是增加进入包层的模渗透(模尾)深度。相邻芯模的更长尾部确保所有三个优化参数的改进，从而提供：(i)不同芯之间更强的模重叠导致更强的芯间耦合和更宽的共振，以及(ii)更长的模尾通常导致来自螺旋卷绕芯的更高的辐射损耗。
例如图11A-11B示出如何使用环状纤芯分布增加模尾。对于某些结构参数(内、外半径分别为R1和R2，且相对于包层的折射率差分别为Δn1和Δn2)进入包层的模渗透可增加一个以上的数量级。然而，图11A的特定结构仅是可用于优化HCC结构的许多其它可能折射率中的一个示例。
表III示出环状芯结构参数(在图11A-11B中示出)的优化如何显著增加侧芯24中的模式损耗。表III示出对于不同参数值，芯的曲率半径Rc＝5mm时所计算的模式损耗α损耗。参数被选择成使环状芯模式的有效折射率Δn有效保持为大致相同，这表示中芯和侧芯耦合条件对各个侧芯24、24’、40、42结构保持相同。表III中第一行对应于标准折射率阶跃芯纤作为参考。如最后一列中的损耗值所示，这种环状结构的损耗与具有相同有效折射率值的阶跃折射率分布模相比幅度增加了许多量级。
                      表III.环状芯结构参数的优化
  R1，μm   Δn1  Δr2＝R2-R1，μm   Δn2   LPmn   损耗
mn Δn有效   Rc，mm   α损耗，dB/m
  4   0.006759   0   0   01   0.004718   5   0.111
  4   0.000000   4   0.007   01   0.0048   5   15.7
  5   0.000000   4   0.007   01   0.004777   5   68.7
  6   0.000000   4   0.0071   01   0.004848   5   227.8
  7   0.000000   4   0.00715   01   0.004881   5   769
  10   0.000000   4   0.0072   01   0.004909   5   4.9e04
  12   0.000000   4   0.0072   01   0.0049045   5   7.8e05
由于来自弯曲纤芯的模辐射，螺旋侧芯24可用来向从中心LMA芯耦合的模提供高损耗。通常，芯的曲率随螺旋周期的减小、以及HCC光纤20的侧芯24与轴之间距离(离轴距离)的增加而增加。在设计HCC光纤20时，螺旋周期和侧芯24的参数可设置成可同时确保从中芯22的有效高阶模耦合和侧芯24的损耗。扩展发生高螺旋侧损耗的螺旋周期的范围是有利的。一种方法是将结构缺陷引入到侧螺旋外侧，从而便于该芯的附加模损耗。例如，这可在微结构光纤中实现。该微结构通常使用毛细管堆积技术制成。或者，侧芯24可用掺杂物处理，从而在所需信号波长处提供高损耗。
现在考虑光纤双折射，HCC光纤20与现有高双折射光纤设计兼容。图12示出沿光纤长度方向在方位角变化的方向上对芯施加应力的应力丝。受力HCC光纤96包括中芯90、侧芯92和应力丝94。应力丝94沿螺旋HCC光纤96的长度在方位角变化的方向上对中芯90施加应力，从而在光纤中产生圆偏双折射。这种几何结构可称为“螺旋”光纤并与HCC光纤20的概念完全兼容。此外，有可能结合HCC光纤20和螺旋光纤技术，从而产生单偏振LMA光纤。
使用螺旋光纤技术，右旋或左旋圆偏模是螺旋HCC光纤96的本征模。因此，偏振的起动圆偏态沿传输方向不变。此外，如果光纤由圆偏光(右旋或左旋)激发，则沿光纤传播的光沿光纤的整个长度为且仅为该圆偏振。在实际使用中，螺旋HCC光纤96的片段的接合使用常规方法。因为螺旋应力丝的偏置会造成传播光在接头处的相移，但不会改变偏振的圆偏态，所以连续片段的螺旋应力丝在接口处无需连续。此外，螺旋HCC光纤96容许相对较小曲率半径的弯曲而不扰乱传输本征模式的圆偏振。
总之，HCC光纤20的概念可用于设计螺旋HCC光纤96复合波导以实现高圆偏双折射光纤。此外，高圆偏双折射规定：HCC光纤20的LMA中芯22中的基模LP01分成两个正交偏振(右手圆偏(RCP)和左手圆偏(LCP))模，各个模由不同相速度表征。通过选择适当的螺旋侧芯24的周期，有可能实现相位匹配，从而这两个偏振模式之一与侧芯24的功率耦合。因此，对基模偏振导致高损耗。从而，大模场HCC光纤20可被构建成仅支持单个空间模中的单个偏振(单偏振光纤)。许多重要应用(例如，相干光束或光谱光束结合)需要这种光纤。然而，现有的单偏振光纤仅具有极小的芯尺寸(与典型LMA光纤模大小相比小得多的模大小)。
或者，有可能设计单偏振HCC光纤而不使用高双折射方法(即不使用上述螺旋光纤)。由于螺旋光程的几何结构，螺旋卷绕的芯具有圆偏双折射，即同一空间螺旋芯模的LCP和RCP组成具有不同相速度的两种常规传播模式(传播但不改变其偏振态)。此外，由于只有相同偏振的场在相互作用，所以LCP偏振的侧螺旋模仅与LCP偏振的中芯22模相互作用，类似地，仅仅中芯22和螺旋侧芯24、24’的RCP模在相互作用。因此，中心与螺旋侧模之间相位匹配的RCP和LCP相互作用的螺旋周期不同，从而可选择除了高阶模式抑制外也允许抑制圆偏振中芯基模之一的这种HCC光纤设计。
HCC光纤20的再一应用包括使用四波混频(FWM)非线性相互作用的波长转换。现有光纤激光器使用玻璃基质中的稀土掺杂物以提供在根据掺杂物的光谱特性确定的波长处的光学增益。然而，极其有限的光谱范围可被现有稀土掺杂光纤激光器和放大器覆盖。因此，非常期望将激光操作扩展到任何期望的光学波长。
原理上，这可通过使用通过光纤中诸如四波混频(参量放大)的非线性相互作用的非线性波长转换实现。实际限制是有效的波长转换仅能通过相互作用波的相位匹配实现。使用光纤模式的传播常数，该相位匹配条件可表示为β信号+β闲频＝2β泵浦。在此，信号、闲频和泵浦波的光学频率应该遵守能量守恒关系：ω信号+ω闲频＝2ω泵浦。由于相位匹配要求，单模光纤中有效的FWM参量波长转换至今仅在使用零色散波长附近的FWM相互作用、使用光纤双折射或利用相位匹配偶然满足的频谱有限范围内实现。
然而，由于准相位匹配，即当交换功率的模的相速度不相等时，中芯模与螺旋侧之间的HCC光纤20功率交换发生。例如，考虑中芯22的LP01模与螺旋侧芯24的LP11模之间的相互作用。由于该芯间功率交换，与非耦合芯中的相速度相比，LP01模的相速度应增大。因为光场在“慢”中芯LP01与“快”螺旋侧LP11模之间循环，所以有效相速度应获得在该“慢”与“快”相速度之间的值。所得相速度的确切值可根据芯22、24之间的耦合度来确定。这允许通过控制确定模之间耦合度的HCC光纤20结构参数来控制LP01模的相速度。发生该相速度控制的波长范围通过选择适当的侧螺旋周期来选择。
对于在光纤透明范围内的信号、闲频和泵浦波长的任何组合可实现相速度匹配。唯一限制是能量守恒定律。结果，该技术允许所有基于光纤的波长转换器件。存在使用这种HCC光纤20的波长转换方案的各种可能实现。一种方法是使用通过在ω泵浦工作的外部激光泵浦的无源HCC光纤20。或者，可将波长转换的HCC光纤20结构与有源稀土掺杂中芯20集成。在这种情形中，掺杂中芯22会在由激光腔内光谱选择部件(诸如布拉格光纤光栅)确定的ω泵浦处提供光学增益。相位匹配FWM的HCC光纤20设计则在对应于ω信号和ω闲频的所需波长处提供参量增益。这种激光器会产生多波长输出(在对应于ω信号、ω闲频和ω泵浦的波长处)。此外，激光器可优化成在ω信号处产生大多数输出功率。因此，激光器在稀土离子增益带外的波长处工作。虽然波长转换有利地将单模中芯22用来最大化非线性相互作用，但是对于极高功率(例如在1-10kW之间的范围内)可选择更大的中芯。此外，控制HCC光纤20结构中的模相速度也允许模色散(相速度的波长相关性)的控制。该能力对超短脉冲光纤激光器系统中HCC光纤的使用很重要。
现在考虑受激拉曼散射(SRS)，讨论光纤放大器和激光器中可实现的峰值功率和平均功率的限制。SRS是具有良好定义的强度阈值的非线性光学现象。高于该阈值，光纤中的光学信号开始放大长波长光学信号。该拉曼增益可变得很大(＞50dB)以致于能产生仅仅从总是在拉曼增益光谱带中存在的几个自发光子开始的强信号。结果，产生从泵浦向长波长侧偏移＞10THz的极强光学信号。在许多实际情形中对于光纤激光器或放大器，这是很不期望的，因此将光纤中可实现的峰值或平均信号功率限制在SRS阈值之下。
HCC光纤20中的该SRS阈值可通过利用其窄带特性得到抑制。中芯20与螺旋侧芯24模之间的模耦合仅在有限波长范围内发生，并以相位匹配或准相位匹配条件为中心。光谱宽度(和光谱峰值位置)强烈地取决于螺旋侧芯24和中芯22设计的实施。因此，HCC光纤20的结构可被配置成中芯22中仅在信号波长处支持光学单模信号传播，并禁止对应于与该信号相关的拉曼增益带的波长处的所有模的传播。由于可使拉曼带中的模损耗极大(＞＞100dB/m)，因此SRS阈值可显著增加，从而为峰值和平均功率定标提供附加方法。
现在考虑为HCC光纤20设计的稀土离子增益带。HCC光纤20的频谱共振特性也可用来更改稀土掺杂光纤的增益带宽。例如，HCC光纤20的结构可被配置成完全抑制Yb掺杂光纤的“常规”1030nm至＞1100nm频谱范围内的光学增益。因此，可在980nm处实现光学增益。在该波长处的这种增益目前仅通过使用小芯单模光纤实现。在980nm工作的大芯HCC光纤20的重要性在于：它允许从横向多模输出运行的914nm和940nm多模激光器二极管到衍射限制的980nm波长的极有效(＞80％)亮度转换。在大芯光纤中实现这些提供980nm的单个横模中的极高平均功率(有希望＞1kW)。这允许可作为芯内泵浦系统而非包层泵浦系统的高功率光纤激光器设计。
而且，HCC光纤20结构中的该光谱相关耦合可用于重整形Yb掺杂光纤增益分布。Yb光纤通常在约1030nm附近具有很快向长波长下降的强增益峰。虽然Yb掺杂光纤的光学增益显著扩展到1100nm外，但是该宽带不能直接用于宽带(＞100nm FWHM)光学信号放大，因为显著增益斜率不可避免地将放大光谱变窄到1030nm附近。使用对于1030nm处的所有模具有高损耗的HCC光纤20结构可在Yb掺杂光纤中偏置增益斜率、并有效产生极宽的放大带。
工业上，HCC光纤20、20’通过将磁化率减小到非线性效应并改进高功率泵浦条件以便于高功率光纤功率定标。由HCC光纤20、20’提供的独特大模场面积对于需要产生高能量脉冲的应用尤其有利。HCC光纤20、20’的显著优点是它们消除了与接合现有LMA光纤相关的困难。因为不需要卷绕，所以甚至光纤系统(诸如单块泵浦组合器或光纤耦合光隔离器)的较短HCC光纤20、20’允许有效的高阶模抑制。因此，不同光纤之间模匹配的不精确仅导致附加的接合损耗，而非如目前存在的LMA光纤的情形中的模-质量退化。而且，HCC光纤20、20’的一个重要优点是配置不需要纤芯的低NA。这允许在实现低NA是显著技术障碍的约1550nm和1800nm至2000nm的技术上重要的护眼波长处工作的Er和Tm掺杂光纤的LMA设计。此外，HCC光纤20、20’通常可用于常规折射率引导光纤以及微结构光纤和光子晶体光纤。
现在考虑HCC光纤20、20’的制造，由中芯22和螺旋缠绕的侧芯24或芯24’、40、42(上述)组成的复合光纤结构可通过使用现有光纤拉制技术制造。用于制造HCC光纤20的制造技术的一个实施方式通过使光纤预制棒具有中心转轴102、并包含中芯122和相对于中心转轴102偏心设置的螺旋缠绕侧芯124(如图13A所示)来开始。在一实施方式中，对具有单个中芯122的常规预制棒100钻孔以插入侧芯124。侧芯124可选自具有预定掺杂组分的预制造玻璃棒然后插入预制棒100的钻孔中。在HCC光纤20、20’的多侧芯24、24’、40、42实施方式的情形中，可对预制棒100多次钻孔并插入多个侧芯124。然后加热预制棒100的最终结构以坍缩任何气隙。
或者，可使用常规光子晶体光纤的制造过程。这样，多个玻璃毛细管可堆积在一起。总体结构可通过选择在某些位置缺少毛细管或者通过插入掺杂毛细管来选择。然后加热并坍缩堆积结构以提供坚固结构。
然后HCC光纤20、20’可通过在预制棒100转动的同时从预制棒100抽或拉光纤(如图13B所示)。因此，产生直的中芯22和螺旋式缠绕的侧芯24(如图13C所示)或芯24’、40、42。转动可通过以恒定速率转动其中装有光纤预制棒100的光纤拉制烘箱来实现。所需螺旋周期然后可通过选择光纤拉制速度与烘箱转动速率的适当组合来实现。该方法可产生具有恒定螺旋周期和固定螺旋旋向的螺旋芯(诸如HCC光纤20)。
或者，烘箱转动速度可在拉制过程中改变，从而产生各种螺旋周期。而且，转动可改变方向和速率，从而沿光纤产生可变螺旋周期和交变螺旋旋向。该方法有利于产生更加复杂的复合波导结构。
上述描述仅仅呈现用来示出和描述本发明的方法和系统的示例性实施方式。它并非旨在穷尽本反面，或将本发明限制于任何精确公开形式。本领域技术人员应该理解，在不背离本发明的范围的情况下可进行各种变化且可用等效体代替其元素。此外，可进行许多更改以使特定情况或材料适于本发明的示教而不背离其基本范围。因此，本发明不局限于如用于实施本发明的最佳实施方式所公开的任何特定实施方式，而是包括落入权利要求书范围的所有实施方式。本发明可在不背离其精神或范围的情况下通过除已具体说明和示出以外的进行实施。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (59)

1.一种复合波导，包括
中芯；以及
至少一个侧芯，围绕所述中芯螺旋缠绕并光学邻近所述中芯。
2.如权利要求1所述的复合波导，其特征在于，所述中芯被配置成用于大模面积。
3.如权利要求1所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导是折射率引导光纤。
4.如权利要求1所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导是光子晶体光纤。
5.如权利要求1所述的复合波导，其特征在于，所述中芯被配置成传导主模。
6.如权利要求1所述的复合波导，其特征在于，所述中芯是直的。
7.如权利要求1所述的复合波导，其特征在于，所述至少一个侧芯被配置成提供所述侧芯与所述中芯中的模之间的有效和选择性的耦合。
8.如权利要求7所述的复合波导，其特征在于，所述至少一个侧芯被配置成实质上只有所述中芯的预定高阶模被耦合到所述侧芯中。
9.如权利要求1所述的复合波导，其特征在于，所述侧芯被配置成向沿所述侧芯传播的模提供高损耗。
10.如权利要求1所述的复合波导，其特征在于，所述中芯和所述侧芯的模场至少部分地交叠。
11.如权利要求1所述的复合波导，所述至少一个侧芯包括：
围绕第一同心环设置的至少一个近芯，所述至少一个近芯光学邻近所述中芯；以及
围绕第二同心环设置的至少一个远芯，所述至少一个远芯光学邻近所述至少一个近芯。
12.如权利要求1所述的复合波导，还包括围绕所述中芯螺旋缠绕的多个侧芯。
13.如权利要求12所述的复合波导，其特征在于，所述侧芯光学邻近所述中芯，且所述侧芯的每一个都与其它所述侧芯分开。
14.如权利要求12所述的复合波导，其特征在于，所述侧芯沿至少一条径向线设置。
15.如权利要求14所述的复合波导，其特征在于，所述侧芯光学邻近相邻的所述侧芯，并且相邻于所述中芯的所述侧芯光学邻近所述中芯。
16.如权利要求12所述的复合波导，其特征在于，所述侧芯围绕多个同心环设置。
17.如权利要求16所述的复合波导，其特征在于，所述侧芯的每一个光学邻近相邻的所述侧芯，并且相邻于所述中芯的所述侧芯光学邻近所述中芯。
18.如权利要求16所述的复合波导，其特征在于，所述侧芯的每一个光学邻近相邻侧芯和所述中芯。
19.如权利要求12所述的复合波导，其特征在于，所述侧芯围绕单个同心环设置，所述单个同心环以所述中芯的中心为中心。
20.如权利要求1所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导被配置用于与另一波导或另一复合波导接合。
21.如权利要求1所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导被配置成在约975nm处工作。
22.如权利要求1所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导被配置用于拉曼抑制。
23.如权利要求1所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导被配置用于增益再整形。
24.如权利要求1所述的复合波导，其特征在于，所述中芯和所述至少一个侧芯被配置用于相位匹配以创建参量波长转换。
25.一种复合波导，包括：
中芯；
至少一个侧芯，围绕所述中芯螺旋缠绕并光学邻近所述中芯；以及
至少一个应力丝，围绕所述中芯螺旋缠绕并沿所述中芯长度在方位角变化方向对所述中芯施加应力。
26.如权利要求25所述的复合波导，其特征在于，所述中芯被配置成用于大模面积。
27.如权利要求25所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导为折射率引导光纤。
28.如权利要求25所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导为光子晶体光纤。
29.如权利要求25所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导被配置用于与另一波导或另一复合波导接合。
30.如权利要求25所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导被配置用于在约975nm工作。
31.如权利要求25所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导被配置用于保持所述中芯的偏振。
32.如权利要求25所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导被配置用于拉曼抑制。
33.如权利要求25所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导被配置用于增益重整形。
34.如权利要求25所述的复合波导，其特征在于，所述中芯和所述至少一个侧芯被配置用于相位匹配以创建参量波长转换。
35.一种复合波导，包括：
中芯；
至少一个侧芯，围绕所述中芯螺旋缠绕；
所述至少一个侧芯的第一边缘与所述中芯光学通信；以及
所述至少一个侧芯的外部，基本上邻近所述复合波导的外径，所述外部包括至少一个结构缺陷，由此所述至少一个结构缺陷容易引起所述复合波导的模损耗。
36.如权利要求35所述的复合波导，其特征在于，所述中芯被配置用于大模面积。
37.如权利要求35所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导是折射率引导光纤。
38.如权利要求35所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导是光子晶体光纤。
39.如权利要求38所述的复合波导，其特征在于，所述至少一个结构缺陷通过使用毛细管堆积来配置。
40.如权利要求35所述的复合波导，其特征在于，所述至少一个结构缺陷通过使用掺杂物来配置。
41.如权利要求35所述的复合波导，其特征在于，所述至少一个结构缺陷通过所述至少一个侧芯吸收掺杂物来配置。
42.如权利要求35所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导被配置用于与另一波导或另一复合波导接合。
43.如权利要求35所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导被配置用于在约975nm工作。
44.如权利要求35所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导被配置用于拉曼抑制。
45.如权利要求35所述的复合波导，其特征在于，所述复合波导被配置用于增益重整形。
46.如权利要求35所述的复合波导，其特征在于，所述中芯和所述至少一个侧芯被配置用于相位匹配以创建参量波长转换。
47.一种复合波导，包括：
用于传导主模的装置；以及
围绕所述用于传导主模的装置螺旋设置的用于传导高阶模的装置。
48.如权利要求47所述的复合波导，其特征在于，所述中芯被配置用于大模面积。
49.如权利要求47所述的复合波导，其特征在于，所述用于传导高阶模的装置还包括用于增加所述高阶模损耗的装置。
50.如权利要求47所述的复合波导，其特征在于，所述中芯和所述至少一个侧芯被配置用于相位匹配以创建参量波长转换。
51.一种制造复合波导的方法，包括：
拉制具有中芯和至少一个偏心侧芯的光纤预制棒；以及
在拉制所述复合波导时转动所述预制棒。
52.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述中芯被配置用于大模面积。
53.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述光纤预制棒被配置用于折射率引导光纤。
54.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述光纤预制棒被配置用于光子晶体光纤。
55.如权利要求51所述的方法，其特征在于，旋转光纤拉制烘箱以旋转所述预制棒。
56.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述旋转的速度基本上恒定。
57.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述至少一个偏心芯的螺旋周期由所述旋转速度和/或光纤拉制速度确定。
58.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述旋转的方向周期性反向。
59.如权利要求51所述的方法，其特征在于，变化所述转动的速度以提供所述偏心侧芯的可变螺旋周期。
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