CN101105551B

CN101105551B - 在大模场lma光纤内传播光学信号的方法

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Publication number: CN101105551B
Application number: CN2007101360447A
Authority: CN
Inventors: 约翰·菲尼; 西达尔斯·拉马钱德兰
Original assignee: AMERICON FIETALL Ltd
Current assignee: AMERICON FIETALL Ltd
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2027-07-13
Also published as: CN101105551A; JP2008020919A; JP4612019B2; US7257293B1

Abstract

一种大模场LMA光纤具有改进的对弯曲引入的失真的抗性，其使用高振荡模使得传播模式的有效折射率在纤芯的大部分内保持小于弯曲光纤的“等效”折射率。通过提供具有减小的有效折射率的信号模式，减小了纤芯的“禁带”区，并极大的避免了传播模式的弯曲引入的失真。

Description

在大模场LMA光纤内传播光学信号的方法

技术领域

本发明涉及表现出改进的抗弯曲引入的失真的光纤，更具体地说，涉及支持高振荡模传播的大模场(LMA)光纤，该高振荡模表现出比纤芯的折射率足够低的有效折射率，从而最小化了弯曲引入的失真。

背景技术

在光纤技术领域中，使用大模场光纤的兴趣在增长，特别是对于以光纤为基础的光学放大器等的制造，因为大模场光纤已知是可以克服各种非线性缺陷，例如拉曼和布里渊散射，从而使得相比于具有传统纤芯配置的现有技术光纤实现了显著的功率增加。但是，大模场的使用将增加光纤相关敏感性的存在，例如宏弯曲损耗、模间耦合以及对光纤折射率分布中非一致性的敏感性。

现有技术中至少有两种不同的方案来开发适合于高功率放大用途的LMA光纤。在一种解决方案(基本是机械的解决方案)中，使用极其具有抗弯曲的棒状光纤。通过强迫光纤保持基本笔直，可以显著消除模间耦合和弯曲损耗。但是，在这种光纤的多数“场-field”应用中，需要弯曲、甚至缠绕光缆。因此，限制光纤弯曲的物理性能被认为是不实际的方案。另一种解决方案是通过限定将要使用的具体“缠绕量”、然后根据具体的缠绕半径(和匝数)使用光纤来管理弯曲损耗。

尽管可以用适度的大模场的传统光纤设计来适当地配置这些方案，但是没有发现它们可以对LMA光纤有效，光纤弯曲的(例如在场中缠绕光纤需要的)最小量被发现可以在传输信号模式中引起显著失真(例如，有效面积的减少)。弯曲引入的损耗和模间耦合的传统管理方法导致了具有实质上因弯曲而减少的有效面积的光纤配置。

因此，本领域中需要提供一种大模场光纤，其模场强度不会在各种光纤应用中光纤被弯曲时严重失真。而且，提供抗失真模式的能力会减少非线性变异，还可以有其他益处，例如相比于现有失真敏感模式而具有改进的增益介质与信号模式之间的相互作用。

发明内容

现有技术的需要通过本发明得到解决，本发明涉及表现出改进的抗弯曲引入的失真的光纤，更具体地说，涉及支持高振荡模传播的大模场(LMA)光纤，该高振荡模表现出在纤芯区域中比弯曲光纤的等效折射率小的有效折射率，从而最小化了失真。

根据本发明，在光纤内使用高振荡模(“高振荡”定义为具有大Δn_eff)将形成光纤弯曲时传播信号特性的最小化扰动。当光纤弯曲改变了等效折射率分布时，高振荡模的使用将保持传播模的有效折射率在弯曲引起的等效折射率之下，从而使得传播(高振荡)模分布到整个纤芯。对比地，当在现有技术的LMA光纤中只传播基模时，基模的有效折射率将大于一定区域的弯曲引入的等效折射率，形成“禁带”。当使用本发明的LMA光纤高振荡模时，没有“禁带”。

在阶跃型折射率光纤中，如果量Δn_eff＝n_core-n_eff为大则认为模式是“高振荡”模。对于更复杂的光纤设计，纤芯中可能存在超过一个折射率，这些情况下Δn_eff可以如下定义：

{Δn}_{eff} = {\overset{&OverBar;}{n}}_{core} - n_{eff} = \sqrt{&Integral; dA {| E |}^{2} n^{2}} - n_{eff}

其中dA定义为面积积分，E是光学场。

如果典型弯曲半径已知，而且弯曲光纤等效折射率大于高振荡模的有效折射率，则认为根据本发明的模式是充分的“高振荡”模式。这可以表达为Δn_eff＞Δn_bend～n_coreR_core/R_bend。或者，如果Δn_eff＞0.5(λ²/A_eff)或0.5(λ/R_core)²，其中“0.5”可以在一定程度上变化只要其保持是较小的值，已经发现0.25-1的范围是可以接受的，则可以将模式定义为充分“高振荡”模式。这样的模式将表现出相对于传统光纤的实质的弯曲引起的失真的抗性，即使典型弯曲半径在制造时未知。

本发明的其他和进一步方面及实施例将在以下讨论和参阅附图的过程中变得清楚。

附图说明

现在参考附图，

图1包含低差异LMA光纤弯曲“前”和“后”的强度曲线；

图2包含类似的高差异LMA光纤的弯曲“前”和“后”的强度曲线；

图3是LMA光纤的阶跃型折射率分布的示图，示出了光纤弯曲时等效的折射率分布的变化以及基模有效折射率的位置；

图4是类似图3的示图，其示出了LMA光纤内与高阶模HOM信号相关的有效折射率的位置，清楚地示出了纤芯内HOM的有效折射率保持在弯曲引入后的等效折射率之下；

图5包含根据本发明形成的示例抗弯曲高振荡LMA光纤的折射率分布图；

图6是对于传统LMA光纤和本发明高振荡LMA光纤的作为光纤弯曲半径的函数的纤芯有效面积的变化示图；

图7包含了图5示例光纤在“笔直”光纤和“弯曲”光纤状态下的两个不同高阶模式的模拟场分布图；

图8是根据本发明形成的HOM LMA光纤LP₀₃(非充分振荡)和LP₀₇(高振荡)模式在“笔直”光纤和“弯曲”光纤之间重叠的模式的曲线。

具体实施方式

随着纤芯半径变大，且模面积超过～600μm²(即，大模场，或LMA光纤)，弯曲引入的失真的影响对与传统缠绕光纤封装相关的任何弯曲半径非常明显。该事实在图1和2的图表中示出，图1和2示出了两个不同的LMA光纤在弯曲“前”和“后”的模拟模式分布。图1示出了“低差异-contrast”阶跃型折射率LMA光纤的模式分布，其中Δn在0.0005的量级(即，n_core-n_cladding≈0.0005)。图1的曲线A示出了弯曲前的模式分布，曲线B是关于相对“温和”的半径弯曲的(24cm的量级)。图2的模式分布曲线是关于相对“高差异”的LMA光纤(Δn＝0.01)的。曲线C是关于“弯曲前”的分布，曲线D是用于图1的LMA光纤的在相同弯曲半径(24cm)下的曲线图。两种情况下，光纤都具有相同的(大)纤芯半径(R_core)，43μm。图1和2的曲线相比，它们的模场有些不同，但是都表示出了基本相同等级的模面积减少，即使是对于该最小的弯曲值。

低差异和高差异LMA光纤的显著的弯曲引入的失真可以参考图3解释，图3示出了光纤弯曲对LMA光纤折射率的影响。如图所示，曲线I是阶跃型折射率LMA光纤的折射率的曲线，示出了n_core和n_clad的传统值。应当理解，尽管以下讨论是关于阶跃型折射率LMA光纤的应用，本发明的理论同样适用于各种其他类型的LMA光纤，例如渐变型折射率光纤、抛物线型折射率光纤等。回到图3，当允许在该光纤内传播传统基模(LP₀₁)信号时，该基模的“有效折射率”定义为n_eff，其描绘为水平曲线II，且位于纤芯折射率n_core之下定义距离Δn_eff。一旦沿着LMA光纤引入预定弯曲，弯曲光纤等效折射率n_bend将以图3的倾斜线III所示的方式变化。总体来说，等效/弯曲折射率可以如下定义：

n_bend(x，y)≈n(x，y)(1+x/R_bend)

其中R_bend定义为光纤弯曲的曲率半径。

图3的分析允许对大失真的发生进行估计。具体地，当弯曲引入的折射率变化Δn_bend变得大于基模有效折射率Δn_eff时，纤芯部分将具有小于模有效折射率的等效折射率。纤芯的这一部分(图3中阴影)是“禁带”区，意思是光波被排除出(或者“渐渐消失”在)纤芯的该部分。由于现在该模式被排除出纤芯的一部分，将倾向于产生大失真、显著减少的有效面积和可能减小的与纤芯中可能存在的增益介质的相互作用。大失真的直观条件可以表达为：

Δn_bend＝n_coreR_core/R_bend＞Δn_eff＝|n_core-n_eff|

该条件对LMA光纤更严格。也就是，不仅弯曲引入的折射率增加了，而且模间距将迅速减少为Δn_eff～(λ/R_core)²。

相反地，根据本发明与弯曲引入的失真的基本无关的模式的有用条件可以表达为：

Δn_eff＞CΔn_bend

其中“C”是与容许的弯曲引入的失真程度相关的常数。对于不同应用容许度可以不同，C的范围大约是0.5到1.5，保证了在大多数条件下弯曲引入的失真具有对模有效面积相对小的影响。

现有技术LMA光纤设计没有认识到或者解决这个基本的问题。事实上，尽管平坦模式(flattened-mode)设计对某些LMA光纤形成了改进的面积，但是这些设计实际上由于减小Δn_eff而加重了具有非常大的纤芯尺寸的光纤的弯曲引入失真。如上提及的，不管总光纤差别如何，与弯曲引入的失真相关的基模折射率差Δn_eff大部分由纤芯尺寸决定，因此“高差异”光纤(与低差异相反)的使用不能避免失真或者解决问题。

在本发明的一个具体实施例中，上述的定义条件通过使用足够高阶的模式可以满足，以致Δn_eff＞CΔn_bend。图4包含的折射率分布图示出了高阶模(HOM)的有效折射率和弯曲光纤的等效折射率之间的关系。图4的示图基于与图3相同的弯曲半径和纤芯尺寸，因此曲线III(弯曲光纤的等效折射率)是一致的。但是，根据本发明，HOM的应用可观地增大了Δn_eff的值，如图所示。也就是，有多个高阶模，例如LP₀₅，LP₀₇等很好地保持在n_eq的值之下，消除了利用这些高阶模时“禁带”的产生。因此，即使在光纤弯曲时，这些HOM也将在大纤芯面积内以小的或不失真进行传播。实际上，通过得知光纤弯曲的具体范围(例如，R_bend在3和40cm之间)、纤芯尺寸和相关的纤芯及包层的折射率值，可以确定并使用适当的HOM，减小与光纤弯曲相关的失真。

根据本发明的支持高振荡模的示例光纤折射率特征曲线在图5中示出。如图所示，该特定的分布不是传统的“阶跃型折射率”分布，而是多层折射率，其允许与高振荡模式的更加有效的输入和输出耦合。

图6显示了对于与具有图5的折射率分布的光纤相关的两个不同高阶模式的作为弯曲半径的函数的有效纤芯面积(以μm²测量)的示图。为了比较的目的，还示出了一个相似的阶跃型折射率LMA光纤基模的有效纤芯面积。很清楚与LP₀₇高振荡模式相关的基本恒定的有效面积证实了其在弯曲引入的失真可能发生时的值。对比地，HOM LMA光纤的LP₀₃模和阶跃型折射率LMA光纤的基模都表现出了作为弯曲半径范围3-24cm的弯曲的函数的有效面积的显著减小，该范围是光纤在场应用中发生的弯曲半径的公共范围。因此，根据本发明已经发现不仅选择适当的光纤很重要，选择适当的抗弯曲失真LMA模也很重要。

图7示出了HOM LMA光纤两种不同高阶模，特别是LP₀₃(非充分高振荡)模和LP₀₇(根据本发明足够高振荡)模，的模拟场分布(线性灰度级的平方根强度)。如图所示，LP₀₃模在条件从“笔直”光纤到“弯曲”光纤变化时经历了大失真。对比地，LP₀₇模在条件改变时经历了非常小的失真。具体地，图7(a)显示了与LP₀₃模相关的分布曲线，第一曲线(曲线I)与“不弯曲”相关，曲线II与12cm的弯曲半径(R_bend)相关。弯曲引入的失真在曲线II中很清楚。对比地，图7(b)示出了类似的高振荡LP₀₇模的曲线，曲线III与“不弯曲”相关，曲线IV与R_bend＝6cm相关。曲线IV证明了即使弯曲比曲线II相关的弯曲的更严重也只有较小或不失真。这是根据本发明发现的情况，因为LP₀₇模位于Δn₀₇＝0.0047处，这比6cm的弯曲Δn_bend＝0.001大几倍。如上讨论的，发生大失真估计在R_bend＝nR_core/Δn处，其对于LP₀₃(较低阶模式)是11cm，对于LP₀₇是1.3cm，从而LP₀₃模具有适度的抗弯曲引入的失真(好于基模)，根据本发明证实了LP₀₇模具有对弯曲引入的失真具有优秀的抗性。

使用根据本发明的HOM LMA光纤的另一优点是HOM信号表现出了沿光纤的对模与模耦合的抗性。图8是传统光纤和本发明示例HOM LMA光纤的模拟模式重叠(弯曲/不弯曲)的曲线。该重叠示出了高阶模减小了模间耦合，因为实质上小于“1”的重叠值可以引起在弯曲转变处的模耦合。根据本发明的LMA光纤的有效使用将需要信号耦合入和耦合出光纤的抗弯曲高振荡模。该耦合可以通过例如使用光栅、锥形(taper)光纤、相板、分立光学器件等完成。光纤纤芯分布可以表现为传统阶跃型。或者，可以使用各种纤芯折射率分布来改进模耦合、弯曲损耗和/或其他特性。这样的特征可以包括渐变型、抛物线型或双层折射率分布。根据本发明形成的这种光纤的重要应用包括光纤放大器和激光器。对于这些(及其他)应用，希望在光纤内以相同模式或者不同模式引导多个信号。例如，如上所述，可以以光纤抗弯曲信号模式放大信号，也可以以其他模式对泵光(pump light)引导。增益介质可以加入到本发明的光纤中。本发明形成的光纤中也可以有其他结构，例如泵引导双包层(pump-guiding double-clad)、空气包层或者低折射率覆层等。实际上，可以通过在信号模式强度峰值处设置增益材料来配置增益与信号模式进行强相互作用，而与噪声模式(例如)进行弱相互作用。本发明的光纤可以进一步包括微结构纤芯和/或包层区域，可以特别地配置为最小化极化相关性，可以配置为表现出预定的(基本恒定)极化相关性(例如双折射briefringence)。

本领域技术人员应当清楚在不脱离本发明精神和范围的情况下可以对本发明进行各种改变和变形。具体地，尽管本发明的各方面关于阶跃型折射率LMA光纤进行了描述，也可以使用各种其他类型的LMA光纤，例如渐变型折射率光纤，只要该光纤能够支持高阶模(HOM)，光纤的有效折射率保持小于对给定弯曲半径范围内弯曲等效折射率。因此，本发明意图覆盖这些改变和变形，只要其落入所附权利要求及其等价范围内。

Claims

1.一种在大模场LMA光纤内传播光学信号的方法，使得弯曲引入的失真最小化，该方法包括：

提供LMA光纤，其具有半径为R_core、折射率为n_core的纤芯区域，当所述LMA光纤沿着预定弯曲半径R_bend弯曲时所述LMA光纤表现出Δn_bend的弯曲光纤折射率；

从LMA光纤内以定义的波长λ传播的高振荡模信号耦合输出信号，该高振荡模信号表现出有效模面积A_eff，该高振荡模被选择来表现出有效折射率n_eff，使得n_core-n_eff，即Δn_eff，大于足够使弯曲引入的失真最小化的预定阈值。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述预定阈值定义为C₁Δn_bend，C₁为与弯曲引入的失真的容许度相关的预定常数。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述预定阈值定义为C₂(λ²/A_eff)，C₂为与弯曲引入的失真的容许度相关的预定常数。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述预定阈值定义为C₃(λ/R_core)²，C₃为与弯曲引入的失真的容许度相关的预定常数。

5.如权利要求1所述的方法，其中有效纤芯面积A_eff大于600μm²。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述高振荡模信号包括高阶模，其有效折射率在LP₀₃模的有效折射率之下。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述LMA光纤包括纤芯内的增益介质。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述LMA光纤表现出的折射率分布允许高振荡信号有效耦合入或者耦合出所述LMA光纤。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述LMA光纤包括微结构区域。