CN101153938A - 有色散的光纤和光纤装置 - Google Patents

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CN101153938A CNA2007100844429A CN200710084442A CN101153938A CN 101153938 A CN101153938 A CN 101153938A CN A2007100844429 A CNA2007100844429 A CN A2007100844429A CN 200710084442 A CN200710084442 A CN 200710084442A CN 101153938 A CN101153938 A CN 101153938A
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Abstract

公开包含有光纤的光纤装置，该光纤具有大于材料色散的总色散，并且具有小于+50ps/nm－km的最佳色散值。当光基本上驻留在光纤的单个高阶模(HOM)，典型地是LP02模上时，获得期望的色散值。该光纤还有利地具有HOM与任何其他模的折射率之间的显著的间隔。

Description

有色散的光纤和光纤装置
技术领域
本发明涉及光纤装置，其中该装置的总色散大于材料色散。
背景技术
光纤可以引导有多个空间图形的光，每个空间图形被唯一地命名为光纤的横模(以下为了简化，称它为模)。光纤中光信号的色散特性取决于它正在传播的模。因此，每种模的特征是它特有的色散值。模的色散大致等于材料色散(Dm)与波导色散(Dw)之和。材料色散是光信号所驻留的材料色散，即，制作光纤的材料(最普遍的是，有微量锗，磷，氟和其他掺杂剂的石英)。波导色散是由于限定光纤波导的折射率分布造成的。因此，通过合适地改变光纤的折射率分布(它改变Dw)，可以设计模的色散(Dtotal＝Dm+Dw)。如以下所解释的，在大多数的光纤设计中，波导色散Dw是负值。因此，光纤的折射率分布可以设计成得到Dw有很大的负值，从而可以实现有各种不同负值的光纤色散Dtota，而在最大可实现的色散中，大多数光纤的色散是材料色散。对于有各种掺杂剂的石英，在约大于1300nm的波长下，它的Dm＞0，而在小于1300nm的波长下，它的Dm＜0。因此，在大于1300nm的波长下，大多数光纤可以实现正的或负的色散(Dtotal)，而在小于1300nm的波长下，光纤色散仅可能是Dtotal＜0。
光脉冲在光纤中的光响应主要取决于它经受的色散。这对于诸如脉冲扩展的线性效应和诸如脉冲畸变和孤子形成的非线性效应都是正确的。因此，光纤的色散在设计光纤基装置中起关键的作用。虽然光纤通信系统通常工作在1300nm或1500nm与1650nm之间的波长范围内，但许多其他重要的光学系统是在较低的波长下工作。光纤激光器的优选工作波长是在1060nm。普遍存在的掺钛蓝宝石激光器可用在几个泵探测实验以及生物医学成像或治疗中，它通常工作在700nm至1000nm的波长范围内。最后，人眼可以看见的所有波长，因此，诸如激光指示器的几种商品化器件工作的波长，它们的波长范围是从400nm至700nm。所有这些应用中共同的工作波长都是在1300nm以下，其中石英光纤仅产生负的色散。在这些波长范围内有正色散或零色散的光纤能够传播孤子并产生宽带超连续光谱，例如，它对于生物医学成像系统是有用的。在许多的这种系统中，在这些波长下要求正的低色散光纤。因此，我们需要这样的光纤，它在小于1300nm的波长下可以提供稳定的光脉冲传播，其色散是正值，并可以通过合适设计折射率分布进行调节。我们需要这样一种光纤，在任何所需的波长范围内，它的波导色散Dw可以设计成大于零。
大多数光纤是单模光纤，这意味着这些光纤仅支持最低阶的基模，基模标记为LP01模。下标中的两个数字分别表示空间光图形在沿方位角方向(第一个下标)和沿径向(第二个下标)有强度最小值(零)的数目。如上所述，标准石英光纤中LP01模仅可以实现Dw＜0，其中折射率分布是由石英中的各种掺杂剂确定。因此，整个这类光纤可以有最大的Dtotal＝Dm，其中Dm是石英的材料色散。由于在＜1300nm的波长下，Dm＜0，在这个波长范围内不能实现Dtotal＞0。
包含气眼的光纤(以下称之为空气-石英光纤)是沿该光纤轴的纵向延伸，它具有J.C.Knight及其同事在2000年7月出版的IEEEPhotonics Technology Letters，Volume 12，page 807中所描述的有趣性质，其标题是“Anomalous Dispersion in Photonic Crystal Fiber”。他们说明空气-石英光纤在任何的波长范围内可以实现大的正色散。然而，空气-石英光纤的色散与它们的模区紧密联系，它不可能实现高的色散并有很大的有效模区，因此，这种设计空间仅可用在要求有高的正色散和低的非线性的系统中。此外，我们知道这种光纤有大的双折射和损耗，它们大大降低在实际系统中的使用。而且，利用常规技术制成的全固态光纤总是比要求人工装配光纤预制件的光纤(如在空气-石英光纤的情况)有较低的成本。这种光纤也存在终端问题：与其他光纤的拼接造成损耗，光性质的变化，以及不能够可靠地制作。
Lysiansky，Rosenblit和Wei公开另一种技术以得到Dw＞0。在US Patent No.6,724,694中，他们公开一种固态(即，不是空气-石英)光纤的典型折射率分布，该光纤支持LP01模和高阶模(HOM)，其中波导设计产生的LP02模或LP03模的色散大于+50ps/nm-km。然而，这些设计不能在＜1300nm的波长范围内实现零或低的正色散值，因此，它不能用于诸如孤子压缩和超连续光谱产生的应用中，这些应用通常是利用700-900nm波长范围内的激光器。此外，这些HOM光纤具有大多数光纤支持多模的严重缺点。虽然我们希望光基本驻留在所需的HOM中，但是，存在其他的模使这种设计对于模耦合是敏感的，而光在模耦合过程中可以损失或可以造成有害的干涉噪声问题。这种模耦合是随所需模与任何其他模的有效折射率(neff)之差的减小而增大。上述作者公开的设计空间导致LP02模和LP11模在工作波长下有相同的neff。因此，这些设计对于干涉噪声和损失是特别敏感的。
因此，我们需要一种可以利用常规制作技术制作的光纤，它有这样的折射率分布，在各种波长范围内不仅产生任何大小的正色散，而且还可以确保该光纤中的模间隔对于模耦合是不敏感的。
发明内容
本发明涉及包含有光纤的光纤装置，该光纤具有的折射率分布在任何的波长范围内可以产生Dtotal＞Dm，它使Dtotal＜+50 ps/nm-km，这种性质在利用光的非线性的各种光纤装置是理想的。若光基本上驻留在光纤的单个高阶模(HOM)上，则上述折射率分布产生给定的色散值。通常，这个HOM是光纤的LP02模，但是，专业人员应当知道，可以把这种设计扩展到其他的HOM，例如，LP11模或LP03模。我们说明典型的折射率分布，它在820-900nm以及1040-1160nm的波长范围内有很小的正色散Dtotal(＜+50 ps/nm-km)，因为这些波长范围对于非线性光纤光学装置是特别有意义的，正是在这些波长范围内，普通的石英光纤有Dtotal＜0，从而激励需要其他的方案。
此处还公开这样一种折射率分布，它在任何的波长范围内产生Dtotal＞Dm，且没有约束色散Dtotal的大小，但同时产生稳定的和没有模式耦合的信号传播。为了实现这后一特征，光纤设计被局限于这样的光纤，其中所需HOM与任何其他模的neff之差(以下标记为Δneff)的绝对值大于10-4。此处我们所公开的设计的光纤可以实现Dtotal＞0和Δneff的绝对值＞10-4，它能应用于在＜1300nm的波长范围内的各种光纤装置，而目前仅有体光学装置。
本发明还涉及一种用于得到有Dtotal＞Dm的设备，包括：光纤和至少一个模转换器，用于把输入光转换成光纤的理想HOM，因此，光的传播基本发生在理想的模式上。在某些情况下，这种装置还包括在该装置输出端的模转换器，为的是从该装置的输出中得到熟悉的高斯空间图形的光。
在一个实施例中，模转换器是静态或可调谐的长周期光纤光栅。
具体实施方式
图1表示支持多个模的光纤的折射率分布，但是，该光纤设计成产生LP02模所需的Dtotal。该折射率分布包括：延伸到径向位置为1μm的纤芯10，其ΔN等于0.039；以下是厚度为0.5μm的沟渠区(下掺杂环)11，其ΔN等于-0.008；以下是厚度为1.4μm的上掺杂环12，其ΔN等于0.027。在此之后，仅由石英玻璃制成的光纤包层13延伸到该光纤的玻璃包层边缘。在典型的光纤中，光纤的玻璃包层延伸到62.5μm的径向位置。图1中示出的折射率分布仅到达7μm的径向位置，因为光纤的其余部分仅仅是石英玻璃包层的延伸。折射率分布的特征是用ΔN表示，ΔN是有用区域与石英包层之间的折射率差。
图2表示图1所示光纤的LP02模20的色散作为波长的函数。图2还画出石英(21)的材料色散，它在820-900nm的波长范围内有很大的负值。作为参照，图2还画出表示零色散线的虚线(22)。从这个图中可以看出，这种光纤的LP02模有很大的波导色散Dw。这是因为这个模的色散(Dtotal)是在0与约+5 ps/nm-km之间变化，而在这个波长范围内，介质的材料色散Dm是在-78 ps/nm-km与-109ps/nm-km之间变化。由于Dtotal＝Dm+Dw，和Dm有很大的负值，Dw必须有很大的正值，为的是使Dtotal有很小的正色散。
专业人员应当明白，介质的波导色散相对于波导尺寸与工作波长的互补比例是大致恒定的，如在Synder和Love在Optical WaveguideTheory，Chapman and Hall，New York，1983中所详细描述的。互补比例的概念是，在波导尺寸与工作波长的给定比例下，该波导有大致相同的波导色散Dw。因此，专业人员应当明白，虽然图1描述的光纤是在800-900nm的波长范围内产生很小的正色散，但是，适当配置折射率分布的径向尺寸可以产生类似的波导，该波导在其他波长下的LP02模可以产生相同大小的Dw。因此，这种设计模型可用在＜1300nm的任意所需波长范围内得到很小的正色散。
此外，图2画出色散斜率是零，负值或正值的情况，它取决于工作波长，其中色散斜率的定义是Dtotal相对于波长的导数。因此，借助于互补比例的概念，显然，这种设计类型可以产生任何符号(包括零)的色散斜率，与此同时，在＜1300nm的波长范围内产生很小的正色散Dtotal。
图3表示支持多个模的光纤的折射率分布，但是，它设计成产生LP02模所需的Dtotal，与此同时，还确保光信号相对于模耦合是稳定的。该折射率分布包括：延伸到径向位置为1.1μm的纤芯30，其ΔN等于0.026；以下是厚度为1.4μm的沟渠区31，其ΔN等于-0.0087；以下是厚度为0.7μm的上掺杂环32，其ΔN等于0.022；以下是厚度为0.7μm的沟渠区33，其ΔN等于-0.0085；以下是厚度为1.44μm的上掺杂环34，其ΔN等于0.015；以下是厚度为1μm的沟渠区35，其ΔN等于0.0073。在此之后，仅由石英玻璃制成的光纤包层36延伸到该光纤的玻璃包层边缘。
图4表示图3中所示波导的LP02模的色散Dtotal。显然，LP02模有很大的正色散，在1040nm的波长下可以高达+100 ps/nm-km。此外，它在从1040nm至1160nm波长范围内的120nm跨度上有正色散。
图5表示图3所示光纤的两个不同模的有效折射率neff。直线50是LP02模的neff，它有很大的正Dtotal，且它是理想的工作模式，而直线51是LP11模的neff，它有最接近于这种光纤理想LP02模的neff值。在这种光纤中可以看出，两个模式之间neff的差在从1040nm至1160nm的整个优选工作波长范围内大于10-4。这种光纤的LP02模与任何其他导模之间有这个很大间隔，可以确保LP02模的光传播不容易耦合到这种光纤的任何其他模，从而确保光信号有稳定的、没有模耦合的、低损耗传播。图5没有画出这种光纤中其他导模的neff，因为它们与LP02模的间隔甚至更大，因此，没有模耦合造成的不稳定性。一般地说，在这种光纤设计中，通常需要计算每个导模的neff，并确保所需HOM与任何其他模之间neff的最小差值超过10-4。
至此，我们已描述两种典型的光纤折射率分布，一种折射率分布产生的Dtotal大于介质(通常是有微量掺杂剂的石英)的材料色散Dm，但是在＜1300nm的波长范围内，Dtotal＜50 ps/nm-km。另一种折射率分布提供的色散Dtotal大于材料色散Dm，Dtotal在＜1300nm的波长下有任意大的正值，因此，所需模与寄生模之间的Δneff总是大于10-4，为的是确保稳定的运行。图6表示成品光纤预制件的折射率分布，它产生满足上述两个条件的LP02模。图7表示图6所示光纤的LP02模的色散(Dtotal)。在从820-920nm的波长范围内100nm的跨度上，LP02模的色散Dtotal＜+40 ps/nm-km。因此，在材料色散有很大的负值(如图2所示约-100 ps/nm-km)的波长范围内，这产生有低的正色散的光纤。请注意，图7所示的色散曲线(以及图2所示的色散曲线)在感兴趣的波长范围内有转折区，即，在工作波长。
图8分别画出LP02模(80)和LP11模(81)的neff。如在图3，4，和5所示光纤的情况下，LP11模的neff最接近于这种光纤中LP11模的neff，因此，它足以研究二者之差以评价它们抗模耦合的能力。从图8中可以推断，neff之差(Δneff)在从820nm-920nm的整个工作波长范围内大于10-4。
在上述光纤的所有讨论中，优选的工作模式是LP02模。可以实施相同的设计技术以产生这样的光纤，其中传播发生在另一个高阶模，它具有上述的色散和稳定特性。
利用上述本发明光纤的光学装置需要模转换器，为的是引入光信号到HOM光纤的优选模。因此，通常是高斯光束空间图形的输入光束，因为它是普通光纤的选择模式，以及自由空间光束，必须高效率地被空间转换成优选的HOM。利用适当设计的长周期光纤光栅可以容易地实现这个目的，在US Patent No.6084996和No.6768835中详细描述它们的运行作为静态和动态模转换器。光纤光栅模转换器可以实现低至0.1dB的损耗，与此同时，它提供高达99.99％的模式转换效率，如Ramachandran et al.在实验上给以展示，并在Optics Letters，vol.27，p.698，2002中描述，其标题是“Bandwidth control oflong-period grating-based mode converters in few-mode fibers”。图9(a)表示利用光纤光栅的典型装置结构，其中HOM光纤在该光纤的输入端和输出端连接到光栅，为的是确保该装置的输入端和输出端是普通的高斯光束模式，即使在该装置内部的优选运行模式可以是不同的。用箭头表示的光源和光程可以有任何合适的波长，但最好是在1300nm以下。此外，在这个示意图中还画出普通的低阶模(LOM)的模图像，通常是LP01，和所需的HOM，最好是有理想色散和稳定性的LP02。按照这种结构，该装置可以连接到任何其他的系统，不管它是在激光腔内要求正色散的掺Yb光纤激光器，还是Ti：蓝宝石激光器的脉冲传递方式，其中该装置用在光射出固态激光器之后(在该图中没有画出激光器和系统结构)。或者，Ishaaya et al.在Optics Letters，vol.30，p.1770，2005中描述的离散相移板，其标题是“Intracavitycoherent addition of single high-order modes”。在图9(b)中画出这个示意图。几个应用要求高功率的光束输出，它可以是准直光束，而不是高斯光束形状。在这些应用中，图9(c)的示意图可能是合适的，其中合适的模转换器把输入的高斯模转换成所需的HOM，但其输出仅在自由空间中被准直和中继。
如以上所描述的，光纤装置被设计成在一段光波导中传播高阶模(HOM)，最好是光纤，因此，该段光纤中的总色散大于该段光波导中的材料色散。为了实现这个目的，光波导/光纤支持HOM的传播作为主传播模，即，大部分的光能量是在优选的HOM中。如上所述，为了确保大部分的光能量保留在优选的HOM中，即，没有模式转换，优选的HOM的有效折射率与任何其他模的有效折射率之差至少为0.0001。为了限定本发明，有这种特征的光纤可以称之为少模光纤，即，它是支持基模和至少另一个模的光纤。
专业人员可以对本发明作出各种改动。与这个说明书具体内容的所有偏离都应该看成是在本发明所描述和申请的范围内，其中这些偏离基本上依靠本发明的原理及其相当的内容。

Claims (22)

1.一种用于支持高阶传播模(HOM)的光信号的光波导，其中所述HOM的总色散大于光波导的材料色散，且具有小于+50ps/nm-km的色散值。
2.按照权利要求1的光波导，其中光波导是少模光纤。
3.按照权利要求2的光波导，其中该光波导的色散值大于零。
4.按照权利要求2的光波导，其中该色散的斜率是正的。
5.按照权利要求2的光波导，其中该色散的斜率是负的。
6.按照权利要求2的光波导，其中该色散有转折区。
7.按照权利要求2的光波导，其中HOM是LP02。
8.一种光学装置，包括：与模转换器组合的按照权利要求1的光波导，用于转换低阶模到所述HOM。
9.按照权利要求8的光学装置，其中模转换器是长周期光栅。
10.按照权利要求8的光学装置，其中模转换器是相移板。
11.按照权利要求8的光学装置，还包括：用于转换HOM到低阶模的模转换器。
12.一种用于支持高阶传播模(HOM)的光信号的光波导，其中所述HOM的总色散大于光波导的材料色散，并且HOM的有效折射率与任何其他模的折射率之差至少为0.0001。
13.按照权利要求12的光波导，其中光波导是少模光纤。
14.按照权利要求13的光波导，其中光该波导的色散值大于零。
15.按照权利要求13的光波导，其中该色散的斜率是正的。
16.按照权利要求13的光波导，其中该色散的斜率是负的。
17.按照权利要求13的光波导，其中该色散有转折区。
18.按照权利要求13的光波导，其中HOM是LP02。
19.一种光学装置，包括：与模转换器组合的按照权利要求12的光波导，用于转换低阶模到所述HOM。
20.按照权利要求19的光学装置，其中模转换器是长周期光栅。
21.按照权利要求19的光学装置，其中模转换器是相移板。
22.按照权利要求19的光学装置，还包括：用于转换HOM到低阶模的模转换器。
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