CN101196591B - 大模面积、多模混合光纤以及使用该光纤的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供大模面积、多模混合光纤以及使用该光纤的装置。根据本发明的一种大模面积光纤被配置成在其纤芯区域内支持多横模的信号发射。该光纤是一种混合设计，包括至少两个具有不同特性的轴向分段。在第一轴向分段中，纤芯内的横向折射率分布不是径向均匀的，其特征是折射率中有径向的下陷。第一分段支持多于一种的横模。在第二轴向分段中，纤芯内的横向折射率分布比第一分段的折射率分布更均匀。这两个分段绝热地相互耦合。作为例证，第二分段是适于与其它组件耦合的终端部分。在一实施例中，第一分段中M1 2＞1.0，第二分段中M2 2＜＜M1 2。在一优选实施例中，M1 2＞＞1.0且M2 2～1.0。在另一实施例中，该光纤耦合到光纤短插芯中。

Description

大模面积、多模混合光纤以及使用该光纤的装置
相关申请的交叉引用
本申请是2006年12月5日申请的、共同待审的申请号为№.11/633999、题目为“Gain-Producing，Large Mode Area，Multimode，Hybrid Optical Fiber andDevice Using Same”的专利申请的部分继续申请。
该申请同时要求2005年12月16日申请的、临时申请号为№.60/750967、题目为“Rare-Earth-Doped，Large-Mode-Area，Multimode，Hybrid Optical Fibersand Devices Using Same”的优先权。
技术领域
本申请涉及光纤，尤其涉及用于高功率光放大器或激光器应用中、提高耦合效率的大模面积、多模光纤。
背景技术
由于高性能和成本效率，稀土掺杂光纤放大器(REDFA)，特别是铒掺杂光纤放大器(EDFA)广泛地使用在石英光纤光通讯系统中，例如，远程传送和CATV应用中。稀土掺杂光纤(REDF)，尤其是铒掺杂光纤(EDF)的改进设计和优化已经在这些应用中起了重要的作用。尤其是在限制光模场并控制铒分布的设计，使得能够在中低光功率水平实现光的有效低噪声放大。另一方面，对于高功率应用，大模面积(LMA)光纤降低了信号密度，因此减少了有害的非线性影响，并且也增加了泵浦吸收效率。高功率REDFA和稀土掺杂光纤激光器(REDFL)，尤其是那些使用镱掺杂光纤(YDF)的激光器，除了传统的通讯产业外还具有很多应用。例如，将高功率的LMA、YDF应用在切割和焊接、激光测距和目标指示、医学应用和污染检测以及自由空间通信(例如卫星之间)等。
LMA光纤的光学特性敏感地依赖于其横向折射率分布的细节。常识表明，期望的LMA光纤的基模M2非常接近1.0，这意味着基横模的光场形状非常接近高斯分布，这是因为纤芯内部的横向折射率分布基本上均匀；即，在纤芯的横向截面中折射率分布是基本上均匀的。M2衡量模场和真正高斯函数之间的相似度。更具体地，对于具有高斯形状的模M2＝1.0，对于所有其它模场形状M2＞1.0。非常接近于1.0的M2便于低损耗的光耦合，而且发自光纤的光束可被有效地准直成或被紧密地聚焦成衍射极限光斑。然而，由于在临近纵轴的折射率分布呈现下陷趋势(也称之为“中心下陷(center dip)”或“烧孔(burnoff)”)，所以制造具有理想基模(M2＝1.0)和均匀纤芯折射率分布的LMA光纤是困难的。而且，基横模M2非常接近1.0的LMA光纤比具有类似纤芯直径但没有明显中心下陷的基横模光纤，呈现出较小的有效区域和因而对于不期望的光学非线性的更低的阈值。最后，当LMA铒EDF的纤芯横向折射率分布是基本均匀的并且其基模M2非常接近于1.0时，基模和掺杂纤芯外部区域之间具有相对小的交叠。因此，基模可能经历低放大率而高阶模可能经历不期望的放大。
尽管前面的讨论重点在LMA REDF，在多方面它可等同地应用到以下光纤：(i)以其它增益产生(gain-producing)物质掺杂LMA光纤，例如铬掺杂，以及(ii)不以任何增益产生物质掺杂的LMA光纤。在后一情形中，例如该LMA光纤可包含增益产生光纤(GPF)或其它装置的尾光纤(pigtail)，或者它可以简单地是耦合多级光放大器的各级的光纤段。
因此，现有技术中需要一种具有提高的光学耦合效率的LMA光纤。
同样也需要一种适合高功率光纤放大器和激光器应用的LMA光纤。
发明内容
按照本发明一方面，一种LMA光纤被配置成在其纤芯区域内支持多横模的信号发射。这种光纤是一种包含至少两个具有明显不同特性的轴向分段的混合设计。在第一轴向分段中，纤芯内部的横向折射率分布径向不均匀，其特点是折射率有径向的下陷。第一分段支持多于一种的横模。在第二轴向分段中，纤芯内部的横向折射率分布比第一分段中的更均匀。这两个分段绝热地相互耦合。在一实施例中，这两个分段通过第三分段绝热地相互耦合，该分段不必(但也可以是)是增益产生光纤。作为例证，第二分段是便于与其它组件耦合的光纤的终端部分。
在本发明的另一实施例中，在第一分段中M1 2＞1.0，在第二分段中M2 2＜＜M1 2。在一优选实施例中，M1 2＞＞1.0并且M2 2～1.0。
在另一实施例中，该LMA光纤耦合到一光纤短插芯(stub)中。
附图说明
通过下面结合相应附图的更详细地描述，本发明和其各种特征和优点可被更容易地理解，其中：
图1是现有技术的REDFA的示意图方块；
图2是根据本发明一实施例，示出一输入分段12i、一绝热耦合分段12a和一低M2终端分段12t的LMA光纤12’的示意图；
图3是根据本发明的另一实施例，额外地示出设置在一对绝热耦合分段12a2和12a3之间的另一低M2分段12m的LMA光纤12”；
图4A是一LMA光纤沿其传播轴的截面视图的示意图；
图4B是根据本发明的另一实施例，图4A中所示LMA光纤的终端分段的横向折射率分布示意图；
图4C是根据本发明的又一实施例，图4A中所示LMA光纤的输入分段的横向折射率分布示意图，示出了在纤芯区域中心或靠近中心位置处折射率分布的明显下陷。
图4D是图4C中纤芯区域的折射率分布中明显下陷的放大视图；
图5是一设计光纤(曲线5.1)、一热处理过的光纤(曲线5.2)和一均匀阶跃折射率(step index)光纤(曲线5.3)相对于径向位置的纤芯包层的横向阶跃折射率步幅(step)(Δn)曲线；
图6是一设计光纤(曲线6.1)、一热处理过的光纤(曲线6.2)和一均匀阶跃折射率光纤(曲线6.3)的基横模(LP01)的归一化光学密度曲线；
图7是与图5中的光纤设计中的设计光纤(曲线7.1)和理想均匀阶跃光纤(曲线7.3)的基横模和折射率分布之间的交叠相比，带有明显中心下陷的光纤和相对径向位置具有均匀阶跃折射率的光纤的归一化光学密度曲线；以及
图8是根据本发明的再一个实施例，耦合到光纤短插芯的一LMA混合光纤截面视图的示意图。
具体实施方式
普通光纤放大器结构
如图1所示，典型的光纤放大器10包含GPF 12，它光学地耦合一耦合装置14和一使用装置20。在电信应用中装置14是一波分复用器；在高功率的非电信应用中它被用作一泵浦合束器。简单起见，下文中将以高功率非电信应用为背景对本发明进行描述。在此情形中，泵浦合束器14将一光输入信号源16和一光学泵浦源18的输出信号耦合到GPF 12中。该输入信号源16产生第一波长的光输入信号，该输入信号通过一普通光纤22耦合到泵浦合束器14的输入端，而泵浦源18产生第二波长的光泵浦信号，该光泵浦信号通过一普通光纤24耦合到泵浦合束器14的另一输入端。
众所周知在本领域中，泵浦信号在GPF 12中产生粒子数反转，这放大来自输入源16的输入信号。该放大的输入信号沿GPF 12传播到使用装置20中。在高功率应用中，该使用装置20可包括多种公知的装置或设备；例如另一光纤放大器、光束准直器、透镜系统、工件(例如用来焊接或切割)；然而在电信应用中，使用装置20可以包括光接收器、光调制器、光耦合器或分束器、或终端装置工件。它们中的一些可以通过标准的尾光纤连接器(未示出)耦合到GPF 12。
作为例证，输入光源16是产生相对低功率的光输入信号的激光器，该光输入信号波长在GPF 12的增益产生物质的放大范围内，而泵浦源18是产生相对高光功率(例如高于约150mW)泵浦信号的半导体发光二极管(LED)或LED阵列，该泵浦信号的中心波长较短，其产生输入信号的所期望的放大。优选地，GPF 12是一镱掺杂光纤，信号源16产生中心波长为约1080nm的输入信号，并且泵浦源18产生中心波长约为915nm的泵浦信号，或可选的约975nm的泵浦信号。在这里需要指出，半导体激光器同样可用作泵浦源，但是优选LED特别是LED阵列，因为使用LED可将更多的光总量耦合到光纤中。
尽管图1中的光放大器描述了一种常用的共同传播(co-propagating)的泵浦配置(即泵浦信号和输入信号通过GPF以同一方向传播)，它同样可以使用反传播的配置(即泵浦信号和输入信号通过GPF以相反方向传播)。此外，多个光放大器可以级联排列，这是本领域一种公知的增大高功率多级系统的总增益的方案。泵浦能量同样可以被横向耦合到GPF中。
此外，当提供一合适的公知的光学谐振腔(例如：一对相互隔开放置的光栅)时，该GPF和谐振腔的组合可用做激光器。
混合LMA光纤设计
根据本发明的一方面，如图4A所示，LMA GPF 12’包括一直径为dc的纤芯区域12.1，它由直径为do的包层区域12.2所围绕。按如下定义术语“大模面积”(LMA)：LMA光纤的纤芯区域和包层区域被配置成产生充分大于普通单模光纤的有效模面积的有效模面积。例如，在波长约1080nm处，一普通单模光纤示例地具有约50μm2的模面积，而LMA光纤在相同波长处则具有约100μm2的模面积。类似地，在约1550nm的波长处，普通单模光纤示例地具有约80μm2的模面积，而LMA光纤在相同波长处则可具有约160μm2的模面积。尽管这些例证指出在同一波长LMA光纤具有单模光纤两倍的模面积，但是取决于LMA GPF的特别应用和所期望的性能，其它的比率也是适合的。
纤芯区域12.1的折射率大于包层区域12.2的折射率，其折射率差为Δn。尽管没有示出，但可以知道包层可包括一内部(低压)包层区域和外部包层区域，外部包层区域的折射率介于纤芯区域和内部包层的折射率之间。
在另一情形下，纤芯区域和包层区域配置成支持来自光源16(图1)在其中传播输入信号发射的多横模地传播。根据本发明的一方面，GPF 12’是混合光纤，如图2所示，它包括具有至少两个具有不同特性的轴向分段；也就是，例如，通过LMA轴向绝热分段12a绝热地相互耦合的LMA轴向输入分段12i和LMA轴向终端分段12t。此外该混合光纤12’可在其输入末端(未示出)、输出末端(如图2所示)或两端同时包括一LMA终端分段。
更具体地，在一种理解中，终端分段和输入分段的不同的特性在于它们具有不同的横向折射率分布，分别如图4B和图4C所示。通常终端分段12t的纤芯区域内部的横向折射率分布要比输入分段12i的均匀。均匀程度是由例如分布形状的傅立叶变换的高频分量来衡量的。因此，其傅立叶变换带有少量高频分量的分布被认为比那些傅立叶变换中带有更多高频分量的分布更均匀。简单分布相对均匀度的视觉观察通常与这种定量分析的结果一致；例如，图4B示出终端分段12t的纤芯区域内部的分布呈现基本恒定的横向折射率，因此在其傅立叶变换中具有较少的高频分量，而图4C示出输入分段12i的纤芯区域内部的横向折射率分布呈现出明显的中心下陷，因此在其傅立叶变换中具有更多的高频分量。因而，如图4C所示，在输入分段12i中纤芯区域12.1的横向折射率分布不是径向均匀的；即，该折射率分布在横向折射率在纤芯区域12.1中心或靠近纤芯区域12.1中心的位置下降量值为Δnd之处呈现明显下陷12.1d，如图4D所示。相比之下，在终端分段12t中，纤芯区域内部的横向折射率分布更接近均匀(或径向上为常数)，如图4B所示。
此外，该输入分段12i被配置成支持多于一个横模。
在设计该明显的横向折射率下陷12.1d的特征时，优选下陷Δnd的幅度应该不大于约Δn的100％，Δn即纤芯和包层的折射率差。Δn的大小取决于GPF的增益产生掺杂以及任何折射率改变掺杂，例如可被添加到纤芯和/或包层区域的Ge、P、Al或F；举例来说，在Yb掺杂光纤中Δn～0.005，而在Er:Yb掺杂光纤中Δn～0.01。在相对的极限情况下，下陷的幅度不应小于Δn的约5％。该范围的下限主要根据充分扰动动横模形状使其脱离纯高斯形状的需要来确定如下所述。另一方面，下陷的宽度或直径dd应该大致上大于系统中使用光的最短波长(例如，大于典型地小于信号波长的泵浦光波长)。在相对的极限情况下，下陷的最大宽度dd可等于纤芯区域12.1的直径dc，但典型值是约dc/3。这些条件的目的是使光能够“看见”下陷产生的折射率中的扰动(perturbation)。此外，尽管该下陷被描绘成圆锥形的，但其它几何形状(例如柱状)和更复杂的形状也可以适用。
在另一种理解中，终端分段和输入分段的不同特性在于它们的M2参数相互不同，其中M2定义了光纤的基横模具有的与理想高斯函数的相似度，正如P.A.Belanger，Optical Engineering，Vol.32.No.9，pp.2107-2109(1993)中所描述的，在此引用该文献作为参考。(尽管该论文中定义的M2是对于阶跃折射率光纤的LP01基模，但是该定义对所有的光纤都有效，包括此处讨论的、在其横向折射率分布中具有中心下陷的光纤)。特别地，输入分段12i的特性用参数M1 2表示，终端分段12t的特性用参数M2 2表示，并且满足下述不等式：M1 2＞1.0，M2 2＜＜M1 2。在一优选实施例中，M1 2＞＞1.0并且M2 2～1.0。理论上M2可以任意大，但是实际上GPF的M2典型地在大致1＜M2＜10的范围内。而且，例如在M2 2～1.0的情形下，M2～1.06典型地认为是小的，而例如在M1 2＞＞1.0的情形下，M2～1.3认为是大的。
此外，输入分段12i和终端分段12t绝热地相互耦合；例如通过如图2所示的LMA绝热分段12a。通常这样的耦合器保证输入分段以特定横模传播的能量不被耦合到终端分段的其它横模中，反之亦然。在本领域公知的绝热耦合技术和设计，包括物理地弄尖纤芯区域使其直径沿耦合区域在轴向上平滑地增大(或减小)，或化学地分级掺杂浓度使其密度沿耦合区域在轴向上逐渐增加(或减小)。在后一种情形中，一种优选的技术包括：(i)加热GPF(例如使用常用的点火器)以引起光纤中掺杂物扩散，以及(ii)根据点火器沿光纤的纵向位置控制地改变施加到光纤上的热量，以便获得期望的掺杂物分布。例如参见H.Y.Tam，Electr.Lett.，Vol.27，No.17，pp.1597-1599(1991)，其在此被引用作为参考。
这些分段的M2参数的设计和在其之间使用绝热过渡的组合改善了从输入分段到终端分段基横模的耦合，并且有效地减少了到高阶模的耦合。
本发明的另一优点是上述原理甚至在缺少熔融接合(一种典型的耦合不同单模光纤的现有技术手段)的情形中也可应用，例如，当使用合适的透镜或透镜系统在自由空间中实现GPF终端分段和块体(bulk)(非光纤)光学元件(例如望远镜)的耦合时。
此外，现有的用于提高光纤和大体积光学元件之间的连接性能的技术可与本发明相结合。例如，现有技术已知的、以与光传播轴线成一小角度(典型的为2°至10°)劈开或打磨光纤端面，可充分减少该端面的光学反射。
在上面讨论波长范围工作的本领域公知的典型的硅基GPF中，纤芯区域12.1掺杂至少一种增益产生物质(例如，稀土元素(如Er、Yb、Tb、Tm、Nd和/或Pr)或铬(Cr))以及一种或多种折射率改变物质(例如Ge、P或Al(以增加折射率)或F(以减小折射率))。包层区域12.2可以是纯石英，或也可以掺杂。举例来说，依赖于所用的掺杂物，选择掺杂水平使得纤芯区域和包层区域间的折射率之差在约0.005至0.01之间的范围内，如前面所讨论的，输入分段中的折射率下陷Δnd大约和Δn为同一尺度。
而且，为了使光纤支持多横模，纤芯的直径dc例如大概为20μm。这种光纤的外径do典型地在约125μm至600μm的范围内。此外，很明显输入分段12i为光纤12’总长度的主要片段，而终端分段12t是相对较小的分段；例如终端分段长度是小于约500μm，而输入分段为1m或1km长度量级。
最后，本领域技术人员容易理解，通常混合设计可被应用到LMA光纤；即，包括增益产生物质(例如GPF)的LMA光纤和不包括这些的LMA光纤。更具体地，这种LMA光纤可相互连接多级光学放大器的各级或可包含GPF或其它装置的尾光纤。在LMA光纤中缺少快速扩散的稀土掺杂物的情况下，光纤应该掺杂在加热处理(下文中将详细讨论)时能够足够快速扩散的另一物质，以充许形成终端分段12t。
光纤终止处理
如上面提及的，高M2的LMA光纤可被局部加热以引起局部地减小光纤的M2的掺杂物扩散。将光纤加热到足够的温度(例如将石英光纤加热到接近或超过大概2000℃的熔融接合温度)使得折射率改变的掺杂物充分扩散，由此使得光纤横向折射率分布中的显著改变。这种掺杂物扩散用来抑制中心下陷、脊、或其它增加基LP01模M2的折射率分布特征。在本发明的多种(但不是所有)实施方式中，基横LP01模的MFD(使用常规“Petermann II”定义的模场直径)实际上随着热引起的扩散而减小。
在本发明中，所设计的LMA光纤被部分地加热到高温(对于石英光纤＞＞1200℃)以引起掺杂物扩散，该掺杂物扩散抑制中心下陷、或其它提高光纤的LP01基模的M2的折射率分布中的特征。图5中的曲线5.1绘制了Er:Yb掺杂光纤的理论设计的光纤折射率分布，其初始MFD为13.4μm并且其初始M2～1.32。在该模拟的折射率分布中可见明显的中心下陷。加热这种石英光纤设计至约2100℃持续约25秒修改了折射率分布(曲线5.2)，使得最后的MFD为13.3μm并且初始M2被降低(改善)至约1.0。将这种修改应用到光纤12’(图2)的终端分段12t，这显著地改善了进出此光纤的耦合效率，而不管使用了何种耦合技术(常用的熔融接合、连接器连接、自由空间耦合、GRIN光纤透镜，等)。相应地横LP01模场(密度场)形状在图6中绘制出。
针对这个特定例子，重要的是需要注意：对于LP01基模中引导的给定量的功率，本设计光纤的峰值光密度只有热处理光纤中峰值光密度的约37％。因此，如果以如图5绘制的横向折射率分布(曲线5.1)设计LMA光纤，在该光纤的每一末端以分段12t终止(该分段12t被局部地热处理以引起如图5绘制的扩散的折射率分布(曲线5.2))，那么大部分光纤中的峰值光密度将相对较低，使得不期望的非线性光效应(例如受激布里渊散射或受激拉曼散射)的开始阈值相对较高。同时，由于终端分段12t的M2接近于1.0，光纤终止点的耦合效率也会很优异。期望仅仅在光纤的热处理的终端分段的短(＜约500μm)的区域内提高光密度。由于有害的非线性光效应与峰值密度和光纤分段的长度成比例，因此在光纤的短的终端分段的范围内容忍提高的光密度。
光纤终止处可以使用常规的熔接机进行热处理。如果光纤热处理区域内部是劈开或打磨过的，那么就可使用自由空间耦合(例如采用常用的体透镜(bulklenses))以获得与光纤LP01基横模的有效耦合，该光纤的设计的LP01模场形状是非高斯形状的。可选地，可把热处理结合作为修改的熔融结合过程的一部分。匹配图6中的设计(未加热)光纤(曲线6.1)的MFD的高斯场之间的预期的耦合损失约为0.7dB，而对热处理过的光纤(曲线6.2)的相应的预期耦合损失小于0.01dB。而且，超过10％的高斯能量将被耦合到设计光纤中的不期望的LP02模中，而耦合到热处理光纤的LP02模中的能量数不可测量。
为了确保在LMA光纤的热处理和设计的区域之间的转换区域中能量不从LP01基模损失，如上面讨论的，应使得该转换是渐变和绝热的。转换区域内折射率分布的变化必须是沿其长度方向非常渐进的变化。当通过加热引起的掺杂物扩散来产生转换区域时，通过沿其长度改变施加到转换区域的热量可实现渐变的转换，例如，通过选用宽的(也就是散开的)热源或沿转换区域扫描较集中的热源。根据现有技术的原理，究竟发生如何渐进的改变，取决于折射率分布以及工作波长的细节。可容易地使用基于折射率分布的数值模拟和经验过程优化，以获得使转换损失最小的合适的加热条件。
如上面所指出的，本发明可作为修改的熔融接合过程的一部分来实现，该熔融接合过程施加到LMA光纤和另一光纤之间的界面处或界面附近。在此情形中，在横向于光传播轴的方向上的掺杂物扩散修改LMA光纤终端分段(例如图2中的12t)的折射率分布，由此在该终端分段中产生更有益的M2。同样已知，不可避免地会有少量的相互扩散在穿过结合处的轴向上从LMA光纤进入其它光纤，同样也从其它光纤进入到LMA光纤。已知这种穿过熔融接合处的相互扩散充分降低熔融接合处的反射系数，当组装对光反射反馈敏感的光纤装置例如高功率光纤激光器时这是有益的。(见A.D.Yablon，“Optical FiberFusion Splicing”，Springer，New York(2005)，在此引用作为参考。)因此本发明也能提供减少LMA光纤和其它光纤之间的终端熔融接合处的反射系数这一附加优点。
在本领域同样已知，在一给定温度下不同的化学掺杂物质将以不同的速率扩散。已知光纤掺杂物，如氟、铝、铒和镱扩散地比锗快，因此当根据上述的用于实施本发明的技术制造对其进行掺杂物扩散的LMA光纤时这些掺杂物是优选的。于是，光纤可以是掺杂F或Al、或其两者的非增益产生LMA光纤，或者可以是掺杂Er或Yb、或其两者的增益产生LMA光纤，其也可能是同时也掺杂F或Al、或其两者，这取决于该光纤的特定应用。
加工的局限同样不可避免地在LMA光纤折射率分布中引入小的方位偏差。这种方位的不均匀性对常规的非LMA光纤的模场形状具有可忽略的影响，但是对LMA光纤，甚至是在折射率分布上很小的方位不均匀(～0.0005)就可能促使模的光密度聚集在最高折射率的方位区中。当想要的基模为环形时，如图6的曲线6.1，这种小的方位不均匀可产生月牙形而非环形的密度分布。通常，方位对称的光信号和非方位对称的光信号之间的耦合是低效率的。由于掺杂物扩散光纤的终端分段(例如图2的12t)具有足够的方位对称模场，并且光纤的非方位对称部分(未扩散的)和方位对称部分(扩散的)之间的绝热转换分段(例如图2中的12a)可容易地获得，因此本发明可减轻这种问题。
运行理论
当LMA光纤的基横模的M2＞1.0时，其耦合损失(自由空间或熔融接合)增加，并且来自光纤的基横模输入信号难以紧密聚焦成小光斑尺寸或难以准直。然而具有高的M2(＞1.0)也有一定的优点。特别地，其基横模场具有较大数值M2的光纤典型地呈现较大的有效模面积，以及因此比具有相同纤芯直径但M2低的光纤的峰值光密度要低。因此，具有高M2的光纤对于例如SBS(受激布里渊散射)和SRS(受激拉曼散射)等不期望的光学非线性的开始呈现出较高的阈值。除了此优点之外，在LMA GPF情形中，具有高M2的光纤(例如，由于在纤芯区域折射率明显的中心下陷，如图4C所示用于输入光纤分段12i)在纤芯区域内的增益产生掺杂物和纤芯区域内传播的输入信号的基横模场之间可呈现好的交叠。因此，基横模的放大效率提高，并且通过设计具有高M2的光纤可减小不期望的较高阶横模的放大。
这些优点在图5至图6中是明显的，这些图比较了三种LMA光纤：理论设计的具有高的M2的光纤(曲线5.1、6.1)；理论的均匀阶跃折射率光纤，同样具有高的M2(曲线5.3、6.3)；以及经热处理减小了其M2的光纤(曲线5.2、6.2)。它们的折射率分布在图5中进行比较，并且它们在1550nm处相应的基LP01横模光密度在图6中进行比较。设计光纤和阶跃折射率光纤的光纤密度在光纤被热处理的部分已经被归一化成峰值密度，使得它们都表现出相同数量的光功率。
更具体地，该设计光纤，例如对应于图2中输入光纤分段12i，在纤芯区域横向折射率中呈现明显的中心下陷(如前面量化的)，由此具有提高的约1.32的基模M2和相对大的约259μm2的有效模面积。该设计光纤和均匀阶跃折射率光纤都是Δn～0.01以及dc～20μm。但是，均匀阶跃折射率光纤具有大约1.05的基模M2和减小的大约200μm2的有效面积。为了举例说明具有高M2的光纤的纤芯区域折射率分布和密度分布之间的好的交叠，图6比较了这些光纤的归一化光密度分布和折射率分布。
另一方面，在对应于例如图2中的终端光纤分段12t的热处理光纤中，热处理将M2从1.32改善(降低)至约1.0，将有效模面积从259μm2减少至139μm2，将峰值光密度从大约0.37增加到1.0，并且基本不改变已知的“PetermannH”MFD(对于设计光纤和热处理光纤都是约13.3μm)。作为比较，理想的均匀阶跃折射率分布的折射率分布及和其对应的归一化密度分布同样也被示出(曲线5.3、6.3)。
最后，图7比较了上述结合图5-6描述的设计光纤(曲线5.1、7.1)和理想均匀阶跃折射率光纤(曲线5.3、7.3)的基横模和折射率分布之间的交叠。折射率分布和光密度分别被归一化。图7表明阶跃折射率光纤的纤芯区域外部的大部分经历相对低的光密度，而设计光纤的较大部分经历较高的光密度。因此设计光纤在横模场和增益产生掺杂物之间有较好的交叠，这意味着该设计光纤也呈现较好的放大效率。
可选的实施例
可以理解上述的布置仅仅举例说明多种可能的特定实施例，这些实施例被设计以表现本发明构思的应用。根据这些构思本领域技术人员在不脱离本发明精神和范围的情况下，可设计出大量的、变化的其它布置。
特别地，如图3所示，LMA光纤12”可包括位于光纤上除LMA终端分段12t之外光纤末端之间的位置处的LMA中间分段12m，该LMA终端分段12t通过LMA绝热耦合器12a1绝热地耦合到输入分段12i。中间分段12m同样绝热地耦合到输入分段12i，例如通过LMA绝热耦合器12a2和12a3。像终端分段12t一样，中间分段12m具有一基横模M2，它小于输入分段12i的M2并且优选接近1.0。这样的中间分段12m的一种应用是滤掉不想要的高阶横模。
此外，尽管已结合光放大器应用的背景描述了本发明，本领域技术人员可容易的认识到，其应用可扩展到需要耦合到GPF的任何设备(例如，光纤激光器)。
而且，绝热耦合区域，例如图2中的耦合器12a，不必是GPF。它可以简单的是不掺杂任何增益产生物质的光纤分段，但类似于光纤分段12i那样在折射率分布中设有中心下陷。该分段可按已知的样式设计，如上面所讨论的，以便在分段12i和12t之间提供绝热转换。实际上，正如前面所述，根据特定的应用，图2和图3中的整个光纤12’和12”可以是不包含增益产生物质的LMA。
最后，在图8中举例说明本发明的一实施例，其中混合LMA光纤通过自由空间耦合到使用装置上。更具体地，光学设备80包括耦合到光纤短插芯84上的一混合LMA光纤82，该光纤短插芯84然后通过自由空间耦合到一使用装置，例如一透镜(或透镜系统)86。后者当然可以将短插芯84的的辐射(光)输出耦合到另一使用装置(未示出)。在这点上，熔融接合优于对接耦合(buttcoupling)。
如上面参照图2描述的，混合LMA光纤82包括相互级联设置的输入分段82i，绝热分段82a以及终端分段82t。如显微图83和85所示，输入分段82i内的模场是非高斯模式的，而在终端分段82t内的模场基本上是高斯模式的。
通常，短插芯84的折射率在任何轴向横截面内(或上)都是基本上均匀的(即，恒定的)。尽管不是必须的，但典型地优选的是，短插芯84的折射率从一个轴向横截面到另一轴向横截面也是均匀的。例如，短插芯84包括一典型长度为～500μm的无纤芯石英光纤。
在工作过程中，终端分段82t中产生的高斯模式(显微图85)进入短插芯84，在此其波前87.1通过衍射在空间扩展。当该模式从短插芯84的输出末端发出时，其波前87.2为基本的球面并且由此与例如透镜86的普通体光学元件相兼容。后者产生基本平面的波前87.3，它被耦合到一合适的使用装置(未示出)。
图8的实施例是互逆的，因为在其中光可以按双箭头81和89所指的任一方向，通过各个组件传播。即，光可以耦合到LMA光纤82，之后从透镜86射出，或者相反地，光也可以耦合入透镜86中，之后从光纤82射出。
优选地，光纤82和短插芯84以妨碍在它们之间的界面产生高密度光斑的形式相互耦合。(在这一点上，熔融接合优于对接耦合)。已知在连续成块(bulk)材料中固有的损害光密度阈值远比在自由表面的高。而且任何自由表面是潜在的污染位置，它可用作为光学损害的成核位点。因此短插芯84保证最大的光密度只在块体内部获得，例如在光纤82和短插芯84之间的界面处，此处是不受污染的并且此处的固有的光学损害阈值是最大的。见R.M.Wood，“Laser-InducedDamage of Optical Materials，”Institute of Physics Publishing，Bristol&Philadelphia(2003)，在此引用该文献作为参考。

Claims (24)

1.一种多横模光纤，包括：
纤芯区域，所述纤芯区域的轴向横截面具有横向折射率分布，
与所述纤芯区域相临的包层区域，
所述纤芯区域和所述包层区域被配置成支持多横模的光信号发射，
所述光纤包括第一轴向分段，其中所述折射率分布在径向不是均匀的，特点是折射率有径向下陷，所述第一轴向分段支持多于一种所述的横模，
所述光纤具有光学地耦合到所述第一轴向分段的第二轴向分段，所述第二轴向分段的折射率分布比所述第一轴向分段的折射率分布更均匀，以及
所述两分段绝热地相互耦合。
2.如权利要求1的多横模光纤，其中所述第一轴向分段的特点用参数M1 2表示，所述第二轴向分段的特点用参数M2 2表示，其中M2定义所述光纤的基横模与理想高斯函数的相似度，并且其中M1 2＞1.0，M2 2＜＜M1 2，其中1＜M2＜10。
3.如权利要求2的多横模光纤，其中M1 2＞＞1.0，M2 2约为1.0。
4.如权利要求1的多横模光纤，其中所述第一轴向分段包括所述光纤长度的输入部分，所述第二轴向分段包括所述光纤的终端部分。
5.如权利要求4的多横模光纤，其中所述光纤包括光学耦合到所述第一轴向分段的第三轴向分段，所述第三轴向分段的折射率分布比所述第一轴向分段的折射率分布更均匀并且绝热地与所述第一轴向分段耦合，所述第二轴向分段位于所述第一轴向分段的一端，所述第三轴向分段位于所述第一轴向分段的相对一端。
6.如权利要求1的多横模光纤，其中所述第一轴向分段的纤芯区域的折射率分布呈现折射率下陷Δnd，它为所述纤芯区域和所述包层区域之间横向折射率之差Δn的5-100％。 
7.如权利要求1的多横模光纤，其中光纤被配置成以基横模传播所述光信号发射。
8.如权利要求1的多横模光纤，其中所述第一轴向分段包括所述光纤长度的输入部分，所述第二轴向分段包括所述光纤的中间部分。
9.如权利要求1的多横模光纤，其中所述纤芯区域和包层区域被配置为构成大模面积光纤。
10.如权利要求9的多横模光纤，其中所述大模面积光纤包括增益产生光纤。
11.如权利要求9的多横模光纤，其中所述大模面积光纤包括尾光纤。
12.一种光纤设备，包括：
根据权利要求10的光纤，用于响应施加到其上的光泵浦能量放大所述光信号发射，以及
耦合到所述光纤一端的光纤短插芯，该光纤短插芯被配置成衍射在所述短插芯中传播的光发射。
13.如权利要求12的光纤设备，其中所述短插芯包括无纤芯光纤。
14.如权利要求12的光纤设备，其中所述短插芯的折射率在该短插芯的任何轴向横截面内是均匀的。
15.如权利要求14的光纤设备，其中所述短插芯的折射率从该短插芯的一轴向横截面到另一轴向横截面是均匀的。
16.一种光放大器，包括： 
根据权利要求10的光纤，用于响应于施加到其上的光泵浦能量放大所述光信号发射，
所述光泵浦能量的源，以及
耦合器，用于将所述光泵浦能量和所述光信号发射耦合到所述光纤中。
17.如权利要求16的光放大器，其中所述光信号发射具有第一中心波长，并且所述光泵浦能量的源包括用来产生具有第二中心波长的光泵浦信号的半导体光源。
18.一种高功率光放大器，包含：
多横模、大模面积混合光纤，其包括
掺杂至少一种增益产生物质的纤芯区域，所述纤芯区域的轴向横截面具有横向折射率分布，
所述纤芯区域被配置成响应于施加到其上的光泵浦能量，放大在其中传播的光输入信号，
与所述纤芯区域相邻的包层区域，
所述纤芯区域和包层区域被配置成支持多横模的光信号发射，
所述光纤包括第一轴向分段，其中折射率分布在径向不是均匀的，特点是折射率有径向下陷，所述第一轴向分段支持多于一种所述的横模，
所述光纤具有光学地耦合到所述第一轴向分段的第二轴向分段，所述第二轴向分段的折射率分布比所述第一轴向分段的折射率分布更均匀，
所述两分段绝热地相互耦合，以使得在所述第一轴向分段中以特定横模传播的能量基本上不耦合到所述第二轴向分段中的其它横模中；以及
所述第一轴向分段的特点用参数M1 2表示，所述第二轴向分段的特点用参数M2 2表示，其中M2定义所述光纤的基横模与理想高斯函数的相似度，以及其中，M1 2＞1.0以及M2 2＜＜M1 2，并且1＜M2＜10，所述第二轴向分段位于所述第一轴向分段的输入端或输出端处，或位于该输入端和输出端两者处，
LED，用于以不同于所述光输入信号的中心波长的中心波长产生所述光泵 浦能量，以及
泵浦合束器，用于将所述光泵浦能量耦合到所述光纤中。
19.如权利要求18的高功率光放大器，其中M1 2＞＞1.0，M2 2约为1.0。
20.如权利要求18的高功率光放大器，其中所述第一轴向分段的纤芯区域的折射率分布呈现折射率下陷Δnd，它为所述纤芯区域和所述包层区域之间横向折射率之差Δn的5-100％。
21.如权利要求18的高功率光放大器，还包括耦合到所述光纤一端的光纤短插芯，并且该光纤短插芯被配置成衍射在所述短插芯中传播的光发射。
22.如权利要求21的高功率光放大器，其中所述短插芯包括无纤芯光纤。
23.如权利要求21的高功率光放大器，其中所述短插芯的折射率在该短插芯的任何轴向横截面内是均匀的。
24.如权利要求23的高功率光放大器，其中所述短插芯的折射率从该短插芯的一轴向横截面到另一轴向横截面是均匀的。 
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