CN101625436A - 展宽器光纤和模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种展宽器光纤和模块。该展宽器光纤包括芯区域、内沟槽区域、环形区域、外沟槽区域和外包层区域。芯区域具有半径r₁、折射率n₁和相对于外包层区域的正有效折射率Δn₁，所述外包层区域具有外半径r₀和折射率n₀，其中Δn₁等于n₁－n₀。内沟槽区域围绕芯区域并且具有外半径r₂、小于n₀的折射率n₂和等于n₂－n₀的负有效折射率Δn₂。环形区域围绕该沟槽区域并且具有外半径r₃、大于n₀的折射率n₃和等于n₃－n₀的正有效折射率Δn₃。外沟槽区域围绕环形区域并具有外半径r₄、小于n₀的折射率n₄、和等于n₄－n₀的负有效折射率Δn₄。外包层区域围绕外沟槽区域。r₀、r₁、r₂、r₃、r₄、Δn₁、Δn₂、Δn₃和Δn₄的值使得光纤具有负色散，并在所选择的工作波带内的具体波长处具有大于0.005nm^－1的相对色散斜率。此外，展宽器可以与第二光纤组合使用，以与所选择的光栅压缩器的色散和RDS相匹配。

Description

展宽器光纤和模块

相关申请的交叉引用

本申请要求于2008年7月7日提交的美国临时专利申请No.61/078589的优先权，该专利申请的公开内容和附图以引用的方式全部并入本文。

技术领域

本发明总体地涉及光纤装置和方法，具体地涉及用于在啁啾脉冲放大系统中的改进的展宽器光纤和模块。

背景技术

啁啾脉冲放大(CPA)是一种用于将超短激光脉冲放大至拍瓦(petawatt)(10¹⁵瓦)级的技术。激光器产生包括一系列相对较低功率的超短脉冲的输出。然后，这些脉冲被馈送入具有使脉冲展宽的色散的展宽器模块。然后，被展宽的脉冲输出被馈送入高功率放大器。然后，被展宽的、放大的脉冲被馈送入具有与展宽器模块的色散相反的色散的压缩器模块，以产生被再压缩的放大的脉冲输出。通过在放大之前展宽脉冲，可以减小脉冲的峰值功率，并避免不需要的非线性。

当前，使用自由空间衍射光栅制造展宽器模块。然而，由于诸多原因，可能期望使用基于全光纤的方案。尽管人们已努力生产基于光纤的展宽器，但是这些尝试都达不到目标。在一种情况下，使用400米的标准低截止单模光纤作为展宽器。然而，因为压缩器通常具有正的RDS，而标准低截止单模光纤通常具有负的RDS，所以不可容易地获得色散斜率匹配。为了克服该问题，要求放大器光纤中的斜率不匹配和非线性的复杂平衡。在另一种情况下，描述了在1050nm处具有0.0053nm^-1的RDS的光纤。该光纤与在1050nm处具有β₂＝-1.6ps²(D＝2.7ps/nm)的色散的光栅压缩器相匹配，并且具有有限的实用性。

发明内容

本发明解决本领域的这些和其它问题，本发明的一个方面提供了一种新型展宽器光纤。该光纤包括芯区域、内沟槽区域(innertrench region)、环形区域、外沟槽区域和外包层区域。芯区域具有半径r₁、折射率n₁和相对于外包层区域的正有效折射率Δn₁，所述外包层区域具有外半径r₀和折射率n₀。芯区域有效折射率Δn₁等于n₁-n₀。内沟槽区域围绕芯区域，并具有外半径r₂、小于n₀的折射率n₂和等于n₂-n₀的负有效折射率Δn₂。环形区域围绕该沟槽区域，并且具有外半径r₃、大于n₀的折射率n₃和等于n₃-n₀的正有效折射率Δn₃。外沟槽区域围绕环形区域，并具有外半径r₄、小于n₀的折射率n₄、和等于n₄-n₀的负有效折射率Δn₄。外包层区域围绕外沟槽区域。r₀、r₁、r₂、r₃、r₄、Δn₁、Δn₂、Δn₃和Δn₄的值使得光纤具有负色散，并在所选择的工作波带内的具体波长处具有大于0.005nm^-1的相对色散斜率。

根据本发明的其它方面，与第二光纤或光纤装置相结合地使用该新型展宽器光纤，以与所选择的光栅压缩器的色散和RDS相匹配。

附图说明

图1是啁啾脉冲放大系统的图；

图2是1200条线/mm的光栅压缩器的色散与波长之间的关系的曲线图，其中光栅压缩器的光栅间隔为0.1米，入射角为18°；

图3和图4是示出1200条线/mm的光栅在1030nm处计算的色散和RDS作为入射角的函数的曲线图，其中光栅间隔为0.1米；

图5示出根据本发明的一个方面的展宽器光纤的横截面；

图6示出图5所示的光纤的设计的折射率分布；

图7示出根据图6所示的折射率分布图制造的光纤的测量的折射率分布；

图8和9示出列出图5-7所示的光纤的具体设计和性能详情的表格；

图10和11示出显示图5-7所示的光纤的色散、RDS和衰减的曲线图；

图12-14是使用图5-7所示的展宽器光纤的展宽器单元的可供替换的配置的图；

图15-18是显示与第二光纤相组合地使用图5-7所示的展宽器光纤，以匹配光栅压缩器单元的色散和RDS的曲线图；

图19是用于构建根据本发明的另一方面的展宽器模块的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的各方面涉及为展宽器模块提供基于全光纤的方案的系统和技术，该展宽器模块用于在例如1000-1100nm的具体波带内工作的短脉冲光纤激光器中进行啁啾放大。本发明的第一方面涉及一种新型展宽器光纤，该展宽器光纤可以直接在展宽器模块中单独使用。根据本发明的另一方面，通过将该新型展宽器光纤和所选择的至少一个其它光纤的组合拼接在一起来构建展宽器模块，使得展宽器模块具有期望的总色散和总RDS。

在讨论在设计展宽器模块时出现的问题之后，提供了对新型展宽器光纤、以及用于构建展宽器模块的该光纤与其它光纤的示例性组合的详细描述。请注意，所描述的系统和技术可用于构建全光纤展宽器模块，该全光纤展宽器模块的RDS足够高以与当前使用的光栅压缩器一起使用。

期望具有高脉冲能量的短脉冲光纤激光器用于许多应用，诸如微加工等。啁啾脉冲放大已被示出为用于产生短脉冲的持久方案，即，该短脉冲的持续时间小于1皮秒，并且脉冲能量在微焦耳级别上或甚至在毫焦耳级别上。

图1示出了典型的啁啾脉冲放大系统20的图。低功率毫微微秒(飞秒)振荡器21提供被馈送至展宽器模块23的脉冲输出22，所述展宽器模块通常以大于10³的因子展宽脉冲输出。展宽器模块23是高度色散的，以便减小脉冲的峰值功率。然后，被展宽的脉冲输出24可以在高功率放大器25中被线性放大。然后，被放大的、展宽的脉冲输出26被压缩器单元27再压缩，从而得到放大的、再压缩的脉冲输出28，所述压缩器单元27是具有与展宽器单元的色散相反的色散的色散元件。

为了表征群速度色散，使用不同的参数及其导数。在光纤的领域内，通常使用D-参数。D-参数被定义为：

$D=\frac{{\mathrm{dT}}_g}{\mathrm{d\λ}},$

其中，T_g是群延迟，λ是波长。在激光的领域内，更通常使用β₂，即，传播常数(β)的二阶导数：

${\mathrm{\β}}_2=\frac{d^2\mathrm{\β}}{{\mathrm{d\ω}}^2},$

其中，ω是角频率。这两个参数如下唯一地相关：

$D=-\frac{2\mathrm{\πc}}{{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{\β}}_2,$

其中，c是光在真空中的速度。在本说明书的剩余部分中将使用D-参数。

在当前的啁啾脉冲放大系统中，使用自由空间衍射光栅对来制造展宽器单元和压缩器单元。然而，一般地说，由于诸多原因，基于光纤的方法优选于使用自由空间光学的方法。与对应的自由空间部件相比，基于光纤的部件通常具有更小的尺寸、更好的稳定性、更长的寿命和更低的成本。

使用全光纤方法制造压缩器单元在目前是不可行的。对于高于几毫微焦耳的脉冲能量，由于压缩器光纤中的非线性，压缩之后的高峰值强度将引起显著的脉冲变形。然而，由于在放大和压缩之前的相对较低功率的激光器输出，这些高峰值强度相对于展宽器单元不是一个问题。因此，如果可使用全光纤方案构建展宽器单元，则可由光纤制造整个激光放大系统，直到压缩器单元，而无需任何自由空间光学。

然而，在设计用作展宽器的光纤中存在许多问题。一个问题是展宽器应完美地与压缩器光栅的色散相匹配，不仅在单个波长处，而且在脉冲的整个光谱范围中，根据脉冲持续时间，该光谱范围通常为5-20nm。图2示出了曲线图40，其中，在入射角为18°并且光栅距离为0.1米的情况下，1200条线/mm的光栅压缩器的色散(D-参数)42已被绘制为波长的函数。如图2所示，光栅压缩器通常具有相对较大的色散斜率。

当为色散和色散斜率补偿两者设计光纤时，一个有用的数值是相对色散斜率(RDS)，其被定义为：

$\mathrm{RDS}=\frac{S}{D},$ 其中 $S=\frac{\mathrm{dD}}{\mathrm{d\λ}}$

当光纤应补偿色散元件的色散和色散斜率两者时，光纤应具有与色散元件相同的RDS。RDS通过下式与传播常数的三阶和二阶导数的比率相关：

$\mathrm{RDS}=-\frac{2\mathrm{\πc}}{{\mathrm{\λ}}^2}\frac{{\mathrm{\β}}_3}{{\mathrm{\β}}_2}-\frac{2}{\mathrm{\λ}},$ 其中 ${\mathrm{\β}}_3=\frac{d^3\mathrm{\β}}{d{\mathrm{\ω}}^3}$

设计展宽器光纤的普遍问题是要获得足够高的RDS。这是由于压缩器光栅的普遍特性的缘故。为了获得足够的展宽率，通常需要从5ps/nm到几百ps/nm的色散D。为了获得这样的色散系数而光栅之间的距离不太长，必须以相对较低的入射角操作光栅。然而，这导致了相对较高的RDS值。图3和4给出了对此进行示例的例子，图3和4是在1030nm处计算的色散62和RDS 82的作为1200条线/mm的光栅的入射角的函数的曲线图60和80，其中，光栅间隔为0.1米；

本发明的一个方面提供一种解决这些和其它问题的新型展宽器光纤设计。当前描述的光纤的例子具有负色散D，并且RDS＞0.005nm^-1。光纤已被设计用于啁啾脉冲放大系统中的展宽器模块中，该啁啾脉冲放大系统用于在光纤激光例如在Yb光纤增益带(放大窗口)(即在1000nm和1100nm)之间工作的短脉冲激光器。然而，将这样理解，所描述的光纤设计可以被修改为用于这样的啁啾脉冲放大系统中，该啁啾脉冲放大系统用于在其它波长工作的短脉冲激光器，例如，所述其它波长在现有的色散补偿光纤技术中常用的1550nm波带中以及在由Ti蓝宝石激光器通常使用的800nm波带中。

新的光纤由已被掺杂为形成多个区域的合适的材料制成，每一个区域都具有各自的折射率。这些区域包括沿光纤的长度延伸的中心芯区域、和围绕该芯区域的以连续层设置的一系列同心区域。可以使用本领域中已知的技术例如改进的化学气相沉积(MCVD)技术等来制造光纤。

图5示出了新型展宽器光纤100的不按比例绘制的横截面的图。如图5所示，光纤包括下述区域：具有半径r₁的芯101、具有外半径r₂的内沟槽102、具有外半径r₃的环103、具有外半径r₄的外沟槽104、和具有外半径r₀的外包层105。此外，光纤可设置有一个或更多个保护外层(未示出)。

图6示出了光纤的所需折射率分布120的图，而图7示出了从根据所需折射率分布制造的光纤获得的测量的折射率分布140。为了本说明部分的目的，外包层的折射率被表示为n₀，芯、内沟槽、环和外沟槽的折射率分别被表示为n₁至n₄。此外，外包层的折射率n₀被用于确定每一个光纤区域的有效折射率Δn。因此，

Δn₁＝n₁-n₀；

Δn₂＝n₂-n₀；

Δn₃＝n₃-n₀；以及

Δn₄＝n₄-n₀。

如图6和7所示，折射率分布120、140包括：对应于芯区域101的中心峰121、141；对应于内沟槽102的沟槽122、142；对应于环形区域103的肩部123、143；和对应于外沟槽104的较小的沟槽124、144。

图8示出列出每一个光纤区域的下述详情的表格200：材料、掺杂剂、有效折射率、宽度和外半径。

所有五个光纤区域的材料都是SiO₂。每一个单独的区域都是通过添加适量的掺杂剂来形成的。外包层105没有被掺杂，并且具有折射率n₀。外包层的外半径是62.5微米。因此，展宽器光纤的直径是125微米。

芯101掺杂有提高折射率的掺杂剂GeO₂，并且具有有效折射率Δn₁＝n₁-n₀＝21.9×10^-3和0.98微米的半径。

内沟槽102掺杂有降低折射率的掺杂剂GeO₂和F的混合物，并且具有有效折射率为Δn₂＝n₂-n₀＝-8.9×10^-3、2.96微米的宽度和3.94微米的外半径。可任选地，该沟槽可以仅掺杂有F。

环103掺杂有提高折射率的掺杂剂GeO₂和F的混合物，并且具有有效折射率Δn₃＝n₃-n₀＝6.8×10^-3、1.38微米的宽度、和5.32微米的外半径。可任选地，该环可以仅掺杂有GeO₂。

外沟槽104掺杂有提高折射率的掺杂剂P₂O₅和F的混合物，并且具有有效折射率Δn₄＝n₄-n₀＝-1.0×10^-3、1.76微米的宽度、和7.08微米的外半径。可任选地，掺杂剂的混合物也可包含GeO₂。作为第二选择，外沟槽可以仅掺杂有F。

图9是列出根据图8列出的表格200制造的光纤的各种特征的表格210。这些特征包括：相对色散斜率；色散；衰减；以及在1030nm和1060nm处的模场直径。该表格还列出对于围绕直径为30mm的心轴一圈产生0.5dB的损失的波长和光纤的截止波长。

如表格210所示，在1030nm处，光纤的相对色散斜率为0.0094nm^-1，色散为-164ps/(nm-km)，衰减为2.9dB/km，并且模场直径为2.9微米。在1060nm处，光纤的相对色散斜率为0.130nm^{- 1}，色散为-236ps/(nm-km)，衰减为2.6dB/km，并且模场直径为3.0微米。

如表格210进一步所示，对于围绕直径为30mm的心轴一圈产生0.5dB的损失的波长为1072nm。光纤的截止波长为970nm。应该注意，光纤已经被设计为具有在所选择的工作波长范围以下的截止波长。图10示出色散222和RDS 224被绘制为波长的函数的曲线图220。图11示出衰减232被绘制为波长的函数的曲线图230。

所描述的光纤可以按各种配置使用，以形成全光纤展宽器单元。这些配置中的一些被示意性地表示在图12-14中。

图12示出了展宽器模块240的图，其中，一定长度的新型展宽器光纤242被装入合适的封装244，并被独立地使用以提供上述脉冲展宽功能。将使用该方法，其中，该长度的展宽器光纤242的色散和RDS与给定的压缩器单元的色散和RDS相匹配，而无需调整。如果展宽器光纤242的所需长度足够短，则光纤可以呈松散缠绕的线圈的形式被装入封装244。可以使用线轴或其它合适的结构将更大的长度的光纤242装入封装244。

根据本发明的另一方面，基于新型展宽器光纤的展宽器单元的色散和RDS可以通过将该展宽器光纤和具有所选择的色散和RDS的第二光纤或光纤装置组合来被精确地控制。如下文中所使用的术语“光纤”被用来泛指光纤、光纤装置、基于光纤的结构、或其组合。

通过选择与新型展宽器光纤组合使用的合适的第二光纤，可以通过修整该展宽器光纤和第二光纤中的一个或两个的长度来精确地控制展宽器模块的总色散和总相对色散斜率。应注意，原则上可以将本讨论外推以应用于这样的展宽器模块，其中，新型展宽器光纤与多于一个的其它光纤组合，以实现所需结果，即，展宽器模块与具体压缩器模块的匹配。

第二光纤可以与新型展宽器光纤按各种物理配置组合。例如，如图13所示，展宽器光纤252和第二光纤254在接合点256处彼此接合，并一起被容纳在一个封装258中，以便安装到CPA系统中。可供替换地，如图14所示，展宽器模块260可包括容纳有各个长度的展宽器光纤268和第二光纤270的多个封装单元262和264，其中，展宽器光纤268和第二光纤270在接合点272处接合在一起的。基于新型展宽器光纤和第二光纤的组合的展宽器模块不仅提供控制可获得的RDS的量的灵活性，还提供对色散和RDS两者的非常精确的控制，因为这些可通过调整这两个光纤的各自的长度而被分别地控制。

例如，可以通过将展宽器光纤与具有正的色散D和负的RDS的第二光纤组合来构建其RDS高于单独的展宽器光纤的RDS的展宽器单元。在一个示例性实施例中，展宽器光纤与在高阶模式(HOM)例如LP₀₂模式下工作的具有正D和负RDS的光纤装置组合。该实施例中使用的光纤装置可以以商品名FemtoComp^TM从OFS购得。图15和16示出通过将新光纤(在1030nm处，D＝-164ps/(nm-km)，RDS＝0.0094nm^-1)与FemtoComp^TM(在1030nm处，D＝69ps/(nm-km)，RDS＝-0.0093nm^-1)组合如何可以与在1030nm处的RDS为0.0025nm^-1的光栅压缩器相匹配。

图15示出新光纤的色散被绘制为波长的函数(下面的曲线302)和FemtoComp^TM光纤装置的色散被绘制为的波长的函数(上面的曲线304)的曲线图300。图16示出包括在入射角为18°、光栅间隔为0.1m的条件下工作的1200条线/mm的压缩器光栅的目标色散-D的曲线312的曲线图310。图16还示出通过将119米的新光纤与142米的FemtoComp^TM HOM光纤组合而获得的色散曲线314。

可供替换地，可以通过将展宽器光纤与具有负的色散D和负的RDS的第二光纤或光纤装置组合来构建其RDS低于单独的展宽器光纤的RDS的展宽器单元。例如，一个这样的光纤是诸如来自OFS的ClearLite^TM 980-14或来自Corning的HI-1060的标准低截止单模光纤。图17和18示出如何通过将新光纤(在1030nm处，D＝-164ps/(nm-km)，RDS＝0.0094nm^-1)与ClearLite^TM 980-14(在1030nm处，D＝-44ps/(nm-km)，RDS＝-0.0041nm^-1)组合如何可以与在1030nm处的RDS为0.0068nm-km的光栅压缩器相匹配。

图17示出了新光纤的色散被绘制为波长的函数(下面的曲线322)和ClearLite^TM CL980-14单模光纤的色散被绘制为波长的函数(上面的曲线324)的曲线图320。图18示出列出在入射角为30°、光栅间隔为0.1m的条件下工作的1200条线/mm的压缩器光栅的目标色散-D的曲线332的曲线图330。图16还示出通过将7.8米的新光纤与6.5米的ClearLite^TM CL980-14光纤前后组合而获得的色散曲线334。

已测试了由于接合一定长度的展宽器光纤和一定长度的标准低截止光纤例如来自OFS的ClearLite^TM 980-14或来自Corning的HI-1060所产生的接合损失(splice loss)。这些光纤经常用于在1000nm至1100nm的波带中工作的光纤激光器。使用与本申请共同被拥有的美国专利No.6565269中描述的热扩展模场技术已经说明了ClearLite^TM 980-14的接合损失为0.17dB，该美国专利的公开内容和附图以引用的方式全部并入本文。

图19示出了根据本发明的另一方面的通用方法350的流程图。在步骤351中，提供了一定长度的新型展宽器光纤。在步骤352中，提供一定长度的第二光纤，该第二光纤的色散和RDS中的至少一个与展宽器光纤的不同。在步骤353中，调整展宽器光纤和第二光纤的各自长度，使得当被接合在一起时，展宽器光纤和第二光纤组合的总色散和RDS与所选择的压缩器的色散和RDS相匹配。

将这样理解，上述系统和技术提供了优于现有技术的诸多优点。与基于光栅的展宽器相比，根据本发明的系统提供对RDS和色散的更精确的控制。此外，当前描述的系统提供了以下优点：更小的尺寸、更好的稳定性、更长的寿命和更低的成本。

尽管前述说明部分包括将使本领域技术人员能够实施本发明的详细内容，但是应认识到，该说明部分实际上是示例性的，而其许多修改和变形对于得益于这些教导的本领域技术人员而言是显而易见的。因此，本文的发明应当仅仅由所附权利要求限定，并且这些权利要求如现有技术所允许的一样被广义地解释。

Claims (11)

1.一种展宽器光纤，其特征在于：

芯区域，具有半径r₁、折射率n₁和相对于外包层区域的正有效折射率Δn₁，所述外包层区域具有外半径r₀和折射率n₀，其中Δn₁等于n₁-n₀；

围绕芯区域的内沟槽区域，所述沟槽区域具有外半径r₂、小于n₀的折射率n₂和等于n₂-n₀的负有效折射率Δn₂；

围绕所述沟槽区域的环形区域，所述环形区域具有外半径r₃、大于n₀的折射率n₃和等于n₃-n₀的正有效折射率Δn₃；

围绕环形区域的外沟槽区域，所述外沟槽区域具有外半径r₄、小于n₀的折射率n₄、和等于n₄-n₀的负有效折射率Δn₄；

围绕所述外沟槽区域的外包层区域；

r₀、r₁、r₂、r₃、r₄、Δn₁、Δn₂、Δn₃和Δn₄的值使得光纤具有负色散，并在所选择的工作波带内的具体波长处的相对色散斜率大于0.005nm^-1。

2、如权利要求1所述的展宽器光纤，其中所选择的工作波带在1000和1100nm之间。

3、如权利要求1所述的展宽器光纤，其中所述光纤具有在所选择的工作波带以下的截止波长。

4、如权利要求1所述的展宽器光纤，其中所述光纤能够以小于0.5dB的接合损失与具有在工作波带以下的截止波长的单模光纤相接合。

5、如权利要求1所述的展宽器光纤，其中：

r₀＝0.98μm；

r₁＝3.94μm；

r₂＝5.32μm；

r₃＝7.08μm；

r₄＝62.50μm；

Δn₁＝21.9×10^-3；

Δn₂＝-8.9×10^-3；

Δn₃＝6.8×10^-3；以及

Δn₄＝-1.0×10^-3。

6、一种用于脉冲放大系统中的展宽器模块，该展宽器模块的特征在于一定长度的权利要求1的展宽器光纤、和接合至该展宽器光纤的第二光纤，所述展宽器模块的色散和相对色散斜率能够通过控制所述展宽器光纤和所述第二光纤的各自长度来被控制。

7、如权利要求6所述的展宽器模块，其中所述第二光纤具有大于零的色散和小于零的相对色散斜率，使得所述展宽器模块的相对色散斜率大于所述展宽器光纤的相对色散斜率。

8、如权利要求6所述的展宽器模块，其中第二光纤具有小于零的色散和小于零的相对色散斜率，使得所述展宽器模块的相对色散斜率小于所述展宽器光纤的相对色散斜率。

9、一种用于构建在脉冲放大系统中使用的展宽器模块的方法，包括：

(a)提供一定长度的权利要求1的展宽器光纤；

(b)提供一定长度的第二光纤，该第二光纤的色散和相对色散斜率中的至少一个与所述展宽器光纤的不同；以及

(c)调整所述展宽器光纤和所述第二光纤的各自长度，使得当被接合在一起时，所述展宽器光纤和所述第二光纤组合的总色散和相对色散斜率与所选择的压缩器单元的色散和相对色散斜率相匹配。

10、如权利要求9所述的方法，其中所述第二光纤具有大于零的色散和小于零的相对色散斜率，使得所述展宽器模块的相对色散斜率大于所述展宽器光纤的相对色散斜率。

11、如权利要求9所述的方法，其中第二光纤具有小于零的色散和小于零的相对色散斜率，使得所述展宽器模块的相对色散斜率小于所述展宽器光纤的相对色散斜率。

Images