CN102171595A - 用于辨识光纤结构中的高阶模的光纤结构和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤结构(700)，其包括在光纤芯(710)外面的一个或多个折射率干扰(750，760)，用于辨识关系结构中的高阶模。本发明还涉及用于辨识一个或多个高阶模的方法、具有辨识光纤结构的高阶模的配置以及具有辨别光纤结构的高阶模的装置。

Description

用于辨识光纤结构中的高阶模的光纤结构和方法
技术领域
本发明涉及用于辨识高阶模的光纤结构。本发明还涉及用于辨识光纤结构中的高阶模的方法。而且，本发明涉及包括用于辨识高阶模的光纤结构的配置。
背景技术
在近年来，光学光纤已经快速发展，其已经运行在传统的无线电通讯领域之外使用光纤。该发展在制造、防卫和航天工业中变化最快，其中光纤激光器通过以更低成本提供相同或更好的性能以及新的应用逐渐取代了标准的固态或者气体激光器。
从电信等级光纤到用于激光器应用的光纤的过渡包括许多设计和制造的变化，例如新的掺杂物、新的几何结构、新的结构以及新的掺杂材料。在大多数光纤激光器应用中，有两个非常重要的限定光纤质量的光纤设计参数。第一个是最大光功率处理能力，第二个是束质量。
因为硅已经建立作为用于光学光纤的最优原料，当总体特性例如有效性、成本和处理知识，以为了增大在光纤激光器中的最大可用功率，技术人员应当增大波导管的截面尺寸(光纤的芯直径)。这减少功率密度并因此可以通过光纤产生或承载更高的总功率。但是，如果芯直径超过一定极限，束质量由于高阶模的激发将变差。结果，对于传统的阶跃折射率光纤(stepindex fiber)，在最大功率和束质量之间存在一个基本的折衷
已经发展处数种技术，其影响束质量，用于增大功率处理能力。标准方法时降低光纤的芯和包层直接按的折射率差异。这降低支持的高阶模的量并因此提高束质量。但是，该方法受到以下事实的限制：降低折射率差异将增大光纤的宏弯损耗，因此，它的适用性受到限制。
另一技术使用用于模辨识的弯曲损耗。因为弯曲感应损耗与模有关，所以小心设计的弯曲半径对于高阶模将产生高损耗对于基模将产生低损耗。该方法还受到以下事实的限制：光纤寿命随着弯曲半径减小而减小。
辨识光纤中的高阶模的一种方法是这样的一种技术，其使用折射率和/或活性掺杂剖面控制。通过小心的剖面设计，高阶模将在光纤中经历不同的增益。但是，该技术要求先进的制造技术。
还可以使用光子含晶光纤技术来形成根本上是用于非常大的芯直径的单模的波导管。通常，这些光纤需要先进的制造技术并具有可用性问题，例如难以拼接并易碎。
在许多实际应用中，上述的这些方法组合以为了提供最好的束质量，用于最高的可用功率。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能够辨识高阶模的光纤结构、用于辨识光纤结构中的高阶模的方法和包括能够辨识高阶模的光纤结构的配置。
本发明的目的通过提供一种光纤结构实现，该光纤结构包括在光纤结构的芯之外的一个或多个折射率干扰。
本发明的目的还通过提供一种方法实现，其中在光纤结构的芯之外的折射率受到一个或多个折射率干扰的干扰。
本发明的目的还通过提供一种配置实现，该配置包括具有在光纤结构的芯之外的一个或多个折射率干扰的光纤结构。
本发明的目的还通过提供一种装置实现，该装置包括具有在光纤结构的芯之外的一个或多个折射率干扰的光纤结构。
根据本发明的实施例，光纤包层的折射率在靠近光纤芯附近被修改以使得修改后的包层部分包括两个环，所述环具有接近于芯的折射率的折射率，围绕光纤芯。环通过增大基模的有效面积和辨识高阶模而增大光纤的功率能力。
本发明的实施例涉及根据独立权利要求1的光纤结构。
此外，本发明的实施例涉及根据独立权利要求12的方法。
而且，本发明的实施例涉及根据独立权利要求20的配置。
再者，本发明的实施例涉及根据独立权利要求21的装置。
进一步的实施例在从属权利要求中限定。
根据本发明的实施例，在光纤结构的芯之外的折射率受到一个或多个折射率干扰的干扰，该变化提供最大化的用于高阶模的扩充干扰效果和最小化的用于基模的扩充效果。
术语“折射率干扰”是指用于干扰或者抑制光纤结构中的高阶模以为了实现光纤的更好的功率能力的装置。
根据本发明的实施例，折射率干扰包括修改高阶模的模区域分布，由此高阶模区域分布扩展而基模保持相对不变化或者受限制。
根据本发明的实施例，折射率干扰，其在先前任一实施例中公开，包括在光纤结构中的基模和高阶模之间的空间重叠降低，由此高阶模大致在芯外部传播，而高阶模的中心峰降低。
根据本发明的实施例，所述一个或多个折射率干扰，其在先前的任一实施例中公开，安置到光纤结构的包层中，以使得光纤包层的部分在紧邻光纤芯的外表面处形成一个或多个折射率干扰。
根据本发明的实施例，所述一个或多个折射率干扰，其在先前的任一实施例中公开，包括围绕芯的第一折射率干扰和围绕第一折射率干扰的第二折射率干扰。第一折射率干扰在光纤芯周围形成环，第二折射率干扰，对于一种情形，形成在第一环和芯周围的第二环。还可以在芯周围提供超过两个的环。
根据本发明的实施例，折射率干扰，其公开在先前的任一实施例中，包括在光纤结构中限定的高阶模，由此同时基模也被限定。
根据本发明的实施例，折射率干扰，其在先前的任一实施例中公开，包括限定用于属于所述一个或多个折射率干扰的第一折射率干扰的距离芯的径向距离，限定第一折射率干扰的厚度和高度，以使得所述第一折射率干扰覆盖用于高阶模的芯外部的第一峰。
根据本发明的实施例，折射率干扰，其在先前任一实施例中公开，包括限定用于第二折射率干扰的距离属于所述一个或多个折射率干扰的第一折射率干扰的径向距离，限定第二折射率干扰的厚度和高度，以使得所述第二折射率干扰覆盖用于具有两个或更多径向峰的高阶模的芯外面的第二峰。
根据本发明的实施例，光纤结构，其在先前的任一实施例中公开，是多模光纤。
根据本发明的实施例，光纤结构，其在先前的任一实施例中公开，被掺杂。光纤掺杂可以通过镱、铒、铥、钕、或者任何其它的活性掺杂物提供。芯掺杂剖面可以是不受限制的或者受限制的。该方法同样适用于非活性掺杂光纤。非活性掺杂，对于一种情形，可以通过铝、锗、磷、钐等提供。
根据本发明的实施例，光纤结构，其在先前的任一实施例中公开，包括至少一个或多个折射率干扰的至少一个被掺杂。一个或多个折射率干扰可以包括例如高折射率玻璃，并且折射率干扰的掺杂通过在应用波长引起吸收的元件提供，其增大高阶模的衰减。
根据本发明的实施例，光纤结构包括用于辨识在光纤结构的芯外面的光纤结构中的一个或多个高阶模的装置。用于辨识的装置是指在光纤的芯外面的至少一个折射率干扰。
根据本发明的实施例的方法不同于其它方法之处在于描述波导管折射率的选择性模增益或者径向变化。
现有技术描述一种受限制的结构，其中光纤芯仅在中心区域部分掺杂，并且因此对于基模提供比某些高阶模更多的增益。
根据本发明的方法是不同的，因为增益辨识力是通过改变模之间的重叠而不是改变掺杂分布而产生的。
基于布拉格(Bragg)效应的光纤，其主要用作波长过滤器，包括围绕光纤的芯的许多高折射率的环。
但是，根据本发明的实施例的方法与布拉格光纤在工作原理和光纤的应用方面不同。尽管布拉格光纤为了产生布拉格效应要求环特别薄(在波长的量级)以及需要很大量，但是根据本发明的实施例的方法并不具有这样的要求。事实上，环必须足够大以防止布拉格效应改变光纤性能。此外，根据本发明的实施例的方法具有高阶模辨识力并且不是如同在布拉格光纤中的波长过滤器。
所述方法提供简单的方法来调整光纤并使得能够改善集束质量，因为光纤增益可以在由基模覆盖的区域中空间地局部化，空间过滤变得相对容易，并且用于高阶模的弯曲损耗增大。
所述方法还通过调节设计参数提供保留高阶模辨识力以及增大基模的有效面积的可能性，因此增大光纤的功率能力并潜在地降低非线性效果的产生。
所述方法并不减少光纤寿命，并且它不会如现有技术一样增大基模的弯曲敏感性。此外，它提供比现有方法更高程度的高阶辨识力。
附图说明
接着，将根据附图参照示例性实施例更加详细地描述本发明的各个方面。
图1示出光纤的折射率剖面的视图；
图2示出光纤内部的模分布的视图；
图3示出光纤内部的模传播的视图；
图4示出根据本发明的有利实施例的包括两个环的光纤的折射率剖面的视图；
图5示出根据本发明的有利实施例的包括两个环的光纤内部的模分布的视图；
图6示出根据本发明的有利实施例的包括两个环的光纤内部的模传播的视图；
图7示出根据本发明的有利实施例的光纤结构的示例性视图；以及
图8示出根据本发明的有利实施例的用于辨识高阶模的方法的示例性流程图。
具体实施方式
图1示出用于属于多模光纤的标准的阶跃折射率光纤的折射率剖面。所述光纤包括显著地大于使用的光波长的大直径的光纤芯以及围绕芯的包层。
在图2中示出在标准阶跃折射率光纤内部的模区域分布，该折射率剖面在图1中示出。从模分布可以看出，其代表由于模的不同的传播速度所致的光信号扩展，在基模和高阶模之间存在明显的空间重叠。此外，图2显示随着模阶数增大在芯外部的模穿透增大。
图3代表示出用于基模M1和与相同的阶跃折射率光纤有关的高阶模M2-M6二者的增益的曲线。可以看出，在光纤芯内部对于所有模存在明显增益。
在一些情形中，对于高阶模M2-M6，增益高于基模M1。例如，二阶模M2具有比基模M1更高的增益。这是因为它在芯内部具有比基模M1更大的有效面积并且它布置在基模峰的最外面但仍在掺杂区域内部。
因为在芯外部的高模的穿透随着模阶数而增大，所以可以在芯外部但是靠近芯处布置干扰，由此对于高阶模，干扰产生比基模更强的影响。
本发明的下面实施例表明，通过小心设计在光纤芯外面的折射率干扰，模区域扩充对于高阶模可以最大化，对于基模可以最小化。该设计应当被提供以使得高阶模区域分布在芯区域外面明显扩充，而基模在芯区域保持为强的。
在图4中示出用于辨识高阶模的一种可能的光纤设计的折射率剖面。光纤包括：光纤芯，其与图1所示的标准的阶跃折射率光纤的芯一致；包层；以及两个环(虚线)，其围绕芯。
第一环安置在紧靠芯的附近，第二环安置为围绕芯和第一环。两个环具有接近于芯的折射率的折射率。芯可以掺杂镱或者其它的活性掺杂物，而两个环不掺杂活性元素，但是可以给环掺杂非活性元素。
同样在这个实施例中，在芯和第一内环之间以及在第一和第二环之间的包层的折射率与图1中的相同，明显低于芯和环的折射率。
这种类型的光纤可以例如通过直接纳米粒子沉淀(DND)方法进行制造，该方法适用于制造具有任何径向分布的活性元素浓度和任何折射率剖面的大的模区域光纤。
图5示出用于在先前图的内容中示出的光纤设计的模区域分布。现在，可以看出，高阶模大致在芯区域外部传播，高阶模的中心峰比以前更低，因为环在包层中形成折射率干扰。因此，与基模以及芯区域重叠的高阶模明显减少，如果与标准的阶跃折射率光纤的重叠相比的话。
接着，在图6中，示出在包括掺杂镱的芯和两个在放大器装置中的环的光纤结构中的模传播的增益。曲线表明大多数输出功率累积到基模M1中，而高阶模M2-M6的增益几乎不存在。
这样，通过仿真演示出，当高折射率玻璃的两个环在掺杂有镱的光纤芯周围施加时对高阶模具有非常高的辨识。环的径向尺寸和折射率已经小心地设计以使得所寻求的事后影响最大化。光纤然后被布置在光纤放大器中，并且传播模的输出功率被计算并与没有环的相似的光纤产生的功率进行比较。构建有新的光纤的放大器表明，在高阶模中的功率低很多，因此具有更好的束质量。
图7示出根据本发明的实施例的光纤设计的截面，其中光纤结构700，例如大模区域光纤，包括具有某一折射率的活性掺杂芯710和由纯硅组成的具有比芯折射率更低的折射率的包层720、730、740。
第一环750和第二环760布置在包层720内部以为了干扰高阶模。两个环750、760由例如非活性掺杂的高折射率玻璃组成并具有与芯的折射率相同或实质上相同并且比包层折射率更高的折射率。但是，很好地注意到，第一环750的折射率不必与第二环760的折射率完全相同。
在图中示出的仅仅是可能的光纤设计的一个例子。替代的光纤设计可以是例如具有三个或多个环的光纤、具有环和顶部不是平的芯折射率的光纤、具有环和非受限的芯折射率以及掺杂剖面的光纤、具有环和顶部不是平的芯折射率以及非受限的掺杂剖面的光纤、具有环和特别设计的芯折射率剖面以及掺杂剖面的光纤。
用于环设计的指导方针是第一环750应当覆盖高阶模的在芯710外的第一峰，环750、760之间的间隙应当覆盖高阶模的芯710外部的第一和第二峰之间的深度，并且第二环760应当覆盖高阶模的芯710外部的第二峰。
图8仅通过例子公开描述根据本发明的实施例的方法的流程图。
在步骤810中，在方法开始过程中，从步骤810开始，装置和/或应用，例如执行该方法的适当的模拟软件打开并且在实际模拟之前提供必要阶段，例如模拟设置限定以及不同变量和参数的初始化。
在这种情况中，用户针对标准阶跃折射率光纤限定设置、变量和参数。
接着，在步骤820中，根据限定的设置、变量和参数的模拟开始。该模拟计算在光纤内部，优选在大模区域光纤内部的模分布，用于限定的标准的阶跃折射率光纤，并将结果在执行模拟软件的计算机的显示装置上展示给用户。
在步骤830中，用户基于显示的模分布通过计算芯和第一环之间的径向距离、环厚度和环高度(折射率)限定用于第一环的位置和环尺寸。当与环重叠的高阶模和与环重叠的基模之间的比率最大化时，芯的外壁和环的内壁之间的径向距离被优化。这保证环对高阶模具有最强影响，同时最小化对基模的影响。环应当覆盖高阶模的芯的外部的第一径向峰。环厚度较不重要，但是它应当足够大以覆盖高阶模的第一径向峰并且它应当避免在观察到的具有至少两个径向峰的所述模的第一最小值上延伸。
在第一环限定之后，在步骤840中，用户可执行另一个计算周期，以为了看到第一环的效果。如果高阶模辨识力通过第一环得以成功，则在步骤880中结束方法的执行。
任选地，步骤840可以被绕过，并且用户可以直接限定第二环的属性。
在步骤850中，用户基于在步骤820或者840中显示的模分布通过计算第一环和第二环之间的径向距离、环厚度、环高度(折射率)限定第二环的位置和环尺度。
第二环设计最影响具有两个或更多径向峰的高阶模。当第二环在模分布中覆盖具有至少两个径向峰的模的第一和第二径向峰之间的最小值时，环之间的距离被优化。第二环的厚度应当覆盖那些模的第二峰。折射率差异可以在高阶模侧进行调节，因为该环在基模上的影响几乎为零，但是更高的折射率对高阶模的第二峰的影响更大。
在步骤860中，用户评估对环设计进一步改进的需要，并且如果需要进一步改进，则可以返回到步骤830或者850。
在进一步改进的情形中，在步骤870中，用户选择他/她想再次限定的那个环。
当环设计成功地完成时，在步骤880中结束设计过程。
自然地，上述设计过程可以包括限定补充到光纤结构的一个或多个环的步骤。
上面描述的光纤结构可以用于各种类型的应用和配置中，例如连续波和脉冲单模大功率激光器和用于MOPA系统的单模大功率放大器。
现在在上面已经参照上述的实施例解释了本发明，并且本发明的几个优点已经被演示。显然，本发明并不局限于这些实施例，而是包括在所附的权利要求中限定的本发明的精神和范围内的所有可能的实施方式。

Claims (21)

1.一种光纤结构，包括：
在所述光纤结构(700)的芯(710)的外面的一个或多个折射率干扰(750，760)，用于辨识在所述光纤结构(700)中的一个或多个高阶模。
2.如权利要求1所述的光纤结构，其中，所述一个或多个折射率干扰(750，760)适于修改高阶模的模区域分布。
3.如权利要求1或2所述的光纤结构，其中，所述一个或多个折射率干扰(750，760)适于减小在光纤结构(700)中的基模和高阶模之间的空间重叠。
4.如权利要求1-3的任何一项所述的光纤结构，其中，所述一个或多个折射率干扰(750，760)安置到所述光纤结构(700)的包层(720，730，740)中。
5.如权利要求1-4的任何一项所述的光纤结构，其中，所述一个或多个折射率干扰(750，760)包括围绕所述芯(710)的第一折射率干扰(750)和围绕所述第一折射率干扰(750)的第二折射率干扰(760)。
6.如权利要求1-5的任何一项所述的光纤结构，其中，所述一个或多个折射率干扰(750，760)包括适于覆盖用于高阶模的芯(710)外面的第一峰的第一折射率干扰(750)和适于覆盖用于高阶模的芯(710)外面的第二峰的第二折射率干扰(760)。
7.如权利要求1-6的任何一项所述的光纤结构，其中，所述一个或多个折射率干扰(750，760)包括具有与所述包层(720，730，740)的折射率不同的第一折射率的第一折射率干扰(750)和具有与所述包层(720，730，740)的折射率不同的第二折射率的第二折射率干扰(760)。
8.如权利要求1-7的任何一项所述的光纤结构，其中，所述芯(710)的折射率与所述第一折射率干扰(750)的第一折射率相同或者实质上相同，所述第二折射率干扰(760)的第二折射率属于所述一个或多个折射率干扰(750，760)。
9.如权利要求1-8的任何一项所述的光纤结构，其中，所述光纤结构(700)是多模光纤。
10.如权利要求1-9的任何一项所述的光纤结构，其中，所述芯(710)是掺杂的。
11.如权利要求1-10的任何一项所述的光纤结构，其中，所述一个或多个折射率干扰(750，760)的至少一个是掺杂的。
12.一种方法，包括：
通过一个或多个折射率干扰(750，760)干扰光纤结构(700)的芯(710)外面的折射率，用于辨识所述光纤结构(700)中的一个或多个高阶模。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述干扰折射率包括修改高阶模的模区域分布。
14.如权利要求12或13所述的方法，其中，所述干扰折射率包括减少所述光纤结构(700)中的基模和高阶模之间的空间重叠。
15.如权利要求12-14的任何一项所述的方法，其中，所述一个或多个折射率干扰(750，760)安置到所述光纤结构(700)的包层(720，730，740)中。
16.如权利要求12-15的任何一项所述的方法，其中，所述一个或多个折射率干扰(750，760)包括围绕所述芯(710)的第一折射率干扰(750)和围绕所述第一折射率干扰(750)的第二折射率干扰(760)。
17.如权利要求12-16的任何一项所述的方法，其中，所述方法包括：限定(820)所述光纤结构(700)中的高阶模。
18.如权利要求12-17的任何一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括：
限定(830)用于属于所述一个或多个折射率干扰(750，760)的第一折射率干扰(750)距离所述芯(710)的径向距离，以及
限定(830)所述第一折射率干扰(750)的厚度和高度以使得所述第一折射率干扰(750)覆盖用于所述高阶模的所述芯(710)外面的第一峰。
19.如权利要求12-18的任何一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括：
限定(850)从属于所述一个或多个折射率干扰(750，760)的第一折射率干扰(750)到所述第二折射率干扰(760)的径向距离，以及
限定所述第二折射率干扰(760)的厚度和高度以使得所述第二折射率干扰(760)覆盖具有两个或更多径向峰的用于高阶模的芯(710)外面的第二峰。
20.一种配置，包括如权利要求1-11的任何一项所述的光纤结构(700)。
21.一种装置，包括如权利要求1-11的任何一项所述的光纤结构(700)。
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