CN103675991B - 增大包层吸收同时保持单模操作的双包层增益产生光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明是增大包层吸收同时保持单模操作的双包层增益产生光纤。在芯区与内包层区之间设有沟槽区的光纤设计中，增大单模的双包层的增益产生光纤的包层吸收。在实现增大包层吸收的同时，保持单模操作。

Description

增大包层吸收同时保持单模操作的双包层增益产生光纤
相关申请的交叉参考
本申请主张在2012年8月29日提交的临时申请号61／694,709，发明名称为“DOUBLECLAD，GAIN PRODUCING FIBERS WITH INCREASED CLADDING ABSORPTION WHILEMAINTAINING SINGLE MODE OPERATION”的优先权权益。此外，本申请同时以申请号No.(T.F.Taunay19)且发明名称为“GAIN-PRODUCING FIBERS WITH INCREASED CLADDINGABSORPTION WHILE MAINTAINING SINGLE-MODE OPERATION”提交申请。
技术领域
本发明涉及一种支持单信号模或少量信号模的增益产生光纤(GPF)，尤其涉及一种被设计成增大泵浦光的包层吸收，同时保持单信号模操作的双包层GPF。
背景技术
具有双包层光纤(DCF)设计的单模GPF通常应用于要求良好光束质量的高功率光纤激光器和放大器中。图7表示一种已知的DCF70，其包括芯区70.1，围绕芯区的内包层区70.3，以及围绕内包层区的外包层区70.4。主要由芯区和内包层区构成的波导，被设计成支持和引导信号光以单模、即优选以基模(LP01)的方式传播。
为了在适当泵浦时产生增益，向芯区掺入增益产生物质，通常根据将被放大的信号光或者待生成的激光的波长，掺入一种或多种稀土元素(例如Er，Yb，Tm，Nd)，或者一种或多种非稀土元素(例如Cr，Bi)。经由(通过)内包层区耦合(射入)芯区中的多模泵浦光，从内包层区和外包层区之间的界面70.5反射，并且随着其沿光纤轴向下传播，泵浦光横穿过芯区，并被芯区中的特定杂质(例如增益产生物质)吸收。在此情形中，信号光在(主要)沿着光纤芯区向下传播的同时，被泵浦光能量放大。
放大过程(即，能量从泵浦光转移到信号光)的效率，部分地由称作(泵浦光)包层吸收率的参数(αclad)来表示
αclad=αd[Ad／Aclad] (1)
其中，αd为泵浦光在掺有增益产生物质的光纤部分(下面称作增益区域；例如，图7的芯区70.1)中的材料吸收率，Ad是增益区域的横截面面积，Aclad为内包层区70.3以内的整个横截面面积(例如，对于具有圆形截面的内包层区而言为πDic 2／4)。而材料吸收率由
αd=Ndσd (2)
定义，其中Nd为增益区域中增益产生物质的体积密度，σd为在泵浦光波长下增益区域基质(例如晶体或玻璃)中杂质的吸收截面。
增大泵浦光包层吸收是有益的。在光纤激光器和放大器中，对于给定的输出功率，泵浦光吸收增大表明增益增大，继而表明，在放大器中可以利用更短的光纤长度、在激光器中可以用更短的空腔谐振器长度获得所需输出功率。而更短的光纤长度会减小诸如受激拉曼散射(SRS)的非线性效应的发生，并且有利于改善光纤激光器的功率稳定性和长期可靠性。
公式(1)和(2)看起来似乎建议可以通过简单地增大光纤的Nd、芯区70.1中的增益产生物质的浓度、或更具体来说掺杂区域Ad中的增益产生物质的浓度来增大包层吸收。然而，对于某些在商业上很重要的稀土物质(特别是Yb)，泵浦光诱发的光暗化会限制增益产生物质的浓度，从而限制了通过简单地增大浓度来获得包层吸收。
另一种增大包层吸收的可选方法是简单地增大增益区域的面积；例如，增大芯区的直径。然而，当芯区的直径被增大到过大时，就会对光纤保持单信号模操作的能力造成不利影响；也就是说，允许高阶信号模(HOM)传播。HOM的激发造成功率不稳定，这是人们非常不期望的，并且有可能损坏光纤激光器或放大器的结构。这种对芯区尺寸的限制，还限制了传统DCF可获得的模场直径(MFD)，这也是不期望的。
因而，在双包层GPF中需要在增大包层吸收的同时保持单模操作，并且无需增加增益区域内光纤的增益产生物质的浓度。
还需要一种能支持大约16μm这样大的MFD的双包层GPF。
发明内容
根据本发明一个方面，提供一种包层吸收增大且不必增大增益区域中增益产生物质浓度的双包层GPF。这种设计能增大芯区的直径，同时保持MFD和单模操作。单模操作意味着光纤仅支持单信号模(最好是基模)或者少量信号模(最好是基模加上不超过大约1-4个HOM)。最好光纤仅工作在基模下。
因此，根据本发明一个实施例，该GPF包括：具有纵轴的芯区，和围绕该芯区的包层区。该芯区和包层区被配置成支持和引导信号光的基横模(主要)在芯区中沿轴向传播。该包层区包括围绕该芯区的沟槽区，围绕该沟槽区的内包层区，以及围绕内包层区的外包层区。该外包层区的折射率低于内包层区的折射率，内包层区的折射率介于外包层区的折射率与芯区的折射率之间，并且沟槽区的折射率低于内包层区的折射率。至少芯区包括至少一种增益产生物质，当向光纤施加适当的泵浦能量时，例如，当经由(通过)内包层区将多模泵浦光耦合(输入)芯区中时，能为信号光提供增益。将芯区和包层区配置成在芯区中主要引导基模，从而沟槽区与内包层区之间的折射率差的绝对值，小于芯区与内包层区之间的折射率差的绝对值。已经证实，对于大多数采用Yb掺杂芯区、Tm掺杂芯区的GPF设计，以及某些具有Er掺杂芯区的设计(特别是那些芯半径与MFD的比值小于大约0.6的设计)，这一条件是有效的。
另一方面，在其他采用掺Er芯区的GPF实施例中，将芯区和包层区也配置成主要在芯区中引导基模，从而沟槽区与内包层区之间的折射率差的绝对值大于芯区与内包层区之间的折射率差的绝对值。在这些实施例中，芯半径与MFD的比值大于大约0.6。
本发明一些实施例的计算结果证实实现了包层吸收增大(例如增大大约30％)的单模GPF设计。计算结果还表明对于给定的包层吸收，这种GPF设计的某些实施例减小了由于光暗化引起的光损耗。
此外，其他计算结果表明这种GPF设计的某些实施例能工作在单模下，而不会发生弯曲损耗增大。
根据本发明的另一方面，一种用于增大双包层增益产生光纤的包层吸收的方法，包括如下步骤：(a)在芯区与内包层区之间形成沟槽区；(b)配置芯区、沟槽区和内包层区使得：(i)沟槽区的折射率小于内包层区的折射率，和(ii)沟槽区与内包层区之间的折射率差的绝对值小于芯区与内包层区之间的折射率差的绝对值；以及(c)配置芯区、沟槽区和内包层区，主要在芯区中支持和引导信号的基模，并且进一步允许经由(通过)内包层区将多模泵浦光耦合(输入)到芯区中。
附图说明
当结合所附附图来阅读具体实施方式时，能够对本发明的各个特征和优势获得更好的理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的双包层GPF的示意性横截面；
图2示意地表示图1的GPF的折射率分布；
图3中的曲线30示出根据传统设计的阶跃折射率芯(SIC)光纤的折射率分布，曲线31是根据本发明一个实施例具有沟槽区的GPF的折射率分布(图3中所示的两个光纤都是双包层GPF，不过为了简单，没有表示出外包层区)。图3的曲线32和33还分别表示出针对SIC光纤和GPF计算出的基模功率。与图2相比，图3仅表示第一和第四象限中的折射率分布，应当理解，第二和第三象限的相应分布分别是第一和第四象限的镜像。注意，折射率锐减34是制造光纤所用的具体工艺带来的；即由诸如但不限于GeO2或P2O5的芯区共掺杂质的部分气化所引起的烧离效应。
图4表示在600nm到1100nm范围的泵浦光波长处，由于泵浦光的吸收所导致的光暗化；即光(信号)损耗的曲线。曲线40表示针对标准SIC光纤(图3的折射率分布30)的结果，而曲线41表示针对本发明的GPF(图3的分布31)的结果；
图5的示意性框图表示采用本发明一个实施例的GPF的示例性光纤放大器；
图6的示意性框图表示采用本发明一个实施例的GPF的示例性包层泵浦的光纤激光器；和
图7是根据传统(现有技术)设计的双包层GPF的示意性横截面。
上述多个特征被示意地表示而未按照比例表示，和/或为了说明的简要和清楚，不包括实际光纤或产品的所有细节。
术语
弯曲：宏弯曲通常指的是当光纤弯曲、缠绕或卷曲时发生的简单弯曲，从而沿其至少一部分长度其曲率是相对恒定的。相反，当在每个具体光纤的绝热长度尺度内(例如，沿光纤长度为毫米量级或更小的尺寸)曲率明显改变时，发生微弯曲。例如，在标准微弯曲试验中通过将光纤压入砂纸而形成这种微弯曲。
中心波长：在本文中提到波长时指的是具体光发射的中心波长，应当理解，所有这些发射都具有包括在中心波长上下的已知波长范围的特征谱线宽度。
玻璃纤维：此处所述类型的光纤通常由玻璃(例如二氧化硅)制造而成，其中，如本领域中公知的，通过一种或多种杂质(例如P，Al，Ge，F，Cl)的量和种类，或者通过光纤制造过程中合并入的空穴，来控制芯区和包层区的折射率。如本领域所公知的，这些折射率以及芯／包层区的厚度／直径，决定了重要的工作参数。为了使这种玻璃纤维在适当泵浦时产生增益，还向它们掺入一种或多种增益产生物质[稀土物质(例如Er，Yb，Tm，Dy，Ho等)或非稀土元素(例如Bi，Cr)]。
折射率(Index)：术语折射率表示折射率。在特定区域(例如包层区)包括微结构[例如，被填充(例如通过低折射率气体、液体或固体)或未被填充(例如空气孔)的孔]的设计中，该区域的折射率指的是光在该区域传播时的平均折射率。
折射率分布：图2-3的示意性折射率分布表示在光纤中可观察到的实际折射率微小改变的平均值。此外，尽管可以将折射率分布的多个区域表示成矩形，不过，这些区域的边界并非必须是水平或垂直的；一个或多个边界可以是倾斜的，例如区域可以是梯形或三角形。
LMA：在高功率应用中，将大模场面积(LMA)光纤定义为基模有效面积大于或基本等于90λ2，其中λ是信号波长。例如，在1060nm(1.06μm)波长处，大约100μm2或更大的有效区域构成了大模区域，而在1550nm(1.55μm)波长处，216μm2或更大的有效区域构成了大模区域。
M2：LMA光纤的光学性质对其横向折射率分布的细节很敏感。现有知识表明人们所期望的LMA光纤具有M2非常接近于1.0的基模，这意味着当假设芯区内部的横向折射率分布基本均匀，即在芯区的横截面内折射率分布基本均匀时，基横模的光场在形状上非常接近于高斯函数。M2表征了模场与真正高斯函数之间的相似度。更具体而言，对于具有高斯形状的某一模，M2=1.0，对于所有其他模场形状，M2>1.0。
M2定义了光纤的基横模与理想高斯函数的相似度，如P.A.Belanger在OpticalEngineering，第32卷，第9期，第2107-2109页(1993)中所述，该文献在此引作参考。(尽管本文为阶跃折射率光纤的LP01基模定义了M2，不过该定义对于此处所述的所有光纤都是有效的。)理论上，M2可以任意大，不过在实际上对于GPF来说，M2通常介于大约1<M2<10的范围内。此外，例如，通常认为M2～1.06较小，在某种意义上说是M2～1.0，而认为M2～1.3较大，在某种意义上说是M2>>1.0。
当M2非常接近1.0时，从光纤发射出的光束可以被有效地准直或被紧凑地聚焦成衍射极限光斑。
因而，M2是一种公知的通常被称作光束质量的测量值。
模：术语模表示电磁波(例如信号光，其包括光放大器情形中被放大的信号光或激光器情形中的受激发射)的横模。
模尺寸：光学模的尺寸用其有效面积Aeff来表示，由下式给出：
其中，E为模电场的横向空间包络，并且理解成在光纤的横截面区域上进行积分。当模场形状接近轴对称(即关于光纤的纵向旋转轴对称)高斯函数时，模场直径(MFD)是模直径的近似表征，可以表示为：
其中，r是半径坐标。当模场形状近似等于轴对称高斯函数时，Aeff=π×MFD2／4。
光暗化：光暗化是在光纤中可逆地产生的吸收色心。例如，当将高Yb掺杂光纤暴露于强泵浦辐射时，信号随时间发生衰减。这种光暗化可能源于玻璃中形成的色心，表现为在可见光波长处具有强吸收，是伴随着在大约975nm附近的强吸收而发生的。SpecialtyOptical Fibers Handbook,ed.Mendez和Moore，Ch.7.2.3，“Rare Earth Fibers,”DiGiovanni等人，Academic Press(2007)，该文献在此引作参考。
半径／直径：尽管在前面(和后面)的讨论中使用术语半径和直径表示各个区域(例如芯，沟槽，包层)的横截面是圆形和/或环形的，实际上这些区域可以是非圆形的；例如，它们可以是矩形、椭圆形、多边形、不规则形状或其他多种复杂形状。不过，正如本领域中通常的那样，为了简单和清楚起见我们常使用术语半径和/或直径。
信号传播：尽管信号光在沿光纤传播时实际可能与纵轴交叉，不过在本领域中为了好理解，将传播的一般方向称作沿其轴向(例如，图1的轴10.5)。
单模：在提及光以单横模传播时意味着包括实质上或有效的单模传播；即，在实际情形中，不是总能完全抑制所有其他模。然而，单模意味着这些其他模的强度对于预期应用来说很小或者可以忽略。因而，我们用术语单模光纤表示仅工作在一个模(最好是基模)或少量模[即基模和不超过大约1-4个高阶模(HOM)]的光纤。
抑制HOM：HOM需要被抑制的程度取决于具体应用。许多应用并不要求全部或完全抑制，这表明连续出现的相对较低强度的HOM是可接受的。在许多情况下，与基模的衰减相比，提供较高程度的HOM衰减即可。我们将这种抑制称作相对的或可选择的。在任何情况下，通过抑制HOM，例如通过改善光束质量、降低总的插入损耗、降低信号模的噪音和降低微弯曲损耗，能改善系统性能。
横截面：术语横截面表示在垂直于光纤纵轴的平面内光纤的截面。
未掺杂：术语未掺杂或未故意掺杂表示光纤的某一区域，或用于形成该区域的原料管，在制造过程中该区域包含非有意加入或控制的杂质，不过该术语不排除制造过程中固有地包含的较低程度的背景掺杂。
具体实施方式
双包层增益产生光纤设计
本发明的实施例描述了具有增大的包层吸收且不必增大增益产生物质／杂质的浓度的双包层、增益产生光纤(GPF)设计。具体而言，该光纤设计包括能增大芯直径的沟槽区，继而增大了包层吸收，如公式(1)所示；即αclad=αd[Ad／Aclad]。为了进行单模操作，芯差异(core contrast)Δncore应当小于大约8×10-3。(注意，Δncore>8×10-3表明为了保持单模操作，芯区直径应当具有相当小的直径，从而包层吸收也会减小。)
相反，现有研究使用Δncore～2.0-2.2×10-3(以保持在大约1030nm处LP11截止)和在大约1080nm工作波长处MFD≈11μm的LMA光纤。不过，本发明的范围不仅包括MFD大约为16μm这样大的LMA光纤，还包括具有较低例如6μm MFD的光纤。
现在转向附图，图1表示根据本发明一个实施例的双包层GPF10。GPF10包括具有纵轴10.5的芯区10.1，和围绕芯区10.1且包括区域10.2、10.3和10.4的包层区。将芯区和包层区配置成支持和引导信号光的基横模主要在芯区中沿轴10.5的方向传播。此外，将包层区配置成支持和引导多模泵浦光的传播。
包层区包括围绕芯区10.1的沟槽区10.2、围绕沟槽区10.2的内包层区10.3、和围绕内包层区10.3的外包层区10.4。
仅仅为了说明简单而将内包层区10.3的外边界10.6表示成圆形。实际上，众所周知该边界通常并非圆形以防止形成泵浦光的螺旋模(helical mode)，并增大所有泵浦模与芯区的重叠。
如图2中所示，相对内包层区10.3的折射率来定义各个折射率差Δn，从而将内包层区10.3的折射率差标为零。因而，外包层区10.4的折射率比内包层区10.3的折射率小Δnoc，内包层区10.3的折射率介于外包层区10.4与芯区10.1(Δncore)之间，沟槽区10.2的折射率比内包层区10.3的折射率小Δntr。
至少该芯区10.1包括至少一种增益产生物质，当将适当的泵浦能量施加给光纤，即经由(通过)内包层区10.3耦合到芯区10.1中时，为信号光提供增益。泵浦光在内包层中以多模方式传播，并且在传播时通过芯区(并且被增益产生物质吸收)。
可使用光纤领域中公知的多种技术/装置将泵浦光耦合(入射)到光纤10中。通常这些技术将泵浦光经由(通过)内包层区10.3和沟槽区10.2耦合到芯区10.1中。作为示例，可使用锥形光纤束(TFB)耦合器。TFB耦合器典型地是DiGiovanni和Stentz在美国专利5,864,644(1999)中所描述的类型，该文献在此引作参考。或者，可使用渐逝场(evanescent)耦合器，其中沿GPF的整个长度彼此接触地设置泵浦光纤和GPF。泵浦光纤和GPF可以彼此平行或者一个绕另一个缠绕地设置，如Grudinin等人在美国专利6,826,335(2004)中所描述的，该文献在此也引作参考。
将芯区10.1和包层区10.2、10.3、10.4设计成使得基模主要在芯区引导(即，基模的尾部延伸到芯区外部，并进入沟槽区10.2中)。为此，本发明特别是包括沟槽区的光纤设计，能增大芯区的直径，不会导致大量的HOM。如前所述，本发明设计考虑的是能实现单模操作，只要是支持基模和不超过大约1-4个HOM即可。
正如下面更详细描述的，本发明某些实施例的计算结果证实了本发明的GPF设计具有增大的包层吸收率(例如增大大约30％)。计算结果还表明，有些实施例的GPF设计中，由光暗化产生的光损耗更低。
作为示例，GPF10由二氧化硅制成，具有掺有Yb作为增益产生物质并且共掺有例如Ge，Al和P的芯区10.1。沟槽区10.2掺有折射率减小物质，诸如F或任何能够将沟槽区的折射率减小到芯区折射率以下的杂质或杂质的组合。内包层区10.3可以是未掺杂的，外包层区10.4通常选自由低折射率聚合物、向下掺杂的二氧化硅、或DiGiovanni和Windeler在美国专利5,907,652(1999)中所述类型的空气包层结构所组成的组，该文献在此引作参考。
作为示例，外包层区10.4的NA至少为0.22。
或者，内包层区可以掺有折射率增大杂质，诸如Al或Ge，在此情形中，芯区10.1和沟槽区10.2的折射率将变大，同时与内包层区10.3保持相同的折射率差。同样，内包层可以被向下掺入折射率减小杂质，诸如F或B，使其折射率发生同样的改变。
可选择的GPF设计
在图2中所示的可选择的实施例中，阴影区表示增益产生物质仅处于芯区10.1中，信号光的基模的大部分能量被限定在该处。不过，该模式的尾部延伸到沟槽区10.2中。然而，由于沟槽区不包含增益产生物质，尾部没有被放大，从而降低了采用GPF的放大器或激光器的效率。[这种效能差的一种表现是产生放大的自发发射(ASE)。]为了减轻这种影响，还可以向沟槽区10.2的靠近芯区10.1的那部分(即，尾部延伸到的部分)掺入增益产生物质。
增大包层吸收的方法
根据前面对图1和图2的光纤设计的描述，显然，本发明的另一方面是一种增大双包层GPF的包层吸收，同时保持单模操作的方法，该方法包括步骤：(a)形成芯区10.1，其芯直径(Dcore)大于没有沟槽区的相应双包层GPF的芯直径；(b)在芯区10.1与内包层区10.3之间形成沟槽区10.2；(c)配置芯、沟槽和内包层区10.1、10.2、10.3，使得(i)沟槽区的折射率小于内包层区10.3的折射率，并且(ii)沟槽区与内包层区10.2、10.3之间的折射率差Δntr的绝对值，小于芯区与内包层区10.1、10.3之间的折射率差Δncore；以及(d)配置芯、沟槽和内包层区10.1、10.2、10.3，使得能支持并且主要在芯区10.1中引导信号光的基模，从而多模泵浦光可以经由(通过)内包层区10.3耦合到芯区10.1中。
计算出的GPF设计
所给出的本发明的一个示例描述了图1-3中所示类型的双包层GPF的设计。在该实施例的性能和设计计算中假设芯区掺有增益产生物质Yb，并且共掺有Ge，Al和P，沟槽区10.2下掺有F，内包层区未掺杂。不过，计算结果并不取决于形成外包层区10.4所用的材料，只要外包层区具有比内包层区低的折射率即可。
为了说明，表示出各种材料、尺寸和操作条件，除非特别说明，否则无意于将本发明的范围局限于此。
更具体而言，图3的曲线31表示出本发明该示例的双包层GPF10的折射率分布，与其并列地，图3的曲线30表示标准双包层GPF的折射率分布。下面的表I中给出了在本发明的GPF设计中，与标准的双包层GPF相比，对于给定波长(例如1080nm)处给定的MFD，如何通过包括沟槽区来增大芯直径的一个例子：
表I
芯区与沟槽区的折射率差异是相对内包层区折射率来定义的。在两种情形中都假设芯区掺有Yb，且共掺有Ge，Al，P的氧化物，以及硅的氟化物，从而在总的折射率差异中，Yb至少提供了65％；例如，Yb(1-2摩尔％)，GeO2(<0.5摩尔％)，Al2O3(3.5摩尔％)，P2O5(<0.5摩尔％)和SiF4(1摩尔％)。在两种情形中，假设内包层区未掺杂。在本发明GPF的情形中，假设沟槽区被向下掺入F。杂质(Ge，Al，P，F，B)的任意组合都是适当的，只要光纤截面上的折射率差能够被配置成如前所述即可。
上述的标准GPF和本发明GPF具有相同的芯NA(0.08)，相同的泵浦光(在大约915nm波长处)材料吸收，以及在大约1030nm波长处具有相同的HOM(LP11)截止。
本发明的GPF具有许多优于标准DCF的光学性质；即，计算结果表明有些实施例表现出更低的光暗化率(即，当标准DCF和本发明DCF具有同样的包层吸收时，沟槽区允许更大的Dcore，从而允许更低的材料吸收，这导致更低的光暗化)，而其他实施例表明增大了包层吸收(即，当在标准DCF和本发明DCF中材料吸收相同时，沟槽区允许的更大的Dcore，导致包层吸收更高，但不会降低光暗化)。因此，对于给定的包层吸收，本发明GPF设计的有些实施例，能减小所观察到的由于某些增益产生物质(例如Yb)导致的光暗化的程度，因为对于获得给定αclad所需的这种增益产生物质的浓度Nd减小了。较低的光暗化率使得效率和输出功率增大，并且在包层泵浦光纤激光器(例如图6)的情形中，增大了可靠性且延长了泵浦激光器的寿命期间。图4详细表示出在从600nm到1100nm波长范围内光暗化引起的光损耗。曲线40表示对于标准GPF(图3的曲线30所示的折射率分布)光暗化引起的损耗，而曲线41表示对于本发明的GPF(图3的曲线31所示的折射率分布)在所有波长处相应的较低的损耗。
另一方面，增大包层吸收能产生增大的SRS阈值，从而增大输出功率。还提供一种方便封装的减少的设计尺寸(GPF长度)。在本说明中，包层吸收增大了超过30％，从标准GPF的大约0.88dB／m增大到本发明GPF中的大约1.2dB／m。
如前所述，本发明GPF一个特别吸引人的特征是可使用更大的芯直径，同时依然保持实现单模操作的能力。在表I中，标准GPF中的芯直径为大约11.8μm，本发明的GPF中的芯直径为大约14.0μm，大约增大了2.2μm。在包层泵浦光纤激光器(例如图6)中，更大的芯表明包层吸收增大(例如增大36％)，因而激光器更短(例如短36％的双包层GPF)，更易于封装。
更大的芯尺寸还增加了信号光基模与增益区域(即对本发明GPF而言是芯区10.1)之间的重叠。因而，增强了能量转移到信号光的效率。通过比较具有曲线31的折射率分布的本发明GPF中的基信号模的LP01功率曲线33(图3)，与具有曲线30的折射率分布的传统SICGPF中的基信号模的LP01功率曲线32，证实了这一点。
下面的表II中表示本发明掺镱(Yb)GPF(具有沟槽区的DCF)的多种设计，与标准掺Yb GPF(不具有沟槽区的DCF，如沟槽宽度列中缩写N／A所示)进行比较。表II表示在波长1080nm处，MFD是芯区和沟槽区的多个参数的函数；即，芯半径(Rcore)，芯折射率差异(Δncore)，沟槽折射率差异(Δntr)和最小沟槽宽度(Wtr)，以便对具体的芯半径都能保持单模操作。对于本发明具有特定MFD的每个GPF，表II还表示所产生的芯面积增大因数，从而表示包层吸收(αclad)的百分比增加。
针对表II中列出的设计的内包层区和外包层区，由于将内包层区作为参考，内包层区的折射率差为零，而外包层区(引导泵浦光)的折射率差至少为-15.5×10-3。内包层区的厚度至少为50μm，而外包层区的厚度至少为10μm。
表II
(掺Yb GPF；工作在1030-1180nm；在1000-1060nm处LP11截止)
MFD Rcore Δncore Δntr Wtr(最小) Acore增大系数
(μm) (μm) (×10-3) (×10-3) (μm) (αclad增大)
6 2.75 7.80 0.00 N／A
2.95 7.80 -0.50 2.25
3.05 7.80 -1.00 3.00
3.20 7.80 -2.00 4.00
3.30 7.80 -3.00 5.00
3.40 7.80 -4.00 6.00 1.53(53％)
7 3.15 5.65 0.00 N／A
3.50 5.65 -1.00 2.00
3.85 5.65 -2.00 3.00
4.00 5.65 -3.00 5.00
4.10 5.65 -4.00 7.00 1.69(69％)
8 3.65 4.30 0.00 N/A
3.90 4.30 -0.50 1.75
4.10 4.30 -1.00 1.50 1.26(26％)
10 4.50 2.80 0.00 N／A
5.10 2.80 -0.50 3.50
5.40 2.80 -1.00 3.50
5.65 2.80 -1.50 3.50 1.58(58％)
12 5.50 2.00 0.00 N／A
5.95 2.00 -0.25 3.50
6.10 2.00 -0.35 4.50
6.30 2.00 -0.50 5.00
6.50 2.00 -0.65 7.00
6.70 2.00 -0.80 10.00 1.48(48％)
14 6.35 1.50 0.00 N／A
6.70 1.50 -0.15 2.50
6.90 1.50 -0.25 4.50
7.10 1.50 -0.45 5.00
7.50 1.50 -0.60 7.50
7.90 1.50 -0.80 10.00 1.55(55％)
16 7.45 1.10 0.00 N／A
8.70 1.10 -0.35 8.00
8.70 1.10 -0.40 8.00 1.36(36％)
18 8.50 0.80 0.00 N／A
11.00 0.80 -0.25 9.00 1.67(67％)
概括来说，表II表明在掺Yb的本发明设计中，当将芯区和包层区配置成使得包层吸收增大大约26-69％时，能获得大约6-18μm(例如6-16μm)的MFD。此外，当MFD为大约6-8μm时，芯区的半径为大约2.9-4.1μm，芯区的折射率差异Δncore为大约4.3-7.8×10-3，沟槽区的折射率差异Δntr为大约-0.5×10-3到-4.0×10-3，并且沟槽区的最小宽度为大约1.5-7.0μm。另一方面，当MFD为大约10-18μm(例如10-16μm)时，芯区的半径为大约4.6-11.0μm，芯区的折射率差异为大约0.8-2.8×10-3，沟槽区的折射率差异为大约-0.15×10-3到-0.8×10-3，并且沟槽区的最小宽度为大约2.5-10.0μm。
类似地，下面的表III和表IV表示用于比较标准GPF(没有沟槽区的DCF)与可选的本发明设计(具有沟槽区的DCF)的相应参数，其中，芯区掺有铒(Er；用于工作在大约1530-1630nm)或铥(Tm；用于工作在大约1940-2050nm)。
表III
(掺Er GPF；工作在1530-1630nm；在1470-1530nm处LP11截止)
MFD Rcore Δncore Δntr Wtr(最小) Acore增大因数
(μm) (μm) (×10-3) (×10-3) (μm) (αclad增大)
9 4.30 4.50 0.00 N／A
4.90 4.50 -1.00 2.00
5.20 4.50 -2.00 3.50
5.50 4.50 -4.00 3.50
5.70 4.50 -6.00 4.00 1.76(76％)
11 5.25 3.00 0.00 N／A
6.50 3.00 -2.00 3.00
6.90 3.00 -4.00 3.50
7.25 3.00 -6.00 4.00 1.91(91％)
14 6.50 2.00 0.00 N／A
8.25 2.00 -2.00 2.50
8.75 2.00 -4.00 3.00
9.00 2.00 -6.00 4.00 1.92(92％)
16 8.00 1.50 0.00 N／A
9.25 1.50 -1.00 4.75
9.75 1.50 -2.00 5.00
10.50 1.50 -4.00 6.00 1.81(81％)
20 9.25 1.00 0.00 N／A
11.75 1.00 -1.00 5.00
12.50 1.00 -2.00 6.00
13.0 1.00 -4.00 8.00 1.98(98％)
概括来说，表III表明在掺Er的本发明设计中，当将芯区和包层区配置成使得包层吸收增大大约76-98％时，能获得大约9-20μm的MFD。此外，当MFD为大约9-20μm时，芯区的半径为大约4.3-13.0μm，芯区的折射率差异Δncore为大约1.0-4.5×10-3，沟槽区的折射率差异Δntr为大约-1.0×10-3到-6.0×10-3，并且沟槽区的最小宽度为大约2.0-8.0μm。
掺Er设计的一个使人感兴趣的特征是Δncore与Δntr的相对值，即，在有些掺Er设计中，Δntr的绝对值可能大于Δncore的绝对值。更具体来说，已经证实，该条件对于一部分掺有Er的芯区的设计是有效的，其中近似地Rcore/MFD≥0.6。
目前还不能对Rcore/MFD≥0.6以上和以下的掺Er GPF的性能进行理论上的解释。不过，从实际的观点(即易于制造和/或易于利用)看，优选本发明的GPF具有相对较浅深度的沟槽。实际上，沟槽越深，GPF的拼接越难，因为通常通过加入氟来制造沟槽，其在典型的热驱动拼接操作中会快速扩散。
相反，在表I中所有掺Yb的设计，和表III中所有掺Tm的设计中，情形相反，即绝对值Δntr＜Δncore。
表IV
(掺Tm GPF；工作在1940-2050nm；在1880-1940nm处LP11截止)
MFD Rcore Δncore Δntr Wtr(最小) Acore增大因数
(μm) (μm) (×10-3) (×10-3) (μm) (αclad增大)
8 3.50 16.00 0.00 N／A
3.85 16.00 -3.00 3.00
4.25 16.00 -7.00 6.00 1.47(47％)
10 4.85 8.50 0.00 N／A
5.50 8.50 -2.00 4.00
6.00 8.50 -5.00 4.45 1.53(53％)
14 6.25 5.00 0.00 N／A
7.00 5.00 -1.00 4.00
7.50 5.00 -2.00 6.00 1.44(44％)
20 9.25 2.35 0.00 N／A
10.50 2.35 -1.00 4.50
11.00 2.35 -2.00 4.50 1.41(41％)
概括来说，表IV表明在掺Tm的本发明设计中，当将芯区和包层区配置成使得包层吸收增大大约41-53％时，能获得大约8-20μm的MFD。此外，当MFD为大约8-20μm时，芯区的半径为大约3.5-11.0μm，芯区的折射率差异Δncore为大约2.35-16.0×10-3，沟槽区的折射率差异Δntr为大约-1.0×10-3到-7.0×10-3，并且沟槽区的最小宽度为大约3.0-6.0μm。
应当理解，上述结构仅是体现本发明原则应用的多种可能具体实施方式的示例。在不偏离本发明精神和范围的条件下，本领域技术人员根据这些原则可以设计出多种可变的其他结构。特别是，沟槽区的存在减小了本发明GPF的弯曲敏感性，从而减轻例如放大器或激光器封装中在光纤缠绕时由弯曲引起的影响。
应用：高功率光纤放大器和激光器
图5中表示本发明的一种应用，高功率光纤放大器230包括光耦合到可选择的尾纤235p的GPF235a。GPF235a光耦合到组合器233，尾纤235p光耦合到应用装置234。GPF235a是根据本发明设计的，并且通常在放大器封装的内部与尾纤235p缠绕在一起。在典型的商业上可得到的放大器封装中，将缠绕好的GPF光纤235a和尾纤235p安装到公知的平板或心轴(未示出)上。
在相对较高功率的应用中，组合器233为泵浦组合器，其将光输入信号源231和光泵浦源236的输出耦合到GPF235a中。可以通过众所周知的体(bulk)光学部件来形成泵浦组合器233，或者如前所述，通过DiGiovanni和Stentz在美国专利5,864,644(1999)中所述类型的锥形光纤束，或者通过Grudinin等人在美国专利6,826,335(2004)中所述类型的渐逝场耦合器来形成，这两篇文献在此引作参考，或者通过其他已知方法来形成。输入信号源231产生第一波长的光输入信号，该信号通过传统光纤232或者通过体光学部件(未示出)耦合到组合器233的输入端，而泵浦源236产生第二波长的光泵浦信号，该信号通过传统的通常是多模光纤237耦合到组合器233的另一输入端。(组合器233最终将信号光耦合到GPF235a的芯区，将多模泵浦光耦合到GPF235a的内包层区，如前面结合附图1-3所描述的。)
正如本领域中众所周知的，泵浦信号在GPF235a中产生粒子数反转，对来自输入源231的输入信号进行放大。得到放大的输入信号沿着GPF235a(以及通过尾纤235p，如果有的话)传播到应用装置234。在高功率应用装置中，后者可以包括大量公知的装置或设备，例如另一光放大器，光束准直器，透镜系统，在其上将要进行切割或焊接操作的工件台。
作为示例，输入源231为产生相对较低功率光输入信号的激光器，其波长处于GPF235a的放大范围内，而泵浦源236最好是半导体激光器，不过可选择半导体发光二极管(LED)阵列。在每一种情况下，泵浦源236都产生更短波长的相对较高光功率(例如高于150mW或者甚至高于100W)泵浦信号，对输入信号产生所需的放大。在优选实施例中，当GPF235a掺有镱时，信号源231产生波长为大约1080nm的输入信号，泵浦源236产生波长为大约915nm或大约975nm的泵浦信号。
尽管图5的放大器230表示一种通常的共传播泵浦结构(即，泵浦和输入信号沿同一方向通过GPF传播)，还可以使用反向传播结构(即，泵浦和输入信号沿相反方向通过GPF传播)。此外，可以串联地设置多个放大器，在本领域中用于增大高功率多级系统的总增益的方案是公知的。泵浦能量可以被横向耦合到放大器中。
当将放大器设备配置成作为激光器操作时，可省略信号源231，前面所述的信号光将相当于激光器内部产生的受激发射。
图6中表示出这种激光器200的一个实施例。激光器200被设计成提供高功率输出215。基础设计遵循DiGiovanni在美国专利5,937,134(1999)中所说明的，该文献在此也引作参考。不过，此处激光器200的工作介质包括如前面参照附图1-3所述的根据本发明设计的卷曲单模双包层GPF光纤211。
卷曲GPF211的一部分在位置213处被切掉，来表示其实际的长度。在这种激光器结构中，光纤的长度通常具有米到几十米的量级。由于盘绕的直径例如为大约15cm，光纤211呈现出多圈。(同样的描述适用于图5的卷曲放大器GPF235a，对于这种放大器，激光器200的卷曲GPF211通常缠绕在未示出的公知平板或心轴上。)
激光工作介质被设置在由示意地分别设置在GPF211的端部217，219处(或附近)的布拉格光栅212和213所构成的空腔谐振器内。通常由GPF211的芯区中的光致折射率改变来形成这些光栅或反射器。
利用光泵浦源214对工作介质进行端泵浦，光泵浦源214产生的泵浦光在GPF211的一端217耦合到内包层区(未示出)中。尽管图中所表示的是源214与端217分离，不过本领域技术人员显然可知，通常端217经由适当的耦合器(未示出)与源214连接在一起。源214发出的泵浦光在GPF211的芯区中被吸收(即通过此处的增益产生物质)，导致粒子数反转，产生激光输出215，并从GPF211的相对端219发射出。
通常泵浦源214包括半导体激光二极管(或这类二级管的阵列)。作为示例，激光二级管的工作区包括产生大约980nm波长泵浦光的AlGaAs，或者产生介于1000-1600nm范围内的更长波长泵浦光的InGaAs或InGaAsP。或者，泵浦源214可包括其他类型的固体激光器，例如T-蓝宝石或Nd-玻璃，或者可以为光纤激光器。

Claims (22)

1.一种双包层的增益产生光纤，包括：
具有纵轴的芯区，所述芯区具有与所述纵轴垂直的横截面，所述横截面具有圆形形状，
围绕所述芯区的包层区，所述芯区和包层区被配置成支持和引导基横模的信号光沿所述轴的方向传播，
所述包层区包括围绕所述芯区的沟槽区、围绕所述沟槽区的内包层区和围绕所述内包层区的外包层区，所述外包层区的折射率低于所述内包层区的折射率，所述内包层区的折射率介于所述外包层区的折射率与所述芯区的折射率之间，所述沟槽区的折射率低于所述内包层区的折射率，
至少所述芯区包括至少一种增益产生物质，当向所述光纤施加适当的泵浦能量时，为所述信号光提供增益，以及
所述芯区和包层区被配置成使得基模主要在所述芯区中被引导，并且所述沟槽区与所述内包层区的折射率差Δntr的绝对值小于所述芯区与所述内包层区之间的折射率差Δncore的绝对值，从而与不具有所述沟槽区的相应的双包层的增益产生光纤相比，能同时增大所述芯区的直径和所述光纤的包层吸收，同时保持所述信号光的单模操作，
其中，所述芯区、沟槽区和内包层区被配置成使得与不具有所述沟槽区但具有类似模场直径MFD的所述相应的双包层的增益产生光纤相比，所述光纤的包层吸收αclad增加至少30％，其中αclad＝αd[Ad/Aclad]，αd为所述光纤的包括增益产生物质的区域的吸收系数，Ad为所述光纤的包括增益产生物质的区域的横截面面积，并且Aclad为包含在所述外包层内的所述光纤的总横截面面积。
2.如权利要求1所述的光纤，其中，至少所述芯区掺有Yb，所述基模的特征在于所述MFD为6-16μm，所述芯区和包层区被配置成使得与不具有所述沟槽区但具有相似的层构造、相似的折射率分布、相似的直径芯区和包层区的相应的双包层的增益产生光纤相比，所述包层吸收增大26-69％。
3.如权利要求2所述的光纤，其中，所述MFD为6-8μm，所述芯区的半径为2.9-4.1μm，所述芯区的折射率差异Δncore为4.3-7.8×10-3，所述沟槽区的折射率差异Δntr为-0.5×10-3到-4.0×10-3，并且所述沟槽区的最小宽度Wtr为1.5-7.0μm，其中对于给定的MFD，Wtr是保持单模操作所需的最小沟槽宽度。
4.如权利要求2所述的光纤，其中，所述MFD为10-16μm，所述芯区的半径为4.6-8.7μm，所述芯区的折射率差异Δncore为1.1-2.8×10-3，所述沟槽区的折射率差异Δntr为-0.15×10-3到-0.8×10-3，并且所述沟槽区的最小宽度Wtr为2.5-10.0μm，其中对于给定的MFD，Wtr是保持单模操作所需的最小沟槽宽度。
5.如权利要求1所述的光纤，其中，所述沟槽区的至少一部分还包括至少一种增益产生物质。
6.如权利要求1所述的光纤，其中，所述芯区，沟槽区和内包层区包括二氧化硅，并且所述外包层区选自由低折射率聚合物，向下掺杂的二氧化硅和空气包层结构组成的组。
7.如权利要求1所述的光纤，其中，所述芯区和包层区被配置成仅支持和引导所述信号光的所述基模。
8.如权利要求1所述的光纤，其中，所述芯区和包层区被配置成支持和引导所述信号光的所述基模以及不超过大约1-4个模。
9.如权利要求1所述的光纤，其中，由多模泵浦光源提供所述泵浦能量，并且所述芯区和包层区被配置成使所述泵浦光能通过所述内包层区耦合到所述芯区中。
10.一种光学设备，包括：
根据权利要求1-9中任一项所述的光纤，用于响应于所施加的泵浦光，对耦合到所述芯区中的所述信号光进行放大，
所述泵浦能量的源，所述泵浦能量通过所述内包层区耦合到所述芯区中。
11.如权利要求10所述的设备，其中，所述泵浦能量的泵浦源提供多模泵浦光，并且进一步包括用于将所述泵浦光和所述信号光耦合到所述芯区中的组合器。
12.如权利要求11所述的设备，其中，所述光纤、所述源和所述组合器被配置成光放大器。
13.一种光学设备，包括：
空腔谐振器，
设置在所述谐振器内的根据权利要求1-9中任一项所述的光纤，以及
耦合器，用于将泵浦能量通过所述内包层区耦合到所述芯区中，从而在所述芯区中以受激发射的方式产生所述信号。
14.如权利要求13所述的光学设备，其中，所述光纤、所述谐振器和所述耦合器被配置成激光器。
15.一种增大双包层的增益产生光纤的包层吸收的方法，所述双包层的增益产生光纤包括增益产生芯区，所述芯区具有圆形横截面，围绕所述芯区的内包层区和围绕所述内包层区的外包层区，所述方法包括如下步骤：
(a)在所述芯区与所述内包层区之间形成沟槽区；所述芯区的直径大于不具有沟槽区的相应双包层的增益产生光纤的芯区的直径；
(b)将所述芯区、沟槽区和内包层区配置成使得：(i)所述沟槽区的折射率小于所述内包层区的折射率，和(ii)所述沟槽区与内包层区之间的折射率差Δntr小于所述芯区与所述内包层区之间的折射率差Δncore；和
(c)将所述芯区、沟槽区和内包层区配置成使得在所述芯区中支持和引导信号光的基模，从而可通过所述内包层区将多模泵浦光耦合到所述芯区中，
其中，步骤(a)，(b)和(c)配置所述芯区、沟槽区和内包层区，以便与不具有所述沟槽区的相似的双包层的增益产生光纤相比，所述光纤的包层吸收αclad增加至少30％，其中αclad＝αd[Ad/Aclad]，αd为所述光纤的包括增益产生物质的区域的吸收系数，Ad为所述光纤包括增益产生物质的区域的横截面面积，并且Aclad为所述光纤的总横截面面积。
16.如权利要求15所述的方法，其中，步骤(a)，(b)和(c)配置所述芯区、沟槽区和包层区，使得所述基模的特征在于模场直径MFD为6-16μm，所述芯区和包层区被配置成使得所述包层吸收增大26-69％。
17.如权利要求16所述的方法，其中，步骤(a)，(b)和(c)配置所述芯区、沟槽区和包层区，使得所述MFD为6-8μm，所述芯区的半径为2.9-4.1μm，所述芯区的折射率差异Δncore为4.3-7.8×10-3，所述沟槽区的折射率差异Δntr为-0.5×10-3到-4.0×10-3，并且所述沟槽区的宽度Wtr为1.5-7.0μm，其中对于给定的MFD，Wtr是保持单模操作所需的最小沟槽宽度。
18.如权利要求16所述的方法，其中，步骤(a)，(b)和(c)配置所述芯区、沟槽区和包层区，使得所述MFD为10-16μm，所述芯区的半径为4.6-8.7μm，所述芯区的折射率差异Δncore为1.1-2.8×10-3，所述沟槽区的折射率差异Δntr为-1.5×10-3到-0.15×10-3，并且所述沟槽区的最小宽度Wtr为2.5-10.0μm，其中对于给定的MFD，Wtr是保持单模操作所需的最小沟槽宽度。
19.如权利要求15所述的方法，其中，步骤(a)形成所述沟槽区，使得所述沟槽区的至少一部分还包括至少一种增益产生物质。
20.如权利要求15所述的方法，其中，步骤(a)，(b)和(c)将所述芯区、沟槽区和内包层区配置成包括二氧化硅，所述外包层区选自低折射率聚合物、向下掺杂的二氧化硅和空气包层结构组成的组。
21.如权利要求15所述的方法，其中，步骤(a)，(b)和(c)配置所述芯区、沟槽区和内包层区，使得所述光纤仅支持和引导所述信号光的所述基模。
22.如权利要求15所述的方法，其中，步骤(a)，(b)和(c)配置所述芯区、沟槽区和内包层区，从而所述光纤支持和引导所述信号光的所述基模以及不超过大约1-4个模。
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