CN106458697A - 旋转的圆形芯部光纤 - Google Patents

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Abstract

具有围绕芯部的传播轴随角度变化的折射率分布的光波导的芯部可以提供单模操作，而且芯部直径也大于传统波导。在一个代表性的实施方案中，光波导包括沿着传播轴延伸并且具有围绕传播轴随角度变化的折射率分布的芯部。光波导还可以包括围绕芯部布置且沿着传播轴延伸的包层。芯部的折射率分布可以沿着传播轴的长度随角度变化。

Description

旋转的圆形芯部光纤
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年1月30日提交的、申请号为61/933641的美国临时申请的权益，其内容通过整体引用的方式结合入本文。
技术领域
本公开内容涉及被配置为鉴别较高阶模式的光纤。
背景技术
光纤激光器和放大器的功率缩放通常需要大模面积(large-mode-area，LMA)光纤，以减小强度和避免非线性效应。为了增大模面积，芯部尺寸通常需要扩大。然而，增大的模面积和芯部尺寸经常伴随着较高阶模式的产生和/或传输，这会显著降低光纤的输出光束的质量。因此，传统光纤的单模操作会随着芯部尺寸的增大而变得不切实际。因此，期望对光纤作出改进。
发明内容
本申请公开的实施方案提供了解决已知光波导的某些缺陷的光波导。在一个代表性实施方案中，光波导包括沿着传播轴延伸并且具有围绕传播轴随角度变化的折射率分布的芯部。光波导还可以包括围绕芯部布置且沿着传播轴延伸的包层。芯部的折射率分布可以沿着传播轴的长度随角度变化。
在另一个代表性实施方案中，制备芯棒预制体的方法包括：将一个或多个具有第一折射率的二氧化硅棒装入二氧化硅管中；将一个或多个具有第二折射率的二氧化硅棒装入二氧化硅管中；压缩二氧化硅管以形成芯棒预制体。芯棒预制体相对于预制体的纵轴可以具有随角度变化的折射率分布。
在另一个代表性实施方案中，一种方法包括：将芯棒置于包层管内以获得光纤预制体，该芯棒具有围绕芯棒的纵轴随角度变化的折射率分布；和拉制光纤预制体以得到光纤。在拉制光纤预制体的同时旋转光纤预制体，使得所得到的光纤的芯部的折射率分布沿着芯部的纵轴随角度变化。
在另一个代表性实施方案中，在光波导中鉴别较高阶模式的方法包括：引导光辐射进入光波导的芯部，该芯部具有围绕传播轴随角度变化的折射率分布；和接收在光波导中传播之后的光辐射。
在另一个代表性实施方案中，光学系统包括：种子光源，被配置为提供种子光束；一个或多个光放大器，被配置为接收和放大种子光束；以及，至少一个光泵浦源，被配置为提供至少一个泵浦光束至组合器。该组合器被配置为将来自泵浦光束的泵浦光辐射耦合入无源光纤的包层中。该光学系统还可以包括有源光纤，该有源光纤与无源光纤通信，并且有源光纤可以被配置为鉴别较高阶模式。
在另一个代表性实施方案中，光波导包括：沿着传播轴延伸的芯部，和围绕芯部布置且沿着传播轴延伸的包层。该芯部可以具有围绕传播轴随角度变化的折射率分布。该包层也可以具有围绕传播轴随角度变化的折射率分布。包层和芯部的折射率分布也可以沿着传播轴的长度随角度变化。
从下面参考附图的详细描述，本公开内容的前述和其他的目的、特征和优点更加显而易见。
附图说明
图1是根据一个实施方案的具有多个模式-鉴别区域的光波导的立体图。
图2是图1的光波导的芯部的横截面图。
图3是在拉伸塔中的波导预制体的一个代表性实施方案的侧视图。
图4是波导芯部的另一实施方案的横截面图。
图5是波导芯部的另一实施方案的横截面图。
图6是波导芯部的另一实施方案的横截面图。
图7是波导芯部的另一实施方案的横截面图，该波导芯部具有一个或多个椭圆形形状的模式-鉴别区域。
图8是波导芯部的另一实施方案的横截面图，该波导芯部具有一个或多个矩形的模式-鉴别区域。
图9是波导芯部的另一实施方案的横截面图，该波导芯部具有一个或多个六边形形状的模式-鉴别区域。
图10是波导芯部的另一实施方案的横截面图，该波导芯部具有一个或多个三角形形状的模式-鉴别区域。
图11是波导芯部的另一实施方案的横截面图，该波导芯部具有一个或多个不规则形状的模式-鉴别区域，该模式-鉴别区域被模式-传播区域包围。
图12是波导芯部的实施方案的横截面图，该波导芯部具有一个或多个不规则形状的模式-鉴别区域，该模式-鉴别区域部分地被模式-传播区域包围。
图13是波导芯部的另一实施方案的横截面图，该波导芯部具有一个不规则形状的模式-鉴别区域，该模式-鉴别区域与芯部的传播轴是同轴的。
图14是波导芯部的另一实施方案的横截面图，该波导芯部具有六边形形状的模式-传播区域。
图15是波导芯部的另一实施方案的横截面图，该波导芯部具有八边形形状的模式-传播区域。
图16是波导芯部的另一实施方案的横截面图，该波导芯部具有六边形形状的模式-传播区域。
图17是波导芯部的另一实施方案的横截面图，该波导芯部具有任意多边形形状的模式-传播区域。
图18是波导芯部的另一实施方案的横截面图，该波导芯部具有与芯部的纵轴径向偏移的传播轴。
图19是芯棒预制体的横截面图。
图20是芯棒预制体的另一实施方案的横截面图。
图21是示意性框图，表示光波导制备方法的一个代表性实施方案。
图22是光波导的另一实施方案的横截面图，该光波导具有一个或多个位于芯部内的模式-鉴别区域，还具有在包层内的一个或多个模式-鉴别区域。
图23是光波导的另一实施方案的横截面图，该光波导包括一个或多个位于芯部内的模式-鉴别区域，还具有一个多边形形状的内包层。
图24是波导芯部的另一实施方案的横截面图，该波导芯部具有一个或多个模式-鉴别区域，所述一个或多个模式-鉴别区域位于距芯部的传播轴均匀增大的径向距离处。
图25表明了在1060nm的波长下的图1的波导芯部的LP01模场分布。
图26是对于经过图1的光波导的芯部传输的在800nm至1400nm之间的光波长，对于LP01和LP11模式，传输损失与波长的曲线图。
图27是一种光学系统的代表性实施方案的示意图，该光学系统包括一个光波导。
图28是级联拉曼放大器的传输损失与波长的曲线图，该放大器包括一个光波导。
具体实施方式
如本申请和权利要求所用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数形式，除非上下文另有明确说明。另外，术语“包括(include)”意味着“包括(comprise)”。此外，术语“耦合(couple)”不排除耦合项之间有中间元件的存在。
本文对系统、设备和方法的描述不应当被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开内容直接涉及各个公开的实施方案的所有新颖的和非显而易见的特征和方面(单独地或彼此之间以各种组合和子组合)。所公开的系统、方法和设备不限于任何特定的方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和设备也不要求体现出一个或多个特定的优点或者解决了一个或多个问题。关于操作的理论是为了便于说明，但所公开的系统、方法和设备不限于这种操作理论。
虽然为了方便呈现，一些公开方法的操作是按照特定的、顺序次序进行描述的，但应该理解的是，这种方式的描述也包括重新排序，除非在下面用明确语言要求该特定次序。例如，顺序描述的操作在某些情况下可能被重新排序或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的系统、方法和设备可以结合其他系统、方法和设备使用的各种方式。此外，说明书有时使用了如“生产”和“提供”这样的术语描述所公开的方法。这些术语是所执行的实际操作的高级抽象。对应于这些术语的实际操作将取决于具体的实施方式而改变，并且本领域技术人员也容易甄别。
在一些实施例中，值、程序或设备会被称为“最低”、“最好”、“最小”等。应当理解，这种表述旨在表明，可以在许多常用的功能性选项中做出选择，并且这种选择不需要更好、更小，或者优于其他选择。
光纤或其他光波导通常基于折射率作为距传播轴的距离的函数而变化。这样的折射率变化包括所谓的折射率阶跃(例如，与典型的阶跃折射率的光纤相关联)和连续的变化(例如，与典型的梯度折射率的光纤相关联)。许多方便的例子是基于圆形横截面光纤的。这样的光纤通常包括一个中央芯部，该芯部被包层区域包围，芯部和包层被选择用来提供导波传播。在下面公开的实施例中，光纤、光纤区段、预制体和波导装置被表示为沿着直线轴延伸。应该理解的是，光纤和预制体可以被布置在弯曲的、分段的或其他构造的轴上。通常，这种装置沿传播轴延伸，光辐射沿着传播轴在装置中传播，并且这样的轴可以是直线的或曲线的。
在一些实施方案中，描述了多模或单模装置，但是通过适当选择装置的性质，例如芯部和包层的折射率(或折射率差)和尺寸，就可以制造多模或单模装置。为了在阶跃折射率的波导中获得单模传播，需要选择光纤的性质，使得所谓的V-数V＝πNAdCORE/λ小于约2.4，其中λ是在装置中传播的辐射的自由空间波长，dCORE是芯部的直径，NA是装置的数值孔径。装置的模场直径(MFD)也可以是基于装置的性质做出的选择，如MFD＝dCORE(0.65+1.619/V3/2+2.879/V6)。这些关系适用于具有圆形横截面的光纤装置，但是类似的考虑可适用于其他横截面形状。在光纤的尺寸上有可能发生相当大的变化，在典型的实施例中，在约500nm至1500nm之间的波长下使用的传统单模光纤的芯部直径是在约3μm和20μm之间，而传统多模光纤的芯部直径是在约10μm和500μm之间。传播性质可以是基于阶跃折射率或梯度折射率的设计的。为了便于展示，提供了光纤和预制体的截面图。但是，在许多有用的实施例中，可以使用的光纤和预制体的横截面是圆形的、卵形的、椭圆形的、多边形的或是其他的横截面。另外，在一些实施例中，提供了应力棒或者其他芯部特征。
本公开内容的实施方案通常涉及的光纤具有被包层包围的单个芯部。然而，在其他实施例中，可以形成所谓的双包层光纤。双包层光纤通常包括由一个被内包层包围的芯部，该内包层转而又被外包层包围。这些层的折射率和折射率分布是可以选择的，以提供选定的波导性质。在一些实施例中，双包层光纤包括有源掺杂的芯部，该芯部可以被配置为支持单模传播。有源芯部和内包层可以用于引导泵浦辐射进入芯部的有源增益元件。通常，芯部具有比内包层更高的折射率，并且内包层具有比外包层更高的折射率。在有源掺杂的芯部的双包层光纤中，芯部和内包层可以相对彼此是偏心的，以便更有效地从内包层向芯部耦合泵浦辐射，但是其他的内包层和芯部构造也都可以使用。有源光纤掺杂剂可以包括稀土金属如Er、Yb、Tm、Ho和Nd，这里仅举几例，还可以包括其他光学活性金属，包括Bi。被动光纤掺杂剂可包括其他金属，包括Ge和Al以及各种其他多离子共掺杂组合。有源和无源光纤掺杂剂可具有平坦的、直线的、抛物线的或任意的径向掺杂浓度分布，这里仅举几例。其他光纤类型和相关的预制体可以以相同的方式制备，包括偏振保持光纤，该偏振保持光纤通常包括位于包层内的应力元件，从而产生双折射。偏振保持光纤可以被构造为支持线性的、圆形的、椭圆形的、径向的、方位角的和/或复杂的偏振状态，或其任意组合。
光纤预制体通常包括适于形成光波导的同心圆筒或材料层。中央的圆筒可以用于限定波导芯部，并且中央圆筒外面的层可以用来限定波导包层，该波导包层具有通常低于中央芯部-成型部分的折射率。在许多预制体的制造方法中，存在一个或多个套管过程，其中一个或多个玻璃管被压缩在玻璃棒、玻璃管上，或压缩在玻璃棒和/或管的堆叠上。如本申请所用的，芯棒被定义为一种芯部波导材料，具有适于成型成波导芯部的形状，并且芯棒可以包括一种或多种包围在其上的包层材料。
下面描述了代表性的光纤预制体、芯棒和用于光纤预制体和光纤的其他组件，以及基于这些预制体的光纤。预制体可以通过改进的化学汽相沉积法(MCVD)或其他工艺制成。通常情况下，氧的混合物、四氯化硅(SiCl4)和例如四氯化锗(GeCl4)的材料、或稀土掺杂剂被引入二氧化硅玻璃管中，二氧化硅玻璃管被旋转同时被用火焰加热到约1500-1600℃。玻璃管的内表面被涂覆，形成具有更高折射率的层，该层可以被拉制成光纤芯部。典型地，通过进一步的加热，该玻璃管压缩成芯棒。也可以使用其他沉积方法例如外部气相沉积(OVD)、直接纳米颗粒沉积等。芯棒也可以通过在玻璃管腔内侧布置多个玻璃管或棒并且通过加热使玻璃管压缩以形成芯棒而制成，这一方法可以是上述任何预制体制造方法的一部分。
本公开内容的实施方案可用于光敏光纤，并可用于具有任何包层形状的光纤，包括圆形、椭圆形、矩形、多边形、D形或任意形状，这里仅举几例。本公开内容的实施方案可用于具有或不具有单层或多层涂层的光纤，包括丙烯酸酯、硅氧烷、聚合物、碳、金属、纳米颗粒或空气包层结构。本公开内容的实施方案还可以用于被构造为支持单模或多模操作的光纤，用于具有短的长度和大的包层尺寸的棒型光纤，用于具有沿着光纤的传播轴包层和/或芯部尺寸变化的纵向逐渐变细的光纤，和用于波导的拉制和旋转导致光子晶体波导的结构(例如，光子晶体光纤或大间距光纤)。
在一些实施方案中，芯部的折射率分布可以围绕波导的传播轴随角度变化。如本申请所用，术语“折射率分布”是指在具有径向坐标和方位角(即，角度)坐标的波导的横向平面中的折射率分布。如本申请所用，角度变化是指在波导的横向平面中波导的折射率分布作为方位角坐标的函数的变化。折射率分布可以围绕传播轴是角度对称的或角度不对称的。折射率分布也可以围绕波导的传播轴径向地变化。在一些实施方案中，折射率分布可以围绕波导的传播轴径向地且随角度变化。以这种方式，波导可以被配置为发射特定的线性偏振(即，LP)模式，如基本模式LP01，而鉴别较高阶模式如LP11模式、LP21模式等的传播和/或产生。模式鉴别也可以是由例如特定模式或待被鉴别模式的吸收和/或衰减引起的。横跨横向平面的波导折射率变化可以是阶跃的或渐变的。在一些实施方案中，渐变的折射率分布可以由一系列阶跃近似得到。
在一些实施方案中，芯部的折射率分布可以沿着传播轴的长度随角度变化。角度的折射率分布变化可以沿着传播轴呈周期性或非周期性。例如，角度的折射率分布变化可以是正弦的或者具有另外的固定的空间频率。周期性的变化还可以包括多个具有不同周期的变化，如沿着传播轴增大或减小的线性调频空间频率。这样的变化在本申请中被称为准周期。非周期性的折射率分布变化可以包括沿着传播轴长度的、具有不规则空间关系的变化，例如随机变化。在例如光纤的光波导的情况下，折射率分布的沿着传播轴的这样的角度变化可通过例如在拉制过程中旋转光纤预制体而得到。
芯部的折射率分布也可以沿着传播轴的长度径向地变化。这种径向变化可以是周期性的、非周期性的或准周期性的。沿着传播轴的折射率分布的径向变化可通过例如在制造过程中径向地变化芯棒预制体的折射率分布来实现。
参照图1和2，根据一个实施方案，光波导100包括一个圆形芯部102和一个包层104。芯部102可以包括一个模式-传播区域105和一个或多个模式-鉴别区域，该一个或多个模式-鉴别区域诸如为代表性的位于模式-传播区域105内且围绕传播轴108定位的模式-鉴别区域106。在所示的实施方案中，芯部102包括八个诸如模式-鉴别区域106的模式-鉴别区域，这八个模式-鉴别区域的横截面可以是大体圆形的，并且围绕传播轴108对称地排列，如图2中最佳示出的。
在示出的实施方案中，传播轴108与波导的纵轴共线。然而，在替代实施方案中，传播轴108可以位于芯部102的横截面内的任何期望的位置处，以促进例如包层104的泵浦光有效地耦合入芯部(例如，见图18)。在一些实施方案中，芯部102的模式-传播区域105可以具有第一折射率n1，以及模式-鉴别区域如模式-鉴别区域106可以具有不同于第一折射率n1的第二折射率n2。例如，第二折射率n2可小于第一折射率n1。以这种方式，芯部102的折射率分布可以围绕传播轴108以阶跃的方式随角度变化。折射率分布也可以径向地以阶跃的方式变化。在一些实施方案中，第二折射率n2可以与包层104的折射率相同。在替代实施方案中，一个或多个模式-鉴别区域可以是光吸收的，使得待鉴别的模式被诸如模式-鉴别区域106的模式-鉴别区域吸收。在进一步的替代实施方案中，一个或多个模式-鉴别区域诸如模式-鉴别区域106可具有相同或不同的折射率或光吸收性质。
除了芯部的折射率分布围绕传播轴108的角度变化，折射率分布还可以沿着传播轴的长度、在大体上平行于波导的纵轴的方向上变化。例如，如图1所示，模式-鉴别区域诸如模式-鉴别区域106可以沿着传播轴108遵循一个螺旋路径。以这种方式，芯部的折射率分布可以沿着传播轴108随角度变化。折射率分布沿着传播轴108的这种角度变化，以及折射率分布在波导的给定横向平面处围绕传播轴的角度变化，通常与针对较高阶模式的鉴别或较高阶模式衰减相关，同时允许基本模式的传输。反过来，这可以允许光波导100在增大的芯部尺寸的情况下实现单模操作，与之相对的是，传统的光波导通过鉴别不期望的模式同时选择性传播期望的模式。折射率分布沿着传播轴108的长度的角度变化可以是周期性的(图1)、非周期性的或准周期性的，这取决于所传播的辐射的波长和待鉴别的模式(多个模式)。在替代实施方案中，波导可以被配置为鉴别基本模式。
芯部的折射率分布沿着传播轴的角度变化可通过在拉制工艺中旋转波导预制体来实现。图3示出了安装在拉制塔202中的代表性的波导预制体200。拉制塔202可包括一个炉子(未示出)，用来加热预制体200和使预制体的材料被重力初始拉制成细的光纤204，然后由绞盘(未示出)在箭头206指示的方向上且根据预定的进给速率进行拉制。在拉制过程中，预制体200可以按照预定的速率并根据预定的旋转顺序或型式旋转，预制体的旋转通常用箭头208指示，并在下面有进一步的描述。以这种方式，所得到的光波导的芯部的折射率分布可以沿着芯部的传播轴随角度变化。旋转顺序或型式可包括任何旋转或一系列旋转，并且可以沿着芯部的传播轴呈周期性的、非周期性的或准周期性的。
在一些实施方案中，模式-传播区域105和一个或多个模式-鉴别区域如模式鉴别-区域106可以由以下物质制成：例如，玻璃、二氧化硅、重金属氟化物玻璃如ZBLAN，或各种聚合物(包括聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯)中的任何一种。模式-传播区域105和模式-鉴别区域如模式鉴别-区域106可以由不同的材料制成，或由具有不同折射率的相同材料制成(例如由不同量的或不同类型的掺杂剂导致的)。在一些实施方案中，模式-鉴别区域如模式-鉴别区域106可以界限出各个空间，这些空间可以包含气体(例如空气)，或可以抽真空。
在一些实施方案中，芯部102的直径可以从约1μm至约500μm而又能维持单模操作。在一些实施方案中，芯部102的直径可以从约2μm至约250μm而又能维持单模操作。在一些实施方案中，芯部102的直径可以从约5μm至约250μm而又能维持单模操作。在一些实施方案中，芯部102的直径可以从约5μm至约100μm而又能维持单模操作。在一些实施方案中，芯部102的直径可以从约10μm至约25μm而又能维持单模操作。在一些实施方案中，芯部102的直径可以从约10μm至约2000μm而又能维持单模操作。
在一些实施方案中，一个或多个如模式-鉴别区域106的模式-鉴别区域的直径可以小于1μm至约10μm。在一些实施方案中，芯部102的直径可以是约60μm，如模式-鉴别区域106的模式-鉴别区域的直径可以是约2μm。在包括多于一个如模式-鉴别区域106的模式-鉴别区域的实施方案中，每个模式-鉴别区域可以具有同样的直径或者不同的直径(或形状)，这取决于波导的应用和待被鉴别的模式。
在一些实施方案中，光波导100可被配置为在LP01模式下表现出约0.01dB/m至约1dB/m的损失。在一些实施方案中，光波导100可被配置为在LP01模式下表现出约0.2dB/m或更低的损失。在一些实施方案中，光波导100可被配置为在LP11模式下表现出约10dB/m至约100dB/m的损失。在一些实施方案中，光波导100可被配置为在LP11模式下表现出约20dB/m的损失。
在一些实施方案中，光波导可被配置为在LP01模式下表现出相对较高的损失，同时在LP11模式或其他较高阶模式下表现出相对较低的损失。该特征在产生、选择、过滤或利用较高阶模式的性质(例如较高阶模式的大模场面积的性质)的应用中会是优选的。这样的应用包括例如使用较高阶模式的圆柱矢量光束，或者为运载光学角动量采用的光学模式。
图4-10展示了光波导的芯部的各种替代实施方案。模式-鉴别区域的数量和位置可以根据波导的具体应用而改变。例如，芯部300可以具有围绕芯部300的传播轴310对称布置的四个模式-鉴别区域302、304、306、308，如图4所示。在这种方式中，芯部300可以具有相对于波导的传播轴310随角度变化的折射率分布。芯部300的折射率分布也可以围绕传播轴310径向地变化，并且可以围绕传播轴呈角度和/或径向对称的。
可选地，模式-鉴别区域的布置不必围绕传播轴是对称的。例如，如图5所示，芯部400可以包括多个模式-鉴别区域，如代表性的模式-鉴别区域402，其以角度不对称的方式围绕传播轴404布置，而可以位于距传播轴404一个同样的径向距离处。
在另一个实施方案中，芯部500可包括多个模式-鉴别区域，如代表性的模式-鉴别区域502，其如图6所示以角度和径向不对称的方式布置。在这种方式中，芯部500可以具有围绕芯部500的传播轴504随角度变化的折射率分布。折射率分布也可以相对于传播轴504径向地变化。
在进一步的替代实施方案中，一个或多个模式-鉴别区域不必具有圆形横截面。例如，参考图7，芯部600可以包括多个模式-鉴别区域，如代表性的具有椭圆形横截面的、围绕传播轴604布置的模式-鉴别区域602。在如图8所示的另一替代实施方案中，芯部700可以包括多个模式-鉴别区域，如代表性的具有矩形横截面的、围绕传播轴704布置的模式-鉴别区域702。在如图9所示的另一替代实施方案中，芯部800可以包括多个模式-鉴别区域，如代表性的具有六边形横截面的、围绕传播轴804布置的模式-鉴别区域802。在如图10所示的又一替代实施方案中，芯部900可以包括多个模式-鉴别区域，如代表性的具有三角形横截面的、围绕传播轴904布置的模式-鉴别区域902。具有所公开的横截面形状中的任何一种的模式-鉴别区域都可以如上所述的径向和/或角度对称或不对称配置中的任何一种布置，使得这样的芯部的折射率分布会围绕传播轴随角度变化。
在进一步的可选实施方案中，模式-鉴别区域可以是不规则形状的，如图11-13所示。参照图11，芯部1000可以包括一个模式-传播区域1002和一个或多个不规则形状的模式-鉴别区域，如代表性的模式-鉴别区域1004。该一个或多个不规则形状的模式-鉴别区域如模式-鉴别区域1004被模式-传播区域1002包围，使得芯部1000保持圆形横截面形状。该一个或多个不规则形状的模式-鉴别区域如模式-鉴别区域1004按需要可以位于距传播轴1006任何的径向距离处。
替代地，图12示出了包括具有传播轴1108的模式-传播区域1102的芯部1100。芯部1100还可以包括一个或多个不规则形状的模式-鉴别区域如代表性的模式-鉴别区域1104，该模式-鉴别区域仅部分地被模式-传播区域1102包围。在示出的实施方案中，模式-鉴别区域1104的外部边界1106可以是圆形的，使得芯部1100保持圆形横截面形状。在替代的实施方案中，一个或多个模式-鉴别区域如模式-鉴别区域1104不必是不规则形状的，而是可以具有任何合适的横截面形状(例如多边形、圆形等)，同时维持一个圆形的外部边界1106，使得芯部1100可以具有圆形的横截面形状。
在另一替代实施方案中，芯部1200可以包括单个不规则形状的模式-鉴别区域1204，该单个不规则形状的模式-鉴别区域1204基本上与芯部1200的传播轴1206同轴且被模式-传播区域1202包围，如图13所示。以这种方式，芯部1200的折射率分布可以围绕传播轴1206径向地且随角度变化。在替代实施方案中，模式-鉴别区域1204可以具有任何合适形状的横截面形状，如多边形横截面形状。在进一步的替代实施方案中，模式-鉴别区域1204可以包围模式-传播区域1202，如参考图17的进一步描述。
现在参考图14，该图展示了另一实施方案，其中光波导芯部1300具有一个模式-传播区域1302和多个模式-鉴别区域1300，如围绕传播轴1306布置的代表性模式-鉴别区域1304。模式-传播区域1302可以包括一个限制在芯部1300的外部边界1310内的六边形形状的横截面1300，使得芯部保持圆形的横截面。模式-传播区域1302可以包括多个顶点，如代表性的顶点1308，所述顶点可由模式-传播区域的横截面形状的两个相邻小面(即，平面表面)的交叉点来定义。因此，图14的模式-传播区域1302的六边形形状的横截面可以包括六个顶点。
在示出的实施方案中，模式-传播区域1302可以被配置使得顶点如顶点1308与芯部1300的外部边界1310基本上重合。以这种方式，模式-鉴别区域如模式-鉴别区域1304可以被模式-传播区域1302的相邻顶点(如顶点1308)和芯部1300的外部边界1310之间的区限定。模式-传播区域1302和模式-鉴别区域如模式-鉴别区域1304可以包括具有不同折射率的材料，如上所述。在这种方式中，芯部的折射率分布可以围绕传播轴1306径向地且随角度变化。折射率分布也可以是围绕传播轴1306呈角度和径向对称的。在可选的实施方案中，模式-传播区域1302的横截面形状可以被配置为使得折射率分布在传播轴1306上呈角度和/或径向不对称的。折射率分布也可以沿着传播轴1306的长度随角度变化，如关于图1的实施方案描述的。
在替代实施方案中，图14的模式-传播区域1302可包括任何合适的形状。例如，图15展示了芯部1400，该芯部包括具有八边形形状的横截面的模式-传播区域1402。模式-传播区域1402的顶点如代表性的顶点1408可以限定出八个模式-鉴别区域如代表性的模式-鉴别区域1404，这些模式-鉴别区域围绕传播轴1406布置。在这种方式中，芯部1400的折射率分布可以围绕传播轴1406径向地且随角度变化。折射率分布也可以围绕传播轴1406呈径向和角度对称的。
参照图16，该图示出了具有一个模式-传播区域1502和一个模式-鉴别区域1504的光波导芯部1500的另一实施方案。模式-传播区域1502可以具有非圆形的横截面，如图16所示的六边形形状横截面，并且可以以传播轴1506为中心。在示出的实施方案中，模式-传播区域1502可以包括六个顶点如代表性的顶点1508，所述顶点对应于模式-传播区域1502的六边形形状的横截面。模式-传播区域1502可被配置为使得顶点如代表性的顶点1508位于芯部1500的外部边界1510的径向内侧。因此，模式-鉴别区域1504可以连续地包围模式-传播区域1502，并且可具有圆形的横截面，使得芯部1500保留了圆形的横截面形状。
模式-传播区域1502可以由具有第一折射率的材料制成，并且模式-鉴别区域1504可以由具有不同于第一折射率的第二折射率的材料制成，如上所述。在这种方式中，芯部1500的折射率分布可以围绕芯部的传播轴1506径向地且随角度变化。折射率分布也可以围绕传播轴1506呈角度和径向对称的。折射率分布也可以沿着传播轴1506的长度随角度变化，如关于图1的实施方案描述的。
在替代实施方案中，模式-传播区域1502的横截面形状可以被配置为使得折射率分布围绕传播轴1506呈现角度和/或径向不对称的。例如，图17表示了芯部1600，该芯部具有一个模式-传播区域1602，该模式-传播区域具有任意的多边形形状的横截面。模式-传播区域1602可以以传播轴1606为中心，并且可以被一个圆形的模式-鉴别区域1604包围，使得芯部1600可以保持圆形的横截面。在这种方式中，芯部1600的折射率分布可以围绕传播轴1606径向地和随角度变化，并且可以围绕传播轴1606呈角度和径向不对称的。图14、15、16和17的芯部可以通过以下步骤获得：例如，机械加工模式-传播区域的材料，以获得需要的模式-传播区域的形状，接下来经过一个或多个套管或沉积阶段来获得各个模式-鉴别区域。
参考图18，芯部1700的一个替代实施方案可包括一个模式-传播区域1702和一个模式-鉴别区域1704。模式-传播区域1702可以具有非圆形的横截面，如图16所示的实施方案的六边形形状的横截面。模式-传播区域1702也可以具有一个传播轴1706，该传播轴1706径向地偏离模式-传播区域的纵轴1708。在这种方式中，芯部1700的折射率分布可以围绕芯部1700的传播轴1706径向地和随角度地变化。传播轴1706的方式的传播轴径向偏离芯部的纵轴可以用在本文所描述的任何波导芯部中。
图19示出了用于图1的光波导的芯棒预制体1800的一个代表性实施方案。芯棒预制体1800可以包括一个或多个第一玻璃棒(如代表性的具有第一折射率n1的第一玻璃棒1802)和一个或多个第二玻璃棒(如代表性的具有第二折射率n2的第二玻璃棒1804)，这些玻璃棒被布置在由较大的玻璃管1808的内壁限定的空间1806中。第一和第二玻璃棒1802、1804可以被布置成使得在芯棒预制体1800压缩时(例如，通过加热)形成芯棒，该芯棒可以具有围绕芯棒的传播轴呈径向地和/或随角度变化的折射率分布。替代地，芯棒预制体1900可以包括多个第一玻璃棒，如代表性的第一玻璃棒1902，这些玻璃棒布置在由较大的玻璃管1906的内壁限出的空间1904内，如图20所示。空间1904的剩余部分可由例如二氧化硅的玻璃质材料颗粒填充或部分填充。芯棒预制体1900然后可被烧结以形成成品芯棒。在替代的实施方案中，可以通过例如对芯部材料钻孔而在芯部材料中形成空间，然后将具有不同折射率的不同类材料插入空间中，以形成模式-鉴别区域。在某些技术方案中，在模式-鉴别区域限定的空间内包含例如一种或多种气体的情况下，可以进行压力控制，以防止在拉制波导预制体的过程中空间压缩。
图21是一种制作光纤形式的光波导的代表性方法的示意框图。在步骤2002中，芯棒预制体可以通过将多个不同折射率的玻璃棒布置在较大的玻璃管内获得，如上所述。多个玻璃棒可以被布置为使得在烧结或熔化成一体时，所得到的芯棒的折射率分布围绕芯棒的纵轴随角度变化。替代地，可以通过在一个较大的玻璃管内布置一个或多个玻璃管，通过用玻璃质材料颗粒填充较大的玻璃管的内部空间，或通过其任意组合，获得芯棒预制体。
在2004，可以通过用例如O2-H2火焰加热来压缩较大的玻璃管获得芯棒。在步骤2006，可以通过将芯棒设置在一个或多个包层和/或套管内获得光纤预制体。在2008，拉制参数如进给速率、温度、压力和张力是可以选择的。在2010，折射率分布的角度变化参数(如旋转速度和旋转型式)是可选择的。旋转速度和旋转型式中的一个或两个可被选择为在光纤的拉制过程中随时间变化，使得成品光纤的折射率分布沿着光纤的传播轴具有不同的角度变化。在步骤2012，按照所选择的进给速率、旋转速率和旋转型式的参数拉制和旋转光纤。在周期性的旋转型式的情况下，可以依据光纤直径、沿着光纤传播轴的折射率分布的角度变化、沿着光纤传播轴的折射率分布的径向变化，以及折射率分布变化的角度和径向的周期性，在步骤2014评估拉制的光纤。在步骤2016，可以确定拉制参数和或角度折射率分布变化参数中的一个或多个是否是优选调整的，并可以根据需要在2008、2010重新选择参数。
图22示出了具有芯部2102和包层2104的波导2100的一种替代实施方案。芯部2102可以具有圆形的横截面形状，并且可被构造成沿着传播轴2106传播光辐射。芯部2102可以包括一个或多个围绕传播轴2106布置的模式-鉴别区域如代表性的模式-鉴别区域2103，这与上述的实施方案是类似的。在这种方式中，芯部2102的折射率分布可以围绕传播轴2106径向和随角度变化。芯部2102的折射率分布也可以沿着传播轴2106的长度变化。
包层2104还可以包括一个或多个模式-鉴别区域如位于芯部2102周围的代表性模式-鉴别区域2108。一个或多个模式-鉴别区域如模式-鉴别区域2108可以具有第一折射率n1，该第一折射率n1不同于包层2104的第二折射率n2。在这种方式中，包层2104的折射率分布可以围绕芯部2102的传播轴2106径向地和随角度变化。在一些实施方案中，第一折射率n1可以与芯部2102的折射率相同。在一些实施方案中，包层2104的折射率分布也可以沿着传播轴2106的长度随角度变化。这种沿着传播轴2106的角度变化可通过在拉制工艺中旋转波导预制体来实现，如上所述。
一个或多个模式-鉴别区域如模式-鉴别区域2108可以与芯部2102的外部边界2110存在一定的距离δ。在一些实施方案中，距离δ可以等于预期经过芯部2102传播的光辐射的波长的倍数。例如，在一些实施方案中，距离δ可以是约等于预期经过芯部2102传播的光辐射的波长。在一些实施方案中，距离δ可以是预期经过芯部2102传播的光辐射的波长的约2倍至约10倍。在替代的实施方案中，距离δ可以是预期经过芯部2102传播的光辐射的波长的几分之一。
随着光辐射传播经过的波导2100，光辐射的基本模式可以通过芯部2102传播，而较高阶模式可耦合入包层2104一个大致等于距离δ或距离δ的几分之一的距离。在这种方式中，一个或多个经过波导2100传播的较高阶模式除了可以遇到芯部2102的随角度变化的折射率分布，还可以遇到包层2104的随角度变化的折射率分布，这样可以鉴别一个或多个较高阶模式的传播。在这种方式中，波导2100可被配置为传播基本模式而鉴别不期望的较高阶模式。一个或多个模式-鉴别区域如模式-鉴别区域2108可以具有任何合适的形状，并可以围绕芯部2102以任何合适的布置进行布置。在一些实施方案中，一个或多个模式-鉴别区域如代表性的芯部2102的模式-鉴别区域2103，以及一个或多个模式-鉴别区域如代表性的包层2104的模式-鉴别区域2108可以彼此对称地布置，如图22所示，或根据需要不对称地布置。
参考图23，其示出了光波导2200的另一替代的实施方案，该光波导具有芯部2202、内包层2204和外包层2206。芯部2202可以具有圆形的横截面形状，并且可被构造成沿着传播轴2208传播光辐射。芯部2202可以包括一个或多个模式-鉴别区域，例如代表性的围绕传播轴2208布置的模式-鉴别区域2203，类似于上述实施方案。在这种方式中，芯部2202的折射率分布可以围绕传播轴2208径向地和随角度变化。芯部2202的折射率分布也可以沿着传播轴2208的长度变化。
内包层2204可以具有非圆形的横截面，如图23所示的六边形横截面，并可具有第一折射率n1，该第一折射率n1不同于芯部2202的第二折射率n2。在这种方式中，内包层2204的折射率分布可以围绕芯部2202的传播轴2208径向地和随角度变化。在一些实施方案中，包层2204的折射率分布也可以沿着传播轴2208的长度随角度变化。这样的沿着传播轴2208的角度变化可通过在拉制工艺中旋转波导预制体来实现，如上所述。
内包层2204可以具有厚度τ，该厚度可以根据内包层2204的横截面形状而围绕芯部2202的传播轴2208径向地和随角度变化。在一些实施方案中，厚度τ可以等于预期经过芯部2202传播的光辐射的波长的倍数。例如，在一些实施方案中，厚度τ可以约等于预期经过芯部2202传播的光的波长。在一些实施方案中，厚度τ可以是预期经过芯部2202传播的光辐射的波长的约2倍至约10倍。在替代的实施方案中，厚度τ可以是预期经过芯部2202传播的波长的几分之一。
随着光辐射沿着波导2200传播，光辐射的基本模式可以经过芯部2202传播，而一个或多个较高阶模式可以耦合入内包层2204一个大致等于厚度τ或厚度τ的几分之一的距离。在这种方式中，一个或多个较高阶模式除了可以遇到芯部2202的随角度变化的折射率分布，还可以遇到内部包层2204的随角度变化的折射率分布，这样可以鉴别一个或多个较高阶模式的传播。在这种方式中，波导2200可被配置为传播基本模式而鉴别不期望的较高阶模式。在替代的实施方案中，波导2200可具有任何合适的横截面形状，并且可以例如这样制造：将内包层材料套在圆形的芯部2202上，然后机械加工内包层材料至需要的横截面形状和厚度τ。
现在参考图24，光波导芯部2300的另一实施方案中可具有一个模式-传播区域2302和一个或多个围绕传播轴2306布置的模式-鉴别区域如代表性的模式-鉴别区域2304。一个或多个模式-鉴别区域如模式-鉴别区域2304可以位于距传播轴2306的均匀增大的径向距离处，并且可以以角度对称的方式布置。例如，如实施方案所示，一个或多个模式-鉴别区域如模式-鉴别区域2304可以沿着穿过芯部2300中心的轴对准。在这种方式中，芯部2300的折射率分布可以围绕传播轴2306径向地和随角度变化。在替代的实施方案中，一个或多个模式-鉴别区域2304之间的径向距离不需要是均匀的，并且根据需要，一个或多个模式-鉴别区域可以以角对称或不对称的方式布置。
下面提供了的实施例来说明工作实施方案的某些特征。本领域技术人员可以理解，本发明的范围不限于由这些实施例说明的特征所限定的范围。
实施例1
在第一工作实施例中，光波导被模制为具有圆形芯部，该芯部包括一个模式-传播区域和围绕波导的传播轴布置的八个模式-鉴别区域，类似于图1的实施方案。芯部的模式-传播区域具有阶跃的折射率分布，并且掺杂有Ge。芯部具有0.07的数值孔径和约60μm的直径。模式-鉴别区域由纯二氧化硅制成，并具有约2μm的均匀直径。波导被拉制为具有约5mm的旋转周期。光传输通过波导的LP01模场分布具有1060nm的波长，如图25所示。在LP11模式下，波导表现出约20dB/m的传输损失，而基本模式LP01表现出小于0.2dB/m的相对低的传输损失。光波导的输出光束可由高增益和单模传播来表征。输出光束的相应模场直径可以超过50μm，相对于通常达到了约22μm的最大模场直径的传统的大模场面积光纤，非线性效应阈值增加到约5倍。针对800nm至1400nm之间的光波长，对于LP01模式2400和LP11模式2402，传输损失与波长的关系曲线如图26所示。
实施例2
所公开的光波导可以用于许多光学系统，包括光纤激光器和光纤放大器系统。图27示出了一个光学系统2500，包括与一个或多个预放大器或预放大级2504通信的脉冲种子源激光器2502。种子源2502可被配置为提供预定的脉冲宽度和重复速率的相对低功率的激光脉冲。例如，一种合适的脉冲宽度可以是100ps，且合适重复速率可以是10MHz。系统2500可以包括一个或多个被配置以降低系统2500的组件之间的反馈的光隔离器2506。系统2500还可以包括一个泵浦组合器2508，该泵浦组合器被配置为耦合来自一个或多个泵浦辐射源(例如泵浦激光二极管2510)的泵浦光进入无源光纤2512的包层。泵浦组合器2508还可以耦合来自种子源2502的信号光进入无源光纤2512的芯部。
无源光纤2512可以与有源光纤2514经由接头2516通信，该有源光纤按照上述的任何实施方案进行配置。泵浦光可以进入有源光纤2514的芯部，由此可以扩增种子源2502的信号光。有源光纤2514可被构造为以相对较低的传输损失传播LP01模式(例如，对于1060nm的操作波长，损失约0.2dB/m)，以及衰减较高阶模式(例如，对于1060nm的操作波长，损失约20dB/m)。在某些实施方案中，在模场失配和大的芯部尺寸可以导致无源光纤和有源光纤之间的接口(即，接头2516)激发多个模式的情况下，较高阶模式可在有源光纤2514中衰减。
实施例3
在第三工作实施例中，本申请的光波导可以用于级联拉曼放大器。对于一个代表性的整合了本申请的光波导的级联拉曼放大器，传输损失(由线2602表示)与波长的曲线图表示在图28中。光波导可被配置为使得放大器对于例如1100至1480nm之间的波长具有相对低的传输损失，且对于1480nm之上的波长具有高的传输损失。在1480nm之上的波长处的相对较高的传输损失可以与在1480nm处的增强的截止效应相关联。增强的截止效应可以抑制在1480nm之上产生级联斯托克斯脉冲(stokes)2604，以及增强在1480nm处的输出，如箭头2606的指示。
实施例4
在第四实施例中，本申请的光波导可以用于放大的自发辐射(ASE)滤波器。掺杂Yb的波导可被设计为在期望的激光信号波长(例如1064nm)下具有低的传输损失，并且在例如1020nm-1050nm的ASE频带下具有高的传输损失。这种波导可以充当一个ASE滤波器，它可以减少ASE积累或增大ASE阈值，从而在光纤激光器或放大器应用中抑制ASE噪声，并且提高激光性能以及使进一步的功率缩放成为可能。这样的波导也可用于抑制Er-Yb共掺杂的光纤中的1μm ASE或伪激光，并且用于抑制在976nm处运作的Yb掺杂的光纤激光器和放大器中的1μm ASE或伪激光。
考虑到本公开内容的原理可用于许多可能的实施方案中，应当认为，所示的实施方案仅是优选的实施例，并且不应被视为对本公开内容的范围的限制。相反，本公开内容的范围由随后的权利要求限定。

Claims (32)

1.一种光波导，包括：
芯部，所述芯部沿着传播轴延伸，该芯部具有围绕传播轴随角度变化的折射率分布；
包层，所述包层围绕芯部布置并沿着传播轴延伸；
其中所述芯部的折射率分布沿着传播轴的长度随角度变化。
2.根据权利要求1所述的光波导，其中所述芯部的折射率分布围绕传播轴径向地变化。
3.根据权利要求1所述的光波导，其中所述芯部的折射率分布沿着传播轴是周期性的。
4.根据权利要求1所述的光波导，其中所述芯部的折射率分布沿着传播轴是非周期性的。
5.根据权利要求1所述的光波导，其中所述芯部的折射率分布被配置为使一个或多个较高阶模式衰减。
6.根据权利要求1所述的光波导，其中所述芯部的折射率分布围绕传播轴上是径向不对称的。
7.根据权利要求1所述的光波导，其中所述芯部的折射率分布围绕传播轴上是角度不对称的。
8.根据权利要求1所述的光波导，其中所述芯部具有圆形横截面。
9.根据权利要求1所述的光波导，其中所述芯部包括一个或多个模式-鉴别区域。
10.根据权利要求9所述的光波导，其中一个或多个模式-鉴别区域是与传播轴径向偏移的。
11.根据权利要求9所述的光波导，其中：
芯部包括具有第一折射率的第一材料；以及
一个或多个模式-鉴别区域包括具有第二折射率的第二材料，该第二折射率与第一折射率不同。
12.根据权利要求11所述的光波导，其中一个或多个模式-鉴别区域至少部分地由第一材料包围。
13.根据权利要求9所述的光波导，其中一个或多个模式-鉴别区域被布置成围绕传播轴是对称的。
14.根据权利要求9所述的光波导，其中一个或多个模式-鉴别区域具有圆形横截面。
15.根据权利要求1所述的光波导，其中所述芯部掺杂有一种或多种稀土金属。
16.根据权利要求1所述的光波导光纤，其中所述芯部的直径是从约10微米至约250微米。
17.根据权利要求1所述的光波导，其中光波导被配置为在LP01模式下呈现的损失是从每米约0.01分贝至每米约1分贝。
18.根据权利要求1所述的光波导，其中光波导被配置为在LP11模式下呈现的损失是从每米约10分贝至每米约100分贝。
19.一种制备芯棒预制体的方法，包括：
将一个或多个具有第一折射率的二氧化硅棒装入二氧化硅管中；
将一个或多个具有第二折射率的二氧化硅棒装入二氧化硅管中；
压缩二氧化硅管以形成芯棒预制体；其中，
芯棒预制体具有相对于预制体的纵轴随角度变化的折射率分布。
20.一种方法，包括：
将芯棒置于包层管内以获得光纤预制体，该芯棒具有围绕芯棒的纵轴随角度变化的折射率分布；和
拉制光纤预制体以得到光纤；其中，
在拉制光纤预制体的同时旋转光纤预制体，使得所得到的光纤的芯部的折射率分布沿着芯部的纵轴随角度变化。
21.根据权利要求20所述的方法，其中芯部的折射率分布的角度变化是沿着芯部的纵轴呈周期性的。
22.根据权利要求20所述的方法，其中芯部的折射率分布的角度变化是沿着芯部的纵轴呈非周期性的。
23.一种在光波导中鉴别较高阶模式的方法，包括：
引导光辐射进入光波导的芯部内，该芯部具有围绕传播轴随角度变化的折射率分布；和
接收在光波导中传播之后的光辐射。
24.根据权利要求23所述的方法，其中该模式是LP11模式。
25.一种光学系统，包括：
种子光源，被配置为提供种子光束；
一个或多个光放大器，被配置为接收和放大种子光束；
至少一个光泵浦源，被配置为提供至少一个泵浦光束至组合器，该组合器被配置为将来自泵浦光束的泵浦光辐射耦合入无源光纤的包层中；和
有源光纤，该有源光纤与无源光纤通信；
其中有源光纤被配置为鉴别较高阶模式。
26.根据权利要求25所述的光学系统，其中有源光纤还包括芯部，所述芯部具有围绕芯部的传播轴随角度变化的折射率分布。
27.根据权利要求26所述的光学系统，其中有源光纤的芯部具有圆形横截面。
28.一种光波导，包括：
芯部，沿着传播轴延伸，该芯部具有围绕传播轴随角度变化的折射率分布；和
包层，围绕芯部布置且沿着传播轴延伸，该包层具有围绕传播轴随角度变化的折射率分布；
其中，包层的折射率分布和芯部的折射率分布都是沿着传播轴随角度变化的。
29.根据权利要求28所述的光波导，其中包层还包括一个或多个模式-鉴别区域。
30.根据权利要求29所述的光波导，其中一个或多个模式-鉴别区域位于距芯部一个径向距离处，该径向距离对应于经过光波导传播的光辐射的波长。
31.根据权利要求28所述的光波导，其中：
芯部具有圆形横截面；和
包层具有多边形横截面。
32.根据权利要求1所述的光波导，其中芯部的折射率分布被配置为鉴别基本模式。
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