CN111856646A - 高阶模滤除器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高阶模滤除器，包括光纤，在光纤纤芯外侧的包层中设置有包层波导，所述包层波导具有一定长度，所述包层波导的长度方向与光纤的长度方向一致。利用纤芯和包层波导各自的倏逝场之间的能量交叠实现模式耦合，从而实现纤芯高阶模的滤除，该器件对抑制高功率光纤激光器中的模式不稳效应、提升激光器的输出功率具有重要的应用价值。

Description

高阶模滤除器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种高阶模滤除器。

背景技术

模式不稳是限制高功率大芯径光纤激光器功率进一步提升的重要限制因素。由于激光器所用的光纤芯径较大，其能同时支持LP₀₁模以及LP₁₁模的传输，两种模式在纤芯内发生干涉，干涉场的强度沿光纤的轴向呈现出周期性分布，在一定阈值条件下，由于光热效应，周期性的干涉场会导致热致折射率长周期光栅，其周期为干涉的拍长，当激光器存在噪声或其他扰动时，干涉场与热致长周期光栅间存在相位差，进而长周期光栅发生移动，LP₀₁模与LP₁₁模的能量发生交换，输出激光的功率发生周期为毫秒级别的波动，且光束质量急剧恶化，继续提高泵浦功率，激光器的输出功率下降。

目前抑制模式不稳的方法主要是通过改变泵浦方式、泵浦波长以及信号光波长来实现，这些方法改变了激光器的热负荷，从而提升了模式不稳的阈值。但这些方法并不能从根源上解决问题。另外，设计大芯径可抑制高阶模的光纤是一个长期的任务，虽然理论上可行，但光纤拉制工艺有待进一步探索。有研究表明，提高LP₀₁模的光子寿命或降低LP₁₁模的光子寿命可以提升模式不稳阈值，具体实现方法包括弯曲光纤或刻写LP₀₁模反射率高且LP₁₁模反射率低的光纤布拉格光栅，弯曲光纤可提高LP₁₁模的损耗，但LP₀₁模的损耗也会在一定程度上提高，影响输出激光的光束质量，而光纤布拉格光栅主要用于振荡器的腔镜，对于放大器的情况受到了限制，因而设计一种同时适用于振荡器与放大器情况的可抑制LP₁₁模的光纤器件十分必要。

随着模分复用技术的发展，全光纤模式复用器成为系统中不可或缺的一部分。常见的全光纤模式转换器有少模长周期光纤光栅、熔融拉锥耦合器、光子灯笼等。由于飞秒刻写技术的发展，在满足相位匹配条件的情况下，在光纤的包层中刻写波导可实现模式转换器，即基模从纤芯注入，随着传输距离的增加，基模的能量逐渐转换成包层波导的高阶模成分，高阶模从包层波导中输出，作为模分复用系统的能量传输通道。光能量可以从一个波导的基模转换到另一个波导的高阶模，根据光路可逆原理，高阶模的能量亦可转化至基模，通过这一方法可以实现大芯径光纤中高阶模的滤除，且不同于弯曲法，这一方法不会对基模造成影响。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种高阶模滤除器。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

高阶模滤除器，包括光纤，在光纤纤芯外侧的包层中刻写有包层波导，所述包层波导具有一定长度，所述包层波导的长度方向与光纤的长度方向一致。利用纤芯和包层波导各自的倏逝场之间的能量交叠实现模式耦合，从而实现纤芯高阶模的滤除。该器件对抑制高功率光纤激光器中的模式不稳效应、提升激光器的输出功率具有重要的应用价值。进一步地，本发明所述光纤为大芯径光纤，其纤芯直径为20μm，能够同时支持两个模式传输，即LP₀₁模与LP₁₁模。

作为本发明的优选方案，包层波导采用飞秒激光刻写而成。通过飞秒激光刻写不同折射率、不同长度以及与纤芯具有不同间距的包层波导。其中飞秒激光经过飞秒激光刻写装置中的透镜聚焦在纤芯外侧的包层中实现折射率改变。包层波导与纤芯的间距即包层波导在横向平面的分布通过飞秒激光刻写装置中的位移平台在横向平面的移动来实现。包层波导的长度通过位移平台沿光纤轴向的移动来决定。通过改变飞秒激光器的单脉冲能量可以实现包层波导折射率的改变。

作为本发明的优选方案，为了与普通单模光纤实现耦合，本发明所述包层波导的半径设置为4μm。此外为了保证纤芯与包层波导模式发生耦合，即纤芯LP₁₁模的倏逝场和包层波导基模的倏逝场发生交叠，纤芯与包层波导间的间距不宜过大，两种结构的间距在20μm以内。进一步地，为了更好的效果，所述包层波导的折射率需要满足：包层波导基模的有效折射率与纤芯LP₁₁模的有效折射率接近，以满足相位匹配条件。为了使纤芯LP₁₁模与包层波导基模发生耦合，必须满足以下相位匹配条件：

其中

为纤芯LP₁₁模的传播常数，β_waveguide为包层波导基模的传播常数，即只需要保证包层波导基模的有效折射率与纤芯LP₁₁模的有效折射率相等或接近即可。包层波导基模的传播常数和包层波导基模的有效折射率之间的关系为：

其中，λ为激光波长，n_eff为包层波导基模的有效折射率。

作为本发明的优选方案，本发明所述光纤纤芯的x方向与y方向的外侧包层中均刻写有一定长度的包层波导。纤芯中的LP_11a模与x方向的包层波导的基模耦合，纤芯中的LP_11b模与y方向的包层波导的基模耦合，最大限度的实现纤芯中LP₁₁模的滤除。

本发明利用耦合模理论，通过飞秒激光在大芯径光纤的包层中刻写单模波导，从而实现纤芯中的LP₁₁模向包层波导的基模耦合，从而实现纤芯中高阶模的滤除，进而提升高功率光纤激光器模式不稳的阈值，该器件具有集成度高、易于加工等优势，不会给激光器带来负面的影响。

本发明提供一种高阶模滤除器的设计方法，包括：

(1)给定大芯径光纤，已知大芯径光纤的纤芯直径、包层半径以及折射率；

(2)确定待刻写的包层波导的各个参数，包括包层波导的数目以及各包层波导的长度、各包层波导的折射率、各包层波导的半径以及各包层波导与纤芯的距离。

(3)按照步骤(2)确定的参数，在步骤(1)中给定的大芯径光纤上采用飞秒激光刻写得到对应的高阶模滤除器。

进一步地，本发明步骤(2)，包括：

(2.1)已知光纤的包层半径以及折射率，建立单波导模型，通过有限元软件计算确定包层波导的半径以及折射率的范围，使其只能传输基模，需要满足包层波导基模的有效折射率与纤芯LP₁₁模的有效折射率接近，以满足以下相位匹配条件：

其中

为纤芯LP₁₁模的传播常数，β_waveguide为包层波导基模的传播常数，其中包层波导基模的传播常数和包层波导基模的有效折射率之间的关系为：

其中，λ为激光波长，n_eff为包层波导基模的有效折射率。

(2.2)根据已知的光纤纤芯半径与折射率和(2.1)确定的包层波导的半径以及折射率，建立滤模器横向平面模型，利用有限元软件可确定包层波导与纤芯之间的距离，并根据以下耦合长度公式得到包层波导的长度：

其中，在纤芯和包层波导发生耦合的情况下，两种波导看做一个整体，此时的模场认为是奇对称和偶对称的超级模式叠加形成的，β_e和β_o分别为偶对称与奇对称超模的传播常数。

在满足相位匹配条件的情况下，在光纤的包层中刻写波导可实现模式转换，即基模从纤芯注入，随着传输距离的增加，基模的能量逐渐转换成包层波导的高阶模成分，高阶模从包层波导中输出。光能量可以从一个波导的基模转换到另一个波导的高阶模，根据光路可逆原理，高阶模的能量亦可转化至基模，通过这一方法可以实现大芯径光纤中高阶模的滤除，且不同于弯曲法，这一方法不会对基模造成影响。

本发明的有益效果如下：

本发明的高阶模滤除器既可运用于高功率光纤振荡器，又可运用于高功率放大器。

本发明的高阶模滤除器直接对LP₁₁模作用，不会对LP₀₁模产生影响，相比于弯曲法损耗高阶模，该器件可以避免输出的光束质量下降。

发明的高阶模滤除器通过飞秒激光直写，在高功率环境下其性质不会发生改变，且具有极高的热稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是实施例1(具有一个包层波导的高阶模滤除器)的结构示意图。

图2是包层波导折射率对其基模有效折射率的影响图。

图3是不同传输长度下具有高阶模滤除器的模场图，其中(a)中传输长度L＝0；(b)中传输长度L＝0.9835mm；(c)中传输长度L＝1.967mm。

图4是纤芯与包层波导之间的间距对具有高阶模滤除器的耦合长度的影响。

图5是实施例2(具有两个包层波导的高阶模滤除器)的结构示意图。

图6是高阶模滤除器的加工过程示意图。

图例说明：

C₁：大芯径光纤的纤芯；C₂：x轴包层波导；C₃：y轴包层波导；r₁：大芯径光纤内包层半径；r₂：大芯径光纤的纤芯半径；r₃：包层波导的半径；n₁：包层折射率，其值为1.4584；n₂：纤芯折射率，其值为1.4598；n₃：包层波导折射率，通过调整该值使纤芯中的LP₁₁模与包层波导的基模满足相位匹配条件；D:纤芯和包层波导的间距；L：包层波导的长度。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1所示，是实施例1的结构示意图。高阶模滤除器，包括大芯径光纤，在大芯径光纤的纤芯C₁外侧的包层中刻写有x轴包层波导C₂，所述x轴包层波导C₂具有一定长度，所述x轴包层波导C₂的长度方向与大芯径光纤的长度方向一致。利用大芯径光纤的纤芯C₁和x轴包层波导C₂各自的倏逝场之间的能量交叠实现模式耦合，从而实现纤芯高阶模的滤除。大芯径光纤内包层半径为r₁，本实施例中r₁＝200μm。大芯径光纤的纤芯半径为r₂，本实施例中r₂＝10μm。x轴包层波导C₂的半径为r₃，本实施例中r₃＝4μm。

为了与普通单模光纤实现耦合，本实施例中的包层波导即x轴包层波导C₂的半径设置为4μm。进一步地，为了保证纤芯与包层波导模式发生耦合，即纤芯LP₁₁模的倏逝场和包层波导基模的倏逝场发生交叠，纤芯与包层波导间的距离不宜过大，包层波导的折射率需要合理设计，使得包层波导的基模有效折射率与纤芯LP₁₁模的有效折射率接近，以满足相位匹配条件。

如图2所示为包层波导折射率对其基模有效折射率的影响。为了使纤芯LP₁₁模与波导基模发生耦合，必须满足相位匹配条件：

其中

为纤芯LP₁₁模的传播常数，β_waveguide为包层波导基模的传播常数，即只需要保证波导基模的有效折射率与纤芯LP₁₁模的有效折射率。如图3所示，随着包层波导折射率的提升，其基模的有效折射率也随之提升，在包层波导折射率n₃＝1.46017时，包层波导基模的有效折射率与纤芯LP₁₁模的有效折射率相近。

如图3所示，为纤芯与即x轴包层波导C₂间距为15μm时，不同传输距离下，模场分布的情况，这里只考虑LP₁₁模从纤芯入射的情况，LP₀₁模不满足相位匹配条件，不会耦合到包层波导中。在纤芯和包层波导发生耦合的情况下，两种波导可看做一个整体，此时的模场可认为是奇对称和偶对称的超级模式叠加形成的：

其中，A为振幅，z代表传输距离，E_e(x,y)和E_o(x,y)分别为偶对称与奇对称的超模的矢量分布，β_e和β_o分别为偶对称与奇对称超模的传播常数。在传输长度为0时，只有纤芯LP₁₁模存在，随着传输长度的增加，LP₁₁模逐渐向包层波导的基模转化，在长度为0.9835mm时，一半的LP₁₁模的能量转化到包层波导中，根据超模理论理论，耦合长度的计算公式为：

当纤芯和包层波导的间距为15μm时，耦合长度为1.967mm，此时LP₁₁模实现最大程度的转换，纤芯中只剩下很少一部分LP₁₁模的能量，该部分能量为器件的串扰。由于该器件的对称性，能量转换仅发生在LP_11a模与包层波导基模之间，如需要实现LP_11b模的滤除，需要在图2的y轴上再设置一个包层波导。

如图4所示为不同纤芯与包层波导间距下所对应的耦合长度，随着间距的增加，耦合长度也变长。通过控制间距调整耦合长度，进而调控器件的散热特性，这在实际激光器中十分重要。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例提供的高阶模滤除器，在大芯径光纤的纤芯C₁外侧的包层中刻写有x轴包层波导C₂和y轴包层波导C₃。x轴包层波导C₂和y轴包层波导C₃的长度、折射率以及与纤芯的间距都完全相同。

如图5所示，在纤芯与x轴包层波导C₂和y轴包层波导C₃的间距均为15μm的情况下，利用飞秒激光直写技术在大芯径光纤的纤芯的x方向与y方向的包层刻写一段长度为1.967mm的单模波导。x轴包层波导C₂和y轴包层波导C₃的长度、与纤芯之间的间距以及折射率等参数必须经过合理设计，纤芯中的LP_11a模向x方向的包层波导的基模耦合，纤芯中的LP_11b模向y方向的包层波导的基模耦合，这种设计可以最大限度的实现纤芯中LP₁₁模的滤除。

本发明利用飞秒激光直写技术，在大芯径光纤纤芯附近的包层刻写一定长度的波导，实现纤芯的LP₁₁模向包层波导的耦合，从而实现纤芯高阶模的滤除，该器件对抑制高功率光纤激光器中的模式不稳效应、提升激光器的输出功率具有重要的应用价值。

如图6所示，利用飞秒激光直写技术在大芯径光纤的纤芯附近的包层刻写一段单模波导，利用纤芯和包层波导各自的倏逝场之间的能量交叠实现模式耦合。飞秒激光经过透镜聚焦在纤芯附近的包层中实现折射率改变，波导在横向平面的分布通过位移平台在该平面的移动来实现，波导的长度通过受位移平台沿光纤轴向的移动来决定，通过改变飞秒激光器的单脉冲能量可以实现波导折射率的改变。

实施例3：

本实施例提供一种高阶模滤除器的制作方法，包括：

(1)给定大芯径光纤，已知大芯径光纤的纤芯直径、包层半径以及折射率；

(2)确定待刻写的包层波导的各个参数，包括包层波导的数目以及各包层波导的长度、各包层波导的折射率、各包层波导的半径以及各包层波导与纤芯的距离。

(2.1)已知光纤的包层半径以及折射率，建立单波导模型，通过有限元软件计算确定包层波导的半径以及折射率的范围，使其只能传输基模，需要满足包层波导基模的有效折射率与纤芯LP₁₁模的有效折射率接近，以满足以下相位匹配条件：

其中

为纤芯LP₁₁模的传播常数，β_waveguide为包层波导基模的传播常数，其中包层波导基模的传播常数和包层波导基模的有效折射率之间的关系为：

其中，λ为激光波长，n_eff为包层波导基模的有效折射率。

(2.2)根据已知的光纤纤芯半径与折射率和(2.1)确定的包层波导的半径以及折射率，建立滤模器横向平面模型，利用有限元软件可确定包层波导与纤芯之间的距离，并根据以下耦合长度公式得到包层波导的长度：

其中，在纤芯和包层波导发生耦合的情况下，两种波导看做一个整体，此时的模场认为是奇对称和偶对称的超级模式叠加形成的，β_e和β_o分别为偶对称与奇对称超模的传播常数。

(3)按照步骤(2)确定的参数，在步骤(1)中给定的大芯径光纤上采用飞秒激光刻写得到对应的高阶模滤除器。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.高阶模滤除器，其特征在于：包括光纤，光纤的纤芯能够同时支持两个模式传输，即LP₀₁模与LP₁₁模；在光纤纤芯外侧的包层中设置有包层波导，所述包层波导具有一定长度，所述包层波导的长度方向与光纤的长度方向一致，纤芯和包层波导各自的倏逝场之间的能量交叠实现模式耦合。

2.根据权利要求1所述的高阶模滤除器，其特征在于：所述光纤为大芯径光纤，其纤芯直径为20μm。

3.根据权利要求1所述的高阶模滤除器，其特征在于：包层波导采用飞秒激光刻写而成。

4.根据权利要求1所述的高阶模滤除器，其特征在于：所述包层波导的半径设置为4μm。

5.根据权利要求1所述的高阶模滤除器，其特征在于：所述纤芯与包层波导间的间距在20μm以内。

6.根据权利要求1所述的高阶模滤除器，其特征在于：所述包层波导的折射率满足以下相位匹配条件：

其中

为纤芯LP₁₁模的传播常数，β_waveguide为包层波导基模的传播常数，其中包层波导基模的传播常数和包层波导基模的有效折射率之间的关系为：

其中，λ为激光波长，n_eff为包层波导基模的有效折射率。

7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的高阶模滤除器，其特征在于：所述光纤纤芯的x方向与y方向的外侧包层中均刻写有一定长度的包层波导，纤芯中的LP_11a模与x方向的包层波导的基模耦合，纤芯中的LP_11b模与y方向的包层波导的基模耦合。

8.一种高阶模滤除器的制作方法，其特征在于，包括：

(1)给定大芯径光纤，已知大芯径光纤的纤芯直径、包层半径以及折射率；

(2)确定待刻写的包层波导的各个参数，包括包层波导的数目以及各包层波导的长度、各包层波导的折射率、各包层波导的半径以及各包层波导与纤芯的距离；

(3)按照步骤(2)确定的参数，在步骤(1)中给定的大芯径光纤上采用飞秒激光刻写得到对应的高阶模滤除器。

9.根据权利要求8所述的高阶模滤除器的制作方法，其特征在于，步骤(2)中，根据光纤的包层半径以及折射率，建立单波导模型，通过有限元软件计算确定包层波导的半径以及折射率的范围，使其只能传输基模，需要满足包层波导基模的有效折射率与纤芯LP₁₁模的有效折射率接近，以满足以下相位匹配条件：

其中

为纤芯LP₁₁模的传播常数，β_waveguide为包层波导基模的传播常数，其中包层波导基模的传播常数和包层波导基模的有效折射率之间的关系为：

其中，λ为激光波长，n_eff为包层波导基模的有效折射率。

10.根据权利要求9所述的高阶模滤除器的制作方法，其特征在于，根据已知的光纤纤芯半径与折射率、确定的包层波导的半径以及折射率，建立滤模器横向平面模型，利用有限元软件可确定包层波导与纤芯之间的距离，并根据以下耦合长度公式得到包层波导的长度：

其中，β_e和β_o分别为偶对称与奇对称超模的传播常数。

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