DE112005003885B3 - Large core holey fibers, fiber amplifiers or fiber lasers - Google Patents
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Abstract
Optische Multimode-Faser zum Ausbreiten der fundamentalen Mode und einer Mehrzahl von nicht-fundamentalen Moden niedriger Ordnung der optischen Multimode-Faser, aufweisend:einen Cladding-Bereich, der Cladding Features aufweist, die in einer Grundsubstanz angeordnet sind, wobei die Cladding Features einen im Wesentlichen konstanten Abstand Λ und eine durchschnittliche Größe d haben, und die Cladding Features im Wesentlichen in einer Mehrzahl von Reihen N und in einer einheitlichen hexagonalen Anordnung angeordnet sind;einen Kern-Bereich, der von dem Cladding-Bereich umgeben ist, wobei der Kern-Bereich anstelle eines zentralen Cladding Features und anstelle einer oder mehrerer innerer Reihen der Cladding Features der hexagonalen Anordnung in der Grundsubstanz ausgebildet ist, so dass die optische Multimode-Faser die Ausbreitung der Mehrzahl von nicht-fundamentalen Moden niedriger Ordnung zulässt; undwobei der Cladding-Bereich und der Kern-Bereich einen effektiven Brechungsindex für die fundamentale Mode und die Mehrzahl von nicht-fundamentalen Moden niedriger Ordnung bereitstellen;wobei ein effektiver Brechungsindexunterschied zwischen der fundamentalen Mode und den nicht-fundamentalen Moden niedriger Ordnung so eingerichtet ist, dass der Modenabstand zwischen der fundamentalen Mode und der ersten nicht-fundamentalen Mode groß genug ist, um eine Modenkopplung in der optischen Multimode-Faser zu reduzieren, so dassein Einzelmoden-Eingangssignal in der fundamentalen Mode nach Ausbreitung entlang der optischen Multimode-Faser im Wesentlichen als Einzelmoden-Signal in der fundamentalen Mode ausgegeben wird.A multimode optical fiber for propagating the fundamental mode and a plurality of non-fundamental low-order modes of the multimode optical fiber, comprising:a cladding region having cladding features arranged in a matrix, the cladding features having an im have a substantially constant spacing Λ and an average size d, and the cladding features are arranged substantially in a plurality of rows N and in a uniform hexagonal array;a core region surrounded by the cladding region, the core region is formed in the matrix in place of a central cladding feature and in place of one or more inner rows of the cladding features of the hexagonal array such that the multimode optical fiber allows propagation of the plurality of non-fundamental low-order modes; andwherein the cladding region and the core region provide an effective refractive index for the fundamental mode and the plurality of low-order non-fundamental modes;wherein an effective refractive index difference between the fundamental mode and the low-order non-fundamental modes is established such that the mode spacing between the fundamental mode and the first non-fundamental mode is large enough to reduce mode coupling in the multimode optical fiber such that a single mode input signal in the fundamental mode is substantially single mode after propagation down the multimode optical fiber -signal is output in the fundamental mode.
Description
HINTERGRUNDBACKGROUND
Gebietarea
Die gegenwärtige Lehre bezieht sich auf optische Fasern im Allgemeinen und insbesondere auf löchrige Fasern für Einzelmoden und Multimoden, welche große Kernabmessungen haben und auf Geräte und Systeme, die solche Fasern verwenden wie Laser und Verstärker.The present teachings relate to optical fibers in general and, more particularly, to singlemode and multimode holey fibers having large core dimensions and to devices and systems using such fibers, such as lasers and amplifiers.
Beschreibung des Stands der TechnikDescription of the prior art
Eine löchrige Faser ist eine optische Faser, bei der optische Führung durch eine Anordnung von „Löchern“, welche um einen Kern angeordnet sind, bereitgestellt wird. Solche Löcher können einen Brechungsindex haben, der kleiner als der des Kerns ist, und bilden zusammen einen Cladding-Bereich (in der nachfolgenden Beschreibung wird durch die deutsche Übersetzung „Mantelbereich“ auf den Begriff Cladding-Bereich Bezug genommen), welcher einen effektiven Brechungsindex hat, der ebenfalls niedriger als jener des Kerns ist.A holey fiber is an optical fiber in which optical guidance is provided by an array of "holes" arranged around a core. Such holes can have a refractive index lower than that of the core and together form a cladding region (in the following description the term cladding region is referred to by the German translation "Mantelbereich"), which has an effective refractive index , which is also lower than that of the core.
Im Allgemeinen wird der Begriff löchrige Faser hier so benutzt, um eine Faser zu bezeichnen, die eine Vielzahl von Cladding Features (in der nachfolgenden Beschreibung wird durch die deutsche Übersetzung „Manteleigenschaften“ auf den Begriff Cladding Features Bezug genommen) aufweist, z.B. Löcher angeordnet in einer Grundsubstanz, wobei die Mantelmerkmale einen Brechungsindex haben können, der von jenem der Grundsubstanz verschieden ist. Demgemäß kann auf die Mantelmerkmale einfallendes Licht reflektiert werden oder davon gestreut werden.In general, the term holey fiber is used here to denote a fiber that has a large number of cladding features (in the following description the term cladding features is referred to by the German translation "Mantel properties"), e.g. holes arranged in a matrix, wherein the cladding features may have a refractive index different from that of the matrix. Accordingly, light incident on the cladding features may be reflected or scattered off.
Eine Photonische-Kristall-Faser (PCF) ist eine löchrige Faser, wobei die Löcher in einer regelmäßigen Weise angeordnet sind. In einer Anordnung kann der Mantelbereich durch Löcher gebildet werden, welche in einer hexagonalen dicht gepackten Art angeordnet sind und der Kern kann in dem zentralen Gebiet eines solchen hexagonal gemusterten Mantelbereichs geformt werden. Der Kern kann in dem zentralen Gebiet sein, wo sich ansonsten in der ausgedehnten Anordnung von Löchern ein zentrales Loch oder einer oder mehr innere „Ringe“ von Löchern befinden würden. PCFs, welche in der beschriebenen Art gebildet werden, haben demnach eine Kernausdehnung und eine Dicke des Mantelbereichs.A photonic crystal fiber (PCF) is a holey fiber with the holes arranged in a regular fashion. In one arrangement, the cladding region may be formed by holes arranged in a hexagonal close-packed fashion and the core may be formed in the central region of such a hexagonally patterned cladding region. The core may be in the central region where a central hole or one or more inner "rings" of holes would otherwise be in the extended array of holes. PCFs formed in the manner described thus have a core dimension and a cladding region thickness.
Wie bei traditionellen Fasern ist in vielen Anwendungen bei PCFs die Aufrechterhaltung einer Ausbreitung von nur einer Mode wünschenswert. Konventionelle PCFs, welche im Einzelmoden-Ausbreitungsregime betrieben werden, haben Kernabmessungen und Dicken des Mantelbereichs, welche jenen von traditionellen nicht-löcherigen Einzelmoden-Fasern ähneln. Eine Begrenzung von solchen Einzelmoden-Fasern und konventionellen PCFs ist, dass die Kerndimension auf einen relativ kleinen Wert beschränkt ist. Im solchen Fasern mit kleinem Kern resultieren hohe optische Leistungsniveaus bei Spitzenintensitäten, welche Nichtlinearitäten in den Eigenschaften von Kern und Faser induzieren. Anwendungen mit hoher Leistung von solchen Fasern sind deswegen entweder nicht praktisch oder nicht möglich.As with traditional fibers, maintaining single mode propagation is desirable in many PCF applications. Conventional PCFs operating in the single-mode propagation regime have core dimensions and cladding region thicknesses that are similar to those of traditional non-holey single-mode fibers. A limitation of such single-mode fibers and conventional PCFs is that the core dimension is limited to a relatively small value. In such small core fibers, high optical power levels result at peak intensities that induce nonlinearities in the core and fiber properties. High performance applications of such fibers are therefore either impractical or not possible.
Aus
Die
Die Veröffentlichung Koplov, J.P., Kliner, D.A.V., Goldberg, L.: Use of bend loss to obtain single-transverse mode operation of a multimode fiber amplifier. In: Conference on Lasers and Electro Optics (CLEO 2000). Technical Digest. Postconference Edition, TOPS Vol.39 (IEEE Cat. No.00CH37088), 2000, p. 286-287. - ISSN DOI: 10.1109/CLEO.2000.907021 betrifft das Herausfiltern von Moden höherer Ordnung über Faserbiegeverluste.The publication Koplov, JP, Kliner, DAV, Goldberg, L.: Use of bend loss to obtain single-transverse mode operation of a multimode fiber amplifier. In: Conference on Lasers and Electro Optics (CLEO 2000). Technical Digest. Postconference Edition, TOPS Vol.39 (IEEE Cat. No.00CH37088), 2000, p. 286-287. - ISSN DOI: 10.1109/CLEO.2000.907021 relates to higher order mode filtering via fiber bending losses.
Die Veröffentlichung Fermann, M.E.: Single-mode excitation of multimode fibers with ultrashort pulses. In: Optics Letters, Vol. 23, 01.01.1998, No. 1, p. 52-54 betrifft die Einzelmodenanregung von Stufenindexfasern, die mehrere Moden ausbreiten können.The publication Fermann, M.E.: Single-mode excitation of multimode fibers with ultrashort pulses. In: Optics Letters, Vol. 23, January 1, 1998, no. 1, p. 52-54 relates to single-mode excitation of step-index fibers that can propagate multiple modes.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Die Erfindung ist dabei durch die Patentansprüche definiert.The invention is defined by the patent claims.
Figurenlistecharacter list
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1A und1B zeigen schematisch eine beispielhafte hohle Faser, welche einen Mantelbereich hat, welcher durch eine Vielzahl von „Löchern“ oder Mantelmerkmalen definiert wird, die die Ausbreitung von nur einer einzelnen optischen Mode durch einen relativ großen Kern erleichtert;1A and1B Figure 12 shows schematically an exemplary hollow fiber having a cladding region defined by a plurality of "holes" or cladding features that facilitate the propagation of only a single optical mode through a relatively large core; -
2A und2B zeigen schematisch eine Photonische-Kristall-Faser (PCF), welche eine Vielzahl von Löchern oder Mantelmerkmalen hat, welche in einer zweidimensionalen Darstellung einer beispielhaften einfachen kubischen Anordnung angeordnet sind, wobei die Abmessung der Löcher, der Abstand zwischen den Löchern und die Zahl der Schichten oder Reihen der Löcher und/oder die Zusammensetzung der Löcher variiert werden kann, um die Ausbreitung von nur einer einzelnen optischen Mode in einem relativ großen Kern zu erlauben;2A and2 B show schematically a photonic crystal fiber (PCF) having a plurality of holes or cladding features arranged in a two-dimensional representation of an exemplary simple cubic array, showing the size of the holes, the spacing between the holes, and the number of layers or rows of holes and/or composition of holes can be varied to allow propagation of only a single optical mode in a relatively large core; -
3A und3B zeigen schematisch eine PCF, welche eine Vielzahl von Löchern oder Mantelmerkmalen hat, angeordnet in einer zweidimensionalen Darstellung einer beispielhaften hexagonal dicht gepackten Anordnung, wobei die Abmessung der Löcher, der Abstand zwischen den Löchern, die Zahl der Schichten oder Reihen von Löchern und/oder die Zusammensetzung der Löcher variiert werden kann, um die Ausbreitung von einer einzelnen optischen Mode durch einen relativ großen Kern zu erlauben;3A and3B show schematically a PCF having a plurality of holes or cladding features arranged in a two-dimensional representation of an exemplary hexagonal close-packed array, wherein the dimension of the holes, the distance between the holes, the number of layers or rows of holes and/or the Hole composition can be varied to allow propagation of a single optical mode through a relatively large core; -
4A-C zeigen schematisch verschiedene hexagonal dicht gepackten Anordnung der3A und3B , welche verschiedene Anzahlen von „Ringen“ (d.h. Reihen oder Schichten) von Löchern / Mantelmerkmalen haben, welche in einer Anordnung um einen relativ großen Kern verteilt sind, wobei die Zahl der Ringe verwendet werden kann, um die Leckverluste von verschiedenen optischen Moden eines optischen Signals zu beeinflussen;4A-C show schematically various hexagonal close-packed arrangements of the3A and3B , which have various numbers of "rings" (i.e., rows or layers) of hole/cladding features distributed in an array around a relatively large core, where the number of rings can be used to estimate the leakage losses of different optical modes of an optical affect signal; -
5A-C zeigen schematisch, wie die Lochabmessung variiert werden kann, um die Leckverluste von verschiedenen Moden zu beeinflussen;5A-C show schematically how the hole size can be varied to affect the leakage of different modes; -
6A-C zeigen schematisch, wie der Lochabstand variiert werden kann, um die Leckverluste von verschiedenen Moden zu beeinflussen;6A-C show schematically how the hole spacing can be varied to affect the leakage of different modes; -
7 zeigt schematisch eine PCF, welche einen relativ großen Kern hat, der zum Unterstützen der Ausbreitung von nur einer einzelnen optischen Mode geeignet ist und weiterhin aufweisend einen äußeren Mantelbereich, welcher durch eine Vielzahl von Löchern zum Unterstützen vieler Moden gebildet wird;7 Figure 12 shows schematically a PCF having a relatively large core suitable for supporting propagation of only a single optical mode and further comprising an outer cladding region formed by a plurality of holes for supporting multiple modes; -
8 zeigt schematisch eine PCF, welche eine relativ große dotierte Kernregion hat, die zur Ausbreitung einer einzelnen Mode geeignet ist;8th Figure 12 shows schematically a PCF having a relatively large doped core region suitable for single mode propagation; -
9A-F zeigen schematisch verschiedene hohle Fasern, welche asymmetrische Löcher-Anordnungen haben, welche um einen relativ großen Kern verteilt sind, um polarisationserhaltende (PM) Einzelmodenausbreitung zu erleichtern;9A-F Figure 12 shows schematically various hollow fibers having asymmetric hole arrangements distributed around a relatively large core to facilitate polarization-maintaining (PM) single-mode propagation; -
10A-D zeigen schematisch, wie erfindungsgemäß eine effektive Kernabmessung einer PCF geändert werden kann durch „Entfernen“ von einer verschiedenen Anzahl von inneren „Ringen“ oder Schichten, wobei eine solche Kernabmessung genutzt werden kann, um Ausbreitung von ausgewählten Moden durch einen relativ großen Kern zu erlauben;10A-D show schematically how, according to the invention, an effective core dimension of a PCF can be changed by "removing" a different number of inner "rings" or layers ten, such a core dimension can be used to allow propagation of selected modes through a relatively large core; -
11 zeigt schematisch eine PCF, die einen dotierten Ring oder ringförmigen Abschnitt hat, welcher um einen hohlen Bereich des Kerns angeordnet ist, um Gain zu liefern;11 Fig. 12 shows schematically a PCF having a doped ring or annular portion placed around a hollow region of the core to provide gain; -
12 zeigt Verlust als eine Funktion der Zahl der Schichten für die fundamentale und die Mode erster Ordnung;12 shows loss as a function of the number of layers for the fundamental and first order modes; -
13 zeigt den Verlust als eine Funktion des inversen Biegeradius für fundamentale und die Mode erster Ordnung;13 shows loss as a function of inverse bend radius for fundamental and first order modes; -
14 zeigt den effektiven modalen Index (modal index) als eine Funktion des inversen Biegeradius für fundamentale und Mode der ersten Ordnung;14 Figure 12 shows effective modal index as a function of inverse bend radius for fundamental and first order modes; -
15 zeigt schematisch zwei beispielhafte Löcher oder Mantelmerkmale einer PCF, wobei eine Größe d den Durchmesser jedes Lochs darstellt und A den Abstand zwischen den Löchern darstellt;15 Figure 12 shows schematically two exemplary holes or cladding features of a PCF, where a quantity d represents the diameter of each hole and A represents the distance between the holes; -
16A-C sind schematische Darstellungen, welche die Betriebscharakteristiken einer PCF zeigen, wobei in einem Plot von λ/Λ versus d/A Einzelmoden- und Multimoden-Ausbreitungsregimes durch Kurven getrennt werden, welche verschiedene Anzahlen von Schichten darstellen;16A-C are schematic representations showing the operating characteristics of a PCF wherein in a plot of λ/Λ versus d/A singlemode and multimode propagation regimes are separated by curves representing different numbers of layers; -
17 zeigt schematisch zwei exemplarische Lochmerkmale, welche verschiedene Formen und Abmessungen haben und17 FIG. 12 schematically shows two exemplary hole features having different shapes and dimensions, and -
18A und18B sind schematische Darstellungen, welche die Betriebscharakteristik einer hohlen Faser zeigen, wobei in einem Plot von λ/Λavg versus davg/Λavg Einzelmoden- und Multimoden-Regimes getrennt sind durch Kurven, welche eine verschiedene effektive Dicke für Mantelbereiche darstellen.18A and18B are schematic representations showing the operating characteristics of a hollow fiber, in a plot of λ/Λ avg versus d avg /Λ avg singlemode and multimode regimes are separated by curves representing different effective thickness for cladding regions.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON EINIGEN AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF SOME EMBODIMENTS
Diese und andere Aspekte, Vorteile und neue Merkmale der gegenwärtigen Lehre werden offensichtlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen. In den Zeichnungen haben ähnliche Elemente ähnliche Bezugszeichen.These and other aspects, advantages, and novel features of the present teachings will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings. In the drawings, similar elements have similar reference numbers.
Die gegenwärtige Lehre bezieht sich im Allgemeinen auf hohle Fasern, Photonische-Kristall-Fasern und photonische Bandlückenfasern. Zum Zwecke der hiesigen Beschreibung und im Einklang mit dem gegenwärtigen Gebrauch der Fachbegriffe ist eine hohle Faser eine optische Faser, bei der die optische Führung im Wesentlichen durch regulär oder irregulär angeordnete Mantelmerkmale oder „Löcher“ geliefert wird. Wie hier gebraucht, beziehen sich Löcher auf Merkmale, angeordnet in einem Grundgerüstmaterial, welche verschiedene optische Eigenschaften wie Brechungsindex im Vergleich zum Grundgerüstmaterial haben. Die Löcher können offen sein, evakuiert oder gefüllt mit Luft, Gas, Flüssigkeit oder können ein anderes Material, transparent oder nicht transparent, aufweisen wie zum Beispiel Glas, ein Polymer oder eine andere Substanz oder Material. Eine Photonische-Kristall-Faser (PCF) ist eine hohle Faser mit einer im Wesentlichen regelmäßigen Anordnung von Löchern. Eine photonische Bandlückenfaser (PBF) ist eine PCF mit angemessenem Abstand und Anordnung der Löcher oder Mantelmerkmale, welche die Bragg-Bedingung bei der Betriebswellenlänge erfüllt und im Wesentlichen optische Führung durch photonische Bandlückeneffekte liefert.The present teachings relate generally to hollow fibers, photonic crystal fibers, and photonic bandgap fibers. For purposes of description herein, and consistent with current usage of the terminology, a hollow fiber is an optical fiber in which optical guidance is provided essentially by regularly or irregularly arranged cladding features or "holes". As used herein, holes refer to features located in a backbone material that have different optical properties, such as index of refraction, compared to the backbone material. The holes may be open, evacuated, or filled with air, gas, liquid, or other material, transparent or non-transparent, such as glass, a polymer, or other substance or material. A photonic crystal fiber (PCF) is a hollow fiber with a substantially regular array of holes. A photonic bandgap fiber (PBF) is a PCF with appropriate hole spacing and arrangement or cladding features that satisfies the Bragg condition at the operating wavelength and essentially provides optical guidance through photonic bandgap effects.
Der innere Radius ρ definiert weiterhin einen Kern 106 der hohlen Faser 100. Der Kern 106 kann oder kann nicht aus demselben Material gebildet sein wie jenes des äußeren Bereichs 112 und/oder den Räumen zwischen den Löchern 110 (der Grundsubstanz, in der die Löcher gebildet werden). In verschiedenen Ausführungsformen sind der Kern 106, die Räume zwischen den Löchern 110 und der äußere Bereich 112 aus Glas gebildet, welches einen ersten Brechungsindex n1 hat.The inner radius ρ further defines a
In bestimmten Ausführungsformen können die Löcher 110 aus Materialien gebildet werden, die einen zweiten Brechungsindex n2 kleiner als n1 haben, einschließend aber nicht begrenzt auf das Vakuum, ein Gas, eine Mischung von Gasen, eine zweite Glasart oder anderes festes oder flüssiges Material. (Im Gegensatz dazu können verschiedene Ausführungsformen der photonischen Bandlückenfaser Löcher oder Mantelmerkmale 110 umfassen, die aus Materialien gebildet werden, die einen zweiten Brechungsindex n2 haben, der größer als der Brechungsindex des Kerns 106 oder der umgebenden Substanz ist.) Wie in
Ein Aspekt der gegenwärtigen Lehre bezieht sich auf selektives Manipulieren eines Parameters oder einer Kombination von Parametern wie die effektive Dicke des Mantelbereichs (R-p), durchschnittliche Lochgröße (d), durchschnittlicher Lochabstand (A) und Lochanordnung. Wie oben beschrieben können die Löcher aus einem verschiedenen Material geformt werden. Zum Zwecke von Teilen dieser Beschreibung wird angenommen werden, dass die Löcher einen Brechungsindex, der kleiner als jener des Kerns ist, haben, obwohl die Löcher nicht darauf beschränkt sein müssen und auch einen größeren Brechungsindex haben können, wie oben beschrieben. Durch Manipulieren der genannten Eigenschaften einer hohlen Faser kann man selektiv die Leckverluste der verschiedenen Moden eines optischen Signals steuern, welches sich durch den Kern ausbreitet. Zum Beispiel wird in verschiedenen Ausführungsformen eine Mode mit einem wesentlich kleineren Leckverlust ausgebreitet, während sich im Wesentlichen alle anderen Moden mit wesentlich größeren Leckverlusten ausbreiten.One aspect of the present teachings relates to selectively manipulating a parameter or combination of parameters such as effective cladding region thickness (R-p), average hole size (d), average hole spacing (A), and hole placement. As described above, the holes can be formed from a different material. For purposes of portions of this specification, the holes will be assumed to have an index of refraction less than that of the core, although the holes need not be so limited and may have an index of refraction greater than that described above. By manipulating the above properties of a hollow fiber, one can selectively control the leakage of the different modes of an optical signal propagating through the core. For example, in various embodiments, one mode is propagated with significantly less leakage while substantially all other modes propagate with significantly greater leakage.
Wie hier benutzt werden Einzelmoden- und Multimodenfaser konsistent mit den Definitionen definiert, welche für traditionelle, nicht hohle Fasern genutzt werden. Für traditionelle Fasern werden Einzelmoden- und Multimodenfaser im Allgemeinen mit Hilfe der V-Zahl definiert, welche gleich ist mit π (numerische Apertur) (Kerndurchmesser) / Wellenlänge für Stufenindexfasern. Für Nicht-Stufenindexfasern können numerische Apertur und Kerndurchmesser mit den äquivalenten Werten für Stufenindexfasern berechnet werden [siehe z.B. Martinez, F., Husey, C.D., „(E)ESI Determination from mode-field diameter and refractive index profile measurements on single-mode fibres“ IEEE Proceedings V135, pp. 202-210, (1988)]. Für Fasern, die die Beziehung V < 2,4 erfüllen, ist die Leistung der fundamentalen Mode signifikant größer als die optische Leistung der nächsthöheren Mode. Alternativ kann für Fasern, bei denen V > 2,4, mindestens die nächste Mode über der fundamentalen Mode eine signifikante Leistung im Vergleich zur fundamentalen Mode haben. Einzelmoden- und Multimoden-traditionelle Fasern sind demnach spezifisch definiert durch die Beziehung V < 2,4 bzw. V > 2,4. V = 2,4 ist das Abschneiden der Ausbreitung von jeder anderen Mode als der Mode niedrigster Ordnung.As used herein, singlemode and multimode fiber are defined consistently with the definitions used for traditional non-hollow fiber. For traditional fibers, singlemode and multimode fibers are generally defined in terms of V number, which is equal to π (numerical aperture) (core diameter)/wavelength for step-index fibers. For non-step-index fibers, numerical aperture and core diameter can be calculated using the equivalent values for step-index fibers [see, e.g., Martinez, F., Husey, CD, “(E)ESI Determination from mode-field diameter and refractive index profile measurements on single-mode fibers “ IEEE Proceedings V135, pp. 202-210, (1988)]. For fibers that satisfy the relationship V < 2.4, the fundamental mode power is significantly greater than the optical power of the next higher mode. Alternatively, for fibers where V > 2.4, at least the next mode above the fundamental mode can have significant performance compared to the fundamental mode. Singlemode and multimode traditional fibers are thus specifically defined by the relationship V<2.4 and V>2.4, respectively. V = 2.4 is the truncation of propagation of any mode other than the lowest order mode.
In hohlen Fasern kann die numerische Apertur durch die Differenz im Brechungsindex zwischen Kern und Mantel ermittelt werden. Jedoch ist ein Kerndurchmesser, der ein äquivalenter Wert für Stufenindex-Fasern ist, schwierig zu berechnen. Verschiedene Referenzenen [siehe zum Beispiel (1) Knight et al, „Properties of photonic crystal fiber and the effective index model“ J. Opt. Soc. Am. A Vo. 15, pp. 748-752, (1998), und (2) Mortensen et al „Modal cutoff and the V parameter in photonic crystal fibers“ Opt. Lett. V. 28, pp. 1879-1881, (2003)] berichten, dass, wenn der Kerndurchmesser gleich gemacht wird zum Abstand zwischen den Löchern Λ, dann ist der V-Parameter für das Abschneiden der Ausbreitung von jeder anderen Mode als der Einzelmode gleich 2,5 (siehe zum Beispiel Knight et al) und π (siehe zum Beispiel Mortensen et al.). Für die verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen ist es nicht kritisch, ob das Abschneide-V 2,405, 2,5 oder π ist. Verschiedene Ausführungsformen der hier beschriebenen hohlen Faser haben einen viel größeren Kernradius als es bei einer konventionellen optischen Faser möglich ist, die die Ausbreitung einer einzelnen optischen Mode unterstützt. Deswegen werden wir die aktuelle Forschung in diesem technischen Gebiet benutzen, bei der eine Multimodenfaser definiert ist, wenn V > π und der Kerndurchmesser ist gleich dem Abstand oder durchschnittlichen Abstand zu der Faser. Umgekehrt ist eine Einzelmodenfaser definiert als eine Faser, bei der V < π.In hollow fibers, the numerical aperture can be determined by the difference in refractive index between the core and cladding. However, a core diameter that is an equivalent value for step-index fibers is difficult to calculate. Various references [see for example (1) Knight et al, "Properties of photonic crystal fiber and the effective index model" J. Opt. Soc. At the. A Vo. 15, pp. 748-752, (1998), and (2) Mortensen et al "Modal cutoff and the V parameter in photonic crystal fibers" Opt. Lett. V. 28, pp. 1879-1881, (2003)] report that if the core diameter is made equal to the distance between the holes Λ, then the V parameter for cutting off the propagation of any mode other than the single mode is equal 2.5 (see, for example, Knight et al.) and π (see, for example, Mortensen et al.). For the various embodiments described herein, it is not critical whether the clipping V is 2.405, 2.5, or π. Various embodiments of the hollow fiber described herein have a much larger core radius than is possible with conventional optical fiber supporting propagation of a single optical mode. Therefore we will use the current research in this technical field, where a multimode fiber is defined when V > π and the core diameter equals the distance or average distance to the fiber. Conversely, a single mode fiber is defined as a fiber where V < π.
Wie oben beschrieben, kann eine hohle Faser konstruiert werden, um Verlust für spezifische Moden einzuführen. Die Lochgröße, Abstand und die Zahl der Löcher können zum Beispiel ausgewählt werden, um Verlust in der Ausbreitung von Moden höherer Ordnung in einer Multimoden-Faser, bei der V > π, zu induzieren. As described above, a hollow fiber can be designed to introduce loss for specific modes. For example, the hole size, spacing, and number of holes can be chosen to induce loss in the propagation of higher order modes in a multimode fiber where V > π.
Mit einem Verringern der Anzahl von Löchern kann Licht in den Moden höherer Ordnung nicht in den Kern eingesperrt werden und kann aus der Faser entweichen. Ein solcher Verlust, eingeführt in eine Multimoden-Faser (V > π), ist analog zu einer traditionellen, nicht löcherigen Multimoden-Faser, welche eine V-Zahl größer als π hat, was Modenfiltern einschließt, zum Beispiel geliefert durch das Biegen der Faser, um Verlust in der Ausbreitung von Moden höherer Ordnung einzuführen. (Modenfilter werden beschrieben zum Beispiel im US-Patent
Die
Der beispielhafte Mantelbereich 122 liefert den Kern 126, dessen Durchmesser 2p vergleichbar mit der Lochabmessung d und dem Lochabstand A ist. Durch Auswählen einer relativ großen Lochabmessung und demnach eines relativ großen Lochabstands kann der entsprechende Kerndurchmesser relativ groß sein. Ausbreitung von nur einer einzelnen optischen Mode kann erreicht werden durch selektives Anpassen der Werte von d, A und/oder der Zahl von Schichten.The
Der beispielhafte Mantelbereich 142 stellt den Kern 146 bereit, dessen Durchmesser 2p im Allgemeinen vergleichbar mit der Lochabmessung d und dem Lochabstand A ist. Durch Auswählen einer relativ großen Lochabmessung und damit eines relativ großen Lochabstands kann der entsprechende Kerndurchmesser relativ groß sein. Einzelmoden-Ausbreitung, d. h. Ausbreitung von nur einer einzigen optischen Mode unter Ausschluss eines Aufrechterhaltens der Ausbreitung von Moden höherer Ordnung, kann erreicht werden durch selektives Anpassen der Werte von d, A und/oder der Zahl der Schichten.The
Die beispielhafte Faser, die in
In einer Ausführungsform hat das Design eines großen Kerns, welches hier offenbart ist, eine im Wesentlichen gleichförmigen Brechungsindexverteilung, besonders über den Kern, vorzugsweise über den Querschnitt der Faser (im Mantelbereich, Lückenbereiche zwischen den Löchern). Wenn der Kerndurchmesser im Bereich von ungefähr 40 bis 100 µm ist (so wie jene, die hier offenbart sind), wird diese Gleichförmigkeit zunehmend wichtig, um im Wesentlichen jeden lokalen Wellenleitereffekt innerhalb des Kerns der Faser auszuschalten.In one embodiment, the large core design disclosed herein has a substantially uniform refractive index distribution, particularly across the core, preferably across the cross-section of the fiber (in the cladding region, gap regions between holes). When the core diameter is in the range of about 40 to 100 µm (such as those disclosed herein), this uniformity becomes increasingly important to essentially eliminate any local waveguide effect within the core of the fiber.
Eine Art, um einen solchen relativ großen Kern auszulegen, ist es, mit dem Bestimmen der gewünschten Abmessung des Kerns zu beginnen. Dann kann eine hexagonal dicht gepackte Anordnung von Löchern oder Mantelmerkmalen angeordnet werden, wobei der Lochdurchmesser d im Wesentlichen gleich dem Lochabstand A ist. Um ein Loch zu erzeugen, kann das zentrale Loch (und möglicherweise mehr Löcher um das zentrale Loch) entfernt werden. Der resultierende „Mantel“-Bereich umfasst einen oder mehrere Ringe oder Reihen von dicht gepackten Löchern, wobei benachbarte Löcher im wesentlichen nah oder sich berührend sind. Da solches dichtes Packen das Lecken von Moden höherer Ordnung reduzieren kann, können Leck-„Pfade“ bereitgestellt werden und Lecken vergrößert werden durch Verringern der Lochabmessung, Vergrößern des Lochabstands oder eine Kombination davon, so dass zum Beispiel die benachbarten Löcher sich nicht mehr berühren oder so nahe beieinander sind.One way to design such a relatively large core is to begin by determining the desired size of the core. A hexagonal close-packed array of holes or cladding features can then be arranged, where the hole diameter d is substantially equal to the hole spacing A. To create a hole, the center hole (and possibly more holes around the center hole) can be removed. The resulting "shell" region comprises one or more rings or rows of closely packed holes, with adjacent holes being substantially close or touching. Since such dense packing can reduce higher order mode leakage, leakage "paths" can be provided and leakage can be increased by reducing hole size, increasing hole spacing, or a combination thereof so that, for example, the adjacent holes no longer touch or are so close together.
Tabelle 1, wie unten gezeigt, fasst verschiedene Eigenschaften der oben mit Bezug auf
In Tabelle 1 kann man sehen, dass die konventionellen Einzelmoden-PCFs einen relativ kleinen Wert von d/A haben, welcher zu einer relativ kleinen Kerngröße korrespondiert. Weiterhin enthält ihr Mantelbereich eine relativ große Zahl von Reihen oder Schichten von Löchern. Demnach ähnelt der Mantelbereich in diesen konventionellen PCFs, die eine einzelne optische Mode ausbreiten, im Allgemeinen dem Mantel (zum Beispiel einem Glas mit leicht niedrigerem Brechungsindex) einer traditionellem, nicht löchrigen Einzelmoden-Faser.In Table 1 one can see that the conventional single-mode PCFs have a relatively small value of d/A, which corresponds to a relatively small core size. Furthermore, their cladding region contains a relatively large number of rows or layers of holes. Thus, in these conventional PCFs that propagate a single optical mode, the cladding region generally resembles the cladding (e.g., a slightly lower refractive index glass) of a traditional non-holey single-mode fiber.
Tabelle 1 zeigt weiterhin Details von zwei beispielhaften PCFs mit großem Kern, die nur eine einzelne optische Mode ausbreiten, bezeichnet als „
Die gemessene Indexdifferenz Δnmeas kann aus der gemessenen numerischen Apertur (NA) des Faser-Outputs erhalten werden. Die Präzision einer solchen Messung kann geringer als ideal sein. Da dieser Wert ein nützlicher Parameter für einen Vergleich ist, wurde für jeden Fall die Indexdifferenz aus den gegebenen d und A berechnet. Diese berechneten Werte können genauer sein als jene, die durch direkte Messung erhalten wurden.The measured index difference Δn meas can be obtained from the measured numerical aperture (NA) of the fiber output. The precision of such a measurement may be less than ideal. Since this value is a useful parameter for comparison, the index difference was calculated for each case from the given d and A. These calculated values can be more accurate than those obtained by direct measurement.
Das berechnete Ancal kann dadurch erhalten werden, dass zuerst der äquivalente Mantelindex berechnet wird, welcher der effektive Index der fundamentalen Mode von einer Struktur ist, welche die grundlegende Einheitszelle des Mantels hat, die sich unendlich in alle Richtungen erstreckt. Diese Berechnung wurde für jeden Fall mit einem Finite-Elemente-Modell mit ausreichender Auflösung durchgeführt. Der Wert von Ancal wird dann bestimmt durch Berechnen der Differenz des Glas-Brechungsindex und des äquivalenten Mantelindex.The calculated An cal can be obtained by first calculating the equivalent cladding index, which is the effective index of the fundamental mode of a structure having the basic cladding unit cell extending infinitely in all directions. For each case, this calculation was performed using a finite element model with sufficient resolution. The value of An cal is then determined by calculating the difference in the glass refractive index and the equivalent cladding index.
Wie oben gesagt, ist 2p ist das Maß eines äquivalenten Kerndurchmessers und wird als 2A-d genommen, wobei ein einzelnes Loch (zum Beispiel ein entfernter Draht) den Kern bildet. In Fällen, bei denen drei abwesende Drähte oder drei Löcher den Kern bilden, kann der Wert des Kerndurchmessers zum Beispiel erhalten werden, aus Mortensen et al.: „Improved large-mode-area endlessly single-mode photonic crystal fibers“, Optics Letters, Band 28, Seiten 393-395, 2003. Tabelle 1
Wie oben mit Bezug auf Tabelle 1 gesagt, ist der V-Parameter der normalisierte Frequenzparameter (auch als V-Zahl bezeichnet), der angenähert werden kann durch (2ρ)(NA)π/λ. Vmeas und Vcal korrespondieren zu gemessenen bzw. zu berechneten V-Werten. In einer traditionellen Faser entspricht V<2,405 dem Bereich einer Einzelmodenfaser. Wie in Tabelle 1 zu sehen, sind für alle PCFs in den ersten fünf Reihen, die nur Einzelmodenausbreitung unterstützen, die berechneten V-Zahlen kleiner als 2,405 (Vcal<2,405) oder sehr nahe daran. Im Vergleich dazu sind die berechneten V-Zahlen für N=2 (
In allen der Einzelmoden-PCFs in den ersten fünf Reihen von Tabelle 1 ist d/A<0,6, wogegen die N=2- und N1=1-Ausführungsformen der PCFs, die auf hier beschriebenen Designs und Techniken basieren, d/A>0,6 haben. Der relative Lochdurchmesser dieser hier beschriebenen PCFs ist demnach viel größer als jener von konventionellen PCFs. In einigen Ausführungsformen enthält die Faser ein großes A für einen große Kerndurchmesser und λ/Λ<0,3. Die Lochgröße d in einem solchen Bereich von Interesse kann außerdem sehr groß sein im Vergleich zur Wellenlänge λ und zu den Lücken (zum Beispiel Glasgrundsubstanz-Bereich) zwischen Löchern und Streumerkmalen.In all of the single-mode PCFs in the first five rows of Table 1, d/A<0.6, whereas the N=2 and N1=1 embodiments of the PCFs based on designs and techniques described herein have d/A have >0.6. The relative hole diameter of the PCFs described here is therefore much larger than that of conventional PCFs. In some embodiments, the fiber contains a capital A for a large core diameter and λ/Λ<0.3. The hole size d in such a region of interest can also be very large compared to the wavelength λ and the gaps (e.g. glass matrix region) between holes and scattering features.
In einem möglichen Betriebsbereich, wie oben beschrieben, kann Einzelmodenbetrieb erreicht werden (wobei nur eine einzelne optische Mode unterstützt wird und Moden höherer Ordnung unterdrückt werden). Hoher Leckverlust wird bereitgestellt für Moden höherer Ordnung, während der Leckverlust der fundamentalen Mode sehr niedrig gehalten wird. Eine PCF kann ausgelegt werden, um einen substantiellen Leistungsverlust für die Moden höherer Ordnung über die Gerätlänge zu erlauben, während ein akzeptabel niedriger Übertragungsverlust für die fundamentale Mode aufrechterhalten wird. Einige mögliche Arten, den Leckverlust durch Anpassen der Zahl der Schichten von Löchern (N) und der Locheigenschaften zu optimieren, werden unten detaillierter beschrieben.In one possible operating range, as described above, single-mode operation can be achieved (supporting only a single optical mode and suppressing higher-order modes). High leakage is provided for higher order modes while the fundamental mode leakage is kept very low. A PCF can be designed to allow substantial power loss for the higher order modes over the device length while maintaining an acceptably low transmission loss for the fundamental mode. Some possible ways to optimize the leakage by adjusting the number of layers of holes (N) and the hole properties are described in more detail below.
Für die Einzelmoden-PCF mit großem Kern, welche die hier beschriebenen Designs und Techniken verkörpern, ist ein bevorzugter Betriebsbereich d/Λ ≥ 0,35 mit N ≤ 3. Bevorzugter d/ Λ ≥ 0,4 oder d/ Λ ≥ 0,6. Noch bevorzugter d/ Λ ≥ 0,75. Die Kerngrößen können zwischen 20 bis 300 Mikrometern sein oder bevorzugter zwischen ungefähr 30 bis 150 Mikrometern. In einigen beispielhaften Ausführungsformen einer hohlen Faser oder PCF d/ Λ > 0,6, N < 4 und λ/ Λ < 0,3. In anderen Ausführungsformen einer hohlen Faser oder PCF z.B. d/ Λ > 0,75, N ≤ 2 und λ / Λ < 0,3. Der Bereich von verschiedenen Faserdesigns sollte jedoch nicht begrenzt auf diese Parameter sein, da eine große Variation möglich ist.For the large-core single-mode PCF embodying the designs and techniques described herein, a preferred operating range is d/Λ ≥ 0.35 with N ≤ 3. More preferred d/ Λ ≥ 0.4 or d/ Λ ≥ 0.6 . Even more preferably d/Λ ≥ 0.75. The core sizes can be between 20 to 300 microns, or more preferably between about 30 to 150 microns. In some exemplary embodiments of a hollow fiber or PCF d/Λ>0.6, N<4 and λ/Λ<0.3. In other embodiments of a hollow fiber or PCF e.g. d/ Λ > 0.75, N ≤ 2 and λ / Λ < 0.3. The range of different fiber designs should not be limited to these parameters, however, as wide variation is possible.
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Die oben mit Bezug auf
Solch eine „Doppelmantel“-Faser kann z.B. in Faserverstärkern, Lasern, Dauerstrich- und gepulsten Lichtquellen oder in anderen Geräten und Systemen, bei denen die Faser gepumpt wird, benutzt werden. Ein äußerer Mantel, der aus Löchern gebildet ist, kann eine Anzahl von vorteilhaften Merkmalen gegenüber konventionellen Doppelmantel-Fasern liefern. Ein möglicher Vorteil ist, dass eine Polymerschicht mit niedrigem Index der konventionellen Doppelmantel-Faser eliminiert werden kann. Polymerschichten mit niedrigem Index können relativ leicht durch Hitze und hohe optische Leistung beschädigt werden, wodurch sie potentiell Zuverlässigkeits- und Stabilitätsprobleme für Hochleistungsanwendungen darstellen. Ein anderer möglicher Vorteil ist, dass im Vergleich zu konventionellen Doppelmantel-Fasern eine relativ hohe numerische Apertur erreicht werden kann. Dieses Merkmal erlaubt einen kleineren Pump-Wellenleiter und folglich verbesserten Überlapp von Pump- und Laserlicht, was möglicherweise zu einer kürzeren Gerätelänge führt. Ein kürzeres Gerät reduziert zusätzlich dazu, dass es kompakter und ökonomischer ist, auch nichtlineare Effekte, die die Spitzenleistung von Lasern und Verstärkern begrenzen.Such a "double clad" fiber can be used, for example, in fiber amplifiers, lasers, continuous wave and pulsed light sources, or in other devices and systems where the fiber is pumped. An outer cladding formed of holes can provide a number of advantageous features over conventional double-clad fibers. A possible advantage is that a polymer layer with low index of the conventional double-clad fiber can be eliminated. Low-index polymer layers are relatively easily damaged by heat and high optical power, potentially posing reliability and stability issues for high-performance applications. Another possible advantage is that a relatively high numerical aperture can be achieved compared to conventional double-clad fibers. This feature allows for a smaller pump waveguide and consequently improved overlap of pump and laser light, potentially resulting in shorter device length. A shorter device, in addition to being more compact and economical, also reduces non-linear effects that limit the peak power of lasers and amplifiers.
Wie in
Die verschiedenen PCFs, die oben mit Bezug auf
Ob solche vergrößerten Kerne Einzelmodenausbreitung unterstützen können, hängt vom Ausmaß des Leckverlustes der nicht fundamentalen (höherer Ordnung) Moden bezüglich des Verlusts der fundamentalen Moden für eine gegebene Länge der PCF ab. Verschiedene oben beschriebene Eigenschaften des hohlen Mantels (wie Lochgröße, Lochabstand, Zahl der Schichten, Lochzusammensetzung etc.) können angepasst werden, um Einzelmodenausbreitung durch den vergrößerten Kern zu erreichen. Alternativ können verschiedene Eigenschaften des hohlen Mantels ausgewählt werden, um Ausbreitung einiger ausgewählten Moden eines optischen Signals zu erlauben.Whether such enlarged cores can support single-mode propagation depends on the extent of leakage of the non-fundamental (higher order) modes relative to the loss of the fundamental modes for a given length of the PCF. Various properties of the hollow cladding described above (such as hole size, hole spacing, number of layers, hole composition, etc.) can be adjusted to achieve single mode propagation through the enlarged core. Alternatively, different properties of the hollow cladding can be selected to allow propagation of some selected modes of an optical signal.
Wie hier benutzt, bezieht sich „optisches Signal“ allgemein auf ausgebreitete optische Energie oder Leistung und ist nicht begrenzt auf einen optischen Träger für Stimme, Daten oder Information. Zum Beispiel kann das optische Signal zu dem Licht, welches sich durch einen optischen Faserverstärker ausbreitet, oder dem Output eines faseroptischen Lasers oder einer anderen Lichtquelle korrespondieren.As used herein, "optical signal" refers generally to propagated optical energy or power and is not limited to an optical carrier of voice, data, or information. For example, the optical signal may correspond to light propagating through an optical fiber amplifier or the output of a fiber optic laser or other light source.
Die beanspruchte Erfindung bezieht sich auf das Ausbreiten eines Einzelmodensignals durch eine Faser, die viele Moden unterstützt. Da die „Moden-Auswahl“ in hohlen Fasern von den relativen Leckverlusten der verschiedenen Moden abhängt, kann die hohle Faser so konfiguriert werden, dass sie die Ausbreitung von verschiedenen nicht-fundamentalen Moden erlaubt, wenn der Mantelbereich so konfiguriert ist, um diese Moden höherer Ordnung „einzuschließen“ (d.h. nicht einen wesentlichen Verlust durch Lecken zu erlauben). Solch eine hohle Faser zum Ausbreiten von vielen Moden (z.B. ungefähr 20 Moden oder mehr) oder „wenigen“ Moden können zum Beispiel gemacht werden durch Entfernen von einer oder mehr inneren Schichten, wie in
In
Erfindungsgemäß wird ein Kern 420 in einer Fläche gebildet, wo sich ansonsten in der Anordnung das zentrale Loch und die erste Schicht von Löchern (nicht gezeigt) befinden würden. Die PCF 410 kann weiterhin einen äußeren Mantel einschließen, welcher in einem äußeren Bereich 416 angeordnet ist.In accordance with the invention, a
In
Wie in
Eine Vielzahl von Techniken kann angewendet werden, um eine Einzelmode in die Faser einzuführen, welche viele optische Moden unterstützt. Zum Beispiel kann ein optischer Koppler mit Bezug auf den Kernbereich angeordnet werden, um Licht in den Kernbereich einzukoppeln. Der optische Koppler kann so konfiguriert werden, um Licht auszugeben, welches eine optische Verteilung hat, die im Wesentlichen dem Modenprofil der fundamentalen Mode entspricht. Mehr des Lichts ist dadurch im Wesentlichen in die Signalmode gekoppelt als in die Moden höherer Ordnung. Der optische Koppler kann zum Beispiel eine Linse oder andere Optik aufweisen, welche geeignete Charakteristiken hat (zum Beispiel optische Leistung, numerische Apertur etc) und die so bezüglich des Kernbereichs angeordnet ist, um Licht zu einer Größe herunter zu fokussieren, welche der Größe des Modenprofils der fundamentalen Mode entspricht. Alternativ kann der optische Koppler einen Wellenleiter (waveguide) umfassen, der Licht ausgibt, welches eine Verteilung hat, die dem Modenprofil der fundamentalen Mode entspricht. Andere Techniken können auch verwendet werden.A variety of techniques can be used to introduce a single mode into fiber that supports multiple optical modes. For example, an optical coupler can be placed with respect to the core region to couple light into the core region. The optical coupler can be configured to output light having an optical distribution that substantially matches the modal profile of the fundamental mode. More of the light is thereby essentially coupled into the signal mode than into the higher order modes. The optical coupler may, for example, comprise a lens or other optics having appropriate characteristics (e.g. optical power, numerical aperture, etc.) positioned with respect to the core region to focus light down to an extent equal to the size of the mode profile corresponds to the fundamental mode. Alternatively, the optical coupler may include a waveguide that outputs light having a distribution that conforms to the mode profile of the fundamental mode. Other techniques can also be used.
Wie weiter in
Ein anderer Aspekt der gegenwärtigen Lehre bezieht sich auf eine PCF, welche eine Vielzahl von Löchern hat, die in einer Anordnung oder Gitter, welches die Bragg-Bedingung für eine gegebene Signalwellenlänge erfüllt, angeordnet sind. In Einklang mit der oben vorgestellten Beschreibung wird eine solche PCF als eine PBF (photonische Bandlückenfaser) bezeichnet.
Da eine PBF auf Bragg-Reflexion oder Streuung statt auf einer durchschnittlichen Brechungsindex-Differenz beruht, kann der Kern einen niedrigen Brechungsindex haben. Folglich kann der Kern evakuiert werden oder mit Luft oder anderen Gasen oder einem Medium gefüllt werden, die sehr kleine nichtlineare Effekte haben. Solch ein vorteilhaftes Merkmal kann zu einer signifikanten Verringerung eines nichtlinearen Effekts führen, und folglich kann sich sehr hohe optische Leistung in diesen PBFs ausbreiten, ohne an einer nichtlinearen Störung zu leiden.Because a PBF relies on Bragg reflection or scattering rather than an average refractive index difference, the core can have a low refractive index. Consequently, the core can be evacuated or filled with air or other gases or media that have very small non-linear effects. Such an advantageous feature can lead to a significant reduction in nonlinear effect, and consequently very high optical power can be propagated in these PBFs without suffering from nonlinear distortion.
In einem Beispiel umfasst der Kern 500 weiterhin einen dotierten ringförmigen oder kranzförmigen Bereich 502, der um das Zentrum des Kerns angeordnet ist. Da
Man kann sehen, dass der Leckverlust stark von der Zahl der Schichten abhängt. Wie erwartet resultiert eine Verringerung von N (N=2 zu N=1) in einer Erhöhung des Leistungsverlusts für beide Moden. Für die fundamentale Mode verursacht die Verringerung in N (2 zu 1) einen Leckanstieg um mehr als drei Größenordnungen. Für die Mode erster Ordnung verursacht dieselbe Verringerung in N einen Leckanstieg um ungefähr zwei Größenordnungen.It can be seen that the leakage strongly depends on the number of layers. As expected, decreasing N (N=2 to N=1) results in an increase in power dissipation for both modes. For the fundamental mode, the reduction in N (2 to 1) causes a leakage increase of more than three orders of magnitude. For the first order mode, the same reduction in N causes about a two orders of magnitude increase in leakage.
Aufgrund einer solch starken Abhängigkeit von N ist es eine Vorgehensweise des Entwerfens einer PCF für eine bestimmte Anwendung, dass man zuerst den Leckverlust durch Auswahl einer Zahl von Schichten oder Reihen N grob einstellt. Sobald der Leckverlust im gewünschten allgemeinen oder ausgedehnten Bereich ist, kann ein Feineinstellen des Leckverlusts durch ein Variieren der Lochgröße durchgeführt werden. Wie erwartet und wie oben in Bezug auf
Im Allgemeinen sind für Moden höherer Ordnung die Anstiege im Leistungsverlust wesentlich größer bei verschiedenen Werten von N wie auch für kleinere Löcher. Um ein PCF zu entwerfen, das nur eine einzelne optische Mode ausbreitet, stellt das Auswählen des Werts von N und der Lochgröße, um im Wesentlichen die Mode erster Ordnung über eine gegebene Länge zu eliminieren, sicher, dass auch höhere Moden im Wesentlichen eliminiert werden.In general, for higher order modes, the increases in power loss are much larger at different values of N as well as for smaller holes. To design a PCF that only propagates a single optical mode, choosing the value of N and the hole size to essentially eliminate the first order mode over a given length ensures that higher modes are also essentially eliminated.
In verschiedenen Anwendungen von PCFs, wie Faserlasern, Verstärkern und Lieferfasern (delivery fibers) ist die Faserlänge in der Ordnung von einigen Metern oder weniger. In solchen Anwendungen kann N ≤ 3 einen EinzelmodenBetrieb für d/Λ ≥ 0,6 erreichen. Vorzugsweise d/Λ ≥ 0,75.In various applications of PCFs such as fiber lasers, amplifiers and delivery fibers, the fiber length is on the order of a few meters or less. In such applications, N ≤ 3 can achieve single-mode operation for d/Λ ≥ 0.6. Preferably d/Λ ≥ 0.75.
Der Biegeverlust wird gewöhnlich als Ausbreitungsverlust bezeichnet, welcher zur Ausbreitung durch Biegungen gehört. Um die in
Man kann sehen, dass man den Betrag des Biegens einer PCF nutzen kann, um zu bestimmen, wieviel Leistung in der fundamentalen und in der Mode erster Ordnung wegen des Biegens verloren wird. Um beim Entwerfen des biegeinduziertem Verlusts zu helfen, können einige der Eigenschaften von Biegeverlust in PCFs, die unten beschrieben sind, nützlich sein.It can be seen that the amount of flexing of a PCF can be used to determine how much power in the fundamental and first order modes is lost due to flexing. To help design the bend-induced loss, some of the properties of bend-loss in PCFs described below may be useful.
Die Biegeempfindlichkeit von diesen Arten von Fasern (zum Beispiel PCFs mit großen Löchern) ist sehr gering. Dieses Resultat ist der Tatsache geschuldet, dass die modale Fläche (modal area) mit verringertem Durchmesser der Biegungen fortschreitend reduziert wird, was aus der Tatsache folgt, dass das modale Feld eingeschränkt wird für das Eindringen in die großen, nahe gelegenen Luftlöcher. Diese Charakteristik ist signifikant verschieden von traditionellen Fasern und konventionellen PCFs, bei denen das modale Feld aus dem Zentrum verschoben ist, mit einem viel kleineren Niveau von Feldstörung bei einer Biegung. Als eine Folge bewegt sich das modale Feld jenseits der Kern-Mantel-Grenze und produziert großen Biegeverlust bei traditionellen nicht hohlen Fasern und konventionellen PCFs. Dieser Effekt ist besonders wichtig für Designs mit großen Kernen bei traditionellen Fasern und konventionellen PCFs.The bending sensitivity of these types of fibers (e.g. PCFs with large holes) is very low. This result is due to the fact that the modal area is progressively reduced as the diameter of the bends is reduced, which follows from the fact that the modal field is restricted for penetration into the large nearby air holes. This characteristic is significantly different from traditional fibers and conventional PCFs, in which the modal field is off-center, with a much lower level of field perturbation upon bending. As a result, the modal field moves beyond the core-cladding boundary and produces large bending loss in traditional non-hollow fibers and conventional PCFs. This effect is particularly important for large core designs in traditional fibers and conventional PCFs.
Hoher modaler Abstand erstreckt sich sogar über größere Kerndurchmesser. Für Fasern, deren Kerndurchmesser von der Ordnung von ungefähr 100 µm ist (wie die N=1-PCF mit großem Kern aus
Wenn die Kerngröße weiter erhöht wird, nimmt der modale Abstand im Allgemeinen ab. Diese Tendenz kann zusammen mit einem vergrößernden Biegeverlust schließlich eine obere Grenze für den maximalen Kerndurchmesser setzen. Trotzdem kann eine Vergrößerung des Kerndurchmessers von einer Größenordnung gegenüber der größten konventionellen PCF, die Einzelmodenausbreitung unterstützt (siehe zum Beispiel Referenz [4] in Tabelle 1 mit einem Kerndurchmesser von 28 µm), mit den hier beschriebenen Techniken und Designs möglich sein.In general, as the core size is further increased, the modal spacing decreases. This trend, along with increasing bend loss, can eventually place an upper limit on the maximum core diameter. Nevertheless, an order of magnitude increase in core diameter over the largest conventional PCF supporting single-mode propagation (see, for example, reference [4] in Table 1 with a core diameter of 28 µm) may be possible with the techniques and designs described here.
Für hohle Fasern, deren Mantelbereich durch solche nicht gleichförmigen Löcher gebildet wird, kann der Lochabstandsparameter und der Lochabmessungsparameter als durch Durchschnittswerte davg und Λavg ausgedrückt werden. Unter Benutzung von solchen Durchschnittsparametern kann eine ähnliches λ/Λ- versus d/A-Beziehung (wie jene aus
Die verschiedenen hier offenbarten Fasern können zum Beispiel in Gain-Fasern, Verstärkern und Lasern sowie in Faserverstärkern und Faserlasern und auch in anderen Systemen benutzt werden. Zum Beispiel können diese Fasern angewandt werden, um gepulste Lasersysteme und Dauerstrich-Lasersysteme oder Lichtquellen mit hoher Leistung zu konstruieren. Diese Systeme können Pumpen umfassen, eine Strecke von Faser, um ein Gain-Medium zu liefern und ein Paar von Spiegeln an beiden Enden der Faser, um einen Resonator zu bilden. Polarisierende Komponenten können hinzugefügt werden, um einen Modenbetrieb mit einer einzigen Polarisation zu erreichen, bei dem nur eine Mode mit einer einzigen Polarisation ausgebreitet wird. Dispersionselemente (dispersing elements) können auch hinzugefügt werden für Dispersionsteuerung innerhalb des Resonators (intra-cavity dispersion control). Die hier offenbarten Fasern können auch Teile des Gain-Mediums in gepulsten oder Dauerstrich-Optische-Verstärkern bilden, die eine oder mehr optische Pumpen, Pumpkoppler und möglicherweise Isolatoren umfassen. Die hier offenbarten Fasern können gebraucht werden, um einen Teil eines Faser-Liefersystems (fiber delivery system) zu bilden, bei dem der Output eines Lasers in die Faser durch ein Fokussierelement oder eine Spleißung eingeführt wird, während der Output der Faser durch zusätzliche Optik auf ein Ziel gelenkt wird. Andere Konfigurationen und Benutzungen sind möglich.For example, the various fibers disclosed herein can be used in gain fibers, amplifiers and lasers, as well as in fiber amplifiers and fiber lasers, and in other systems as well. For example, these fibers can be applied to construct pulsed laser systems and continuous wave laser systems or high power light sources. These systems may include pumps, a length of fiber to provide a gain medium, and a pair of mirrors at either end of the fiber to form a resonator. Polarizing components can be added to achieve single polarization mode operation where only a single polarization mode is propagated. Dispersing elements can also be added for intra-cavity dispersion control. The fibers disclosed herein can also form part of the gain medium in pulsed or cw optical amplifiers, comprising one or more optical pumps, pump couplers and possibly isolators. The fibers disclosed herein can be used to form part of a fiber delivery system, in which the output of a laser is introduced into the fiber through a focusing element or splice, while the output of the fiber is fed through additional optics a goal is directed. Other configurations and uses are possible.
Die hier offenbarten Fasern können auch in Telekommunikationsanwendungen benutzt werden, um MM-Telekom-Fasern für Kurzstrecken-Datenübertragung zu ersetzen, bei der eine große Kerngröße zu niedrigen Kosten und robusten Verbindungen führt, während die Einzelmoden-Natur der Faser die Bandbreite des Übertragungssystems verbessern kann. In solchen Anwendungen kann ein zweites Glas statt der Löcher genutzt werden. Noch andere Anwendungen sind möglich.The fibers disclosed herein can also be used in telecommunications applications to replace MM telecom fibers for short-distance data transmission, where large core size leads to low cost and robust connections, while the single-mode nature of the fiber can improve the bandwidth of the transmission system . In such applications, a second glass can be used in place of the holes. Still other applications are possible.
Obwohl die oben offenbarten Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung die fundamentalen neuen Merkmale der Erfindung, angewandt auf die oben offenbarten Ausführungsformen, gezeigt, beschrieben und verdeutlicht haben, sollte es sich verstehen, dass verschiedene Auslassungen, Ersetzungen und Veränderungen in der Form des Details der Geräte, Systeme und/oder der gezeigten Verfahren von Fachleuten gemacht werden können, ohne von dem Umfang der gegenwärtigen Erfindung abzuweichen. Folglich sollte der Umfang der Erfindung nicht auf die vorhergehende Beschreibung begrenzt sein, sondern sollte durch die angehängten Ansprüche definiert werden.Although the above-disclosed embodiments of the present invention have shown, described and clarified the fundamental novel features of the invention applied to the above-disclosed embodiments, it should be understood that various omissions, substitutions and changes in form of detail of the devices, systems and/or the methods shown can be made by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the scope of the invention should not be limited by the foregoing description, but should be defined by the appended claims.
Claims (16)
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