KR20240011682A - 대형 모드 영역 링 섬유에서 고차 모드 억제를 증가시키는 방법 및 이의 시스템 - Google Patents

대형 모드 영역 링 섬유에서 고차 모드 억제를 증가시키는 방법 및 이의 시스템 Download PDF

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포울 크리스텐센
제프리 더블유. 니콜슨
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오에프에스 피텔 엘엘씨
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Abstract

본 발명의 양태는 일반적으로 대형 모드 영역 링 섬유에서 고차 모드 억제를 증가시키는 방법에 관한 것이다. 이 접근법은 횡방향 모드 불안정성(TMI) 임계값을 높이고 더 높은 전력을 위해 모드 필드 직경(MFD) 스케일링을 추가로 허용할 수 있다. 본원에는 코어 성질들의 세트를 갖는 코어, 코어 주위의 클래딩 링이 개시되며, 광섬유는 14 내지 40㎛의 기본 모드 유효 MFD를 가지며; 상기 광섬유는 LHOM의 고차 모드 손실을 나타낸다.

Description

대형 모드 영역 링 섬유에서 고차 모드 억제를 증가시키는 방법 및 이의 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 4월 6일에 출원된, 발명의 명칭이 "대형 모드 영역 링 섬유의 고차 모드 억제의 증가"인 미국 가특허출원 제63/171,441호에 대해 우선권을 주장하며, 상기 특허출원의 내용은 이의 전문이 인용에 의해 본원에 포함된다.
본 발명의 양태는 일반적으로 고차 모드 억제에 관한 것이다. 일반적으로, 섬유 레이저는 활성 이득 매질이 희토류 원소, 예를 들면, 에르븀, 이터븀, 네오디뮴, 디스프로슘, 프라세오디뮴, 툴륨, 홀뮴 등으로 도핑된 광섬유인 레이저일 수 있다. 섬유 레이저는 레이징(lasing) 없이 광 증폭을 제공하는 도핑된 섬유 증폭기와 관련이 있다. 섬유 레이저의 발전으로 다양한 응용 분야 및 구현에 사용할 수 있는 기회가 생겼다. 섬유 레이저는 높은 출력 및 높은 빔 품질 둘 다를 요구하는 산업용 레이저 가공 응용 분야에서 광범위하게 사용된다. 예를 들면, 금속 및 금속 합금의 레이저 절단 및 레이저 용접 등이 있다. 코어는 일반적으로 복수의 다이오드 레이저에 의해 제공되는 펌프 방사선으로 에너지를 공급받는다(energized). 다이오드 레이저는 전력을, 이득 광섬유로 지향될 수 있는 광 전력으로 효율적으로 전환시킨다. "클래딩 펌핑된" 배열에서, 펌프 방사선은 코어를 자켓팅(jacket)하는 펌프 클래딩의 이득 섬유를 따라 안내된다. 외부 클래딩은 펌프 클래딩을 자켓팅한다.
광섬유 레이저의 특정 응용 분야에는 특정 출력 수준을 필요로 한다. 특정 섬유 레이저 응용 분야에 필요한 출력 수준을 달성하려면, 다수의 레이저를 조합하여 출력을 높일 수 있다. 섬유 레이저는 스펙트럼 조합 또는 간섭성 조합을 사용하여 조합할 수 있다. 광섬유 레이저의 출력 전력의 스케일링(scaling)은 비선형성, 예를 들면, 유도 브릴루앙 산란(SBS), 유도 라만 산란(SRS), 자기 위상 변조(SPM) 등에 의해 제한된다. 특히 좁은 선폭 작동에 대해 디자인된 광섬유 레이저의 경우, SBS가 지배적인 비선형성이다. 반면, 선폭을 좁힐 필요가 없는 상업용 응용 분야용으로 디자인된 섬유 레이저는 SRS에 의해 종종 제한된다.
비선형성을 감소시키고 출력 전력을 증가시키는 한 가지 방법은 섬유의 기본 모드의 유효 면적을 증가시키는 것이다. 그러나, 섬유의 유효 면적이 증가함에 따라, 섬유의 단일 모드 작동을 유지하는 것이 점점 더 어려워진다. 특정 지점에서는, 유효 면적이 증가하고 고차 모드(HOM) 손실이 감소함에 따라, 횡방향 모드 불안정(TMI)은 비선형성이 아닌 출력 전력을 증가시키는 제한 요소가 된다.
TMI는 양자 결함 가열에 의해 발생된 열적으로 유도된 굴절률 격자가 기본 모드를 고차 모드에 커플링할 때 발생한다. 일반적으로, 선형 편광(LP) LP11 모드는 주요 HOM 문제이다. 모드들이 함께 커플링되면 레이저의 출력이 기본 모드와 HOM 사이의 kHz 주파수에 따라 무작위로 변동하여, 상당한 소음이 발생하고 빔 품질이 저하된다. TMI 임계값은 일반적으로 HOM의 굽힘 손실을 증가시켜 증가되지만, 이로 인해 기본 모드 신호의 손실도 증가하고 광학 효율이 감소하여, 달성 가능한 HOM 손실이 제한된다.
따라서, 고출력 섬유 레이저용 섬유를 디자인하는 데에는 자연스러운 트레이드 오프가 있다. 유효 면적을 늘리면 비선형 임계값이 증가하지만, TMI 임계값은 감소한다. 또한, HOM 굽힘 손실을 증가시켜 TMI 임계값을 높이면, 광학 효율이 감소한다. 이러한 제한 사항들의 균형을 맞추기 위해 다양한 단순 단계 지수 프로파일이 최적화되었다. 이러한 섬유의 기본 모드(2*(유효 면적/pi)^0.5로 정의됨)의 유효 모드-필드 직경(mode-field diameter: MFD)은 일반적으로 20㎛ 미만이며, LP01 굽힘-유도 손실은 2dB/m 미만으로 유지되고, 고차 모드 손실은 >200dB/m이다. 그러나, 이러한 디자인은 매우 민감하여 섬유 제조의 수율이 낮다. 현재, 기존 디자인으로 달성할 수 있는 것 이상으로 출력 전력을 스케일링하는 것은 불가능하다. 이러한 섬유의 고차 모드 손실을 증가시키기 위한 새로운 접근법에 대한 요구가 존재한다.
본 발명의 양태는 일반적으로 클래딩에 링이 있는 대형 모드 면적 섬유에서 고차 모드 억제를 증가시키는 방법에 관한 것이다. 이러한 접근법은 횡방향 모드 불안정성(TMI) 임계값을 높이고, 더 높은 전력에 대한 모드 필드 직경(MFD) 스케일링을 추가로 허용할 수 있다. 또한, 이러한 접근법은 원하는 비선형 및 TMI 임계값을 달성할 수 있는 지수 프로파일의 범위를 확장하여 섬유 제조 수율을 높일 수도 있다.
본 발명의 양태는 또한, 코어 성질들의 세트를 갖는 코어, 및 상기 코어 주위의 클래딩 링을 포함할 수 있는 광섬유로서, 상기 광섬유의 기본 모드 유효 모드-필드 직경(MFD)이 14 내지 40㎛이고, 상기 광섬유가 고차 모드 손실, LHOM을 나타내는 광섬유를 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 상기 광섬유는 기본 모드 유효 MFD가 14 내지 37㎛일 수 있다.
본 발명의 양태는 또한, 코어 성질들의 세트를 갖는 코어, 및 상기 코어 주위의 클래딩 링을 포함하는 광섬유로서, 상기 클래딩 링은 코어의 에지로부터 3 내지 15㎛에서 시작하고, 상기 광섬유의 기본 모드 유효 모드-필드 직경(MFD)이 14 내지 40㎛이고, 상기 광섬유가 고차 모드 손실, LHOM 및 고차 모드 전력 중첩, PHOM을 나타내는 광섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 양태는 또한, 대형 모드 영역 링 섬유에서 고차 모드 억제를 증가시키는 방법으로서, 상기 광섬유를 제공하는 단계 및 상기 광섬유를 통해 광을 전파하는 단계를 포함하고, 상기 광섬유는, 델타 n이 2e-3 미만인 코어, 및 상기 코어 주위의 클래딩 링으로서, 상기 코어의 에지로부터 3 내지 15㎛에서 시작하는, 상기 클래딩 링을 포함하고, 상기 광섬유의 기본 모드 유효 모드-필드 직경(MFD)이 14 내지 40㎛이고, 상기 광섬유는 고차 모드 손실, LHOM 및 고차 모드 전력 중첩, PHOM을 나타내는, 대형 모드 영역 링 섬유에서 고차 모드 억제를 증가시키는 방법을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 상기 언급된 특징적인 구성들이 상세히 이해될 수 있는 방식으로, 본 발명의 양태들의 보다 구체적인 설명이 첨부된 도면을 참조하여 이루어질 수 있다. 그러나, 첨부된 도면은 본 발명의 범위 내에 포함되는 예시적인 양태를 예시할 뿐이며, 본 발명은 다른 동등하게 효과적인 양태를 허용할 수 있기 때문에, 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 점에 유의해야 한다.
도 1a는 Yb-도핑된 섬유에 대한 디자인을 도시하는 차트이다.
도 1b는 본 발명의 양태에 따른 Yb-도핑된 섬유에 대한 예시적인 디자인을 도시하는 차트이다.
도 2a는 본 발명의 양태에 따른 모드 손실과 굽힘 직경 사이의 관계를 도시하는 차트이다.
도 2b는 본 발명의 양태에 따른 링의 특징적인 구성을 갖는 섬유에 대한 모드 손실과 굽힘 직경 사이의 관계를 도시하는 차트이다.
도 3a는 본 발명의 양태에 따른 링이 없는 기본 모드 및 고차 모드(HOM)의 코어와의 모드 전력 중첩을 도시하는 차트이다.
도 3b는 본 발명의 양태에 따른, 링이 있는 기본 모드 및 HOM의 코어와의 모드 전력 중첩을 도시하는 차트이다.
도 4는 본 발명의 양태에 따른 링 섬유의 프로파일을 도시하는 플롯이다.
도 5는 본 발명의 양태에 따른 나선 단부에서의 LP11 손실과 MFD 사이의 관계를 도시하는 차트이다.
도 6은 본 발명의 양태에 따른 대형 모드 영역 링 섬유에서 고차 모드 억제를 증가시키는 방법을 예시하는 흐름도이다.
본원에 사용되는 표제는 구성의 목적만을 위한 것이며, 명세서 또는 청구범위의 범위를 제한하기 위해 사용되는 것을 의미하지 않는다. 본원 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 단어 "~할 수 있다(may)"는 필수 의미(즉, ~해야 한다는 의미)보다는 허용적인 의미(즉, ~할 가능성이 있음을 의미)로 사용된다. 마찬가지로, 단어 "포함하다(include)", "포함하는(including)" 및 "포함하다(includes)"는 포함하지만 이에 제한되지 않음을 의미한다. 이해를 돕기 위해, 가능한 경우, 도면에 공통되는 유사한 요소를 지정하기 위해 유사한 참조 번호가 사용되었다.
본 발명의 양태는 일반적으로 대형 모드 영역 링 섬유에서 고차 모드 억제를 증가시키는 방법에 관한 것이다. 상기 접근법은 횡방향 모드 불안정성(TMI) 임계값을 높이고, 더 높은 전력을 위한 모드 필드 직경(MFD) 스케일링을 추가로 허용할 수 있다. 또한, 상기 접근법은 원하는 비선형 및 TMI 임계값을 달성할 수 있는 지수 프로파일의 범위를 확장하여 제조 수율을 높일 수 있다.
본원에 개시되는 예시적인 양태는 고출력 섬유 레이저 섬유의 디자인에 추가되는 클래딩의 특징적인 구성에 관한 것이다. 본원에 개시되는 양태에 따르면, 상기 클래딩의 특징적인 구성은, 모드 필드 직경이 14 내지 40㎛의 범위인 섬유에 대한 고차 모드 손실을 상당히 증가시키는 동시에, 희토류 도핑된 섬유 코어와의 고차 모드 중첩을 감소시켜, 더 높은 전력 작동을 가능하게 한다. 일부 구현에서, 상기 광섬유는 MFD가 14 내지 37㎛일 수 있다.
TMI는 일반적으로 섬유 레이저의 전력 스케일링을 방지한다. TMI에는 열 유도 지수 격자에 의해 촉진되는, 기본 모드와 LP11 고차 모드(HOM) 사이의 전력 전송이 포함된다. 모드 필드 직경(MFD)이 증가하면 비선형 임계값이 높아지고, HOM 손실이 낮아지며 관련 TMI 임계값이 낮아질 수 있다. 비선형 임계값에는 유도 브릴루앙 산란(SBS), 라만, 4파장 혼합(FWM) 임계값 등이 포함될 수 있다. 4파장 혼합(FWM)은 비선형 광학에서 상호 변조 현상일 수 있으며, 이에 의해 2개 또는 3개의 파장 사이의 상호 작용이 2개 또는 1개의 새로운 파장을 생성한다. TMI는 상업용 섬유 레이저 및 지향성 에너지 섬유 레이저 프로그램 둘 다에 영향을 미친다. TMI를 억제하는 한 가지 접근법은 HOM 손실을 늘리는 것이다. HOM 손실을 증가시키는 것은 모드 필드 직경이 크면 더 어려워진다. MFD를 유지하면서 HOM 손실을 증가시키면 현재 작동 전력 수준에 대한 제조 수율이 증가하고, 높은 LP11 손실을 유지하면서 더 낮은 LP01 손실로 작동하여 효율성이 향상된다. 또한, 더 큰 유효 영역으로 스케일링하고, 비선형성을 줄이고, 작동 전력 수준을 높일 수 있다. 이득 도펀트 농도를 높이면 섬유 길이를 줄여 비선형성을 줄일 수 있지만, 이는 TMI 임계값을 감소시키는 광암화의 증가로 인해 해로울 수 있다.
예시적인 양태에 따르면, 클래딩 링 등이 지수 프로파일에 추가될 수 있다. 클래딩 링을 추가하면, 공진 등을 통해 HOM 굽힘 손실이 증가할 수 있다. LP11 모드의 굽힘에 대한 대칭은 평행 대칭, 직교 대칭을 포함할 수 있다. 평행 대칭의 경우, 일반적으로 굽힘 손실이 더 높다. 직교 대칭의 경우, 일반적으로 굽힘 손실이 더 낮다. 일부 구현에서, 공진이 있는 평행 대칭 LP11 모드는 일부 굽힘 직경에서 직교 대칭보다 손실이 더 낮다. 일부 구현에서, 증폭기의 작동 동안 발생된 양자 결함 유도 가열은, 섬유의 굴절률 프로파일이 열광학 계수를 통해 변경되기 때문에, 링의 이익을 최대화할 수 있다.
예를 들면, 일부 구현에서, 등급화된 지수 코어를 갖는 19㎛ MFD Yb-도핑된 섬유 및 16㎛ MFD 섬유에서, 코어를 동일하게 유지하고 링을 추가하면 넓은 굽힘 직경 범위에 걸쳐 HOM 굽힘 손실이 증가한다. 링을 추가하면, 기본 모드 중첩에 영향을 주지 않으면서 코어와의 HOM 모드 중첩을 실질적으로 줄일 수 있다. 일부 양태에서, 주어진 지수 프로파일에 대한 링 디자인이 최적화되어, 다른 측정된 섬유 지수 프로파일에 적용될 수 있다. 링 디자인은 단일 프로파일에 대해 최적화될 수 있지만, 광범위한 섬유 디자인 및 MFD에 걸쳐 HOM 굽힘 손실의 증가를 부여할 수도 있다. 링 디자인은 코어 변화에 대해 견고할 수 있다.
도 1a는 Yb-도핑된 섬유에 대한 디자인(100a)을 도시하는 차트이다. 도 1b는 본 발명의 양태에 따른 Yb-도핑된 섬유에 대한 예시적인 디자인(100b)을 도시하는 차트이다. 본 발명의 일부 양태에서, 기본 모드의 손실을 증가시키지 않으면서 HOM의 손실을 증가시키는 해결책은, 코어 근처의 클래딩에 추가의 구조를 추가하는 것이다. 이러한 구조를 링으로 나타낼 수 있다. 도 1a는 고출력 Yb-도핑된 섬유에 대한 디자인을 도시하는 반면, 도 1b는 HOM 억제를 위한 추가의 링 구조를 도시한다. 도 1b에 도시된 예시적인 디자인 파라미터는 시작 반경, 델타 n, 폭 등이다. 이는 링의 지수가 기본 모드에 대한 심각한 교란을 피할 수 있을 만큼 충분히 낮게 유지되는 동시에, 고차 모드와 주로 상호 작용하도록 최적화될 수 있다. 또한, 하나 이상의 링이 사용될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 양태에 따른 링의 특징적인 구성이 없는 모드 손실과 굽힘 직경 사이의 관계를 도시하는 차트(200a)이다. 도 2b는 본 발명의 양태에 따른 링의 특징적인 구성을 갖는 섬유에 대한 모드 손실과 굽힘 직경 사이의 관계를 도시하는 차트(200b)이다. 차트의 곡선은 기본 모드 손실을, 굽힘 직경, 및 평행 대칭 및 직교 대칭 LP11 모드의 함수로서 보여준다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 링을 추가하면 HOM 손실이 증가한다. LP01 손실도 증가하며, LP11/LP01 손실 비도 증가한다. 일부 구현에서는, 작동 지점을 더 큰 굽힘 직경으로 이동함으로써 더 큰 LP01 굽힘 손실을 수용할 수 있다. 코어 및 링 디자인은 원하는 굽힘 반경을 제공할 수도 있다.
이하의 표 1은 LP01 손실 = 1dB/m인 굽힘 직경에서 계산된 LP11 손실을 보여준다. 링을 추가하면, LP01 = 1dB/m 손실에서의 굽힘 직경이 7.7cm에서 9cm로 증가한다. 그러나, 상기 직경에서, 링을 추가하면 LP11 손실이 59dB/m에서 1,380dB/m으로 증가한다. 링을 추가해도 섬유의 모드 필드 직경은 실질적으로 변하지 않는다.
링은 섬유의 계산된 HOM 손실을 증가시킬 수 있으며, TMI 임계값의 증가로 이어진다. 굽힘 손실은 섬유의 굴절률을 기반으로 하는 모드 솔버(solver)에 의해 계산될 수 있다. 낮은 지수의 코팅 섬유에서, 코어의 높은 굽힘 손실은 클래딩 모드에 대한 높은 커플링을 의미하지만, 상기 클래딩 모드에 커플링된 전력은 여전히 섬유에 의해 유도된다. 계산된 손실은 HOM이 유리 코팅 인터페이스를 샘플링하는 양에 대한 프록시이다.
저-지수 코팅 섬유의 굴곡 손실 문제로 인해, HOM이 섬유의 이득-도핑된 영역과 얼마나 중첩되는지를 고려하는 것도 유용하다. 링으로 인해 LP11이 에너지를 클래딩 내로 확장할 수 있다. 따라서, 링이 지수 프로파일에 추가되면, HOM과 섬유 코어의 중첩이 감소된다. 이는 이득-도핑된 영역과의 중첩이 낮을수록 HOM의 이득이 적어지고, TMI 임계값이 더욱 증가하므로, 섬유 레이저에 대해 다른 이익이다. 많은 경우, 이득 도펀트는 코어의 전체 범위 내에만 존재한다. 이득 도펀트가 코어의 일부에 구속(confine)되거나 코어를 넘어 확장되는 경우, 모드 전력 중첩은 섬유의 이득-도핑된 영역을 고려해야 한다.
도 3a는 링이 없는 기본 모드 및 고차 모드(HOM)의 코어들과의 모드 전력 중첩을 도시하는 차트(300a)이다. 도 3b는 본 발명의 양태에 따른, 링이 있는 기본 모드 및 HOM의 코어들과의 모드 전력 중첩을 도시하는 차트(300b)이다. 도 3a 및 도 3b는 특정 지수 프로파일 디자인에 대해 링이 있는 또는 링이 없는 기본 모드 및 HOM의 코어와의 계산된 모드 중첩을 도시한다. 차트의 음영 영역은 10m 길이의 Yb-도핑된 섬유를 나선형 권취에 놓을 때 일반적으로 사용되는 작동 직경을 보여준다. 코어와의 기본 모드 중첩은 예상 작동 직경 범위에서 변하지 않지만, 코어와의 고차 모드 중첩은 극적으로 감소한다. 링을 추가하면 작동 직경이 약간 더 큰 직경으로 이동할 수 있으며, 이는 코어 디자인 단계에서 보상될 수 있다.
일부 구현에서, 링에 의해 제공되는 이점은 링 지수 프로파일의 세부사항에 대해 견고함이다. HOM과 링 사이의 상호 작용은 공진을 기반으로 하며, 내부 링 직경, 링 폭 및 델타 n 측면에서 특정 링 디자인에 대해 최대화되지만, 손실의 상당한 증가 및 코어 중첩의 감소는 광범위한 디자인의 범위에서 유지된다. 이는 링 디자인을 견고하게 만들고, 섬유 수율을 증가시킬 수 있다. 높은 LP11 손실 및 코어와의 낮은 모드 중첩 둘 다를 최적화하는 디자인 공간의 영역이 있을 수 있다.
본 발명의 일부 양태에서, 링은, 섬유가 낮은 NA를 나타내기 때문에 작동하며, 이는 링 없이도 LP11 모드에 대해 상대적으로 약한 코어 구속 및 높은 손실을 초래한다. 이렇게 민감한 디자인에 링을 추가하면 HOM이 클래딩으로 누출되는 현상이 촉진된다.
도 1a, 1b, 2a, 2b, 3a 및 3b는 코어와 같은 스텝-지수를 갖는 섬유에 관한 데이터를 예시한다. 상기 링은 등급-지수 코어, 예를 들면, 상업용 섬유 레이저 등에 사용되는 섬유와 동일하게 잘 작용할 수 있다. 상기 링은 이상적인 스텝 지수 섬유에서 벗어나 프로파일에 피크 또는 딥을 나타내는 코어와 동일하게 잘 작욕할 수 있다.
본원에 개시된 계산은 예를 들면, 실온에서 측정된 섬유의 지수 프로파일에 대해 수행될 수 있다. 증폭기에서 작동할 때, 펌프와 신호 사이의 양자 결함으로 인해 발생하는 열은 열광학 효과로 인해 지수 프로파일에 상당한 변화를 일으킬 수 있다. 디자인 단계에서 이러한 효과를 고려하면 고출력 증폭기에서의 섬유의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 논의는 섬유 길이에 따라 변하는 굽힘 직경을 갖는 코일에 권취된 섬유의 굽힘 직경을 고려한다. 일부 구현에서, 이는, TMI가 섬유의 신호 입력 단부에서 가장 심각할 수 있고, 국지적으로 더 높은 LP01 손실을 희생하더라도 HOM 굽힘 손실이 더 높을 수 있기 때문에 유리하다. 일부 구현에서는, 이득 섬유 길이를 따라 평균화된 HOM 굴곡 손실 또는 코어 중첩을 관리하는 것이 바람직하다. 일부 구현에서는, 경로-평균 성질 기반 광 출력이 사용될 수 있다. 이는 이득을 생성하지 않고 비선형 효과 등을 피해야 하는 수동 섬유에 적용될 때 관련이 있을 수 있다.
코일 구성이 본원에 개시되어 있지만, 일부 경우에는 섬유가 링에 고정되거나 원통에 권취되는 것과 같이 본질적으로 균일한 굽힘 직경으로 권취될 수 있다. 이는 링 없는 디자인보다 HOM 손실 및 LP11/LP01 손실 비의 굽힘 직경에 따른 변화가 적은 링 기반 디자인의 특징적인 구성으로 인해 가능해졌다. 낮은 NA, 큰 섬유 디자인에 대한 굽힘 직경으로의 굽힘 손실의 상대적 둔감성은 고성능 및 개선된 패키징성(packageability) 둘 다에 대해 매우 유리할 수 있다.
본원에 개시되는 성질들은 비선형성 및 TMI와 같은 해로운 효과에 대해 임계값 근처에서 중요할 수 있으며, 이는 장치가 고전력에서 높은 열 부하 하에서 작동시 발생한다. 섬유의 굴절률은 온도에 따라 달라지기 때문에, 목표 작동 온도 범위에서 작동시 원하는 성질을 생성하려면 섬유 디자인을 보상하는 것이 중요할 수 있다.
일부 섬유는 링형 구조, 및 펌프 클래딩의 나머지 부분보다 굴절률이 낮은 트렌치를 가질 수 있다. 링과 트렌치 구조의 조합은 HOM 손실을 더욱 증가시키는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 예시적인 양태는 고출력 섬유 레이저와 관련된 디자인 파라미터들을 포함할 수 있다. 상업용 및 지향성 에너지 응용 분야를 위한 고출력 광섬유 레이저와 관련하여, 이러한 파라미터에는 예를 들면, 미세 구조 섬유 접근법들 사이를 구별하기 위한 고체 클래딩 섬유가 있는 고체 코어, 14㎛ 초과의 MFD, 약 40㎛ 미만의 MFD가 포함될 수 있다. 일부 양태에서, 디자인은 25㎛의 MFD를 몇 가지 이점으로 포함할 수 있다. 40㎛ 초과에서는 HOM 억제에 대한 링 접근법이 더 어려울 수 있다.
본 발명의 일부 양태에서, 낮은 델타 n 섬유가 사용될 수 있다. 본원에 개시되는 바와 같이, 섬유 코어 디자인이 LP11 굽힘 손실이 중요하고 링과 상호작용할 수 있는 지점으로 조정될 수 있기 때문에, 링이 작용할 수 있다. 예를 들면, 코어 델타 n은 <2e-3 등으로 제한될 수 있다. 일부 양태에서, 코어보다 실질적으로 작은 델타 n을 갖는 링이 사용될 수 있다. 링의 델타 n이 코어의 델타 n에 가까워지면, 기본 모드가 손실될 수 있다. 이러한 예에서, 링의 델타 n은 코어의 델타 n의 <70%로 제한될 수 있다. 다른 파라미터는 코어의 에지로부터 적어도 2㎛ 떨어진 곳에서 시작하고 코어의 에지로부터 15㎛ 이하로 떨어진 곳까지의 링 등을 포함할 수 있다. 링이 코어에서 너무 멀리 떨어져 있으면 디자인 공간이 좁아지고, 높은 손실 및 낮은 HOM 코어 중첩을 동시에 달성하기가 더 어려워진다. 링이 코어에 너무 가까우면 제작이 어려워질 수 있다. 다른 파라미터에는 높은 HOM 손실, 예를 들면, LP11 >300dB/m이 포함될 수 있다.
일부 구현에서, 다차원 최적화 루틴에 기초한 섬유 디자인은 MFD가 최대 23.5㎛인 19㎛ 섬유의 HOM 손실을 초과하는 HOM 손실을 갖는 링 기반 디자인을 발견하였다. 본원에 개시된 예시적인 양태에 따르면, 디자인 알고리즘은 HOM 손실 >200dB/m인 25㎛의 MFD에서의 디자인을 결정한다. 일부 구현에서는, 디자인이 더 큰 MFD에서 더 높은 값의 HOM 손실을 허용하며, MFD가 25 또는 심지어 30㎛을 초과하는 경우 >200dB/m 또는 심지어 >300dB/m.
본원에 논의되는 디자인은 단일의 직사각형 형상의 링을 나타낼 수 있다. 링의 외관은 직사각형으로 보이지만, 확산으로 인해 드로우(draw) 동안 링의 측면들이 경사(slope)를 얻을 수 있다. 다른 링 형상, 예를 들면, 삼각형 또는 등급형 지수도 이익을 제공할 수 있다. 다수의 링을 클래딩에 사용하면 이익이 있을 수도 있다. 링은 일정하거나 방위각적으로 변화하는 내부 및 외부 반경으로 연속적이거나, 개별 세그먼트들로 구성될 수 있다.
본 발명의 예시적인 양태에 따르면, 광섬유가 디자인되고 제조될 수 있다. 일부 구현에서, 광섬유는 코어 및 링을 포함할 수 있다. 광섬유의 성질은, 델타 n이 <2e-3인 코어, 코어의 에지로부터 3 내지 15㎛ 사이에서 시작하는 링, 델타 n이 <0.7*링의 델타 n인 링을 포함할 수 있고, 상기 섬유는 기본 비유효 MFD가 14 내지 30㎛이고, 상기 섬유는 5 내지 30cm의 굽힘 직경에서 발생하는 기본 모드 손실이 <1dB/m이고, 상기 섬유는 기본 모드 손실 = 1dB/m인 굽힘 직경에서 고차 모드 손실이 >300dB/m이다.
도 4는 본 발명의 양태에 따른 링 섬유의 프로파일을 예시하는 플롯(400)이다. 플롯(400)은 본 발명의 양태에 따른 링 섬유의 델타 n과 반경(㎛)의 관계를 나타낸다. 상기 섬유는 본 발명의 양태에 따른 클래딩 링을 포함할 수 있다. TMI 임계값 등을 높이기 위해 클래딩 링이 추가될 수 있다. 예시적인 양태에 따르면, 제조된 링 섬유가 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 양태에 따른 나선 단부에서의 LP11 손실과 MFD 사이의 관계를 도시하는 차트(500)이다. 일부 구현에서, 펄스형 Yb 섬유 증폭기용 링 광섬유의 디자인은 37㎛ 등으로 큰 모드 필드로 스케일링할 수 있다. 차트(500)는 본 발명의 양태에 따라 제조된 섬유들의 수집(compilation)을 도시하며, 큰 모드 필드에서 링 섬유가 기존 스텝 지수 디자인보다 훨씬 더 높은 HOM 손실을 달성한다는 것을 보여준다. 예를 들면, 25㎛ MFD에서, 디자인은 19㎛ MFD의 스텝 지수 섬유보다 HOM 손실이 더 높다. 37㎛ MFD에서, 디자인의 손실은 40dB/m 초과이며, 이는 1kW 초과, TMI 자유 신호 전력 등을 지원하기에 충분할 수 있다. MFD가 스케일링되면, 델타 n이 감소하고 작동 직경이 증가할 수 있다. 일부 구현에서는 37㎛ MFD에서 작동 직경이 약 30cm 등이 될 수 있다.
도 6은 본 발명의 양태에 따라 대형 모드 영역 링 섬유에서 고차 모드 억제를 증가시키는 방법(600)을 예시하는 흐름도이다. 방법(600)은 단계(602)에서 시작할 수 있으며, 코어 성질 또는 파라미터가 설정된다. 코어 성질은 예를 들면, <2e-3의 델타 n을 포함할 수 있다. 상기 방법은 링 파라미터가 설정되는 단계(604)에서 계속될 수 있다. 링 파라미터는 예를 들면, 코어의 에지로부터 3 내지 15㎛에서 시작하는 링을 포함할 수 있으며, 상기 링은 <0.7*링의 델타 n의 델타 n을 갖는다. 델타 n 및 코어 반경의 관점에서, 단계(602)에서 코어 디자인을 한정하는 것은 실질적으로 MFD 및 작동 굽힘 직경을 한정할 수 있다. 단계(604)에서, 링 디자인을 한정하는 것은 HOM 손실을 결정하고 작동 직경을 미세 조정할 수 있다. 섬유 파라미터는 예를 들면, 기본 모드 유효 MFD가 14 내지 30㎛인 섬유, 5 내지 30cm의 굽힘 직경에서 발생하는 <1dB/m의 기본 모드 손실, 및 기본 모드 손실 = 1dB/m인 굽힘 직경에서 >300dB/m의 고차 모드 손실이다. 단계(606)에서, 광은 섬유 등을 통해 전파될 수 있다.
설명의 단순화 및 명확성을 위해, 첨부된 도면에는 일반적인 구성 방식이 도시되어 있으며, 당업계에 널리 공지된 특징적인 구성 및 기술에 대한 자세한 설명은, 본 발명의 예시적인 양태의 설명이 불필요하게 모호해지는 것을 방지하기 위해 생략한다. 또한, 첨부 도면의 구성요소는 반드시 일정한 비율로 그려지는 것은 아니다. 예를 들면, 본 발명의 예시적인 양태의 이해를 돕기 위해 크기가 과장될 수 있다.
본원에 개시된 본 발명의 예시적인 양태는 본원에 예시되거나 설명된 순서와 상이한 순서로 작동될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 방법이 일련의 단계들을 포함하는 것으로 본원에 설명되는 경우, 본원에 제안되는 상기 단계들의 순서는 반드시 이들 단계가 실행될 수 있는 순서는 아니다.
본원에서 사용되는 용어는 본 발명을 한정하기보다는 예시적인 양태들을 설명하기 위해 사용되는 용어이다. 본 발명에 있어서, 단수형은, 달리 명시적으로 기재하지 않는 한, 복수형을 포함한다. 본 발명에서 사용되는 용어 "포함하다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"에 의해 언급되는 성분, 단계, 동작 및/또는 요소는 하나 이상의 다른 성분, 단계, 동작 및/또는 요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이상, 본 발명의 예시적인 양태들을 참조하여 설명하였다. 본 발명에 개시된 모든 예시적인 양태 및 조건의 예시는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 당업자에 의한 원리 및 개념의 이해를 돕기 위해 기술된 것이다. 따라서, 본 발명이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 개질된 형태로 실시될 수 있다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 다양한 특징적인 구성을 갖는 다수의 양태가 본원에서 설명되었지만, 본원에서 논의되지 않은 다른 조합에서의 이러한 다양한 특징적인 구성들의 조합은 본 발명의 양태의 범위 내에서 고려된다.

Claims (22)

  1. 광섬유로서,
    코어 성질들의 세트를 갖는 코어 및
    상기 코어 주위의 클래딩 링을 포함하고,
    상기 광섬유는 기본 모드 유효 모드-필드 직경(mode-field diameter: MFD)이 14 내지 40㎛이고,
    상기 광섬유는 고차 모드 손실, LHOM을 나타내는, 광섬유.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코어 주위에 제2 클래딩 링을 추가로 포함하는, 광섬유.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코어 주위의 제2 클래딩 링 및
    트렌치를 추가로 포함하는, 광섬유.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광섬유의 LHOM이, 상기 클래딩 링 없이 코어 성질들의 세트를 갖는 광섬유보다 적어도 1.5배 더 큰, 광섬유.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광섬유가 고차 모드 전력 중첩, PHOM을 나타내는, 광섬유.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광섬유의 PHOM이 상기 클래딩 링 없이 코어 성질들의 세트를 갖는 광섬유보다 적어도 30% 더 적은, 광섬유.
  7. 제1항에 있어서, 상기 코어 성질들의 세트가
    델타 n이 2e-3 미만인 코어를 포함하는, 광섬유.
  8. 제1항에 있어서, 상기 링이 상기 코어의 에지로부터 3 내지 15㎛에서 시작되는, 광섬유.
  9. 제1항에 있어서, 상기 링의 델타 n이 <0.7x상기 링의 델타 n인, 광섬유.
  10. 제1항에 있어서, 상기 광섬유의 기본 모드 유효 MFD가 14 내지 37㎛인, 광섬유.
  11. 제1항에 있어서, 상기 광섬유가, 5 내지 30cm의 굽힘 직경에서 발생하는 기본 모드 손실이 1dB/m 미만인, 광섬유.
  12. 제1항에 있어서, 상기 광섬유가, 굽힘 직경에서 고차 모드 손실이 300dB/m 초과이고, 상기 기본 모드 손실은 1dB/m인, 광섬유.
  13. 광섬유로서,
    코어 성질들의 세트를 갖는 코어 및
    상기 코어 주위의 클래딩 링으로서, 상기 코어의 에지로부터 3 내지 15㎛에서 시작하는, 상기 클래딩 링을 포함하고,
    상기 광섬유는 기본 모드 유효 모드-필드 직경(MFD)이 14 내지 40㎛이고,
    상기 광섬유는 고차 모드 손실, LHOM 및 고차 모드 전력 중첩, PHOM을 나타내는, 광섬유.
  14. 제13항에 있어서, 상기 광섬유의 기본 모드 유효 MFD가 14 내지 37㎛인, 광섬유.
  15. 제13항에 있어서, 상기 코어 주위에 제2 클래딩 링을 추가로 포함하는, 광섬유.
  16. 제13항에 있어서, 상기 클래딩 링의 측면들이 드로우(draw) 동안 경사(slope)를 얻는, 광섬유.
  17. 제13항에 있어서, 상기 광섬유의 LHOM이, 상기 클래딩 링 없이 상기 코어 성질들의 세트를 갖는 광섬유보다 적어도 1.5배 더 큰, 광섬유.
  18. 제13항에 있어서, 상기 광섬유의 PHOM이, 상기 클래딩 링 없이 상기 코어 성질들의 세트를 갖는 광섬유보다 적어도 30% 더 적은, 광섬유.
  19. 제13항에 있어서, 상기 코어 성질들의 세트가
    델타 n이 2e-3 미만인 코어를 포함하는, 광섬유.
  20. 제13항에 있어서, 상기 링의 델타 n이 <0.7x상기 링의 델타 n인, 광섬유.
  21. 제1항에 있어서, 상기 광섬유가 5 내지 30cm의 굽힘 직경에서 발생하는 기본 모드 손실이 1dB/m 미만인, 광섬유.
  22. 대형 모드 영역 섬유에서 고차 모드 억제를 증가시키는 방법으로서,
    상기 광섬유를 제공하는 단계 및
    상기 광섬유를 통해 광을 전파하는 단계를 포함하고,
    상기 광섬유는,
    델타 n이 2e-3 미만인 코어 및
    상기 코어 주위의 클래딩 링으로서, 상기 코어의 에지로부터 3 내지 15㎛에서 시작하는 상기 클래딩 링을 포함하고,
    상기 광섬유는 기본 모드 유효 모드-필드 직경(MFD)이 14 내지 40㎛이고,
    상기 광섬유는 고차 모드 손실, LHOM 및 고차 모드 전력 중첩, LHOM을 나타내는, 대형 모드 영역 섬유에서 고차 모드 억제를 증가시키는 방법.
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