顺序增加高阶模(HOM)信号传播中的有效面积

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年2月5日提交的，名为“Higher Order Mode Amplifiers(高阶模放大器)”的美国临时专利申请No.60/888114的优 先权，所述美国临时专利申请通过引用而全部并入本文。

此外，下述美国专利申请通过引用而并入本文，如同它们全部在 此陈述过一样：

(a)DiGiovanni等人于2006年11月30日提交的美国专利申 请No.11/606718；

(b)Nicholson等人于2005年9月20日提交的美国专利申请 No.11/230905；

(c)Ramachandran等人于2005年4月14日提交的美国专利 申请No.11/105850；

(d)Ramachandran等人于2006年3月4日提交的美国专利 申请No.11/367495；

(e)Fini等人于2006年7月14日提交的美国专利申请 No.11/487258。

并且，同时提交的下述美国专利申请也通过引用而并入本文，如 同它们全部在此陈述过一样：

(f)[案卷编号：FENA 001363]，Ramachandran和Yablon的 名为“Preventing Dielectric Breakdown in Optical Fibers(防止光纤中 的电介质击穿)”的申请；

(g)[案卷编号：FENA 001365]，Ramachandran的名为 “Pumping in a Higher-Order Mode that is Different From a Signal Mode(在与信号模不同的高阶模下泵浦)”的申请；

(h)[案卷编号：FENA 001366]，DiGiovanni、Ghalmi、 Mermelstein和Ramachandran的名为“Segmented Gain-Doping of an Optical Fiber(光纤的分段增益掺杂)”的申请；以及

(i)[案卷编号：FENA 001367]，DiGiovanni和Ramachandran 的名为“Selectively Pumping a Gain-Doped Region of a Higher-Order Mode Optical Fiber(选择性地泵浦高阶模光纤的增益掺杂区域)”的 申请；以及

(j)[案卷编号：FENA 001368]，DiGiovanni和Headly的名 为“Pumping in a Higher-Oder Mode that is Substantially Identical to a Signal Mode(在与信号模基本相同的高阶模下泵浦)”的申请。

技术领域

本发明一般涉及光纤，并且更具体地涉及光纤中的高阶模 (“HOM”)信号传输。

背景技术

自从硅基光纤被用于高功率激光器和放大器，一直在努力增加通 过光纤传输的信号的功率。当通过光纤传输信号时，大模面积中的低 信号功率导致了低能量提取。相反，在功率极端高时出现有害效应。 由于这些和其它问题，工业上需要一种不同的在光纤中放大信号的方 法。

附图说明

参考下述附图，可更好地理解本发明的许多方面。附图中的元件 不一定按规定比例，而是在清楚地示例本发明的原理的同时有重点地 示出。此外，在附图中，相同的附图标记指示遍及几幅图中的相应的 部件。

图1示出了多级结构的例子，其中通过已被接合在一起的不同类 型的光纤来传播基模信号；

图2A至2C是示出了多级结构的示意图，其中传播的信号从一 个高阶模(HOM)变换为另一个HOM；

图3是示出了示例分布图的图，其中示例分布图示出了两个不同 模之间的有效面积的差别；

图4是示出了模稳定性和模阶数选择之间的相关性的图；

图5(a)是示出了具有86微米的内包层的示例性光纤的横截面 的图；

图5(b)是示出了图5(a)的光纤的折射率分布图的图；

图5(c)是示出了在图5(a)的光纤中传播的HOM信号的近 场图像的图；

图5(d)是将图5(c)的实际信号分布图与理论信号分布图相 比较的图。

具体实施方式

现在详细参照对如图所示的实施例的描述。尽管关于这些图描述 了几个实施例，但其目的不是将本发明限制为此处公开的一个或多个 实施例。相反，目的是覆盖所有的变形、修改和等同物。

传统地，高功率放大器是使用多级结构构成的，与图1所示的相 似。信号115传播通过多个级，同时从相对低功率的信号(例如，毫 微瓦、微瓦或毫瓦)被放大为非常高的功率的信号(例如，千瓦)。 顺序的级中的每一个都由不同的光纤构成，并且每一个光纤都被配置 为与特定功率级的传播信号相适应，以便减小不需要的非线性效应。

因此，在操作中，基模(LP₀₁)进入信号115被注入第一增益掺 杂光纤段130，所述光纤段130与输入光纤相接合125a。因为第一增 益掺杂光纤段130由于泵浦120a而处于激活状态，所以其放大传播 的LP₀₁信号。因为段130被具体地配置用于一个功率级，所以不同的 增益掺杂光纤段140被接合125b至第一段130以与LP₀₁信号在传播 时的增加的功率级相适应。对于一些实施例，第二段也被泵浦120b。 如可看到的，不同的段130、140、150和160中的每一个都被配置为 与不同功率级的传播的LP₀₁信号相匹配。

仅传播LP₀₁基模信号的一个缺点是在如何适应增加的信号方面 存在有限的灵活性。如下所示，使用高阶模(HOM)信号允许更强 的设计灵活性和其它优点。

在此处公开的本发明的各个实施例中，高阶模(HOM)信号被 用于适应增加的功率级。换句话说，代替通过所有多个级来传播基模 的信号，此处的各个实施例教导顺序地传播不同的HOM信号，由此 使模面积与信号功率相匹配，从而增加能量提取的效率。

图2A至图2C是示出了多级结构的示意图，其中传播的信号从 一个高阶模(HOM)被变换为另一个HOM。

图2A示出了这样的实施例，其中进入信号115被注入第一增益 掺杂光纤段230，所述光纤段230与输入光纤相接合125a。使用长周 期光栅(LPG)225，输入的基模信号(LP₀₁)被变换为HOM信号 LP_nm(其中m＞1)，并沿增益掺杂光纤段230传播。LP₀₁信号到HOM 信号的变换导致了增益光纤段230的有效模面积的增加，由此减小了 不需要的非线性效应。在图2A的具体实施例中，沿不同的增益掺杂 光纤段240、250和260传播相同的LP_nm信号。

在图2B所示的另一个实施例中，输入光纤段被接合125至增益 掺杂光纤230a。代替与不同的光纤段接合，如图2A的实施例中的一 样，信号沿相同光纤230传播，而光纤的有效模面积被顺序地改变为 与增加的功率级相适应。因此，在操作中，具有相对低的有效面积(例 如，55平方微米)的LP₀₁信号沿第一段230a传播。当信号功率已增 加至某一点时，LPG 245将基模信号(LP₀₁)变换为HOM(LP₀₁₀) 信号，该信号具有较大的有效模面积(例如，1677平方微米)。增加 的横截面面积增加了饱和能量，并相应地增加了能量提取的效率。简 而言之，第二段230b的模面积与第二段230b的信号功率相匹配。

随着信号的功率级随信号的传播而增加，LP₀₁₀信号被另一个 LPG 255变换为一个不同的HOM信号(LP₀₉)，该信号具有更大的 有效模面积(例如，1915平方微米)。同样，该光纤段230c中的增 加的有效面积与在该光纤段230c内的信号功率相匹配。如图2B所示， 光纤在信号发射端110处的模面积可以相对小(例如，55平方微米)， 并沿使用级联模的光纤增加。因此，被发射进入光纤的LP₀₁信号被变 换为HOM信号，其中在某一点处具有中间有效模面积。级联继续增 加有效模面积，由此减轻了通常与高强度或高功率相关联的有害效 应。

图3示出了：尽管LP₀₁(基模)信号320的有效面积基本上对 应于光纤的纤芯(如分布图310所示)，但高阶模LP₀₉信号330驻留 在纤芯和周围的包层中。可见，LP₀₉ HOM表现出了比LP₀₁基模更大 的有效模面积。

如图2C所示，可组合图2A和图2B的实施例。换句话说，代替 通过不同光纤段传播一个HOM信号(如图2A)或通过相同的光纤 传播不同的HOM信号(如图2B)，可将多个光纤段232、242、252、 262接合在一起，并在信号通过其对应的光纤段传播时将信号变换为 不同的模(例如，LP₀₁₀、LP₀₉、LP₀₈等)。通过示例，如下面的表格 1所示，可顺序地将信号变换为越来越大的有效模面积。

表格1

如可想象的，对于级联HOM信号通过多个光纤级，存在许多排 列。

可平衡每一段的光纤的长度和接下来的级中的有效面积的增加。 例如，如果增益部分在下一段之前提供3dB的增益，则面积可在该下 一段相应地增加3dB。在一些情况下，非线性损害不与不同的有效面 积直接成比例，所以可选择其它面积增量。通过示例，激发的布里渊 散射基于光纤的声学特性。在一些情况下，非线性阈值与有效面积次 线性地成比例。在阈值取决于模之间的交叉耦合的其它情况下，阈值 超线性地缩放。对于这些类型的情况，简单的线性缩放将是次最佳的。

A-B模变换器的级联可具有低通过量损失(throughput loss) 和高消光性，如果A和B模的空间重叠足够高，并且共振耦合足够强。 因为有效的LP₀₁至LP₀₉模耦合被预期用于在光纤中紫外(UV)写入 光栅，其折射率分布图在图3中被示出，这表现了：总体来讲，空间 重叠不需要很大。

并且，在此处示出的一些例子中，即使仅中央纤芯可以是感光的， 也存在足够的系数(折射率)调制来提供共振耦合。在一些情况下， 可在纤芯和/或包层内控制感光性的空间范围(extent)以控制模耦合。 不同的感光材料可用于进一步增加模耦合器灵活性。例如，光纤的一 个区域可掺杂锗(Ge)而光纤的另一个区域掺杂磷(P)。可使用248 纳米(nm)曝光(exposure)在Ge区域中写入光栅，而P区域对应 于193纳米曝光。

除了沿光纤的长度增加信号的有效面积，模变换器(MC)提供 有用滤波。例如，因为当光场通过电致伸缩激发声学响应时出现受激 布里渊散射(SBS)，所以由具体光模图案确定声模。通过沿光纤改 变模图案，SBS的生长中断，由此显著地增加了SBS阈值。

其它不需要的效应，像放大的自发辐射(ASE)和喇曼散射的发 展可在MC带宽外部出现，并且没有变换地通过。这是一个优点，因 为不想要的光以与信号不同的模传播，并且可在最后的出口MC处被 阻碍(rejected)。然而，其也可以是有害的，因为其它模将保留来 自前一段的较小有效面积，并从而具有较低的非线性阈值。例如，在 图2B中，源自第一段的LP₀₁模的ASE将通过整个光纤长度传播， 与信号模竞争。

并且，这些其它模将驻留在光纤的不同空间区域中，并可以从诸 如强度图案中的零处的信号功率很低的本地区中提取增益。在这样的 情况下，可使用已知方法，诸如布拉格光栅，来阻碍该光。

图4是示出了模稳定性和模阶数的选择之间的相关性的图。被表 示为LP₀₁的线示出了光纤的LP₀₁模的稳定性和有效面积之间的平衡。 一般来说，用传统LMA光纤的稳健操作局限于约800平方微米的有 效面积，因为更大的有效面积产生足够低的n₀₁-n₁₁值，所以模耦合 变得过高。在图4中，水平虚线示出了800平方微米的LMA光纤的 高模耦合的阈值。还示出了表示为“MOF”的数据点，该点示出了到 2005为止的微结构光纤的最大有效面积(约1400平方微米)。可将 微结构光纤设计为具有大的差分模损失，从而能够辐射出LP₁₁模，由 此在输出端产生较高的模纯度。因此，这些光纤可对于显著较低的n₀₁-n₁₁的情况提供稳定的操作。

如图4所示，HOM允许有效面积的基本缩放。尽管HOM(LP₀₄、 LP₀₅、LP₀₆和LP₀₇)的稳定性(由n_0m-n_1m表示)随着有效面积的增 加而劣化，但劣化的程度显著地小于基模中表现的劣化。具体地讲， HOM的n_0m-n_1m值的数量级高于基模(LP₀₁)的数量级。从而，HOM 的行为表明了HOM的这样的能力：获得稳定的、没有模混合的信号 传播，并且有效面积显著地大于基模中可达到的有效面积。此外，n_0m-n_1m值随模阶数(由脚标“m”表示)而增加，指示该概念基本上是可 缩放的。

图4也示出了模LP₀₄410、LP₀₅420、LP₀₆430和LP₀₇440的实验 记录的近场图像。在图4所示的具体实施例中，LP₀₄模具有约3200 平方微米的有效面积；LP₀₅模具有约2800平方微米的有效面积；LP₀₆模具有约2500平方微米的有效面积；以及LP₀₇模具有约2100平方微 米的有效面积。

图5示出了用于获得图4的模图像的少模光纤的详细内容。具体 地讲，图5(a)是示出了具有86微米直径的内包层的示例光纤的横 截面的近场图像，图5(b)是示出了图5(a)中的光纤的折射率分 布图的图，并且图5(c)是示出了沿图5(a)中的光纤传播的LP₀₇信号的近场图像。如图5(a)和5(b)所示的内包层是图5(c)的 HOM的驻留之处。图5(d)是将图5(c)的实际信号分布图与理论 信号分布图相比较的图。图5(d)中示出的实际信号的强度线扫描与 理论值非常匹配。模强度分布图被用于计算模的有效面积，对于该具 体实施例，产生了2140平方微米用于模拟，2075平方微米用于实际 实验值。HOM中的传输示出了沿超过50米的光纤长度、弯曲半径小 于4.5厘米的稳定传播。图6(a)和6(b)中示出了这样的弯曲不敏 感性的例子，该例子证明了在约7厘米(R1)和约4.5厘米(R2)的 弯曲半径处保持了信号的完整性，但示出了由于在约3.8厘米的弯曲 半径处的不想要的耦合而导致的轻微失真。

通过模变换器或LPG从基模信号激发所需HOM信号，如上述 附图所示的。该信号被耦合至像HOM光纤的纤芯一样的单模光纤 (SMF)，诸如图5(b)中示出的。可使用传统接合技术将该耦合实 现为具有高模纯度和低损失。使用LPG将进入的信号变换为所需 LP_0m模。因为LPG是光纤中的周期性折射率混乱，所以LPG的共振 特性有效地将进来的信号与高阶模相耦合。因此，当LPG被设计为 匹配用于在光纤中的两个共同传播的模之间耦合的拍长(beat length) 时，出现了从一个模到另一个模的高度有效的耦合。因为LPG是可 逆装置，所以可使用具有与用于将基模信号变换为HOM信号的LPG 一样结构的LPG将HOM信号变换回基模。

尽管已示出和描述了示例性实施例，本领域技术人员应清楚：可 对公开的发明进行多个改变、修改或变形。例如，尽管已在附图中示 出了并详细地描述了具体HOM，应理解为可使用其它模阶数(除了 表达性地示出的)来适应各种其它设计参数。因此，所有这些改变、 修改和变形都应被看作是在本发明的范围内。