專利名稱：：防止光纖中的電介質(zhì)擊穿的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明一般涉及光纖，并且更具體地涉及光纖中的高階模("HOM")信號傳輸。
背景技術：
：自從硅基光纖被用于高功率激光器和放大器，一直在努力增加通過光纖傳輸?shù)男盘柕墓β?。高功率傳輸?shù)囊粋€限制是塊狀玻璃中的電介質(zhì)擊穿的攻擊，其中電介質(zhì)擊穿的閾值是脈沖持續(xù)時間和脈沖能量的函數(shù)。因此，隨著脈沖的強度的增加，電介質(zhì)擊穿的可能性相應地增加。由于這個問題，工業(yè)上需要一種在避免塊狀玻璃的電介質(zhì)擊穿的同時傳輸高能量信號的方法。參考下述附圖，可更好地理解本發(fā)明的許多方面。附圖中的元件不一定按規(guī)定比例，而是在清楚地示例本發(fā)明的原理的同時有重點地示出。此外，在附圖中，相同的附圖標記指示遍及幾幅圖中的相應的部件。圖1是示出了用于將基模變換為高階模(HOM)的示例設置的示意圖2(a)是示出了當基模被變換為大模面積(LMA)HOM時的變換效率的例子的示意圖2(b)是示出了將基模信號變換為HOM信號的示例模塊的光鐠特征的圖3(a)是示出了作為波長的函數(shù)的一個示例HOM的有效面積的圖3(b)是示出了基于波長的色散和各個示例性模階數(shù)之間的相關性的圖4是示出了模穩(wěn)定性和模階數(shù)的選擇之間的相關性的圖5(a)是示出了具有86微米的內(nèi)包層的示例性光纖的橫截面的圖5(b)是示出了圖5(a)中的光纖的折射率分布圖的圖；圖5(c)是示出了在圖5(a)的光纖中傳播的HOM信號的近場圖像的圖5(d)是將圖5(c)的實際信號分布圖與理論信號分布圖相比較的圖6是示出了針對幾個示例HOM信號彎曲半徑對彎曲損失和?；旌闲实挠绊懙膱D7是示出了偶數(shù)模和奇數(shù)模之間的峰值強度的差別的一個例子的圖8是示出了兩個不同的HOM之間的峰值強度的差別的一個例子的圖。具體實施例方式如圖所示，現(xiàn)在詳細參照對實施例的描述。盡管關于這些圖描述了幾個實施例，但其目的不是將本發(fā)明限制為此處公開的一個或多個實施例。相反，目的是覆蓋所有的變形、修改和等同物。在基于光纖的系統(tǒng)中的光信號的高功率傳輸期間，隨著能量級增加，顯現(xiàn)出各種非線性效應。一個這樣的效應就是當脈沖的局部強度超過了塊狀玻璃中的電介質(zhì)擊穿的闊值時出現(xiàn)的電介質(zhì)擊穿。該閾值是脈沖持續(xù)時間和脈沖能量的函數(shù)。典型地，在高階模(HOM)信號傳輸中，HOM信號分布圖(profile)的橫截面展現(xiàn)了多個波瓣。這樣，存在由于波瓣導致的電介質(zhì)擊穿的更大的風險，所述波瓣可能僅攜帶脈沖能量的一小部分，卻具有高峰值強度。因此，當以HOM傳輸時，可通過明智地選擇傳輸?shù)哪頊p小塊狀玻璃中電介質(zhì)擊穿的幾率。換句話說，因為HOM分布圖中的能量分布隨模階數(shù)而改變，所以可以為任何給定的HOM計算峰值強度。相應地，可以計算被傳輸?shù)拿}沖的某些部分是否將超過HOM信號正在被傳輸通過的光纖的擊穿閾值。如果計算的能量超過電介質(zhì)擊穿閾值，則可選擇具有較低峰值強度的另一個HOM用于信號傳輸。通過介紹，主要通過高亮度半導體泵浦激光器的可獲得性使得能夠向前驅(qū)動高功率光纖激光器。光學傳輸中的限制包括由光纖中的高強度引起的非線性。這樣，近來的努力聚焦在了大模面積(LMA)光纖，所述光纖具有其中強度被降低了的有效模面積。具有300平方微米大小的有效面積的LMA光纖現(xiàn)在可商業(yè)獲得。然而，即使當縮放為較大面積時，隨著光纖的模面積增大，信號也變得越來越不穩(wěn)定(例如，損失和可能將能量分給其它模)。這種不穩(wěn)定性在某種程度上可以通過在支持多個導模的LMA光纖中傳播一個定義明確的高階模(HOM)信號來減輕。關于模耦合不穩(wěn)定性，以HOM傳輸固有地比以基模傳輸更穩(wěn)健。因此，HOM信號傳輸通常允許在超過3000平方微米的模面積中的信號傳輸或放大，并且HOM信號傳輸展現(xiàn)了對于彎曲效應比以基模傳輸更好的免疫性。HOM的橫截面強度分布圖與基模的橫截面強度分布圖不同。因此，如果希望在輸入端和輸出端都具有基模信號，則必須使用模轉(zhuǎn)換技術來將基模信號變換為HOM信號，并且反之亦然。該
發(fā)明內(nèi)容與附圖一起提供了對用于傳輸HOM信號的系統(tǒng)的詳細描述，以及用于將HOM信號的峰值強度保持在硅基光纖的電介質(zhì)擊穿閾值以下的各種方案。圖1示出了其中的一個示例設置的示意圖，用于將基才莫信號180變換為高階模(HOM)信號170，并且放大該信號。在圖1的實施例中，系統(tǒng)包括接合或光學耦合至增益摻雜的超大模面積(ULMA)光纖140的輸入端的單模光纖(SMF)110。因為諸如鉺和鐿等的增益摻雜劑在本領域中是已知的，所以此處省略對增益摻雜劑的進一步討論。ULMA光纖140具有光纖內(nèi)長周期光柵(LPG)130，所述光柵被具體配置為將基模信號180變換為HOM信號170。因為這樣的模變換技術在工業(yè)中是已知的，所以此處僅提供對LPG130的刪簡的討論。然而，本領域技術人員應理解為可使用其它已知的模變換技術將基模信號180變換為HOM信號170。在ULMA光纖140的輸出端的是被配置為將HOM信號170變換回基模信號160的另一個LPG150。因此，在操作中，信號作為基模信號180被引入系統(tǒng)，并使用光纖內(nèi)LPG130通過共振耦合被變換為HOM信號170。一旦被變換為HOM信號170并且,皮增益摻雜ULMA光纖140充分地力欠大，放大的HOM信號170通過第二組光纖內(nèi)LPG150被變換回基才莫160。LMA光纖的穩(wěn)定性主要由所需模及其最近的反對稱(或偶數(shù))模之間的隨機的、分布式的共振?；旌峡梢员灰种频某潭葋砜刂?。例如，對于LP^模，穩(wěn)定性主要由其與對應的LP^模的?；旌蟻砜刂?。對于大部分，這種抑制取決于兩個主要因素。即，被發(fā)射至所需模的純度、和這兩個模之間的相位匹配度。因此，隨著該兩個模的有效折射率(indices)(neff)之間的差增加，所需模和其對應的反對稱模之間的耦合變得越來越低效。圖4是示出了模穩(wěn)定性和模階數(shù)的選擇之間的關系的圖。被標明為LP(n的線示出了光纖的LPd模的穩(wěn)定性和有效面積之間的權衡。一般來說，利用傳統(tǒng)LMA光纖的穩(wěn)健操作被限制為約800平方微米的有效面積，因為更大的有效面積產(chǎn)生足夠低的值，所以模耦合變得過高。在圖4中，水平虛線示出了800平方微米LMA光纖的高階模耦合的閾值。還繪出了被表示為"MOF，，的數(shù)據(jù)點，該點示出了到2005為止微結構光纖的最大有效面積(約1400平方微米)。微結構光纖可被設計為具有大的差分模態(tài)損耗，使得能夠輻射出LPU模，從而在輸出端產(chǎn)生較高的模態(tài)純度。因此，在顯著地較低的Hm-iin的情況下，這些光纖可提供穩(wěn)定的操作。如圖4所示，HOM允許有效面積的大幅度比例縮放。盡管HOM(Uo4,LP05，L;P06，和LP07)的穩(wěn)、定'I"生(由n0m—nlm表示)隨著有效面積的增加而劣化，但劣化的程度顯著地小于基模中展現(xiàn)的劣化的程度。具體地講，HOM的n。m-n^值比基模(LP^)的高一個數(shù)量級。因此，HOM的行為證明了HOM的以比可在基模下獲得的顯著地大的有效面積獲得穩(wěn)定的沒有?；旌系男盘杺鞑サ哪芰?。此外，n0m-ihm值隨著模階數(shù)(由下角標"m，，表示)增加，表示這個概念基本上是可縮放的。圖4也示出了模LP。4410、LP05420、LP06430和LP。7440的實驗記錄的近場圖像。在圖4中示出的具體實施例中，LP。4模具有約3200平方微米的有效面積；LP。5模具有約2800平方微米的有效面積；LP06模具有約2500平方微米的有效面積；以及LP。7模具有約2100平方微米的有效面積。圖5示出了被用于獲得圖4中的模態(tài)圖像的少模光纖的詳情。具體地講，圖5(a)是示出了具有86微米直徑的內(nèi)包層的示例光纖的橫截面的近場圖像，圖5(b)是示出了圖5(a)中的光纖的折射率分布圖的圖，并且圖5(c)是示出了沿圖5(a)中的光纖傳播的LP07信號的近場圖像。如圖5(a)和5(b)所示的內(nèi)包層是圖5(c)的HOM的駐留之處。圖5(d)是將圖5(c)的實際信號分布圖與理論信號分布圖相比較的圖。圖5(d)中示出的實際信號的強度線掃描與理論值非常匹配。模強度分布圖被用于計算模的有效面積，對于該具體實施例，產(chǎn)生了2140平方微米用于模擬，2075平方微米用于實際實驗值。HOM中的傳輸示出了沿超過50米的光纖長度、彎曲半徑小于4.5厘米的穩(wěn)定傳播。圖6(a)和6(b)中示出了這樣的彎曲不敏感性的例子，該例子證明了在約7厘米(Rl)和約4.5厘米(R2)的彎曲半徑處保持了信號的完整性，但示出了由于在約3.8厘米的彎曲半徑處的不想要的耦合而導致的輕微失真。通過諸如圖1所示的模變換器或LPG，從基模信號激發(fā)所需HOM信號。該信號被耦合至像HOM光纖的纖芯一樣的單模光纖(SMF)，諸如圖5(b)中示出的?？墒褂脗鹘y(tǒng)接合技術將該耦合實現(xiàn)為具有高模態(tài)純度和低損失。使用LPG將進入的信號變換為所需LP一模。因為LPG是光纖中的周期性折射率擾動，所以LPG的共振特性有效地將進來的信號與高階模相耦合。因此，當LPG被設計為與用于在光纖中的兩個共同傳播的模之間耦合的拍長(beatlength)匹配時，出現(xiàn)了從一個模到另一個模的高度有效的耦合。因為LPG是可逆裝置，所以可使用具有與用于將基模信號變換為HOM信號的一樣的結構的LPG將HOM信號變換回基模。研究表明通過使共同傳播的模的群速率相匹配，LPG120、150(圖1)可有效地以更寬的帶寬運行。圖2(a)是示出了當基模被變換為大模面積(LMA)HOM時的變換效率的例子的圖。如圖2(a)所示，從基模到LMAHOM的變換大于99%，并且可在超過100納米的帶寬上實現(xiàn)變換。圖2(b)是示出了將基模信號變換為HOM信號的示例模塊的光鐠特征。如圖2(a)和2(b)所示，與HOM光纖的穩(wěn)健性和可分割特性相組合，LPG的帶寬、效率特性產(chǎn)生了具有超過100納米的l-dB帶寬的裝置。應注意，特別設計的少模光纖中的HOM具有除了模穩(wěn)定性以外的至少兩個有吸引力的屬性。第一，模階數(shù)的選擇提供了各種可實現(xiàn)的有效面積，其例子參照圖4被示出。第二，模典型地保持被嚴格地限制在一個波長范圍上，因為主要傳導HOM的內(nèi)包層是高折射率差異(high-index-contrast)波導。結果是設計相對于波長獨立，并且因此有效面積保持很大并且在一個波長范圍上幾乎不受影響。圖3(a)和3(b)中示出了該現(xiàn)象的一個例子。圖3(a)是示出了作為波長的函數(shù)的示例HOM的有效面積的圖。具體地講，圖3(a)示出了HOM光纖中的LP。7模的有效面積。如該實施例中示出的，在大于500納米的波長跨度上(此處示出的為從約1000納米到約1600納米的波長范圍)，有效面積^5U文變了約6%。由于對改變的波長的這種相對免疫性，可使用HOM來獲得在技術上重要的寬的波長范圍內(nèi)的，諸如高能激光器或放大器中所使用的，穩(wěn)健的、大有效面積的傳播。圖3(b)是示出了基于波長的色散(dispersion)和各種示例才莫階數(shù)之間的關系的圖。具體地講，圖3(b)示出了色散的定制對于大有效面積HOM是靈活的。如圖3(b)所示，色散隨著模階數(shù)的增加變得越來越正向。因此，可以在1060納米處獲得不規(guī)則的色散，這對于1060納米飛秒激光器是有益的。與基模不同，HOM具有光的非單調(diào)空間分布。在一些情況下，HOM的中央波瓣具有比周圍的環(huán)顯著高的強度。該強度對于許多非線性變形僅有微小的效應，諸如，例如受激喇曼散射、自相位調(diào)制或從硅石光纖中的刻爾效應引起的非線性。但是，所有這些非線性都受到有效面積的值的很大的影響。直觀原因是由于強度的空間分布引起了累積的非線性，因此與小有效面積的基模相比，大有效面積HOM對于非線性更有抵抗力。然而，一個基于局部強度而不是有效面積的特別的非線性是電介質(zhì)擊穿，毫微秒脈沖對于電介質(zhì)擊穿特別易受影響。不同模階數(shù)的峰值強度都不同，這允許基于希望在系統(tǒng)中減輕哪種非線性來具體定制光纖設計。如上所述，塊狀玻璃中的電介質(zhì)擊穿的幾率可通過明智地選擇傳輸?shù)哪頊p小。換句話說，因為HOM分布圖中的能量分布隨模階數(shù)而變化，所以可為任何給定的HOM計算峰值強度。相應地，可計算傳輸?shù)拿}沖的任何部分是否將超過正在傳輸?shù)腍OM信號通過的光纖的擊穿閾值。假如所計算的能量超過了電介質(zhì)擊穿閾值，則可選擇具有較低的峰值能量的另一個HOM用于信號傳輸。圖7和8示出了兩個示例實施例，其中通過明智地選擇HOM而減小了峰值強度，但很少改變有效面積。圖7是示出了偶數(shù)模和奇數(shù)模之間的峰值強度的差別的一個例子的圖。如圖7所示，LP。7模具有中央波瓣，該波瓣具有高強度。相反，LPr/模不具有中央波瓣，因為與對稱的LP。7模相比，LPn模是奇數(shù)(或反對稱)配置。如可看到的，僅通過從對稱轉(zhuǎn)移至反對稱配置，可相當多地減小峰值強度。圖8是示出了兩個不同的HOM之間的峰值強度的差別的一個例子的圖。具體地講，圖8示出了峰值強度從LP。7模到LPo4模的減小。如可想像的，根據(jù)選擇哪個模用于信號傳播，可將峰值強度減小一個或多個數(shù)量級。電介質(zhì)擊穿損害是通過超過該值則將在玻璃中出現(xiàn)該災難性破壞的閾值強度值來量化的。文獻中對于此有幾個報告值，假定該值主要取決于制備(石英)玻璃的制造工藝，但B.C.Stuart、M.D.Feit、A.M.Rubenchik、B.W.Shore和M.D.Perry的"Laser畫induceddamageindielectricswithnanosecondandsubpicosecondpulses(使用納秒和亞皮秒脈沖的電介質(zhì)中的激光導致的損害)"，PhysicalReviewLetters,第74巻，第2248頁，1995年給出了有用的參考值。發(fā)生擊穿的強度值(Ibreakd。wn)與脈沖寬度(t)的平方根反相關，其中t被給定為納秒(ns)。在示例等式中，^breakdown將與下式成比例(300GW/cm2)/0/t)[等式1在LMA光纖中的傳統(tǒng)的高斯形狀的模的情況下，脈沖攜帶的功率可分析上地與其峰值強度相關，因為模的Aeff確定其額定強度。因此，對于這樣的模，找到避免電介質(zhì)擊穿的條件簡單地轉(zhuǎn)化為找到具有足夠大的Aeff的模，從而其峰值強度低于Ibreakdowno對于此處考慮的LMA-HOM，與傳統(tǒng)高斯模的情況相同，每一個模都與相關聯(lián)的峰值強度值有嚴格的關系，但不存在簡單的分析表達式來對其進行明確說明。因此，此處，我們提供了通用的一組規(guī)則來確定HOM的峰值強度。對于HOM，由LP^來指定模，其中n和m都是整數(shù)。n=0的情況對應于對稱模，而n=1的情況對應于反對稱模。整數(shù)m是指徑向方向上的強度為"零"的數(shù)目。如上所述，特別是在LMAHOM的情況下，但更普遍地在HOM的情況下，模分布圖是非單調(diào)的。它們的分布圖，在高度近似的情況下，與凈皮切去頂端(truncated)的貝塞爾函數(shù)相似，這在數(shù)學和物理的各個領域都是已知的。因此，假設由切去頂端的貝塞耳函數(shù)來充分地近似LMA-HOM,可推導一組規(guī)則來關于給定量的脈沖能量、給定模階數(shù)和(光纖)波導尺寸產(chǎn)生峰值強度。因為HOM主要駐留在尺寸為d(如參照圖5在上文討論的)的內(nèi)包層中，所以被指定為LPn，m的HOM的強度分布圖Ihqm可以被表示為Ihom=Jn(kr'r)對于《d/2[等式2aIHOM=0對于rxl/等式2b其中，Jn是第n類貝塞耳函數(shù)。常數(shù)kr的值是從HOM的模階數(shù)(m)和下面的表格l確定的，所述表格l示出了函數(shù)的值為0的貝塞耳函數(shù)(也被稱為貝塞耳函數(shù)的零)的自變量的值。作為說明，對于駐留在d-86微米的內(nèi)包層中的LPo7HOM:kr=(21.212)/(d/2)-4.933xl03cm等式3<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>因此，給定kr(來自內(nèi)包層尺寸d)和更多階m，給定HOM的峰值強度，可將HOM的峰值強度預測為Ipeak=(Ppeak'kr)/(2丌(m-0.221))[等式4其中Ppeak表示峰值功率，而模階數(shù)的選擇僅由關系式Ipeak〈Ibreakdown^^^制。根據(jù)這些例子，應理解為模階數(shù)不僅可從對稱變?yōu)榉磳ΨQ，而且也可以從一個對稱HOM變?yōu)榱硪粋€對稱HOM。此外，應理解為這兩個方案的組合可產(chǎn)生峰值強度的進一步減小?？稍诒景l(fā)明的范圍內(nèi)構思這些和其它修改。盡管已示出和描述了示例性實施例，本領域技術人員應清楚可對公開的發(fā)明進行多個改變、修改或變形。例如，盡管已在附圖中示出了并詳細地描述了具體HOM，應理解為可使用其它模階數(shù)(除了表達性地示出的)來適應各種其它設計參數(shù)。因此，所有這樣的改變、修改和變形都應被看作是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。1權利要求1.一種系統(tǒng)，包括用于計算與第一高階模(HOM)信號相關聯(lián)的峰值電場的裝置；用于確定第一HOM信號的峰值電場是否超過了光纖的電介質(zhì)擊穿閾值的裝置；以及用于當?shù)谝籋OM信號超過了光纖的電介質(zhì)擊穿閾值時選擇第二HOM信號的裝置，該第二HOM信號與第一HOM信號有基本上相同的能量，第二HOM信號具有不超過光纖的電介質(zhì)擊穿閾值的峰值電場。2.—種系統(tǒng)，包括用于計算與第一高階模(HOM)信號相關聯(lián)的峰值電場的裝置；用于確定第一HOM信號的峰值電場是否超過了光纖的電介質(zhì)擊穿閾值的裝置；以及用于選擇第二HOM信號的裝置，該第二HOM信號與第一HOM信號有基本上相同的能量，第二HOM信號具有不超過光纖的電介質(zhì)擊穿閾值的峰值電場。3.在具有電介質(zhì)擊穿閾值的光纖中，一種方法包括如下步驟計算與第一高階模(HOM)信號相關聯(lián)的峰值電場；確定第一HOM信號的峰值電場是否超過了光纖的電介質(zhì)擊穿閾值；以及響應于峰值電場超過了電介質(zhì)擊穿閾值，選擇第二HOM信號，該第二HOM信號與第一HOM信號有基本上相同的能量，第二HOM信號具有不超過光纖的電介質(zhì)擊穿閾值的峰值電場。4.如權利要求3所述的方法，其中選擇第二HOM信號的步驟包括計算第二HOM信號的峰值電場的步驟。5.如權利要求3所述的方法，計算HOM信號的峰值電場的步驟包括計算峰值強度(Ipeak)的步驟，其中l(wèi)peak一(Ppeak.kr)/(2;r(m國0.221))，其中Ppeak表示峰值功率，kr是與光纖的內(nèi)包層尺寸相關的值，并且m表示模階數(shù)。6.如權利要求3所述的方法，選擇第二HOM信號的步驟包括將第二HOM信號的峰值電場與電介質(zhì)擊穿閾值相比較的步驟。全文摘要當以高階模(HOM)傳輸時，可通過明智地選擇傳輸?shù)哪頊p小塊狀玻璃中電介質(zhì)擊穿的幾率。因為HOM分布圖中的能量分布隨模階數(shù)而改變，所以可以為任何給定的HOM計算峰值強度。相應地，可以計算被傳輸?shù)拿}沖的某些部分是否將超過HOM信號正在被傳輸通過的光纖的擊穿閾值。如果計算的能量超過電介質(zhì)擊穿閾值，則可選擇具有較低峰值強度的另一個HOM用于信號傳輸。所公開的內(nèi)容是用于選擇合適的HOM來減小電介質(zhì)擊穿的可能性的系統(tǒng)和方法。文檔編號G02B6/26GK101688949SQ200880004150公開日2010年3月31日申請日期2008年2月5日優(yōu)先權日2007年2月5日發(fā)明者安德魯·D·亞布龍,西達爾斯·拉馬錢德蘭申請人:Ofs菲特爾有限責任公司