旋轉(zhuǎn)的非圓形且非橢圓形的纖芯光纖以及使用其的設(shè)備的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】旋轉(zhuǎn)的非圓形且非橢圓形的纖芯光纖以及使用其的設(shè)備
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求享有于2013年3月15日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)US 61/800970的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用方式被整體納入本文中。
【背景技術(shù)】
[0003]1.
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]總體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域?yàn)楣饫w。更具體地，本發(fā)明涉及大模場(chǎng)面積光纖及其單模操作。
[0005]2.【背景技術(shù)】
[0006]日益重要的是使得產(chǎn)業(yè)跟上小尺度技術(shù)的發(fā)展。由于具有處理各種材料并且是在小尺度上處理的能力，激光系統(tǒng)非常適于相應(yīng)技術(shù)中的精確處理應(yīng)用。特別地，由于其除了其它優(yōu)點(diǎn)之外的緊湊、高效、成本可取性以及潛在的單模性能，高功率光纖激光器非常適于這種精確應(yīng)用。然而，為了增加利用光纖的這種系統(tǒng)的功率能力，存在各種障礙。例如，在一些方法中，光纖激光器的功率擴(kuò)展需要大模場(chǎng)面積光纖來(lái)提供單模性能，即使這種光纖的纖芯尺寸增加至實(shí)際的單模范圍之外的直徑，諸如約25μπι或更小。高階模式的啟用往往使來(lái)自光纖的輸出束的束質(zhì)量嚴(yán)重惡化，這導(dǎo)致低于最佳性能并限制輸出功率擴(kuò)展。已研發(fā)的用于使功率壁皇符合混合結(jié)果的各種方法要么仍在研發(fā)要么非常昂貴。因此，仍需要能夠擴(kuò)展至更高功率的光纖激光器系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了將光纖激光器系統(tǒng)擴(kuò)展至更高的功率，設(shè)計(jì)并在本文公開(kāi)了新型的光纖，其允許在能夠保持單模操作或另外地對(duì)高階模式提供相當(dāng)大抑制的光纖激光器系統(tǒng)中使用大纖芯大模場(chǎng)面積光纖。具體地，新型光纖包括圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)的非圓形且非橢圓形的中央纖芯結(jié)構(gòu)。非圓形且非橢圓形的纖芯結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)光纖的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)，并且提供了模式辨別的可能性，而纖芯圍繞光纖的軸線的旋轉(zhuǎn)提供了模式加擾和耦合。上述二者的結(jié)合產(chǎn)生了模式辨別，即使纖芯尺寸以及對(duì)應(yīng)的光束功率被擴(kuò)展至單模體制之外。對(duì)于本文中具有不同大纖芯尺寸的光纖，可以改變并選擇特定的旋轉(zhuǎn)周期，對(duì)于該特定的旋轉(zhuǎn)周期，光纖的基礎(chǔ)模式在工作波段內(nèi)具有低傳輸損耗，而光纖的高階模式具有高傳輸損耗。以此方式，可以在沿光纖傳播時(shí)有效地抑制高階模式，而基礎(chǔ)模式將保持不變或基本上不受影響。因此，這種光纖將具有大模場(chǎng)面積，并且同時(shí)繼續(xù)提供穩(wěn)定的單模操作。本文中的光纖可以通過(guò)如下方式制造，即，通過(guò)提供具有非圓形且非橢圓形的纖芯截面的預(yù)成型件，然后以對(duì)應(yīng)于期望的模式辨別性能的預(yù)定旋轉(zhuǎn)速率拉動(dòng)該預(yù)成型件。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的其它方面，提供了光纖激光器和光纖放大器，其能夠被擴(kuò)展至極高的功率同時(shí)保持單模操作。根據(jù)另外的其它方面，提供了光譜過(guò)濾器，其能夠使得進(jìn)一步擴(kuò)展光纖激光器和光纖放大器的功率并且能夠?qū)?jí)聯(lián)拉曼放大器提供額外的益處。
[0009]根據(jù)以下參照附圖進(jìn)行的詳細(xì)說(shuō)明，將明了前述以及其它目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)，其中附圖不必是按比例的。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的光纖的截面的透視圖。
[0011]圖2A是圖1所示的光纖的截面視圖。
[0012]圖2B至圖2F示出根據(jù)本發(fā)明的其它方面的光纖的另外的截面視圖。
[0013]圖3A是光傳輸損耗譜的圖表。
[0014]圖3B是示出根據(jù)圖3A所示的光傳輸損耗譜的光纖的截面視圖。
[0015]圖4A是光傳輸損耗譜的圖表。
[0016]圖4B是示出根據(jù)圖4A所示的光傳輸損耗譜的光纖的截面視圖。
[0017]圖5A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的光纖的光傳輸損耗譜的圖表。
[0018]圖5B是示出根據(jù)圖5A所示的光傳輸損耗譜的光纖的截面視圖。
[0019]圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的光纖放大器系統(tǒng)的示意圖。
[0020]圖7A示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的各種光纖構(gòu)造的光傳輸損耗譜的多個(gè)圖表。
[0021]圖7B示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的、與圖7A相關(guān)聯(lián)且延伸至其右側(cè)的多個(gè)附加圖表。
[0022]圖8是描述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的級(jí)聯(lián)拉曼放大器的性能的示意圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0023]現(xiàn)在參照?qǐng)D1和圖2A，不出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的光纖10。光纖10包括與光纖12的中心縱向軸線14基本上對(duì)齊設(shè)置的中央纖芯12。中央纖芯12的周?chē)前鼘?6。纖芯12具有非圓形且非橢圓形的幾何形狀，其在一個(gè)方面中如所示具有八邊形構(gòu)造18。如下將討論的，其它幾何形狀也是可以的。圍繞纖芯12的包層16具有圓形外徑幾何形狀，但是其它結(jié)構(gòu)也是可以的并且在很多情況下優(yōu)選其它結(jié)構(gòu)。如所示出的，光纖10為雙包層光纖，尤其適于光纖激光器系統(tǒng)。其它類(lèi)型的構(gòu)造也是可以的，諸如三包層纖維構(gòu)造，并且為了簡(jiǎn)便省略了一些部件，諸如圍繞包層16的套筒或涂層。根據(jù)具體應(yīng)用或用途，光纖10的纖芯12可以是有源的或無(wú)源的。在典型實(shí)施例中，與常規(guī)光纖相比，纖芯12的直徑大，諸如大于 20 μ m、50 μ m、80 μ m 或甚至 100 μ m。
[0024]光纖10的中央纖芯12優(yōu)選為能夠支持比傳播束的基礎(chǔ)模式高階的模式的大模場(chǎng)面積纖芯。然而，以纖芯結(jié)構(gòu)沿光纖10的縱向軸線14并非靜態(tài)的方式來(lái)制造光纖10。在優(yōu)選實(shí)施例中，截面結(jié)構(gòu)以預(yù)定頻率沿光纖10的長(zhǎng)度圍繞縱向軸線14方位旋轉(zhuǎn)，以形成旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)20。恒定旋轉(zhuǎn)實(shí)施方案中的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)20的特征在于節(jié)距或周期被優(yōu)化用于模式辨另O。例如，如圖1所示，針對(duì)光纖10示出了約一個(gè)節(jié)距長(zhǎng)度的旋轉(zhuǎn)纖芯結(jié)構(gòu)20。根據(jù)本發(fā)明所述節(jié)距長(zhǎng)度可以改變并且用于達(dá)到不同效果。例如，恒定旋轉(zhuǎn)纖芯的節(jié)距可按照慢速或快速的方式連續(xù)地或步進(jìn)地增大或減小。此外，可以組合不同的節(jié)距頻率，以形成以不均勻方式旋轉(zhuǎn)的纖芯結(jié)構(gòu)。
[0025]現(xiàn)在參照?qǐng)D2B至圖2F，示出了與本發(fā)明的另外方面一致的各種截面幾何形狀。通常，各種形狀都是可能的并且在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。為了便于制造，多邊形形狀可以是優(yōu)選的。在圖2B中，示出了如下光纖截面，其中光纖的纖芯22具有八角星形構(gòu)造。其它多邊形可以包括正方形、矩形、五邊形、六邊形等。在圖2C中，示出了如下光纖截面，其中，光纖的纖芯24具有沿著纖芯24的外周的小凹口 26。在圖2D中，示出了如下光纖截面，其中纖芯28具有在沿纖芯28的外周的選定位置處的一個(gè)或更多個(gè)纖芯凸起特征30。在圖2E中，示出了如下光纖截面，其中纖芯32包括關(guān)于纖芯32的外周的隨機(jī)或不對(duì)稱(chēng)構(gòu)造的特征。在圖2F中，示出了如下光纖截面，其中纖芯34包括關(guān)于纖芯34的外周對(duì)稱(chēng)布置的纖芯凸起特征36。對(duì)于不同的截面幾何形狀，光學(xué)模式可以演進(jìn)并在其中不同地相互作用，并且為了期望的模式辨別效果，可以利用束傳播仿真以?xún)?yōu)化纖芯的旋轉(zhuǎn)節(jié)距。
[0026]例如，現(xiàn)在參照?qǐng)D3-5，以三種不同的仿真示出了光纖設(shè)計(jì)。在每個(gè)仿真中，纖芯的邊-邊尺寸(或直徑)為56 μ m，遠(yuǎn)大于以1064nm傳播光通量的普通階躍折射率光纖的單模體制。如所示出的，纖芯數(shù)值孔徑為0.068，并且纖芯被動(dòng)地?fù)诫s有鍺。圖3B示出了具有圓形纖芯38的常規(guī)光纖的截面。圖3A示出了以4.7mm節(jié)距圍繞光纖的縱向軸線旋轉(zhuǎn)的相同常規(guī)圓形纖芯光纖的傳輸損耗譜。通常，鑒于圓形纖芯38中的方位角對(duì)稱(chēng)，旋轉(zhuǎn)節(jié)距基本上不影響或改變通過(guò)其的光學(xué)模式的傳播。因此，基礎(chǔ)模式LPidJP下一高階模式LP n (也表不其它高階模式)分別指不在0.146和0.0346的寬光譜上的低傳輸損耗。光纖輸出處的光束將包括大量不期望的高階模式含量。
[0027]在圖4B中，示出針對(duì)具有八邊形纖芯40的光纖的截面。在該實(shí)施例中，光纖纖芯40沒(méi)有被旋轉(zhuǎn)。然后參照?qǐng)D4A，針對(duì)具有不旋轉(zhuǎn)的八邊形纖芯40的光纖示出了傳輸損耗譜。與具有圖3A中的圓形纖芯38的光纖實(shí)施例類(lèi)似，不旋轉(zhuǎn)的八邊形纖芯光纖在寬的光譜范圍上經(jīng)歷低傳輸損耗。光纖輸出處的光束將包括大量不期望的高階模式含量。因此，纖芯的旋轉(zhuǎn)或者非圓形且非橢圓形的纖芯結(jié)構(gòu)單獨(dú)均無(wú)法提供期望的模式辨別?，F(xiàn)在參照?qǐng)D5B，示出了具有八邊形纖芯42的光纖的截面，其與圖4B所示的八邊形纖芯的截面類(lèi)似，除了纖芯結(jié)構(gòu)42沿光纖的長(zhǎng)度以4.7mm的節(jié)距旋轉(zhuǎn)。如圖5A所示，LP式的光傳輸損耗譜保持很低，在1060nm左右的工作波長(zhǎng)帶寬中保持在約0.3dB/m或更小。圖5A還示出了最低的高階模式LP11的光傳輸損耗大于20dB/m。其它高階模式具有類(lèi)似的或更高的損耗。由于單模光纖能夠傳播并發(fā)射具有極大模場(chǎng)面積的光束，這種大的高階模式抑制能夠確保光纖有效地工作。此外，在許多實(shí)施例中，這種單模操作對(duì)于不完美的發(fā)射條件以及其它外部干擾是穩(wěn)定的。
[0028]在本發(fā)明的光纖的一些實(shí)施例中，使用玻璃光纖，而在其它實(shí)施例中，使用硅、氟化物玻璃(ZBLAN)或塑料光纖。此外，盡管為了簡(jiǎn)便示出了階躍折射率光纖，但可以使用其它折射