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申请/专利权人：罗切斯特大学

摘要：一种光纤，诸如在一些情况中是高功率、二极管泵浦、双包层、掺镱光纤放大器YDFA，具有基本模式和至少一种较高阶模式，其中所述一种或多种较高阶模式具有基本上大于所述基本模式的模场面积的模场面积。

主权项：1.一种光纤，所述光纤包括芯，其被构造成在基本模式和至少一种较高阶模式中引导光传播，其中所述至少一种较高阶模式具有大于所述基本模式的物理模场面积的物理模场面积，以减少所述基本模式和所述至少一种较高阶模式之间的热模式不稳定性；其中所述至少一种较高阶模式全都具有各自比所述基本模式的所述物理模场面积大至少60%的物理模场面积，所述光纤的折射率分布包括具有0.00041的折射率梯度的梯度型折射率部分和在所述光纤的芯-包层界面处的0.001的芯-包层折射率阶跃的阶跃。

全文数据：用于抑制热模式不稳定性的LMA光纤相关申请的交叉引用本申请要求2016年7月20日提交的第62364,542号美国临时申请“LMAFibersforSuppressionofThermalModeInstability”的优先权的利益，所述申请的全部内容通过此引用并入。关于联邦赞助研发的声明本发明是在空军研究实验室拨给的基金FA9451-14-1-0253的支持下受政府赞助完成。政府对本发明拥有某些权利。技术领域大模场面积光纤，诸如用于在高功率应用中用作光纤放大器的大模场面积光纤。背景技术高功率、二极管泵浦、双包层、掺镱光纤放大器YDFA由于其小的占地面积、高效率和热性质而对于定向能量和机械加工应用为所要的。在具有较高光学输出功率的放大器的开发过程中，已驱使此类装置利用大模场面积LMA芯。LMA光纤的性质名义上是多模的，并且通常使用弯曲损耗来确保具有良好光束质量的近单模操作。遗憾的是，据报告，即便可以在低功率下保持光束质量，被驱动到较高功率的LMA光纤仍展现出热致模式不稳定性TMI，也被称作受激热瑞利散射STRS。这种现象的特征是大部分的光学功率在光纤的模式之间以kHz速率交换，即便弯曲损耗原本会提供良好的稳定光束质量。至今，一些方法已被证明会降低TMI的影响并且增加其阈值，但是不会降低系统性能的明显改进仍缺失。发明内容通过理解相关的物理现象，我们已构想出增加高功率光纤放大器中的TMI阈值的新的一类光纤并对其建模。通过评估芯的物理现象，我们已发现由于模式之间的耦合而产生的光束质量降级部分由所要的基本模式Φj、非所要的较高阶模式Φk和折射率的热扰动δn之间的空间重叠指示，如以下方程式中所示。将认识到，虽然来自所要的基本模式的功率的耦合在理论上可以通过任何较高阶模式完成，但是实际上，存在往往会引起最大的问题的“最接近的”模式。在常规LMA光纤中，所要的基本模式是LP01模式并且具有类高斯空间分布，并且往往会降低光束质量的“最接近的”模式是LP11模式。我们已发现，如果模式耦合系数减小，那么TMI阈值可以显著地增加。我们还发现，可以用至少两种方式来减小此耦合系数：1通过减少基本模式与较高阶模式之间的空间重叠，以及2通过减少发热区与基本模式或较高阶模式的空间重叠，尤其是表示最大问题的那些较高阶模式。在一个实例中，一种光纤具有基本模式和至少一种较高阶模式，其中所述一种或多种较高阶模式全都具有基本上大于所述基本模式的物理模场面积的物理模场面积。在一些情况中，所述一种或多种较高阶模式可以全都具有各自比所述基本模式的所述物理模场面积大至少60％的物理模场面积。在一些情况中，所述一种或多种较高阶模式全都具有各自比所述基本模式的所述物理模场面积大至少80％的物理模场面积。在一些情况中，所述光纤具有为至少20的芯直径对波长比，其中所述一种或多种较高阶模式全都具有各自比所述基本模式的所述物理模场面积大至少50％的物理模场面积。在一些情况中，所述光纤具有为至少45的芯直径对波长比，其中所述一种或多种较高阶模式全都具有各自比所述基本模式的所述物理模场面积大至少40％的物理模场面积。在一些情况中，所述光纤具有小于或等于0.11的数值孔径。在一些情况中，所述光纤具有小于或等于0.08的数值孔径。在一些情况中，所述光纤具有从所述光纤的中心到光纤芯的边缘大体上减小的折射率分布。在一些情况中，折射率从所述光纤的所述中心到所述光纤芯的所述边缘线性地减小。在一些情况中，所述折射率分布在小于或等于0.0015的范围内从所述光纤的所述中心附近到所述光纤芯的所述边缘大体上减小。在一些情况中，所述折射率分布在所述光纤的芯-包层界面处具有阶跃。在一些情况中，所述阶跃大于或等于0.0003。在一些情况中，所述光纤具有不会与所述一种或多种较高阶模式基本上重叠的增益掺杂区。在一些情况中，所述光纤包括中心在所述光纤的芯中的圆柱形增益掺杂区，其中所述增益掺杂区基本上小于所述一种或多种较高阶模式的所述物理模场面积。在一些情况中，所述光纤具有为至少20的芯直径对波长比，对于所述光纤的与所述增益掺杂区的强度重叠，所述一种或多种较高阶模式比所述基本模式少至少20％。在一些情况中，所述光纤具有为至少25的芯直径对波长比，对于所述光纤的与所述增益掺杂区的强度重叠，所述一种或多种较高阶模式比所述基本模式少至少10％。在一些情况中，所述光纤具有为至少45的芯直径对波长比，对于所述光纤的与所述增益掺杂区的强度重叠，所述一种或多种较高阶模式比所述基本模式少至少5％。在一些情况中，所述光纤具有为至少45的芯直径对波长比，对于所述光纤的与所述增益掺杂区的强度重叠，所述一种或多种较高阶模式比所述基本模式少至少10％。在一些情况中，所述光纤具有为至少45的芯直径对波长比，对于所述光纤的与所述增益掺杂区的强度重叠，所述一种或多种较高阶模式比所述基本模式少至少20％。在一些情况中，所述光纤是激光系统中的掺杂光纤放大器。在另一个实例中，一种光纤具有基本模式和至少一种较高阶模式，其中所述至少一种较高阶模式占据与所述基本模式基本上不同的空间。在一些情况中，所述至少一种较高阶模式占据的空间小于被所述基本模式占据的空间的85％。在一些情况中，所述至少一种较高阶模式占据的空间小于被所述基本模式占据的空间的70％。在一些情况中，所述光纤是激光系统中的掺杂光纤放大器。在另一个实例中，一种光纤具有实心芯，所述实心芯具有三重方位对称性，其中所述光纤是大模场面积掺杂光纤。在一些情况中，所述芯具有彼此基本上接近的三个芯。在一些情况中，所述三个芯的间距小于所述光纤的光波长的3倍。在一些情况中，所述芯具有彼此基本上接近的三个几乎相同的芯。在一些情况中，所述三个芯的间距小于所述光波长的3倍。在一些情况中，每个芯的增益区在每个芯中朝向所述光纤的中心集中。在一些情况中，每个芯的所述增益区偏离每个芯的中心。在一些情况中，每个芯的所述增益区局限于离所述光纤的中心最近的每个芯的至多一半。在一些情况中，所述光纤是激光系统中的光纤放大器。附图说明图1将常规阶跃型折射率光纤和梯度型折射率光纤的基本模式和较高阶模式进行比较。图1a示出常规阶跃型折射率光纤的大小几乎相同的模式。相反地，图1b示出梯度型折射率光纤的大小不相同的模式，其中越高阶的模式越大。图2示出具有芯上的大体上减小的折射率分布的各种非限制性的可选光纤芯设计。图3示出具有芯上的大体上减小的折射率分布并且在芯的外边缘与包层之间具有突然的阶跃的光纤芯的非限制性实例。图4将有包层的线性折射率梯度型CLING光纤的一个实例的模式与具有相同模场面积的常规阶跃型折射率LMA光纤的模式进行比较。CLING光纤的折射率分布具有0.00041的折射率梯度和0.001的芯-包层折射率阶跃，并且示出为灰色的虚线。LMA光纤具有50μm的芯直径和0.06NA，并且未示出。图5绘示具有a等效的常规50微米光纤的掺杂密度和分布的CLING光纤的实例中的相关模式，示出具有增加的掺杂密度由高度表示但具有变窄的分布以使与LP11HOM的重叠减少的选项b,c。图6示出具有三重方位对称性的光纤的横截面的非限制性实例。外交叉影线区域表示光纤包层，而内交叉影线三角形A和圆形B表示光纤芯。图7示出针对三芯三叶形光纤的实例计算出的基本HOM和最接近的HOM。虚线圆指示芯位置。图8示出具有空间局限化增益的三叶形光纤的实例。图9示出针对三芯三叶形光纤计算出的基本HOM和最接近的HOM。虚线半圆形指示增益区。具体实施方式在本部分中，我们描述了光纤的实例，所述光纤具有基本上大于基本模式的较高阶模式，减少基本模式与所述较高阶模式之间的空间重叠，并且具有提供光学增益的区，减少发热区与那些较高阶模式的空间重叠。此类光纤具有显著增加的TMI阈值。我们已设计出有源光纤，所述有源光纤具有从所述光纤的中心到芯的边缘大体上减小的折射率分布。在图1中描绘了此种实现的基本物理现象。用最简单的话说，波导模式由颠倒看的量子机械势能即，量子阱很好地表示。特征值有效折射率位于处于适当“能级”的“阱”中折射率空间中的位置，并且模式大小主要由所述“阱”的边缘折射率边界的位置指示。这个概念示出于图1a中。请注意，在这种情况中，所述模式的大小大致相同，并且因此具有高的空间强度重叠，特别是对于非常受限的模式来说。在下表中示出不同的LMA光纤直径的物理模场面积的详细计算。在这个表中，模式大小被表示为物理模场面积具有由强度分布的标准差表示的正交半径的椭圆形光束而非为了评估光学非线性而通常用于表征光纤模式的非线性有效面积。由于20μmLMA光纤仅支持两种导波模式，因此第二LP11模式延伸远至包层中。然而，随着芯扩展，所述第二模式变成更受限的。这种物理现象是本领域技术人员所熟知的。表1：具有0.06NA和各种芯直径的LMA光纤的基本LP01模式和下一个LP11模式的模场面积。实例#1：扩展的HOM光纤减少所述模式之间的重叠的一种新的方法是更改“阱”的分布。基于以上逻辑，假设如果“阱”是锥形的即，梯度型折射率，那么第二模式将比基本模式大则是合理的。这个概念描述于图1b中，并且被过度简化，因为没有将neff的变化纳入考虑。不过，修改波导分布以影响模式大小这个概念是成立的。虽然在图1中示出了线性梯度型折射率，但是如图2中所描绘，用于完成所要HOM扩展的各种折射率设计也是可能的。请注意，这些全都是截面实例。实际三维光纤的折射率分布将根据如绕着其对称轴例如，光纤的芯旋转而成的各种形状而变化。与在制作期间预计的所显示的形状和偏离的差异不会影响通过这些一般和非限制性实例描述的物理现象。请注意，不要求光纤芯是径向对称的，但是对称设计通常较易于制作。在优选实施方案中，芯被包层环绕，所述包层的折射率基本上低于芯的外边缘处的折射率。这通过图3中所示的非限制性实例举例说明。如果此示例性分布是像实际情况那样绕着实际光纤的对称轴即，中心旋转，那么所形成的三维折射率形状是圆柱体顶部上的钝形圆锥。此具体实例是有包层的线性折射率梯度型光纤，或CLING光纤。为了论证本发明的一个实施方案的有效性，计算图3中所示的几何形状的特定情况并且将其与标准的阶跃型折射率LMA光纤的特定情况进行比较。结果示出于图4中。虽然两种光纤的基本模式LP01几乎相同，但是下一个模式LP11明显是CLING光纤基本上宽于LMA光纤。在这个特定的非限制性实例中，LP11模式是LP01的1.9倍就物理模场面积来说，这显著地大于LMA情况，如表1中所示。具有大体上减小的梯度型折射率分布为信号光的单独的侧向模式提供不同的有效限制半径，其中基本模式被限制于最窄的区，如图1至图4中所示。在方程式1中给出的TMI耦合系数表明基本模式与HOM的空间重叠减少是有好处的。另外，如果HOM在未扩展增益区的情况下扩展，那么扰动自身方程式1中通过增益介质的能量效率以热方式产生的δn也减小。因此，使HOM大小增加本身导致双重好处：减少HOM与基本模式的重叠以及减少HOM与扰动的重叠。这种情况的实例在表2中给出，表2示出LMA光纤的基本模式和最接近的较高阶模式与增益的重叠。请注意，在所有情况中，LP11模式与增益的重叠都是高的，并且随着光纤扩大到较大的芯直径而增加。换句话说，对于标准的LMA光纤，LP11与增益的重叠相对于LP01与增益的重叠的减少是较小的，并且在芯直径增加时快速地减少。相反地，我们发现增加模式大小会导致显著地降低的HOM与增益的重叠。对于先前计算的CLING光纤实例，所述CLING光纤具有比50μmLMA光纤大的基本模式，所述HOM与增益的重叠是71％，显著地低于具有任何芯直径的标准LMA光纤的所述重叠。此外，LP11与增益的重叠相对于LP01与增益的重叠的减少是相当大的，接近25％。表2：i具有0.06NA和各种芯直径的LMA光纤和iiCLING光纤的基本LP01模式和下一个LP11模式的强度重叠。最后一列是LP11模式相对于LP01模式的重叠减少。TMI阈值中的模式耦合系数的这两个减小的最终结果是显著的。在CLING光纤的单个非限制性实例中，50μmLMA光纤的热模式不稳定性的阈值信号功率增加60％。减少较高阶模式与增益的重叠的后一种概念还可以再往前一步。如果名义上横跨基本模式的增益变成小于基本模式，那么在方程式1中给出的耦合系数将更小。这个概念示出于CLING光纤实例的图5中的非限制性情况中。替代如在情况a中那样用增益区填充基本模式的面积，可以如在情况b或c中那样使增益区变小以进一步减小TMI耦合系数。本领域技术人员认识到增益可以通过离子掺杂例如，镱、铒或铥、非线性方法例如受激拉曼散射和其它手段来提供。已表明，在缺少TMI的情况中，使增益区小于基本模式可能会对光束质量产生最佳的好处滤除HOM，而不会显著地影响放大器的效率。通过添加TMI物理现象，受限的增益区增加了减小TMI耦合系数的额外好处，由此增加TMI阈值并且允许具有稳定光束质量的较高的放大器输出功率。实例#2：方位对称性被破坏的光纤减少所述模式之间的重叠的另一种新的方法是更改“阱”的对称性。通过改变芯折射率分布的对称性，假设模式形状也将改变则是合理的。举例来说，圆形光纤的LP11模式具有镜像对称，使得所述模式的每一半的强度看起来相同，但相位相反。如果芯折射率芯的对称性被破坏，使得不再有方位对称性，那么将需要大幅地修改LP11模式的形状和位置。所述空间修改不仅可以提供与基本模式的较低的空间重叠，还可以降低与增益的空间重叠。这两种因素都会促成减小方程式1中的模式耦合系数并且将导致TMI阈值的增加。用于去除方位对称性的一种强有力的方法是通过使用具有仅三重对称性的芯。在光纤的芯的折射率分布中引发三重对称性的若干非限制性实例示出于图6中。如图6a中所示的三角形的芯表示最直接概念化的假定，然而，此类芯的制造提出制作挑战。较简单的制作选项是使用三个单独的但很接近的芯，如图5b中所示。此类三个一组的芯维持了三重对称性，同时允许最简单的制作。三芯光纤我们称作三叶形光纤，因为其类似于相同名字的建筑特征确实使LP11模式的空间分布显著地移位。图7示出使用按等距分布布置的三个标准的25μmLMA光纤芯的三芯光纤的实例。请注意，基本LP01模式主要受限于所述三个芯的最内的区，而LP11模式则不是。在常规的、圆形的、方位对称的光纤中，除了90度的旋转之外，LP11,a和LP11,b模式看起来相同。在方位对称性被破坏的这个新的光纤中，LP11,a与LP11,b模式明显不同。LP11,a模式具有完全占据三个芯中的一者的一个波瓣，而另一个波瓣横跨其它两个芯。LP11,b模式仅在三个芯中的两者中具有实质功率，其中第三芯载运非常少的功率。在这两种情况中，LP11模式很大程度上避开了光纤的中心，其功率更集中于三个芯的中间。这与LP01模式截然相反，所述LP01模式使其功率朝向三个芯的内边缘集中并集中于芯之间的区域中。图7中所示的非限制性实例清楚地论证了破坏方位对称性会如何将基本模式与其最接近的邻近HOM在空间上分开。减少与增益的重叠的概念还适用于此光纤类型，特别是用于使增益朝向光纤的中心集中。在一个非限制性实例中，图8示出使用实际的制造方法在空间上使三叶形光纤中的增益局限化。在8a中，两个芯半部一个具有增益而一个无增益共同形成所述芯。在8b中，每个芯预制品具有偏离的受限增益区。其它配置是本领域技术人员显而易见的。图8a中的特定实例的影响示出于图9中，其中显而易见的是，LP11模式与增益区的重叠显著低于基本LP01模式。虽然LP01模式主要驻留在含有所述增益的每个芯的半部中，但是LP11模式则不是这样。在所述芯中的一者中，LP11,a只有一半是在增益区中。对于LP11,b模式，大部分的功率明显不是在增益区中。表3示出对于图8a中所示的三叶形光纤实例的、增益区与基本模式和最接近的较高阶模式的重叠。明确地说，LP11与增益的重叠相对于LP01与增益的重叠的减少是非常大的，超过24％，这个数值相当大，特别是在与表2中所示的LMA光纤相比时。表3：三叶形光纤的基本LP01模式和下一个LP11模式的强度重叠，其中仅离光纤的中心最近的每个芯的一半含有增益。最后一列是LP11模式相对于LP01模式的重叠减少。这两个概念被破坏的方位对称性和在增益区外部再分配HOM强度，尤其是使用图8a中所示的非限制性三叶形光纤实例的最终结果导致与常规的50μmLMA光纤相比TMI阈值的受激的40％的增加。必须要注意，除了增加TMI阈值这个好处之外，再分配HOM的这个新概念会实现即便在缺少TMI的情况下也能利用单模行为的增益滤波的全新方法。将了解，上文公开的实例和其它特征和功能的变型或替代可以组合到许多其它不同的系统或应用中。本领域技术人员随后可以在其中做出各种目前未预见或未预计到的替代、修改、变型或改进，所述替代、修改、变型或改进也意欲被以下权利要求所涵盖。

权利要求：1.一种光纤，所述光纤包括基本模式和至少一种较高阶模式，其中所述一种或多种较高阶模式全都具有基本上大于所述基本模式的物理模场面积的物理模场面积。2.如权利要求1所述的光纤，其中所述一种或多种较高阶模式全都具有各自比所述基本模式的所述物理模场面积大至少60％的物理模场面积。3.如权利要求1所述的光纤，其中所述一种或多种较高阶模式全都具有各自比所述基本模式的所述物理模场面积大至少80％的物理模场面积。4.如权利要求1所述的光纤，其中所述光纤包括为至少20的芯直径对波长比，其中所述一种或多种较高阶模式全都具有各自比所述基本模式的所述物理模场面积大至少50％的物理模场面积。5.如权利要求1所述的光纤，其中所述光纤包括为至少45的芯直径对波长比，其中所述一种或多种较高阶模式全都具有各自比所述基本模式的所述物理模场面积大至少40％的物理模场面积。6.如权利要求1所述的光纤，其中所述光纤包括小于或等于0.11的数值孔径。7.如权利要求1所述的光纤，其中所述光纤包括小于或等于0.08的数值孔径。8.如权利要求1所述的光纤，其中所述光纤包括从所述光纤的中心到光纤芯的边缘大体上减小的折射率分布。9.如权利要求8所述的光纤，其中折射率从所述光纤的所述中心到所述光纤芯的所述边缘线性地减小。10.如权利要求8所述的光纤，其中所述折射率分布在小于或等于0.0015的范围内从所述光纤的所述中心附近到所述光纤芯的所述边缘大体上减小。11.如权利要求8所述的光纤，其中所述折射率分布包括在所述光纤的芯-包层界面处的阶跃。12.如权利要求11所述的光纤，其中所述阶跃大于或等于0.0003。13.如权利要求1所述的光纤，其中所述光纤包括不会与所述一种或多种较高阶模式基本上重叠的增益掺杂区。14.如权利要求1所述的光纤，其中所述光纤包括中心在所述光纤的芯中的圆柱形增益掺杂区，其中所述增益掺杂区基本上小于所述一种或多种较高阶模式的所述物理模场面积。15.如权利要求14所述的光纤，其中所述光纤包括为至少20的芯直径对波长比，对于所述光纤的与所述增益掺杂区的强度重叠，所述一种或多种较高阶模式比所述基本模式少至少20％。16.如权利要求14所述的光纤，其中所述光纤包括为至少25的芯直径对波长比，对于所述光纤的与所述增益掺杂区的强度重叠，所述一种或多种较高阶模式比所述基本模式少至少10％。17.如权利要求14所述的光纤，其中所述光纤包括为至少45的芯直径对波长比，对于所述光纤的与所述增益掺杂区的强度重叠，所述一种或多种较高阶模式比所述基本模式少至少5％。18.如权利要求14所述的光纤，其中所述光纤包括为至少45的芯直径对波长比，对于所述光纤的与所述增益掺杂区的强度重叠，所述一种或多种较高阶模式比所述基本模式少至少10％。19.如权利要求14所述的光纤，其中所述光纤包括为至少45的芯直径对波长比，对于所述光纤的与所述增益掺杂区的强度重叠，所述一种或多种较高阶模式比所述基本模式少至少20％。20.如权利要求1所述的光纤，其中所述光纤是激光系统中的掺杂光纤放大器。21.一种光纤，所述光纤包括基本模式和至少一种较高阶模式，其中所述至少一种较高阶模式占据与所述基本模式基本上不同的空间。22.如权利要求21所述的光纤，其中所述至少一种较高阶模式占据的空间小于被所述基本模式占据的空间的85％。23.如权利要求21所述的光纤，其中所述至少一种较高阶模式占据的空间小于被所述基本模式占据的空间的70％。24.如权利要求21所述的光纤，其中所述光纤是激光系统中的掺杂光纤放大器。25.一种光纤，所述光纤包括具有三重方位对称性的实心芯，其中所述光纤是大模场面积掺杂光纤。26.如权利要求24所述的光纤，其中所述芯包括彼此基本上接近的三个芯。27.如权利要求25所述的光纤，其中所述三个芯的间距小于所述光纤的光波长的3倍。28.如权利要求24所述的光纤，其中所述芯包括彼此基本上接近的三个几乎相同的芯。29.如权利要求27所述的光纤，其中所述三个芯的间距小于所述光波长的3倍。30.如权利要求25所述的光纤，其中每个芯的增益区在每个芯中朝向所述光纤的中心集中。31.如权利要求29所述的光纤，其中每个芯的所述增益区偏离每个芯的中心。32.如权利要求25所述的光纤，其中每个芯的增益区局限于离所述光纤的中心最近的每个芯的至多一半。33.如权利要求25所述的光纤，其中所述光纤是激光系统中的光纤放大器。

百度查询： 罗切斯特大学 用于抑制热模式不稳定性的LMA光纤