[发明专利]多模光纤放大器及多模光纤放大系统

说明书

技术领域

本发明属于光纤领域，特别涉及一种多模光纤放大器及多模光纤放大系统。

背景技术

单模(SM)掺稀土光纤激光器和放大器在远距离通信和工业加工领域被广泛采用。光纤激光器具有紧凑、可靠，低成本及良好的光束质量等优点，但基于光纤的激光器一直受制于相对低脉冲峰值功率。

这种低峰值功率限制是由于低能量储存和光纤中的非线性效应失真所造成的。因为激光储能取决于掺稀土光纤的最大粒子数反转，最显著的制约脉冲能量和峰值功率的非线性效应是自相位调制(SPM)，受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)。对于连续或长脉冲光纤激光系统，受激布里渊散射从而阻止高平均功率或峰值功率脉冲在光纤传播。

当前有以下几种方法突破这些限制：

1、Taverner et al等采用大模面积掺铒光纤，该光纤的数值孔径NA＝0.066-0.0817，纤心直径14-17μm(V＝2.2-2.4)(具体可参见参考文献：“D.Taverner，D.J.Richardson，L.Dong，J.E.Caplen，K.Williams，and R.V.Penty，Opt.Lett.22，378(1997”及“G.P.Lees，D.Taverner，D.J.Richardson，L.Dong，and T.P.Newson，Electron.Lett.33，393(1997)”))，通过减少数值孔径NA(相对于常规单模光纤，如康宁SM28，NA＝0.15)，就能在光纤放大器中采用较大纤心的增益光纤，而限制高阶模式被放大。这是因为大模场面积光纤的非线性系数降低，从而提高了非线性效应的阈值，如此来提高激光的峰值功率。

2、减少光纤的数值孔径使得自发辐射光无法在光纤中传播或受激放大，从而增加光纤能量容量。例如，通过调整光纤折色率分布和掺杂离子分布来抑制各级高阶模；又例如，通过调整谐振腔结构来改变入射光参数。这些方法使得光放大器可以使用更短增益光纤，从而相应增加了有害的非线性效应SPM和SRS的门槛。

具体的，在参考文献1“D.Marcuse，J.Opt.Soc.Am.66，216(1976)”中，Knight等人提出了通过增加光子晶体光纤的直径的方式，来降低光纤非线性系数。在参考文献2“D.Marcuse，J.Opt.Soc.Am.66，311(1976).”、参考文献3“C.C.Davis，Lasers and Electro-Optics(Cambridge U.Press，Cambridge，1996)”及参考文献4“J.P.Koplow，L.Goldberg，and D.A.V.Kliner，IEEEPhoton.Technol.Lett.10，793(1998)”中，Koplow等人提出利用多模掺镱双包层光纤弯曲损耗和使用光纤过滤高阶模式光放大器。在参考文献5“M.W.Sasnett and T.F.Johnston，Proc.SPIE1414，21(1991).”中，Galvanauskas等人提出了一种螺旋纤心耦合光纤，大模场面积保持单模操作(LMA)的光纤的一个新的结构光纤。

在申请号为US006496301B1的美国专利文献中，Koplow等人提出了一种光纤放大器，该光纤放大器包括圆柱体和螺旋形光纤，其过滤高阶模的效果与圆柱体的半径有关，而且，由该文献中的图2可见，在光纤的不同位置，高阶模P3都处于xy平面，这就表明该光纤放大器只是基于过滤高阶模的效果与半径弯曲损耗相关而提出的。但随着技术的发展，越来越多的研究人员的研究表明，过滤高阶模的效果不仅与半径弯曲相关，而且与模式畸变也相关。具体可参见以下文献：

1、参考文献“D.Marcuse，Appl.Opt.21，4208(1982)”。在该文献中，Marcuse分析认为大模场面积的光纤缠绕曲率对高阶模畸变很严重。