[发明专利]具有弯曲补偿的大模式面积光纤

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求两个临时申请，即2011年7月11日提交的序列No.61/506,631和2010年12月3日提交的序列No.61/419,420的优先权。

技术领域

本发明涉及设计用来补偿光纤中弯曲的影响并抑制高阶模(HOM)的大模式面积(LMA)光纤，更具体地涉及结合有这样的LMA光纤的高功率光放大器。

背景技术

光纤放大器对多种多样的应用具有很大的影响，这些应用从用于切割、焊接和测距的高功率设备到用于放大电信系统中的光载波信号的低功率设备。在前者的情况下，高功率放大器利用增益产生光纤(GPF；例如，掺杂有合适的稀土元素或铬的LMA光纤)和泵浦光源来放大有效地以单模(即，基横模)传播通过LMA光纤的信号光。

LMA光纤，其具有相对大的有效面积(A_eff)，用来降低光功率密度，因此也降低光纤中的光学非线性。然而，较大面积的光纤通常支持几个或许多个模式，增加了HOM也在光纤中传播并经历放大的可能性，从而，恶化了光束质量。光束质量经常以被公知为M²的参数来表征(对于理想的高斯光束，M²＝1)，而单模性可以由包括空间和光谱(S²)解析成像的各种技术来表征，如Nicholson等人在Optics Express，Vo.16，No.10，pp.7233-7243(2008)中所描述的，其通过引用并入本文。光纤中的弯曲加剧了这个问题，其降低了各种光纤设计在确保基模以满足典型性能需求的功率水平传播的同时，选择性地抑制HOM的能力。

在典型的传统放大器配置中，几米(例如，5米)的GPF盘绕在放大器模块内，该模块也可以包含放大器的其他元件。在某些设计中，这些元件包括光学耦合到GPF的非GPF LMA(例如，光纤尾纤)。盘绕LMA光纤是节省空间的权宜之计，其意味着光纤被弯曲。

LMA光纤中的弯曲是在LMA光纤设计的三个主要目标——大模式面积、低损耗和单模工作——之间施加性能折中的关键因素。宏弯曲损耗通常是损耗的主要来源，弯曲变形会限制面积的缩放，并且弯曲会恶化单模工作，如上文所提及的，通过限制到单模工作的程度，不希望的HOM可被选择性地抑制。

改善弯曲的不利影响的一个策略是针对预期的由弯曲引入的扰动，预补偿未弯曲的(如制造出的那样的、笔直的)光纤的折射率分布，如Fini在Opt.Express，Vol.14，No.1，PP.69-81(2006)中所描述的，其通过引用并入本文。该策略利用非对称的折射率分布，并且已经被其他人在弯曲补偿的微结构光纤的设计中使用。[参见，例如，Minelly，美国专利No.7,876,495(2011)，其也通过引用并入本文。]然而，该策略可能难于实施。其要求跨光纤截面的非对称折射率分布，且其要求在整个弯曲部分以固定的方位角取向来部署光纤。

关于“未弯曲的”、“笔直的”和“如制造出的那样的”这些术语，我们意指光纤的弯曲半径本质上是无穷大的(完美的笔直光纤)，或者大到使得任何产生的弯曲，对于光纤的目的应用而言，对光纤性能的影响是可以忽略的。

因此，存在对于提供弯曲补偿而无需非对称折射率分布的LMA光纤设计的需求。也就是说，存在在具有非对称的或对称的折射率分布的LMA光纤中提供弯曲补偿的光纤设计的需求。

此外，存在对于除了提供补偿以外还提供HOM抑制的LMA光纤设计的需求。

发明内容

我们对LMA光纤中的弯曲的分析已经揭示了一个令人惊讶的结果——HOM抑制的选择性的恶化主要是由于内包层区的弯曲扰动，而非芯区或光纤的其他区的扰动。因此，为了显著地改善基本的性能折中，补偿内包层区中的弯曲扰动是足够的。不同于现有技术，伴随有足够的HOM抑制的弯曲补偿既不需要芯区折射率分布的非对称性，也不需要跨整个光纤横截面的折射率分布的非对称性。然而，本发明的主要设计特征也不排斥使用非对称的折射率分布。