CN101173997A - 供高功率应用的光纤 - Google Patents

Abstract

本发明描述了光纤设计，它可以克服因过度自聚焦而产生自聚焦对光纤的毁坏问题。这些光纤设计的折射率，在光纤的中央纤芯中是极端不均匀的。在一个实施例中，光纤是用精心考虑并陡峭的纤芯沟设计的。此外，这些光纤的标称纤芯区有非常大的面积。该两种性质的组合，使光功率包络的大部分，限制于纤芯环，在该纤芯环内有降低光功率。这些设计基本上降低光纤中的自聚焦。可以预期，采用具有这些修改纤芯设计的光纤的光子系统，对以短的脉冲持续时间传输的高功率，例如大于1MW的高功率，是特别有效的。

Description

供高功率应用的光纤

技术领域

本发明涉及专门设计的、用于传送高光功率的光纤。

背景技术

在非常高的功率(接近＞1MW)上，光束使石英玻璃折射率增加的量，与局部的强度成正比。这种效应能建立使光束聚焦成小光斑(或小光斑的集合)的透镜，该小光斑可导致光学损坏。这一过程称为自聚焦，并在过去数十年已经被广泛研究(参见R.W.Boyd，Nonlinear Optics，2^nd.Edition，Academic Press，Boston，2003)。自聚焦对诸如石英玻璃等材料中可被引导的最大功率，起上限的作用，该上限常常被称为自聚焦的临界功率P_crit，按照Fibich等人(G.Fibich和A.L. Gaeta，“Critical power for self-focusing in bulk media and inhollow waveguides，”Optics Letters，vol.25，pp.335-337(2000))，P_crit可按下式估算：

$P_{\mathrm{crit}}=\frac{1.8362{\mathrm{\λ}}^2}{4\mathrm{\π}{n}_0{n}_2}---\left(1\right)$

这里λ是波长，n₀是材料原来的折射率，和n₂是以m²/W为单位表示的非线性折射率，于是，总折射率n由n＝n₀+n₂l给出，这里l是以W/m²为单位的局部光强。因为材料的折射率n₀约1.45和材料的非线性折射率n₂约3×10^-20m²/W，在通常使用的激光波长1060nm上，石英玻璃中的P_crit接近等于3.8MW。换句话说，在大于3.8MW的功率上引导1060nm光束时，石英玻璃的整块样品将不是有效的，因为在该阈值功率以上的任何光束，将迅速聚焦于无限小的光斑大小上，并使玻璃损坏。

方程式(1)被认为对光纤和均匀的石英玻璃样品是有效的，据此对任何石英光纤传送能力的峰值功率，设置了上限。但是，它也表明，某些特殊的光纤设计可以抑制自聚焦的建立，据此允许这种光纤传送大于方程式(1)的功率，而不使自聚焦达到材料损坏的程度。

自聚焦不是对光纤传送的功率的唯一限制。其他重要的约束包括：自相位调制、受激Brillouin散射(SBS)、受激Raman散射(SRS)、和介质光学击穿。与自聚焦不同，自聚焦阈值涉及总峰值光功率，而这些限制的阈值及介质光学击穿的阈值，依赖于光纤中峰值的局部强度。一般说来，这些限制及介质光学击穿的避免，是通过增加光纤的有效模面积A_eff实施的。光纤模的有效面积，由A_eff＝(∫|E|²dA)²/∫|E|⁴dA定义，这里E是局部电场，而积分应理解为在光纤的截面积上进行。通过增加有效模的面积，能够升高与强度有关的限制的阈值功率，使自聚焦变得相对地更为重要。计算表明，对近红外波长和对合理的A_eff(＜3000μm²)，当脉冲持续时间约为1ns或更长(包括连续波信号)时，介质光学击穿出现在比自聚焦更低的功率等级上。因为本发明的设计，是用于延迟自聚焦的开始，而不是用于减轻介质光学击穿，所以预料在脉冲持续时间短于1ns中，对传送高峰值功率的光纤是最为有用的。本文说明的本发明，准备用于峰值光功率超过常规整块媒质自聚焦阈值的应用。尽管在长时间段上积分的平均光功率，远低于常规整块媒质自聚焦阈值，但当光脉冲长度相对地短时，峰值光功率将超过常规整块媒质的自聚焦阈值。

把光的能量均匀地分配在大纤芯的光纤上，是使光纤功率容量最大化的一种方案，又不使光纤中任何给定点上超过与强度有关的限制的阈值。众所周知，能够通过设计光纤的折射率分布，产生有平坦化强度分布的模场实现该方案，如在U.S.Patent Application PublicationNo.2004/0247272所示。但是，它不针对上述的自聚焦问题。

发明内容

我们已经发展了至少部分地克服刚才所说问题的光纤设计，主要针对因过度自聚焦使光纤产生自发损坏的问题。这些光纤设计的纤芯折射率，在光纤的中央纤芯中是极端不均匀的。在一个实施例中，光纤是用精心考虑并陡峭的纤芯沟设计的。此外，这些光纤的标称纤芯区有非常大的面积。该两种性质的组合，使光功率包络的大部分，限制于有降低光功率的纤芯环内。这些设计基本上降低了光纤中的自聚焦。可以预期，采用这些修改的纤芯设计的光子系统，对以短的脉冲持续时间传输高峰值光功率，例如大于1MW峰值的光功率，是特别有效的。

附图说明

图1是常规大的模面积突变折射率光纤的折射率分布，这里是为了与其他光纤设计比较而画出的；

图2是本发明设计的用于高功率应用的光纤的折射率分布；

图3按照本发明另一种对高功率应用有用的设计，画出光纤折射率分布；和

图4是曲线，对图1-3中表示的波导，以归一化模有效折射率，画出基模LP01被引导的光功率的变化。

图5是曲线，对图1-3中画出的波导，画出在低光功率等级上LP01的电场振幅。

具体实施方式

图1对常规大的模面积突变折射率光纤，画出折射率分布11。曲线是折射率对径向位置的曲线，并为这里的说明和分析目的而被理想化了。纤芯通常用Ge掺杂到约1.452的折射率值。图上所示包层是纯石英，标称折射率是1.45。这些数字和这里讨论的焦点，是光纤的纤芯。用于微弯控制的带有无掺杂层、向下掺杂沟层、向上掺杂沟层等等包层结构的广泛的变化，可以与这里举出的纤芯结构一起使用。

图1画出大的纤芯，直径约40微米(基模LP01围绕1μm波长的有效面积，约750μm²)。大纤芯的作用，是使光脉冲的模场扩展，从而使强度保持在损坏阈值以下。

但是，如上面的讨论，即使如图1分布表示的大纤芯光纤，也要遭遇自聚焦的问题。

图1还画出在一些突变折射率光纤纤芯中常见的人为现象。它就是图上12所示的纤芯凹坑。这是由于处理时掺杂物部分地耗尽产生的中央区。它大部分出现在MCVD法制造的光纤中。在一些情形中，它可以是精心考虑地产生的。见06/29/04申请的U.S.PatentApplication Serial No.10/880,205。可以设计光纤的制造过程，使纤芯凹坑最小或消除纤芯凹坑。在这种情形中，纤芯凹坑仍可能存在，但该纤芯凹坑不是光纤设计中精心考虑的功能性特征。

虽然图1的光纤分布有大的纤芯面积，但它不能避免自聚焦的问题。整块均匀材料，诸如没有波导纤芯的石英玻璃块中自聚焦现象的详细技术分析，见Boyd，“Nonlinear Optics”(2nd edition，AcademicPress，New York，2003page 313，方程式7.1.2-7.1.7)。

现在从简单的光线光学理论考虑该问题，如果出现焦点，则意味着接近该焦点的边际光线的光程长度，与光轴上光线的光程长度相同。我们作如下粗略的近似，即光轴上的光线经受的折射率等于n₀+n₂×I(这里玻璃的标称线性折射率是n₀，n₂是非线性分量，即由轴上高强度I建立的折射率差的系数)。还假定，边际光线经受的折射率只有n₀(因为这里的强度较低)。因为该两光线的光程必须相等(沿光轴的光程＝边际光线的光程)，利用几何学，该等式成为：

(n₀+n₂×I)×L＝n₀×L/cos(θ)(2)

这里L是沿光轴到焦点的距离，而θ是边际光线相对光轴的角度。利用代数学(及cos(θ)的简单近似，角度θ能够表示为：

θ＝(2×n₂×I/n₀)^1/2(3)

假定原光束的横向光束宽度为2×w₀(本例中，2×w₀类似于模场直径)，则边际光线必须传播w₀的横向距离，才到达光轴。相应地，自聚焦的近似距离L，能够计算如下：

L＝w₀×(n₀/(2×n₂×I))^1/2(4)

所有这些关系都是近似的，且完全根据自聚焦光线光学图像，该自聚焦光线光学图像对远大于自聚焦阈值是有效的。接近自聚焦阈值，因自聚焦的会聚角度(θ)将接近与光束衍射的发散角度(γ)相等：

γ＝λ/(n₀×w₀×π)(5)

这里我们已经假定，光束的横向形状是近似Gauss形的。当光束近似为Gauss形时，光束中总功率可以近似表示为：

P＝(π×I×w₀ ²)/2(6)

可以用代数方法把方程式(3)、(5)、和(6)组合，证明当衍射角度与自聚焦的会聚角度相等时(γ＝θ)，有：

P＝λ²/(4n₂πn₀)(7)

该结果在方程式(1)给出的更精确解的两倍以内。在更高的功率上，因自聚焦产生的光束会聚，压倒衍射，从而使光束会聚到焦点。在功率低于方程式(7)时，衍射淹没光束的任何会聚。

从前面的分析可以得出结论，为克服自聚焦问题，设计的目的，是在光纤中央建立显著的光强分布极小。

图2画出光纤折射率分布的一个例子，设计该折射率分布，是为了克服自聚焦问题。在该设计中，光纤的纤芯21有大的面积。图2所示纤芯的标称面积，约为700μm²。纤芯的物理面积和模场直径是相关的但不相同。在这里的讨论和本发明的内容中，可以认为，模场面积(A_eff)是要研究的主要性质，并推荐大于150μm²(在相对低的功率等级上，例如低于0.1MW峰值功率上测量)，最好是大于300μm²。

图2所示例子中的光纤分布，包括凹陷折射率区，该凹陷折射率区约6微米宽，非常深。折射率分布中的该凹陷折射率区，在光纤的中央建立光强(或电场振幅)的局部极小。这一特征和该特征的结果，能够用数学公式表示成普遍的条件：

$\frac{d^2\left|E\right|}{d{r}^2}{|}_{r=0}>0---\left(8\right)$

这里|E|是电场振幅。数值模拟已经证明，满足这两个条件，即，有大有效面积的纤芯，和有光强局部极小中央区的光纤，呈现升高的自聚焦阈值。图5画出在低光功率上对图2所示光纤设计(24和22)计算的电场(分别是52和53)，图上清楚表明，在光纤中央有电场振幅的局部极小。能够用常规数值模求解算法，对光纤的各种模计算电场振幅，该算法是本领域熟练人员熟知的。这里建议的光纤设计的功效，能够根据建议的折射率分布，通过计算工作波长上需要的信号模来评估，并能检验电场振幅(或光强)，以证实在光纤中央存在局部极小。

在一些情形中，电场极小的存在，能够在本发明与呈现Gauss类模场形状的更为常见的光纤之间，抑制有效的光耦合。这种抑制能够借助模场形状或大小转换单元克服，该转换单元包括整块的光学单元，诸如透镜或反射镜，以及基于光纤的对策，诸如12/16/05申请的US Provisional Patent Application Serial No.60/750967中公开的那些对策。

当然，方程式(8)说明的电场极小，涉及光纤纤芯中传播的基模LP₀₁。但是，同样当然的是，本发明可应用于信号模是LP₀₂或其他模的情形。

从以上所述可见，方程式(8)表示的电场振幅极小，能够通过在纤芯中央产生折射率极小获得。在通常的情形中，该折射率极小比基模的有效折射率更小。折射率极小的宽度，也影响电场振幅极小的深度。折射率沟的宽度一般大于λ/2n，这里λ是真空波长，而n是折射率。

图2分布中的凹陷区22，可以按若干方式形成。一种可取的方法，是精心考虑的使中央纤芯区向下掺杂。向下掺杂区一般是通过掺杂F或B产生。实现这种掺杂的普通方法，是众所周知的。例如见12/16/02申请的U.S.Patent Application Serial No.10/320,193，本文引用该专利，供参考。另一种方法是形成无掺杂的中央纤芯区。这样将产生由虚线24表示的分布。通过在MCVD淀积的最后的一遍或数遍中，简单地关断掺杂物源，诸如Ge扩散器，容易在常规的MCVD处理过程中产生无掺杂区。此外，通过在MCVD淀积的最后一遍或数遍中，降低向上掺杂物浓度和/或增加向下掺杂物浓度，可以形成凹陷区。通过其他熟知的光纤制造方法，可以形成类似的折射率分布。

另一种解决自聚焦问题的方案，以图3的分布表示。在这里，通过在光纤的中央形成孔或空隙，中央纤芯沟区的折射率被降低到1，即空气的折射率。这样将在光纤纤芯中央产生光能上非常不同的凹陷。从前已经有人说明类似的光纤结构。例如，Bjarklev等人在Photonic Crystal Fibers，Kluwer，Boston，2003中说明被称为空心纤芯的光纤，还有Li等人在“High Bandwidth Single Polarization FiberWith Elliptical Central Air Hole，IEEE Journal of LightwaveTechnology，Vol.23，No.11，pp.3454-3460中说明的孔辅助光纤。但是，在这些光纤中，其目的是在空心纤芯中传输光。在本发明的光纤中，则有多于50％的光能在光纤的玻璃部分传送。孔仅用于降低玻璃纤芯的自聚焦性质。因此，纤芯中孔的直径比纤芯直径的一半还小，且最好小于纤芯直径的四分之一。此外，Li等人说明的光纤有椭圆形的纤芯。在推荐的情形中，这里说明的光纤基本上是轴对称的。

为了演示本发明光纤设计中高功率基本传播模的稳定性，以归一化的模的有效折射率，计算了被引导的基模LP₀₁的各种光功率。归一化模有效折射率由n_eff-n_eff ⁰给出，这里n_eff是当模传送高的光功率(P～P_crit或P＞P_crit)时，该模的有效折射率，而n_eff ⁰是同一模在低功率(P＜＜P_crit)时的有效折射率。归一化模有效折射率，是升高的光功率已经对局部折射率产生扰动程度的指示。模折射率由n_eff＝βλ/(2π)定义，这里光学模的相位，以每单位距离β弧度的速率累积。图4画出图1-3表示的波导的结果。曲线41表示具有图1所示分布的光纤的数据；曲线42表示图2所示分布22的数据；曲线43表示图3所示分布的数据。非线性折射率系数n₂假定相同，与石英掺杂物的浓度无关，但即使计及n₂随掺杂物浓度的变化，也可以获得类似的曲线。为清楚起见，已经压缩图4的竖直尺度，而水平尺度是对数的。数据是用两种独立的手段计算的：标量非线性Schrodinger方程的直接积分，和圆柱形对称的标量有限差光束传播方法(FD-BPM)。两种方法产生的数据，紧紧地追随图中曲线。

显然，从图4的线41可见，对有图1所示折射率分布的光纤，被引导的光功率以渐近方式接近P_crit(按方程式(1)的定义)。相反，对图2和3所示本发明实施例的两种光纤设计，被引导的光功率的增加，远超出P_crit之上(曲线42和43)。

对这里说明的光纤的数值模拟，值得关心的是，当接近P_crit或在P_crit之上工作而存在小的扰动时，被引导模的稳定性。如果被引导的模是不稳定的，那么任何无限小的扰动，诸如折射率小的变化，可以导致灾难性的自聚焦并使光纤损坏。如果dP/dn_eff大于零，则对小扰动保有基模LP₀₁的稳定性。见Kivshar等人的Optical Solution：FromFibers to Photonic Crystals，Academic Press，New York，2003。以图4中曲线42和43表示的光纤传送的光能，即使在功率大于P_crit时，用FD-BPM数值模拟的数据，也用dP/dn_eff大于零的事实，两者都证明是稳定的。

图5对图1、2、和3所示的光纤设计，画出在低光功率上计算的基模LP01的电场振幅。曲线51对应于图1中出现的完全均匀的光纤折射率分布11。曲线52对应于图2中曲线21和24形成的光纤折射率分布。曲线53对应于图2中曲线21和22形成的光纤折射率分布。曲线54对应于图3中曲线31和32形成的光纤折射率分布。曲线51没有呈现电场的极小，也没有呈现升高的自聚焦阈值。相反，曲线52、53、和54，全都在光纤中央它们的电场振幅中呈现极小，并且还发现呈现升高的自聚焦阈值。

能够用常规数值模求解算法，计算光纤各种模的电场振幅，该算法是本领域熟练人员熟知的。建议的光纤设计的功效，能够根据建议的折射率分布，通过计算工作波长上需要的信号模来评估，并能检验电场振幅(或光强)，以证实光纤中央存在局部极小。

对本发明的功效，一种简化的物理解释如下。在轴对称的波导，诸如典型的光纤中，灾难性的自聚焦，通常出现在大部分光信号自身聚焦在对称轴的正中央时(在这里，是光纤的正中央)。遵照这里说明的教导，光纤中央的折射率，是被精心考虑，设置得足够低，以便禁止光能进入光纤的中央区。虽然光能的某些部分将穿进光纤纤芯的中央凹陷折射率区(图2中的区22)，但光能的大部分仍然留在包围中央凹陷折射率区的纤芯中(图2的区21)。这样在纤芯中建立一个环，环上的光强是最高的。由于高光强的存在使局部折射率上升，光强最高的环起伪纤芯的作用，大量光在伪纤芯中被引导，且该伪纤芯进一步禁止光能进入光纤的中央。再有，随着光强的增加，该伪纤芯的作用实际也在增长。

当然，随着光功率接近并超过整块媒质的临界功率P_crit，信号模的有效面积A_eff因强度引起光纤折射率的扰动而缩减。但是，只要光纤的A_eff在低的功率(P＜＜P_crit)上足够大，那么这一A_eff的缩减将不足以使强度依赖的非线性，诸如介质光击穿，损害光纤。

虽然这里借助降低自聚焦针对的功率范围，在更早的叙述中是1MW以上，但该效应开始起作用的功率等级，可以借助方程式(7)更精确地说明，方程式(7)可以用光信号源表示，其中光纤内任何地方的光信号，有大于λ²/(4πn₀n₂)的光功率，这里λ是真空波长，n₀是未扰动(线性)折射率，和n₂是以m²/W为单位表示的非线性折射率。

本文使用的术语向上掺杂和向下掺杂，本领域熟练人员是熟知的。向上掺杂玻璃或玻璃区，是通过掺杂，使之有大于纯石英折射率的折射率。向下掺杂玻璃或玻璃区，是通过掺杂，使之有小于纯石英折射率的折射率。典型的宿主材料是石英。

在本详细描述的结尾，应当指出，对本领域的熟练人员，显而易见的是，在基本不偏离本发明的原理下，可以对这里的优选实施例进行许多变化和修改。所有这类变化、修改、和等效的内容，都将被认为包括在本发明的范围之内，本发明的范围在权利要求书中阐明。

Claims (21)

1.一种包括纤芯和包层的光纤，其中，在光功率低于整块材料自聚焦阈值和在纤芯中央的电场振幅由下式给出的情形下，测量的信号模的有效面积大于150μm²：

$\frac{d^2\left|E\right|}{{\mathrm{dr}}^2}{|}_{r=0}>0$

这里|E|是电场振幅，而r是纤芯半径。

2.按照权利要求1的光纤，其中信号模的有效面积，在远低于整块材料自聚焦阈值的光功率上，大于300μm²。

3.按照权利要求1的光纤，其中的纤芯包括有第一折射率的环，该环包围实际上有更低折射率的中央纤芯凹陷区。

4.按照权利要求3的光纤，其中的中央纤芯凹陷区的折射率，低于信号模的有效折射率。

5.按照权利要求4的光纤，其中的中央纤芯凹陷区的宽度，大于λ/2n，这里λ是真空中波长，n是折射率。

6.按照权利要求3的光纤，其中的中央纤芯凹陷区，有小于或等于石英的折射率。

7.按照权利要求3的光纤，其中的中央纤芯凹陷区，包括空隙。

8.按照权利要求7的光纤，其中的环传送大于50％的光功率。

9.一种光纤系统，包括如下的组合：

(a)一种包括纤芯和包层的光纤，其中，在光功率低于整块材料自聚焦阈值和在纤芯中央的电场振幅由下式给出的情形下，测量的信号模的有效面积大于150μm²：

$\frac{d^2\left|E\right|}{{\mathrm{dr}}^2}{|}_{r=0}>0$

这里|E|是电场振幅，而r是纤芯半径，和

(b)与光纤耦合的光信号源，该光信号的峰值光功率在光纤内任何地方都大于λ²/(4πn₀n₂)，这里λ是真空中波长，n₀是未扰动(线性)折射率，和n₂是以m²/W为单位表示的非线性折射率。

10.按照权利要求9的光纤系统，其中的纤芯包括有第一折射率的环，该环包围实际上有更低折射率的中央纤芯凹陷区。

11.按照权利要求10的光纤系统，其中的中央纤芯凹陷区的折射率，低于或等于石英的折射率。

12.按照权利要求10的光纤系统，其中的中央纤芯凹陷区，包括空隙。

13.一种包括使光信号通过光纤传播的传输光信号的方法，该光信号的峰值光功率级别，在光纤内任何地方都大于λ²/(4πn₀n₂)，这里λ是真空中波长，n₀是未扰动(线性)折射率，和n₂是以m²/W为单位表示的非线性折射率，且该光纤包括纤芯和包层，其中，在光功率低于整块材料自聚焦阈值和在纤芯中央的电场振幅满足下式情形下，测量该信号模的有效面积大于150μm²：

$\frac{d^2\left|E\right|}{{\mathrm{dr}}^2}{|}_{r=0}>0$

这里|E|是电场振幅，而r是纤芯半径。

14.按照权利要求13的方法，其中的纤芯包括有第一折射率的环，该环包围实际上有更低折射率的中央纤芯凹陷区。

15.按照权利要求14的方法，其中的中央纤芯凹陷区的折射率，低于或等于石英的折射率。

16.按照权利要求14的方法，其中的中央纤芯凹陷区，包括空隙。

17.按照权利要求16的方法，其中的环传送大于50％的光功率。

18.一种包括如下组合的光纤系统：

(a)一种包括纤芯和包层的光纤，其中，在光功率低于整块材料自聚焦阈值和在纤芯中央的电场振幅由下式给出的情形下，测量的信号模的有效面积大于150μm²：

$\frac{d^2\left|E\right|}{{\mathrm{dr}}^2}{|}_{r=0}>0$

这里|E|是电场振幅，而r是纤芯半径，和

(b)与光纤耦合的光信号源，该光信号源的脉冲持续时间小于1ns。

19.按照权利要求18的光纤系统，其中的纤芯包括有第一折射率的环，该环包围实际上有更低折射率的中央纤芯凹陷区。

20.按照权利要求19的光纤系统，其中的中央纤芯凹陷区，有小于或等于石英折射率的折射率。

21.按照权利要求18的光纤系统，其中的中央纤芯凹陷区，包括空隙。

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