CN1592992A - 多模光纤激光器光栅 - Google Patents

Abstract

一个光学活性波导激光器(30)包括一个多模部分(126)，用于携带多于一个的在一个从包括激发波长(64)和激光发射波长(66)的带宽中选择的预定波长上的空间模式。该多模部分(126)有一个第一折射率。一个包覆部分(386)靠近多模部分(126)。一个多模光栅(60，56或62)被形成在该多模部分的至少一个部分(26)上用于反射预定的波长。

Description

多模光纤激光器光栅

                       优先权的要求

本申请要求对申请于1999年8月20日的美国专利申请09/378770，申请于1999年1月8日的美国专利申请09/426460，申请于2001年3月14日的美国专利申请09/808270和申请于2001年9月27日的美国专利申请09/968354的优先权。

                       本发明的背景

本发明的领域

本发明总体涉及用于活性光纤的光栅，更具体地说涉及用于三级双包覆层光纤和锥形光纤激光器的多模光栅。

技术背景

光纤因其高容量和对电噪声的抗扰性而成为用于电讯的优良的传输媒介。二氧化硅光纤相对价廉，在制作成横向单模光纤时能传输1550nm带中的信号很多公里而不需要放大或再生。但是，很多光纤网络中，或者是因为所包括的大的传输距离，或者是因为光学信号被分解进许多通路因而还是存在对光学放大的需要。

如在图1中的示意性的说明，一个常规的放大器10被插入输入传输光纤12和输出传输光纤14之间。已经发现，作为放大器10的一个实例，各种掺铒光纤放大器(EDFA)对提供所需要的光学增益相当有效。放大器10的另一个实例是带有Raman增益的光纤。传输光纤12和14两者都需要单模，因为高阶模显示出很大的发散(通常是对在高数据速率下的光纤传输距离的限制因素)。在技术上众所周知，EDFA10包括一个掺铒二氧化硅光纤16的长度(几十米的数量级)。众所周知的是，在放大有1550nm波长的光学信号的980nm波长处受到激发时，掺铒光纤放大器单纯工作在其三级模式下是有很高效能的。为了保持传输信号的完整性，掺杂光纤16也应该是单模的。因为Er³⁺离子或其他稀土离子的存在，掺杂光纤16是光学活性的，当掺杂光纤16由强大的光学激发源激发时，这些稀土离子可被激发到更高的电子能级。通常，光学激发源18通过激发源光纤20将激发输入进掺杂光纤16，该激发源光纤20通过一种波长选择方向耦合器22耦合到非掺杂上游光纤12或掺杂光纤16，但下游耦合也是已知的。为了高效率地耦合进单模掺铒光纤16，激发源光纤20也应是单模的。一个实际工作的EDFA可以包括一些附加元件(诸如一个隔离器或一个增益平整滤波器)，在技术上这些附加元件是众所周知的，但对理解本发明的背景无关。

通常，一个典型的激发源18是一个边缘发射半导体激光器，包括一个能和单模激发源光纤20对准以提供有效的功率耦合的波导结构(被称为“条纹”结构)。但是，这种方法在跟上结合波长分割多路复用(WDM)的现代光纤传输系统方面是失败的。在WDM的一种方法中，若干独立的激光器将略微不同波长的经单独调制的光学载体信号注入传输光纤12。EDFA有充分的带宽放大约40nm带宽中的载体信号。将被放大的大量多路复用信号需要总体上成比例的大激发功率。在最近的十年里，在标准网络中优选使用的WDM通道的数量从约四个增加到目前的四十个或更多的水平，但是来自一个单条纹激光源的输出功率最多只能加倍。

在对更高功率的激光源的研究中，大面积二极管激光器还是最有效率和最价廉的激发源。半导体激光技术的最近的进步导致了产生带有直至16W输出功率的大面积激光器二极管。带有小于0.1的慢轴数值孔径(NA)，在920和980nm上有4W输出功率的100μm线宽的器件现在正在进行电讯应用方面的鉴定试验，应用适当的光学耦合，这样的激光二极管产生的光束可以被聚焦成30×5μm那样小的点，在两个横向的NA都小于0.35。这样的点上的光学功率密度有～1.3MW/cm²，这样的功率密度应足够高到达到3级激光系统中的透过性。

应用廉价的高功率大面积激发激光器的一种方法包括光学激发源18的包覆激发的或双包覆的光纤设计。包覆激发的光纤激光器的优点是众所周知的。这样的器件有效地用作亮度转换器，将多模激发光的相当大的一部分转换成更长波长的单模输出。

包覆激发可用于建立独立的高功率单模光纤激发激光器。以单纯的三级978nmYb⁺³跃迁为基础的源长期以来被建议用作EDFA的激发源，因为其波长接近于所需要的980nm的激发波长。但是，包覆激发技术已经在实践中因为各种必须要满足的光纤激光器设计的参数而被确定对激发单纯的三级光纤激光器没有效果。

实际中的双包覆放大器和激光器已经主要被限制在4级的系统。双包覆光纤激光器对四级激光发射(激光发射发生在两个受激发状态之间的跃迁中)比对三级激光发射(激光发射跃迁在受激发的状态和基态之间)提供更好的性能。例如，对稀土离子镱(Yb)，三级跃迁在978nm上，而竞争性的高增益的四级跃迁在约1030-1100nm上。

在双包覆激光器中，外包覆限制了来自大截面积多模内包覆中的初级激发源的激发光。截面积小得多的核心通常被掺以至少一种稀土离子，例如钕或镱，用来在单模输出信号中提供激光发射能力。通常，掺钕或掺镱的双包覆光纤用一个或几个高功率大面积二极管激光器激发(在800nm或915nm)，以产生横向单模输出(分别在钕1060nm的四级跃迁或镱1030-1120nm的四级跃迁)。这样，常规的双包覆配置用多模的第一层包覆沿器件的长度接收激发能量并将该能量转移到核心中去而促进了光纤的激发。双包覆激光器的输出能用于激发级联的Raman激光器以将波长转换到适合于激发铒的1480nm上下。目前，双包覆本身(即没有附加的Raman转换器)在任何适当的用于EDFA的吸收带中不产生充分的高输出，或在商业上不可得。

多少激发光能被耦合到双包覆光纤内包覆中取决于包覆的尺寸和NA。如已知的那样，为了高效率的耦合，光纤的“etendue”(数值孔径乘以光圈尺度或光点尺寸)应等于或大于激发源的etendue。数值孔径和光点尺寸在两个轴上可以不同，因此在x和y方向可以有一个必须被保持或超过的etendue。

通常，需要和在第一和第二包覆之间的折射率差有关的高数值孔径NA_clad。如果有两个包覆代替一个，第一包覆的折射率是n_clad1，第二包覆的折射率是n_clad2，这样，NA_clad＝(n_clad1 ²-n_clad2 ²)^2/1。在众所周知的设计中，为了提高数值孔径NA_clad，第一包覆层用玻璃制成，第二包覆层用折射率相对低的塑料(含氟聚合物)制成。这样的塑料可能没有许多应用中需要的热稳定性，可能会从第一包覆分层脱离，以及可能对潮气损伤敏感。

在已知的双包覆基质光纤中，由一个传输920nm激发带和反射所需要的980nm激光发射带的输入电介质镜形成激光腔。对于光纤激光器的任一种输入镜，要求在激光波长，例如978nm上只反射基础模式以形成光学腔的输入端。耦合到双包覆光纤的耦合端的在双包覆光纤的端部的电介质镜，或在单模光纤，例如Corning CS-980光纤中的弱光纤Bragg光栅被用作用于提供激光腔的输出端的输出耦合器。

在高功率光纤激光器中的一个主要技术挑战是形成横跨双包覆光纤的多模内包覆的输入电介质镜。各种方法包括将玻璃的微片附接到光纤端面或直接在光纤端面淀积薄膜电介质，但是该两种方法都存在各自的技术障碍。

两级光纤激光器也已经被提出作为一种替代的光学激发源18。该两级激光器有一个光学激发源以提供激发波长的激发光。一个第一波导部分当在激发波长处受到光学激发时能以激光发射波长发射激光。该第一波导部分在激光发射波长处显示出横向多模行为。在激光发射波长处基本显示出横向单模行为的一个第二波导部分被和第一波导部分光学耦合在一起。一个光学腔由在第一波导部分上的多模光栅和第二波导部分上的单模光栅限定并包括该第一和第二波导部分。折射率差或在包覆折射率和多模核心折射率之间的差异的对比折射率对于这种方法的掺低折射率的锗(Ge)的硅酸盐多模光纤而言在0.04到0.06之间。

如已知的那样，术语“光纤Bragg光栅”涉及一种光栅，在该种光栅中，入射光由光纤中的一个“短周期”(a.k.a.Bragg)光栅沿同一个光纤反射回去，并且光栅的制作方法是已知的。如果两种模式的传播常数满足下面的光栅等式，光纤Bragg光栅将功率从一种模式耦合到另一种模式：

${\mathrm{\β}}_1-{\mathrm{\β}}_2=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}---\left(1\right)$

式中β₁和β₂是两个模式的传播常数，Λ是光纤中的光栅周期，并且为简化只采用第一级衍射。当一个正向传播模式反射成完全相同的向后传播模式时，Bragg条件变为λ_B＝2neffΛ，式中neff是该模式(β＝(2π/λ)neff)的有效折射率，处在所引导模式的核心折射率ncore和包覆折射率nclad之间(nclad＜neff＜ncore)。当模式正交性不再保持时，例如，当因为FBG本身的原因引起的UV诱发的折射率的变化充分扰乱了折射率的剖面时，向前传播的模式也可以反射成其他的模式。所需要的折射率剖面取决于光纤的几何尺寸、包覆的材料以及具体应用的精确波长。

如对于双包覆光纤激光器，为了使最大的光功率能从高功率激发源发射进双包覆光纤或两级多模到单模光纤激光器的激光腔，光学腔需要有一个与折射率对比有关的大的数值孔径(NA)。但是，用于证明功率增强的增加的折射率差需要更多的设计，试验和制造复杂性被首先解决。

因此，对不管是双包覆的或是两级的光纤激光器增加功率输出，同时提高可靠性和简化光纤激光器的包装和制造，从而减小光纤激光器的成本有持续的需要。

本发明的概述

在本发明的一个实施例中，光学活性波导激光器包括一个在预定的波长携带多于一个空间模式的多模部分。该多模部分有一个第一折射率。靠近多模部分的包覆部分有一个为了功率增强而低于第一折射率至少0.1的第二折射率。在多模部分的至少一个部分上形成一个多模光栅用于反射预定的波长。

在本发明的另一个实施例中，光学活性光纤被用于制造光纤激光器。该双包覆结构的活性光纤有一个掺以有三级跃迁的可光学激发的离子的核心。该核心有一个核心折射率和核心剖面面积。一个内包覆包围该核心。内包覆有一个低于核心折射率的内包覆折射率，大于核心剖面面积2到2.5倍之间的内包覆剖面面积，纵横比大于1.5∶1。外包覆包围了内包覆并有一个小于内包覆折射率的外包覆折射率。

光纤激光器或放大器包括一个有一个掺以诸如铒(Er³⁺)，钕(Nd³⁺)或镱(Yb³⁺)离子的可以被光学激发的核心的光纤。

在本发明的另一个实施例中，活性光纤和一个单模输出光纤都被设计成在连接处为最低级的模式提供等模场直径，以及多模的掺感光材料的内包覆截面有一个细长的形状，其纵横比和形成至少一个多模光栅的激发二极管激光器的纵横比匹配。

当被用作为诸如可在单模光纤光通讯系统或网络中找到的掺铒光纤放大器(EDFA)的激发源或EDFA本身时，本发明尤其有利。

附图的简短叙述

图1是用于典型的光纤光通讯系统中的现有技术的掺铒光纤放大器(EDFA)的示意图；

图2是根据本发明用于图1的系统作为一个激发源的活性光纤30的示意图；

图3是根据本发明在第一实施例中使用图2的活性光纤30作为双包覆光纤激光器的示意图；

图4是根据本发明在第二实施例中使用图2的活性光纤30作为模式转换光纤激光器的示意图；

图5是根据本发明使用图3的活性光纤30作为双包覆光纤的一个实施例的剖面图；

图6是根据本发明使用图3的活性光纤30作为双包覆光纤的第二实施例的剖面图；

图7是根据本发明的多模输入镜光栅的反射光谱的图形；

图8是根据本发明的用于啾声多模激发反射器的光栅周期参数空间的曲线图；

图9是根据本发明的根据图8的曲线设计的线性调频多模激发反射器的反射光谱的图形；

图10是根据本发明的图3的活性光纤30的内包覆32的矩形321的剖面图；

图11是根据本发明的图3的活性光纤30的内包覆32的跑道形322的剖面图；

图12是根据本发明的图3的活性光纤30的内包覆32的椭圆形323的剖面图；

图13是根据本发明的图3的活性光纤30的内包覆32的钻石形324的剖面图；

图14是根据本发明的图3的活性光纤30的内包覆32的土星形325的剖面图；

图15是根据本发明使用图2的活性光纤30作为光纤激光器的锥形实施例的透视图；

图16是根据本发明使用图2的活性光纤30作为光纤激光器的锥形平面实施例的透视图。

优选实施例的详尽叙述

本发明的活性光纤，亮度转换器，光纤激光器或电介质波导激光器在图2中显示，并参考几个示例性的或代表性的实施例总体叙述或描绘，相同的数字代表相同的或功能上相似的部分。总之，不同的设计考虑需要进行折衷以提供能以不同方式实施的高功率的三级跃迁光纤激光器。

参考图2，用作为提供图1的光学激发源18的光纤激光器的光学活性波导激光器30包括一个在从包括激发波长64和激光发射波长66中选择的预定波长上执行多于一个空间模式的多模部分126。该多模部分126有一个第一折射率。靠近多模部分126的包覆部分386有一个为功率增强最好低于第一折射率至少0.1的第二折射率。在多模部分的至少一个部分26上形成一个用于反射该预定波长的多模光栅60，56或62。

对于用作多模(MM)激发反射器的多模光栅56，预定波长是激发带宽的任何波长64。MM激发反射器56被设计成在激发光谱(例如横跨激发或多路复用激发的全部带宽)中所有波长上以及在激发带宽上的所有波长的所有或尽可能多的模式中反射最大功率或能被反射的全部功率数量。因为在其他模式中反射的功率，多模激发反射器56比单模激发反射器功率效率更高，比置于MM部分126外面的激发反射器的效率更高。

对于用作多模光纤Bragg光栅(MMFBG)信号镜对的多模光栅60和62，将被反射的预定波长是激光发射波长。MMFBG信号镜60和62被设计成只反射所需要的信号(激光发射)波长66的基础模式。因其MM特性，它也能在其他波长反射更高级的模式(HOM)。但是，只要这些更高级的模式不落入光纤激光器30的增益峰内，各种HOM就不是有害的。当多模光栅60被用作接近激光发射波导26的输入端28的腔高反射器时，信号镜有高反射率(100％信号反射和激发透明)，或如果多模光栅62被用作接近激光发射波导26的输出端29的输出耦合器，信号镜有低反射率(约4％反射)。端镜或输出耦合器62最好是提供4％反射的低反射率光栅，其能提供信号反馈和发挥输出耦合器或低腔信号镜的作用。这样，使输入多模光栅60在激发波长λp对光学激发信号64为高发射性，在输出信号66的信号(激光发射)波长λs为反射性，而使输出光栅镜62在信号波长λs为部分反射性(部分发射性)，允许光学腔中的一些驻波通过，并最好在激发波长也至少为部分反射性。这样输出耦合器62和高反射器或输入镜60是光纤Bragg光栅，该光栅提供光反射性，有利于激光发射操作以形成光学腔。这样，这些端镜60，62在激光发射波长而不是激发波长反射信号的基础信号模式。

对在掺铒光纤放大器中980nm带激发功率增加的需要已经导致对使用光学活性波导激光器30的高功率光纤激光器的不断精心的改进。作为在激光发射波导部分26中用于在约980nm的激光发射波长上操作或发射激光的可光学激发的活性掺杂剂的一个实例，光纤激光器或光学活性波导30最好掺以镱(Yb)，在输入端被照射时或者由在920nm上下的波长λp的激发信号64，至少1W的激发功率输出的激发波长激发下，输出光纤激光器的功率至少有3W。

如图2所示，激光发射波导30最好包括至少一个Bragg光栅。光纤Bragg光栅提供在光纤波导格式中的反射光的有利手段。虽然干涉滤波器或电介质淀积可以被用作一个或两个端镜60，62，Bragg光栅反射器还是更可取，并通常能通过UV图形形成而直接形成在光纤上。为了便于UV图形形成，多模部分126被掺以诸如锗(Ge)的感光掺杂剂。多模光栅60，56，和62比淀积在光纤的经劈裂或抛光的的终端的电介质镜更可靠和更容易直接制作在波导上。这样，光纤Bragg光栅对在高功率光纤激光器的输入端使用微光学镜提供了一种优选的方案。一种直接形成在掺铒锥形光纤的多模核心或双包覆结构的多模内包覆上的光纤Bragg光栅(FBG)可以用所需要的反射和发射特性进行设计。通过直接形成到核心(如由在图4的多模核心上的多模光栅60和56，或双包覆实施例的图12的内单模核心上的光栅，或“锥形”光纤激光器实施例的图4中的单模光栅62所描绘的)，内包覆(如图10，13和图6所描绘的)或内包覆和核心(如图3，5，11和14所描绘的)，和微光学镜方法有关的可靠性方面的风险就可消除了。

激光发射波导30包括一个接近掺镱光学波导输入端28的高反射器或多模输入镜60。高反射器或多模输入镜60以诸如980nm的激光发射信号波长为中心并且是高反射性的，以便有利于980nm的光从激光发射波导中输出。

作为另一个多模光栅，激光发射波导30包括接近掺镱光学波导输出端29的输出耦合器62。输出耦合器62以诸如980nm的激光信号波长为中心并且反射性比高反射器或输入镜60低，以便有利于980nm激光发射波长从激光发射波导中输出。

激发反射器56也是一个提供有利的反射的多模光纤Bragg光栅。激光发射波导30也包括接近掺镱光学波导输出端29的激发反射器56。多模激发反射器56以诸如920nm或946nm的激发波长为中心并是高反射性的，因此到达掺镱波导的终端的920或946nm的激发光被包含在掺镱波导26内，因此它能将镱离子激发到适当的被激发态。

这些光纤Bragg光栅被制作在分离的光学波导光纤内，诸如虚设的或非活性掺杂的部分54，58和61，被和可以是一个光纤或一个平面波导的内腔掺镱光学波导部分26拼接在一起，以形成在激光发射波导30中的被激发腔或光学腔的内腔，或可以是同样的统一的，整体的和完全单个的光学激光发射波导26的一部分或其被拼接的各种变化。

无论是双包覆的或两级的，光学活性波导30都结合一个多模部分126。由多模光栅镜或反射器60和62限定的光纤激光器腔可以在一个经改进的双包覆基质光纤30中，在这种情况下内核心34为图3中的单模输出设计，或可以在一个经改进的两级激光器中，该激光器结合一个如图4所示的模式选择滤波器300用于掺镱的模式转换的或锥形的光纤激光器(YTFL)。对于这些技术上的知识，很多双包覆激光器的概念将容易地应用到锥形激光器并将不再次对锥形激光器的应用进行讨论。例如，内包覆的最大面积将相似于锥形光纤激光器的多模核心的最大面积。

参考图3和5-6，图中显示了作为管型光纤形式的或平面电介质波导形式的双包覆光纤激光器实施的光学活性波导30的各种实施例。通常，在包覆激发的光学活性波导激光器30的双包覆结构中正常地包括两个包覆32和36。第一(内)多模包覆32用作多模激发核心。在这种情况下，多模部分126包括掺以有利于光纤Bragg光栅刻制的感光掺杂剂的多模内包覆光纤区域32。最好诸如仅由锗或由磷和/或硼共同掺杂和增强的感光元素被用作在多模内包覆光纤区域中刻制光纤Bragg光栅的掺杂剂。第一包覆或包覆32相邻于单模核心34，第二包覆36包围第一包覆32。可任选地，核心34也可以掺以感光掺杂剂，也用于在核心上形成光栅，例如，如图3和5所示，但不在图6中所示。对于单模高反射器和输出耦合器，仅用感光掺杂剂掺杂内核心区域就可能足够了。

双包覆活性光纤30的优选设计和尺度允许强烈的激发吸收同时抑制长波长ASE并且允许足够强的激发强度以得到3级操作。一个居中地位于内包覆32中心的优选的横单模核心34用玻璃制成，和内包覆32有充分的成分上的差异，以在折射率上提供适当的差别。核心34不严格地必须单模；在2模式边缘的核心还是能够工作。最好核心34掺以镱(Yb³⁺)，铒(Er³⁺)或钕(Nd³⁺)离子，但也可用其他稀土离子。双包覆活性光纤30也包括一个最好用玻璃制成的外包覆36，其折射率低于内包覆32的折射率，以使NAclad大于0.3。全玻璃设计允许这些类型的折射率，玻璃的类型包括镧铝硅酸盐玻璃，锑锗酸盐，硫化物，铅铋镓酸盐等。用于包覆层上的优选材料还是玻璃，例如，碱金属的硼铝硅酸盐。

对于由活性光纤30提供的镱光纤激光器，信号波长λs约等于相应于三级Yb³⁺跃迁的978nm。虽然涉及光纤激光器的本发明是鉴于Yb³⁺掺杂而开发，但并不限于此。光纤激光器或亮度转换器30可以掺以其他跃迁的或稀土的离子，诸如Nd³⁺。通过共同掺杂的或通过不同掺杂的光纤的顺序的Yb³⁺和Nd³⁺掺杂的组合允许在800nm而不是920nm上的激发。

第一多模包覆或内包覆用作带有用于输入激发光的高数值孔径(NA)的波导。第一多模包覆的截面(Dclad是图5所示的内包覆的较长的尺度44)可以设计成具有所需要的形状，例如匹配于激发源的近场形状(Dlaser是如图6所示的大面积激光器光发射慢轴孔径48的尺寸)或其他任何增加激发光束的耦合效率的构型或形状。第一和第二包覆层之间的数值孔径(NAclad)必须足够大到捕获激发激光二极管的输出。所实现的亮度上的实际增加取决于激发包覆面积对核心面积的包覆对核心的比例(CCR)，该比例(CCR)越大，亮度的增加也越大。但是，在核心和包覆截面之间的面积之中的这种不一致致使必须有一个长的器件长度，因为激发辐射的吸收反比于该比例(CCR)。通常，激发包覆面积对核心面积的高比例(CCR)使对于三级激光发射很重要的得到高水平的转化变得困难，因为通常该比例(CCR)越大，用给定的激发功率能得到的转化水平越低。这样，激发吸收和转化互相相关。

应用需要高水平转化的稀土离子，诸如Er，Yb或Nd作为双包覆光纤激光器核心的掺杂剂以提供高包覆对核心比例(CCR)的增益就这样发生了问题。即使用从二极管激光器棒能得到的很高的功率，要达到操作激光器的3级系统必须的高转化水平还是非常困难。

转化的问题源于Yb的两个竞争性的跃迁和激发吸收中的增益之间的关系。作为一个代表性的实例，在掺Yb的锗铝硅酸盐玻璃中的两个波长上的增益(假定均匀地变宽)由下列等式而相关：

$G_{1030}=0.25G_{976}+0.74{\mathrm{\α}}_p\frac{{\mathrm{\Γ}}_s}{{\mathrm{\Γ}}_p}---\left(2\right)$

式中G₁₀₃₀和G₉₇₆分别为在1030nm和976nm上的增益，α_p是以分贝(dB)为单位的部分漂洗的激发吸收，Γs和Γp分别是用掺杂剂剖面的信号模式和激发上模式的重叠因子。

带有不同系数的相似关系将为诸如锑硅酸盐玻璃的其他的基质保持。但是，在Yb在980nm的3级跃迁的特殊情况下，等式(2)可用于估计所需要的Γs和Γp的重叠比，该比紧密相关于内包覆面积除以核心面积(Aclad/Acore)的面积比(CCR)。对于Yb，给定需要对激发的至少6dB的吸收，以及无能力抑制在1030nm的竞争性的准四级跃迁的多于四十的额外dB的增益，然后，用等式(2)，可以计算所需要的Aclad/Acore。对于优选的硅酸盐基质玻璃，对Yb双包覆光纤激光器而言，所需要的包覆对核心比(Aclad/Acore)就这样被发现小于八。

参考图5-6，图中显示了用于制作图1的光纤激光器18的诸如光学活性光纤或平面波导的激光发射波导30。该经优化的双包覆结构的活性光纤30有一个经掺杂的中心部分或核心34，掺以可光学激发的有三级跃迁的离子或任何其他类型的需要高水平转化的离子。核心34有一个核心折射率(n_core)和一个核心截面积。截面积可以从核心的尺度42计算。内包覆32包围核心34。内包覆32有一个内包覆折射率(n_innerelad)，小于核心折射率约0.1，内包覆截面积大于核心截面积2到25倍(2＜CCR＜25)，纵横比大于1.5∶1。外包覆36包围内包覆32并有小于内包覆折射率的外包覆折射率，作为一个实例，对于Al-La-Si基光纤，折射率差为0.14。双包覆活性光纤30的优选设计的尺度允许强烈的大于6dB的激发吸收，同时抑制长波长ASE。内包覆截面积可以从内包覆的尺度计算，该尺度包括一个较长的尺度44，该尺度可通过矩形的内包覆或椭圆的内包覆的较长的尺度作为实例进行说明。

忽略波导损耗，g₉₇₆＝7dB。需要吸收至少6dB的激发功率，但1040nm的不大于40dB的增益可以通过波长选择反馈抑制。将这些值代入等式(2)以后，优选的包覆对核心面积比或Γs/Γp的重叠比就可以找到，对于用在980nm的Yb光纤激光器中的稀土掺杂剂Yb，找到最大的比为7.6。

对于所有作为光学可激发离子的稀土掺杂剂，诸如提供活性媒介的Er，Nd，Tm和Yb，尤其是需要高水平转化的离子，对于双包覆结构，存在一个最大可允许内包覆面积。

总之，不是包覆对核心比(CCR)，而是双包覆结构中的内包覆的绝对尺寸或锥形光纤激光器中的多模核心的绝对尺寸对有效率的激光器操作最重要。

因此，在双包覆结构中，核心34可以是适配在图3，5和6的内包覆32内部的任何尺寸。但是，最好的是核心在尺寸上和NA上相似于标准的单模光纤，诸如图1的输出光纤20和图6的用于耦合到输出光纤20的单模部分74。用典型的3到4μm的单模核心半径，就可能达到10∶1到20∶1的包覆对核心的面积比CCR(Aclad/Acore)。用典型的核心半径a＝3μm，包覆对核心面积比CCR为(Aclad/Acore)＝500/(π·3²)≈18，该值远低于现有参考中建议的或工作的双包覆激光器曾经报告的值之下。

最好，内包覆的截面积应不超过500μm²。如果在激光二极管中可得到的功率如在4W激发二极管中一样被加倍，然后所建议的值也加倍，这样，现在包覆对核心面积比的范围为20∶1到40∶1，内包覆面积小于1000μm²。

对于诸如该稀土掺杂的光纤激光器的3级器件重要的是，可在内包覆中产生的激发功率密度的水平，该水平限定了可达到的转化。为了找到内包覆的最大需要面积，更方便的是应用激光器的功率阈值估计等式。对于任何3级器件，激光器中的阈值激发功率Pth永远必须高于饱和功率Psat。即，光纤激光器必须沿基本上是其部分的长度被“漂洗”(即该处大约一半的激光发射原子已经被激发成激发态)。Pth是被定义为下式的饱和功率：

$P_{\mathrm{sat}}=-\frac{\mathrm{hv}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ap}}\mathrm{\τ}}{A}_{\mathrm{clad}}--\left(3\right)$

这样，内包覆面积(Aclad)越小，饱和功率Psat越低，因为该两项直接相关于等式(3)。饱和功率越小，转化就越大，因为该两项相反相关，这样，就能得到更高的转化，使3级激光器工作。

阈值功率Pt和包覆面积(Aclad)和激光器的长度成比例。阈值激发功率很好地近似于下面的等式，该式中可以看到，当光纤激光器被漂洗时阈值功率高于饱和功率一个αp/4.343的因子：

$P_{\mathrm{th}}=P_{\mathrm{sat}}({\mathrm{\α}}_p/4.343)=\frac{\mathrm{hv}{A}_{\mathrm{cald}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ap}}\mathrm{\τ}}({\mathrm{\α}}_p/4.343)---\left(4\right)$

式中σa是激发吸收截面，τ是荧光的或亚稳水平寿命，Aclad是内包覆的截面，αp是以dB为单位的激发吸收。这样，从等式(4)，发射激光的功率阈值主要取决于内包覆长度和活性光纤中激发吸收长度上的背景损耗。

参考图6，如果由活性光纤30提供的Yb光纤激光器用一个单个的2W大面积激光二极管72激发，输入激发功率Pin＝1600mW实际上在内包覆32中发射，为了高效率的激光器的工作，发射激光所需要的阈值功率应不超过约输入激发功率的四分之一，或400mW。取αp＝6dB，hv＝2.16×10^-19J(对于920nm激发)，σap＝8.3×10^-21m²，τ＝0.8ms以及Pth＝0.4W，从等式(4)可知包覆面积最好为Acad＝890μm²。这样，对于用920nm大面积激光二极管激发的掺Yb的976nm双包覆光纤激光器，从等式(2)得到的建议的包覆对核心的面积比为2∶1到8∶1，从等式(4)得到的内包覆的截面积应不超过900μm²，因为阈值应尽可能多地减小。

带有这样小的包覆对核心面积比的双包覆光纤是可实现的。对于一个在10×30μm椭圆多模内包覆中的8μm直径的圆核心，面积比等于(5·15/4²)≈4.7，该值小于对于Yb为8的最大理论比。

但是，内包覆的最小面积的实际尺寸将受到材料(NAclad和折射率对比或折射率差)的选择和激发光学聚焦质量的限制。用为2或更大的包覆纵横比将不可能有小于2的包覆对核心面积比CCR，除非核心也是椭圆的。另外，用常规的光学方法，很难做到将尺寸上100μm的大面积激光聚焦成小于20μm的光点，制作一个大于10μm的单模核心是不实际的，因为所需要的折射率对比或折射率差将太小。这再一次规定最小的CCR大约为二。

在带有小包覆对核心面积比(CCR)的双包覆激光器中，信号的包覆模式将和掺杂的核心重叠到充分的程度以经历在高阶模式(HOM)中的增益。波导的任何模式都有一个光学场的一定的分布。它仅被放大得同和掺杂区域重叠的场一样大。大多数基础核心模式的场在核心34中，如果所需要的转化的水平被达到，该模式将被明显地放大。但是，内包覆因其大尺寸支持许多不同的模式。一些离子将总是自发地跃迁，向每种模式，核心和包覆给出相等数量的光子。如果包覆在尺寸上和核心可比较，至少一些高阶内包覆信号模式将有其场和核心中的离子的充分的重叠，而也得到放大。这将使激光器效率变差，因为在高阶包覆模式(ASE)中容纳的光学能量将不被耦合到单模输出光纤上去。

用于激光器的一个方案是应用模式选择反馈以保证仅有基本模式的激光器操作。如果提供充分的长度，双包覆光纤本身可被用作光纤激光器，输出耦合器62被形成在双包覆光纤靠近其输出端的内包覆上，如图3和5所示。但是，如果需要更长的长度和与单模光纤的更好的模式匹配，输出耦合器62却可以在单模光纤74的单模核心上形成为腔端镜52，如图6所示。如图6所示的模式匹配耦合17现在将为拼接，下游辫或锥体的形式以和包括作为延伸的光学腔的输出端的输出耦合器光栅52的单模光纤74耦合。该带有光栅的单模光纤74就这样提供了一个内腔横向模式选择元件，该元件被耦合到活性光纤的输出端用于选择最低的横向激光发射模式。这样，为了提供如图6所示的模式选择反馈，输出单模光纤74被模式匹配于双包覆光纤核心模式，单模Bragg光栅的形式的信号反射器，输出耦合器，或信号镜52被设置在单模输出光纤74中以保证对仅有的核心模式有更强烈的光学反馈。如果在单模部分74中的内部损耗充分小，则激光器效率就相对不敏感于镜52外的单模部分74中的外部反射。因此，4-15％的外部反射器52将不会明显降低效率。

或者，反射器或输出镜52可以置于单模输出光纤20本身中，不须介入单模光纤部分74。甚至其单模光栅52的4％的越过空气间隙到图1的不接耦合的输出光纤20的反射足以限定光学腔。单模光纤20被突起耦合到核心34的输出端。

一旦光纤被模式匹配，只有一个模式，即双包覆光纤激光器30的核心模式中的激光发射信号的基础模式将接受反馈，而包覆模式将不接受。这样，反射器或镜52反射信号光以执行模式选择功能。反射器52和模式匹配的存在将保证包覆模式决不会发射激光。

最好的是，各自的最低阶模式的模式场直径(MFD)横跨活性光纤30和单模光纤20或74之间的连接而匹配。如果折射率不分级，核心的尺寸足够小，这样核心在输出信号波长只支持一个横向模式，因此该横向单模具有用于优化耦合的等于标准单模光纤的模式场直径的模式场直径。

作为一个实例，一个30×10微米(或μm)的多成分二氧化硅玻璃的矩形内包覆32被置于具有125微米直径的外包覆36中并有其核心直径42为6微米的核心34，以提供接近匹配于一个CS980单模光纤20的输出模式。最好用硅酸锑玻璃。另一种多成分二氧化硅玻璃是60SiO2 28Al2O3 12La2O3(摩尔％)。即使可用其他单模光纤，单模光纤20最好是由Corning公司制造的用于传播980nm波长并有标准的125微米外径的CS980单模光纤。

将温度膨胀系数(CTE)的失配降到最小对增加光纤可靠性是非常重要的并有利于光纤的劈裂和端面的抛光。内包覆和外包覆之间在遍及0-200℃范围中小于+/-30×10^-7℃的CTE失配是最好的。虽然核心对包覆的CTE失配可以对抛光是重要的，失配的最重要点是内包覆和外包覆之间。这样，核心最好也用和内包覆材料的热膨胀系数(CTE)失配在遍及0-200℃范围中小于+/-30×10^-7/℃的玻璃制成。用锑硅酸盐，铝镧硅酸盐，铝磷锗硅酸盐和各种其他氧化物玻璃，这些要求是相对容易满足的。对于诸如三坩埚抽拉的某些光纤制造技术，为了更好地控制波导的形状，匹配核心，内包覆和外包覆玻璃的黏度也是重要的。

因为本发明指出，高转化水平应该在遍及3级激光器的整个长度上保持，相当数量的激发功率将通过另一端并在该另一端逃逸。因此，为了最大限度地提高激光器效率，最好使用激发反射器56将残余功率反射回装置。

甚至一个很小数量的信号反射也能引起不希望的多路干扰效果。这样，激发反射器56将优先在靠近光纤终端的图5的掺杂激光发射波导内的基质腔光纤中形成，但也可以设置在激光发射波导的外面和/或形成在被拼接而连接到激光发射光纤的不同的光纤中。这样，选择性地从在图3和6中的无掺杂双包覆部分58中的光纤终端移位一个小距离，被用作激发反射器的多模光栅56，如果多模光栅56被设计成在激发波长100％反射以及在信号波长5-15％反射，也可以对信号提供一些模式选择反馈，或也可以对其他反射光谱提供一些模式选择反馈，这样，它对信号就是透明的，对激发就是高反射的。在用作激发反射器56的对于双包覆结构的非活性掺杂的双包覆部分58(或在图4的锥形光纤激光器结构中的非活性掺杂的多模部分58)中将光纤Bragg光栅(FBG)模式匹配地直接耦合(拼接)17到图1的单模光纤或耦合到一个介入单模部分74，可以通过在大部分在双包覆的多模内包覆部分中或在锥形光纤激光器的多模核心中传播的激发带宽的波长的空间模式中最大程度地反射功率而提供模式选择反馈，提高激光器的功率输出。

总之，这样用作一个激发反射器56的多模光纤Bragg光栅(MM-FBG)重新利用未在多模或双包覆掺Yb区域的终端吸收的残余激发功率。对于激发反射器，应该在激发波长例如920nm带中的波长反射尽可能多的模式。在高NA多模光纤中激发反射器应反射尽可能多的模式，但不应反射980nm的激光线。这些激发模式可以被自我反射，或可以被耦合进其他向后传播的模式；两者中的任一反射都将有助于激发的重新利用。通常，所有更高阶的模式都在更低的波长进行反射，因为neff对于每一个更高阶的模式都更低。

参考图7，均匀光纤Bragg多模光栅的反射光谱显示，对于更高阶的模式，在连续更短的波长上Bragg条件被满足。为了反射更高阶的模式，用线性调频的FBG增加光栅周期是有利的。线性调频涉及沿光栅的频率或周期性的变化。

作为激发波长带宽64的一个实例，从915nm到925nm的目标激发敞口被假定允许激发波长随增加的二极管驱动电流的位移。在925nm处基础模式的反射需要在n_core＝1.53的光纤中的Λmin＝302nm的光栅周期。在915nm处(n_eff～1.456)最高阶模式的反射需要Λmax＝314 nm的光纤周期。带有12nm线性调频的MM FBG因此将有效地反射所有的激发模式。在978nm的激光发射模式不会受到激发反射器56的影响，因为光栅周期小于320nm，该周期是用于反射激光发射波长的光栅周期。

参考图8，图中显示了作为核心折射率函数的线性调频FBG设计的允许的参数空间。虚线代表在920nm的激发的最低阶和最高阶的模式。实线指出了对于所需要的980nm的激光线的模式。理想的激发反射器跨越在虚线之间的FBG周期的范围，但不超过LP01 980nm的边界。在因为在激发(915-925nm)和信号带(976-980nm)之间小的波长分隔而不反射信号模式方面有一个限制。高折射率光纤中的光栅遇到和高核心折射率有关的设计限制。如果折射率太高，对在激发反射器上所允许的线性调频有一个限制，因为在靠近所需要的激光发射信号的波长上避免反射基础模式是符合要求的。

分别对于在920nm和980nm处的激发和信号波长，以及假定二氧化硅包覆，如图8所示，该限制在约n＝1.55处。这样，当核心折射率超过1.55时，980nm基础模式的反射就成为一个问题。该核心折射率限制将取决于被讨论的光纤几何尺寸，包覆材料以及精确的波长而变化。

实际上，最大光栅周期可以比由在920nm处的最高阶模式(图8中的上虚线)指出的周期更短。因为大部分激发功率被携带在较低阶的模式中，第一30到50模式的反射被希望对激发反射是充分的；然后光栅周期Λ的上界就由第30或第50模式的有效折射率n_eff确定，而不是由包覆折射率n_clad确定。

减小光栅周期对高NA光纤和带有低感光性的基质光纤提供了一些设计空间。低感光性意味着低线性调频率和/或长相互作用长度以达到高反射系数。精确的线性调频率和光栅长度将由所选择的多成分二氧化硅光纤的感光性和激光器腔内的光栅的允许范围确定。

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激发反射器的光栅带宽应和激发的尽可能多模式中的激发带宽一样大。这样的效果是当在看所有反射的模式时光栅带宽比激发带宽大。例如，如果915nm处的基础模式被反射，则在较短波长例如910nm处的更高阶模式被自动反射。与此类似，为了反射在925nm处的最高阶模式，在较长波长处即930nm的较低阶模式将被反射。例如参看图9，图中显示的MMFBG有大于12nm的带宽。激发反射器的带宽将基于激发的带宽，光纤的折射率(根据图8)和其他参数设计。

这样，为了选择光栅周期或激发反射器的线性调频，本发明指出，多模激发反射器应具有在和激发波长的基础模式有关的最小光栅周期以及作为和信号波长的基础模式或激发波长的最高模式两者中的一个有关的激光器光栅周期的最大光栅周期之间的光栅周期。参考图8中对该规则的实施，选择x轴上的光纤核心折射率，找到相应于线LP01，920nm的y值。这给出了光栅周期上的下限。用同一个x值，找到相应于LP01，980nm(如果n_core＞1.55)或LPpq，920nm(如果ncore＜1.55＝的激光器的y值。这给出了光栅周期的上限。这相应于在由双向箭头指明的“激发反射器”显示的区域中选择激发反射器并将其保持在由“禁止区域”指明的区域之外。如果用众所周知的相掩模形成技术，相掩模周期由加倍光栅周期得到。

多模光纤中的输入镜60也可以为了双包覆光纤中的优化模式甄别而设计。在双包覆光纤激光器中，带有很相似有效折射率的基础模式和一些更低阶模式可以感受到有显著的增益，如在和图6的输出镜52的关系中讨论的那样。

光纤激光器最好有非线性调频(或很慢的线性调频)的MM输入镜光栅60，基础模式匹配于所需要的窄带激光发射信号波长。为了避免在带有潜在增益的的其他波长上的不希望的反射，带宽由和高核心折射率有关的设计规则限制。例如，在带有10μm内芯(直径)，折射率n_clad，2＝1.46的外包覆和折射率n_clad，1＝1.62的内包覆的32μm×16μm椭圆双包覆光纤中，对低阶模式计算下列有效折射率

	场合1(ncore＝1.622)	场合2(ncore＝1.624)
			eff，0	1.62105	1.62290
eff，1	1.61978	1.62130
			eff，2	1.61807	1.61918

如果光栅有0.3015μm的周期，场合1的模式0，1，2的Bragg波长为977.5nm，976.7nm和975.6nm。这样，如果光栅带宽被忽略，更高阶模式将被反射，并且可能发射基波的激光，Bragg波长落入激光器的带宽(约2nm)。但将光栅带宽约束到小于0.5nm将选择性地只反射基波并有利地增加差分模式损耗。

为了选择信号反射器或镜的光栅周期或带宽，选择x轴上的光纤核心折射率并找到相应于LP₀₁，980nm的y值。这里目标是单模信号反射器，因此最好不是线性调频的，但线性调频的输入镜60(如图15所示)或线性调频的输出镜(未显示)也是可能的。这里光栅带宽大致由下列等式方程确定：

    Δλ/λ_j＜Δn_j/n_j.               (5)

在该用于最大程度增加差分模式损耗的简化条件中，左手项是光栅带宽被第j模式的Bragg波长除，右手项是0阶模式和第j模式之间的有效折射率差被后一模式的有效折射率除。

例如，从等式5可知，如果n_eff，0＝1.62105，为了设计一个980nm的反射器，Λ＝0.980/(2*1.62105)＝0.3023μm。下一个模式发生在n_eff，1＝1.61978，或979.23nm处，因此光栅带宽应小于980.0-979.23＝0.77nm。这可以在从约340μm(0.77nm带宽)到520μm(0.5nm带宽)长的任何地方用均匀周期的FBG制作，或用其他众所周知的诸如高斯变迹光栅的设计制作。

高折射率光纤中的光栅也要求特殊的相掩模，通常带有比标准相掩模低得多的周期性，因为必须满足Bragg条件以容纳高很多的有效折射率。这些较低周期性的掩模可商业得到，但因为需要定制而成本很高。

可以使用几种方法得到线性调频的多模FBG。最简单的是用特殊设计的线性调频的相掩模。FBG曝光过程则和均匀的FBG完全一样。用发散(或会聚)光束和均匀相掩模的光束操纵方法也可以应用，但不提供如线性调频那样的宽范围。当光束被散布(会聚)到相掩模后面时，光栅周期少许发生改变，线性调频的FBG可以通过将光纤转换到一个新的部分和用每次曝光转换到距相掩模不同的距离依次在FBG的区域中形成，或通过相对于相掩模的平面倾斜光纤而形成。

例如，如图12的剖面所示，线性调频的激发反射器56用UV形成在双包覆掺Yb的OVD粉末掺杂的多成分二氧化硅光纤的掺Ge椭圆内包覆以及所包围的核心中。光栅用10x的扩束器以及630nm±8nm/cm相掩模在244nm处形成。在10分钟曝光时间中传递深度在ANDO光功率计中进行监视。来自在500mA下偏置的920nm二极管的功率通量在曝光期间被降低1.76dB，因此反射率(R)约为33％。这符合相对于平面劈裂的参考水平测量的峰值反射(+9063dB)，其也预计33％的反射。在其他的光学设计限制中，一种优化的MM-FBG激发反射器将有更强的反射系数。

来自MM-FBG激发反射器56的反射光谱在图9中显示(实线，左轴用于样品3477)。图中也显示了商标为Corning CS-980的单模光纤中的单模光栅作为对比，该光栅是用同样的UV光束形成的(虚线，右轴，任意参考水平)。多模光纤中的多模光栅被设计成有12.55 nm宽(Δλ_3dB)，因为在多模光纤中有很多模式符合Bragg条件，其中在单模CS980光纤中的初级峰只有3.6nm宽。在单模CS980光纤中较弱宽度的光谱也能看见，因为光栅波长在截止波长之下。更大数量的对每种更短的波长反射的模式解释了由多模激发反射器56增强而增加的功率。该线性调频的MM-FBG显示，如果在基质光纤中能得到充分的感光性，对于光纤激光器的应用，线性调频的激发反射器是可行的。

不管是在双包覆还是锥形的光纤激光器中，在多模光纤的非圆形部分中的光栅都对监视和测量提出挑战。对于标准光纤的拼接损耗通常是高的，特别是对于双包覆光纤的矩形内包覆或锥形光纤激光器的矩形核心，因此，这进一步减小了探测的信号。多模50/125μm级折射率光纤被用作向光栅发射光的发射光纤，MM光纤耦合器被用于监视光栅的反射。在光纤激光器的活性掺杂的非圆部分中，拼接损耗由吸收合成。掺杂的和不掺杂的(虚设的)光纤部分可以被用作为在其上应用光栅的多模媒介。通过在光纤区域外沿光纤的散射和/或其他任何模式耦合造成的更高的光纤损耗也合成了测量误差。在适当设计的实际的光纤激光器中散射损耗将通常被减小。通过将光栅形成得非常接近输入拼接，散射损耗的影响被减到最小，以减小在非圆光纤部分中的传播长度。在几个实验的情况下，仅在反射中监视光栅的生长，因为传输损耗达到禁止性地高。在传输中的监视也是困难的，因为不是在每个波长上的被反射模式中的功率仍到达探测器。诸如基于光纤测量的受到光纤性能的影响的光纤形成和监视技术可以被用于在实际的光纤激光器的制造期间在掺杂的MM光纤中形成光栅。

任选地，如果在光纤形成效率中过大的差别归因于对取向的灵敏度，则在非圆光纤部分中形成光栅之前或期间可以进行转动性的对准以保证沿一个轴线或其他矩形核心或内包覆光纤部分的曝光。

经优化的光纤取决于光纤激光器的其他设计参数，反过来也一样。通常，将在激发光和活性掺杂的光纤核心之间的重叠做到最大是有利的。这样，使核心更大和使内包覆更小是合乎要求的。更大的核心改进了激发吸收，更小的内包覆有助于用较少的激发功率产生更高的转化。但是已经讨论过的和将要看到的其他因素将最佳核心尺寸限制到相应于几乎是双模式核心的尺寸。最容易遵循的实例是在980nm处用Yb光纤激光器的情况。因为是塑料，就需要不大于5或6的面积比(CCR)。对于当前给出的材料和光学耦合的能力有一个限度，在激发耦合效率将开始承受之前包覆的尺寸可以减小到这个限度。给出该最小包覆尺寸，将包覆对核心的面积比(CCR)减小到小于5或6的唯一的方法是开始使核心大了还要大。

但是，核心和内包覆之间的折射率差不能使其太小，或光学场将不简单地限制在核心，如已经讨论的那样，核心波导将有太大的弯曲损耗。这样，对于一个给出的折射率差，一种方法可以仅增加图5的核心直径42在核心成为多模之前那么多(实际中直至约10μm)，除非核心是用分级的折射率制成的。已知的是，对于一个给出的折射率差，如果核心有分级的折射率，稍大的核心可以仍是单模的。在978nm上工作的Yb光纤激光器的情况下，较大尺寸的分级折射率核心降低了对于不需要的1040nm线的增益。在其他情况下，尤其是如果内包覆波导有显著数量的无源损耗，较大尺寸的分级折射率的核心允许其在较短的光纤长度吸收同样数量的激发功率，增加了器件的效率。核心折射率分布的分级可以通过例如退火核心-内包覆预制品或在更高的温度下抽制而使其有明显的掺杂剂扩散而达到。当核心熔化以及包覆层软化时，扩散过程相当迅速，因此分级的折射率剖面可以在原地产生。

分级折射率的一种基本形式是一种直至外包覆的边缘其折射率都完全分级的核心。然后，在核心和内包覆之间没有经限定的边界，它们成为一体。还有，这样的波导的0阶或基础模式在其真正的中心用一个相对小的模式场直径(MFD)限制，各种高阶模式更均匀地填充所有的波导区域。这样，面积比(CCR)的一种模拟是一种规定的形式面积比，而不是玻璃层的面积比。

如已讨论的，许多因素影响用作波导结构的双包覆光纤的优化设计。波导中的模式数及其强度(场)分布取决于波导形状，折射率对比或折射率差Δ以及尺寸。

对于当核心和内包覆(分级折射率)之间的线难以抽出时的情况，物理截面的面积比(CCR)不能简单地限定。在该用作“双包覆”光纤的核心和内包覆的高折射率差分级的波导的独特的情况中，形式面积被定义为物理面积，该面积上模式的光学强度高于其最大值的1/e²(或电场幅度高于其最大值的1/e)。即，当核心和内包覆形成一个由一种材料制作的有连续变化的结构，因此折射率从波导的中心部分到边缘逐渐减小(分级)的单个的波导时，波导的中心部分被掺以有三级跃迁的光学活性的离子以形成一个掺杂区域，然后在带有掺杂区域的波导的基础(0阶)信号模式之间的重叠最好被设计成不大于和掺杂区域结合的波导的所有激发模式的重叠的七倍。

然后对物理截面面积比(CCR)的直接模拟将是a/b的比，其中“a”是所有传播的相结合的激发模式的截面面积，“b”是基础(0阶)信号模式的截面面积。在该情况下的所有模式为包括核心和内包覆的分级波导的模式。但是激发将使用所有这些模式，以及信号将理想地只在零阶模式中传播，对于合理的高折射率差给出所需要的约3∶1到5∶1的比。所有传播的相结合的激发模式的截面面积和单信号模式的截面面积的3∶1到5∶1的形式比对镱3级激光器尤其有利。

对于标准的情况，当核心和内包覆有明显的边界时可以作出相似的定义，因为再一次指出，因为激发用了包覆的很多模式，信号只用了核心的一个模式。但是，对于标准情况，该定义将给出和物理截面面积比(CCR)几乎同样精确的数值。

在光学上，对于“etendue”守恒，双包覆光纤30的NAclad和光点尺寸的乘积必须等于或大于图6的激光二极管72上的数值孔径(NAlaser)和光点尺寸的乘积。如果光学器件被用于再放大激光发射区域的图象，同样的光学器件将自动地使光束更加发散，或增加其NA。然后内包覆(用作激发波导)NA，NAclad必须等于或大于输入光束用于收集所有的光。对于NA的一般的定义涉及最大发散角，光束在该角度上能进入波导并仍经历了波导所需要的所有内部反射。对于一个典型的100μm宽带激光器，平行于带(慢轴)的发散角相应于大约为0.1的NA。大于0.35的光纤NA则对于激发光进入30μm核心的高效率耦合是合乎要求的。对于15μm核心需要0.7的NA。

这些NA值说明内包覆和外包覆之间一个非常高的折射率对比或折射率差并且高于在标准的二氧化硅光纤中能得到的数值。但是它们可以用多成分玻璃得到。钛二氧化硅和镧铝二氧化硅光纤已经用相对于二氧化硅的高折射率制造出来。用于核心和内包覆的用不同成分的锑二氧化硅光纤也已经用相对于二氧化硅的高折射率制造出来。几乎任何多成分光纤都给出高折射率，例如，基于磷酸盐，铅二氧化硅和锗酸盐作为复合成分的光纤。但是，核心的化学和物理性能必须和内包覆相协调，掺杂剂的分光性能必须保持。已知的是，Yb⁺³和Nd⁺³可以被掺进二氧化硅以外的玻璃并产生几乎相同的跃迁级别。

光波导的NA也涉及最小内包覆尺寸和具体纵横比的阈值功率值。通常，光纤的NA越高，所需要的阈值功率越低。相对地说，具有高度对宽度的统一纵横比(AR)值的方内包覆所需要的阈值功率最高。有其次最高的阈值的是圆内包覆。作为矩形多模内包覆落差的纵横比，对于激光发射的阈值功率被明显地减小。对于矩形的大于4/π或1.27的纵横比，矩形内包覆比圆内包覆有更小的对于激光发射的阈值功率。例如，对于带有0.6的数值孔径的波导，对于激光发射的阈值功率被从对于33μm直径的光纤的圆内包覆的900mW减小到有为3的纵横比(33μm×11μm)的光纤波导的矩形内包覆的200mW。这些尺度和宽带二极管激光器的图象尺寸相一致。如果2W的二极管是普通可获得的宽带激发源的限制，则对于激光发射的阈值功率的减小是极其有利的。

如已知的那样，对于激发光的高效率的耦合，双包覆光纤的内包覆的几何尺寸应和激发二极管的几何尺寸匹配。不幸的是，大面积半导体激光器的光发射点强烈不对称，纵横比至少为100∶1。光束在快轴方向(垂直于晶片平面)通常是单模的(高斯的)，在慢轴方向(平行于晶片平面)是强烈的多模的。慢轴方向是最重要的方向，基本限定了激发波导或光纤激光器的可容许的尺寸。

参考图10-14，本发明指出了可以用于图5的内包覆32的多种细长的形状，在技术上最方便的一个形状是矩形内包覆321，“跑道形”内包覆322或椭圆内包覆323。较长(慢轴)的尺度应至少比二极管激光器光圈(图6的Dlaser48)的宽度乘以二极管慢轴Nalaser对光纤NA的比的积大10-20％。例如，带有0.1NA的100μm激光器被用于激发，光纤内包覆的NA为0.3，则该包覆的较长的尺度应至少为1.2·100/3＝40μm。为了尽可能小地保持包覆的截面面积，较短(快轴)的包覆尺度应使其正好足够大到容纳单模的核心。包覆的结果的纵横比将是1.5∶1或更高。和相对小的包覆对核心的面积比(CCR)相结合的内包覆的矩形，椭圆形或其他细长的形状将通过使激发模式和掺杂核心的重叠的均衡而保证均匀的激发吸收。在图10-14中提出的五个形状中，包括未提及的钻石形内包覆324，在比核心圆正好更大的圆的中间有一个延长的中心椭圆延伸的土星形内包覆325，对于给出的核心尺寸将有最小的可能的包覆对核心的面积比(CCR)。

没有试图精确地说明在图10-14中的活性光纤30的截面积表示中的相对直径。但是，内包覆32的面积最好大致小于核心34的面积的二十五倍。还有，有可能用空气(n＝1)作为包覆。

参考图3，5和6，除了其长度和其涉及的波长相比非常长外，活性光纤30的长度46相对不重要，因此任何高阶模式都足以被其长度所淹没。在实际中，该长度46由核心中的稀土掺杂水平和所需要的激发吸收效率确定。在某些环境中，1cm的长度也嫌长。

替代使用图6的分离的聚焦元件70，宽带激光器72的光学性能也可以足以允许直接耦合进多模内包覆32中。但是，如果需要聚焦元件70，技术已经发展到能够高效率地将来自具有典型的在慢快轴分别有100×1μm²尺度，0.1/0.55的NA发射孔径的大面积激光二极管的激发功率耦合到带有30×10μm²截面积，大于0.42的有效数值孔径的矩形核心的光纤中去。术语“慢”和“快”分别涉及“平行”和“垂直”于激光二极管的结平面。为了高效率地耦合来自在慢快轴分别有100×1μm²发射器尺度，0.1/0.55的NA发射光圈(在5％的最大远场强度点测量)的大面积半导体激光器72的光，可以设计耦合光学器件或其他束成形器70以产生在慢快轴分别带有30×10μm²尺度，5％的0.35/0.12的NA的近场发射器的图象。

不考虑是否是直接的耦合，激发信号可以由图6的有AlGaAs或InGaAs宽带，阵列，或在短于976nm但在镱吸收带内的波长发射的二极管棒的形式的激光二极管72提供。实际的激发带宽从850到970nm延伸，更优选的范围为910到930nm，最优选的范围为915到920nm。这些带和激光发射波长的精确值取决于电介基质并可以变化几个纳米。

如在图6和图10-14的示意图中所示，二极管或大面积激光器72和多模包覆32的输入(垂直或水平对准的相似物)的相似的椭圆，矩形，长圆，或其他细长的纵横比允许透镜或光纤耦合器，光学激发器，或其他光束成形器或聚焦元件70将宽带或“大面积”激光二极管72或甚至是二极管棒的相对大尺寸的输出聚焦进光纤激光器或其他类型的亮度转换器30的宽多模包覆32中。最好，内包覆有大于1.5的纵横比，尺寸充分小，以允许来自大面积激光二极管72的激发光的耦合，产生充分的高激发功率密度。双包覆光纤的内包覆可以用各种方法被抽拉成例如椭圆，矩形的细长的形状。可采用的方法包括三重坩埚抽拉和管内杆技术，部件被加工成需要的形状。CVD，OVD，sol-gel，和管形软玻璃是其他可采用的方法。

图10-14的多模包覆32的矩形，椭圆，长形或其他细长的截面尤其有利，因为其进口面323更容易与宽带激光器72的有宽到高的纵横比(AR)为100∶1的发射图形匹配。也就是，波导进口面323的宽度可以基本做得比其高度大，被限定长高的纵横比。即使耦合光学元件在被从其初始的100×1μm的尺寸缩微时被设计成形成在两个垂直方向有大致相等的NA的束(有利于保持高功率密度)，结果光束的腰部在二极管芯片的平面将还是基本比其在垂直的方向例如30×5μm更宽。如果包覆波导截面匹配该形状，则几乎所有的激光二极管功率都能容易地耦合进波导，同时保持高光学激发功率密度。高功率密度允许比圆的或方的波导能得到的更低的对激光发射功率阈值。其他延长形状的内包覆截面，例如椭圆的132，“跑道形”，钻石，“土星”，或任何其他束匹配形状都能被用于匹配激发发射区域的形状。但是，对于光纤激光器或亮度转换器30的输出，有基本为圆的单模横场作为其从核心34的输出是合乎需要的。对于光纤激光器30的输出，有基本为圆的模式场是合乎需要的，因为图1的常规的光纤20也有圆的模式场，并且模式场尺寸及形状匹配越好，耦合损耗越小。

对于任何给出的内包覆的NA，双包覆光纤的更长尺度将由耦合所有可能得到的激发功率各种要求而固定(因为大面积激光发射器的尺寸被固定，并且仅能再放由相对于大面积激光器的NA的光纤NA限定的数量)。然后第二的或更短的尺度能被变化。但是，如果更长的尺度是一样的，带有纵横比3∶1的细长的形状将具有小于1∶1纵横比的形状的三分之一的表面积。因此，带有这样小表面或包覆面积的相应的激光器可以具有降低大致三倍的阈值。这样，虽然可以用已知的D形状的内包覆建立3级的激光器，带有椭圆形的或其他细长形状的内包覆将提供明显更低的阈值因此有更高的效率。设计优化的3级双包覆光纤激光器中的大量因素反过来涉及到包覆对核心的面积比(CCR)。对于给出的光纤NA和激发激光器NA，内包覆的一个尺度不能减小到低于一定的尺寸。但是为了高转化而尽可能多地减小表面积，根据本发明的原理，其他的尺度也能被缩减。这样，最好的是，单有面积和纵横比的规格本身都对建立高效率的装置不充分，只有同时符合两个规格才能提供充分的转化和低的阈值。

对于进一步的形式增益的甄别，除了使用输入和输出光栅镜60和52的选择性以外，光纤的第一或内包覆32的形状和尺度从包括用变形的光学元件使激发功率匹配效率最大的考虑中去选择。一个在平行/垂直于结的平面上带有0.1/0.65的NA的200×1μm²的大面积激光二极管72近场被转化到名义上的30×10μm²的点并以75％的效率耦合进带有图12的有32×16μm²长短轴尺度的椭圆第一包覆截面323的双包覆活性光纤30。这样，通过4-5的CCR上边界，核心直径可以不小于10-11μm，除非在1015nm上的光栅镜损耗增加而超过11-30dB的范围。对于直径的每一微米的减小，需要在1015nm的8dB的额外损耗。

另一方面，一个大的核心增加了复合包覆核心结构的高阶模式(HOM)的增益，这样可以容易地进行激光发射，有阻止衍射限制的性能。最好的是，核心的截面积的尺度被设计成使内包覆的高阶模式经历一个和掺杂的区域比基础模式更低的重叠。因为核心尺寸增加，HOM的Γ因子增加，靠近基础模式的值，导致经减小的有差别的形式增益辨别力。因此，32×16μm²内包覆的双包覆的光纤用11μm直径的核心设计，其在基础模式和最高增益的HOM之间有大致3dB的经估计的进阈值增益辨别力。

当核心对多模式化足够大时，锥形光纤激光器的设计是有利的。取代双包覆激光器结构，图4的剖面图说明了锥形的，台阶的或其他模式转换的光纤激光器。

参考图4，图中说明了一种多模“锥形”光纤激光器或模式转换光纤激光器的“向上台阶”实施例，该实施例中多模部分126靠近单模部分74。在多模部分，多模核心部分126有和单模部分相同的直径尺寸的核心，但多模核心126有比单模部分74更大的数值孔径(NA)。但是，单模部分的包覆92比多模部分的包覆86更大(或“向上台阶”)。多模部分126在输入包括一个比在多模部分的输出有更大数值孔径(NA)的多模部分，输出部分的多模部分和一个作为锥形光纤激光器的多模到单模的模式转换器30的有较小数值孔径(NA)的单模部分74一起使用。被体现为锥形光纤激光器，该模式转换器30有一个带有核心84和包覆86的均匀的多模光纤部分126和带有核心90和包覆92的均匀的单模光纤部分74。多模光纤部分126接收激发光64并提供大部分光学激光发射行为。

单模光纤74在结94处通过例如拼接或其他连接紧靠地耦合或者连接到多模光纤部分126，并有效地输出一个仅为基础模式的激光发射信号66。虽然模式尺寸也取决于核心和包覆的折射率，但最低阶模式的模式场直径在两个光纤部分126，74中匹配，如在图4中通过其有相同直径的核心84，90表明的那样。结果，多模光纤部分126在其核心84和包覆86之间有更大的对比，因此是高NA光纤或波导，而单模光纤部分74在其核心90和包覆92之间有较小的对比，因此是低NA光纤或波导。

或者，最低阶模式的模式场直径在两个光纤部分126，74中匹配，如在图4中通过其有相同直径的核心84，90但仅在一个轴上表明的那样，因为最佳多模核心84将是椭圆的或矩形的，在多模和单模部分有同样直径的包覆。结果，多模光纤部分在其矩形核心84和包覆之间将还是有较大的对比，因此是高NA光纤或波导，而单模光纤部分74在其圆核心90和包覆之间有较小的对比，因此是低NA光纤或波导。

作为多模光纤部分126的一部分，核心94被掺以可光学激发的离子并在光学腔的被激发终端被多模激发源72在激发波长激发时有三级光学跃迁，用以在由均匀的单模光纤部分74提供的光学腔的激光发射终端以不同于激发波长的信号波长发射激光。最好的是，核心从多模终端到单模终端是折射率转换的或稍许锥形的，这样，光学活性光纤在靠近多模终端在所述激发波长是多模的，在靠近单模终端在信号波长是单模的。

第一多模光栅60形成在高NA波导部分126的输入端用于限定光学腔的输入端。单模光栅62形成在低NA波导部分74用于限定光学腔的第二端。第二多模光栅56形成在靠近高NA波导部分126的输出端处，不管是整体的还是拼接的，用于在光学腔中传播的激发带宽的大部分波长上最大程度地反射空间模式的功率。

参考图15，高NA波导部分由有高纵横比的诸如有来自成为矩形核心342的矩形截面的多模核心34体现。如图4所示，单模输出光纤20或任选的介入单模光纤74形成了低NA波导部分。取代在多模到单模之间的模式选择滤波器300的均匀的台阶跃迁，该光纤激光器用少许倾斜的或其他锥形的模式选择锥形部分360以绝热地将多模转换成或另外耦合至单模。

因为在单模光纤和多模光纤之间的一个基本区别是其核心直径的尺寸不同，图4的模式转换器300可以两者择一地被实施为基本上从较大的核心直径到较小的核心直径过渡或耦合自身以将多模匹配到单模。

在本发明的一个实施例中，采用一个有输入核心截面342的矩形核心35以减小掺杂核心的活性区域，不损害图4的激发二极管72和多模部分126之间的耦合效率，匹配椭圆形的激发辐射或发射。其他形状的输入核心截面，例如椭圆的以及任何其他的匹配束形状，可以被用于匹配激发发射区域的形状。但是对光纤激光器的输出，合乎理想的是具有基本为圆形的模式场作为其输出截面或核心直径340。对光纤激光器的输出，合乎理想的是具有基本为圆形的模式场，是因为常规的单模光纤具有圆形的模式场并且模式场的尺寸和形状匹配越好，耦合损耗越低。即使核心34可以是其他的形状，对该光纤激光器的应用矩形的纵横比最佳，因为激发激光二极管72也有矩形的光束。

在一个形成多模部分126的示例方法中，矩形核心材料34被置于有比核心的折射率更低的折射率的包覆管36中。任选地，为了进一步的稳定性或进一步的纵横比控制，一个上覆包覆管，锥体，套管或插头360用和第一包覆管相同的材料或一些其他成分制作，因此上覆包覆有和第一包覆管相同或更低的折射率以通过包围该光圈建立更多的包覆材料分别控制经转换的光纤的数值孔径或减小该孔径。任选的上覆包覆管360的示例的成分是掺硼的二氧化硅。

因为核心玻璃34经选择为不同的材料，因此当其被根据本发明的原理加热到抽拉光纤以及使结果的光纤稍许成锥形而有用于耦合到单模光纤的合适的输出40所需要的温度时，其比纯粹二氧化硅包覆36软得多，核心玻璃34将更有流动性和符合规定的几何尺寸或和包覆36一致。核心的形状无关紧要，更有意义的是，NA能被下降，而用软玻璃核心更圆形状能做得。流动性的核心34将开始熔化二氧化硅的包覆36，降低核心34的折射率，提供和在锥体340的输出端的标准单模光纤20的更好的匹配。

如果核心是矩形的，则在短轴方向的熔化或玻璃混合率更快，因为沿长轴的物质传送受到限制。核心34可以通过开始时使包覆管具有用于在管内沉积核心玻璃材料的矩形的通道，槽或其他形状的开口而从一初始做成矩形。

因为核心比包覆软得多，在锥形化的过程中核心在光纤的密封端之间将变成流体。流体玻璃的热膨胀两倍到三倍于固体玻璃的热膨胀，使核心成为受到压力。核心中的流体静力学压力将施加一个和压力作用的面积成比例的力。这样，矩形或椭圆形的核心的较大的侧面将受到一个较大的向外的力，将侧面推成更圆的输出截面。这样，根据本发明的原理，在抽拉颈缩区域102以及通过核心扩散/熔化和膨胀减小核心的纵横比和NA时，模式转换或NA转换锥体的纵横比可以从较大的矩形输入截面342减小到较小的圆形输出截面340。更具体地说，锥体或颈缩区域102通过加热光纤126的部分和在张力下拉制而制作。张力由包围或替代任选的上覆包覆360的另一个外管，外包覆或套管(外壳或预制品)提供，通过其矩形核心光纤36被初始穿过，以使现在当光纤36被加热和抽拉到所需要的构型时，张力包围和改变了形状。最好的是，上覆包覆管或外壳的材料用相同的或相似的包覆材料制作，诸如掺硼二氧化硅。

有可能直接激发成锥形波导。但是锥角必须进一步减小，以使激发光不会漏到颈缩区域102的锥形波导外。通常最好的是在相当明显部分的激发光被吸收之前不开始进行锥形化，而且锥形化得不能太多。

这样，通过锥形化或其他耦合到基本是圆的几何形状和带有经减小的NA的单模或几个模式的波导，初始的矩形多模波导342就可以被转换。这个方法已经成功地应用到将一个在多模矩形输入处的30×10微米的多成分的二氧化硅玻璃的矩形核心玻璃34转换到一个紧密匹配于CS980单模光纤20的输出模式中去。最好的是，多成分二氧化硅玻璃是83.5SiO₂ 9.8Al₂O₃ 4.2La₂O₃ 2.5GeO₂+适当的稀土离子掺杂剂(摩尔％)。即使可用其他单模光纤，单模光纤20是由Corning公司制造的CS980单模光纤，用于传播980nm的波长，并在全部光纤上有125微米的直径。通过这种模式匹配于CS980光纤20的模式转换器可以得到小于0.5dB的损耗。

因为核心被熔化以及包覆被软化，扩散的过程相对较快，因此在原地可以产生分级的折射率分布。通过对包覆材料的适当选择，所产生的经转换的光纤可以被熔化拼接到常规的光纤，使经转换的光纤在现存的光纤网络中更加实用，使设备的制造更容易。

一个第一多模光栅60被跨越矩形核心形成在高NA波导部分126的输入端用于限定一个光学腔的输入端。另一个多模的，单模的或两者之间的光栅62被跨越圆核心形成在低NA波导部分40上用于限定一个光学腔的第二端。任选地，光栅62可以作为替代地成为跨越单模光纤20的圆模式而形成的单模光栅。一个第二多模光栅56形成在高NA波导部分126或跨越模式选择的锥形部分102的核心而形成，用于最大程度地反射在光学腔中传播的激发带宽的大部分波长上的空间模式的功率。这样，激发反射器56将优先形成在基质腔光纤中的模式选择锥体的内部，但也可以被置于锥体的外部和/或被形成在一个被拼接到腔光纤的不同的光纤中。

跨越矩形核心34而形成，光纤Bragg光栅输入镜60已经被设计成在980nm的激光发射波长上反射基础模式以及传输920nm的激发带和1030nm的Yb光纤增益峰。在一个实例中，当包覆折射率n_clad＝1.456时，带有一个0.45的有效数值孔径(NA_eff)的多模光纤具有大约为1.53的核心折射率。在约为激光发射波长978 nm上的基础模式的反射需要一个光栅周期Λ＝0.320μm(掩模周期两倍于光栅周期处Λ_mask＝0.640μm)。对于Bragg条件将被满足于(n_eff～n_clad)该掩模的最短波长(最高阶模式)在932nm上，因此没有激发模式将受到光栅的影响。在约978nm的激光发射波长上的该FBG镜60也将消除靠近不需要的四级1030nm的Yb增益峰的反馈，因为没有在1030nm上的模式满足Bragg条件。

参考图7，图中显示了作为图15的多模光纤Bragg光栅(MM FBG)60实施的样本输入镜的反射光谱。作为一种实施多模光栅的方法，这样的多模输入镜60被用UV形成在掺GeO₂的Al₂O₃-La₂O₃-SiO₂多成分二氧化硅光纤上，被用作为一个虚拟的多模或非活性掺杂的部分，相似于在掺Yb的锥形光纤激光器(YTFL)中应用的情况。具体地说，光纤被跨越常规熔化的掺Ge的Al₂O₃-La₂O₃-SiO₂多成分玻璃光纤的矩形核心而形成。在该实例中，光栅用637nm的均匀相掩模在244nm上形成。该光栅紧密接近于一个目标介电输入镜(在980nm上高反射，在920nm和1030nm上高传输)。如可看到的那样，基础反射峰显示在979.7nm上。其他的更高阶的峰显示在更短的波长上。在不需要的四级1030nm或激发920nm带上没有功率被反射。

对于双包覆结构，圆柱光纤仅是可以被用作锥形光纤激光器的介电波导的一个实例。光纤可以被抽拉成其他的形状，例如椭圆的或矩形的。而且，矩形介电波导可以通过和应用在半导体制造技术中相似的技术或其他技术，诸如离子交换，溅射，等离子增强化学气相淀积，热水解，以及包括扩散掺杂的LiNbO₃技术形成在平面衬底上。这样的平面波导的一个简单的锥形光纤激光器的实例在图16的正交投影图中示意性地说明。在介电衬底124的顶表面122上形成一个肋波导120，该介电衬底124有比肋波导120更低的折射率。一个分离的未显示的上包覆可以形成在肋波导120上，或者空气可以用作上包覆。肋波导120包括一个矩形的掺杂的多模部分126，一个矩形的锥形部分128，和一个基本为方形的单模部分130。

可能有平面波导的其他形式，包括在两个尺度上成锥形的形式，和在多模和单模部分之间有一个成台阶状的过渡和在双包覆和单模部分之间的其他成分的形式。在平面衬底上形成矩形波导还有其他的好处，因为其允许激光二极管集成在同一个衬底上。从一个预成型品中可以发展出相似的结构。

多模部分126的矩形截面尤其有利，因为其进入面342可以更容易地和可以有1∶100的高对宽的纵横比(AR)的宽带激光器的发射图形匹配。也就是，进入面132的宽度可以被做成大大大于其高度，将被限定成一个高的纵横比。另外，高度可以被做成和单模对应，这样就不需要垂直的锥形化。来自宽带激光器的光发射可以被认为是一个正在波导面132上聚焦的图象。该宽带二极管激光器的图象在二极管芯片的平面上基本上比在垂直方向上宽得多，例如是几十微米对几微米。从而，几乎是所有的激光二极管的功率都可以被容易地耦合进波导，同时保持高光学激发功率密度。高功率密度允许一个用于激光发射的比在圆的或方的波导中能得到的更低的功率阈值。

第一多模光栅60被跨越矩形的掺杂多模部分126形成在高NA波导部分126的输入端用于限定一个光学腔的输入端。另一个光栅62，多模的，单模的或两者之间的，被跨越基本为方形的单模部分130形成在低NA波导部分用于限定一个光学腔的第二端。任选地，光纤62可以作为替代地成为跨越图1的单模光纤20的圆核心而形成的单模光栅以和单模部分130耦合。一个第二多模光栅56形成在高NA波导部分126或跨越模式选择的锥形部分128的核心而形成，用于最大程度地反射在光学腔中传播的激发带宽的大部分波长上的空间模式的功率。

总之，多模光纤Bragg光栅(MM FBG)可以被结合进光纤激光器腔中用作信号镜和/或用作激发反射器。MM FBG已经在相似于在双包覆光纤激光器和锥形光纤激光器中应用的光纤的多模矩形核心和椭圆核心光纤中论证。在椭圆核心掺Yb的OVD光纤中的线性调频的MM-FBG证明，基于激发反射器的MM-FBG对于双包覆的或锥形的光纤激光器腔是可行的。在有矩形核心的YTFL光纤中的均匀光栅证明，基于光栅的输入镜对于薄膜的或微片镜的方法两者都是一个重要的替代方法。在用于YTFL光纤和OVD功率掺杂的双包覆光纤的常规熔化的玻璃中证明的MM-FBG是在非圆光纤核心中形成的MM-FBG的第一个成功。即使这些MM-FBG被证明用于掺Yb的锥形光纤激光器，它们也能被扩展到用多模光纤的其他的激光器腔，例如双包覆光纤激光器，以及扩展到用镱以外的掺杂剂的光纤激光器。这些光栅提供了经增强的器件可靠性，更简单的包装以及超过现有的介电镜淀积技术的制造成本的节约。

对在本技术领域熟练的人员是显而易见的是，对于双包覆的或锥形的光纤激光器结构的选择和设计标准，诸如透镜，耦合方案以及其他光学包装的元件，可以不背离本发明的精神和范围对本发明进行各种修改和变化。因此，如果这些修改和变化落在附后的权利要求及其等效物的范围之中，本发明就涵盖对本发明的这些修改和变化。

Claims (10)

1.一种光学活性的波导激光器，包括：

一个用于在一个预定波长上携带多于一个的空间模式的多模部分，该多模部分有一个第一折射率；

一个靠近该多模部分并有一个低于第一折射率的第二折射率的用于功率增强的包覆部分；和

一个形成在多模部分的至少一个部分上的用于反射预定波长的多模光栅。

2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，其中多模部分包括一个掺以一个感光掺杂剂的多模内包覆光纤区域，该感光掺杂剂用于在该多模内包覆光纤区域中刻制光纤Bragg光栅。

3.如权利要求2所述的激光器，其特征在于，其中掺杂剂包括Germania。

4.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，其中多模部分包括一个多模非圆核心区域，该区域掺以感光掺杂剂用于在该多模非圆核心区域刻制光纤Bragg光栅。

5.如权利要求4所述的激光器，其特征在于，其中多模非圆核心区域包括一个矩形核心。

6.如权利要求4所述的激光器，其特征在于，其中多模非圆核心区域包括一个椭圆光纤核心。

7.如权利要求4所述的激光器，其特征在于，其中掺杂剂包括Germania。

8.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，其中多模光栅包括一个多模激发反射器，用于最大程度地反射在多模光纤部分由一个具有包括预定波长的激发带宽的激发源传播的激发带宽的大部分波长上的功率，并且用于反射在激发带宽中的大部分波长的大部分空间模式。

9.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，其中多模光栅包括一个多模信号镜，用于反射作为由在激发源的多模部分中的传播发射的预定激光波长的信号波长的基础模式。

10.如权利要求9所述的激光器，其特征在于，其中多模信号镜具有一个和信号波长的基础模式相关的光栅周期。

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