专利名称：具有减小的受激布里渊散射的大模场面积光纤放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于光纤;改大器的大模场面积(Large Mode Area, LMA)光纤， 特别涉及，在光学纤芯部分中包括具有结构化声学折射率属性的选定区域的大 模场面积光纤，该光学纤芯部分设计成将声能从光模(optical mode)所占据 的区域排除或折射，从而减小受激布里渊散射(SBS)。
背景技术：
具有光纤放大器的激光系统通常使用在多种应用中，包括电通信应用以及 高功率军事及工业纤维光学应用。在操作中，来自激光源的传播光学信号被引
入到一段光纤的纤芯区域，并通过使用光学"泵浦"信号进行放大。所述泵浦 信号具有预设波长，其将与包含于光纤放大器的纤芯区域中的特定掺杂物(典 型的是稀土材料，如铒、镱等)相互作用从而将传播光学信号放大。
然而，作为产生了不期望的受激布里渊散射(SBS)的结果，高功率光纤 放大器常常受到在功率上的限制。也就是，在光纤的纤芯中，由热产生的声波 使强的光信号背向散射(即，热布里渊散射)。这个背向散射光被从入射光向 下频移一个布里渊偏移频率QB(rad/sec)(斯托克斯散射)，所述布里渊偏移频 率QB(rad/sec)是由光波波长、纤芯折射率及纤芯中的声速所确定的。所述经斯 托克频移的背向传播光与原始正向传播信号光相结合，从而在光纤纤芯中产生 4亍进周期强度图案(traveling periodic intensity pattern)。由于电致伸缩效应， 所述强度图案引起了光纤密度的行进周期调制，所述电致伸缩效应是指在存在 强的光学强度的情况下压缩材料的趋向，从而生成了正向传播的、电致伸缩后 产生的声波，此声波类似于引起原始光散射事件的声波并且具有与引起原始光 散射事件的声波相同的声速。所述调制增强了由原始热布里渊散射事件引发的 散射作用，因而在光纤中产生"受激布里渊散射"或SBS。所述增强是通过两 种不同机制产生的(1 )电致伸缩后产生的声波在相同的波矢和频率下生成附 加散射，以及(2)电致伸缩后产生的压力会机械地驱动已产生原始热布里渊散射的声学声子。SBS能量在背向方向行进，并且与纤维的声学速度和折射率 二者成比例地频移。在一个典型的布置中，在光学波长为1083nm处，信号光 向下频移约15GHz。
SBS的阈值条件可以#1写成
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，4#是光纤的有效模场面积、gB是布里渊增益系数、L是光纤的长 度、BW是信号的带宽以及B『s,。2是硅光纤的布里渊带宽。
在极端的情况下，背向反射SBS能量会从信号抢夺功率并钳制输出功率。 对于高功率稀土纤维放大器，纤芯区域的稀土材料会进一步放大背向反射光，
从而引起极高强度的背向传播脉冲，该脉沖将损坏光纤或其他上游光学元件。 因此提高光纤放大器的性能需要降低SBS。
一种减少SBS的攻击的技术是增加光学模场的面积。如上面所述，由于 光学强度随着面积增加而减小，因此SBS功率阈值Pth与有效的模场面积々成 正比。所以，很多为高功率放大器生产专业光纤的制造商制造具有大纤芯直径 (例如在15-30 iam级别上)的光纤。然而，增加纤芯直径超过25 p m会增加 带宽损失及模式耦合，从而降低传播的光学信号的质量。
另外一种提高SBS阈值的方法是改变光纤纤芯中的声场分布。在典型的 小模场面积(Small Mode Area，SMA)光纤中，纤芯材料的声速小于环绕其的 包层的声速，因此，声学折射率在纤芯区域较高，从而使声模(acoustic mode) 像光模一样被纤芯引导。这样形成的光场与声场之间高的空间重叠增强了不期 望的相互作用，并且导致通过热布里渊散射对SBS作用产生极大促进。而且， 在光模所占据的中心纤芯区域产生的、电致伸缩后产生的声场^f皮声学波导所引 导，从而进一步增强SBS的产生。
已经被发现的是，通过改变纤芯及包层的成分使纤芯的声学速度大于包层 的声学速度，可以将声模从光模占据的中心纤芯区域中排除。这种对于声模的 排除，可以减小引发SBS作用的布里渊散射。另外，任何在中心纤芯区域产 生的声场都会采样纤芯-包层界面，并折射出反引导结构。图l是描述用于常规小模场面积(SMA)光纤的特定布置的现有技术，其示出了光纤IO的折射 率属性，其中，光纤10具有选定的成分，从而使纤芯12的声学速度大于包层 14的声学速度。图1中示出了光学和声学折射率属性。声学折射率属性将热 声子从光学纤芯区域排除，并且反引导结构使声学能量辐射出纤芯区域，如图 l中箭头"A"所示。作为结果，SBS阈值会提高到大于两倍。
图2特别描述了图1的SMA光纤中的SBS后生成的声波的折射。如上所 述，光学引导的声波由电致伸缩效应产生并且以平面波P和孔径A表示。直 径D被选为约等于(高斯光模的)声学强度分布的1/e的圓形孔径的存在，使 得声波在传播超出了孔径时衍射。所述到孔径的距离为L处的衍射的本性是 由菲涅耳数(Fresnel number)确定的，并且由于在光纤的玻璃材料中的声能 到热能的转换，声学声波会显示有限的寿命。在已知的声子衰变长度Lph (38 fim)处求得的菲涅耳数的值为0.32 (因此，小于1 )。由于具有小于1的值， 因此声波以图2所示的方式经历了远场衍射(Fraunhofer)。如图所示，声学强 度分布从孔径的附近开始，覆盖实质上与纤芯直径相等的区域。随着声波在其 寿命存续期间传播，声波扩散(衍射)并对纤芯-包层界面和超出纤芯-包层界 面的内包层区域取样。因此，为了抑制SMA光纤中的SBS的攻击而设计的声 学折射率结构，必须位于光纤被声波取样的区域中，在这种情况下如图2中的 阴影框所示。
然而，在大模场面积(LMA)光纤中，光场很好地存在于纤芯区域中， 如图3所示。LMA光纤11表示成包括相对较大直径的纤芯区域13和围绕纤 芯的折射率降低的包层区域15。如图所示，由于到纤芯-包层界面17的距离超
出了声子的衰变长度Lph,因此衍射声波射线(由箭头"B"表示)会保持在 纤芯区域13中，并且不能对LMA光纤的纤芯-包层界面17取样。
图4示出了在图3的LMA光纤中的SBS后产生的声波的声学衍射。通常， LMA光纤的纤芯直径(CD )大于其模场直径(MFD )，其中假设CD=1.4*MFD。 如图2所示，图4的LMA光纤中的SBS声波是由平面波P-L和孔径直径为D 的孔径A-L表示的。对于这种布置，求得的菲涅耳数是3.6 (大于1)，并且在 这种情况下对应于近场(菲涅耳)衍射。因此，声能存在于由用于声波寿命的 孔径半径所确定的半径中。参照图4，相比于与图2中示出SMA光纤有关的扩散，光纤声波在纤芯中连续传播而一点不会扩散进入纤芯-包层界面。
总体来讲，现有的各种布置无法同时提供大的光学模场和有效的反引导声
学结构。因此，现有技术需要一种配置方式，能够使LMA光纤中存在的SBS
减小，并且无需牺牲LMA光纤本身的高功率性能。
发明内容
本发明立足于现有技术仍然存在的与光纤放大器相关的需求，更具体地 说，关于大模场面积(LMA)光纤放大器，该大模场面积光纤放大器包括在 纤芯区域中的具有声学折射率的特殊结构区域，从而减小受激布里渊散射 (SBS )。
依据本发明，所期望的大模场面积特性与结构声学折射率的提供是独立考 虑的，从而允许在保持大模场尺寸的同时也保证大多数的热产生的声场或声子 存在于光模所占据的纤芯区域之外。更具体地讲，将声学折射率的结构配置成
(1)将热声子从光模所占据的光纤区域中排除，来减小重叠积分和热布里渊 散射的横截面；以及(2)从光学强度最大的纤芯区域折射电致伸缩后产生的 应力，来减小声子-光子相互作用时间或相互作用长度。更具体地讲，通过具 有显示类似于"负透镜"特性的声学折射率属性，可以将应力从光it中折射出 去。可以进一步配置该透镜特性来将声子偏转足够大的角度，以使声子散射角 度超出光纤的数值孔径(NA)。以此方式，散射光会在角度超出光纤NA的方 向上传播，并且不会被该波导所捕捉。
在本发明的一个实施例中，在纤芯区域中使用了声学折射率的渐变的
(graded)逐步变化(例如，类似坡度的通常单调降低)，将声模定位在未被 光模所占据的光纤区域中，从而提高SBS的阈值。进一步，如前面所述，使 用所述类似坡度的声学属性，并对其进行配置以体现足够的斜率，从而使所述 结构能够实现类似于负透镜的功能。在这种情况下，所述电致伸缩后产生的声 学应力波在声学折射率属性控制之下，会从光模所占据的区域折射出去。将声 场从光模所占据的光纤纤芯区域部分折射出去，会减小声波(声子)与光波(光 子)之间的相互作用时间(长度)，也就是说，减小声子与光子的相互作用时 间/长度，从而增加SBS阈值。如果声学折射足够强使得声波在与光轴成较大 角度传播，那么由声波散射的光会以超出光纤的数值孔径(NA)的飞离角(escape angle)散射。因此，所述光会从波导中丢失并且不能对SBS的攻击 做出贡献；作为结果，进一步增加了 SBS阈值。同样，所述特定配置可用于 大模场面积光纤，适合高功率放大应用。
在本发明的另 一实施例中，光学折射率在纤芯的中心区域被极大地变低， 从而产生了环状纤芯结构。作为产物的光模主要定位在纤芯的环状区域(也就 是纤芯的"边缘，，)内，从而显示期望的大模场面积。在光学折射率高(也就 是在环形区域内)时希望声学折射率低，而在光学折射率低时希望声学折射率 高。这种声学折射率结构定位热声子离开光模，并促使声能从环形区域折射到 机会没有光能的区域。只要环的宽度保持小于声子的衰减长度，声能就会折射 出光场并最小化SBS的产生。
在本发明的又一实施例中，在被适当设计的光纤中的高次模(higher order mode, HOM)显示出极大的有效面积，并且也可以考虑成适合用作具有减小的 SBS的光纤放大器的LMA光纤。HOM光纤显示了高结构化的光学强度属性， 所述属性遍布大的纤芯尺寸(例如，已经证明了大于约40 |i m的半径)。发明 的HOM光纤的声学折射率属性因此能够将热声模从光模所占据的纤芯区域排 除，并将声能从光模所占据的区域折射出去，从而减小声与光的相互作用，并 增加HOM光纤中SBS阈值。
参照附图，其他或者更多的实施例以及本发明的各方面将在下面的讨论中 会变得清楚。
现在参照附图，
图1是现有小模场面积(SMA)的折射率属性，示出了光学的和声学的 属性；
图2说明了 SBS后产生的声波沿图1的SMA光纤的衍射； 图3是现有大模场面积(LMA)光纤的折射率属性，同样示出了光学的 和声学的属性；
图4说明了 SBS后产生的声波沿图3所示LMA光纤的衍射； 图5示出了依据本发明的，应用负声学折射属性("透镜")将声学射线从 LMA光纤的光轴折射出去的射线图；图6是本发明的示意性"基架"("pedestal")折射率LMA纤维的折射率 属性；
图7包含了说明发明的LMA光纤的光模强度分布以及显示与光模强度分 布最大重叠的相关的声学本征函数的图表；
图8是依据本发明的示例性LMA光纤的折射率属性，所述LMA光纤包 括环形纤芯区域，用于提供期望的变低的折射率和结构化的声学折射率；
图9描述了示意性的HOM光纤，包括图9(a)中的，具有多个折射率变 低的区域的结构化的声学折射率；图9(b)示出了掺杂物属性的特定的实施例， 设计来实现期望的光学及声学折射率属性；以及，图9(c)包括列出了各种掺杂 物对硅中的光学及声学折射率产生的影响表格；以及
图10-13包括了依据本发明的，包含试验结果的各种图表。
具体实施例方式
如下面要详细讨沦的，减小在依据本发明的大;^莫场面积光纤(LMA)中 的受激布里渊散射(SBS)的能力，涉及两个单独设计考虑的学习和理解。首 先，要求配置LMA的中心纤芯区域来显示结构化的声学折射率，所述结构化 的声学折射率能够从纤芯的中央部分(多数光子模式的驻留区域)排除热产生 的声场(声子)，从而降低光成分与声成分间的重叠积分以及热布里渊光散射 截面。正是所述热布里渊光散射，通过类似于已对SMA光纤描述的方法引起 SBS作用(从而提高开始SBS的阈值)。因为期望的声学折射率结构是由在不 同区域之间的声学折射率上相对较小的对比度实现的，因此无需选择产生大对 比度的掺杂物浓度。由于降低了制造这些复杂结构的难度，因此这是很有吸引 力的。然而，所述声学折射率结构不满足第二种考虑的要求，在第二种考虑中， 通过对光学折射率的控制，将电致伸缩后产生的应力从光学浓度最大的纤芯部 分折射出去，从而降低光子与声子相互作用的时间或长度。
这两种设计考虑依据本发明而提出，通过在光学纤芯中设计一种"负声学 透镜"将声能从光模所占据的中心纤芯区域折射出去。因为声波的波长大约等 于0.4nm,远远小于纤芯直径(表示为约为45Mm)或才莫场直径(表示为约 为25pm)，对于在光纤中的声波传播的几何"声学，，描述是适当的。
经发现，使用"负声透镜"能够以两种方式对于SBS的产生进行抑制。首先，该透镜会将电致伸缩声场与光模的交互作用时间或长度最小化。进一步， 如下面详细描述的，所述透镜的存在能够充分地使声波弯曲，从而由电致伸缩
波导。附图5中描述了这样的声学透镜20。在下面段落中将说明如何通过结 构化的声学折射率使声学射线弯曲。
通常，在现有的具有声学均匀纤芯的光纤中，具有波矢koA及角频率OV的 入射光波由波矢为QA的且角频率Q等于布里渊位移频率QB的后退的
(retreating)声波散射，如图5所示。所述背向散射后(backscattered)的斯
托克光将具有波矢kfA和角频率QfA二D()A- QB 。所述光波与声波的波矢均与
光纤的光轴共轴，并且满足动量守恒定的要求koA=kfA + QA。
依据本发明，由于与透镜20 (在图5中用"G"来表示)相关的负声学折 射率梯度的存在，会使得后退的声波弯曲，在图5中由声学射残Qb表示。这 会以两种方式辅助对于SBS的抑制(1 )减少光子与声子的相互作用时间(长 度)和最高布里渊增益(peakBrillouingain),以及(2 )增加光散射角度，以 超出飞离角或光纤数值孔径。
无论是热产生的或是由电致伸缩效应产生的声子，只要其持续存在于光模 中，就会对SBS做出贡献。对于热产生的声子来说，所述相互作用的时间常 数是由与声能的热变换相关的声子寿命所给出的。声子寿命r和增益带宽AvB 通过AvB =1/丌r而相关。所述最高布里渊增益由以下z>式给出 &=2丌2."7.;72.7"/。;12./77，其中n是折射率、p是光弹性常数、c是光速、p 是纤芯密度以及V是纤芯声速。因此，所述最高布里渊峰增益与声子寿命r成 正比。
依据本发明，声学折射率属性中的梯度的存在，使得声能从低声学折射率 区域折射出去。因此，声子在该光模存在的情况下仅会度过较短的时间。从而， 这具有减小的有效寿命2"和减少的布里渊增益。这会对抑制SBS做出贡献。
关于飞离角控制，经过负声学透镜20的折射，散射后的波矢kffl-koB-QB
与光轴成角度VK,如图5所示。所述角度v由依据本发明配置的声学负折射率 属性的结构所确定。具体地，期望使用具有足够大的梯度(dN/dr)及折射率 对比度(Ndad-Nc。re)的声学折射率，使散射角度v)/大于光纤数值孔径。散射后的光会逃离波导，并且不能够参与到SBS过程中，从而导致进一步的SBS 抑制。
生会改变光模的大的光学折射率对比度。这可以在具有光学折射率的基架设计 的光纤纤芯中实现，如图6所示。所述基架设计允许在纤芯和周围的基架中使 用高的掺杂物浓度(Ge和Al)，从而显著地修正玻璃的声速。这可以扩大有 助于产生期望的声学折射率对比度的声学特性的可用范围。尽管掺杂浓度较 高，光场也会对光学折射率的对比度做出反应，所述对比度可以通过调整基架 与纤芯之间的对比度而变小。参照图6，具有较高锗浓度的基架22围绕着由 锗和铝的径向定制的(radially-tailored)混合物组成的纤芯24。所述锗浓度从 纤芯的边缘23到纤芯24的中心25,由高变低。铝浓度则遵循相反规律。平 衡锗和铝的相对浓度，产生均匀的光学折射率，并且，声学折射率在从仅高掺 杂了 Ge的纤芯外围到仅高掺杂了 Al的纤芯所获得的宽的范围内变化。
渐变的声学折射率可以配置来显示不同的几何形状，在图6中的声学属性 中显示了三种不同的潜在的渐变的几何结构gl、 g2、 g3。例如，可以通过使 光轴(纤芯25的中央)具有最大量的Al且不含有Ge并且在内纤芯(~10um 半径)具有最大量的Ge且不含有Al来改变光纤纤芯中的Al到Ge的比例， 从而得到这些几何结构，其中，相对于Al使硅中的声学折射率变低，而Ge 使硅中的声学折射率增加。在任何情况下，所述声学属性的斜率需要足以促使 所述负透镜结构的产生。具体地，0.01/jam级别的斜率已经被成功地用于产生 所述负透镜。更常见的，大于0.005/)itn的值将提供足够大的斜率来引起负透 一镜效应。
需要注意的是，光学折射率的基架结构在允许使用Al和Ge的高掺杂浓 度的同时，还允许大模场面积(光学)设计所需的、纤芯与环绕区域(基架区 域)之间的小折射率差，因此提供了中心的与外围的纤芯区域之间的大的声学 折射率对比度。大于约0.05的对比度值被认为可以满足本发明的目的。
现在转到通过声学模态分析，对LMA光纤中SBS抑制的研究，所述分析 建立在可以定义为棒状玻璃的一种示意性光纤的基础上，所述棒状玻璃具有由 玻璃矩阵中的摻杂物确定的光学折射率及声学折射率的横向分布。所述光学折
ii射率由n(r^c/v(r)给出，其中，c是在真空中的光速、v(r)是作为半径的函数的 光相位速度。类似的，所述声学折射率由N(r)= F"。2,(r)给出，其中，V(r) 是在半径r时的声速、「 2是硅包层中的声速。折射率属性n(r)对光线进行引 导。所述声学折射率属性N(r)确定玻璃柱体或热声子的常规振动模式。这些可 以根据由赫尔姆霍茨等式确定的密度波动p(r)来计算
<formula>formula see original document page 12</formula>
(2)
其中，W是;f黄向拉普拉斯算子，f是以Hz为单位的声频，Ao是在硅中的 声波波长，,八° = 7"。2， 7"。2是在硅内包层中的声速，aw是有效声学折射率。 布里渊散射还要求满足布拉格条件以确保光场共鸣地激励声场，也就是
<formula>formula see original document page 12</formula> (3)
其中，义是光波波长，财是有效光学折射率。这两个条件可根据能够参
与到热布里渊散射事件中的mth声波本征频率fm以及mth声波本征频率pm(r),
对特定的声学折射率属性生成光纤的常规振动方式。根据声学有效折射率
将所述本征频率表示成
<formula>formula see original document page 12</formula>(4)
密度变量Pm(r)造成光学电介质常量s的波动，这会提升散射后的电场
<formula>formula see original document page 12</formula>5)
其中，K是比例常量，E(r)是模型电场分布。由同样的光纤模式所捕捉的 散射电场^加W的场振幅A,与散射电场A"^)与模型场e(。之间的重叠成正 比<formula>formula see original document page 12</formula> (6)
可以通过对上述表达式进行平方和重新归一化，从而生成光学功率归一化
后的重叠积分
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，尖括号表示对光纤横截面的积分，「"'是通过密度波动^(。从在光模中的正向传播的光背向散射的并且由同一光模捕获的光强度的量。需要注意
的是，如果声模与光模的完全重叠，则^ =1 ;而在没有重叠时，「"'=0。因此，
通过使重叠积分r"'最大化的声子密度波动pm(r)，会将光学功率最大化地散射
进光模E(r)。相反地，对布里渊散射及SBS的抑制需要一种声学设计，具体
讲是声学折射率属性N(r),其使^最小化。
尽管图6的基架声学折射率结构能够使r"'最小化，但通常^不会等于零，
并且仍然会有由光才莫捕获一些热布里渊散射。这会产生具有与光模密度E(r)2
成正比的横向分布的电致伸缩密度波动p(O。这些密度波动(通过定义)包括
统一的重叠积分以及如由热声子散射的具有相同频率和波矢的散射光，并且对
SBS的产生做出贡献。
由=广f("2给出的电致伸缩压力波以与热声子相等的声速行进。压
力波的横向分布等于模型密度分布。电致伸缩压力波对声模进行机械作用，从 而增加声模能量和引起SBS过程的热布里渊散射。热声子的电致伸缩驱动的 效率与压力波和密度波动的乘积成正比
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中，K，是常数。因此，也可以用归一化后的重叠积分^表示所述热声 子的电致伸缩驱动的效率。这种对热声子的机械驱动也会对SBS的产生做出 贡献。
本发明的基本意图是，设计一种具有声学折射率属性N(r)的光纤，所述声 学折射率属性N(r)在中心纤芯区域会产生使与光场的重叠L最小化的声波本 征函数aW，从而减小引起SBS过程的热布里渊散射。已通过数学模拟对用 于使应力与光场之间的重叠最小化而设计的渐变的声学折射率的声波本征函 数进行调查。例如，已详细考查了用于类似于图6中的声学折射率属性的声波 本征函数。已经对所有的声波本征函数进行了计算，并且也已经对重叠积分^ 进行了计算。SBS的攻击被预期为，由具有最大重叠积分^值的声波本征函数 引发。图7描述了所述本征函数，在这种情况下，重叠积分^等于0.32。图7中同样描述了光纤的光模强度分布。
此外，如上面讨论的，上述声学折射率属性N(r)应当是，它可以形成类似 于负声学透镜的结构，来电致伸缩后产生的声波分散，因此减小它们的与光模 和在超过光纤数值孔径的角度上的散射光之间的相互作用。
除上述声学激励的考虑之外，还可以基于对声子寿命的关注对上述设计进
的某些范围)，因此若保持相对较低级别的SBS是必要条件，则光学部件的物 理尺寸将无法4艮大。然而，所述物理尺寸的限制有悖于具有用于光纤;故大器应 用中的增加的光学功率的大模场的期望。
在已揭示的发明的一个实施例中，通过具有环状结构的光学折射率来确定 大区域光模，所述环状结构具有设计来将声波从光模所占据的纤芯区域排除的 声学折射率。优选的，使用"折射率低的包层"的中心纤芯部分，和具有较高
折射率的、围绕于所述中心纤芯部分的"环形"纤芯部分来形成上述结构。图 8描述了依据本发明的这个实施方式示意性光纤30的光学及声学折射率属性。 如图所示，光纤30包括折射率值为nd的中心纤芯部分32，所述中心纤芯部 分32由折射率为nc2的环状纤芯部分34围绕，且nc2 >ncl。包层36环绕于环 状纤芯部分34并且具有小于ne2的折射率值ndad，从而传播的光学信号保持在 由中心纤芯部分32和环状纤芯部分34形成的纤芯区域38中。
参照图8，纤芯区域38的直径以D,arge表示，包括对中心纤芯部分及环状 纤芯部分34的全部测量长度。由于已经部分地通过所述直径D,arge对光学功率
特性进行限定，因此光纤放大器30的纤芯区域38的结构可以提供期望的大的
光学模场。但是，已发现上述配置的声学特性由在图8中以dring表示的、环状 纤芯部分34的直径定义。因此，只要环直径d—保持小于声子衰减长度(大
约20jam)，声能就会从光场中折射出去。所述折射在图8中由箭头B表示。
由于能够减小光场与声场的空间重叠，因此发现将声能从光场中折射出去可以
有效地减小SBS。
本发明的光纤30的成分被选择来提供如图8所示的期望的光学折射率属 性，并提供为实现放大所需要的期望程度的光学增益。掺杂物如，Al、 P及 Ge会提高(光学)纯硅光纤的折射率，而在硅光纤中摻杂F会降低(光学)折射率。相对于对声学折射率的理解，除了 Al被发现会降低声学折射率以外， 所有相关掺杂物均会增加声学折射率。依照上述特性，可以利用光纤成分的几
种变化来提供如图8所示的光纤30的期望的折射率属性。例如，中心纤芯部 分32和包层36可以由纯硅或者轻度摻杂的硅构成，而在环形纤芯部分34中 掺杂Yb (用于放大目的的稀土掺杂物)和Al (用于降低声学折射率)。可选 的，其他如F及P的掺杂物，可以用于在将光纤30与通信光纤邻接部分拼4妄 时实现快速的掺杂物扩散，从而使拼接区域的折射率属性平滑，并使光纤的整 体属性回归通常的高斯分布。
如上所述，在适当设计的光纤中的高次模(HOM)具有极大的有效面积， 并因此可以被认为是用于提高SBS阈值的"大模场面积"光纤。图9描述了 示意性的HOM光纤50 (具有LP07模式)，其具有半径约为40 ju m的光学纤 芯52。在这种情况下，必须对声学属性进行配置，以将热声模从光模所占据 的纤芯区域中排除，以减小声学光学相互作用，提高SBS阈值。如图所示， 声学属性包括多个低声学折射率值区域54，从而在纤芯区域形成了多个环， 其中，区域的间隔被选择来提供用于将声波从光学模场中折射出去，在图9 中由箭头"C"表示。
在图9(b)的示意性实施例中，P和Al的交替层分别允许声学折射率属性 的增加和减少，从而达到将声能从光能所占据的纤芯区域折射出去的效果，同 时保持高次光模所需的恒定光学折射率。需要注意的是，无需使强度分布中的 声波折射率低的区域的数目与峰的数目相等。事实上，仅具有简单的、低的中 心声学折射率，或者仅具有一个或多个具有声波折射率低的环，就足够了。图
9(c)的表格列出了选定的掺杂物对于光学与声学折射率(关于硅的)的影响， 在这个表格中列举的特定掺杂物仅是示意性的，绝对不是对于可用于本发明的 多种掺杂物种类(或化合物)的穷举。 试验结果
根据本发明揭示的原理设计一种SBS抑制光纤原型。 一种掺杂Yb的双包 层光纤制作成纤芯直径为22um、基架直径为28um、内纤芯An为约0.002、 以及基架An为0.008。图10中描述了所述折射率属性及非SBS抑制的常规现 有光纤(作为控制光纤)的折射率属性。实线表示了具有基架折射率属性的Al/Ge光纤的等同光学折射率。图10中插入了掺杂物Al与Ge的折射率的示 意图。图11表示了归一化的强度属性。需要注意的是，由于在中心纤芯区域 的Ge蒸发，控制光纤具有中部的下降(dip)。本发明所述SBS抑制光纤具有 177jin^大小的有效光学面积，而控制纤维具有314ian^大小的有效光学面积。
图12是作为这两种光纤的半径函数的声学折射率属性N(r)的图示。SBS 抑制光纤的声学折射率由超声波测量确定，而控制光纤的声学折射率由声速与 Ge掺杂浓度之间的构成关系确定。可以看到，本发明SBS抑制光纤显示极大 的声学折射率对比度 0.09及较大的折射率斜率 0.011/iam。另一方面，控制 光线具有较小的声学折射率对比度 0.01及较小的折射率斜率 0.003/jum。图 13(a)描述了在光纤功率为24.8W时，SBS峰值约为-48dBm的SBS抑制光纤 的SBS光谱。图13(b)类似地描述了在光纤功率为6.9W时，SBS功率为-48dBm 的控制光纤的SBS光谱。由此可见，本发明SBS抑制光纤相对于控制光纤显 示了 5.6dB的抑制。可以假设，如果两种光纤模型的有效面积相等，则本发 明SBS抑制光纤相对于控制光纤将会显示 8.1dB的抑制。更为详细的分析进 一步显示了，两者的相对SBS抑制会高达11.2dB。
应当理解的是，前述说明仅仅是对于本发明的示意性说明，并意在对权利 要求中所限定的发明的本质和特性进行整体的解释。附图作为本说明书的一部 分，进一步对发明做出解释。附图结合对其的说明，描述了本发明的多种特性 和实施方式，用于解释本发明的原理和操作。本领域技术人员可以想到，对于 前述本发明的优选实施方式可以进行各种修改，而不会超出权利要求中所限定 的本发明的设计思想。
1权利要求
1.一种光纤，包括纤芯区域，具有至少10μm的直径；以及包层，设置成环绕纤芯区域，其中，所述纤芯区域在预定区域中掺杂，从而产生声学折射率属性，所述声学折射率属性能够将热声子从光模所占据的区域排除并显示负透镜结构，所述负透镜结构将声学电致伸缩后产生的波从所述光模所占据的区域折射出去并且减小光子与声子相互作用的时间和/或长度。
2. 根据权利要求1所述的光纤，其中，所述声学折射率属性是由向纤芯 区域中心降低摻杂物浓度而产生的单调属性，所述声学折射率属性的斜率足以 产生所述负声学透镜结构。
3. 根据权利要求2所述的光纤，其中，所述单调声学折射率属性的斜率 大于0.005/jLim。
4. 根据权利要求2所述的光纤，其中，所述声学折射率对比度大于0.05。
5. 根据权利要求1所述的光纤，其中，较大的声学折射率对比度值通过 基架光学折射率属性实现。
6. 根据权利要求1所述的光纤，其中，所述纤芯区域显示大于约20ym 的直径。
7. 根据权利要求1所述的光纤，其中，所述光学及声学折射率的掺杂属 性配置来使前进的光场(光子)与后退的声场(声子)之间的、被定义为光子 -声子重叠积分的重叠积分最小化。
8. 根据权利要求1所述的光纤，其中，所述光纤包括大模场面积(LMA) 光纤。
9. 根据权利要求1所述的光纤，其中，所述光纤包括高次模(HOM)光纤。
10. 根据权利要求9所述的光纤，其中，所述纤芯区域配置成具有由掺杂 物种类的第 一组合掺杂的中心区域和由掺杂物种类的第二组合掺杂的至少一 个环区域的属性，所述至少一个环的间隔被控制来将声能从光模场折射出去。
11. 根据权利要求10所述的光纤，其中，所述纤芯区域配置成具有中心区域，以所述掺杂物种类的第一组合掺杂；以及，多个环形区域，由所述掺 杂物种类的第二组合掺杂。
12. 根据权利要求1所述的光纤，其中，所述纤芯区域包括 中心纤芯区域；以及环形纤芯部分，围绕所述中心纤芯部分，并且包括能够提高光学折射率并 且降低声学折射率的掺杂物种类。
13. 根据权利要求12所述的光纤，其中，所述环形纤芯部分以铝掺杂。
14. 根据权利要求12所述的光纤，其中，所述环形纤芯部分的宽度被选 择来保持小于声子的寿命，以将声能从光场折射出去。
15. 根据权利要求1所述的光纤，其中，所述纤芯区域被掺杂来显示类基 架的折射率属性。
全文摘要
本发明涉及一种具有减小的受激布里渊散射的大模场面积光纤放大器。适用于高功率应用的大模场面积光纤放大器包括纤芯区域，所述纤芯区域配置来允许高功率操作并限制产生的SBS量。所述纤芯区域的成分选择来在选定区域具有掺杂物(如铝)，以减小纤芯的声学折射率并限制声场与光场之间的空间重叠。所述声学折射率同样构造来使声场从中心纤芯区域折射出去。在一个实施例中，所述纤芯可以包括低折射率的中心部分和环绕的环状纤芯区域，其中，所述中心部分包括掺杂的铝，而环状部分形成来对于操作波长有小于声子的衰变长度的直径。
文档编号H01S3/067GK101581811SQ20081017464
公开日2009年11月18日 申请日期2008年10月31日 优先权日2007年11月1日
发明者大卫·J.·迪乔瓦尼, 马克·D.·默梅尔斯坦 申请人:Ofs飞泰尔公司