专利名称：利用大模面积的多模的增益产生光学光纤的高功率光学设备的利记博彩app
利用大模面积的多模的增益产生 光学光纤的高功率光学设备狄领域本发明涉及利用大模面积(LMA)的、多模的增益产生錄的高功率光学 设备，更^^地，涉及利用这种光纤的高功率光学放大器和絲器。背景絲为了iU^L光纤的芯中传播的M号，通常在该芯中#^有增益产生物质， 然后在由该物质吸收的波M由光泵浦抽逸。^!氧^^纤中该芯示例'1^ 絲有稀iit素(例如，Er、 Yb、 Er-Yb、 Nd、 Tm、 Ho等)或铬(Cr)，其 能4吏ii^卜范围内的波长(例如，~ 1000-1600nm)的信"^i^t大。Er和Er-Yb 二IU^光纤通常,iUD于放大约1500nm以上波长的信号并且通常在或接近 980nm或1480nm处ifc^。增益产生光纤(GPF)的应用范围^M目对较低功率的应用如电信到很高功 率的应用如材料处理、光谱学、以;SJ!'jiE巨。M我们关注的A^者。基于GPF的^^大系^1紧凑的和坚固的高功率辐射源(例如， >数 十kW的峰值功率)。出于#的原因，理想的是在大于1500nm的人眼R波 ^hl^tit样的系统。^J^^的Er-Yb ，的双^^W (DCF)的iU^器 通常被用于it些波长。它们由低^t^l管M器阵列抽逸。由于该阵列的光 学输出具有大的角^L^布，它仅仅可被有^^入具有大数值孔径(NA)的多 默纤中。为了有效利用^^l管能量，DCFXiH形状^^于GPF，其中中心芯 (信号在其中传播)被絲有增益产生物质^H皮高NA波导包围。该波导包拴 未M的内^Jr，该内^包围上述芯并引导^^ L管阵列泵浦光；以及^^射 率的外包层，该外包层包围该内包层。这种双^;W形状减少了每^iM 的泵浦吸收，该减少是以与内包层面积和芯面积力bil似成比例的因数进行的。 从而，需要相对较高狄的芯佛以获將光纤"MJi的高泵浦吸收，理想的 是使非线性影响、放大的自发辐射(ASE)、以及信号再吸收最小化。然而，二氧^yi中的Er狄受双诱导淬灭(pair-induced quenching)限 制。Er-Yb^^光纤，其中泵浦能^f皮高^L的Yb吸收并絲给Er， U良了 这种限制并提供了高泵浦吸收和单位长度增益。[见，A.Galvanauskas， "Mode~Scalable Fiber-Based Chirped Pulse Amplification Systems", TEEE" 丄5Wected /" 2"fl加五fecfr"Vo1.7， No.4, pp.504-517(2001), jH^t将其与1 A^作 为参考。这种方法引起了具有262|nJ能量(在非幾性特性开始之前)的乐辦 的形成,^^1具有M2 = 2.1的劣变M。[见,M.SavagtLeuchs, et al" "High pulse energy extraction with high peak power from short-pulse, eye safe all-fiber laser system," i^Go/^SPffi"， ！^"ft ， pp610207-(l-8)(2006), jrt^biMf其引入作为参 考。1然而，Er-Yb ^#光纤具有一定的缺陷。为了获得有效的从Yb向Er能 量的转移，它们被^^有大量的磷(P),其提高了芯的折射率，从而限制了可 获得的最大麟面积(MFA)并且使它们高度多^f匕。由于在预制过程中P被 烧掉，芯的折射率分布通常具有大的中心锐减(dip),其使空间模变形。它们 在900nm和lOOOnm之间的波"M:被抽运，从而1500mn处的增益的量子效率很低。由此产生大量的热，可能需^HP以防jb^包围内^的聚^r凃层的 损伤。已经提出了基于Er-Yb DCF设计的光放大器的替代方案。[见例如 D.Taverner et al.， "158jlJ pulses from a single~transverse~mode， large~mode~area erbium fiber amp腿er", QwL丄欲，VoL22， No.6， pp.378-380(1997) ， iH^h将其亏j入 作为参考。I ^it个十年前的论文中，作者描述了一光纤放大器，其中功率级 (stage)包^- LMA单微Er光纤，该狄器由Ti-蓝宝石絲器在980nm 处以向后的方向i^^f端Mo #^的1534nm信号通过皿大M由标准 的体光学元件^^至功率l在掺Er ;5W^m大级之间的M^光学元件被 i^^^为脅lit应它们的大的NA失配。这种设计据称已将10-100pJ的信号乐辦放 W具有158jiJ的能量以H00kW的#功率。然而，这种Taverner放大器 i殳计由于多个原因是有缺陷的(0它使用多*光学元件，其难以对准JL^环 境糾随时间4N多而变化的时候难以^W准；(ii )它4^1 了 Ti-蓝宝石固态泵 浦^Ut器，该^t器4艮大、难以控制、并具有有限的功率；和(m)它使用了单 微Er光纤，这:t^MMFA是有限的，从而该辦的能量^^力同样是有 限的。因此，仍然存^Mi^^W技术设计的一个或多^陷的高功率GPF 设备的需求。发明内容为了获得#^1的高泵浦吸#增益，我们利用M高^1泵浦源的芯区泵浦的多模GPF。该芯区泵浦设计具有下述优点，在M的实財式中，泵 浦^^信号光以J^目同的^^输，从而，实质上完美iik^重叠，錄少 了 ASE。近似完美的重叠也使特定增益所需的光纤^JL^小化，其对于减少由 例如拉曼絲、布里渊IU^自相位调制的非幾I^^引起的衰^^很重要的。为了产生和传递高功率脉沖(例如，大于数十kW的#功率)，^!i^， GPF^t较高的芯区面机絲利于增加耕的能1>^巨力(以及由jH:^得 的財能量)，并且利于减少非线性特性的影响，这减少脉沖的劣化。才Nt本发明的一个方面，光学设备^多模GPF,其用于为在光纤的芯区 中传播的信号光(ife^射)提供增益；和泵浦源，其用于提供在芯区中被吸收 的泵浦光(;5t^^射)，^##于(i)泵浦源示例',包^Ut^L管的低亮 度阵列和用于增加泵浦光狄的转换器，(ii)泵浦^fcl^^入芯区中，和 (iii)芯区的面积>^过约350^11112，伏i^^it^ 800nm2。在一个实施方式中，^AGPF之前，信号光以^N^J^示^TA^中 传播，而泵浦光在输AJt纤中以至少相同的单模共同传播。即，尽管不是皿 的，泵浦光可以A^种M的多^^的。jH-卜，由于输AJt纤通常具有小于GPF 的芯区面积，基于光纤的模^宽器M于输Ajt^GPF之间。在一个实施 例中，该模M宽器包插I:当设计的、基于光纤的GRIN透镜，该透镜在约 1000-1600nm的范围内AiJ^上不,于波长的。在M的实施例中，该GPF 是渗Er的，信号波长约在1500和1600nm之间，而泵浦波"^在1460-1490nm 之间。在另一个实财式中，多个泵浦源^M^"入LMA的多模GPF的芯中。这 些泵浦源可产生相同波絲不同波长的光。它们可以，分^I或空分J^]的。才M^^发明的M实施例，我们已经证明了，在具有875nm2的芯区面积 的单^g^Er光纤中对1545nm处的纳秒ifeJ^沖的放大；该芯区是由高亮度拉 曼^bt器在1480nm处抽逸的;而该乐辦具有数百kW的创i谅的(record)峰值功率。
通it^面结合附图所进4询更详细的描述，将易于iS^本发明及^^t特W^优点，其中图1 ;i才Mtv^发明的一个实施方式的ife^bt器的示意性的才匡图； 图2A^于本发明的树实施方式中的模謹宽器的示意图； 图3是^^本发明的另一个实施方式的it^器的示意性的框图，其包括多个泵浦源；图4是用于例如图3的实施方式中的泵浦^^^X^^iC^宽器的示意图； 图5是4捐了由高亮度1480nm泵浦源械的掺Er光纤的;fcaUc器的示意 性的才匡图；图6是图5的;fe^器的示意性的框图，其中更详细地示出了信号源； 图7示出了在^r^率和高脉冲重复率下测得的M2<L1。由增益产生光纤出 射的光由透皿焦至i^，J器上。增加由透^^^!，j器的距离，测得了M的H由于高斯a的最佳特性已知，所以最小MH以;sjt^^:沿i^的轴向多巨离(扫描距离)的变^tt^^I于计算;^的M2。由于该;3t^t常是稍微 非圆形的，该测量是在由x和y名k示的两个正交方向上ii4亍的。(总体结构)在详细讨论本发明之前，我们首先看图1，其示出了一ife^器(OA)10， 该放大器包括LMA的多模GPF12，当泵浦光(Xp)同喊GPF12吸收时，其 放大由光源14发射的信号光a)。更详细地，信号*泵浦光，通常具有不同 的波长,由独立的、典型的标^"Ait纤24和26分别传输至^^JJ I IK WDM) 18。 WDM18辦号和泵浦光多i^^输至典型的标W"Ait纤22上， 至GPF12的芯部中。输AJt纤22、 24和26可以是小芯区面积单^纤或者是 大芯区面积多g纤，但^L在^^T一种情况下，该光^f^皮设计为M以相同的 单横模(例如，M)传皿号和泵浦光。可选择地，该泵浦;5te可以以其它 模式传播；即，其可以A^种禾級的多模的，只要絲系(咖de group )至少包絲信号光的该单模即可。对于典型的高功率应用，该信号 _以持续时间短的高食&^冲的形式产生 的。这种*辦的賴功率例如大于几十千瓦且经常大于几百千瓦，才娥本发明的一个方面，OA10具有一些重要的特征，其能使我们的狄 器产生具有创^^:的J^(i功率的信号iy^沖；即，(i)GPF12的芯区的面积超 it^350jim2， N^^i±^800nm2; (ii)泵浦源16是泵浦光的高^Ufe源； (iii)泵浦ife^^^入GPF12的芯区(而不A^典型的贿^t^的DCF设 计中那#^"入包层中)；和(iv)泵浦;5fe^t号光经由模i^宽器20被^"入 GPF12中，该泵浦:5fc^信号;5b^^目同的，莫中传播。M源的^l^X^^^中发散的每^i体角上的i^焦点处的每 ^i^面积的功率(P)。它是以W/(sr 'cm,为卑^Ji行测量的。更多的细节可 #JL，例如，"Encyclopedia ofLaser Physics and Technology",其T在网^Ji^ URL h加:〃www.rp-photonics.com/brightness.html^:找到iL^jH^ 1 A/ft为^^。 亮度可由功率除以光学扩展量(etend股)表示，其为光源的面积和^"播的立 体角的函数。对于简单的系统，光学扩^J:可^L^示为;r.S.A^2，其中S 源面^R。考虑^ii过芯区直径为d而数值3W圣为NA的M (fiber pigtaU)将;5fe^输 至GPF的传统的低^^^l管阵列。典型的市场上销售的^t^^管阵列 将约为10W的功轉输AjL径为105nm且NA为0.22的尾纤芯区中(光学扩 展量约为l 3xl03sr fim2 )，这^5M"输出光束具有约为7.6mW/(sr 了m2)的亮 度。所谓"毐絲，^5M"我们的泵浦源的狄至少大于传统的低^L^Jt^L 管阵列的30倍；M大于100倍。因此，我们的高^L泵浦源示例'^Wt输至 少760mW/(sr ^11112)至GPF12。通常，模a宽器20的功負^1增;N^的尺寸(MFA) ^^Jt^^的阶 (order )。假设，例如，模錄宽!1#标准8fim芯径输Ait纤22齡至多模 45nm芯径GPF12中。假itS^信号it^^Ot纤22中传播且该^r有50nm2 的MFA。那么，模U宽器20可以，例如，^ft号的MFA在GPF12中增加 至700jmi2， ^a仍在基漠中4^i亥信号。勤以的说明可应用于通过图2的展宽器 20传播的泵浦光。应当注意，it(^t光纤的芯区面积Ac^^l^lL芯区的横戴面形状的物理面积(当^MJ圆形芯区时(^;rZ)2/4 ),然而光纤模(即，其MFA)的有效面积由 《。"=(K一2 / J"间4"定义，其中E是局部电场而这些积^C为在芯区 的^N^面积Jl^行。这种积分获得光强的面积》权，以辆地量化非线性 衰减的影响。这两个面积通常是显然不同的。例如，在1500nm处，An = 0.003 的直径为30nm的圆形芯区包含具有仅24jim的，直径的，。这种^K仅 填充了芯区面积的约64%。同样，在1500nm处，An = 0.003的直径为45pm 的芯区包含具有仅32nm的^直^f圣的模。il^t^5lf5^真充了芯区面积、的约53 %。^^vjW22中，该信号姊泵浦ibffc^M目同的^^中传播，更舰 #溪中传播。然而，LMA GPF12的芯区明显大于(例如，对于>350^11112的 芯区面积是31nm)光纤22的芯区。因此，模錄宽器20将芯区相对较小的很大的芯区中的较^L的麟。 、如图2中更详细地示出的，模錄宽器20示例',包括与输AJW 22和 LMA GPF12轴向呈直糊^的基于錄的GRIN透镜。该GRIN透4^r有抛 物线折射^^布，其导致光以固定的轴向节距散焦和聚焦。光的横截面(径向) 瓶存J^寸沿"]^r向紋。如果GRIN透镜"^1该节距的倍数，输出5^泉尺 寸(面积)与输A^泉尺寸相同。然而，如果该^A节距的一半，那么狄 以较大的孰泉尺寸输出，其可以与G顧透錄身的直^i^似。利用乂^的设 计才^N^泉尺寸^J^上与GPF12的芯区面积4目等。使我们惊讶的是，我们已^L雌錄宽器，刺o基于二lt/f^光纤的 GRIN透镜，实质上在约1000-1600nm的范围上是g赖于波长的。例如，考 ; _设计絲1550nm处将由标JjM^狱纤发出的: y^^到多模、梯度折射率 (△n=0.01)、单M、掺Er的LMA光纤的二IUt^GRIN透镜。我们利用 GRIN透镜中的最优^##^#射^^布计算了在800nm至1700nm之间的模 耦合。在1000-1600nm的范围上，我们发现IJV模的耦合损耗仅为约 0.12-0.20dB。 ^卜，我们发现大部分由IJV极失的能量i^v较高阶数的模(例 如，LPo2和LPo3)中。这些计算表明在信号和泵浦光波长之间的相对宽的分隔;1可以^:的。基于光纤的GRIN透镜的制造在D丄DiGiovanni等人的美国专利No.7，013，678中有描述，该专利是在2006年3月21日授权的并且引AjH^h作为一种#^的模錄宽器20是通 ，用在>5^的齡器中长时间加热制得 的简单的Wt光纤接头'输Ait纤22的芯区可以在;t^t前被扩散以增加， 面积而与GPF光纤12的面积匹配。另一种狄的模錄宽器20包括多麟纤的一个片段，其中芯区的麟面 积沿该片段的纵，成锥形(例如，如果该片段具有圆形，面，那么该芯区 直径A^缩的)。^/H^形片段的一个^处，^应与GPF12的模场匹配 以^t^4fft号M^入GPF12中时提供相对较低的^N员耗。在该片段的相反的 末端应当与输AJW22的^相匹配。通itii伸形成锥形，例如，减小芯区的 径向尺寸，从而^^TA^纤22^时时能以相对较低的损^^!4t"！^。这 种锥形片段也能以相)^t^低的^^损^^输泵浦光。多g纤的该锥形片段可 由标准光纤的一片段或由GPF12的4分形成。在本发明的一个脊f戈的实施方式中，多个泵浦源被用于抽运多模LMA GPF12。这些泵浦源可以，分/^^UDiiUi空分复用至GPF12中的。从而， 如图3的OA10，中所示，泵浦源16.1和16.2分别经由典型的标)^^rAJt纤26.1 和26.2被M^至WDM18,而信号源14经由典型的标准输AJt纤24被^^至 WDM 18,如前所述，WDM18辦号脉泵浦光多骑输至典型的标微入 光纤22， ^!^m^至GPF12的芯区中。jH^卜，如图1所示，信号输Ajt纤24 和泵浦输A^纤26.1和26.2可以是^^或多狱纤。模錄宽器20被插在 WDM18和GPF12之间。^il个实^r式中，泵浦源可以具有实质Ji^目等的波长(V=V，例如， 在1480mn处)，或者可以具有不同的波长(VA>2;例如，在1480nm和1485nm 处)，只要该波长处于GPF12的吸jfcfe谱中。在无^卩种情况下，可以使用分 离的WDM (图中未示出)#^:个泵浦源^^至GPF12的芯区，或者可以4^1 多通道WDM例如薄膜滤光器阵列或阵列波导光栅(AWG)。此外，如果 WDM18是与单模泵浦; fe^^fM的，那么该多个泵浦源应具有不同的波长以 i^^WMD18中产生干涉^。另一方面，为了将多个泵浦源空间^^至GPF12的芯区中，我们优选图4 所示的类型的^S&置。此处，锥形光纤束30被^^至GRIN透^^^宽器20,然后其X^^至GPF12。在束30中，泵浦光由夕h^TAiW 26.1和26.2 承载，而信号光是由中心输A^纤24承载。t个光纤均在区域32中渐缩形 成减小的、紧密絮^i的、熔合的M面，该横戴面^I于将i^^入GRIN透 镜20 (即，^^入GPF12的芯区)。然而，在该实^Mr式中，展宽器20仅仅 增加单模(例如，絲)信号光的MFA。泵浦光以不同的角度:I^^至GPF12 的芯区中，激发有g充满芯区的更高lWl模式。因此，展宽器20不需JH皮设 计为增加这种更高f^模式的尺寸。光纤26.1、 26.2和24的夕卜径是锥形的，在某些情况下它们的芯区^t^锥形 的。渐缩可通过物iS4i伸加热的光纤束而实现，或在熔^^成为束^L前蚀刻该光 纤而无需不4i伸而实现。^f5^5l为了简单^L，我们选#^出^^)两个泵浦源的',。^^域的才脉 人员会衝醉，可以m^易地^^超过两个泵浦源，实际数目仅，决于将更多 的光^f缩JJL够小的横载面的实际P艮制，该,面小到能4吏泵浦ib^信号光 有^^入GRIN透镜20中。光纤束30与D.J.DiGiovanni等人的在1999年1月26日授权的美国专利 No.5，864，644中所描述的类似，級将其引入作为参考。然而，我们的光纤束 30与其的主要不同在于泵浦:felL^^入单^GPF12的芯区中而不是^"入 双^GPF的&^中。由于GPF12的芯区面积湘对较大，它可以^^艮多，，并且可以传导高 統泵浦光。从而，泵浦ife^高l^^ 42 (图4)中是由芯区收集的，而信 号M常是在另一个模式(例如，由高斯分布40^J^的絲)中传播。如Ji^斤 述，由于泵浦絲GPF12中^L较高喊，泵浦光纤26.1和26.2也可以W 舰纤##输多模泵浦光。然而，泵浦光的^t还应当足够高以便食诚GPF12 的芯区有效收集(即，在高統泵浦源中，絲与光纤轴之间的夹角相对较小 (shallow),并M而更容易收集)。重要的是，多个泵的利用增加了^^入 GPF12的芯区中的泵浦光的量，并M而增加了可用于信号光的增益。然而， 由于GPF12的大的芯区由泵浦i^真充，信号^泵浦光的^ (径向)分布之 间的重叠小于最佳值，因为信号模通常仅仅填充LMA芯区的一小部分。扭 种结构中，多个泵浦源的利用能够以略微受损的泵浦-信号重叠^^产生增益。 然而，这种受损可通itF艮制加入信号模所在的芯区的区域中的增益絲物而部分4卜偿。^it种设计中，泵浦ib^^4可测量信号存在的区域中朝汰札应当注意，不同的泵浦g号波长的^Ht导致在图4的;^i^宽器20后的 多泵浦模的统应当理解，上i^i仅^A对用^Jt^发明的原理的应用的许多可能的M实施方式的^W兌明。條这些原理，棉域的^MUv员可以在不脱离本 发明的^t和范围的情况下设i"H午多^tM的其它装置。特别地，尽管我们描述的图1-5的泵浦装U利用共同传播的泵浦，棘领域技权员妙道，反向传緣浦組錄不是她的，也可被利用。砂卜，多个OA级(stage)可以相互串^&i经。为了提高^U^t率，每 个M^r包^E^f变大的芯区面积GPF，其中最小的芯区面积GPF M第一 个(即，最靠近信号源)，而最大的芯区面积GPF^U^—个(即，离信号 源最远)。射卜，通it^光学谐振器中紅GPF12，上述的OA可柳于为絲器提 ^^需要的增益；例如，通ii^GPF12的输入端和输出端处的标准光纤中形成合 适的光纤it^或其它^j"器(图中未示出)。在M器的情况下，当然，不需要 利用单独的信号源14;即，该信号由GPF12在内部产生，其用作M器的有 效介质。贯穿本说明书中所^a的"鍵长"指的是^^发射光的中心波长，应当, 所有的这些发射iW具有包括在中心波长上下的已知波长范围的特征镨线宽 度。jH^卜，所^a的"卓，^^播还包括实质上以单^^播；即，在实际应 用中，不是惑能完全抑制所有其它樣然而，单模拿絲这些其它模的强度很 小或可以忽略。在一些实施方式中，我们将GPF12说^U:"卓惑差"的。在示例中描述的这 些单^g:光纤的确包括由单光学^J:(例如，二氧^^单M)包围的芯区。 然而，通常我们并不认为术發'卓^^"排除了那些紋杂的M，例如具有多 ^Ht征(例如，折射率环、槽或^ L)的那些M。 jtt^卜，此处所用的单^ GPF的一个重要的方面是泵浦iiy皮引导入芯区，而不是M。#，为了^AJ艮妙(eye^afe)信号波狄的高功率应用，我们舰图 5所示的类型的OA10"。此处，GPF12《一掺Er光纤，其^^有相^j"较大的芯区 面积(例如，>800jim2 )。信号源14在1500nm以上的波长处(例如，在1545nm处)产生短(例如，纳秒)周期光学脉沖。另一方面，泵浦源16包^f氐M的 第一光源，其被示例'Ii^述为在约卯0-1000nm (例如，915nm)处产生泵浦 光的4^^t^L管(LD) P车列163。该阵列的亮;l通过利用LD泵浦第二光源而增加(例如，倍妙200),该第二光源为掺Yb的M泵浦光^m^器16.4。 ^器16,4的输出(例如，在110(M200nm处)通itM^i曼谐4l^b5t 器16.5移到1480-14卯nm。 Raman ^Ut器由C.Headley在"Raman Amplification in Fiber Optical Communication Syste咖，，EIsevier Academic Press ， Ch.7 Cascaded Raman Resonators，pp303-374(2006)中描述，jH^t将其？ 1入作为参考。 拉曼航器16.5的148(M490nm的输出经由WDM18 ^w^錄宽器20以上述 方式向GPF12 ^1供高M的泵浦光。当然，其它的增益产生物质也可^uu于实5ye^^^设计，包括其它稀土元素(例如，Nd、 Tm、 Ho等)或铬(Cr)。例如，800nm的LD可Wl于M 掺Nd光圩絲器以^^ 1060nm处产生高^>￡输出，该输出又^^掺Yb光纤 放大器，以便为1080nm信号提供增益。 实施例本实施例描述了纳秒断在单^的多模LMA掺Er光纤中的M。仅仅 通过#^']4^供不同的材料、尺寸^l^条降，并且，除非特别规定，并不用于 限制本发明的范围。掺Er芯区的面积为创记录的值875nm2。该芯区在1480nm 处被拉t^WB器抽运。掺Er光纤的大的能量^^ft容^M氐的非线性特性使 全光纤系统食t^ M2<1.1的W^中产生创记录的每多辦的能f^创记录的峰 值功率。尽管掺Er的LMA it^A^^f，信号和泵浦光可以在该光纤中以单模 (細传输》"全^if"^M各元件A^结合在-"^的，而不是自由空间^^在iW 中。具有光纤尾纤的 ^1管和其它元件可利用自由空间齡，但是位于很 ^^M^制的封装中。图6是我们的狄微的示意图。信号源14包^^皮长可调免^卜腔cw絲 器14.1 (ECL;中心波长设置为^-1545mn)，其由高衰减电光调制器14.2 (EOM;可从Photline Technologies, Pittstown， NJ买到)调节，它后面有一 些WUe器和i^虑氛务辦辦时间和波长是^^确控制的。500kHz財序列Er光^ffi^器14.3 (EDEA )中放大。该乐辦序列由滤光器144 光镨近虑(消除大部分ASE )，并JM L Er-Yb光^f^bUI 14.5(双^ir 5/130jun 芯/&^直径)中放大。该条辦序列接着通过声光调制器14.6 (AOM; 100ns上 升时间)发送以便将重^率^Jif端输出的预皿。初始的高重Jj^^^致大部^粒子ltM^皮受激(与自发的相反) 耗尽，形成低的脉间(inter-pulse) ASE。利用AOM^^重飾率还消除了累 计的脉间ASE。接:fri亥乐辦在单觀^i: Er-Yb光W^大器14.7 (12/125fim 芯/^g"直径)中做大。该输出被lnm宽的带通滤光器14.8光^t;虑。该光 ^ft号-背景比为〉45dB。该输出接着经由1480/1550nm熔合的光纤齡器她 合Aj:终的功率放大级，该齡器湖作WDM18。该点处的l^t峰值功率通 过非幾H特'跟线P艮于~300W，该特性是由辆益光纤后面的小面积4示准单模 光纤制成的元件产生的。在滤光器14.4械大器14.5之间、狄器14.5和AOM14.6之间、以及滤 光器14.8和WDM18之间i殳置隔离器14.9。我们的功率^bt级包括具有45/125jim芯/M直径的3m长的、单包层、 大模面积、掺Er、多^^氧^^t纤12。 ^W面积为 875nm2的lW^斤射 ^^布。在1535nm的信号波"M:每賴^Ui的泵浦吸狄20dB/m。基于二 氧^^t纤的GRIN透镜的模^ll宽器20将1480/1550nm ^器(WDM)的 辭掺Er耕12的絲匹酉&。多ifii干涉的光镨测量表明仅仅~ 1 %的光学能 :fr^^入高輕中。掺Er光纤环直4嫂出30cm以使由弯曲引起的^^式》V給 和面积减少的有害影响最小化。见，J.M.Fini， "Bend-Resistant Design of Conventional and Microstructure Fibers with Very Large Mode Area", Optics Express,VoL14，No.l，pp.69-81(2006)，此处将其引入作为参考。在高重复频率和^^大^h测得M^u， ，;Ut大器的净单模,(图7 )。对光纤进行处 理不会引起4封可严重的问题，未受干扰的光纤的输出ife^分布在所有的功率级 絲一^械定。用于功率放大级的泵浦包胁图5所示的泵浦源16的类型的装置；即，泵 浦源16包括&^泵浦的掺Yb光纤激光器16.4 (CPFL;由低統915nm ^ 管阵列16.3滅),其波顿it^^i曼谐振器(CRR )狄器16.5由~ U00nm 移至1480nm。通过915nm的28W的泵浦功率，我们^^单g纤中在1480nm处产生 9W的高^1光。在CRR的输出处的倾斜自(图中未示出)被用于 i^虑中心波长为~ 1585nm的下一个斯托克斯(Stokes) 1Er;^器的性能的特;^于是4^AJ^沖周期Tp为lns和5ns处的脉冲重 ^J5率Fr的函数。输Al^t的j^iL功率在所有的重，率处4fp^^在250W和 300W之间。放大器输出厨神能量由20GHz ^f示波器ieJ:的乐辦^L算出。M面积 (tracearea)和乐辦能量之间的相互关系已錄高Uj^率处^^:。我们观 测到线性增加的脉冲能量为在不同的重复频率处由光纤吸收的泵浦功率的函 数，证明放大器在最大乐辦能量处##不饱和。我们ii^作为重M率的函数 的脉沖能量、平均功率、脉冲峰值功率、和效率进行测量。这些测量能证明我 们的芯区泵浦i殳计的功效，该设计具有用于^AJ艮^"的波长1545nm 纳秒务辦的创记录的模面积的掺Er光纤。^Mfe全iWi殳计中具有M2<1.1的单 ，怍下实现创记录的脉沖能量(几个lOO^J )、峰值功率(几个100kW )、和 平均功率(多个100mW)。然而，利用图3-4的多个泵浦源设计，有望获得更 好的结果。
权利要求
1. 一种高功率光纤设备，包括输入光纤，具有第一芯区，该第一芯区以单横模传播信号光，并以至少相同的单横模传播泵浦光；所述泵浦光的高亮度光源；多模的增益产生光纤，具有第二芯区和包围所述第二芯区的包层区，所述第二芯区的横截面面积超过约350μm2且超过所述第一芯区的横截面积，当所述泵浦光在所述第二芯区中被吸收时所述第二芯区向在其中传播的所述信号光提供增益，和模式展宽器，用于将所述信号光和所述泵浦光从所述第一芯区耦合入所述第二芯区，并且改变所述输入光纤中的所述信号光和所述泵浦光的模场面积以与在所述第二芯区中的相应的模场面积相匹配。
2、 如权利要求1所述的设备，其中所,i(^艮宽器包括基于光纤的 GRIN透镜。
3、 ft^'J^求1所述的设备，其中所述信号ife^有在约1500-1600nm 范围内的波长，所ii^浦it^"在约1480-1490nm范围内的波长。
4、 H3U'J^求3所述的设备，其中所鄉益产生光纤是絲有Er的。
5、 N5U'J^"求1所述的设备，其中所i^浦源包拾 LD阵列，用于产生低亮度的第一泵浦光，和光纤絲器，由所絲一泵浦;jy^,所狄纤'就器的输出对所鄉益产生光纤进e^。
6、 N5U，J^求5所述的设备，其中所狄Wjt器包拾 第一光纤就器，响应所述低亮度泵浦光，用于产生较高亮度的第二泵浦光；和拉狄纤絲器，响应所述较高亮度的第二泵浦光，用于Ji^多所述较高亮 度泵浦光的波长，所iiJi移的泵浦光被提供给所^益产生光纤以放;^斤迷信 号光。
7、 6wM，J^求6所述的设备，其中所述LD阵列在约900-1000nm的波 狄产生所述低亮度的第一泵浦光，所錄一光纤絲器包括产生所述较高亮度的第二泵浦光的掺Yb光^Ut器，iU斤雄曼絲器响应所錄二泵浦光， 用于移动波长以;^^斤述信号光。
8、 H5U'虔求7所迷的设备,其中所述掺Yb絲器包括^泵浦光纤 絲器)JL^斤雄曼航器包^W曼i^^器。
9、 H3U'^^求l所述的i殳备，其中所述第二芯区面积超过约800jun2。
10、 ^U，J^求1所述的设备，其中所ii^浦光的高^JUfc源包括多个 泵浦光的光源，每个光源^^有不同的波长，所述泵浦#所述信号狄多路 传输至所微Ait纤上。
11、 N5U'JJ^求1所述的设备，其中所述设备包括毅大器。
12、 N5U'J^"求1所述的设备，其中所述设备包^Jt器。
13、 ^U'J^求1所述的设备，其中所鄉益产生光纤包括单^饼。
14、 N5U'J^求1所述的设备，其中所述输Ait^^皮构it^使得所妙浦itM"中仅以与所述信号ibf目同的^B^^播。
15、 N5U'溪求1所述的设备，其中所^^錄宽器包括光纤片段，在在所^第二芯区附近具有相对较大的面积:而在所述第::区附近具有相对较小的面积。
16、 一种高功率光纤^bt器，包括输Aj5t纤，具有以^^#^号#泵浦光的第一芯区；所述泵浦光的高M^源，包括LD阵列，用于产生低亮度的第一泵浦 光；第一光 光器，响应所述低亮度泵浦光以产生较高亮度的第二泵浦光； 和拉I^纤M器，响应所述较高亮度的第二泵浦光以上移所述较高亮度泵浦 光的波长，所iiJi移的泵浦;5W^提^^所i^t益产生光纤以iU^斤述信号光；多模的增益产生掺Er单^光纤，具有第二芯区和包围所i^二芯区的 ^&区，所鄉二芯区的麟面面积>^辦80(^1112，絲出所錄一芯区的横 截面面积，当所述泵浦M所述第二芯区中^皮吸收时所i^二芯区向在其中传 播的所述信号狄供增益；和基于光纤的GRIN透^^錄宽器，用于将所述信号姊所狄浦ifeA^斤 述第一芯区^^A^斤述第二芯区，并且用于tt所ii^TTOt纤中的所述信号光 和所述泵浦光的模场面积，以与所述笫二芯区中对应的模场面积匹配，其中所述信号itW"在约1500-1600nm范围内的波长，而所述泵浦; Lfr有 约1480-1490nm的波长。
17、 一种高功率光^H殳备，包拾 输Ait纤，具有以^^^旨号光的第一芯区； 多模的增益产生光纤，具有第二芯区和包围所錄二芯区的^g:区，所述第二芯区的横戴面面积^^it^350nm2， a出所^一芯区的横截面面积，当所述泵浦it^所述第二芯区中被吸收时所述第二芯区向在其中传播的所述信号錄供增益；和所^浦光的多个高^t源，^51^^A^斤述第二芯区， 所鄉益产生光纤，在所鄉二芯区中以iN^^播所述信号光，并以不同的^^播所舰甫光。
18、 如拟，决求17所述的设备，其中所i^浦源产^l^f目同波长的泵 浦光。
19、 H5U'J^求17所述的设备，其中所述泵浦源产生不同波长的泵浦光。
20、 iwM'J^求18所述的设备，其中所述信号it^有在约1500-1600nm 范围内的波长，而所ii^浦iferW约1480-14卯nm的波长。
21、 N^'澳求17所述的设备，其中在所述芯区中，所述信号光以M ;j^^播，而所^浦光以多个较高1^^播。
22、 N5U慎求17所述的设备，还^用于将所述信号組^^"斤 鄉二芯区中的模錄宽器。
23、 H5U'JJI"求18所述的设备，还包括用于将所述信号^所a浦光 光学^^^斤，i^宽器中的M^器，所ii^器包括用于M所述信号光 的中心光纤片脉用于絲所錄浦光的多个外围光纤片段，这些片絲与所 i^^i^宽ll^的区域中^f^至减小的横载面面积。
24、 HsU，J^求17所述的设备，其中所i^二芯区面积^lii^ 800jim2。
25、 ^'漆求17所述的设备，其中所，益产生光纤包括单^:光纤。
26、 N5U'JJNU7所述的设备，其中所述设备包括ib^器。
27、 N5U'J^求17所述的设备，其中所述设备包^^t器。
全文摘要
一种光学设备，包括多模的增益产生光纤，用于为在光纤的芯区中传播的信号光提供增益；和泵浦源，用于提供在芯区中被吸收的泵浦光，其特征在于(i)泵浦源示例性地包括激光二极管的低亮度阵列和用于增加泵浦光亮度的转换器，(ii)泵浦光被直接耦合入芯区中，和(iii)芯区的面积超过约350μm<sup>2</sup>。在一个实施方式中，在进入增益产生光纤之前，信号光以单模在标准输入光纤中传输，而泵浦光在标准输入光纤中以至少相同的单模共同传播，而模式展宽器被置于输入光纤和增益产生光纤之间。在另一个实施方式中，多个泵浦汽被耦合入增益产生光纤的芯区中。这些泵浦源可产生相同或不同的波长的光。根据本发明的特定实施例，已经证明了在具有875μm<sup>2</sup>的芯区面积的单包层掺Er光纤中对1545nm处的纳秒光脉冲的放大；该芯区是由高亮度拉曼激光器在1480nm处抽运的；且该脉冲具有数百kW的创记录的峰值功率。
文档编号H01S3/091GK101266379SQ20081009630
公开日2008年9月17日 申请日期2008年1月25日 优先权日2007年1月26日
发明者C·海德雷, D·J·迪乔瓦尼 申请人:古河电子北美公司