大模式面积光纤

来自实验帮百科
跳转至: 导航搜索

缩写:LMA光纤 定义:具有相对较大的模式面积并且只有单个横模或者少数模式的光纤。

在有些应用中,需要用到具有大的有效模式面积光纤(LMA光纤),通常是单模导波。由于面积大给定动率的情况下光强会变小,这种光纤通常具有较低的非线性和较大的损伤阈值,因此适宜于用在放大器中放大强脉冲或者单频信号,或者用在无源光纤中传输被放大的光。标准单模光纤的有效模式面积通常小于100 μm2,然而大模式面积光纤的值为几百甚至几千μm2

为了得到大的模式面积,需要大的光纤纤芯。但是,大芯径光纤如果具有多个模式,则不一定具有大的模式面积;基模通常远小于纤芯。

Gxdx01.png

图1:标准纤芯尺寸(例如,直径为8 μm)的裸光纤(无涂层)与大芯径光纤的对比(直径为50 μm)。

需要注意的是,模式面积大时,波导色散变弱。因此,大模式面积光纤的色散可改变量很有限。


设计方案和限制因子

一种直接的设计大模式面积光纤的方法是减小数值孔径,即对于阶跃折射率光纤,可以减小纤芯和包层间的折射率差。但是有一些限制因素:导波效应变弱,如果光纤中有小的缺陷或者弯曲就会引起很大的损耗。因此,数值孔径通常不能小于0.06。为了在更大模式面积中得到稳定的单模导波,可以采用更精细的设计优化折射率分布,实现模式面积达到1000 μm2。这比普通的单模光纤大一个数量级。

稀土掺杂光纤中实现大模式面积更加困难。通常需要相对高浓度的掺杂其它粒子,例如用于减小淬灭效应,并且掺杂会提高数值孔径。尽管可以采取方式减小折射率差,控制折射率的准度会下降,这会影响实现非常大的模式面积。

设计光纤支持少数传播模式可以实现较大的模式面积(参阅多模光纤)。这时基模仍是导波中的主要部分,这样光纤放大器的输出接近于衍射极限[1,2,5]。如果光入射条件很严格,并且光纤中存在模式混合,会产生更严格的限制,会降低光束质量,引起波束指向波动[16]。

为了解决上面的限制问题,发展了很多更加复杂的光纤设计(主要是基于光子晶体光纤)和技术。很多情况下,人为的对高阶模式引入很大的传播色散,使多模光纤保持很好的单模传输。另一个角度是最小化不需要的模式耦合。例如:

  • 可以很大程度的弯曲光纤;根据不同的光纤设计,使高阶模式的弯曲损耗足够大直到高阶模式比基模小很多。从这个角度也可以优化光纤设计。需要注意的是,弯曲不仅会引入损耗,还会减小有效模式面积。尤其是大模式面积的阶跃折射率光纤更加明显。在比较不同类型的光纤时,这一效应需要考虑在内[8]。有些得到大模式面积的光纤设计中不采用弯曲,但是弯曲光纤会极大减小模式面积,还有的设计方法中(例如,采用抛物线型折射率分布),最初模式面积比较小,但是对弯曲几乎不敏感。
  • 所谓的手性耦合芯光纤[12,21]的中心的纤芯很直,光在其中传播,还有另一个纤芯螺旋环绕在中心的芯上。螺旋芯选择性的与中心的纤芯中的高阶模式耦合,基模基本不受影响。选择性耦合的原理是螺旋性影响传播常数,影响方式为在某一有效波长范围内,只有与高阶模式之间的耦合满足相位匹配,而基模不满足。
  • 在泄漏管道光纤中[7,11],纤芯周围是少量的较大的空,造成传播模式选择性的泄漏,这样高阶模式存在很大的传播损耗,而基模不存在。早期这种光纤是由光子晶体光纤制作,固体全玻璃设计也可能得到[23]。

最好的光纤设计得到的有效模式面积为几千μm2。对模式面积并没有严格的限制,但是得到更大的模式面积更难得到单模传输,并且不能允许大的弯曲程度。增大模式面积的同时不可能不影响单模传输。原因在于,模式传播涉及到衍射和波导效应的平衡,由于模式面积更大时衍射不可避免的会减弱,平衡也变得对外界干扰越来越敏感。

在采用大模式光纤的高功率光纤激光器和放大器中,热透镜效应会改变模式性质,尤其会减小有效模式面积[29]。

有些情况下采用多丝纤芯可以减弱折射率控制存在的问题,其中光纤纤芯是由一系列二维排列的丝组成的[19]。由于每根丝都是很弱的导波,整体结构可以实现单模导引。这一概念对于掺铒镱光纤中非常重要。

近来提出的一个新的方法[10,20,31]是先采用长周期光纤布拉格光栅从基模耦合光到高阶模式中,然后使该高阶模式在放大光纤中传播,然后采用另一个光纤布拉格光栅转化成基模。采用高阶模式的优势体现在两个方面:这些模式具有更大的有效模式面积,与其它模式的耦合很弱。耦合到高阶模式及耦合出去过程中的功率损耗很小,可以优化光纤使耦合发生在大的带宽中。但是,由于光强的非常不平均会引起很大的困难。甚至当非线性不是很强的某一区域光纤也会发生损伤,因此这一方案可以解决非线性问题,但是不能解决光纤损伤问题。另外,模场延伸到了包层区域(在双包层光纤中延伸到了内包层),这不利于放大过程。

另一个新概念是增益导引,非折射率导引单模光纤[6,14,22,25],是一种活性光纤。其中,未泵浦的光纤不能导波,因为纤芯中的折射率低于包层。如果泵浦光足够强,增益导引可以稳定泄漏模式,使其具有很高的光束质量。由于增大纤芯尺寸会使模式损耗急剧下降,因此当纤芯较大时,中等强度的激光器增益就足够实现正的净增益。高阶模式同样也存在,但是需要更高的增益。当低阶模式增益饱和时,高阶模式不能得到足够的增益,这在激光器中经常发生,但是在高增益放大器中不会。这种方法最大的困难就是实现有效的泵浦。需要注意的是,泵浦光并不被导波,由于掺杂纤芯的折射率结构甚至被驱除出去不能被吸收。[22]指出了在这种方法中采用二极管泵浦光纤激光器,但是还需要设计泵浦结构来实现有效工作。


常见困难

采用大模式光纤的常见问题是这种光纤和标准光纤不匹配。(很多光纤器件只有标准模式尺寸。)当将大模式面积光纤熔接到标准光纤上时,模式面积不匹配会在接头处产生附加功率损耗(参阅词条光纤接头)。这一问题有两种解决方法,但是任意一种都无法完全满足:

  • 可以采用一个锥形光纤作为两根光纤的模式转换器。锥形光纤一端的模式尺寸与大模式面积光纤相同,另一端的则与标准光纤的匹配。但是这时就存在两个接点,每一个接点处都有较低的损耗。这种方法最大的困难就是需要使用锥形光纤,但是锥形光纤很难制备。
  • 实验室中更常用的方法是利用自由空间耦合进或者耦合出大模式面积光纤。激光器谐振腔只由体材料制作,另外还有活性光纤。这样会使实验室装置更加灵活,但是不太适合商业使用,因为这种方法需要非常准确的对准并且对灰尘敏感,尤其是光纤端口附着灰尘的情况。


参考文献

[1] M. E. Fermann, “Single-mode excitation of multimode fibers with ultrashort pulses”, Opt. Lett. 23 (1), 52 (1998)

[2] H. L. Offerhaus et al., “High-energy single-transverse-mode Q-switched fiber laser based on a multimode large-mode-area erbium-doped fiber”, Opt. Lett. 23 (21), 1683 (1998)

[3] J. C. Knight et al., “Large mode area photonic crystal fibre”, Electron. Lett. 34, 1347 (1998)

[4] N. G. R. Broderick et al., “Large mode area fibers for high power applications”, Opt. Fiber Technol. 5, 185 (1999)

[5] J. P. Koplow et al., “Single-mode operation of a coiled multimode fiber amplifier”, Opt. Lett. 25 (7), 442 (2000)

[6] A. E. Siegman, “Propagating modes in gain-guided optical fibers”, J. Opt. Soc. Am. A 20 (8), 1617 (2003)

[7] W. S. Wong et al., “Breaking the limit of maximum effective area for robust single-mode propagation in optical fibers”, Opt. Lett. 30 (21), 2855 (2005)

[8] J. M. Fini, “Bend-resistant design of conventional and microstructure fibers with very large mode area”, Opt. Express 14 (1), 69 (2006)

[9] J. M. Fini, “Bend-compensated design of large-mode-area fibers”, Opt. Lett. 31 (13), 1963 (2006)

[10] S. Ramachandran et al., “Light propagation with ultralarge modal areas in optical fibers”, Opt. Lett. 31 (12), 1797 (2006)

[11] L. Dong et al., “Bend-resistant fundamental mode operation in ytterbium-doped leakage channel fibers with effective areas up to 3160 μm2”, Opt. Express 14 (24), 11512 (2006)

[12] C. Liu et al., “Effectively single-mode chirally-coupled core fiber”, in Advanced Solid-State Photonics, OSA Technical Digest Series (CD), paper ME2 (2007)

[13] Y. Tsuchida et al., “Design of single-moded holey fibers with large-mode-area and low bending losses: the significance of the ring-core region”, Opt. Express 15 (4), 1794 (2007)

[14] Y. Chen et al., “Lasing in a gain-guided index antiguided fiber”, J. Opt. Soc. Am. B 24 (8), 1683 (2007)

[15] L. Dong et al., “Leakage channel optical fibers with large effective area”, J. Opt. Soc. Am. B 24 (8), 1689 (2007)

[16] S. Wielandy, “Implications of higher-order mode content in large mode area fibers with good beam quality”, Opt. Express 15 (23), 15402 (2007)

[17] O. Schmidt et al., “Single-polarization ultra-large-mode-area Yb-doped photonic crystal fiber”, Opt. Express 16 (6), 3918 (2008)

[18] X. Feng et al., “Single-mode tellurite glass holey fiber with extremely large mode area for infrared nonlinear applications”, Opt. Express 16 (18), 13651 (2008)

[19] G. Canat et al., “Multifilament-core fibers for high energy pulse amplification at 1.5 μm with excellent beam quality”, Opt. Lett. 33 (22), 2701 (2008)

[20] S. Ramachandran et al., “Ultra-large effective-area, higher-order mode fibers: a new strategy for high-power lasers”, Laser & Photon. Rev. 2 (6), 429 (2008)

[21] A. Galvanauskas et al., “Effectively single-mode large core passive and active fibers with chirally coupled-core structures”, paper CMB1 at CLEO/QELS 2008, May 4–9, San Jose, CA

[22] V. Sudesh et al., “Diode-pumped 200 μm diameter core, gain-guided, index-antiguided single mode fiber laser”, Appl. Phys. B 90, 369 (2008)

[23] L. Dong et al., “All-glass large-core leakage channel fibers”, IEEE Sel. Top. Quantum Electron. 15 (1), 47 (2009)

[24] L. Fu et al., “Extremely large mode area optical fibers formed by thermal stress”, Opt. Express 17 (14), 11782 (2009)

[25] W. Hageman et al., “Scalable side-pumped, gain-guided index-antiguided fiber laser”, J. Opt. Soc. Am. B 27 (12), 2451 (2010)

[26] F. Stutzki et al., “High average power large-pitch fiber amplifier with robust single-mode operation”, Opt. Lett. 36 (5), 689 (2011)

[27] J. M. Fini, “Large mode area fibers with asymmetric bend compensation”, Opt. Express 19 (22), 21866 (2011)

[28] K. R. Hansen et al., “Thermo-optical effects in high-power ytterbium-doped fiber amplifiers”, Opt. Express 19 (24), 23965 (2011)

[29] F. Jansen et al., “Thermally induced waveguide changes in active fibers”, Opt. Express 20 (4), 3997 (2012)

[30] W. Ke et al., “Thermally induced mode distortion and its limit to power scaling of fiber lasers”, Opt. Express 21 (12), 14272 (2013)

[31] X. Peng et al., “Higher-order mode fiber enables high energy chirped-pulse amplification”, Opt. Express 21 (26), 32411 (2013)



参阅:大芯径光纤有效模式面积光纤弯曲损耗数值孔径光纤纤芯泄漏模式光纤放大器光纤晶体光纤