專利名稱：供高功率應(yīng)用的光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及專門設(shè)計(jì)的、用于傳送高光功率的光纖。
背景技術(shù)：
在非常高的功率(接近>1 MW)上，光束使石英玻璃折射率增 加的量，與局部的強(qiáng)度成正比。這種效應(yīng)能建立使光束聚焦成小光斑 (或小光斑的集合)的透鏡，該小光斑可導(dǎo)致光學(xué)損壞。這一過程稱 為自聚焦，并在過去數(shù)十年已經(jīng)被廣泛研究(參見R. W. Boyd, M /i/Z"離C^/cs， 2nd. Edition, Academic Press, Boston, 2003 ), 自聚 焦對(duì)諸如石英玻璃等材料中可被引導(dǎo)的最大功率，起上限的作用，該 上限常常被稱為自聚焦的臨界功率/v",按照Fibich等人(G. Fibich 和A. L. Gaeta， "Critical power for self-focusing in bulk media and in hollow waveguides，，，Optics Letters, vol. 25， pp. 335-337 ( 2000 ))， 尸crit可按下式估算
. 這里入是波長(zhǎng)，"。是材料原來的折射率，和"2是以m2/W為 單位表示的非線性折射率，于是，總折射率w由w = "q+"2/給出，這 里Z是以W/m2為單位的局部光強(qiáng)。因?yàn)椴牧系恼凵渎?iG約1.45和材 料的非線性折射率《2約3xl(T2() m2/W，在通常使用的激光波長(zhǎng)1060 nm上，石英玻璃中的Arit接近等于3.8 MW。換句話說，在大于3.8 MW 的功率上引導(dǎo)1060 nm光束時(shí)，石英玻璃的整塊樣品將不是有效的， 因?yàn)樵谠撻撝倒β室陨系娜魏喂馐?，將迅速聚焦于無限小的光斑大小 上，并使玻璃損壞。
方程式(1)被認(rèn)為對(duì)光纖和均勻的石英玻璃樣品是有效的，據(jù) 此對(duì)任何石英光纖傳送能力的峰值功率，設(shè)置了上限。但是，它也表 明，某些特殊的光纖設(shè)計(jì)可以抑制自聚焦的建立，據(jù)此允許這種光纖
傳送大于方程式(1)的功率，而不使自聚焦達(dá)到材料損壞的程度。
自聚焦不是對(duì)光纖傳送的功率的唯一限制。其他重要的約束包
括自相位調(diào)制、受激Brillouin散射(SBS )、受激Raman散射(SRS )、 和介質(zhì)光學(xué)擊穿。與自聚焦不同，自聚焦閾值涉及總峰值光功率，而 這些限制的閾值及介質(zhì)光學(xué)擊穿的閾值，依賴于光纖中峰值的局部強(qiáng) 度。 一般說來，這些限制及介質(zhì)光學(xué)擊穿的避免，是通過增加光纖的 有效模面積爿eff實(shí)施的，光纖模的有效面積，由Jeff = (J問MA)V膽廣dA 定義，這里五是局部電場(chǎng)，而積分應(yīng)理解為在光纖的截面積上進(jìn)行。 通過增加有效模的面積，能夠升高與強(qiáng)度有關(guān)的限制的閾值功率，使 自聚焦變得相對(duì)地更為重要。計(jì)算表明，對(duì)近紅外波長(zhǎng)和對(duì)合理的 jeff ( < 3000 nm2)，當(dāng)脈沖持續(xù)時(shí)間約為lns或更長(zhǎng)(包括連續(xù)波信 號(hào))時(shí)，介質(zhì)光學(xué)擊穿出現(xiàn)在比自聚焦更低的功率等級(jí)上。因?yàn)楸景l(fā) 明的設(shè)計(jì)，是用于延遲自聚焦的開始，而不是用于減輕介質(zhì)光學(xué)擊穿， 所以預(yù)料在脈沖持續(xù)時(shí)間短于1 ns中，對(duì)傳送高峰值功率的光纖是最 為有用的。本文說明的本發(fā)明，準(zhǔn)備用于峰值光功率超過常規(guī)整塊媒 質(zhì)自聚焦閾值的應(yīng)用。盡管在長(zhǎng)時(shí)間段上積分的平均光功率，遠(yuǎn)低于 常規(guī)整塊媒質(zhì)自聚焦閾值，但當(dāng)光脈沖長(zhǎng)度相對(duì)地短時(shí)，峰值光功率 將超過常規(guī)整塊媒質(zhì)的自聚焦閾值。
把光的能量均勻地分配在大纖芯的光纖上，是使光纖功率容量最 大化的一種方案，又不使光纖中任何給定點(diǎn)上超過與強(qiáng)度有關(guān)的限制 的閾值。眾所周知，能夠通過設(shè)計(jì)光纖的折射率分布，產(chǎn)生有平坦化 強(qiáng)度分布的模場(chǎng)實(shí)現(xiàn)該方案，如在U.S. Patent Application Publication No. 2004/0247272所示。但是，它不針對(duì)上述的自聚焦問題。

發(fā)明內(nèi)容
我們已經(jīng)發(fā)展了至少部分地克服剛才所說問題的光纖設(shè)計(jì)，主要 針對(duì)因過度自聚焦使光纖產(chǎn)生自發(fā)損壞的問題。這些光纖設(shè)計(jì)的纖芯 折射率，在光纖的中央纖芯中是極端不均勻的。在一個(gè)實(shí)施例中，光
纖是用精心考慮并陡峭的纖芯溝設(shè)計(jì)的。此外，這些光纖的標(biāo)稱纖芯 區(qū)有非常大的面積。該兩種性質(zhì)的組合，使光功率包絡(luò)的大部分，限制于有降低光功率的纖芯環(huán)內(nèi)。這些設(shè)計(jì)基本上降低了光纖中的自聚 焦。可以預(yù)期，采用這些修改的纖芯設(shè)計(jì)的光子系統(tǒng)，對(duì)以短的脈沖
持續(xù)時(shí)間傳輸高峰值光功率，例如大于1MW峰值的光功率，是特別 有效的。


圖1是常規(guī)大的模面積突變折射率光纖的折射率分布，這里是為
了與其他光纖設(shè)計(jì)比較而畫出的；
圖2是本發(fā)明設(shè)計(jì)的用于高功率應(yīng)用的光纖的折射率分布；
圖3按照本發(fā)明另一種對(duì)高功率應(yīng)用有用的設(shè)計(jì)，畫出光纖折射
率分布；和
圖4是曲線，對(duì)圖1-3中表示的波導(dǎo)，以歸一化模有效折射率， 畫出基模LP01被引導(dǎo)的光功率的變化。
圖5是曲線，對(duì)圖1-3中畫出的波導(dǎo)，畫出在低光功率等級(jí)上 LP01的電場(chǎng)振幅。
具體實(shí)施例方式
圖1對(duì)常規(guī)大的模面積突變折射率光纖，畫出折射率分布11。 曲線是折射率對(duì)徑向位置的曲線，并為這里的說明和分析目的而被理 想化了。纖芯通常用Ge摻雜到約1.452的折射率值。圖上所示包層 是純石英，標(biāo)稱折射率是1.45。這些數(shù)字和這里討論的焦點(diǎn)，是光纖 的纖芯。用于微彎控制的帶有無摻雜層、向下?lián)诫s溝層、向上摻雜溝 層等等包層結(jié)構(gòu)的廣泛的變化，可以與這里舉出的纖芯結(jié)構(gòu)一起使 用。
圖l畫出大的纖芯，直徑約40微米(基模LP01圍繞lnm波長(zhǎng) 的有效面積，約750 pm2)。大纖芯的作用，是使光脈沖的模場(chǎng)擴(kuò)展， 從而使強(qiáng)度保持在損壞閾值以下。
但是，如上面的討論，即使如圖l分布表示的大纖芯光纖，也要 遭遇自聚焦的問題。
圖l還畫出在一些突變折射率光纖纖芯中常見的人為現(xiàn)象，它就 是圖上12所示的纖芯凹坑。這是由于處理時(shí)摻雜物部分地耗盡產(chǎn)生
的中央?yún)^(qū)。它大部分出現(xiàn)在MCVD法制造的光纖中。在一些情形中， 它可以是精心考慮地產(chǎn)生的。見06/29/04申請(qǐng)的U.S. Patent Application Serial No. 10/880,205?？梢栽O(shè)計(jì)光纖的制造過程，使纖芯 凹坑最小或消除纖芯凹坑。在這種情形中，纖芯凹坑仍可能存在，但 該纖芯凹坑不是光纖設(shè)計(jì)中精心考慮的功能性特征。
雖然圖1的光纖分布有大的纖芯面積，但它不能避免自聚焦的問 題。整塊均勻材料，諸如沒有波導(dǎo)纖芯的石英玻璃塊中自聚焦現(xiàn)象的 詳細(xì)技術(shù)分析,見Boyd， "Nonlinear Optics" ( 2nd edition, Academic Press, New York, 2003 page 313，方程式7.1.2-7.1.7 )。
現(xiàn)在從簡(jiǎn)單的光線光學(xué)理論考慮該問題，如果出現(xiàn)焦點(diǎn)，則意味 著接近該焦點(diǎn)的邊際光線的光程長(zhǎng)度，與光軸上光線的光程長(zhǎng)度相 同。我們作如下粗略的近似，即光軸上的光線經(jīng)受的折射率等于 n。+n2xl (這里玻璃的標(biāo)稱線性折射率是n。，而112是非線性分量，即 由軸上高強(qiáng)度I建立的折射率差的系數(shù))。還假定，邊際光線經(jīng)受的 折射率只有no(因?yàn)檫@里的強(qiáng)度較低)。因?yàn)樵搩晒饩€的光程必須相 等(沿光軸的光程=邊際光線的光程)，利用幾何學(xué)，該等式成為 (n0+n2xl) xL = n0xL/cos (6) ( 2 )
這里L(fēng)是沿光軸到焦點(diǎn)的距離，而0是邊際光線相對(duì)光軸的角 度。利用代數(shù)學(xué)(及cos(e)的簡(jiǎn)單近似，角度e能夠表示為 0 = (2xn2xl/no)'/j (3)
假定原光束的橫向光束寬度為2xw。(本例中，2xwo類似于模場(chǎng) 直徑)，則邊際光線必須傳播w。的橫向距離，才到達(dá)光軸。相應(yīng)地， 自聚焦的近似距離L，能夠計(jì)算如下
L = w0x( n0/ ( 2xn2xl )f2 ( 4 )
所有這些關(guān)系都是近似的，且完全根據(jù)自聚焦光線光學(xué)圖像，該 自聚焦光線光學(xué)圖像對(duì)遠(yuǎn)大于自聚焦閾值是有效的。接近自聚焦閾 值，因自聚焦的會(huì)聚角度(e)將接近與光束衍射的發(fā)散角度(Y)相 等
■y = Ay(n0xwoX7i) (5)
這里我們已經(jīng)假定，光束的橫向形狀是近似Gauss形的。當(dāng)光 束近似為Gauss形時(shí)，光束中總功率可以近似表示為 P = (TixIxwo2)/2 ( 6 )
可以用代數(shù)方法把方程式(3)、 (5)、和(6)組合，證明當(dāng) 衍射角度與自聚焦的會(huì)聚角度相等時(shí)(y=0)，有 P = X2/(4n27in0) ( 7 )
該結(jié)果在方程式(1)給出的更精確解的兩倍以內(nèi)。在更高的功 率上，因自聚焦產(chǎn)生的光束會(huì)聚，壓倒衍射，從而使光束會(huì)聚到焦點(diǎn)。 在功率低于方程式(7)時(shí)，衍射淹沒光束的任何會(huì)聚。
從前面的分析可以得出結(jié)論，為克服自聚焦問題，設(shè)計(jì)的目的， 是在光纖中央建立顯著的光強(qiáng)分布極小。
圖2畫出光纖折射率分布的一個(gè)例子，設(shè)計(jì)該折射率分布，是為 了克服自聚焦問題。在該設(shè)計(jì)中，光纖的纖芯21有大的面積。圖2 所示纖芯的標(biāo)稱面積，約為700 nm2。纖芯的物理面積和模場(chǎng)直徑是 相關(guān)的但不相同。在這里的討論和本發(fā)明的內(nèi)容中，可以認(rèn)為，模場(chǎng) 面積(Aeff)是要研究的主要性質(zhì)，并推薦大于150 nm2 (在相對(duì)低的 功率等級(jí)上，例如低于O.l MW峰值功率上測(cè)量)，最好是大于300拜2。
圖2所示例子中的光纖分布，包括凹陷折射率區(qū)，該凹陷折射率 區(qū)約6微米寬，非常深。折射率分布中的該凹陷折射率區(qū)，在光纖的 中央建立光強(qiáng)(或電場(chǎng)振幅)的局部極小。這一特征和該特征的結(jié)果， 能夠用數(shù)學(xué)公式表示成普遍的條件
,>0 (8)
; =0
這里l五l是電場(chǎng)振幅。數(shù)值模擬已經(jīng)證明，滿足這兩個(gè)條件，即， 有大有效面積的纖芯，和有光強(qiáng)局部極小中央?yún)^(qū)的光纖，呈現(xiàn)升高的
自聚焦閾值。圖5畫出在低光功率上對(duì)圖2所示光纖設(shè)計(jì)(24和22 ) 計(jì)算的電場(chǎng)(分別是52和53)，圖上清楚表明，在光纖中央有電場(chǎng) 振幅的局部極小.能夠用常規(guī)數(shù)值模求解算法，對(duì)光纖的各種模計(jì)算 電場(chǎng)振幅，該算法是本領(lǐng)域熟練人員熟知的。這里建議的光纖設(shè)計(jì)的
功效，能夠根據(jù)建議的折射率分布，通過計(jì)算工作波長(zhǎng)上需要的信號(hào) 模來評(píng)估，并能檢驗(yàn)電場(chǎng)振幅(或光強(qiáng))，以證實(shí)在光纖中央存在局 部極小。
在一些情形中，電場(chǎng)極小的存在，能夠在本發(fā)明與呈現(xiàn)Gauss 類模場(chǎng)形狀的更為常見的光纖之間，抑制有效的光耦合。這種抑制能 夠借助模場(chǎng)形狀或大小轉(zhuǎn)換單元克服，該轉(zhuǎn)換單元包括整塊的光學(xué)單 元，諸如透鏡或反射鏡，以及基于光纖的對(duì)策，諸如12/16/05申請(qǐng)的 US Provisional Patent Application Serial No. 60/750967中7>開的那些 對(duì)策。
當(dāng)然，方程式(8)說明的電場(chǎng)極小，涉及光纖纖芯中傳播的基 模LP(u。但是，同樣當(dāng)然的是，本發(fā)明可應(yīng)用于信號(hào)模是LPm或其 他模的情形。
從以上所述可見，方程式(8)表示的電場(chǎng)振幅極小，能夠通過 在纖芯中央產(chǎn)生折射率極小獲得。在通常的情形中，該折射率極小比 基模的有效折射率更小。折射率極小的寬度，也影響電場(chǎng)振幅極小的 深度。折射率溝的寬度一般大于X/2n，這里入是真空波長(zhǎng)，而n是 折射率。
圖2分布中的凹陷區(qū)22，可以按若干方式形成。 一種可取的方 法，是精心考慮的使中央纖芯區(qū)向下?lián)诫s。向下?lián)诫s區(qū)一般是通過摻 雜F或B產(chǎn)生。實(shí)現(xiàn)這種摻雜的普通方法，是眾所周知的。例如見 12/16/02申請(qǐng)的U.S. Patent Application Serial No. 10/320,193,本文 引用該專利，供參考。另一種方法是形成無摻雜的中央纖芯區(qū)。這樣 將產(chǎn)生由虛線24表示的分布。通過在MCVD淀積的最后的一遍或數(shù) 遍中，簡(jiǎn)單地關(guān)斷摻雜物源，諸如Ge擴(kuò)散器，容易在常規(guī)的MCVD 處理過程中產(chǎn)生無摻雜區(qū)。此外，通過在MCVD淀積的最后一遍或 數(shù)遍中，降低向上摻雜物濃度和/或增加向下?lián)诫s物濃度，可以形成凹 陷區(qū)。通過其他熟知的光纖制造方法，可以形成類似的折射率分布。
另一種解決自聚焦問題的方案，以圖3的分布表示。在這里，通 過在光纖的中央形成孔或空隙，中央纖芯溝區(qū)的折射率被降低到1， 即空氣的折射率。這樣將在光纖纖芯中央產(chǎn)生光能上非常不同的凹
陷。從前已經(jīng)有人說明類似的光纖結(jié)構(gòu)。例如，Bjarklev等人在 Photonic Crystal Fibers, Kluwer， Boston, 2003中說明被稱為空心纖 芯的光纖，還有Li等人在"High Bandwidth Single Polarization Fiber With Elliptical Central Air Hole, IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 23， No. 11， pp. 3454-3460中說明的孔輔助光纖。但 是，在這些光纖中，其目的是在空心纖芯中傳輸光。在本發(fā)明的光纖 中，則有多于50%的光能在光纖的玻璃部分傳送。孔僅用于降低玻 璃纖芯的自聚焦性質(zhì)。因此，纖芯中孔的直徑比纖芯直徑的一半還小， 且最好小于纖芯直徑的四分之一。此外，Li等人說明的光纖有橢圓形 的纖芯。在推薦的情形中，這里說明的光纖基本上是軸對(duì)稱的。
為了演示本發(fā)明光纖設(shè)計(jì)中高功率基本傳播模的穩(wěn)定性，以歸一 化的模的有效折射率，計(jì)算了被引導(dǎo)的基模LPcn的各種光功率。歸一
化模有效折射率由We『"e^給出，這里Weff是當(dāng)模傳送高的光功率 (7>~/ ^或戶>/> ")時(shí)，該模的有效折射率，而"ef,是同一模在低 功率(/> />^)時(shí)的有效折射率。歸一化模有效折射率，是升高的 光功率已經(jīng)對(duì)局部折射率產(chǎn)生擾動(dòng)程度的指示。模折射率由"eff = ，/(271)定義，這里光學(xué)模的相位，以每單位距離"弧度的速率累積。
圖4畫出圖1-3表示的波導(dǎo)的結(jié)果。曲線41表示具有圖l所示分布的 光纖的數(shù)據(jù)；曲線42表示圖2所示分布22的數(shù)據(jù)；曲線43表示圖3 所示分布的數(shù)據(jù)。非線性折射率系數(shù)《2假定相同，與石英摻雜物的 濃度無關(guān)，但即使計(jì)及"2隨摻雜物濃度的變化，也可以獲得類似的 曲線。為清楚起見，已經(jīng)壓縮圖4的豎直尺度，而水平尺度是對(duì)數(shù)的。 數(shù)據(jù)是用兩種獨(dú)立的手段計(jì)算的標(biāo)量非線性Schrodinger方程的直 接積分，和圓柱形對(duì)稱的標(biāo)量有限差光束傳播方法(FD-BPM)。兩 種方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，緊緊地追隨圖中曲線。
顯然，從圖4的線41可見，對(duì)有圖1所示折射率分布的光纖， 被引導(dǎo)的光功率以漸近方式接近Perit (按方程式(1)的定義).相反， 對(duì)圖2和3所示本發(fā)明實(shí)施例的兩種光纖設(shè)計(jì)，被引導(dǎo)的光功率的增
加，遠(yuǎn)超出Pcrit之上(曲線42和43 )。
對(duì)這里說明的光纖的數(shù)值模擬，值得關(guān)心的是，當(dāng)接近P^或在
Pcr"之上工作而存在小的擾動(dòng)時(shí)，被引導(dǎo)模的穩(wěn)定性。如果被引導(dǎo)的 模是不穩(wěn)定的，那么任何無限小的擾動(dòng)，諸如折射率小的變化，可以 導(dǎo)致災(zāi)難性的自聚焦并使光纖損壞。如果dP/dlleff大于零，則對(duì)小擾
動(dòng)保有基模LPm的穩(wěn)定性。見Kivshar等人的Optical Solution: From Fibers to Photonic Crystals, Academic Press, New York, 2003。 以圖4
中曲線42和43表示的光纖傳送的光能，即使在功率大于Perit時(shí)，用
FD-BPM數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)，也用dP/dneff大于零的事實(shí)，兩者都證明 是穩(wěn)定的。
圖5對(duì)圖1、 2、和3所示的光纖設(shè)計(jì)，畫出在低光功率上計(jì)算 的基模LP01的電場(chǎng)振幅。曲線51對(duì)應(yīng)于圖1中出現(xiàn)的完全均勻的光 纖折射率分布ll。曲線52對(duì)應(yīng)于圖2中曲線21和24形成的光纖折 射率分布。曲線53對(duì)應(yīng)于圖2中曲線21和22形成的光纖折射率分 布。曲線54對(duì)應(yīng)于圖3中曲線31和32形成的光纖折射率分布。曲 線51沒有呈現(xiàn)電場(chǎng)的極小，也沒有呈現(xiàn)升高的自聚焦閾值。相反， 曲線52、 53、和54，全都在光纖中央它們的電場(chǎng)振幅中呈現(xiàn)極小， 并且還發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)升高的自聚焦閾值。
能夠用常規(guī)數(shù)值模求解算法，計(jì)算光纖各種模的電場(chǎng)振幅，該算 法是本領(lǐng)域熟練人員熟知的。建議的光纖設(shè)計(jì)的功效，能夠根據(jù)建議 的折射率分布，通過計(jì)算工作波長(zhǎng)上需要的信號(hào)模來評(píng)估，并能檢驗(yàn)
電場(chǎng)振幅(或光強(qiáng))，以證實(shí)光纖中央存在局部極小。
對(duì)本發(fā)明的功效， 一種簡(jiǎn)化的物理解釋如下.在軸對(duì)稱的波導(dǎo)， 諸如典型的光纖中，災(zāi)難性的自聚焦，通常出現(xiàn)在大部分光信號(hào)自身 聚焦在對(duì)稱軸的正中央時(shí)(在這里，是光纖的正中央)。遵照這里說 明的教導(dǎo)，光纖中央的折射率，是被精心考慮，設(shè)置得足夠低，以便 禁止光能進(jìn)入光纖的中央?yún)^(qū)。雖然光能的某些部分將穿進(jìn)光纖纖芯的 中央凹陷折射率區(qū)(圖2中的區(qū)22)，但光能的大部分仍然留在包風(fēng) 中央凹陷折射率區(qū)的纖芯中(圖2的區(qū)21),這樣在纖芯中建立一個(gè)
12
環(huán)，環(huán)上的光強(qiáng)是最高的。由于高光強(qiáng)的存在使局部折射率上升，光 強(qiáng)最高的環(huán)起偽纖芯的作用，大量光在偽纖芯中被引導(dǎo)，且該偽纖芯 進(jìn)一步禁止光能進(jìn)入光纖的中央。再有，隨著光強(qiáng)的增加，該偽纖芯 的作用實(shí)際也在增長(zhǎng)。
當(dāng)然，隨著光功率接近并超過整塊媒質(zhì)的臨界功率尸erit，信號(hào)模 的有效面積Aff因強(qiáng)度引起光纖折射率的擾動(dòng)而縮減。但是，只要光
纖的Aff在低的功率(戶《 Per")上足夠大，那么這一 Aff的縮減將 不足以使強(qiáng)度依賴的非線性，諸如介質(zhì)光擊穿，損害光纖。
雖然這里借助降低自聚焦針對(duì)的功率范圍，在更早的敘述中是l MW以上，但該效應(yīng)開始起作用的功率等級(jí)，可以借助方程式(7) 更精確地說明，方程式(7)可以用光信號(hào)源表示，其中光纖內(nèi)任何
地方的光信號(hào)，有大于V/(4Tcn。112)的光功率，這里X是真空波長(zhǎng)， n0是未擾動(dòng)(線性)折射率，和"2是以m2/W為單位表示的非線性 折射率。
本文使用的術(shù)語向上摻雜和向下?lián)诫s，本領(lǐng)域熟練人員是熟知 的。向上摻雜玻璃或玻璃區(qū)，是通過摻雜，使之有大于純石英折射率 的折射率。向下?lián)诫s玻璃或玻璃區(qū)，是通過摻雜，使之有小于純石英 折射率的折射率。典型的宿主材料是石英。
在本詳細(xì)描述的結(jié)尾，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)本領(lǐng)域的熟練人員，顯而易 見的是，在基本不偏離本發(fā)明的原理下，可以對(duì)這里的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn) 行許多變化和修改。所有這類變化、修改、和等效的內(nèi)容，都將被認(rèn) 為包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，本發(fā)明的范圍在權(quán)利要求書中闡明。
權(quán)利要求
1.一種包括纖芯和包層的光纖，其中，在光功率低于整塊材料自聚焦閾值和在纖芯中央的電場(chǎng)振幅由下式給出的情形下，測(cè)量的信號(hào)模的有效面積大于150μm2
2. 按照權(quán)利要求1的光纖，其中信號(hào)模的有效面積，在遠(yuǎn)低于 整塊材料自聚焦閾值的光功率上，大于300 pm2。
3. 按照權(quán)利要求l的光纖，其中的纖芯包括有第一折射率的環(huán)， 該環(huán)包圍實(shí)際上有更低折射率的中央纖芯凹陷區(qū)。
4. 按照權(quán)利要求3的光纖，其中的中央纖芯凹陷區(qū)的折射率，低于信號(hào)模的有效折射率。
5. 按照權(quán)利要求4的光纖，其中的中央纖芯凹陷區(qū)的寬度，大 于X/2n，這里人是真空中波長(zhǎng)，n是折射率。
6. 按照權(quán)利要求3的光纖，其中的中夾纖芯凹陷區(qū)，有小于或等于石英的折射率。
7. 按照權(quán)利要求3的光纖，其中的中央纖芯凹陷區(qū)，包括空隙。
8. 按照權(quán)利要求7的光纖，其中的環(huán)傳送大于50。/。的光功率。
9. 一種光纖系統(tǒng)，包括如下的組合(a) —種包括纖芯和包層的光纖，其中，在光功率低于整塊材 料自聚焦閾值和在纖芯中央的電場(chǎng)振幅由下式給出的情形下，測(cè)量的 信號(hào)模的有效面積大于150 pm2:這里l五l是電場(chǎng)振幅，而r是纖芯半徑，和 (b)與光纖耦合的光信號(hào)源，該光信號(hào)的峰值光功率在光纖內(nèi) 任何地方都大于XV(47rn。"2)，這里X是真空中波長(zhǎng)，n。是未擾動(dòng)(線 性)折射率，和《2是以m2/W為單位表示的非線性折射率。
10. 按照權(quán)利要求9的光纖系統(tǒng)，其中的纖芯包括有第一折射率 的環(huán)，該環(huán)包圍實(shí)際上有更低折射率的中央纖芯凹陷區(qū)。
11. 按照權(quán)利要求10的光纖系統(tǒng)，其中的中央纖芯凹陷區(qū)的折 射率，低于或等于石英的折射率。
12. 按照權(quán)利要求10的光纖系統(tǒng)，其中的中央纖芯凹陷區(qū)，包 括空隙。
13. —種包括使光信號(hào)通過光纖傳播的傳輸光信號(hào)的方法，該光 信號(hào)的峰值光功率級(jí)別，在光纖內(nèi)任何地方都大于V/(47in。"2)，這里 X是真空中波長(zhǎng)，n。是未擾動(dòng)(線性)折射率，和"2是以mVw為 單位表示的非線性折射率，且該光纖包括纖芯和包層，其中，在光功 率低于整塊材料自聚焦閾值和在纖芯中央的電場(chǎng)振幅滿足下式情形 下，測(cè)量該信號(hào)模的有效面積大于150 nm2:,>0*2 ,=。這里l五l是電場(chǎng)振幅，而,是纖芯半徑。
14. 按照權(quán)利要求13的方法，其中的纖芯包括有第一折射率的 環(huán)，該環(huán)包圍實(shí)際上有更低折射率的中央纖芯凹陷區(qū)。
15. 按照權(quán)利要求14的方法，其中的中央纖芯凹陷區(qū)的折射率， 低于或等于石英的折射率。
16. 按照權(quán)利要求14的方法，其中的中央纖芯凹陷區(qū)，包括空隙。
17. 按照權(quán)利要求16的方法，其中的環(huán)傳送大于50%的光功率。
18. —種包括如下組合的光纖系統(tǒng)(a) —種包括纖芯和包層的光纖，其中，在光功率低于整塊材 料自聚焦閾值和在纖芯中央的電場(chǎng)振幅由下式給出的情形下，測(cè)量的 信號(hào)模的有效面積大于150 nm2:"2間>0這里l五l是電場(chǎng)振幅，而l"是纖芯半徑，和 (b)與光纖耦合的光信號(hào)源，該光信號(hào)源的脈沖持續(xù)時(shí)間小于 1 ns。
19. 按照權(quán)利要求18的光纖系統(tǒng)，其中的纖芯包括有第一折射 率的環(huán)，該環(huán)包圍實(shí)際上有更低折射率的中央纖芯凹陷區(qū)。
20. 按照權(quán)利要求19的光纖系統(tǒng)，其中的中央纖芯凹陷區(qū)，有小于或等于石英折射率的折射率。
21. 按照權(quán)利要求18的光纖系統(tǒng)，其中的中央纖芯凹陷區(qū)，包括空隙。
全文摘要
本發(fā)明描述了光纖設(shè)計(jì)，它可以克服因過度自聚焦而產(chǎn)生自聚焦對(duì)光纖的毀壞問題。這些光纖設(shè)計(jì)的折射率，在光纖的中央纖芯中是極端不均勻的。在一個(gè)實(shí)施例中，光纖是用精心考慮并陡峭的纖芯溝設(shè)計(jì)的。此外，這些光纖的標(biāo)稱纖芯區(qū)有非常大的面積。該兩種性質(zhì)的組合，使光功率包絡(luò)的大部分，限制于纖芯環(huán)，在該纖芯環(huán)內(nèi)有降低光功率。這些設(shè)計(jì)基本上降低光纖中的自聚焦?？梢灶A(yù)期，采用具有這些修改纖芯設(shè)計(jì)的光纖的光子系統(tǒng)，對(duì)以短的脈沖持續(xù)時(shí)間傳輸?shù)母吖β?，例如大?MW的高功率，是特別有效的。
文檔編號(hào)G02B6/02GK101173997SQ20071012864
公開日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2007年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月1日
發(fā)明者安德魯·D·亞布隆, 戴維·J·迪喬瓦尼, 賈耶什·賈撒帕拉 申請(qǐng)人:古河電子北美公司