通過改變常規(guī)階躍折射率的大模場漸變折射率光纖設(shè)計

隨著市場對高功率光纖激光器的興趣越來越濃、其應(yīng)用越來越廣，進 一步提升光纖激光器功率的驅(qū)使，已經(jīng)激發(fā)了許多將大模場（LMA） 光纖用作增益光纖的研究。在LMA光纖中，纖芯的物理尺寸足夠大以 支持多種模式，但光纖的物理特性被設(shè)計成抑制高階模式。因此，所 需的激光基橫?？梢苑植荚诖蟮臋M截面上，從而降低對光纖的潛在的 與光相關(guān)的損傷（以及光學(xué)非線性）。

制造實用型LMA光纖的努力，通常集中在使用階躍折射率或微結(jié)構(gòu)設(shè) 計。實現(xiàn)單模工作的一個例子是：在增益導(dǎo)引和折射率反導(dǎo)引（GG + IAG）光纖中，通過階躍折射率設(shè)計中的模式選擇性衰減來實現(xiàn)。 但是，這種光纖具有固有的泄漏損耗，降低了激光效率。

最近，韓國朝鮮大學(xué)光電子工程系的Hyun Su Kim和新加坡南洋理工 大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的Seongwoo Yoo兩位研究人員，已經(jīng)采用 不同的方法，通過改變常規(guī)階躍折射率的GG + IAG光纖設(shè)計，使其具 有漸變折射率纖芯；該變化降低了泄漏損耗，同時保持了GG + IAG設(shè) 計的高階模式抑制（由于其凸起折射率的包層）。沒有GG + IAG設(shè)計 的漸變折射率纖芯光纖自身，在放大下不能維持單模輸出（見圖 1）。

圖1：在沒有（a）和有（b）激光增益的情況下，對通過傳統(tǒng)漸變 折射率纖芯光纖傳播的高斯光束的模擬顯示高階模（HOM）出現(xiàn)。 然而，如果漸變折射率纖芯在增益引導(dǎo)和折射率反導(dǎo)引（GG + IAG）光纖設(shè)計中（圖中未給出），則即使在放大下也能保持基模 傳播。

折射率凹陷的漸變折射率纖芯

“我們研究了一種可以固有抑制高階模（HOM）的替代LMA設(shè)計， 從而提升了橫模不穩(wěn)定性的閾值。”Yoo解釋說，“曾經(jīng)提出了一 種增益導(dǎo)引機制的反波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，作為選擇性提高基模功率的新途 徑。然而，人們已經(jīng)認識到，這種類型結(jié)構(gòu)的光學(xué)增益不僅要求放 大，而且要克服反導(dǎo)引損耗，這是很難做到的?！?/p>

在新的理論設(shè)計中克服了此基本限制，其中凹陷的漸變折射率大大 降低了基模的反導(dǎo)引損耗，而凸起的包層折射率同時提供了抑制 HOM的機制。Yoo補充說： “該設(shè)計通過固有的HOM抑制實現(xiàn)高斯 光束輸出的功率提升。” 兩位研究人員模擬了階躍折射率GG + IAG光纖和新光纖設(shè)計（無增 益）的泄漏損耗，芯徑分別為50μm和100μm；結(jié)果發(fā)現(xiàn)與階躍折射 率纖芯相比，采用梯度折射率纖芯的新設(shè)計，將泄漏損耗降低了超 過1000倍。他們還發(fā)現(xiàn)，雖然階躍折射率GG + IAG的泄漏損耗與光 束半徑的大小無關(guān)，但對于新設(shè)計則存在相關(guān)性。因此他們確定， 例如對于25μm纖芯半徑的最佳光束尺寸，泄漏損耗《0.003/cm，這 比GG + IAG光纖的泄漏損耗再小三個數(shù)量級。 對沒有顛倒折射率的純漸變折射率光纖進行的模擬表明，在放大情 況下，光束不能保持高斯分布，并且實際上可能通過光束畸變和自 聚焦損傷纖芯。

Yoo指出： “我們注意到，模擬建議了實際的工作范圍，我們的下 一個目標(biāo)是在實驗室中展示此概念。這將包括制造凹陷的漸變折射 率摻鐿（Yb）纖芯、驗證高斯模放大，以及在光纖彎曲下的性能。 盡管彎曲畸變，例如壓縮模場和模式分布的偏移，看起來在漸變折 射率分布圖上并不顯著（在模擬中也得到支持），但實驗演示在確 認各種放大器配置的穩(wěn)健性和適應(yīng)性方面，將更有說服力。

編輯：hfy