АКТИВНОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ВИХРЕВЫХ ПУЧКОВ Российский патент 2024 года по МПК H01S3/67 G02B6/28 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Различные примеры вариантов выполнения в целом относятся к области активных оптических волокон и устройств, в которых используются активные оптические волокна. В частности, некоторые типичные варианты выполнения относятся к генерации и усилению оптических сигналов, обладающих орбитальным угловым моментом (orbital angular momentum, ОАМ).

ПРЕДПОСЫЛКИ

[0002] Технология волоконного лазера и усилителя может быть использована в различных областях применения. В некоторых областях применения может быть использован орбитальный угловой момент (ОАМ) оптического сигнала. Оптические сигналы, обладающие ОАМ, могут генерироваться различными средствами. Однако достижимая оптическая мощность и различие в характеристиках мод могут не удовлетворять некоторым областям применения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] В данном разделе в упрощенной форме представлена подборка концепций, которые более детально описаны далее в разделе «Подробное Описание». Данное краткое изложение не предполагает выявление ключевых или основных признаков заявленного изобретения, а также не должно быть использовано в качестве ограничения объема заявленного изобретения.

[0004] Примеры вариантов выполнения представляют отрезок активного оптического волокна, предназначенного для областей применения, в которых используют оптические сигналы, обладающие ОАМ. Дополнительные варианты выполнения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения, описании и чертежах.

[0005] Согласно первому аспекту, отрезок активного оптического волокна может содержать центральную часть, имеющую первый показатель n₁ преломления, при этом диаметр центральной части плавно изменяется вдоль длины отрезка активного оптического волокна, образуя сужающийся продольный профиль; кольцевую сердцевину, радиальным образом окружающую центральную часть, при этом кольцевая сердцевина легирована по меньшей мере одним редкоземельным элементом и имеет второй показатель n₂ преломления, причем n₂>n₁, и двулучепреломление кольцевой сердцевины составляет менее 10^-5; первый слой оболочки, радиальным образом окружающий кольцевую сердцевину и имеющий третий показатель n₃ преломления, причем n₃<n₂; и второй слой оболочки, радиальным образом окружающий первый слой оболочки и имеющий четвертый показатель n₄ преломления, причем n₄<n₃, при этом первая часть отрезка активного оптического волокна обеспечивает одномодовый режим оптического сигнала, а вторая часть отрезка активного оптического волокна обеспечивает многомодовый режим оптического сигнала.

[0006] Большинство обсуждаемых признаков будут легко понятны после их осмысления при обращении к приведенному ниже подробному описанию, выполненному со ссылкой на прилагаемые чертежи.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Сопроводительные чертежи, которые приложены для лучшего понимания типичных вариантов выполнения и составляют часть данного описания, иллюстрируют и вместе с описанием помогают понять примеры вариантов выполнения. На чертежах:

[0008] Фиг. 1 иллюстрирует пример отрезка активного сужающегося крученого волокна с двойной оболочкой, согласно примеру варианта выполнения.

[0009] Фиг. 2 иллюстрирует примеры усечения первого слоя оболочки активного сужающегося крученого волокна с двойной оболочкой, согласно примеру варианта выполнения.

[0010] Фиг. 3 иллюстрирует пример распределения поля оптического сигнала, распространяющегося в отрезке активного сужающегося крученого волокна с двойной оболочкой, согласно примеру варианта выполнения.

[0011] Фиг. 4 иллюстрирует пример усилителя мощности задающего генератора (МОРА), содержащего активное крученое волокно с двойной оболочкой, согласно примеру варианта выполнения.

[0012] Фиг. 5 иллюстрирует пример лазера, содержащего активное крученое волокно с двойной оболочкой, согласно примеру варианта выполнения.

[0013] Фиг. 6 иллюстрирует другой пример усилителя мощности задающего генератора (МОРА), содержащего активное крученое волокно с двойной оболочкой, согласно примеру варианта выполнения.

[0014] Фиг. 7 иллюстрирует другой пример лазера, содержащего активное крученое волокно с двойной оболочкой, согласно примеру варианта выполнения.

[0015] На прилагаемых чертежах подобные номера позиций использованы для обозначения подобных элементов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0016] Далее обратимся к подробному описанию примеров вариантов выполнения, примеры которых проиллюстрированы на прилагаемых чертежах. Представленное ниже подробное описание, выполненное со ссылкой на прилагаемые чертежи, приведено в качестве описания примеров настоящего изобретения и не ограничивает возможные варианты конструкции или использования данного примера. В описании изложены функции и последовательность этапов создания и работы примера. Однако одинаковые или эквивалентные функции и последовательности этапов могут быть реализованы с использованием других примеров.

[0017] Как правило, оптическое волокно может включать сердцевину, окруженную по меньшей мере одним слоем оболочки, показатель преломления которого меньше, чем показатель преломления сердцевины. Показатели преломления материала сердцевины и оболочки влияют на критический угол полного внутреннего отражения света, распространяющегося в сердцевине. Данный угол также определяет диапазон углов падения, которые обеспечивают распространение света, генерируемого на конце оптического волокна, внутри сердцевины. Сердцевина может содержать прозрачный материал, например, такой как диоксид кремния.

[0018] В активных оптических волокнах сердцевина может быть легирована по меньшей мере одним редкоземельным элементом. Редкоземельные элементы включают группу материалов, в том числе, церий (Се), диспрозий (Dy), эрбий (Er), европий (Eu), гадолиний (Gd), гольмий (Но), лантан (La), лютеций (Lu), неодим (Nd), празеодим (Pr), прометий (Pm), самарий (Sm), скандий (Sc), тербий (Tb), тулий (Tm), иттербий (Yb) и иттрий (Y). Сердцевина активного оптического волокна может быть легирована одним или более из указанных элементов, например, Er или Yb, либо их комбинацией. Во время работы активного оптического волокна редкоземельные ионы поглощают излучение накачки, которое запускается в активное оптическое волокно в дополнение к оптическому сигналу. Это обеспечивает возможность усиления оптического сигнала посредством вынужденного излучения. Для разных длин волн могут быть использованы различные редкоземельные элементы. Например, Yb может быть использован для диапазона длин волн, составляющего 980 нм - 1100 нм, а Er - для диапазона длин волн, составляющего 1535 нм - 1600 нм.

[0019] Оптическое волокно может поддерживать одномодовый или многомодовый режим. Одномодовое волокно может быть предназначено для передачи одной моды светового излучения, что можно понимать как одиночный луч света, распространяющегося через сердцевину оптического волокна. При этом одномодовое волокно может содержать один или более одномодовых и многомодовых участков. Например, одномодовое волокно может содержать сужающийся отрезок, так что по меньшей мере одна, более тонкая часть активной сердцевины может обеспечивать одномодовый режим работы, пропуская только основную моду, в то время как более толстая часть (части) активной сердцевины может обеспечивать многомодовый режим работы. Однако одномодовая часть сужающейся сердцевины также может вызывать передачу одномодового оптического сигнала более толстой частью (частями).

[0020] Двулучепреломление (В) является оптическим свойством материала, например, активной сердцевины оптического волокна. Материал является двулучепреломляющим, если в разных направлениях имеет разный показатель преломления. Кроме того, например, изгибание оптического волокна может привести к тому, что показатели преломления в направлениях X и Y будут немного отличаться друг от друга. Двулучепреломляющие материалы имеют показатель преломления, который отличается для различных поляризаций оптического сигнала. Двулучепреломление может быть определено, исходя из максимальной разницы между показателями преломления для разных поляризаций: В=2πbΔn, где Δn - максимальная разница между показателями преломления для разных поляризаций (например, «быстрая» и «медленная» моды).

[0021] Световые лучи, обладающие орбитальным угловым моментом (ОАМ), могут быть использованы в разных областях применения, например, таких как оптическая связь, оптические пинцеты, манипулирование атомами и обработка материалов. Например, генерирование световых ОАМ-лучей может обеспечивать объемная оптика, такая как преобразователи мод, выполненные с цилиндрическими линзами, пространственные модуляторы света или интегрированные кремниевые устройства. Кроме того, ОАМ-лучи могут генерироваться непосредственно в одномодовом оптическом волокне, например, на основе длиннопериодных волоконных решеток, и в низкомодовом оптическом волокне (2-4 моды) посредством регулируемой модовой связи. Однако оптическая мощность световых лучей, получаемых указанными методами, может быть довольно ограниченной, например, составляет порядка нескольких мВт.

[0022] Для получения более мощных оптических ОАМ-лучей могут быть использованы системы задающий генератор - усилитель мощности (master oscillator - power amplifier, МОРА) с активными оптическими волокнами с большой площадью модового поля, обладающими достаточно большим диаметром модового пятна (large mode area, LMA) (например, 25 мкм). В данных системах может быть использовано избирательное возбуждение требуемых ОАМ-мод при одновременном соответствующем изгибании активного волокна. Другой подход может включать использование МОРА-системы, содержащей объемные ОАМ-преобразователи, например S-пластину (пластины) или Q-пластину (пластины), в сочетании с этапами усиления с помощью волокна. Однако данные подходы могут приводить к ограничению диаметра модового поля в активном волокне, что также может ограничивать доступную оптическую мощность. Кроме того, возможно потребуется использовать низкомодовое волокно, которое не поддерживает поляризацию на последней ступени усиления. Наличие собственного остаточного случайного двулучепреломления в таких волокнах может привести к ухудшению различия в характеристиках мод, частичной деполяризации выходного луча и, в конечном итоге, к ухудшению качества ОАМ-луча. Различие в характеристиках мод может относиться к распределению мощности между разными модами, например, модами с ОАМ и модами без ОАМ.

[0023] Более того, использование низко-апертурных активных маломодовых LMA-волокон может привести к аналогичному усилению для всех мод, поддерживаемых волокном, например, для мод в форме кольца (связанных с ОАМ), а также для других мод. Следовательно, такие системы не могут обеспечивать селективность при усилении мод. Это может привести не только к образованию необходимого ОАМ-луча, но и к передаче мощности излучения накачки к другим (нежелательным) модам. В конечном итоге это может вызвать ухудшение различия характеристик в модовом составе.

[0024] Таким образом, примеры вариантов выполнения настоящего изобретения могут быть использованы для увеличения достижимой средней и пиковой мощности оптической ОАМ-моды, улучшения различия в характеристиках мод за счет уменьшения доли нежелательных оптических мод без ОАМ, и улучшения устойчивости генерируемого светового ОАМ-луча к воздействиям окружающей среды.

[0025] Согласно примеру варианта выполнения, активное оптическое волокно может содержать центральную часть, окруженную кольцевой (кольцеобразной) активной сердцевиной. Волокно может иметь сужающийся продольный профиль, обеспечивающий наличие одномодовой части и многомодовой части. Кольцевая сердцевина может иметь низкое двулучепреломление, получаемое, например, в результате вращения (закручивания) волоконной заготовки в процессе изготовления волокна. Показатель преломления кольцевой сердцевины может быть выше, чем показатели преломления центральной части и слоя (слоев) оболочки, окружающих кольцевую сердцевину. Активное оптическое волокно позволяет избирательно генерировать или усиливать оптические ОАМ-моды. Кроме того, волокно имеет большой диаметр модового поля (mode field diameter, MFD) и не чувствительно к внутреннему нагреву вследствие накачки или воздействия окружающей среды. Активное оптическое волокно может быть применено в различных устройствах, например, таких как лазеры или усилители мощности задающего генератора (МОРА).

[0026] На Фиг. 1 проиллюстрирован пример отрезка активного сужающегося крученого волокна с двойной оболочкой, согласно примеру варианта выполнения. На Фиг. 1 проиллюстрировано как продольное поперечное сечение (слева), так и радиальное поперечное сечение (справа) отрезка активного оптического волокна 100. Отрезок активного оптического волокна 100 может содержать центральную часть 101. Центральная часть 101 может иметь первый показатель n₁ преломления. Центральная часть 101 может являться радиально симметричной или по существу радиально симметричной. Центральная часть 101 может содержать любой соответствующий материал, например, такой как диоксид кремния. Несмотря на то, что центральная часть 101 изображена в виде единой детали, следует понимать, что внутренняя структура указанной части может быть выполнена из одной или более составных частей. Диаметр центральной части 101 может плавно изменяться вдоль длины (L) отрезка активного оптического волокна 100, тем самым, формируя сужающийся продольный профиль. Например, как изображено на Фиг. 1, диаметр центральной части 101 может увеличиваться слева направо вдоль длины отрезка активного оптического волокна 100. Сужающийся продольный профиль может содержать линейный профиль или параболический выпуклый профиль, которые являются преимущественными для усиления ОАМ-мод, поскольку улучшают поглощение излучения накачки.

[0027] Отрезок активного оптического волокна 100 может дополнительно содержать кольцевую сердцевину 102. Кольцевая сердцевина 102 может радиальным образом окружать центральную часть 101. Таким образом, кольцевая сердцевина 102 может иметь кольцеобразное поперечное сечение, как изображено на радиальном поперечном сечении, представленном на Фиг. 1. Кольцевая сердцевина 102 может иметь второй показатель n₂ преломления. Показатель преломления кольцевой сердцевины может быть выше, чем показатель преломления центральной части 101, то есть n₂>n₁, как изображено на профиле 105 показателя преломления.

[0028] Кольцевая сердцевина 102 может дополнительно содержать по меньшей мере один редкоземельный элемент. Следовательно, кольцевая сердцевина 102 может являться активной. Кольцевая сердцевина 102 может быть легирована редкоземельным элементом (элементами), например, чтобы обеспечить усиление оптического сигнала, образуемого в кольцевой сердцевине 102, когда в отрезке активного оптического волокна 100 возбуждается излучение накачки. Двулучепреломление кольцевой сердцевины 102 может быть меньше, чем 10^-5. Например, разница между показателями n_slow и n_fast преломления для медленной и быстрой поляризационных мод может быть меньше 10^-5, то есть В=(n_slow-n_fast)<10^-5. Кольцевая сердцевина 102 может содержать любой соответствующий материал, например, такой как диоксид кремния. Толщина кольцевой сердцевины 102 может плавно изменяться, например, увеличиваться вдоль сужающегося продольного профиля. Например, толщина кольцевой сердцевины 102 может быть пропорциональна диаметру центральной части 101 вдоль длины отрезка волокна. Увеличение толщины кольцевой сердцевины 102 может являться предпочтительным, поскольку это означает увеличенную модовую площадь, что приводит к высокому порогу нелинейных эффектов и большой энергии накопления, например, высокой пиковой или средней мощности.

[0029] Отрезок активного оптического волокна 100 может дополнительно содержать первый слой 103 оболочки. Первый слой 103 оболочки может иметь третий показатель n₃ преломления. Показатель преломления первого слоя оболочки может быть ниже показателя преломления кольцевой сердцевины 101, то есть n₃<n₂, как изображено на профиле 105 показателя преломления. Первый слой 103 оболочки может радиальным образом окружать кольцевую сердцевину 102, например, как изображено на радиальном поперечном сечении, представленном на Фиг. 1.

[0030] Отрезок активного оптического волокна 100 может дополнительно содержать второй слой 104 оболочки. Второй слой 104 оболочки может иметь четвертый показатель n₄ преломления. Показатель преломления второго слоя оболочки может быть ниже показателя преломления первого слоя 103 оболочки, то есть, n₄<n₃, как изображено на профиле 105 показателя преломления. Второй слой 104 оболочки может радиальным образом окружать первый слой 103 оболочки, например, как изображено на радиальном поперечном сечении, представленном на Фиг. 1. Первый и второй слои оболочки могут содержать любые соответствующие материалы, например, такие как диоксид кремния. Толщина первого слоя 103 оболочки и второго слоя оболочки могут плавно изменяться, например, увеличиваться вдоль сужающегося продольного профиля. Например, толщина первого слоя 103 оболочки и/или второго слоя 104 оболочки может быть пропорциональна диаметру центральной части 101. Подобно кольцевой сердцевине 102, увеличение толщины первого слоя 103 оболочки и второго слоя 104 оболочки может являться преимущественным.

[0031] Отрезок активного оптического волокна 100 может содержать первую часть, обеспечивающую одномодовый (single mode, SM) режим работы. Первая часть может быть расположена на первом конце отрезка активного оптического волокна 100. Первый конец может содержать узкий конец отрезка волокна. На узком конце отрезка волокна центральная часть 101 может иметь радиус «а», как изображено на Фиг. 1. Кольцевая сердцевина 102 может иметь внутренний радиус «а» и внешний радиус «b». Первый слой 103 оболочки может иметь внутренний радиус «b» и внешний радиус «с». Второй слой 104 оболочки может иметь внутренний радиус «с» и внешний радиус «d».

[0032] Кольцевая сердцевина 102 может быть предназначена для приема оптического сигнала, например, в первой части отрезка волокна. Другими словами, оптический сигнал может быть введен в кольцевую сердцевину 102 на узком конце отрезка активного оптического волокна 100.

[0033] Первая часть отрезка активного оптического волокна 100 может быть выполнена с обеспечением удовлетворения следующим условиям:

2а<λ_s и 2πbNA/λ_s<2,405, где а - внутренний радиус кольцевой сердцевины 102, b - внешний радиус кольцевой сердцевины 102, λ_s - длина волны оптического сигнала, a NA - числовая апертура кольцевой сердцевины. Числовая апертура NA может быть определена на основании квадратного корня из разности квадратов второго и третьего показателей преломления, например, по формуле: . Выполнение вышеуказанных условий обеспечивает распространение основной моды в первой части отрезка активного оптического волокна 100. Длина первой (SM) части может быть определена, исходя из одновременного соблюдения двух условий. Длина первой части может составлять, например, от 0,1 м до 1 м. Длина первой части может зависеть от продольной формы сужающегося волокна.

[0034] Отрезок активного оптического волокна 100 может дополнительно содержать вторую часть, обеспечивающую многомодовый (multimode, ММ) режим работы. Во второй части вышеуказанные два условия могут не выполняться, в результате чего вторая часть не ограничена одномодовым режимом работы, и в кольцевой сердцевине 102 могут распространяться несколько мод. Вторая часть может содержать широкий конец отрезка активного оптического волокна 100. На широком конце волокна диаметр центральной части 101, толщина кольцевой сердцевины 102, толщина первого слоя 103 оболочки и/или толщина второго слоя 104 оболочки могут быть выше, чем соответствующие показатели на узком конце.

[0035] Первый слой 103 оболочки может быть предназначен для приема излучения накачки в первой части, например, на узком конце отрезка активного оптического волокна 100. Кроме того, для приема излучения накачки может быть предназначена вторая часть, например, широкий конец отрезка активного оптического волокна 100. Таким образом, излучение накачки может быть введено в первый слой 103 оболочки на одном или обоих концах указанного слоя. Согласно типичному варианту выполнения, мощность излучения накачки, введенного во вторую часть, может быть выше, чем мощность излучения накачки, введенного в первую часть. Длина λ_р волны излучения накачки должна быть короче длины λ_s волны оптического сигнала. Отрезок активного оптического волокна 100 может быть использован в различных областях применения, как таковой или в комбинации с другим отрезком (отрезками) волокна аналогичного или иного типа.

[0036] Фиг. 2 иллюстрирует примеры усечения первого слоя оболочки активного сужающегося крученого волокна с двойной оболочкой, согласно примеру вариантов выполнения. Усечение первого слоя 103 оболочки выполнено для улучшения поглощения излучения накачки. Первый слой 103 оболочки может быть усечен, например 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, или 8 раз с образованием различных радиальных поперечных сечений, как изображено на Фиг. 2а - Фиг. 2h. Например, в результате одного усечения может быть образовано D-образное радиальное поперечное сечение (Фиг. 2а). Пять усечений могут привести к образованию пятиугольного радиального поперечного сечения (Фиг. 2е), а восемь усечений могут привести к образованию восьмиугольного радиального поперечного сечения (Фиг. 2h). Усечение позволяет большей доли излучения накачки проходить через кольцевую сердцевину 102, тем самым, улучшая усиление оптического сигнала, распространяющегося в указанной сердцевине.

[0037] Фиг. 3 иллюстрирует пример распределения поля оптического сигнала, распространяющегося в отрезке активного сужающегося крученого волокна с двойной оболочкой, согласно примеру варианта выполнения. Экспериментально доказано, что если в первой части волокна соблюдены условия для одномодового режима работы, основная мода 301 (М²~1) с распределением поля по кривой Гаусса распространяется в первой (одномодовой) части кольцевой сердцевины 102, имеющей наружный диаметр 2b. Во второй (многомодовой) части условия уже не выполняются, и в кольцевой сердцевине 102 может поддерживаться несколько мод. В отсутствие сильных механических возмущений, которые провоцируют взаимодействие мод, основная мода (М²~1) может распространяться также и во второй части кольцевой сердцевины 102. Поле моды может иметь кольцевую форму 302 в зоне ближнего поля на широком конце отрезка волокна и гауссову форму 301 в дальнем поле на узком конце отрезка волокна. Например, для пассивного сужающегося волокна с кольцеобразной сердцевиной размером 120 мкм экспериментальным путем был получен луч с ограниченной дифракцией, отличающийся достаточным качеством (М²~1,2).

[0038] Низкое двулучепреломление кольцевой сердцевины 102 (В<10^-5) позволяет уменьшить искажение состояния поляризации во время распространения и усиления оптического сигнала в отрезке активного сужающегося волокна 100. Согласно примеру варианта выполнения, изготовление отрезка активного оптического волокна 100 может включать вращение волоконной заготовки в процессе вытягивания. Вращение может быть применено для получения крученого волокна. Например, вращение заготовки может происходить с угловой скоростью от 300 об/мин до 1000 об/мин. В широкой (второй) части сужающегося отрезка волокна результирующий шаг скручивания волокна может находиться в диапазоне от 2 мм до 15 мм. Шаг волокна может относиться к периоду обращения вокруг оси, например, к длине, на протяжении которой крученое волокно совершает оборот на 360°.

[0039] Собственное остаточное двулучепреломление в оптическом волокне определяется, главным образом, геометрическими дефектами его сердцевины, например эллиптичностью, замороженными механическими напряжениями или локальными изгибами волокна. Локальное собственное состояние данного двулучепреломления представляет собой в целом линейную поляризацию. Когда волоконная заготовка поворачивается во время вытяжки, оси геометрической анизотропии многократно меняют свое угловое положение, и каждая составляющая поляризации затрачивает примерно равное время на распространение в виде быстрой и медленной волны. В результате, собственное двулучепреломление данного крученого волокна может быть очень незначительным (В<10^-5). Собственное внутреннее состояние поляризации может быть приближено к круговой поляризации. В результате, поляризация света, распространяющегося по такому волокну, может быть нарушена лишь в очень незначительной степени. Таким образом, данное волокно может предпочтительно не приобретать никакой поляризации и, соответственно, искажение поляризации во время усиления уменьшается. Это является преимуществом для усиления ОАМ-волн.

[0040] В качестве альтернативы, низкое двулучепреломление может быть получено другими способами. Одним из способов получения низкого собственного двулучепреломления является изготовление оптического волокна, как можно более приближенного к идеальному, например, путем придания волокну по существу симметричной формы с низким уровнем внутренних напряжений. Другим способом получения низкого собственного двулучепреломления является применение компенсирующих волокон. Низкий уровень внутреннего двулучепреломления может быть достигнут, например, путем выбора легирующих материалов для волокна, так чтобы двулучепреломление при напряжении (B_s) в сумме с геометрическим двулучепреломлением (В_с) равнялось нулю.

[0041] Одним из решений для усиления и генерации ОАМ-лучей является использование активных LMA волокон со ступенчатым показателем преломления. Например, могут быть применены LMA волокна типа PANDA (polarization-maintaining and absorption reducing, сохраняющие поляризацию и уменьшающие поглощение) с сердцевиной 25 мкм. Однако такой подход может оказаться неоптимальным для формирования луча. Например, быстрые и медленные волны в волокне PANDA с высоким двулучепреломлением могут сильно отличаться по коэффициенту распространения, и для формирования ОАМ-луча кольцеобразной формы может возникнуть необходимость изогнуть активное волокно непрогнозируемым образом. LMA волокна с высоким двулучепреломлением также могут быть очень чувствительны к температуре. Такие оптические волокна могут нагреваться при поглощении излучения накачки, что приводит к изменению состояния поляризации на выходе волокна.

[0042] Следовательно, другим решением является использование обычного активного изотропного LMA волокна для усиления ОАМ-луча. Это может упростить формирование ОАМ-моды. Однако при использовании активного изотропного волокна может возникнуть деполяризация излучения, как результат наличия случайного двулучепреломления, которое, в свою очередь, может быть вызвано изгибами волокна. Недостатком как в высокой степени двулучепреломляющих, так и обычных LMA волокон со ступенчатым профилем может являться тот факт, что интеграл перекрытия профиля показателя преломления (распределение легирующих примесей) приблизительно одинаков для всех поддерживаемых мод. Соответственно, усиление оптического сигнала не является оптимальным в отношении модального различия, поскольку нежелательные моды, существующие в низкомодовом волокне, также будут испытывать усиление. В результате может быть ограничена мощность ОАМ-луча. Кроме того, это может ухудшить качество ОАМ-луча. Таким образом, примеры вариантов выполнения настоящего изобретения представляют активное сужающееся волокно с кольцевой сердцевиной, которое имеет значительное усиление только для кольцевых мод, например, ОАМ-мод. Обсуждаемый отрезок активного оптического волокна может быть назван сужающимся крученым волокном с двойной оболочкой и кольцевой сердцевиной (SPUN ring-core tapered double clad fiber, SPUN rcT-DCF).

[0043] Примеры вариантов выполнения настоящего изобретения обеспечивают по меньшей мере следующие преимущества:

[0044] 1) Благодаря кольцеобразной легированной сердцевине, волокно SPUN rcT-DCF обладает пространственно-селективным усилением кольцевых мод. Волокно SPUN rcT-DCF эффективно усиливает только моды со значительным интегралом перекрытия, то есть, кольцевые моды. Это обеспечивает хорошее различие между модами и, таким образом, позволяет создавать возбуждение и усиление только, или главным образом, для ОАМ-лучей. Практически полное отсутствие усиления может быть обеспечено для мод, которые имеют максимальное поле в центральной части 101, и поэтому, например, можно избежать чрезмерного усиления основной моды.

[0045] 2) Волокно SPUN rcT-DCF имеет большой диаметр модового поля (MFD), например, составляющий по меньшей мере 120 мкм в широкой части, при этом сохраняется высокая яркость (близкая к качеству дифракционно-ограниченного луча) усиленного света. Это позволяет достичь высокой средней и пиковой мощности.

[0046] 3) Волокно SPUN rcT-DCF имеет низкое собственное двулучепреломление (<10^-5), и в результате данное волокно практически не нарушает состояние поляризации усиленного света. Таким образом, усиление и распространение ОАМ-лучей происходит с минимальным искажением. Из-за низкого двулучепреломления волокно SPUN rcT-DCF также не чувствительно к нагреву, вызванному поглощением излучения накачки. Кроме того, SPUN rcT-DCF не чувствительно к воздействиям окружающей среды, таким как вибрация и перепады температуры.

[0047] Хотя на Фиг. 1 это не показано, отрезок активного оптического волокна 100 также может содержать дополнительные структуры, например, такие как один или более слоев покрытия, радиальным образом окружающих слой (слои) оболочки. Слой (слои) покрытия может (могут) содержать, например, полимерное покрытие. Слой (слои) покрытия может быть предназначен для уменьшения воздействий окружающей среды, которые могут вызывать появление внешнего двулучепреломления в кольцевой сердцевине 102, имеющей низкое собственное двулучепреломление. Следовательно, низкое внутреннее двулучепреломление в сочетании с одним или более слоями покрытия в совокупности обеспечивают активное оптическое крученое волокно, которое дает стабильное, но избирательное распространение и усиление для ОАМ-мод при изменении (внутренней/внешней) температуры и при других воздействиях окружающей среды, таких как механический изгиб. В приведенных выше типичных вариантах выполнения излучение накачки может распространяться в первом слое 103 оболочки в том же или по существу в том же направлении, что и оптический сигнал, и/или в направлении, противоположном или по существу противоположном направлению оптического сигнала.

[0048] На Фиг. 4 проиллюстрирован пример усилителя мощности задающего генератора (master oscillator power amplifier, МОРА), содержащего активное крученое волокно с двойной оболочкой, согласно примеру варианта выполнения. Усилитель 400 МОРА может содержать источник 401 светового излучения, например, такой как затравочный лазер (задающий генератор), предназначенный для генерации оптического сигнала, например, затравочного лазерного луча. Оптический сигнал может иметь длину λ_s волны. Усилитель 400 МОРА может дополнительно содержать оптический преобразователь 402, предназначенный для создания или введения орбитального углового момента в оптический сигнал. Оптический (лучевой) преобразователь 402 может содержать объемную оптическую схему свободного пространства для формирования ОАМ-луча на основе затравочного лазерного луча. Например, оптический преобразователь 402 может содержать S-пластину или Q-пластину. Усилитель 400 МОРА также может содержать отрезок активного оптического волокна 100.

[0049] Усилитель 400 МОРА может дополнительно содержать первое дихроичное зеркало 403. Первое дихроичное зеркало 403 может быть выполнено с возможностью обеспечения связи первой части излучения накачки, получаемого от первого источника 404 излучения накачки, с первой частью отрезка активного оптического волокна 100, например, в первом слое 103 оболочки на узком конце отрезка волокна. Первое дихроичное зеркало 403 также может быть выполнено с возможностью обеспечения связи оптического сигнала, получаемого от оптического преобразователя 402, с первой частью отрезка активного оптического волокна 100, например, в кольцевой сердцевине 102 на узком конце отрезка волокна.

[0050] Усилитель 400 МОРА может дополнительно содержать второе дихроичное зеркало 405. Второе дихроичное зеркало 405 может быть выполнено с возможностью связи второй части излучения накачки, получаемого от второго источника 406 излучения накачки, со второй частью активного оптического волокна, например, в первом слое 103 оболочки на широком конце отрезка волокна. Второе дихроичное зеркало 405 может быть дополнительно выполнено с возможностью обеспечения выходного оптического сигнала от второй части отрезка активного оптического волокна. Например, второе дихроичное зеркало 405 может быть выполнено с возможностью передачи оптического сигнала, принимаемого от кольцевой сердцевины 102 на широком конце волокна 100, на выход генератора 400. Выходной оптический сигнал может содержать усиленную версию оптического сигнала, в котором были избирательно усилены ОАМ-моды. Усилитель 400 МОРА может содержать по меньшей мере один из источников 404, 406 излучения накачки. В качестве альтернативы, усилитель 400 МОРА может быть выполнен с возможностью связи с внешним источником (источниками) излучения накачки. Таким образом, усилитель 400 МОРА может не содержать источники 404, 406 излучения накачки.

[0051] На Фиг. 5 проиллюстрирован пример лазера, содержащего активное крученое волокно с двойной оболочкой, согласно примеру варианта выполнения. Лазер 500 может быть предназначен для генерации ОАМ-лучей в полости, образованной по меньшей мере двумя зеркалами и волокном SPUN rcT-DCF. Лазер 500 может содержать первое зеркало 501. Первое зеркало 501 может иметь высокую отражающую способность, например, по существу 100% отражающую способность. Первое зеркало 501 может быть оптическим образом соединено с оптическим преобразователем 502, который может быть аналогичен оптическому преобразователю 402. Первое зеркало 501 может обеспечивать отражение оптического сигнала. Например, первое зеркало 501 может обеспечивать отражение оптического сигнала, принимаемого от оптического преобразователя 502, направляя его обратно к указанному преобразователю. Оптический сигнал может иметь длину λ_s волны. Лазер 500 также может содержать отрезок активного оптического волокна 100.

[0052] Лазер 500 может дополнительно содержать второе зеркало 505. Второе зеркало 505 может быть оптическим и/или физическим образом связано со второй частью отрезка активного оптического волокна 100, например, с широким концом отрезка волокна. Например, второе зеркало 505 может быть расположено на широкой торцевой поверхности волокна SPUN rcT-DCF. Второе зеркало 505 может быть выполнено частично прозрачным, так что часть оптического сигнала, выходящего из кольцевой сердцевины 102 отрезка волокна, может проходить через второе зеркало 505. Таким образом, второе зеркало 505 может обеспечивать частичное отражение оптического сигнала. Следовательно, отражательная способность первого зеркала 501 может быть выше, чем отражательная способность второго зеркала 505.

[0053] Лазер 500 может дополнительно содержать первое дихроичное зеркало 503. Первое дихроичное зеркало 503 может быть выполнено с возможностью связи первой части излучения накачки, получаемого от первого источника 504 излучения накачки, с первой частью отрезка активного оптического волокна 100, например, в первом слое 103 оболочки на узком конце отрезка волокна. Первое дихроичное зеркало 503 также может быть выполнено с возможностью связи оптического сигнала, получаемого от оптического преобразователя 502, с первой частью отрезка активного оптического волокна 100, например, в кольцевой сердцевине 102 на узком конце отрезка волокна. Кроме того, первое дихроичное зеркало 503 может быть выполнено с возможностью связи оптического сигнала от первой части отрезка активного оптического волокна 100, например, от кольцевой сердцевины 102 на узком конце отрезка волокна, с оптическим преобразователем 502.

[0054] Лазер 500 может дополнительно содержать второе дихроичное зеркало 507. Второе дихроичное зеркало 507 может быть выполнено с возможностью связи второй части излучения накачки, получаемого от второго источника 506 излучения накачки, со второй частью отрезка активного оптического волокна 100, например, в первом слое 103 оболочки на широком конце отрезка волокна. Второе дихроичное зеркало 507 может дополнительно быть выполнено с возможностью обеспечения выходного оптического сигнала от второй части отрезка активного оптического волокна через второе зеркало 505. Например, второе дихроичное зеркало 507 может быть выполнено с возможностью передачи оптического сигнала, выходящего из кольцевой сердцевины 102 и распространяющегося через второе зеркало 505 на широком конце волокна 100, к выходу лазера 500. Лазер 500 позволяет генерировать лазерный луч высокой мощности для ОАМ-мод.

[0055] На Фиг. 6 проиллюстрирован другой пример усилителя мощности задающего генератора (МОРА), содержащего активное крученое волокно с двойной оболочкой, согласно типичному варианту выполнения. Усилитель 600 МОРА может быть аналогичен усилителю 400 МОРА. Однако в данном примере варианта выполнения ОАМ-преобразователь 603 может быть встроен в отрезок активного оптического волокна 100.

[0056] Усилитель 600 МОРА может содержать источник 601 оптического излучения, аналогичный источнику 401 оптического излучения, например, затравочный лазер. Усилитель 600 МОРА может дополнительно содержать первое дихроичное зеркало 602, выполненное с возможностью связи первой части излучения накачки, получаемого от первого источника 604 излучения накачки, с первой частью отрезка активного оптического волокна 100, например, с первым слоем 103 оболочки на узком конце отрезка волокна. Первое дихроичное зеркало 602 может быть дополнительно выполнено с возможностью связи оптического сигнала, получаемого от источника 601 оптического излучения, с первой частью отрезка активного оптического волокна 100, например, с кольцевой сердцевиной 102 на узком конце отрезка волокна. Подобно усилителю 400 МОРА, источники 604, 606 излучения накачки могут являться внутренними или внешними по отношению к усилителю 600 МОРА.

[0057] Оптический преобразователь 603 может содержать чисто волоконное устройство, например, такое как механическое устройство связи, обеспечивающее селекцию мод, устройство для обеспечения управляемого изгиба волокна, или опто-акустическое устройство. Оптический преобразователь 603 может быть встроен во вторую (многомодовую) часть отрезка активного оптического волокна 100. Оптический преобразователь 603 может быть расположен вблизи первой (одномодовой) части отрезка оптического волокна 100. Подобно оптическому преобразователю 402, оптический преобразователь 603 может обеспечивать создание орбитального углового момента (ОАМ) для оптического сигнала. Оптический преобразователь 603 может быть расположен в начале многомодовой части, где волокно уже удовлетворяет двум условиям, а именно, 2а<λ_s и 2πbNA/λ_s<2,405, и, следовательно, поддерживает несколько мод, которые могут образовывать ОАМ-моду.

[0058] Усилитель 600 МОРА может дополнительно содержать второе дихроичное зеркало 605. Второе дихроичное зеркало 605 может быть выполнено с возможностью связи второй части излучения накачки, получаемого от второго источника 606 излучения накачки, со второй частью отрезка активного оптического волокна 100. Второе дихроичное зеркало 605 может быть дополнительно выполнено с возможностью обеспечения выходного оптического сигнала от второй части отрезка активного оптического волокна, аналогично дихроичному зеркалу 405. Усилитель 600 МОРА позволяет генерировать мощные ОАМ-лучи без использования внешнего оптического преобразователя, расположенного между источником 601 оптического излучения и отрезком активного оптического волокна 100.

[0059] На Фиг. 7 проиллюстрирован другой пример лазера, содержащего активное крученое волокно с двойной оболочкой, согласно примеру варианта выполнения. Лазер 700 может быть подобен лазеру 500. Однако в данном примере варианта выполнения ОАМ-преобразователь 703 может быть встроен в отрезок активного оптического волокна 100.

[0060] Лазер 700 может содержать первое зеркало 701, подобное зеркалу 501. Первое зеркало 701 может быть оптически соединено с первой частью отрезка активного оптического волокна 100 и выполнено с возможностью отражения оптического сигнала, аналогично зеркалу 501. Лазер 700 может дополнительно содержать второе зеркало 705, подобное зеркалу 505. Отражательная способность первого зеркала 701 может быть выше, чем отражательная способность второго зеркала 705. Второе зеркало 707 может быть оптически соединено со второй частью отрезка активного оптического волокна 100 и полнено с возможностью отражения оптического сигнала, аналогично зеркалу 505.

[0061] Лазер 700 может дополнительно содержать первое дихроичное зеркало 702, выполненное с возможностью связи первой части излучения накачки, получаемого от первого источника 704 излучения накачки, с первой частью отрезка активного оптического волокна 100, например, с первым слоем 103 оболочки на узком конце отрезка волокна. Первое дихроичное зеркало 702 может дополнительно быть выполнено с возможностью обеспечения связи оптического сигнала, полученного от первой части отрезка активного оптического волокна 100, с первым зеркалом 701 и отраженного оптического сигнала, полученного от первого зеркала 701, с первой частью отрезка активного оптического волокна. Первое дихроичное зеркало 702 может быть выполнено с возможностью приема оптического сигнала от кольцевой сердцевины 102 отрезка волокна. Первое дихроичное зеркало 702 может быть выполнено с возможностью обеспечения связи отраженного оптического сигнала с кольцевой сердцевиной 102 отрезка волокна.

[0062] Лазер 700 может дополнительно содержать оптический преобразователь 703, подобный оптическому преобразователю 603 и аналогичным образом встроенный в отрезок активного оптического волокна 100. Лазер 700 может дополнительно содержать второе дихроичное зеркало 707, которое может быть подобно дихроичному зеркалу 507 и обладает аналогичной функциональностью. Например, дихроичное зеркало 507 может быть выполнено с возможностью связи излучения накачки, получаемого от второго источника 706 излучения накачки, с отрезком активного оптического волокна 100 и обеспечения выходного сигнала от лазера 700. Лазер 700 позволяет генерировать лазерный луч с высокой мощностью для ОАМ-мод, без использования внешнего оптического преобразователя, расположенного между первым зеркалом 701 и отрезком активного оптического волокна 100.

[0063] Примеры вариантов выполнения, описанные в настоящем документе, обеспечивают создание активного оптического волокна и устройств, которые применяют для генерации и усиления ОАМ-мод оптического сигнала.

[0064] Любой диапазон или характеристика устройства, приведенные в настоящем документе, могут быть расширены или изменены без потери требуемого эффекта. Кроме того, любой вариант выполнения может быть объединен с другим вариантом выполнения, если не существует явного запрета.

[0065] Несмотря на то, что изобретение было описано в конкретных терминах, характерных для конструктивных признаков и/или шагов, следует понимать, что изобретение, изложенное в приложенной формуле изобретения, не обязательно ограничено конкретными признаками или шагами, описанными выше. Точнее, обсуждаемые выше конкретные признаки и шаги описаны в качестве примеров реализации формулы изобретения, и предполагается, что другие эквивалентные признаки и шаги входят в объем формулы изобретения.

[0066] Следует понимать, что описанные выше эффекты и преимущества могут относиться к одному варианту выполнения или к нескольким вариантам выполнения. Варианты выполнения не ограничены вариантами, которые обеспечивают решение любой или всех изложенных проблем, или вариантами, которые обладают любым или всеми заявленными эффектами и преимуществами. Также следует понимать, что ссылка на единственное число предмета может относиться к одному или более из указанных предметов.

[0067] Термин «содержащий», используемый в настоящем документе, означает включение перечисляемых узлов или элементов, но не означает, что такие узлы или элементы составляют исчерпывающий перечень. Таким образом, устройство может содержать дополнительные узлы или элементы.

[0068] Несмотря на то, что элементы могут быть названы «первыми» или «вторыми», это не обязательно указывает на какой-либо порядок или значимость предметов. В действительности, такие признаки могут быть использованы исключительно для обеспечения различия между предметами.

[0069] Следует понимать, что представленное выше описание приведено исключительно в качестве примера, и что специалисты в данной области техники могут выполнить различные модификации. Приведенные выше описание, примеры и параметры обеспечивают полное представление о конструкции и использовании примеров вариантов выполнения. Несмотря на то, что представленные выше различные варианты выполнения были описаны довольно конкретно или со ссылкой на один или более отдельных вариантов выполнения, специалисты в данной области техники могут вносить многочисленные изменения в описанные варианты выполнения, не выходя за пределы объема настоящего описания.

Изобретение относится к активным оптическим волокнам и устройствам, использующим активные оптические волокна. Активное оптическое волокно содержит центральную часть, окруженную кольцевой активной сердцевиной. Волокно имеет сужающийся продольный профиль, обеспечивающий наличие одномодовой части и многомодовой части. Кольцевая сердцевина может иметь низкое двулучепреломление, достигаемое, например, путем вращения (кручения) волоконной заготовки в процессе изготовления волокна. Показатель преломления кольцевой сердцевины может быть выше, чем показатели преломления центральной части и слоя (слоев) оболочки, окружающих кольцевую сердцевину. Активное оптическое волокно обеспечивает избирательную генерацию или усиление световых мод с орбитальным угловым моментом (ОAM). Кроме того, волокно имеет большой диаметр модового поля (MFD) и не чувствительно к внутреннему нагреву или воздействиям окружающей среды. Технический результат - повышение оптической мощности волокна. 15 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Активное оптическое волокно для усиления вихревых пучков, содержащее:

отрезок активного оптического волокна, содержащего:

центральную часть, имеющую первый показатель n₁ преломления, при этом диаметр центральной части плавно изменяется вдоль длины отрезка активного оптического волокна, образуя сужающийся продольный профиль,

кольцевую сердцевину, радиально окружающую центральную часть, при этом кольцевая сердцевина легирована по меньшей мере одним редкоземельным элементом и имеет второй показатель n₂ преломления, причем n₂>n₁, и двулучепреломление кольцевой сердцевины составляет менее 10^-5,

первый слой оболочки, радиально окружающий кольцевую сердцевину и имеющий третий показатель n₃ преломления, причем n₃<n₂, и

второй слой оболочки, радиально окружающий первый слой оболочки и имеющий четвертый показатель n₄ преломления, причем n₄<n₃, при этом первая часть отрезка активного оптического волокна выполнена с возможностью поддержки одномодового режима оптического сигнала, а вторая часть отрезка активного оптического волокна выполнена с обеспечением возможности поддержки многомодового режима оптического сигнала,

при этом указанное активное оптическое волокно также содержит дихроичное зеркало для обеспечения выходного оптического сигнала из кольцевой сердцевины второй части отрезка активного оптического волокна на выход активного оптического волокна.

2. Волокно по п. 1, в котором первая часть отрезка активного оптического волокна удовлетворяет следующим условиям:

2а<λ_s, и

2πbNA/λ_s<2,405,

где а - внутренний радиус кольцевой сердцевины, b - внешний радиус кольцевой сердцевины, λ_s - длина волны оптического сигнала, a NA - числовая апертура кольцевой сердцевины, причем .

3. Волокно по п. 1 или 2, в котором толщина по меньшей мере одного из кольцевой сердцевины, первого слоя оболочки или второго слоя оболочки плавно изменяется вдоль сужающегося продольного профиля.

4. Волокно по любому предыдущему пункту, в котором сужающийся продольный профиль представляет собой параболический выпуклый профиль.

5. Волокно по любому предыдущему пункту, в котором центральная часть является по существу радиально симметричной.

6. Волокно по любому предыдущему пункту, выполненное с возможностью получения путем вращения волоконной заготовки в процессе вытягивания отрезка активного оптического волокна.

7. Волокно по п. 6, в котором шаг скручивания отрезка активного оптического волокна во второй его части составляет от 2 мм до 15 мм.

8. Волокно по п. 6 или 7, в котором угловая скорость вращения в процессе вытягивания отрезка активного оптического волокна составляет от 300 об/мин до 1000 об/мин.

9. Волокно по любому предыдущему пункту, в котором кольцевая сердцевина выполнена с возможностью приема оптического сигнала в первой части отрезка активного оптического волокна.

10. Волокно по любому предыдущему пункту, в котором первый слой оболочки выполнен с возможностью приема излучения накачки в первой и/или второй части отрезка активного оптического волокна.

11. Волокно по любому предыдущему пункту, в котором длина λ_р волны излучения накачки короче длины λ_s волны оптического сигнала.

12. Волокно по п. 10 или 11, дополнительно содержащее:

источник оптического излучения, выполненный с возможностью генерации оптического сигнала,

оптический преобразователь, выполненный с возможностью получения оптического сигнала, обладающего орбитальным угловым моментом,

первое дихроичное зеркало, выполненное с возможностью связи первой части излучения накачки от первого источника излучения накачки и оптического сигнала от оптического преобразователя с первой частью отрезка активного оптического волокна,

при этом указанное дихроичное зеркало выполнено с возможностью связи второй части излучения накачки от второго источника излучения накачки со второй частью активного оптического волокна и обеспечения выходного оптического сигнала из второй части отрезка активного оптического волокна.

13. Волокно по п. 10 или 11, дополнительно содержащее:

первое зеркало, выполненное с возможностью отражения оптического сигнала, причем первое зеркало оптически соединено с оптическим преобразователем, выполненным с возможностью получения оптического сигнала, обладающего орбитальным угловым моментом,

второе зеркало, оптически соединенное со второй частью отрезка активного оптического волокна, причем отражательная способность первого зеркала выше, чем отражательная способность второго зеркала,

первое дихроичное зеркало, выполненное с возможностью связи первой части излучения накачки от первого источника излучения накачки и оптического сигнала от оптического преобразователя с первой частью отрезка активного оптического волокна,

при этом указанное дихроичное зеркало выполнено с возможностью связи второй части излучения накачки от второго источника излучения накачки со второй частью активного оптического волокна и обеспечения выходного оптического сигнала из второй части отрезка активного оптического волокна через второе зеркало.

14. Волокно по п. 12 или 13, в котором оптический преобразователь содержит S-пластину или Q-пластину.

15. Волокно по п. 10 или 11, дополнительно содержащее:

источник оптического излучения, выполненный с возможностью генерирования оптического сигнала,

первое дихроичное зеркало, выполненное с возможностью связи первой части излучения накачки от первого источника излучения накачки и оптического сигнала от источника оптического излучения с первой частью отрезка активного оптического волокна,

оптический преобразователь, встроенный во вторую часть отрезка активного оптического волокна вблизи первой части отрезка оптического волокна, причем оптический преобразователь выполнен с возможностью создания орбитального углового момента (ОАМ) в оптическом сигнале,

при этом указанное дихроичное зеркало выполнено с возможностью связи второй части излучения накачки от второго источника излучения накачки со второй частью активного оптического волокна и обеспечения выходного оптического сигнала из второй части отрезка активного оптического волокна.

16. Волокно по п. 10 или 11, дополнительно содержащее:

первое зеркало, оптически соединенное с первой частью отрезка активного оптического волокна и выполненное с возможностью отражения оптического сигнала,

второе зеркало, оптически соединенное со второй частью отрезка активного оптического волокна и выполненное с возможностью отражения оптического сигнала, при этом отражательная способность первого зеркала выше, чем отражательная способность второго зеркала,

первое дихроичное зеркало, выполненное с возможностью связи первой части излучения накачки от первого источника излучения накачки с первой частью отрезка активного оптического волокна,

оптический преобразователь, встроенный во вторую часть отрезка активного оптического волокна вблизи первой части отрезка активного оптического волокна, причем оптический преобразователь выполнен с возможностью создания орбитального углового момента (ОАМ) в оптическом сигнале,

при этом указанное дихроичное зеркало выполнено с возможностью связи второй части излучения накачки от второго источника излучения накачки со второй частью активного оптического волокна и обеспечения выходного оптического сигнала из второй части отрезка активного оптического волокна через второе зеркало.