[科普中國]-大模場光纖

大模場（LMA）光纖被被定義為芯直徑大于純單模光纖芯徑且僅允許一個或幾個空間傳播模式的一種光纖。1

簡介LMA光纖的概念早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)得到發(fā)展，受到了高峰值功率和單頻光纖激光器以及放大器領(lǐng)域研究人員的高度認(rèn)可。對于這些應(yīng)用，在許多情況下研究人員渴望所有使用的較大芯面積的光纖，但還要保留其單一空間模式傳播特性。由于芯中傳輸?shù)墓鈴?qiáng)度較小，LMA光纖的這些特性使得它們在某些應(yīng)用中變得不可或缺，例如增益光纖中的高峰值功率脈沖的放大或者單頻激光輻射的振蕩與放大。1

技術(shù)途徑綜觀大模場光纖激光的研究情況，歸納起來，實現(xiàn)高光束質(zhì)量激光輸出的大模場光纖主要通過3 種技術(shù)途徑：光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計、模式選擇控制和模式轉(zhuǎn)換法。2

基于光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計的單模輸出光纖這一類大模場光纖主要通過改變纖芯或包層的折射率分布來實現(xiàn)直接的單模輸出。通常采用的辦法是增加光纖芯徑大小同時又降低纖芯數(shù)值孔徑以滿足單模傳輸?shù)臍w一化頻率要求，但受光纖的蒸汽沉積法加工工藝的限制，普通階躍光纖的數(shù)值孔徑很難做到0.05 以下， 相應(yīng)的單模光纖芯徑大小在17 μm 左右(對應(yīng)波長1.1 μm)。為了獲得更大芯徑的單模光纖， 有人提出將纖芯的折射率分布改用平坦模形、漸變形、復(fù)合形等分布的辦法，或者在包層中設(shè)置周期性結(jié)構(gòu)、泄漏結(jié)構(gòu)等折射率分布，通過泄漏或耦合等方式使光纖等效地實現(xiàn)基模輸出；也有人提出利用光纖加工過程中，殘余熱應(yīng)力的彈光效應(yīng)形成極低的折射率差來實現(xiàn)較大直徑的基模輸出。2

基于模式控制和選擇的多模光纖雖然通過光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以實現(xiàn)直接的單模輸出, 但這種情況下的大模場光纖數(shù)值孔徑通常比較低, 抗彎特性差。比如前面的100μm棒狀光子晶體光纖, 數(shù)值孔徑NA=0.03, 只能在保持平直的狀態(tài)下使用, 稍微的彎曲會給它帶來致命性的迫壞, 這對實際光纖激光器的應(yīng)用非常不利。而且由于受材料和光纖目前摻雜工藝的限制, 普通摻雜石英光纖纖芯的數(shù)值孔徑的最小值約為0.05, 要求更大芯徑的話必然需要多模輸出, 在很多應(yīng)用中不易滿足。為了實現(xiàn)基模的輸出, 通常需要采用模式控制和選擇的方法來盡可能地抑制高階模輸出。一般采用的控制方法有:彎曲選模、光錐選模、增益控制選模、腔鏡選模等。2

模式轉(zhuǎn)換法S. Ramachandran 等提出的模式轉(zhuǎn)換機(jī)制，利用長周期光纖光柵和高階模光纖（HOF）來實現(xiàn)高階模與低階模之間的轉(zhuǎn)換，使光場主要以模場面積較大的高階模形式存在， 獲得了較大的模場面積( 達(dá)到2 100μm^2 甚至3200μm^2)，避免了非線性效應(yīng)的影響。2

其他新型大模場光纖泄漏通道光纖 (見圖(a) ) 、多芯光纖(見圖(b) ) 、諧振耦合光纖 (見圖(c) ) 等新型大模場光纖。2

Liang Dong等設(shè)計了泄漏通道光纖, 早期的結(jié)構(gòu)特征是光纖的內(nèi)包層僅由一圈直徑較大的空氣孔組成, 中心部分一個缺損的空氣孔元胞等效為光纖的纖芯。光纖橫截面的折射率分布呈“W”形狀。光纖的纖芯和包層區(qū)域由空氣孔之間的通道間隔連接在一起, 所以光纖中傳播的實質(zhì)是泄漏模?？諝饪讓Σ煌A次模式產(chǎn)生的泄露損耗不相同。通過調(diào)整空氣孔的大小、間距和排列方式等, 使高階模的損耗遠(yuǎn)大于基模的損耗, 則基?？梢缘刃У卦诶w芯中穩(wěn)定地傳播, 保證光纖激光輸出的光束質(zhì)量。2

多芯光纖結(jié)構(gòu)由Cheo等提出, 其特點是:光纖的包層內(nèi)設(shè)有多個相同且規(guī)則排列的摻雜纖芯。各纖芯的大小、間距及折射率分布經(jīng)過精心設(shè)計, 當(dāng)滿足一定相位條件時, 各纖芯的基模以倏逝場的形式相互耦合, 形成超模態(tài)輸出, 這種超模態(tài)的場分布類似于高斯基模的分布, 是多芯光纖輸出模場的理想分布。2

諧振耦合型光纖則是通過在包層中設(shè)置一部分高折射率分布的介質(zhì)區(qū)域, 使纖芯高階模和包層高折射率介質(zhì)區(qū)的等效局域模形成諧振而向包層輻射泄漏, 從而使纖芯中光波場的高階模成份下降, 保證更多的低階模成分的光波場輸出。原理上并不復(fù)雜, 但諧振的結(jié)構(gòu)難以獲得, 所以目前這種結(jié)構(gòu)的光纖模場面積做得還不大, 出現(xiàn)500μm^2模場面積的光纖報導(dǎo)。2

技術(shù)難點光纖彎曲后的模場畸變問題；高階模抑制問題；高功率光纖激光系統(tǒng)的綜合設(shè)計及輸出能力預(yù)測；大模場光纖的加工。2

光傳輸放大特性大模場光纖放大器中模間干涉效應(yīng)對近場分布及對相位調(diào)制脈沖時譜特性的影響。在大模場光纖放大器的輸出端面,不同波長對應(yīng)模式間的相位差不同且高階模式在不同端面位置處的偏振不同,多個模式干涉后造成光纖端面不同位置處的光譜傳遞函數(shù)不同,使得光纖輸出的相位調(diào)制脈沖具有時空分布特性,由于模式正交性,光纖整個端面輸出的脈沖調(diào)制度的統(tǒng)計結(jié)果為零。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

尚軼倫 - 副教授 - 同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院