文/LFW         

隨著市場對高功率光纖激光器的興趣越來越濃、其應用越來越廣，進一步提升光纖激光器功率的驅使，已經激發(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計成抑制高階模式。因此，所需的激光基橫模可以分布在大的橫截面上，從而降低對光纖的潛在的與光相關的損傷（以及光學非線性）。

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構設計。實現(xiàn)單模工作的一個例子是：在增益導引和折射率反導引（GG + IAG）光纖中，通過階躍折射率設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，韓國朝鮮大學光電子工程系的Hyun Su Kim和新加坡南洋理工大學電氣與電子工程學院的Seongwoo Yoo兩位研究人員，已經采用不同的方法，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設計的高階模式抑制（由于其凸起折射率的包層）。沒有GG + IAG設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和折射率反導引（GG + IAG）光纖設計中（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設計，從而提升了橫模不穩(wěn)定性的閾值。”Yoo解釋說，“曾經提出了一種增益導引機制的反波導結構，作為選擇性提高基模功率的新途徑。然而，人們已經認識到，這種類型結構的光學增益不僅要求放大，而且要克服反導引損耗，這是很難做到的。”

在新的理論設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光纖和新光纖設計（無增益）的泄漏損耗，芯徑分別為50μm和100μm；結果發(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，但對于新設計則存在相關性。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)健性和適應性方面，將更有說服力。”

參考文獻：

1. H. S. Kim and S. Yoo, Opt. Express (2017); https://doi.org/10.1364/oe.25.021935.