一种模式过滤器、少模光纤放大器及多级光纤放大器系统的制作方法

1.本发明涉及激光器技术领域，具体而言，涉及一种模式过滤器、少模光纤放大器及多级光纤放大器系统。


背景技术：

2.少模光纤指的是除了光纤基模(lp01)以外，还支持数个高阶模式的传输放大的光纤。在光通信领域，少模光纤被用来模分复用以提升通道容量，突破带宽限制。在光纤放大器领域，掺稀土元素的少模光纤常被用来作为增益介质对信号进行放大，突破小纤芯单模光纤的功率限制。
3.公开号为us9595802b2、名称为多模光纤放大器的美国发明专利，其中提出了一种通过盘绕光纤的方式实现模式过滤的方法，其原理是通过盘绕光纤将损耗引入光纤模式中，使高阶模式引入的损耗大于低阶模式，从而实现模式过滤的功能。但是这种方法在实际使用中有三个缺点：一是在盘绕光纤时不可避免的会产生轴向扭曲，带来应力，在固定光纤后光纤所受扭力会随着时间变化，导致模式过滤效果的变化；二是对环境温度影响较为敏感，模式损耗会随着温度的变化而变化，不能保证在温度有差异的环境下的工作；三是盘绕需要一定的光纤长度才能起作用，而对于飞秒脉冲啁啾放大系统来说，过长的光纤会带来不必要的非线性，导致激光器性能下降。
4.公开号为cn218240467u、名称为光纤模式复用系统的中国实用新型专利，其中提出了一种通过可重构超表面装置单元来激发少模光纤中不同模式的方法，当可重构超表面装置单元设置成为过滤基模的条件下，该结构也可用于模式过滤。但是该方法使用了光纤至空间再到光纤的多重耦合，结构复杂，耦合稳定性差。可重构超表面装置单元价格昂贵，能承受的光功率有限，不适合高功率激光放大使用。
5.公开号为cn103928829a、名称为一种基于少模光纤布拉格光栅的高阶模获取装置的中国发明专利，其中提出了使用光纤布拉格光栅反射少模光纤中不同模式的方法。通过选择光源的中心波长，匹配光栅中模式的自耦合谐振峰，实现不同模式的反射。当所有的高阶模式都设置成为被光纤布拉格光栅反射时，该器件也可用于模式过滤。但是，该方法受限于窄线宽光源的使用，而对于飞秒脉冲啁啾放大系统来说，脉冲光谱宽度通常大于10nm，不适用这种过滤方法。
6.少模光纤放大器中的模式过滤是解决避免模间耦合串扰的有效办法，然而稳定可靠、适用于飞秒脉冲啁啾放大系统中的少模光纤放大器的模式过滤器件仍有待解决。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种模式过滤器、少模光纤放大器及多级光纤放大器系统，以解决现有技术中模间耦合串扰导致飞秒脉冲啁啾放大系统的脉冲质量与脉冲稳定性的技术问题。
8.为解决上述问题，本发明的第一目的在于提供一种模式过滤器，与保偏掺镱少模
光纤通过光纤熔接机熔接，所述模式过滤器的横截面包括：
9.纤芯区，其纤芯直径小于所述掺镱少模光纤的直径；
10.包层区，环绕在所述纤芯区的外侧；以及
11.两个应力棒，设于所述包层区上，并相对所述纤芯区上下轴对称布置；
12.布拉格光栅，多个所述布拉格光栅呈对称分布刻写在所述纤芯区的边缘，且所述布拉格光栅的位置与在所述纤芯区的纤芯中传输的高阶横模部分重合。
13.进一步的，所述布拉格光栅设有四个，其中两个沿所述应力棒方向刻写在所述纤芯区的上下方向，另外两个沿所述应力棒垂直方向刻写在所述纤芯区的左右方向。
14.进一步的，所述布拉格光栅为反射型光栅，其反射中心波长为1030-1080nm，光谱带宽为5-25nm，反射率为50-100％。
15.进一步的，所述布拉格光栅的刻写直径为2微米，长度为2mm，且刻写位置距离所述纤芯的中心为19微米。
16.进一步的，所述纤芯区的纤芯直径为20微米，所述纤芯数值孔径na为0.04，所述包层区的直径为125微米，所述包层区的包层数值孔径na为0.46。
17.进一步的，所述纤芯区的纤芯为纯石英玻璃或掺杂稀土元素铒、镱、钕和钬的混合石英玻璃制作而成。
18.进一步的，所述模式过滤器为阶跃折射率光纤或光子晶体光纤。
19.进一步的，所述模式过滤器为纤芯直径为10-40微米、包层直径为125-400微米的非保偏少模光纤或保偏少模光纤。
20.本发明的第二目的在于提供一种基于上述所述模式过滤器的少模光纤放大器，包括：合束器、多模泵浦、掺镱少模光纤以及模式过滤器，其中：
21.所述合束器的输入端分别与少模传输光纤和所述多模泵浦连接，所述多模泵浦输出模式为基模的多模泵浦光，所述合束器的输出端与所述掺镱少模光纤连接，所述合束器用于将所述少模传输光纤中的待放大的信号与所述模式为基模的多模泵浦光耦合后注入所述掺镱少模光纤。
22.本发明的第三目的在于提供一种多级光纤放大器系统，包括：全光纤锁模种子源、展宽器、压缩器和如上述所述的少模光纤放大器，所述全光纤锁模种子源的输出端与所述展宽器的信号输入端相连，所述少模光纤放大器的入射端与所述展宽器的信号输出端相连，所述少模光纤放大器的反射端与所述压缩器的输入端相连，所述少模光纤放大器的输出端经准直后输入到所述压缩器。
23.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
24.1、本技术所述的模式过滤器，特别适用于少模光纤放大器，通过光栅刻写装置将布拉格光栅结构刻写在纤芯区的纤芯周围，从而将布拉格光栅在光纤横截面上的目标位置与光纤的高阶横模模场分布进行匹配，由于模式过滤器与掺镱少模光纤通过光纤熔接机熔接，当脉冲在少模光纤中长距离传输时，由于少模光纤本身支持多个模式的传输，模式间会发生耦合串扰导致脉冲相位变化。尤其是在飞秒脉冲啁啾放大系统中，这种不受控的脉冲相位变化会使压缩后的脉冲变形或者不稳定，当传输进入到模式过滤器当中，在布拉格光栅的作用下，有效滤除少模光纤中的高阶模式，使光纤中的高阶模式经过布拉格光栅后得到较大的损耗，实现模式过滤的功能；由此在光纤通信线路中，少模光纤放大器实现信号放
大不需要经过光电转换、电光转换和信号再生等复杂过程，可直接对信号进行全光放大，具有很好的“透明性”。
25.2、本发明中基于布拉格光栅的少模光纤模式过滤器，体积小，结构简单，集成度高，与环境变化不敏感。一方面，基于光纤布拉格光栅的器件稳定性高，更有利于光纤放大器在环境温度变化较大的场景下的工作；另一方面，其全光纤结构避免使用复杂的耦合器件，非常有利于放大器的集成与维护，降低了制造成本与维护成本。
附图说明
26.图1为本发明实施例中模式过滤器的结构示意图；
27.图2为本发明实施例中飞秒脉冲啁啾放大系统中的少模光纤放大器的结构示意图；
28.图3为本发明实施例中模式过滤器的截面示意图；
29.图4为本发明实施例中少模光纤没有经过模式过滤器的输出模式与少模光纤经过模式过滤器模式过滤后的输出模式对比输出示意图。
30.附图标记说明：
31.1-少模光纤；11-纤芯；12-包层；2-布拉格光栅。
具体实施方式
32.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
35.由于光纤的纤芯尺寸小，能量相对集中，脉冲在光纤中传输的距离较长，非线性效应成为阻碍光纤飞秒激光器性能提升的最主要因素，大量的非线性效应积累会使得压缩后的脉冲出现分裂和畸变。所以传统的技术难以在光纤中直接获得高平均功率、高峰值功率的飞秒激光输出。得益于啁啾脉冲放大技术(cpa，chirped pulse amplification)的发明，飞秒光纤激光器技术快速发展。
36.啁啾脉冲放大技术主要由四个部分组成：激光振荡器(种子源)、脉冲展宽器、激光放大器和脉冲压缩器。其基本原理为：种子激光脉冲被放大之前通过色散器件，时域上展宽至百皮秒或纳秒量级，随后展宽脉冲在激光放大器中功率得到提升，最后再通过脉冲压缩器补偿前级引入的色散，将脉冲压缩至飞秒量级。展宽脉冲的目的在于降低放大过程中激光脉冲的强度，使脉冲峰值功率在系统元件的损伤阈值以下，从而避免超短脉冲在放大后由于功率过高而给放大器光学元件带来损伤，并减弱或克服由于高强度激光在放大过程中
可能引起的各种非线性效应，令光纤内脉冲能量可提高数个数量级。尤其在高平均功率飞秒光纤激光器方面，通过cpa技术已可以实现全光纤化平均功率百瓦级、脉冲能量微焦量级的飞秒脉冲输出，峰值功率可达十兆瓦量级。
37.红外飞秒脉冲的啁啾放大系统通常使用掺镱少模光纤进行脉冲放大。其应用端对飞秒光纤激光器的功率和脉冲能量需求一直在提高，由于光纤的非线性效应，光纤的模场面积也需要随着功率和能量的提高而增大。当光纤的模场面积提升到一定程度，不再满足单模条件时，此时光纤支持数个模式的传输放大，这时候即属于少模光纤。
38.基于少模光纤的模式复用，利用少模光纤中有限的正交模式作为独立信道来加载信息，使系统的传输容量得以成倍的增长。同时，少模光纤具有比较大的模场面积，其非线性容限也很高，能很好规避非线性效应对系统的不利影响。
39.在基于少模光纤的模式复用系统中，如何获得高阶模式至关重要。现有的获取高阶模式的技术主要有长周期光纤光栅(lpfg)技术、自由空间光学技术和基于波导装置的定向耦合技术(dc)等。然而，自由空间光学技术的结构相对复杂，长周期光纤光栅技术需要特定的装置来使光纤产生周期性地形变，容易造成光纤的损伤。而基于波导装置的定向耦合技术(dc)可以得到较低的插入损耗，但是，如何与光纤链路高效耦合是一项挑战性工作。因此，设计一种简单、高效的结构装置来获取高阶模式成为模式复用技术的研究重点之一。
40.一般来说，光纤的单模条件通常由v值来决定，其计算公式为：
[0041][0042]
当v》2.405时，光纤开始支持高阶模传输。
[0043]
比如nufern的plma-ydf-10/125掺镱光纤，其特征参数为na＝0.075，r＝5.5um，当中心波长为1030nm时，v值的计算值为2.516。在上述条件下，该光纤支持lp01和lp11模式的传输与放大，不再是单模光纤。
[0044]
当脉冲在少模光纤中长距离传输时，由于光纤本身支持多个模式的传输，模式间会发生耦合串扰，导致脉冲相位发生变化。尤其是在飞秒脉冲啁啾放大系统中，这种不受控的脉冲相位变化会使压缩后的脉冲变形或者不稳定，一方面，需要在飞秒脉冲啁啾放大系统中使用少模光纤，来提高模场面积；另一方面，经少模光纤放大器放大后的脉冲需要避免模间耦合串扰。
[0045]
由此可见，少模光纤放大器需要结合有效的模式过滤方法或模式过滤器件以避免模间耦合串扰，才能确保飞秒脉冲啁啾放大系统的脉冲质量与脉冲稳定性。
[0046]
为解决以上技术问题，请参阅图1所示，本发明实施例提供了一种模式过滤器，该模式过滤器与保偏掺镱少模光纤通过光纤熔接机熔接，其中模式过滤器的横截面包括纤芯区、包层区、两个应力棒和布拉格光栅2，纤芯区的纤芯直径小于掺镱少模光纤的直径；包层区环绕在纤芯区的外侧；两个应力棒设于包层区上，并相对纤芯区上下轴对称布置；多个布拉格光栅2呈对称分布刻写在纤芯区的边缘，并且布拉格光栅2的位置与在纤芯区的纤芯中传输的高阶横模部分重合。
[0047]
由于布拉格光栅2的位置与在少模光纤的纤芯中传输的高阶横模有重合，因此在少模光纤1的纤芯11中传输的基模低损耗经过布拉格光栅区域，而在少模光纤1的纤芯11中传输的高阶横模高损耗经过布拉格光栅区域。
[0048]
本发明实施例中的模式过滤器特别适用于少模光纤放大器，通过光栅刻写装置将布拉格光栅2刻写在少模光纤的纤芯周围，将布拉格光栅2在光纤横截面上的目标位置与光纤的高阶横模模场分布进行匹配，使光纤中的高阶模式经过布拉格光栅2后得到较大的损耗，以实现模式过滤的功能。
[0049]
需要在此作进一步解释说明的是，布拉格光栅2现在主要分为两大类：光纤布拉格光栅(fbg，全称为fiber bragg grating)和体布拉格光栅(vbg)，光纤布拉格光栅即在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜，利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。本发明实施例中布拉格光栅2即为光纤布拉格光栅。
[0050]
请参阅图3所示，在本发明的优选实施例当中，布拉格光栅设有四个，其中两个沿应力棒方向刻写在纤芯区的上下方向，另外两个则沿应力棒垂直方向刻写在纤芯区的左右方向。
[0051]
具体地，本发明实施例当中的布拉格光栅2为反射型光栅，其反射中心波长为1030-1080nm，光谱带宽为5-25nm，反射率为50-100％。优选地，本实施例中的布拉格光栅2的中心波长选取为1030nm，光谱带宽选取为20nm，反射率选取为99％。
[0052]
具体地，本发明实施例当中布拉格光栅2的刻写直径为2微米，长度为2mm，且刻写位置距离纤芯的中心为19微米。
[0053]
对于本领域的技术人员来说，可以理解的是，光栅刻写是一种利用脉冲光源和光栅刻写光纤表面来形成微小结构的技术。光栅刻写可以在光纤表面形成三维结构，包括各种折叠、气孔、孔隙、凹凸等，以改变光纤的光学特性，例如折射率、绝缘厚度、表面折射率和消光系数等。
[0054]
目前常用的光纤光栅制备方法主要有双光束干涉法和相位掩膜板法。其中相位掩膜板法制备光纤光栅是目前制备光纤光栅的常用方法，采用的相位掩膜板是经电子束光刻或全息术刻蚀于硅片表面的一维周期性结构；这样，将光敏光纤靠近放在相位掩膜板后，利用相位掩膜板的近场衍射产生的干涉条纹对光纤的有效折射率性进行周期性调制，形成光纤光栅。
[0055]
作为本发明实施例的优选实施方式，布拉格光栅2使用紫外激光器经过相位掩模板刻写在光纤的纤芯内部，或使用飞秒激光器直接刻写在光纤的纤芯内部。
[0056]
具体地，在本发明的实施例当中，纤芯区的纤芯直径为20微米，纤芯数值孔径na为0.04，包层区的直径为125微米，包层区的包层数值孔径na为0.46。
[0057]
由于光信号传输与电信号传输不同，对于电信号来说，只要将放大器的输出端与传输线缆连接起来，信号就能进行正常传输，但对于光通信来说，入射在光纤端面上的光，其中一部分是不能进入光纤的，而进入光纤端面的光也不一定能在光纤中传输，只有符合某一特定条件的光才能在光纤中发生全反射而得以传输。
[0058]
因此，当一束光无论角度范围多大，只有沿着特定光锥角进入光纤的光线才能正常进行传输，这个角度θ的正弦值称为光纤数值孔径na(numerical apeture)，它是光纤重要光学参数之一，无量纲，没有单位。
[0059]
光纤数值孔径na的计算表达式如下：
[0060]
na＝n*sinθ
[0061]
其中n为介质折射率，θ为光线与光纤轴夹角，通常称为半角。
[0062]
由公式可知，只有数值孔径na≦nsinθ的光线，才能耦合进入光纤进行传输，数值孔径na表示光纤接收光的能力。
[0063]
na越大，光纤接收光的能力越强，从增加进入光纤的光功率角度来看，na越大越好，因为光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。但是当na过大时，光纤的模畸变加大，会影响光纤的带宽。因此，在光纤通信系统中，对光纤的数值孔径有一定的要求。
[0064]
请参阅图1、2所示，本发明实施例还提供了一种少模光纤放大器103，该少模光纤放大器103包括合束器、多模泵浦、掺镱少模光纤以及模式过滤器，其中：
[0065]
合束器的输入端分别与少模传输光纤和多模泵浦连接，多模泵浦输出模式为基模的多模泵浦光，合束器的输出端与掺镱少模光纤连接，合束器用于将少模传输光纤中的待放大的信号与模式为基模的多模泵浦光耦合后注入掺镱少模光纤。
[0066]
本实施例中的合束器为(1+1)x1保偏单模光信号/泵浦合束器，合束器信号光纤使用pm980保偏单模光纤，合束器泵浦光纤使用纤芯直径为105微米，na为0.22的多模光纤。
[0067]
多模泵浦为功率为10w、976nm锁波长多模光纤输出半导体激光器，多模泵浦输出光纤使用纤芯直径为105微米的多模光纤。脉冲信号经过合束器进入合束器输出光纤的直径5.5微米的纤芯，泵浦光经过合束器进入合束器输出光纤的直径125微米的包层。
[0068]
合束器的输出光纤(也即合束器的输出端)与保偏掺镱少模光纤使用光纤熔接机熔接，而保偏掺镱少模光纤的纤芯直径20微米，纤芯na为0.04，包层直径125微米，包层na为0.46，因此该光纤不满足光纤的单模条件，可支持lp01和lp11模式的传输与放大。
[0069]
多模泵浦的吸收系数为16db/m，使用长度为0.5m，使用时盘绕直径为8cm，盘绕2圈。平均功率为1mw的脉冲信号在经过少模光纤放大器103后可以放大到1w。
[0070]
具体地，本发明实施例中纤芯区的纤芯11为纯石英玻璃或掺杂稀土元素铒、镱、钕和钬的混合石英玻璃。
[0071]
光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层，并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。
[0072]
由于少模传输光纤是除了光纤基模(lp01)以外，还支持数个高阶模式的传输放大的光纤。在光通信领域，少模光纤被用来模分复用以提升通道容量，突破带宽限制。
[0073]
在多模光纤中，纤芯的直径是15um-50um，大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤的纤芯直径为8um-10um，纤芯外面包围着一层折射率比纤芯低的玻璃封套，以使光线保持在纤芯内，再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护玻璃封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护，纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆，易断裂，因此需要外加一保护层。
[0074]
优选地，本发明实施例中的模式过滤器为阶跃折射率光纤或光子晶体光纤。
[0075]
阶跃折射率光纤是具有阶跃型折射率分布的一类光纤，其光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶，所以称为阶跃型折射率多模光纤，简称阶跃光纤，也称突变光纤。
[0076]
光子晶体光纤(photonic crystal fiber，简称pcf)，又被称为微结构光纤
(micro-structured fibers，简称msf)，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播。
[0077]
光子晶体光纤有很多奇特的性质。例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，为设计高性能的偏振器件提供了可能。
[0078]
优选地，本发明实施例中的模式过滤器为纤芯直径为10-40微米、包层直径为125-400微米的非保偏少模光纤或保偏少模光纤。
[0079]
请参阅图2所示，本发明的另一些实施例还提供了一种多级光纤放大器系统，所述多级光纤放大器系统包括全光纤锁模种子源101、展宽器102、压缩器104和少模光纤放大器103，其中：
[0080]
全光纤锁模种子源101的输出端与展宽器102的信号输入端相连，少模光纤放大器103的入射端与展宽器102的信号输出端相连，少模光纤放大器103的反射端与压缩器104的输入端相连，少模光纤放大器103的输出端经准直后输入到压缩器104当中。
[0081]
本实施例中的全光纤锁模种子源101为被动锁模激光器，激光器输出的中心波长为1030nm，光谱宽度为15nm，平均功率为1mw，重复频率为40mhz，脉冲宽度为5ps。
[0082]
需要说明的是，锁模光纤激光器从技术层面主要分为主动锁模和被动锁模两种。主动锁模光纤激光器通常在腔内采用调制器件，这会产生腔体的附加损耗，由于调制器件多为非光纤元件，其引入难以实现全光纤化集成，制约了该技术的全光纤化发展；同时，主动锁模容易受到外界环境，诸如温度变化，机械振动，以及超模噪声，谐振腔内偏振态起伏等因素的影响，需要很多复杂的技术来提高系统的稳定性，结果是大大增加了系统的复杂性并提高了激光器的成本。
[0083]
因此本发明实施例中采用被动锁模光纤激光器，其结构简单、性能稳定、便于集成等优点受到国内外广泛关注，并在通信、医学、加工、传感和探测等众多领域得到了越来越广泛的应用。
[0084]
被动锁模光纤激光器主要通过采用非线性光学环形镜，非线性偏振旋转和基于半导体可饱和吸收镜等机制来实现。其中，基于半导体可饱和吸收镜(sesam)的被动锁模技术由于具有设计灵活、系统稳定、自启动等诸多优点，同时，半导体可饱和吸收镜在制备过程中可灵活控制调制深度、恢复时间、饱和通量等关键参数，并且根据需要可加工集成在光纤端头上，便于全光纤化，因此，该类型被动锁模光纤激光器在实际应用领域被广泛关注。
[0085]
另外全光纤锁模种子源101的输出端使用pm980保偏单模光纤，其纤芯直径为5.5微米，数值孔径为0.12，包层直径为125微米，涂覆层直径为245微米。
[0086]
在本实施例当中，展宽器102使用pm980保偏单模光纤，全光纤锁模种子源101的输出脉冲经过展宽器102进行脉冲展宽，其中展宽器102由光纤环形器和啁啾光栅组成。经过展宽器102的脉冲保持输入光谱形状，其中心波长为1030nm，光谱宽度为15nm，脉冲展宽至500ps，展宽器102展宽后的脉冲进入少模光纤放大器103。
[0087]
在本实施例当中，少模光纤放大器103由合束器、多模泵浦、掺镱少模光纤和模式过滤器组成。
[0088]
而合束器为(1+1)x1保偏单模光信号/泵浦合束器，合束器信号光纤使用pm980保
偏单模光纤，合束器泵浦光纤使用的纤芯直径为105微米，na为0.22的多模光纤。
[0089]
多模泵浦为10w、976nm锁波长多模光纤输出半导体激光器，泵浦输出光纤使用纤芯直径为105微米的多模光纤。脉冲信号经过合束器进入合束器输出光纤的直径5.5微米的纤芯，泵浦光经过合束器进入合束器输出光纤的直径125微米的包层。
[0090]
合束器的输出光纤与保偏掺镱少模光纤使用光纤熔接机熔接。保偏掺镱少模光纤纤芯直径为20微米，纤芯na为0.04，包层直径为125微米，包层na为0.46。该光纤不满足光纤的单模条件，可支持lp01和lp11模式的传输与放大。
[0091]
多模泵浦的吸收系数为16db/m，使用长度为0.5m，使用时盘绕直径为8cm，盘绕2圈，平均功率为1mw的脉冲信号在经过少模光纤放大器103后放大到1w。
[0092]
掺镱少模光纤的后面即为模式过滤器，模式过滤器与掺镱少模光纤使用光纤熔接机熔接，模式过滤器的材料为被动保偏少模光纤，其纤芯直径为20微米，纤芯na为0.04，包层直径为125微米，包层na为0.46，与保偏掺镱少模光纤的尺寸完全匹配。
[0093]
请参阅图3所示，模式过滤器中刻写有4个光纤布拉格光栅，其光栅为反射型光栅，中心波长为1030nm，光谱带宽为20nm，反射率为99％。光栅刻写直径为2微米，长度为2mm，位置距离光纤纤芯中心为19微米，沿应力棒方向刻写2个，沿应力棒垂直方向刻写2个。
[0094]
请参阅图3、4所示，从图中可以看出，光栅与lp01基模的功率集中区域没有重合，所以基模可以无损耗或以非常低的损耗经过光栅区域。光栅与lp11高阶模的主要功率集中区域有较好的重合，所以高阶模会被光栅反射，不能通过光栅区域或以非常高的损耗通过光栅区域。由此，经过光栅区域的只有lp01基模，实现了模式过滤的功能。
[0095]
经过模式过滤器后的脉冲信号由光纤进入空间光传输，进入压缩器104，压缩器104由体光栅组成，脉冲信号在其中空间传输并实现脉冲压缩，压缩后的脉冲约为300fs。
[0096]
请参阅图4所示，模式过滤器可以有效滤除少模光纤中的高阶模式。图4中显示了有模式过滤器和没有模式过滤器的远场光束分布。光束质量也有明显不同，在没有模式过滤器下为1.22，在有模式过滤器下为1.01。
[0097]
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种模式过滤器，与掺镱少模光纤通过光纤熔接机熔接，其特征在于，所述模式过滤器的横截面包括：纤芯区，其纤芯直径小于所述掺镱少模光纤的直径；包层区，环绕在所述纤芯区的外侧；两个应力棒，设于所述包层区上，并相对所述纤芯区上下轴对称布置；以及布拉格光栅，多个所述布拉格光栅呈对称分布刻写在所述纤芯区的边缘，且所述布拉格光栅的位置与在所述纤芯区的纤芯中传输的高阶横模部分重合。2.根据权利要求1所述的模式过滤器，其特征在于，所述布拉格光栅设有四个，其中两个沿所述应力棒方向刻写在所述纤芯区的上下方向，另外两个沿所述应力棒垂直方向刻写在所述纤芯区的左右方向。3.根据权利要求1所述的模式过滤器，其特征在于，所述布拉格光栅为反射型光栅，其反射中心波长为1030-1080nm，光谱带宽为5-25nm，反射率为50-100％。4.根据权利要求1所述的模式过滤器，其特征在于，所述布拉格光栅的刻写直径为2微米，长度为2mm，且刻写位置距离所述纤芯的中心为19微米。5.根据权利要求1所述的模式过滤器，其特征在于，所述纤芯区的纤芯直径为20微米，所述纤芯数值孔径na为0.04，所述包层区的直径为125微米，所述包层区的包层数值孔径na为0.46。6.根据权利要求1所述的模式过滤器，其特征在于，所述纤芯区的纤芯由纯石英玻璃或掺杂稀土元素铒、镱、钕和钬的混合石英玻璃制作而成。7.根据权利要求1-6任意一项所述的模式过滤器，其特征在于，所述模式过滤器为阶跃折射率光纤或光子晶体光纤。8.根据权利要求1-6任意一项所述的模式过滤器，其特征在于，所述模式过滤器为纤芯直径为10-40微米、包层直径为125-400微米的非保偏少模光纤或保偏少模光纤。9.一种基于权利要求1所述模式过滤器的少模光纤放大器，其特征在于，包括：合束器、多模泵浦、掺镱少模光纤以及模式过滤器，其中：所述合束器的输入端分别与少模传输光纤和所述多模泵浦连接，所述多模泵浦输出模式为基模的多模泵浦光，所述合束器的输出端与所述掺镱少模光纤连接，所述合束器用于将所述少模传输光纤中的待放大的信号与所述模式为基模的多模泵浦光耦合后注入所述掺镱少模光纤。10.一种多级光纤放大器系统，其特征在于，包括：全光纤锁模种子源、展宽器、压缩器和如权利要求9所述的少模光纤放大器，所述全光纤锁模种子源的输出端与所述展宽器的信号输入端相连，所述少模光纤放大器的入射端与所述展宽器的信号输出端相连，所述少模光纤放大器的反射端与所述压缩器的输入端相连，所述少模光纤放大器的输出端经准直后输入到所述压缩器。

技术总结
本发明公开了一种模式过滤器、少模光纤放大器及多级光纤放大器系统，所述模式过滤器与保偏掺镱少模光纤通过光纤熔接机熔接，所述模式过滤器的横截面包括：纤芯区，纤芯直径小于少模光纤的直径；包层区，环绕在所述纤芯区的外侧；以及两个应力棒，设于所述包层区上，并相对所述纤芯区的上下轴对称布置；布拉格光栅，呈对称分布刻写在所述纤芯区的边缘，且所述布拉格光栅的位置与在所述纤芯区的纤芯中传输的高阶横模部分重合。本发明通过光栅刻写装置将布拉格光栅结构刻写在少模光纤的纤芯周围，将光栅在光纤横截面上的目标位置与光纤的高阶横模模场分布进行匹配，使光纤中的高阶模式经过光栅后得到较大的损耗，实现模式过滤的功能。能。能。


技术研发人员：何飞 邹锶 万威 陈抗抗
受保护的技术使用者：武汉安扬激光技术股份有限公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/8/4