诸如掺镱光纤激光器的掺稀土光纤激光器在诸如材料处理、产品打标和雕刻、 以及显微机械加工的领域中找到了用途。正在研制高功率、窄线宽、以及高脉冲能 量的掺镱光纤激光器。光纤激光器的应用空间通过额外的工作波长以及甚至更高的 输出功率的实现而得以扩展。它们可分别通过非线性波长转换以及若干光纤激光器 的相干组合来实现。对许多这些应用所需的线性偏振输出的研究比对光纤激光器的 其它属性要小。
因此，在一些应用中，使发射可用于在激光器和放大器的稳定偏振方向上线 性偏振是有用甚至必要的。对于线性或单偏振，需要获得随机地接收椭圆偏振的输 入光线，并提供仅沿单偏振方向偏振的输出光线的偏振(PZ)光纤。偏振特征(单 偏振)传播且仅传播两个正交偏振之一，同时通过增加其它偏振的传输损耗来抑制 它。这种单偏振光纤通常具有折射率曲线的方位角不对称。单偏振光纤对极高速传 输系统有用，或用作与光学元件(激光器、EDFA、光学仪器、干涉型传感器、陀 螺仪等)一起使用和相连的耦合器光纤。单偏振或线性偏振激光可用来得到在各种 各样领域中有用的线性偏振横向单模态光波的发射。这些领域包括远程通信、光学 传输、仪器应用、光谱学、药学、化学物种的检测和遥感勘测。类似地，与常规的 掺铒光纤放大器(EDFA)不同，线性偏振光纤放大器(LPFA)在掺有稀土掺杂物 的PZ光纤的全部或一部分被光泵浦时，用于光纤陀螺仪、干涉型光纤传感器、非 线性频率转换、偏振多路传输、以及相位或幅值调制器的大多数设计等中，对一个 线性偏振状态具有比对正交状态有高得多的增益。通过具有这种偏振光纤激光器或 放大器，增加的调节(scaling)功率可通过采用众所周知的偏振光束多路传输(PBM) 来实现，从而只要两个光束正交偏振就可将它们组合成具有不同偏振模式的单一输 出。
单模光波导的偏振性能的微小改进可通过作为去耦不同偏振波的一种手段的 拉伸或扭曲纤芯对称性来实现。然而，仅仅非圆形几何形状和相关联的应力感生双 折射通常并不足以维持用作改进后光纤激光器或光纤放大器的所需单偏振，或者并 不足以维持用于改进功率调节(Power Scaling)的其偏振光束的多路传输。
因此，正在开发一种提供足够用于通过PBM的功率调节并可维持之的单偏振 的光纤激光器或光纤放大器。
此外，需要抗外部干扰和稳定的线性单偏振(SP)光纤激光振荡器或放大器。 通过抗外部干扰和稳定来维持单线性偏振是有意义的设备。
还需要使SP光纤激光器振荡器或放大器具有对高功率应用的较大有效区域， 以便于防止诸如拉曼(Raman)和布里渊(Brilluoin)散射的非线性效应。
还需要具有使用相干光束组合技术的用于光功率调节的稳定线性SP光纤振荡 器和放大器。
最后，需要SP光纤激光振荡器和/或放大器，以便于在高输出功率时避免因 共同传播的正交偏振模式的非线性耦合而导致的时间不稳定。

定义：
以下定义和术语在本领域中通用。
折射率曲线-折射率曲线是选定光纤片段上折射率(Δ％)和光纤半径(从光 纤的中心线量起)之间的关系。
半径-光纤片段的半径通常根据所用材料的折射率在不同成分上取得之处的 点来定义。例如，中心芯线具有零内径，因为该片段的第一点在中心线上。中心芯 线的外径是从波导中心线画到中心芯线的具有折射率正Δ的最后一点的半径。对于 具有离开中心线的第一点的片段，从波导中心线到其第一折射率点位置的半径是该 片段的内径。类似地，从波导中心线到其最后折射率点位置的半径是该片段的外径。 例如，环绕中心芯线的下掺杂(down-doped)环状片段会具有位于环状片段和包层 之间界面上的外径。
相对折射率百分比Δ％-术语Δ％表示由以下公式定义的折射率的相对测量：
$\Delta \%=100\times (n_i^2-n_c^2)/2n_i^2$
其中Δ％是标示为i的折射率曲线片段的最大折射率，基准折射率nc被视为包 层的折射率。片段中的每个点都具有相对于包层测量的相关联的相对折射率。
α-曲线-术语α-曲线指根据Δ(b)％(b为半径)表达的芯线的折射率曲线，并 符合以下等式：
其中b0是芯线曲线的最大点，b1是Δ(b)％为零的点，而b是范围bi≤b≤bf，其中Δ％ 如上定义，bi是α曲线的起点，bf是α曲线的终点，而α是实数指数。α曲线的起点 和终点被选中，并输入计算机模型。当在此使用时，如果α曲线之前为步长指数曲 线，则α曲线的起点为α曲线和步长曲线的交点。在该模型中，为了产生α曲线和相 邻曲线分段的曲线平滑连接，该公式写成：
其中ba是相邻片段的第一点。
根据本发明的各个实施例，首先设计和/或测量线性双折射和线性二向色的光 波导，以确定单偏振波长范围。然后线性双折射和线性二向色的光波导在芯线中掺 杂有活性掺杂物，用于提供该波导在与单偏振波长范围交迭的工作波长范围内的操 作。
充气孔或真空孔最好置于接近线性双折射和线性二向色光波导的椭圆芯线 处，从而该波导在单偏振操作的波长带中展现出大于70dB的不同的偏振相关损耗 (PDL)。因而根据本发明形成的光学活性的线性双折射和线性二向色性光波导在 线性单偏振系统中发现有极佳效用，该线性单偏振系统包括与光学活性的线性双折 射和线性二向色性光波导光耦合的光学元件。
本发明的其它特征和优点将在以下说明书中详细阐述，并且从该说明书中部 分地对本领域技术人员显而易见，或者通过实践如在此所述的、包括以下详细说明 书、权利要求以及附图的本发明而得到理解。

图1是根据本发明的包括单偏振光学活性光纤的系统的示意图，该光纤与诸 如活性泵浦源42的光学元件光耦合用作光纤激光器，或用作为活性泵浦源42本身 用作放大器。
图2是根据本发明的图1的单偏振光学活性光纤30的第一实施例的横截面视 图。
图3是根据本发明的第一实施例的沿图2X-X轴取得的折射率曲线图。
图4是根据本发明的第一实施例的沿图2Y-Y轴取得的折射率曲线图。
图5是根据本发明的单偏振光纤的第一实施例的放大的局部横截面图。
图6是示出根据本发明在操作为图1激光器的单偏振光纤30的增益波长650 内，与示出以第二偏振50的截止波长为中心的输入镜60的代表性光栅滤波波长曲 线对齐的一单偏振光纤30实施例的单偏振的代表性波长带曲线。
图7是根据本发明各实施例的图1的单偏振光纤30的第二实施例的横截面视 图。
图8是根据本发明各实施例的图1的单偏振光纤30的第三实施例的横截面视 图。
图9-11是包括根据本发明各实施例的与光学元件光耦合的单偏振光学活性光 纤30的系统的示意图。
图12是包括具有不掺杂质单偏振光纤30’的激光腔的示意图，该光纤30’用 掺杂椭圆芯线的光纤截面来形成与光学元件光耦合的根据本发明另一实施例的光 学活性线性双折射和线性二向色性光纤。
图13是根据本发明的作为图12单偏振光纤30’的长度与消光系数的函数的示 图。
图14是根据本发明的图12激光器的正交偏振轴的输出光谱的示图。
图15是根据本发明的图12单偏振光纤30’的每个偏振的基本模式截止光谱的 示图。
图16是根据本发明的图12单偏振光纤30’的每个偏振的基本模式截止光谱与 长度的函数的示图。

在此为了进行描述，可以理解本发明可采取各种可选配置，除非相反另有明 确指定。还可以理解在附图中示出的、并在以下说明书中描述的特定光纤是所附权 利要求中限定的发明性概念的示例性实施例。因此，与在此揭示的实施例相关的特 定尺寸和其它物理特征并不被视为是限制性的，除非权利要求中另有明确规定。相 似元件的相似功能将由相同标号指示。
参看图6，示出根据本发明示教的光学活性线性单偏振设备的波长谱。诸如图 1光纤30的线性双折射和线性二向色性光波导，或者在图12的光纤截面中具有掺 杂椭圆芯线的不掺杂质单偏振光纤30’传播具有沿第一线性偏振特征模式45和沿 第二线性偏振特征模式50的偏振分量的光线，其中第一和第二模式之间的相差足 够的偏振相关损耗(PDL约大于3dB)，在足够长的波导长度上累积从而第一偏振 模式在第一截止波长601上具有第一衰减3dB，第二偏振模式在第二截止波长602 上具有第二衰减3dB，以提供具有单偏振中心波长在第一和第二截止波长之间的单 偏振波长范围48，从而第一截止波长比第二截止波长小。
如图1所示的多个活性掺杂物90置于线性双折射和线性二向色性光波导30 的一部分34上，用于提供波导在具有中心工作波长的工作波长范围650中的操作， 其中单偏振波长中心波长足够接近中心工作波长，从而工作波长范围与单偏振波长 范围48交迭。尽管单偏振波长范围48被示为对图6的增益650发生在1020～1100 纳米的掺镱光纤激光器的特定应用较窄，但通常工作波长范围650可比单偏振波长 范围48更宽或更窄。理想地，工作波长范围650的中心波长应与单偏振波长范围 48的中心波长一致，但两个中心波长彼此可足够靠近，这两个波长范围650和48 至少在图1光学活性的线性单偏振设备的输出信号66的工作波长上交迭。因此， 光学活性的线性单偏振设备受波导设计参数迫使在偏振波长范围48内振荡或放 大。
当在此使用时，术语“线性双折射”表示讨论中介质的传播的两个基本状态 是线性偏振的，并且偏振的这两个线性状态具有不同有效实部(折射率)的传播常 数。“线性二色性”的附加限制意思是偏振状态还具有不同虚部(损耗)的传播常 数。
传播常数是在给定频率上随时间正弦变化的电磁场模式的任何场分量的复数 幅值相对于给定方向上距离的对数变化率。特定模式的轴向传播常数的实部称为衰 减常数。功率模式的衰减系数是衰减常数的两倍。
偏振通常相对于光辐射定义，并描述磁场或电场矢量的振动限于单个平面。 在一束电磁辐射中，偏振方向为电场矢量方向(在场来回振荡时正负无区别)，在 空间中一些给定固定点附近，光束中的偏振方向可随机变化(非偏振光束)、可保 持恒定(平面偏振或线性偏振光束)，或可具有偏振方向成直角的两个相干平面偏 振元素。在线性偏振情形中，光束的所有电矢量都在单一固定平面中振动。在两个 相干平面偏振情形中，取决于两个波及其相关相位的幅值，组合后的电矢量描绘出 一个椭圆，且该波被称为是椭圆偏振的。椭圆和平面偏振可通过双折射光学系统来 互相转换。
双折射通常指光束在穿透双折射物时沿快轴和慢轴分成两个离散光束，通常 称为寻常光束和非常光束。
二向色性是关于各向异性材料的定义为相对于波导的传播轴对在一特定平面 中振动的光线的选择性吸收。与平面成直角振动的那些射线并不被吸收。各向异性 描述一种物质，它沿不同传播轴或不同偏振的行波展现不同的属性。
然后偏振相关损耗(PDL)是线性双折射和线性二向色性波导中损耗随着其 中传播光波偏振状态的改变而变化的，并用分贝表达为最大损耗和最小损耗之间的 差值。
“高度双折射”、“偏振保留”、“偏振光纤”(PZ)或“偏振不对称”指是“线 性双折射和线性二向色性”波导的子集的偏振保持(PM)光纤。通常任何高度双 折射光纤也是偏振保持的。对于线性双折射测量光纤的所谓“拍频长度”，对于线 性二向色性测量光纤的PDL。
高度双折射是偏振保持或偏振保留的另一种名称。在双折射材料中，折射率 随光波的振动方向改变。具有低折射率的方向是快轴；与之成直角的为慢轴，具有 高折射率。偏振保留或保持(PM)光纤被定义为单模光纤，当光束在其长度上传 播时它保留射入其中的光线的偏振平面。通过将偏振不对称引入光线结构中，或引 入其形状(几何双折射)或引入其内部应力(应力感生的双折射)，可保持偏振。 由于该不对称性，通过光纤传送的两个垂直偏振模式具有不同传播常数，与常规单 模光纤相比减少了它们之间的交叉耦合。在偏振保留或偏振保持的光纤中，用来感 生双折射的元件称为“应力施加部件”(SAP)。该SAP掺有大量杂质，以与其它 光纤材料提供不同的扩展系数；当拉制光纤冷却时，SAP引发残余应力，由此限 制在由光纤传输的两个垂直偏振模式之间交叉耦合。SAP可被配置为围绕光纤芯 线的椭圆或长方形包层，或者成对的SAP可置于芯线的两侧。
因此，PM或PZ光纤必须在单偏振波长范围或窗口48上具有足够的偏振相关 损耗(PDL)以被视为可接受的线性双折射和线性二向色性波导，从而第二偏振模 式50的损耗为零，且第一模式45在第一截止波长上的损耗或衰减为3dB。第二模 式50的损耗在标示为第二截止波长的波长上为3dB。对于第一和第二截止波长之 间的范围48中的波长，第一模式经历基本上大于3dB的损耗，而第二模式50经 历小于3dB的损耗。波长范围48被称为单偏振波长窗口。
根据本发明的示教，通过设计像光纤30所代表的这种线性双折射和线性二向 色性波导的波导参数，用于在与单偏振范围48一致或以其它方式与之交迭的工作 波长范围650中操作，产生线性单偏振设备。单偏振在本发明的每一处都应被理解 为线性单偏振，并且为简单起见，PZ或PM光纤在指光纤30时应表示前行线性双 折射和线性二向色性。
双包层或重包层光纤是展现较宽传输带宽和较低弯曲损耗以减少作为高折射 率外部包层和芯线区域内紧密限制的结果的导模。作为一可能实施例，双包层线性 双折射和线性二向色性光纤可用来构成线性单偏振设备。
所产生的线性单偏振设备是光学活性的线性双折射和线性二向色性光纤本 身，或者与激光器或放大器的结合，作为亮度转换的最普通应用。
众所周知，激光器是受激光发射光频放大器的缩写词。激光器是一腔体，在 两端具有平面或球状镜，填充有可受激光照射的物质。这是任何物质-晶体、玻璃、 液体、染料或气体-其原子可通过光线或放电激发成半稳定状态。原子发射的光线 在落回基态时释放其它附近的受激原子，光线因而在镜子之间振荡时强度持续增 大。如果一个镜子做成传送1％～2％的光线，则通过镜子发出高度单色性的相干辐 射的明亮光束。如果使用了平面镜，则光束高度平行。使用凹面镜，光束显现为从 接近腔体一端的点源中射出。
光泵浦是一组能级中原子或原子系统的数量通过吸收落于物质上的光线而改 变的过程。该过程将原子提高至特定的较高能级，并可导致某些中间能级之间的粒 子数反转。在激光器内，其结果使受激电子或分子转换成较低能态从而发出相干辐 射的物质称为激光介质或活性激光介质。
荧光是由物质吸收较短波长的一些其它辐射而发射较长波长的光线或其它电 磁辐射，假设只要保持产生辐射的刺激源发射就持续。换言之，荧光是在激发后持 续少于约10-8秒的发光。
光纤激光器是激光介质为掺有少量稀土卤化物使其能放大光的光纤的激光 器。输出在广泛范围上可调并且可以是宽带的。激光二极管可用于泵浦，因为光纤 激光器的低阈值功率不需要冷却。
当单包层或双包层的线性双折射和线性二向色性光纤在光纤激光器的一个可 能实施例中光泵浦时，作为光学活性掺杂物吸收较短波长的某些其它辐射的结果， 工作波长范围650内较长波长的光线或其它电磁辐射通过荧光的发射可用来形成 单包层或双包层的线性单偏振光纤激光器或放大器。
图6中的工作波长范围650称为激光器的增益曲线或增益带宽、或放大器的 放大曲线。一般而言，增益或放大是通过放大器从一点传送到另一点的信号中的增 加。对穿过其中的信号在某些频率上展现增益而非吸收的物质被称为活性介质。放 大器和激光器中的活性介质是光线将在给定工作波长上发生受激发射而非吸收的 介质。该介质必须具有称为粒子数反转的情形；即，粒子数在该能级上比更低状态 更为密集的至少一次量子跃迁。
因此，单包层或双包层的线性双折射和线性二向色性的光纤30可具有椭圆芯 线并掺杂有图1的铒离子90，并且被设计成在放大器的单偏振波长范围48中操作 以形成单偏振掺铒光纤放大器。即使单偏振波长范围48和交迭的工作波长范围或 增益带宽650被视为具有铒光纤激光器的特定波长，可以理解这些范围可应用于其 它工作和交迭单偏振波长范围。具体地，单偏振光纤激光器可实现为3能级激光器、 4能级激光器、甚至准带内-3能级激光器，用于在具有铒掺杂物的1.5微米光谱中 的护眼操作。从1060～1080纳米的4能级镱激光，可在约920纳米或980纳米上 使用泵浦。
单包层或双包层的线性双折射和线性二向色性光纤30可用于在工作波长范围 650内放大光学输入。图1的铒稀土离子90以百万分之几百份的典型级别作为掺 杂物被添加到光纤芯线材料中。然后光纤会在2～9微米的铒激光波长上高度透明。 当通过激光二极管光泵浦时产生光增益，并且放大在工作波长范围内进行。
尽管单包层或双包层泵浦的光纤激光器或放大器，不管是普通的四能级转换 或更为复杂的三能级转换都是众所周知的，但线性单偏振的双包层光纤激光器或放 大器直到本发明出现才为人所知。
所有的双包层激光器都具有泵浦光在内包层中传播的属性，该泵浦光在发出 时线性偏振，而在传播数米后即快速消偏振。这使得通过泵浦感生偏振相关增益而 具有单偏振振荡没有可能。因而需要用于引入PDL的装置。增加掺杂能级(即增 加光纤芯线折射率Δ)只增加单偏振窗口，而不增加光纤的偏振相关损耗(PDL)。 所需要的是高度双折射和不对称，在图2的双孔光纤中这来自椭圆芯线形状和孔/ 隙定位。在其它设计中，它可来自例如不对称的扁平包层。
参看图1，本发明的光学活性光纤、亮度转换器、光纤放大器、光纤激光器、 介质波导管激光器或放大器在图1中示出，并在此参照若干示例性或代表性实施例 作概述和阐述，其中相同标号引用相同或功能相似的部件。一般而言，可用作光纤 激光器或放大器的双包层结构包括两个包层32和36。第一(内层)多模包层32 用作多模泵浦芯线。第一包层32与单模芯线34相邻，而第二包层36包绕第一包 层32。该第一多模包层或内包层32用作具有高数值孔径(NAclad)的孔(最好在 约0.2～0.5的范围内，0.2和0.5包括在内)的波导，用于从活性泵浦源72通过诸 如透镜70的光学器件耦合的输入泵浦光线64。众所周知，双重光线激光器可直接 用作泵浦源72以形成没有透镜70的放大器，因为光纤将与其相似尺寸有效模态匹 配。
第一多模包层的横截面(Dclad是内包层的较长尺寸A’，如图3所示)可设计 成具有例如与泵浦源72的近场形状相匹配的所需形状(Dlaser是大区域激光发射孔 42的大小)，或增加泵浦光束64的耦合效率的任何其它方案或形状。第一和第二 包层之间的数值孔径(NAclad)可大到足以捕捉泵浦激光二极管72的输出64。所 实现的亮度的实际增加取决于泵浦包层面积与芯线面积的包层芯线比(CCR)，其 中该CCR比越高亮度增加越大。然而，芯线和包层横截面之间面积的差异使得设 备长度有必要较常，因为泵浦辐射的吸收与该CCR比成反比。通常泵浦包层面积 与芯线面积的较高比例对3能级激光呈现出较高程度的反转困难，而对4能级激光 则并不构成障碍，因为通常CCR比越高可用给定泵浦功率实现的反转能级越低。 因此，泵浦吸收和反转是相关的。
将诸如铒、镱或钕的稀土元素用作具有较高包层芯线比(CCR)的双包层光 纤放大器/激光器的芯线34中的掺杂物90是有问题的。甚至用可从二极管激光棒 得到的极高功率，也极难达到操作3能级激光器或放大器系统所需的高能级反转。
为了得到增益，三能级转换需要＞50％的高能级反转。准三能级转换需要与四 能级激光器相比较低但有效的反转能级，得到无穷小反转的增益。镱和钕离子(Yb+3 和Nd+3)分别在约980纳米提供三能级激光系统，并在约940纳米提供准三能级 激光系统。在一三能级系统中，激光从受激能级到基态、或与之相差不超过若干 kT(即，在工作温度上热混合)的状态。结果，未经泵浦的掺有杂质的芯线在激 光器波长上大量地吸收，且激光功率阈值会因为粒子数反转不足而变成问题。
在竞争和更高增益的四能级转换情形中，例如在钕(Nd)的约1060纳米处， 掺有杂质的芯线在不泵浦时在激光器信号波长上仍然是透明的，结果，用于激光的 功率阈值基本上取决于掺有杂质芯线、双包层光纤结构的内包层的尺寸，以及双包 层光纤在泵浦吸收长度上的背景损耗。
类似地，即使Yb+3离子在976-978纳米处的较窄6纳米宽的纯三能级转换中 展现增益以示出镱作为高功率EDFA的泵浦泵激的较大希望，有效的Yb 976纳米 激光器因为在约1030纳米处达到峰值(但扩展到1120纳米)的Yb的其它竞争和 更高增益转换而仍然不能实现，该增益转换是为透明度仅需要一定百分比的粒子数 反转的宽广准四能级转换。因此，980纳米(或接近976纳米)激光难以实现的原 因是对976纳米转换需要较高反转能级(＞50％)，即功率激光阈值也较高。此外， 在约976纳米处难易实现足够的反转，因为Yb的约1015-1030纳米处竞争的准四 能级转换产生使反转饱和的放大自发发射(ASE)。
该反转问题源于两个竞争转换中增益之间的关系和Yb的泵浦吸收。作为一代 表性示例，掺镱的锗-铝-硅酸盐(germano-alumino-silicate)玻璃(假设均匀展宽) 中两个波长上的增益之间的关系如以下方程式：
$G_{1030}=0.25G_{976}+0.74{\alpha }_P\frac{{\Gamma }_S}{{\Gamma }_P}---\left(1\right)$
其中G1030和G976分别是1030纳米和976纳米上的增益，αP是用分贝(dB)表示 的部分漂白抽吸，而ΓS和ΓP是使用掺杂分布图的信号模式和泵浦模式的相应交迭 系数。
对诸如硅酸锑玻璃的其它基质也将保持不同系数的类似关系。众所周知，双 包层光纤允许来自二极管条和其它相似活性结构的耦合。然而，这通常通过相对于 信号交迭大大减少掺杂分布图与泵浦交迭来实现，因为掺杂需要受限于或接近于信 号芯线，以便于获取足够的用于信号波长上芯线模式的光增益。通常，芯线是均匀 掺杂的，并且泵浦波导和信号芯线之间的面积比(CCR)对常规双包层光纤激光器 而言在100∶1的数量级上。结果，ΓS＝1且ΓP＜0.01。在方程式(1)中使用这些值， 泵浦吸收的每1dB在1030纳米上产生约20dB的增益。相似地，对于ΓS/ΓP＝50的 交迭比，泵浦吸收的每个dB都导致1040纳米处的增益增加达36dB。
不可避免地，竞争转换的更高增益导致更高能级的使反转饱和的放大自发发 射(ASE)。甚至使用微弱泵浦，1030纳米上的ASE就使放大器饱和并放空，或以 其它方式阻止在976纳米处建立激光所需的粒子数反转。实际上，即使没有光腔， 较长四能级波长上的激光就可仅从反向散射成为可能。因此，即使限定腔体的激光 镜被调整为976纳米，高泵浦吸收也将有利于1030纳米或更长处的增益。
因而，在准三能级或三能级包层泵浦的光纤激光器中，泵浦功率的空间分布 与掺杂区域的较差交迭导致需要相对较低反转能级(＜5％)的竞争四能级激光器转 换的高得多的增益。因此，有必要抑制这些竞争转换的增益，以便于在所需反转能 级上实现所需三能级或准三能级振荡。
因为使光纤长度对固定泵浦功率足够长等同于减少平均反转，一种现有方法 故意使光纤激光器的长度足够短以避免在约1030纳米处准四能级转换的激光，而 相反优先在980纳米处发出激光。但是，短光纤激光器效率较低。
根据本发明的示教，在980纳米处镱3能级转换的特定情形中，方程式(1) 可用来估算ΓS和ΓP的期望交迭比，它与内包层面积比芯线面积(Aclad/Acore)的面 积比(CCR)紧密相关。对于镱，假设期望至少6dB的泵浦吸收，且不能在1030 纳米处的竞争准四能级转换上抑制40以上dB的额外增益，则期望Aclad/Acore可使 用方程式(1)来计算。对于较佳的硅酸盐玻璃，发现包层芯线比(Aclad/Acore)对 于镱双包层光纤激光器小于8。
因此，为了制造单偏振的光纤激光器或放大器，光学活性偏振(PZ)光纤30 被特别设计用于最佳双包层三能级或四能级激光的单偏振操作。对于更难的三能级 设计，双包层结构的活性光纤30具有掺杂中心部分或芯线34，其中掺杂具有三能 级转换的可光受激离子90或需要高能级反转的任何其它类型的离子。芯线34具有 芯线折射率(ncore)和芯线横截面积。该横截面积可根据芯线34的尺寸A和B计 算。内包层32围绕芯线34并具有比芯线折射率小的内包层折射率(ninnerclad)，内 包层横截面积比芯线横截面积大2到25倍(2＜CCR＜25)，且高宽比大于1.5∶1。该 双包层活性光纤30的较佳设计和尺寸允许大于6dB的强烈泵浦吸收，同时抑制长 波长ASE。内包层横截面积可根据内包层的尺寸来计算，包括如本发明所示教的 并如图3所例示的较长尺寸A’。
再参看图2，外包层36包围内包层32，并具有比内包层折射率小的外包层折 射率。
镱光纤激光器的使用光纤30在1060纳米处操作的一个示例将是比更复杂的3 能级激光器简单一些的准4能级激光器的实现。与作为3能级激光器操作相反，当 作为四能级激光器操作时，应当对内包层与芯线面积之比(CCR)根本不作限制。
然而，因为具有三能级转换的可光受激离子镱的活性PZ光纤30的更困难使 用，不得不实现腔体和光纤的最优化。在活性光纤30的泵浦端上，放置了100％ 信号反射和泵浦透明镜60。约4％的信号反射用可选输出镜62在输出端上提供。 忽略波导损耗g976＝7dB。期望吸收至少6dB的泵浦功率，而不超过40dB的1040 纳米增益可通过波长选择性反馈来抑制。在将这些值代入方程式(1)之后，可得 到较佳的包层芯线面积比或ΓS/ΓP的交迭比，且对用于980纳米处的镱光纤激光器 的稀土掺杂物镱而言，最大比率为7.6。
可光受激离子90可以是一种或多种转换金属，诸如铬，以及稀土元素之一。 如果诸如Ge、P或B的元素用来在激光器中提供拉曼增益，则可光受激离子是任 何适用于以拉曼增益泵浦光纤的双包层光纤激光器的稀土元素。
一般而言，活性光纤30可被用作放大器或光纤激光器。对于作为可光受激离 子的所有稀土掺杂物90，诸如Er、Nd、Tm和Yb，特别是那些需要高能级反转的 掺杂物而言，本发明示教用于双包层结构的最大允许内包层面积。通常，给定任一 类型激光二极管的泵浦吸收横截面(σap)、亚稳级生存期(τ)和期望能级平均反 转( n2)、以及可用泵浦功率，从而假设一特定功率吸收，输入和输出(未吸收的) 泵浦功率值可分别估算为Pin和Pout，最大允许横截面包层面积可使用以下方程式 得出，如本发明示教的用于任何稀土和基质材料系统：
$A_{\mathrm{clad}}\le \frac{{\sigma }_{\mathrm{ap}}\tau (1-\stackrel{-}{n_2})(P_{\mathrm{in}}-P_{\mathrm{out}})}{\mathrm{hv}\stackrel{-}{n_2}1n(P_{\mathrm{in}}/P_{\mathrm{out}})}---\left(2\right)$
其中hv是泵浦光子能量。
不管离子和基质材料之间的所有差异，方程式(2)是普遍适用的，尤其适用 于在饱和情况下工作的放大器。在活性光纤30用作在1530-1565纳米上工作的常 规的或C频带石英玻璃掺镱放大器(EDFA)的典型情形中，通过将相应值代入方 程式(2)中本发明得出Aclad＜780um2。因此，通常不是包层芯线比(CCR)而是 内包层的绝对大小对有效激光器或放大器操作最关键。因此，芯线34可以是装于 内包层32内的任何尺寸。然而，芯线34最好在大小和NA上与标准单模光纤20 相似，这便于耦合到激光器或放大器的输出光纤20。使用3～4um的典型单模芯线 半径，对C频带Er情形可导出10∶1～20∶1的包层芯线面积比CCR(Aclad/Acore)。
在该示例中，双包层光纤放大器基于掺杂Ge和Al(类型II)的石英玻璃，并 在980纳米处泵浦(σap＝2.55×10-25m2，τ＝8ms，hv＝2.03×10-19J)。一个单个2W激光 二极管用于泵浦放大器。给定激光二极管的2W可用功率，80％的可用功率 (Pin＝1600mW)被耦合到内包层中。给定光纤放大器的期望功效，不超过一半的 功率在另一端出来(Pout＝800mW)。对于类型II的C频带放大器，需要～0.6的平 均反转( n2)来实现最小增益“波动”(有用放大频带内的增益变化)。将这些值 代入方程式(2)，得出内包层的横截面积：Aclad≈780um2。这表示对大于780平 方微米的内包层横截面积，除非使用更为强大的泵浦激光器(可用超过2W的功率) 否则将不能实现0.6的平均反转。实际上，无源损耗将把可使用的被包层大小限制 为更低值，500μm2或更小。
使用a＝3μm的典型芯线半径，包层芯线面积比CCR是Aclad/Acore＝500/(π·32) ≈18，比现有参考中推荐的或曾经报告的能运行的双包层激光器和放大器的值低得 多。
因此，对于用2W 980纳米大面积激光二极管的C频带掺镱双包层放大器，根 据本发明示教的包层芯线面积比的推荐值为10∶1～20∶1，但在任何情形中，内包层 的横截面积都不应超过500μm2。如果激光二极管中的可用功率翻倍，作为4W泵 浦二极管，则推荐值也加倍使包层芯线面积比的范围为20∶1～40∶1，而内包层的横 截面积小于1000μm2。
为了在1570纳米和1620纳米之间工作的长波长或L频带放大器中的放大， 需要小得多的平均反转值，诸如约0.4。对应于较低的反转，内包层的最大可用横 截面积比C频带放大器情形至少大2.5倍。已示出由1.76W 980纳米长激光二极管 模块泵浦的双包层L频带放大器，其中内包层横截面积为2100μm2。然而，由于其 圆形内包层几何形状及其较小泵浦吸收，放大器效率仅为～15％。较小的内包层大 小对L频带、以及C频带放大是有利的，因为对相同的平均反转可容许较高能级 的泵浦吸收。因此，对于用2W大面积激光二极管泵浦的L频带掺镱双包层放大 器，包层芯线面积比的推荐值为10∶1～50∶1，且内包层的横截面积应不超过 2000μm2。
如果由活性光纤30提供的Yb光纤激光器用单个2W大面积激光二极管72泵 浦，且输入泵浦功率Pin＝1600mW实际上装入内包层32中，为了有效的激光器操 作，则激光所需的阈值功率应当不超过输入泵浦功率的1/4或400mW。取αP＝6dB， hv＝2.16×10-19J(920纳米泵浦)，σap＝8.3×10-21m2，τ＝0.8ms且Pth＝0.4W，则根据 方程式(4)包层面积为Aclad＝890μm2。因此，对于用920纳米大面积激光二极管 泵浦的掺镱976纳米双包层光纤激光器，根据方程式(1)包层芯线面积比的推荐 值为2∶1～8∶1，且根据方程式(4)内包层的横截面积应不超过900μm2，因为阈值 应当尽可能大地降低。
具有如此小的包层芯线面积比的双包层光纤是可实现的。对于较佳的10×30 μm椭圆形内包层内的8μm直径圆形芯线，面积比等于(5·15/42)≈4.7，比镱的最 大示教比8小。
双包层活性光纤30的较佳设计和尺寸，允许较强的泵浦吸收同时抑制长波长 ASE，并允许足够强的泵浦强度以实现3能级操作。例如，用作放大器或激光器的 3能级或准3能级双包层活性光纤或亮度转换器30的输入侧，用波长P处的泵浦 信号64照射。中心位于多模内包层32内的较佳单横模式芯线34由与内包层32 有足够成分差异的玻璃制成，以提供折射率的适当差异。芯线34并非必需是严格 单模的，较宽的双模芯线仍然可以工作。较佳地对于高功率激光，芯线34掺以镱 (Yb3+)、铒(Er3+)或钕(Nd3+)离子，但也可使用其它稀土元素90。双包层的 活性光纤30还包括最好由具有比内包层32的折射率低的折射率的玻璃制成，使 NAclad大于0.3。全玻璃设计允许这些类型的折射率，且玻璃类型包括硅铝酸镧玻 璃、锗酸锑、硫化物、镓酸铅铋等。外包层的较佳材料也是玻璃，例如碱金属硅硼 铝酸盐。
不尝试准确示出图3、6、7或8中活性PZ光纤30的横截面积表示的相关直 径。但是，内包层32的面积最好约比芯线34面积的25倍小。此外，也可能使用 空气(n＝1)作为外包层以提供单包层单偏振激光器或放大器。
活性光纤30的长度相对而言并不重要，因为它与所涉及波长相比极长，从而 任何较高阶模式都足以在其长度上衰减。实际上，该长度根据在芯线中掺杂的稀土 的能级和所需泵浦吸收效率来确定。在一些情形中，长度中的1cm就超过所需了。
活性PZ光纤30包括两个镜子60、62，分别确定光学腔体46的输入端和输 出端并用作端部反射镜。输入镜60制成对泵浦波长λP上的光学泵浦信号64是高 度穿透性的，并对信号(激光)波长λS上的输出信号66是高度反射的，同时输出 镜62制成在信号波长λS上部分反射(部分传输)，而在泵浦波长λP上最好也至少 部分地反射。对于用作光纤激光器的活性光纤30，将劈裂输出面用作输出镜62是 可能的。甚至其与邻接耦合输出光纤20的空气间隙之间的4％反射就足以确定该 光学腔体。
单模光纤20与芯线34的输出端邻接耦合。如果亮度转换器或光纤激光器30 被用作EDFA的泵浦源或其它掺有杂质的光学放大器，诸如拉曼放大器或具有拉曼 增益的光纤，单模光纤20是用于将活性泵浦源耦合到放大光纤的泵浦光纤。因此， 泵浦信号64在输入镜60处有效地进入光学腔体46。光学腔体46确定于镜子60、 62之间，并且光学腔体中的部分驻波被允许穿过输出镜62。
对于由三能级激光示例的活性光纤30提供的镱光纤激光器，信号波长λS等于 对应于三能级Yb3+转换的978纳米。尽管涉及光纤激光器的本发明根据掺杂Yb3+ 来研制，但它并非仅限于此。光纤激光器或亮度转换器30可掺杂其它转换或稀土 离子90，诸如Nd3+。通过共掺杂或通过一系列不同掺杂光纤的Yb和Nd掺杂的组 合，允许在800纳米处而不在920纳米处泵浦。
不使用独立的聚焦元件70，宽带激光器72的光学特征可好到足以直接耦合到 多模内包层32。然而，如果需要聚焦元件70，则已开发了使来自慢轴和快轴上具 有尺寸为100×1μm2、NA为0.1/0.55的典型发射孔的大面积激光二极管的泵浦功 率有效地耦合到具有矩形芯线横截面30×10μm2和有效数值孔＞0.42的光纤的技 术。术语“慢”和“快”指分别与激光二极管接合面“平行”和“垂直”的平面。 为了将来自大面积半导体激光72的光线分别有效地耦合到慢轴和快轴上尺寸为 100×1μm2且NA为0.1/0.55的发射器(在最大远端场强度点的5％处测量)，耦 合光学器件或其它光束成形器70可被设计成分别在慢轴和快轴上产生尺寸为30× 10μm2且5％NA为0.35/0.12的发射器近场的图像。
不管是否直接耦合，泵浦信号可以在小于976纳米但在镱吸收频带内的波长 处发射的AlGaAs或InGaAs宽带、阵列、二极管阵列的形式，或以与其它光学激 光器或叠层二极管的多路传输形式，由激光二极管72提供。实际泵浦频带从850- 纳米扩展到970纳米，更佳范围为910-930纳米，而最佳范围为915-920纳米。这 些频带和激光波长的精确值可取决于介电基质偏移几个纳米。
根据本发明的示教，输入镜60是窄频带滤波器，最好是以图6PZ活性光纤 30的单偏振带宽(SPB)48为中心的窄带宽的光纤布拉格光栅(FBG)。为了使用 输入镜60的带宽限制(例如通过FBG)来实现双包层光纤激光器中的单偏振振荡 或激光，推荐的是具有中等双折射(10-4～10-6)的PZ光纤30。众所周知，适当长 度的、在PZ光纤30的应力感生或几何感生区域(诸如非对称凹陷包层)中具有 适当双折射(且无或低二向色性)幅值的光纤振荡器被设计成在各向异性光纤30 的增益带宽下具有偏振的波长相关数输出状态。使用这种适当的双折射或二向色性 区域，所产生的PZ光纤30具有有时称为二向色性的偏振相关损耗(PDL)。来自 输入镜60的带宽限制用来选择PZ光纤30的特定单偏振。
本发明的该增益带宽限制对单偏振光纤激光器的高功率操作特别重要。例如， 取图2的双孔光纤设计，大多数稀土转换具有比可用0.5～1％的芯线增量实现的单 偏振带宽宽得多的增益带宽。通常可通过降低芯线直径、或通过诸如增加玻璃掺杂 成分的能级，诸如锗(Ge)、磷(P)、铝(Al)或硼(B)改变芯线NA来增大增 量，可简便地增大单偏振带宽，但这具有减少基本模式的有效面积的负作用。对于 较高的功率操作，会寻求具有基本模式的最大有效区域；一种这么做的简单方法是 降低增量并增大芯线半径；然而，降低增量也将减少单偏振窗口，从而使具有可通 过单独光栅或其它反射器选择的增益带宽限制成为必要。
再参看图6，示出具有10-4～10-6范围内双折射和约6米长度的SP光纤30的 掺钕光纤激光器的输出功率光谱SO的相似曲线，该SP光纤30可由示为增益带宽 650的掺镱光纤简单替换。使用任一类型的稀土掺杂物，用于使单偏振带宽48与 光纤激光器的带宽650对齐的较高增益位置可根据图1高功率光纤激光器的输入镜 60的光纤布拉格光栅实施例选择，并相对光栅60的输出功率光谱、传输、或光谱 强度来描述。图1光栅60的窄频带滤波器(F)具有比光纤激光器的增益带宽 (FWHM)650和单偏振带宽48小的带宽(FWHM)。对于钕或镱光纤激光器，最 佳滤波器带宽在1-30纳米的范围中。获取连续波的关键参数是从图1激光器或放 大器产生的输出信号的光谱带宽650，它比腔体内滤波器带宽(F)大。高功率信 号的产生并不限于图1所示的Fabry-Perot腔体，任何具有腔体内波导和窄带通滤 波器的波导激光腔体设计都能实现。实际上，光栅60不需要是窄频带的，而可以 是图12所示的带通滤波器60’或任何其它适当的反射器。
作为SP光纤30的一个示例，单偏振光波导光纤30的第一实施例具有最佳如 图2-5所示的横截面结构。相同的配置存在于图12中的单偏振光纤30’中，除了芯 线不用活性离子掺杂。在所示实施例中，活性掺杂光波导PZ光纤20包括沿光纤 的径向轴延伸并具有最大尺寸A和最小尺寸B的中心芯线34。中心芯线34的横 截面形状是细长的，通常最好是椭圆形。较佳地，该细长形状在光纤处理(拉伸或 再拉伸)期间受控，使拉伸光纤30展现限定为A/B的大于1.5、较好地在1.5～8 之间、最好在2～5之间的第一高宽比AR1。
中心芯线34最好用掺锗二氧化硅制成，其中锗有足够量使芯线展现约0.5％～ 2.5％、较佳地在0.9～1.3％之间、在一实施例中约为1.1％的芯线增量％，Δ1，如图 3-4所示。中心芯线34的平均直径d avg＝{A+B}/2最好为3～12微米，较佳地为4～ 10微米。
已发现，通过增大芯线增量％，Δ1，单偏振带宽48(参见图6)可偏移到更 长波长。相反，通过使作为PDL微分器的二向色性区域24、26的孔径更小，各个 光纤参数可用较小孔优化，以将单偏振带宽48降低为更短波长。单偏振波长48 位于第一偏振45的截止波长和第二偏振50的截止波长之间。在该波长频带48内， 提供了真正的单偏振，即有且只有一个偏振。单偏振带宽48是对图6最佳示出曲 线的线性区域49的3dB以下进行测量的。
参见图6，作为一个示例，单偏振带宽(SPB)48在1057纳米和1082纳米之 间扩展，从而提供约25纳米的单偏振带宽。然而，应当理解，该范围是示例性的， 并可提供PZ光纤的其它波长频带。单偏振区域(SPB)的宽度可通过增大芯线增 量和减小平均芯线直径来增加。类似地，SPB的位置可如上所述进行调整。可对单 偏振光纤进行进一步的调整，以调节SPB 48的相对位置或宽度(参见以下表格1)。
基于模拟计算，表格1如下示出：第一偏振的截止波长λ1、第二偏振的截止 波长λ2、单偏振光纤的单偏振波长带宽Δλ随着各种孔径(d)的变化、随着芯线增 量％，Δ1的变化、随着第一宽高比AR1的变化、以及随着中心芯线34的d avg的 变化的灵敏度。
表格1-灵敏度模拟   示例#   d(μm)   Δ1(％)   AR1   d avg(μm)   λ1(nm)   λ2(nm)   Δλ(nm)   1   1   1.0   1.5   4   1608   1577   31   2   5   1.0   1.5   4   1436   1378   58   3   10   1.0   1.5   4   1358   1298   59   4   15   1.0   1.5   4   1328   1267   61   5   5   1.0   3   5.6   1462   1407   55   6   10   1.0   3   5.6   1344   1278   66   7   15   1.0   3   5.6   1316   1246   69   8   5   1.0   5   7.2   1262   1210   52   9   10   1.0   5   7.2   1162   1103   59   10   15   1.0   5   7.2   1119   1057   62   11   5   1.0   8   10.8   1265   1208   57   12   10   1.0   8   10.8   1127   1064   63   13   15   1.0   8   10.8   1122   1057   65   14   5   0.5   3   8.15   1582   1549   33   15   5   1.0   3   6   1597   1541   56   16   5   1.5   3   5   1613   1533   80   17   5   2   3   4.32   1624   1523   101   18   5   2.5   3   3.8   1617   1496   121
以上示例1-18示出PZ光纤30对各个结构参数变化的灵敏度。特别地，示例 1-4中可看出，通过从1到15微米的孔径变化，单偏振波长频带可被驱向较短波 长。示例14-18引入注目地示出芯线增量Δ1可如何用于扩大单偏振频带的宽度。 剩余示例示出平均芯线直径d avg和宽高比AR1可如何用于影响单偏振带宽和该 频带相对位置。
所讨论的光纤参数并非只是光纤的仅有可能设计。无源单偏振光纤具有若干 设计参数，诸如芯线的椭圆率、芯线的尺寸、芯线增量、为用于不同应用而优化的 相邻孔的大小。可将这些光纤参数设计成实现期望值的相差截止波长。单偏振窗口 是这些截止波长之间的波长范围，因此可取决于各光纤参数而改变。对于活性单偏 振光纤30的应用，两种应用居支配地位。
首先，对于单偏振放大器，光纤设计参数被设计成要放大的波长落于单偏振 光纤的单偏振波长区域内。如果要放大的波长大于两个截止波长(即它落于单偏振 窗口之外且之上)，则因为未传送两个偏振而当然不会有放大。如果该波长小于两 个截止波长，则放大两个偏振而不会有单偏振功能。作为一个示例，当SP光纤的 椭圆芯线用铒(Er)的活性掺杂物90掺杂时，可具有单偏振掺铒光纤放大器 (SP-EDFA)。
其次，对于单偏振振荡器(激光器)，需要将光纤参数设计成增益带宽与单偏 振窗口一致、或比之狭窄。如果不是这种情形，则需要例如通过在落于单偏振窗口 内的布拉格波长上具有高反射率的光纤布拉格光栅实现来自输入镜60的波长选择 性反馈，以确保发生单偏振的波长的反馈更高。
对于镱光纤激光，增益在从1020纳米到1100纳米发生，所以单偏振(SP) 光纤30必须用单偏振窗口落在该范围中的设计。如果增益比SP窗口48更宽，则 具有较高反射率的光栅60可用来(尽管也可使用任何其它波长选择性滤波器)限 制增益，并仅在落于SP窗口48内的较窄波长区域上提供反馈。输入镜60(最好 是光栅)中的高反射率期望从任何高增益光纤激光器的一侧得到足够功率。较佳的 其它光纤参数是芯线34为椭圆形以提供较大的模式区域，它具有约0.15％的芯线 折射率增值以提供约0.8的数值孔。
再参看图2，中心芯线34最好由具有与中心芯线不同成分的环形区域12环绕； 最好是折射率小于芯线且有时称为降低包层。因此，该环形降低包层区域12较佳 地相对于纯二氧化硅下掺杂，因此最好由掺氟二氧化硅制成。环形降低包层区域 12最好展现如图4所示的约-0.0％～-0.7％之间、较佳地约-0.2％～-0.6％之间、以及 最好约为-0.4％的增量％Δ2。通常，环形降低包层区域12中的玻璃掺以杂质，使 它在拉制温度比中心芯线34更具粘性。该环形降低包层区域12还可具有由图2 芯线/包层接口22所示的一般椭圆形，或更佳地具有虚线38所示的一般圆形。
在具有圆形的实施例中，环形降低包层区域12较佳地具有约10～25微米、 更佳地约13-19微米、而在一实施例中约为16.5微米的外径D。可选地，环形降 低包层区域12可具有诸如椭圆形的一般细长形。在该情形中，平均尺寸D avg＝{A’ +B’}/2约为中心芯线34的两倍，例如约6～16微米，而定义为A’/B’的第二宽高比 AR2约为1.5～8。
除了椭圆形中心芯线之外，至少一个气孔在芯线34的相对两侧形成。孔24、 26最好部分地在光纤30的环形降低包层区域12中形成。孔24、26最好是充气孔 或真空孔，并沿光纤30的整个纵向长度延伸，且最好在光纤长度上有基本固定的 尺寸。孔24、26最好位于中心芯线34直径方向上的相对两侧，并可全部或部分地 在环形区域12中形成。例如，孔24、26可全部地包括在环形降低包层区域12中， 或者孔24、26可部分地延伸到如图7光纤30所示的外包层36。这些孔与中心芯 线34的最小尺寸B相邻并对齐放置，且与之极为接近(例如，使孔边界位于离中 心芯线34在3微米内)。关于对齐，气孔被放置成通过孔24、26中心的线28(图 5)基本上与最小尺寸(B)对齐。这些孔最好是圆形的，但可任选地为其它形状 并可具有相等或不等大小，且较佳地具有一个最大尺寸，诸如约1～15微米、更佳 地为5～11微米的直径d(图5)。尽管在每一侧仅示出一个孔，每一侧有多个孔也 可起作用促成椭圆形，并在工作波长频带内提供单偏振。
外包层36最好围绕环形降低包层区域12，并与之相接触。外包层36具有约 125微米的常规外径，并具有最好基本为纯二氧化硅的成分。可任选地，如果有尺 寸限制要求，外包层36可包括其它适当的掺杂物，诸如氟，则可减少外径。
单偏振光纤30的沿X-X和Y-Y轴的相对折射率曲线的一般表示分别如图3 和4所示。曲线示出相对折射率百分比(增量％)对光纤半径(微米)，并清楚地 示出曲线中沿两轴的PDL差值。特别地，曲线示出中心芯线34的最大相对折射率 Δ1、孔26的相对折射率(示为删节一因为它太长)、以及环形降低包层分段12的 最大相对折射率Δ2。空气的相对折射率约为nair＝1.0，这样，增量％就是极负(约 估算为-54％)。曲线的虚线部分38反映出光纤30中部分32具有圆形(由虚线38 示出一参见图2)。因而，应当容易理解，沿每一轴的折射率曲线都是极为不同的。 最好光纤30的长度被设计成在约10厘米～1米的范围内，且足够的偏振相关损耗 (PDL)差值在单偏振波长范围内大于70dB。
参看图7，示出单偏振光纤30的另一个实施例。光纤30包括椭圆形中心芯线 34、位于中心芯线的沿椭圆芯线小尺寸的两侧的圆形横截面气孔24、26、环形降 低包层区域12、以及外包层区域36。在本实施例中，孔24、26一部分在环形降低 包层区域12中、一部分在外包层36中形成。环形降低包层区域12是掺氟的，足 以提供约0.4％的增量％。外包层36最好用纯二氧化硅制成。以上给出的d(孔的 直径)的范围、最大和最小尺寸A和B、以及环形区域的直径D同样使用于本实 施例。
参看图8，示出单偏振光纤30的又一实施例。在本实施例中，光纤30包括椭 圆形中心芯线34、位于中心芯线的沿椭圆芯线小尺寸的两侧的圆形横截面气孔24、 26、以及包层区域22。在本实施例中，孔24、26在环形区域12中形成，但环形 区域用与包层22相同的材料制成，最好是纯二氧化硅。虚线38示出位于芯线和大 于孔24、26的最外面部分的半径处的包层区域之间的接口。在光纤30的本实施例 中，对于单偏振光纤激光器或放大器的单包层版本，芯线增量Δ1％最好约为1.6％。 即使被示为是圆形的，与其它实施例一样，内包层22可以是椭圆形、或具有NA 为0.3的200×400平方微米的矩形横截面的矩形。此外，单偏振光纤激光器或放 大器的可选双包层版本可用附加的光学外包层36实现。
根据本发明每个实施例的单偏振光纤展现在所设计SPB 48(参见图6)内能 够产生单偏振(传输一种且只有一种偏振模式)的光学属性。较佳地，根据本发明 的单偏振光纤30的SPB 48被设计成位于约800-1600纳米之间。最佳地，光纤的 SPB 48被设计成与980、1060、1080、1310或1550纳米相符，从而可便于与在980、 1060、1080、1310或1550纳米处工作的光学元件一起使用。特别地，根据本发明 的示教，最好SPB的中心波长基本上与由图1输入镜或光栅60所选择或调频的光 学激光器或放大器的工作波长的中心波长相符(在约+/-20纳米内)。此外，根据本 发明的PZ光纤30最好在978纳米处展现等于或大于15dB的消光率；更佳地在 SPB 48内等于或大于20dB。
实验示例1
根据本发明的第一代表性单偏振光纤30被制造成具有图7所示的横截面结 构。光纤30具有中心芯线34，它具有约5.33微米的平均直径d avg、约7.75微米 的最大尺寸A、约2.9微米的最小尺寸B-导致第一宽高比A/B等于约2.7，中心 芯线增量Δ1为1.1％，而α曲线具有约为2的α。孔24、26具有约为8.3微米的平 均直径。环形区域12掺有氟，从而相对于纯二氧化硅包层22是降低的。环形区域 12的相对折射率Δ2为-0.4％，而环形区域12的外径D约为16微米。本实施例中 的孔24、26基本上与中心芯线34的两侧邻接。单偏振光纤30例如在1.51米的长 度上被测试和展现出在978纳米处有约38.6dB的消光率。ER在SPB 48中约为15。 光纤的节拍长度为4.21纳米。在1.45米长度上的衰减被测量出在978纳米处为 0.027dB/m。
实验示例2和3
同一光纤沿其长度的(并与实验示例1的长度相间隔的)其它部分也在实验 示例2和3中测试，给出略为不同的性能结果。发明人确定沿光纤长度的属性上这 种变化主要是因为原型光纤中的处理控制变化，这在生产光纤中可得到好得多的控 制。
实验示例4
另一个实验样本在表格2中示为实验示例4。在本示例中，芯线增量Δ1为2.0％， 而Δ2为-0.4％。在本示例中，高宽比AR1约为3.2，具有约为4微米({A+B}/2) 的平均芯线直径d avg。平均孔径和其它光纤参数与示例1相似。如本示例中所示， 将中心芯线的相对折射率提高至2.0％，与1.1％相比已将单偏振(SP)带宽增至42 纳米。
上述单偏振光纤的光学属性和附加实验光纤在表格2中给出。
表格2-实验示例光纤的光学属性   示例#   实验示例1  实验示例2  实验示例3  实验示例4   SPB中的消光率ER(dB)   15  22  20  ＞15   节拍长度LB(毫米)   4.21  3.89  2.79  1.11   衰减(dB/m)   0.027  ---  ---  1.76   P1截止λ1(纳米)   1157  1147  1164  972   P2截止λ2(纳米)   1183  1175  1097  1014   SP频带带宽(纳米)   26  28  33  42
参看图6，示出图7的实验示例1光纤的单偏振宽带(SPB)48的曲线通过显 示光纤30的不同偏振模式45、50的传输功率(dB)对波长(纳米)的迹线来示 出。特别地，第一偏振45和第二偏振50被测量和画为波长的函数。
通过将来自具有带宽0.5纳米的978纳米单波长泵浦激光器的光信号传过光纤 的较短长度，然后测量978纳米波长处的传送功率，可产生978纳米处的消光率。 类似地，ER可用SPB内的相同方法来测量。传输功率沿光纤输出端上的两个偏振 测量，而在输入端偏振器依次与每一个双折射轴对齐。消光率ER使用以下方程式 确定：

其中
p2是第二偏振中的功率，以及
p1是第一偏振中的功率。
节拍长度LB还通过确定源光谱中的调制周期Δλ和光纤长度L，使用波长扫描 技术来测量。两种偏振器在光纤前后插入。节拍长度LB(毫米)根据以下方程式 计算：
LB＝{ΔλL}/λ
其中λ是源的中心波长(纳米)。在该测量中，采用宽带ASE源且调制周期通过执 行傅立叶变换获得。ASE源的波长是940-1020纳米，而中心波长为980纳米。所 测量的节拍长度为4.21纳米。
类似地，确定第一偏振的截止波长λ1、第二偏振的截止波长λ2、以及单偏振 带宽(两种偏振模式的截止波长之间的差值)。对每次测量，使用具有300-2000纳 米的扁平光谱的非偏振白光源。偏振器然后插入光线发射端，并设置到根据消光率 的测量而确定的两个偏振轴，以执行对每个偏振的截止测试。
通过测量光纤第一长度(约3米)上的功率p1、然后将光纤切成更短的长度 (约1米)并测量功率p2，可测量单偏振光纤的衰减。然后将衰减计算为：
Attn＝[10log p1-10log p2]/L
其中L为所去除的长度。衰减在978纳米处测量。
参看图9，示出根据在此所述的单偏振光纤实施例的单偏振光纤30的一个系 统40。该系统40包括具有根据包括于此或所附的本发明的光纤30的光学装置42， 诸如激光器、陀螺仪、传感器、调制器、分光器、偏振多路传输器等。光纤30和 光学组件42可包括在另一外壳44内，并包括其中的子部件。
参看图10，示出系统140，其中根据本发明的光纤30在光学组件42a、42b 之间连接，且其中光纤和光学组件可光学地包含在外壳44内。
参看图11，示出系统240，其中根据本发明的光纤30与光学组件42连接， 且其中光纤可与另一类如图2例示的光纤光耦合。可以理解，SP光纤30和另一类 光纤20的接合可按图9-11的任何组合以任何次序进行，如图13所示。
参看图12，非偏振泵浦72在980纳米处光学泵浦掺镱增益光纤20的10米光 纤部分，该光纤20熔接到无源单偏振(SP)光纤30以提供线性单偏振的掺镱光 纤激光器。对于双包层实现，泵浦72泵浦包括双折射掺镱光纤20的激光腔体46， 该光纤20具有椭圆形芯线，与无源(未掺杂质)单偏振光纤30’熔接。从掺杂光 纤部分20和未掺杂质的SP光纤部分30’形成的线性双折射和线性二向色性光纤的 光学泵浦产生的线性偏振掺镱光纤激光器在本示例性实现中展现大于30dB的偏振 消光率。
因而，线性偏振的掺镱光纤激光器可由掺杂光纤部分20和未掺杂质的SP光 纤部分30’在图1前向泵浦方向形成的线性双折射和线性二向色性光纤的光学泵浦 产生。然而，为了示出反向发射也是可能的，可在12中添加附加元件。500米偏 振保持PM光纤部分20’是可从Corning Incorporated购买的不掺镱PANDA光纤。 单偏振操作通过在激光腔体46之前引入偏振分光器132和λ/2波盘134来引入。 包括椭圆形芯线增益光纤20和单偏振光纤30的腔体46用来自非偏振泵浦源或泵 浦激光器72的非偏振光泵浦。测量到超过1000∶1的消光率。
10米增益光纤20掺以6000ppm重量的镱。双折射源自尺寸为7.9μm×3.5μm 的椭圆形芯线。该双折射对应于1μm处的7毫米组偏振节拍长度。泵浦激光器72 为在约974.5纳米处工作的高功率(500mW)单带激光二极管(可从Corning- Lasertron购买)。通过与500米长偏振保持光纤(Corning PM980)20’的偏振轴成 45度发射，泵浦光线可通过分光器132和波片134去偏振。结果泵浦的偏振度小 于1％。
未掺杂质的单偏振光纤30’占有用于基本横向模式的偏振相关传播截止波长。 通过该相差的截止，有仅用于传播单偏振的波长范围(类似于图6带宽48)。
激光器腔体46通过将掺镱椭圆形芯线光纤20的10米长部分熔接到未掺杂质 的单偏振光纤30’来构建。这两个光纤的偏振特征轴在偏振保持光纤的接合器17 (Fujikura 40-PM)中对齐。通过旋转接合处的椭圆形芯线光纤20和单偏振光纤 30，以及输出处的分析偏振器126，检测传输空值。椭圆形芯线光纤20与未掺杂 质的单偏振光纤30’之间的接合损耗经估计为小于1dB。
为了确保光纤激光器的工作波长在单偏振光纤30’的单偏振带宽48内，一整 体式1080纳米带通滤波器60’装在腔体46中。Fabry-Perot光纤腔体46的一端装 有涂金高反射镜60(R＞99.9\％)，另一端装有光纤空气接口62的3.5％Fresnel反 射。透镜138是透明的，并用来使光线耦合进出所形成的线性双折射和线性二向色 性光纤20和30’。仅有的反射归因于一端的金反射镜和泵浦输入端的光纤：空气接 口62。
通过将显微镜盖片136倾斜地置于泵浦/信号路径中，在光纤激光器的泵浦终 端取得光纤输出66。对偏离布儒斯特(Brewster)角较大的片136要仔细定位，以 避免伪偏振效果。
激光器在约150mW的启动功率时产生输出功率50mW。腔体未最优化以获取 最高输出功率。削减单偏振光纤以确定产生高度线性偏振输出所需的最短长度。
参看图13，示出作为单偏振光纤30的长度的函数的偏振消光率。例如，30dB 的消光率使用5米长的单偏振光纤30实现。结果光纤激光器的每个正交偏振轴的 输出光谱如图14所示。
参看图15，单偏振光纤30展现出偏振相关截止波长。作为光纤长度函数的每 种偏振特征模式的截止波长如图16所示。对于给定长度，该光纤的偏振波长频带 由图16或15中两条曲线(截止1和截止2)之间的差值描述。例如，对于两米长 的光纤，只有单偏振会在与图6相似的单偏振带宽48的波长范围1070-1117纳米 内在该光纤30中传播。因此，从图14中可以看出，约1070-1071纳米的激光器的 增益带宽与约1070纳米的带通滤波器选定波长上单偏振波长范围1070-1117纳米 的边缘交迭。
为了研究单偏振光纤30’作为长度的函数的效果，激光器被选为在1070纳米 -单偏振通频带48的短波长边缘上操作。该1070纳米波长通过旋转1080纳米带 通滤波器相对于腔内传播光束的入射角度来获得。从图15，偏振相关损耗的长度 相关性在此比单偏振窗口48的中央大。大于20dB的消光率用长度如图13所示1 米那么短的单偏振光纤30’实现。
因此，线性偏振光纤激光器可通过使用添加到掺杂椭圆形芯线光纤部分20的 未掺杂质单偏振光纤30’来实现。测量到超过1000∶1的线性偏振度。该光纤激光器 还可通过使用提供更精细波长选择性反馈的光纤光栅来最优化，以对齐增益带宽， 与不同位置上的单偏振波长范围交迭。
对本领域技术人员显而易见的是，可对本发明作改变和更改而不背离本发明 的范围。因而，本发明旨在包括本发明的更改和改变，只要它们落在所附权利要求 及其等效方案的范围内。
相关申请
本发明的一些部分根据协议No.MDA972-02-3-004的DARPA奖在政府支持下 做出。政府对本发明权利要求的一部分具有一定权利。
本专利申请涉及2003年6月19日提交的律师案号为SP03-088P的并受让给 同一受让人的专利申请60/479,892。