Investigations of modal instabilities in fiber amplifiers through detailed numerical simulations

Abstract

We present detailed numerical simulations of modal instabilities in high-power Yb-doped fiber amplifiers using a time-dependent temperature solver coupled to the optical fields and population inversion equations. The temperature is computed by solving the heat equation in polar coordinates using a 2D second-order alternating direction implicit method. We show that the higher-order modal content rises dramatically in the vicinity of the threshold and we recover the three power-dependent regions that are characteristic of the transfer of energy. We also investigate the dependence of the threshold on the seed power and the modal content ratio of the seed. The latter has a minimal effect on the threshold while it is shown that for the fiber configuration investigated, the modal instability threshold scales linearly over a wide range with the seed power. In addition, two different gain-tailored core designs are investigated and are shown to have higher thresholds than that of a uniformly doped core. Finally, we show that this full time-dependent model which does not assume a frequency offset between the modes a priori, predicts a reduced threshold when the seed is modulated at the KHz level. This is in agreement with the steady-periodic approach to this phenomenon.

Theoretical treatment of modal instability in high-power cladding-pumped Raman amplifiers

“…One important suppression technique for MI phenomena in Yb-doped fiber amplifiers [9] was achieved by seeding at a higher power while keeping the ratio between the fundamental mode and higher order mode constant. From inequality(18), the minimum injected pump power needed to reach the MI threshold remains constant as long as the seed ratio between the two signal modes is unaltered.…”

Current Status and Prospects of High-Power Fiber Laser Technology (Invited Paper)

“…특히 비선형 현상은 본질적으로 광섬유의 출력이 증가함에 따라 더욱 심 각한 결과를 초래하게 된다는 점에서 현재까지도 이를 억제 하기 위한 다양한 방안들이 모색되고 있는 실정이다. 최근에 는 비선형 현상과 더불어 모드 불안정 현상 또한 광섬유 레 이저의 출력을 제한하는 요소가 될 수 있다고 보고되고 있는 데 [11,[40][41][42][43][44][45][46][47][48] , 이는 광신호의 평균 출력에 따라 출력 빔 모드 특 성이 심각하게 왜곡되는 현상으로, 특히 광섬유의 코어가 크 고 그 유효 개구수(Numerical Apeture)가 낮으며 상대적으로 펌프광 흡수율이 높은 막대형 이득 광섬유(Rod-Type Gain Fiber)에서 더욱 현저히 발생한다 [41][42][43][44][45][46][47] . [49][50][51][52][53][54][55][56][57] .…”

“…모드 불안정 현상은 2011년 처음으로 보고된, 새로운 유형 의 광섬유 레이저 출력 제한 현상으로서, 신호광의 평균 출 력이 특정 임계값 이상으로 높아지면 레이저 빔의 공간 모드 안정성이 극도로 감소하는 현상을 말한다 [11,[40][41][42][43][44][45][46][47][48] . 결과적으로 출력 빔의 모양이 일그러지고 불규칙적으로 변해, 빔 품질이 크게 저하된다.…”

“…결과적으로 출력 빔의 모양이 일그러지고 불규칙적으로 변해, 빔 품질이 크게 저하된다. 특히 광섬유의 코어가 크고 그 유효 개구수 가 낮으며 상대적으로 펌프광 흡수율이 높은 막대형 이득 광 섬유(Rod-Type Gain Fiber)에서 주로 발생하는 것으로 알려 져 있다 [41][42][43][44][45][46][47] . 최근 활발한 연구를 통해 이러한 모드 불안정 현상을 설명하고자 하는 여러 배경 이론들이 논의되고 있는 데, 기본 모드와 고차 모드간의 간섭 패턴이 열에 의한 격자 구조를 생성하고, 이를 통해 기본 모드와 고차 모드간의 에 너지 전환이 야기되는 것을 그 기저 현상으로 보는 입장도 그 중의 하나이다 [40,41] .…”

“…최근 활발한 연구를 통해 이러한 모드 불안정 현상을 설명하고자 하는 여러 배경 이론들이 논의되고 있는 데, 기본 모드와 고차 모드간의 간섭 패턴이 열에 의한 격자 구조를 생성하고, 이를 통해 기본 모드와 고차 모드간의 에 너지 전환이 야기되는 것을 그 기저 현상으로 보는 입장도 그 중의 하나이다 [40,41] . 또한, 모드 불안정 현상을 억제하기 위한 다양한 방법들도 최근 활발히 논의되고 있는데, 펌프광 의 파장을 신호광에 근접하게 해 양자 결함을 줄이는 방법, 혼입되는 희토류 물질을 코어 중심에 밀집되도록 분포시키는 방법 등이 제시되었고, 이를 통해 모드 불안정 출력 임계값을 수 배 증가시킬 수 있음이 보고 된 바 있다 [45][46][47][48] . 향후 모드 불안정 현상에 대한 보다 심도 있는 이론적 논의와 더불어 더욱 효율적인 해결 방안이 제시될 것으로 기대하는 바이다.…”