CN100373191C - 有源大芯径单模双包层光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

一种有源大芯径单模双包层光子晶体光纤，包括信号芯、内包层、外包层、外套层和保护层，其特征在于所述的信号芯是掺有激活离子的纤芯部分，所述的内包层由有孔区域和无孔区域组成，有孔区域中的小孔成周期性排列，无孔区域与纤芯区域相邻；空气孔所占的比值超过60%的外包层，将内包层和外套层连接起来；纤芯的折射率n_c大于内包层的有效折射率n_c1，e，内包层的有效折射率大于外包层的有效折射率n_c2，e。有效折射率n_e的计算近似可取为：见右下式，其中f₁是空气孔在包层中所占面积的比例，f₂是玻璃料在包层中所占面积的比例，n₁指的是空气的折射率，n₂指的是玻璃料的折射率。

Description

有源大芯径单模双包层光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及有源光子晶体光纤，特别是一种有源大芯径单模双包层光子晶体光纤。

背景技术

稀土掺杂有源光纤广泛用于光放大和激光领域。对于高功率光纤激光器而言，制约激光的输出功率和质量的因素主要在于激光器激活介质的增益系数，泵浦光源的功率和质量，以及泵浦光的吸收效率。光纤激光器的基质玻璃主要集中在石英基稀土离子掺杂玻璃上，激活离子在其中的增益系数比较采用氟化物玻璃基质，磷酸盐玻璃基质，硅酸盐玻璃基质的光纤激光器而言要低，但是石英基玻璃介质的光纤激光器由于破坏阈值比较高，光纤的损耗比较低，至今仍然是高功率光纤激光器的主导。要提高石英基玻璃基质的增益系数可以采用重掺杂的方法，但是，重掺杂会带来严重的团簇效应，同时造成纤芯和包层折射率差值变大，从而极大地影响光纤的激光输出。在普通的光纤激光器中，工作物质为单包层光纤，光纤的数值孔径很小，光纤的芯径小于十个微米，大功率的泵浦光很难有效耦合入纤芯，制约了光纤激光器的输出功率。这一问题随着双包层光纤的出现得到了极大的解决。双包层光纤由信号芯，泵浦芯，外包层，以及保护层构成，信号芯传输单模激光，泵浦芯将激光约束在单模纤芯内，同时起着传输泵浦光的作用，泵浦芯的数字孔径可以设计的比信号芯的数值孔径高出一个数量级，并且其直径可以达到几百微米，这样，高功率的多模泵浦光可以被有效耦合入光纤，泵浦芯之中的泵浦光在整个光纤长度上不断来回反射，穿越纤芯，不断的被纤芯吸收，从而极大的提高了泵浦光的吸收功率，随着作为泵浦源的二极管激光器的输出功率的提高，光学质量的改善，以及采用层叠式泵浦方式等技术手段，双包层单模光纤激光器的输出功率可达数百瓦。

不管是传统的光纤还是双包层的光纤可以支持单模运转的波长范围由于受到单模截止条件的限制，通常都比较窄。可以通过降低纤芯的直径或者减小纤芯与包层之间的折射率差使单模截止波长向短波长方向推进，但是，降低纤芯的直径会使光纤可以承载的光功率大幅度降低，同时，容易在光纤中产生非线性效应，而折射率差值减小则会使光纤在弯曲时容易损失光，并且用于调整折射率差的掺杂剂的均匀性也难以控制。

克服利用传统以及双包层光纤不能在较宽范围内保持光信号单模的难题近年来随着有效折射率型光子晶体光纤的发明看到了解决的希望(Knight J C，Birks T A，Russell P St J，and Atkin D M 1996 Opt.Lett.211547，专利公开号CN1269020A)。光子晶体光纤是一种二维光子晶体，其通常的结构为光纤的横截面内空气孔在光波长尺度上周期性地分布于玻璃基质材料中。通过在周期性结构中引入线缺陷，比如改变孔径的大小或以玻璃代替空气孔，形成光子晶体光纤结构。缺陷构成光子晶体光纤的纤芯，缺陷外的周期结构构成包层，光在缺陷内传播。根据导光机制的差异光子晶体光纤可大致分为两种，即有效折射率型和带隙波导型。在有效折射率型光子晶体光纤中，纤芯为实芯，微小空气孔降低了包层的有效折射率，因而，光能够被全反射机制限制在折射率相对较高的纤芯中传播。这种光子晶体光纤具有传统光纤所不具有的许多性质，比如，无休止单模传输，大模面积，反常色散等。所谓无休止单模传输指的是，当由同种材料制成的光子晶体光纤纤芯周围的空气孔的孔径与孔间距的比值低于某个数值时(在石英光子晶体光纤中是0.15)，该光纤在所有光波长范围内支持单模传输，而纤芯的直径大小并不决定单模传输条件。无休止单模传输和大模面积这些性质使有源掺杂光子晶体光纤可以很方便地被应用到高功率单模光纤激光器和光纤放大器中。为了进一步提高泵浦光的吸收功率，甚至可以将双包层光纤的概念引入到光子晶体光纤中去，所制得的光纤称为双包层光子晶体光纤或空气包层光子晶体光纤(air-clad PCFs)。双包层光子晶体光纤由信号芯、泵浦芯、外包层、外套层和保护层构成，信号芯是实心的激活离子掺杂玻璃介质，其直径可以达到数十微米。泵浦芯是具有周期性孔列分布的玻璃介质，孔眼的大小和分布决定信号光在纤芯内的单模特性。外包层由空气孔和玻璃介质组成，空气孔所占的比值超过50％，玻璃介质起着桥梁的作用，将泵浦芯和外套层连接起来。外套层是玻璃介质，起着增大光纤强度的作用，保护层一般由丙烯酸树脂组成，对光纤起到保护的作用。信号芯的数字孔径很小，因此收集泵浦光的本领比较弱，而泵浦芯由于外围是空气孔占主要的外包层，其数字孔径可以高出信号芯数字孔径一个数量级，收集光的本领比较强，泵浦光在泵浦芯内传播，经过信号芯时，被信号芯内的活性离子吸收，此外，由于泵浦芯的直径可以达到数百个微米，可以用高功率的多模激光作为泵浦源。由于外包层的有效折射率远远低于泵浦芯的折射率，该光纤的光学性质几乎不受外套层的影响。

已有的双包层光子晶体光纤的设计中，只关注泵浦芯之外的外包层的设计，以达到降低外包层的有效折射率，使泵浦芯的数值孔径变大的目的。对于泵浦芯，已有的设计只关注该芯中的空气孔列的排列，以达到控制信号芯中单模运转波长范围的目的。而实际上，由于泵浦芯中分布着周期性排列的空气孔，在泵浦芯中的泵浦光有很大一部分被其中的空气孔散射掉了，从而无法到达信号芯对其中的激活离子进行泵浦，这一因素实际上制约了光纤的输出功率的提高，此外，由于泵浦芯中分布的空气是热的不良导体，当光纤工作在高功率状态时，纤芯中集聚的热量必然无法散发出去，从而导致光纤输出信号的热畸变，以及光纤的热破坏。

因此，需要一种既能够提高双包层光子晶体光纤的泵浦效率又能够起到一定的散热作用的双包层光子晶体光纤。

发明内容

本发明的目的是要提供一种有源大芯径单模双包层光子晶体光纤，它既可提高双包层光子晶体光纤的泵浦效率，又可提高该种光纤的散热能力。

本发明的原理是通过在具有周期性孔列分布的泵浦芯中引入数个无孔区域，这些无孔区域与纤芯区域紧密相连。在泵浦芯的无孔区域中的泵浦光很容易进入信号芯，可以提高该光纤的泵浦效率，此外，这些区域由于缺少空气孔的分布，还可起到一定的散热作用。

本发明的技术解决方案如下：

一种有源大芯径单模双包层光子晶体光纤，包括信号芯、内包层、外包层、外套层和保护层，其特征在于所述的信号芯是掺有激活离子的纤芯部分，所述的内包层由有孔区域和无孔区域组成，有孔区域中的空气孔成周期性排列，无孔区域与纤芯区域相邻；空气孔所占的比值超过60％的外包层，将内包层和外套层连接起来；纤芯的折射率n_c大于内包层的有效折射率n_C1，e，内包层的有效折射率大于外包层的有效折射率n_c2，e。有效折射率n_c的计算近似可取为：

$n_e=\sqrt{f_1{n_1}^2+f_2{n_2}^2}$

其中f₁是空气孔在包层中所占面积的比例，f₂是玻璃料在包层中所占面积的比例，n₁指的是空气的折射率，n₂指的是玻璃料的折射率。

所述的纤芯位于光纤的几何中心，光纤的基质材料是石英玻璃，硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃，或碲酸盐玻璃。

所述的纤芯中至少掺杂有稀土离子镱离子、铒离子、钕离子、铥离子、镝离子或镨离子中的一种，同时还掺有铝、磷、氟化物的至少一种。

所述的内包层的无孔区域的面积与有孔区域的面积之比小于0.2。

所述的内包层有孔区域的空气孔的孔径与孔间距的比值小于0.30。

所述的内包层无孔区域玻璃料的折射率大于有孔区域的有效折射率。

所述内包层无孔区域玻璃料的折射率不大于纤芯的折射率。

所述的内包层的无孔区域与有孔区域之间可有大的空气孔。

本发明的技术效果在于：本发明的提供了一种新结构的有源大芯径单模双包层光子晶体光纤，其泵浦光吸收效率提高，最高可达到95％。同时，该种光纤的散热能力也有所加强。

附图说明

图1为本发明第一实施例双包层光子晶体光纤的横截面图。

图2为本发明第二实施例双包层光子晶体光纤的横截面图。

图3为本发明第三实施例双包层光子晶体光纤的横截面图。

图4为本发明第四实施例双包层光子晶体光纤的横截面图。

具体实施方式

为了更加清楚的说明本发明，下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明第一实施例的横截面图。其中外套层1由石英玻璃组成。外包层2中分布着直径为8μm的空气孔，内包层3中分布着成三角形排列的空气孔4，直径为2μm，孔间距为10μm，内包层3中还有三个对称的无孔区域5，以及直径为7μm的空气孔6，内外包层中的玻璃料均为石英玻璃料。纤芯7为掺有2000ppm镱离子的石英玻璃，同时还掺有铝离子，纤芯的直径为14μm。

图2为本发明第二实施例的横截面图。其中外套层8由石英玻璃组成。外包层9中分布着直径为10μm的空气孔，内包层10中分布着成三角形排列的空气孔11，直径为3μm，孔间距为11μm，内包层10中还有六个对称的无孔区域13，内外包层中的玻璃料均为石英玻璃料。纤芯12为掺有4000ppm镱离子的石英玻璃，同时还掺有铝离子纤芯的直径为32μm。

图3为本发明第三实施例的横截面图。其中外套层14由磷酸盐玻璃组成。外包层15中分布着直径为8μm的空气孔，内包层16中分布着成三角形排列的空气孔17，直径为2μm，孔间距为10μm，内包层中还有两个对称的无孔区域18，内外包层中的玻璃料均为磷酸盐玻璃料。纤芯19为掺有1wt％氧化铒和2wt％氧化镱的磷酸盐玻璃，纤芯的直径为36μm。

图4为本发明第四实施例的横截面图。其中外套层20由schott F2硅酸盐玻璃组成。外包层21中分布着直径为6μm的空气孔，内包层22中分布着成正方形排列的空气孔23，直径为2μm，最小孔间距为10μm，内包层22中还有四个对称的无孔区域24，内外包层中的玻璃料均为未掺杂的schott F7硅酸盐玻璃料。纤芯25为掺有3.6wt％氧化钕的schottF7硅酸盐玻璃，纤芯的直径为28μm。

Claims (8)

1.一种有源大芯径单模双包层光子晶体光纤，光纤的基质材料是玻璃料，自内至外为纤芯、内包层、外包层、外套层和保护层，其特征在于所述的纤芯是掺有激活离子的部分，所述的内包层由有孔区域和无孔区域组成，有孔区域中空气孔成周期性排列，无孔区域与纤芯区域相邻；外包层的空气孔所占的比值大于60％，将内包层和外套层连接起来；纤芯的折射率n_c大于内包层的有效折射率n_c1，e，内包层的有效折射率大于外包层的有效折射率n_c2，e，有效折射率n_e的计算取为：

$n_e=\sqrt{f_1{n_1}^2+f_2{n_2}^2}$

其中f₁是空气孔在包层中所占面积的比例，f₂是玻璃料在包层中所占面积的比例，n指的是空气的折射率，n₂指的是玻璃料的折射率。

2.根据权利要求1所述的有源大芯径单模双包层光子晶体光纤，其特征在于所述的纤芯位于光纤的几何中心，光纤的基质材料是石英玻璃，硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃，或碲酸盐玻璃。

3.根据权利要求1所述的有源大芯径单模双包层光子晶体光纤，其特征在于所述的纤芯中至少掺杂有稀土离子镱离子、铒离子、钕离子、铥离子、镝离子或镨离子中的一种，同时还掺有铝、磷、氟化物的至少一种。

4.根据权利要求1所述的有源大芯径单模双包层光子晶体光纤，其特征在于所述的内包层的无孔区域的面积与有孔区域的面积之比小于0.2。

5.根据权利要求1所述的有源大芯径单模双包层光子晶体光纤，其特征在于所述的内包层的有孔区域的空气孔的孔径与孔间距的比值小于0.30。

6.根据权利要求1所述的有源大芯径单模双包层光子晶体光纤，其特征在于所述的内包层无孔区域玻璃料的折射率大于有孔区域的有效折射率。

7.根据权利要求1所述的有源大芯径单模双包层光子晶体光纤，其特征在于所述内包层无孔区域玻璃料的折射率不大于纤芯的折射率。

8.根据权利要求1所述的有源大芯径单模双包层光子晶体光纤，其特征在于所述的内包层的无孔区域与有孔区域之间有孔径为7μm的空气孔。

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