CN101320109A

CN101320109A - 一种稀土离子环形掺杂双包层光纤

Info

Publication number: CN101320109A
Application number: CNA2008100480164A
Authority: CN
Inventors: 戴能利; 陆陪祥; 吕汉夫; 郭昌华; 徐兵
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2008-12-10

Abstract

本发明提供了一种稀土离子环形掺杂双包层光纤，包括无掺杂纤芯、内包层和外包层，以及位于纤芯和内包层间的环形掺杂区，环形掺杂区为围绕纤芯的圆环形掺杂稀土离子区域，其折射率低于纤芯，且高于内包层。环形掺杂区一方面增大稀土离子掺杂区域，增大泵浦光耦合到稀土掺杂区域的几率，提高光纤对泵浦光的吸收效率，减小光纤的使用长度；另一方面，这种结构可使环形区域产生的激光耦合到无掺杂稀土离子的纤芯，减小由于Yb³⁺和共掺Al³⁺带来的激光传输损耗，同时其光束质量可以通过无掺杂纤芯数值孔径和结构控制。

Description

一种稀土离子环形掺杂双包层光纤

技术领域

本发明属于特种光纤技术领域，涉及一种具有稀土离子环形掺杂结构的双包层光纤。

背景技术

光纤激光器最初使用的是稀土掺杂的单模光纤作为增益介质，但由于光纤纤芯非常细，只有几个微米，与泵浦源的耦合效率低，输出激光的效率和功率非常低，以致限制了其使用范围。为解决光纤激光器输出功率和效率的限制，美国研究者提出了双包层光纤的结构，与普通光纤相比，双包层光纤包括外包层、内包层和掺杂稀土离子的纤芯。其外包层折射率低于内包层的折射率，内包层的折射率低于纤芯折射率。内包层作为泵浦光的波导，其横向尺寸和数值孔径远大于纤芯的横向尺寸和数值孔径。因此双包层光纤可以将多模的高功率半导体激光器(LD)发出的激光比较容易的耦合进光纤中。掺杂稀土离子纤芯是产生激光的波导介质，产生激光的光束质量受纤芯数值孔径和尺寸控制。

从传统双包层吸收理论分析，泵浦光耦合到光纤端面后，其传输路径可分为三部分：一部分直接耦合到掺杂纤芯，因此掺杂纤芯面积越大，越容易吸收直接耦合的泵浦光；第二部分是通过内包层的不断反射进入到掺杂纤芯区域，掺杂纤芯面积和内包层面积比越大，不断反射进入纤芯的泵浦光的几率越高；第三部分是永远不能进入纤芯的螺旋光。在稀土离子掺杂浓度达到一定极限后，增大光纤对泵浦光吸收效率主要有两种方式：改变内包层几何结构和增大掺杂纤芯面积。由此出现了光子晶体光纤，但光子晶体光纤具有复杂的空气孔结构，其制作工艺过程复杂，不易控制结构均匀性和一致性；采用增大掺杂纤芯尺寸虽然可以提高吸收系数，但由于纤芯尺寸增大后对纤芯数值孔径(NA)控制要求越来越高，从以前的NA＝0.1-0.15必须降到0.05左右，否则会恶化激光输出光束质量，而这在光纤制备工艺中很难实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环形掺杂双包层光纤，提高光纤对泵浦光的吸收效率和光束质量。

一种稀土离子环形掺杂双包层光纤，包括外包层、内包层、环形掺杂区、纤芯。其中纤芯为无稀土离子掺杂高折射率材料；环形掺杂区为围绕纤芯的圆环形掺杂稀土离子区域，如图1b环形掺杂区2折射率低于纤芯1，高于内包层3。

内包层可根据需要设计成D形，矩形，梅花形，圆形，星形等。

本发明采用不同于普通双包层光纤纤芯掺杂的环形掺杂方式，一方面增大稀土离子掺杂区域，增大泵浦光耦合到稀土掺杂区域的几率，提高光纤对泵浦光的吸收效率，从而减小光纤的使用长度，另一方面，这种结构可使环形区域产生的激光耦合到无掺杂稀土离子的纤芯，减小由于Yb³⁺和共掺Al³⁺带来的激光传输损耗。

附图说明

图1是本发明D型内包层环形掺杂光纤的原理示意图，图1a是本发明D型内包层环形掺杂光纤的结构图；图1b是本发明D型内包层环形掺杂光纤的折射率分布图；

图2是本发明D型内包层环形掺杂光纤对泵浦光的吸收及信号光在纤芯中传输的示意图；

图3是本发明矩形内包层环形掺杂光纤的结构图；

图4是本发明圆形内包层环形掺杂光纤的结构图。

具体实施方式

本发明的技术思路是：改变稀土离子掺杂区域结构，从以前的纤芯掺杂改变为围绕无掺杂纤芯进行圆环形掺杂，内包层作为泵浦光波导，泵浦光在内包层不断反射经过环形掺杂区被吸收，产生激光。纤芯的折射率高于环形掺杂区域，使环形掺杂区域产生的激光通过较高射率的纤芯传输。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1a所示，双包层光纤包括：纤芯1、环形掺杂区2、内包层3。本实施例中纤芯1基质选择石英，同时掺杂锗离子实现高折射率，纤芯1的半径为3.5um，纤芯1的半径要保证信号光在纤芯1中可以单模传输。图1b是本发明D型内包层环形掺杂光纤的折射率分布图，环形掺杂区2的材料为石英掺杂Yb稀土离子，折射率低于纤芯1，使得纤芯1的数值孔径为0.15。环形掺杂区2的形状为围绕纤芯的圆环形，内径7um，外径200um。内包层3材料选择高纯度石英管，折射率低于环形掺杂区2，形状为D形以减少螺旋光的产生。圆弧半径400um，直边长800um，纤芯中心距直边200um。

实施例2：

图3所示为本发明第二个实施例，本实施例中纤芯1基质选择石英，同时掺杂锗离子实现高折射率，纤芯1的半径为3.5um。环形掺杂区2的材料为石英掺杂Nd稀土离子，折射率低于纤芯1，使得纤芯1的数值孔径为0.1。环形掺杂区2的形状为围绕纤芯的圆环形，内径7um，外径160um。内包层3材料选择高纯度石英管，折射率低于环形掺杂区2，形状为矩形，边长200um×300um。

实施例3：

图4所示为本发明第三实施例，本实施例中纤芯1基质选择石英，同时掺杂锗离子实现高折射率，纤芯1的半径为5um。环形掺杂区2的材料为石英掺杂Yb稀土离子，折射率低于纤芯1，使得纤芯1的数值孔径为0.15。环形掺杂区2的形状为围绕纤芯的圆环形，内径10um，外径240um。内包层3材料选择高纯度石英管，折射率低于环形掺杂区2，形状为圆形，半径350um。

如图2所示，本发明正常工作时：泵浦光进入内包层3中，不断被环形掺杂区2的稀土离子吸收，未被吸收的和未经过环形掺杂区域的泵浦光继续在内包层3中传输，到达边界上被再次反射回来，再次经过环形掺杂区2被吸收，重复此过程，在一定的光纤长度内，所有的泵浦光进入环形掺杂区2被吸收，被环形掺杂区2中稀土离子吸收泵浦光后产生信号光。信号光从环形掺杂区2进入高折射率纤芯1，被限制在纤芯中传输。

本发明所有实施例中，外包层材料皆选取低折射率的聚合物材料，厚度为150um。纤芯半径、环形掺杂区外径、环形掺杂区掺杂离子、内包层尺寸、形状还可根据不同的设计要求来选择，本发明中的材料还可选择除上述材料之外的其他材料。

Claims

1、一种稀土离子环形掺杂双包层光纤，包括纤芯、内包层和外包层，其特征在于，还包括位于纤芯和内包层间的环形掺杂区，环形掺杂区为掺杂有稀土离子的圆环形区域，其折射率低于纤芯，且高于内包层。

2、根据权利要求1所述的稀土离子环形掺杂双包层光纤，其特征在于，内包层为D型或矩形或梅花形或圆形或多边形。