CN101620295A - 一种大模场多芯光纤 - Google Patents

Abstract

一种多芯光纤，包括多根纤芯和包层区，其特征在于多根纤芯是亚波长直径的，而且是空芯的，而且按一定规律排列于内包层之中，外包层由低折射率材料形成。该多芯光纤的多根纤芯强耦合，可实现高功率的单模激光输出，而且能对光束进行整形，可以应用在激光整形及高功率光纤放大器、激光器等领域。

Description

一种大模场多芯光纤

技术领域

本发明涉及一种光波导，尤其是一种可以实现大模场的多芯光纤。

背景技术

高功率光纤激光器以其卓越的性能和超值的价格，在激光加工、激光医疗、激光雷达、激光测距等多方面得了日益广泛的应用。在同样的输出功率下，光纤激光器的光束质量、可靠性和体积大小等都占有优势，此外由于光纤成本的降低和易于实现流水化及大批量生产等特点，这些引起科学家和产业界专家们的极大关注。

光纤激光器最初在上世纪60年代提出，但一直进展缓慢，直至低损耗光纤制造技术和半导体激光器的发展与应用，才为光纤激光器带来了新的前景。光纤激光器以掺杂光纤作为激光介质，与块状激光介质相比，具有以下显著的优点：介质细长易于散热；光纤的波导结构易于达到单横模；利用双包层技术易于达到高效率和高功率。近年来，对以双包层光纤为基础的包层泵浦技术的研发，使光纤激光器的输出功率已经突破kW，在工业及通信等领域具有广阔的应用前景。

光纤纤芯的大小与输出功率有很大关系。纤芯越大可传输的功率就越大，而纤芯越小传输的功率过大会产生非线性效应，影响光纤输出功率，甚至会对光纤造成损伤。因此在双包层光纤中在保证输出光束质量的前提下尽量增大光纤的纤芯，但在一般的双包层掺稀土光纤中，纤芯的增大会影响光束质量，造成光纤激光器和放大器的多模输出，因此纤芯的增大程度是有限的。

微结构光纤(Microstructured fiber，MF)，是由晶格常数为光波长量级的二维光子晶体构成的，即规则排列着空气孔的二氧化硅光纤阵列构成光纤的包层，光纤的核心是由一个破坏了包层结构周期性的缺陷构成。这个缺陷可以是固体二氧化硅，也可以是空气孔。微结构光纤与传统光纤相比有许多特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域。但是纤芯的增大会引起相应的弯曲损耗，这使得微结构光纤在实际应用中受到很大限制。

最近，由浙江大学童利民等人采用两步拉制法得到的光纤直径可低至50nm，并且保持较低的光纤损耗【Nature 426 816-819，2003】。上海交通大学陈险峰等人总结了前人经验提出了条形电加热炉拉锥方法，采用这种新的拉锥方法已经成功的拉制出直径可低至650nm，长度可达十几个厘米量级，光损耗在0.1dB/cm左右的亚波长直径光纤【Opt.Express 14(12)5055-5060.2006】。这种光纤具有很强的倏逝场，在很多领域有广泛应用。另外，美国加利福尼亚大学的Yushan Yan和他领导的科研小组据利用天然的蜘蛛丝作工具，得到了中空的玻璃质纤维，其内径仅仅2nm【New Scientist，3 2002】。

发明内容

本发明的目的在于克服普通大模场光纤的不足，设计具有大模场的多芯光纤。该多芯光纤能够使得多根纤芯有效耦合，实现大模场，而且能对导入的激光进行空间整形，可以应用在激光整形、均匀化及高功率光纤激光组束等领域。

本发明的技术解决方案如下：

一种大模场多芯光纤，包括多根纤芯和包层区，其特征在于所述的内包层区中按一定规律排列有多根亚波长直径的纤芯；亚波长直径纤芯包括介电区和中空部分；内包层区折射率小于亚波长直径纤芯中介电区的折射率，但是大于外包层区折射率；内包层区、外包层区均由折射率均匀分布的固体材料形成。为保证多纤芯有效的相位锁定，亚波长直径纤芯外径和内径均在百纳米量级，内径小于外径尺寸，相邻亚波长直径纤芯距离在波长量级。

所述的大模场多芯光纤内包层区中的多根亚波长直径纤芯可以排列成任何形状，如三角形、正方形，六边形、环形等。

所述的大模场多芯光纤可以通过掺杂的亚波长直径纤芯的介电区中引入有源材料，也可以通过在光纤内包层中掺杂来引入有源材料。

所述的大模场多芯光纤外包层区所用材料的折射率低于亚波长直径纤芯介电区和内包层区材料的折射率。

下面结合附图和实施例对本发明的特点和性能做进一步详细说明，并构成本说明书的一部分。

附图说明：

图1为本发明第一实施例的光纤截面示意图。

图2为本发明第三实施例的光纤截面示意图。

图3为本发明第四实施例的光纤截面示意图。

图4为本发明第五实施例的光纤截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：

图1为发明的第一个实施例，这是内包层区(3)中的亚波长直径纤芯(2)呈三角形排列，在内包层区(3)上覆盖外包层区(4)的大模场多芯光纤。亚波长直径纤芯(2)外径为200nm，内径为50nm，相邻亚波长直径纤芯(2)距离为5μm，内包层区(3)形状为矩形，大小为60μm×40μm，外包层区(4)直径为125μm。亚波长直径纤芯(2)中的介电区(5)折射率为1.458，内包层区(3)的折射率为1.45，外包层区(4)折射率为1.44。在亚波长直径纤芯(2)的介电区(5)中掺杂2wt％氧化镱的石英玻璃，同时可以掺杂铝离子以改善性能。

实施例2：

实施例二与实施例一的不同之处在于：亚波长直径纤芯(2)的介电区(5)中无掺杂，内包层区(3)是掺杂1wt％氧化铒和2wt％氧化镱的磷酸盐玻璃，同时掺杂铝离子以改善性能。

实施例3：

图2为发明的第三个实施例，这是内包层区(3)中的亚波长直径纤芯(2)呈正方形排列，在内包层区(3)上覆盖外包层区(4)的大模场多芯光纤。内包层形状为正方形，尺寸为80μm×80μm。在第三实施例中，光纤的尺寸和折射率大小可以参照实施例一。掺杂情况可以参照实施例一和二。

实施例4：

图3为发明的第四个实施例，这是内包层区(3)中的亚波长直径纤芯(2)呈六边形排列，在内包层区(3)上覆盖外包层区(4)的大模场多芯光纤。内包层形状为正方形，尺寸为60μm×60μm。在第四实施例中，光纤的其他尺寸参数和折射率大小可以参照实施例。掺杂情况可以参照实施例一和二。

实施例5：

图4为发明的第五个实施例，这是内包层区(3)中的亚波长直径纤芯(2)呈环形排列，在内包层区(3)上覆盖外包层区(4)的大模场多芯光纤。在第五实施例中，光纤的尺寸参数和折射率大小可以参照实施例三。掺杂情况可以参照实施例一和二。

Claims (13)

1.一种大模场多芯光纤，包括多根纤芯(2)、内包层区(3)和外包层区(4)，其特征在于所述的纤芯(2)包括介电区(5)和中空部分(6)，介电区(5)和中空部分(6)都是亚波长直径的；所述的内包层区(3)、外包层区(4)均由折射率均匀分布的固体材料形成。

2.根据权利要求1所述的大模场多芯光纤，其特征在于多根亚波长直径纤芯(2)按一定规律排列于内包层区(3)中。

3.根据权利要求2所述的大模场多芯光纤，其特征在于内包层区(3)中的亚波长直径纤芯(2)排列成三角形、正方形、六边形、环形等。

4.根据权利要求1所述的大模场多芯光纤，其特征在于内包层区(3)中的亚波长直径纤芯(2)包括介电区(5)和中空部分(6)，介电区(5)外径是亚波长直径的，中空部分(6)也是亚波长直径尺度的。

5.根据权利要求1所述的大模场多芯光纤，其特征在于内包层区(3)中的亚波长直径纤芯(2)彼此之间距离在波长量级。

6.根据权利要求1所述的大模场多芯光纤，其特征在于纤芯(2)中，中空部分(6)的尺寸小于介电区(5)尺寸。

7.根据权利要求1所述的大模场多芯光纤，其特征在于多根纤芯(2)的中空部分(6)的尺寸和介电区(5)的尺寸可以相同，可以不同。

8.根据权利要求1所述的大模场多芯光纤，其特征在于内包层区(3)的折射率低于亚波长直径纤芯(2)中介电区(5)的折射率，外包层区(4)的折射率低于亚波长直径纤芯(2)中介电区(5)和内包层区(3)的折射率。

9.根据权利要求1所述的大模场多芯光纤，其特征在于内包层区(3)的形状不是圆形，可以是矩形、D型等。

10.根据权利要求1所述的大模场多芯光纤，其特征在于可以在亚波长直径纤芯(2)的介电区(5)中引入有源材料，也可以通过在光纤内包层区(3)中掺杂来引入有源材料。

11.根据权利要求10所述的大模场多芯光纤，其特征在于亚波长直径纤芯(2)的介电区(5)中可以掺杂稀土元素铒、镱、铥、镧的至少一种，同时还掺杂铝、磷、氟化物的至少一种。

12.根据权利要求10所述的大模场多芯光纤，其特征在于光纤内包层区(3)可以掺杂稀土元素铒、镱、铥、镧的至少一种，同时还掺杂铝、磷、氟化物的至少一种。

13.根据权利要求1所述的大模场多芯光纤，其特征在于亚波长直径纤芯(2)的介电区(5)和光纤内包层区(3)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。

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