CN102213792A - 一种大模场有源光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大模场有源光纤，其包括纤芯，依次围绕在纤芯周围的第一包层、第二包层和第三包层，其中第二包层的有效折射率低于第一包层和纤芯的有效折射率。泵浦芯区围绕在第三包层外，外包层围绕在泵浦芯区外，其由一层空气孔或掺杂石英玻璃毛细棒排列组成，其有效折射率低于泵浦芯区的有效折射率。该有源光纤在保证有源光纤大模场的前提下，抑制了放大的自发辐射，提高了光纤的稳定性，保证了光束质量。本发明同时还提供了该有源光纤的制备方法，通过采用气相掺铝和稀土离子的液相多点掺入方式，可以灵活控制和实现多次不间断掺杂，大大提高了稀土掺杂芯棒的尺寸，同时实现了稀土离子和铝的均匀掺杂。
Description
技术领域
本发明涉及一种有源光纤及其制备方法，特别涉及一种具有大模场和高光束质量的有源光纤及其制备方法。
背景技术
有源光纤作为主要增益介质在光纤激光器和放大器中的起着至关重要的作用，有源光纤的发展和进步直接推动着光纤激光器和放大器的进程。
从最初原始的芯层泵浦光纤激光器，因对泵浦功率限制，在1988年Snitzer等人提出双包层激光光纤之后，基于包层泵浦激光器获得迅猛发展，世界各国相继实现了单纤输出功率超过kW量级，但是随着输出功率的继续增加，有源光纤自身的问题也显示的越来越明显，对激光器性能的影响也越来越严重。
因此近年来主要研究热点仍然是如何提高激光器的输出功率同时保证高的光束质量。但是目前存在如下几个方面的困难和问题，一方面是作为光纤纤芯材料的石英，对激光有一个破坏阈值1～1.5W/μm2，因此要实现大的功率输出，就必须有相应较大的纤芯面积来避免达到破坏阈值状态，即需要大模场光纤；另一方面是不管是双包层还是单包层有源光纤，实现大模场势必需要增大纤芯直径，扩大纤芯面积，进而降低单位面积上的功率。但缺点是大模场光纤允许高阶横摸传输，这样会降低光束质量。
目前本领域研究人员为了解决和克服上面问题，主要采用了如下几个方面的办法：
芬兰坦佩雷理工大学的Oleg Okhotnikov和他的同事和俄罗斯科学院，研究提出了采用锥形光纤来实现只允许基模传输；泄漏通道光纤由IMRA America公司的Liang Dong和他的同事发明，可以让这种光纤在基本模式运行时只有较低的损耗，但高阶模式运行时是损耗较大。密歇根大学的Almantas Galvanauskas和他的同事提出了手性耦合光纤，在这种光纤中，一个或多个“螺旋芯”围绕着较大的“中间芯”，通过适当地设计“螺旋芯”，Michigan等研究员通过高阶模式相位匹配，把高阶模式引导到了“螺旋芯”，在“螺旋芯”中有较大的损耗，“中间芯”只保持了基本模式并有较少的损耗。这些方法都集中在单纯的提高光束质量，而且在都存在实际工艺制造难度较大的问题，因此目前没有实际应用。
中国专利公告号CN101038353B提出了一种高功率双包层泵浦单模输出多芯光纤及其制造方法，采用多纤芯的结构来分散功率密度，但是因为多个有源纤芯，如果要实现近场和远场输出都为同一光斑，同一模式工艺上控制较难。中国专利CN1260588C由日本住友申请的用于扩大光纤模场的方法和设备，主要是用一个加热器加热光纤实现掺杂剂的扩散来扩大模场，CN1982929B掺杂稀土的大模场面积多模混合光纤以及使用其的装置，这两个专利都实现了一定的模场扩大，但是在千瓦级别的高功率光纤激光器中使用都存在很大的限制。
在Opt.Lett.25(7)，442-444(2000)给出了采用多模光纤的另一种方法是使用多模(MM)的阶跃折射率光纤芯，其中高阶-模式是直接利用弯曲损耗抑制。
同时，光纤虽然具有较大地表面积/体积比，但是当输出激光功率达到数千瓦时，高泵浦光功率带来的热量也将成为一个严重的问题，光纤中温度分布不均将导致纤芯折射率的热效应变化不同，形成与固体激光器类似的热透镜效应，以及引起引力或膨胀，并且破坏外包层的低折射率涂料，从而缩减光纤的寿命。更高温度的热量将导致光纤的脆裂等，降低激光器的效率甚至导致破坏整个激光器。
此外，作为增益光纤的有源光纤在信号放大的同时，自发辐射在传输过程中也在不断的被放大，形成放大的自发辐射(ASE)，以及在大模场有源光纤中，增大模场面积必然会使模式间的折射率差变小，而模式间折射率差的减小会是一个模式因为外加的扰动而耦合为邻近的高阶模式，使模式不稳定，即发生模式畸变和模式耦合，因此模式的稳定性也是大模场有源光纤当前存在的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大模场有源光纤，该有源光纤在保证有源光纤大模场的前提下，抑制了放大的自发辐射，提高了光纤的稳定性，保证了光束质量，本发明同时还提供了该种光纤的制备方法。
本发明提供了一种大模场有源光纤，它由内至外依次包括纤芯、第一包层、第二包层、第三包层、泵浦芯区和外包层，
纤芯，以二氧化硅为基质，包含至少一种有源离子以及共掺杂剂，其中共掺杂剂为铝离子或者铝磷两种离子，所述有源离子为原子序数为57～71的稀土离子；
第一包层的材料为掺杂锗和/或铝离子的二氧化硅；
第二包层由周期性排列的空气孔组成，其有效折射率低于第一包层和纤芯的有效折射率；
第三包层由周期性排列的纯石英毛细棒或掺杂石英玻璃毛细棒组成；
泵浦芯区的材料为纯石英；
外包层由一层空气孔或掺杂石英玻璃毛细棒排列组成，其有效折射率低于泵浦芯区的有效折射率；
其中第一包层的直径与纤芯的直径之比大于0.6，第三包层的毛细棒之间的间距和第二包层的空气孔之间的间距相等，第三包层的毛细棒直径小于等于第二包层的空气孔直径；泵浦芯区的直径与纤芯的直径之比小于等于20；
纤芯的有效折射率和第一包层的有效折射率之差小于0.0015，第二包层的有效折射率n2和纤芯的有效折射率n0满足(n0 2-n2 2)1/2小于等于0.07，外包层的有效折射率n5和泵浦芯区的有效折射率n4满足(n4 2-n5 2)1/2＝0.6～0.9。
本发明还提供了一种大模场有源光纤的制造方法，包括以下步骤：
(1)向衬管内通入六氟化硫，对衬管的内壁进行腐蚀抛光处理；
(2)向衬管内通入四氯化硅、氧气和掺杂物，进行沉积形成包层；其中所述掺杂物为锗和/或铝离子的化合物；
(3)向衬管内通入四氯化硅、氧气、含有共掺杂剂的化合物和有源离子，进行沉积形成芯层；其中所述共掺杂剂为铝离子或者铝磷两种离子；
(4)在氯气、氦气和氧气的混合气氛下将沉积了包层和芯层的衬管玻璃化，得到实心棒；
(5)将实心棒放在氢氟酸溶液中腐蚀衬管的内壁，得到掺杂预制棒芯棒；
(6)将掺杂预制棒芯棒、石英毛细管和石英玻璃毛细棒堆积，拉制成大模场有源光纤。
进一步的，步骤(2)和(3)中向衬管内通入含有铝的化合物的方法为：恒温烘烤含有共掺杂剂的化合物粉末使所述化合物粉末气化。
进一步的，采用恒温电阻或恒温感应线圈来烘烤含有共掺杂剂的化合物粉末。
进一步的，步骤(3)中有源离子通过多点掺杂装置向衬管内进行掺杂。
进一步的，所述的多点掺杂装置包括溶液池和布满均匀小孔的喷射管，所述溶液池通过导管与喷射管连通，盛放在所述溶液池中的有源离子溶液能够通过所述喷射管向多点掺杂装置外喷射。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明所述的有源光纤采用五包层结构，即在常规具有第二包层和泵浦芯层以及外包层的基础上增加了第一包层和第三包层，第一包层的折射率同掺杂纤芯折射率相近，有利于模场的进一步扩大；同时第二包层采用周期性排列的小空气孔结构，实现提供较低的折射率，通过对空气孔直径和间距等排列，来改变光纤的有效折射率。因此，它可以精确地实现纤芯与内包层的低折射率差，减小纤芯的数值孔径，有利于在大纤芯直径下实现单模传输，第三包层采用周期性排列实心掺杂玻璃棒，或者掺杂玻璃管的方式并精确设计各参数，可以实现对一定波段范围的滤光作用，例如滤除掺镱激光器中放大的自发辐射1030nm波长的光。第四包层采用规则排列的低折射率掺杂石英毛细棒或者大空气孔，实现了较大的泵浦光数值孔径，有利于泵浦光的耦合。同时本发明的大模场有源光纤可以承受更高能量的激光功率，具有良好的热管理作用。
2、本发明所述的有源光纤的制备方法采用了配套的气相掺铝和稀土离子的液相多点掺入方式，可以灵活控制和实现多次不间断掺杂，大大提高了稀土掺杂芯棒的尺寸，同时实现了稀土离子和铝的均匀掺杂。避免了购置昂贵的全气相掺杂以及单液相掺杂带来的无法做大掺杂芯棒的难题。
附图说明
图1是大模场掺镱有源光纤结构示意图；
图2是大模场铒镱共掺有源光纤结构示意图；
图3是气相掺杂铝和稀土多点掺入过程示意图。
具体实施方式
本发明涉及如下专业术语：
模场直径(MFD--Mode Field Diameter)：用来表征在单模光纤的纤芯区域基模光的分布状态。基模在纤芯区域轴心线处光强最大，并随着偏离轴心线的距离增大而逐渐减弱。一般将模场直径定义为光强降低到轴心线处最大光强的1/e的各点中两点最大距离。
有效模场面积：其计算公式为Aeff＝kπ(MFD/2)2一般近似计算时K值选取为1。
数值孔径(NA)：关系光纤耦合能力大小以及输出光电发散角特性，一般用最大理论数值孔径计算，即其，n1和n2表示第1层和第2层光纤材料的有效折射率值。
衬管：在采用管内法进行光纤预制棒制造时，首先需要选用一根用于沉积的高纯度石英反应管，然后再将相应的包层和芯层材料依次沉积在这个石英管内壁上，这个石英反应管在本发明中称为衬管。
泵浦芯直径：泵浦芯区所包围成的圆或外接圆的直径。
下面结合附图及实施例对本发明进行详细描述。
本发明所述的大模场有源光纤具有新的光纤结构如图1、图2所示，其组成为纤芯1，以及围绕在纤芯1周围的第一包层11，围绕第一包层的有周期性排列的小孔气孔组成的第二包层12，第二包层12的有效折射率低于第一包层11以及纤芯1的有效折射率，围绕在第二包层12周围的第三包层13的材料是周期性排列的纯石英毛细棒或者含有掺杂剂如锗、硼等的石英玻璃毛细棒组成。泵浦芯区21围绕在第三包层外，由纯石英构成，用来进行泵浦光的传输。外包层22由一层大空气孔或石英玻璃毛细棒整齐排列组成，形状可以为D型、圆形、六边形等多边形，其有效折射率低于泵浦芯区21的有效折射率。
纤芯1以二氧化硅为基质，包含至少一种有源离子以及共掺杂剂，其中共掺杂剂为铝离子或者铝磷两种离子。所述有源离子为原子序数为57～71的稀土离子。所述第一包层11在二氧化硅基质中掺有锗和/或铝离子。
第一包层11直径D1和纤芯1的直径D2应满足D1/D2大于0.6，纤芯1的有效折射率n0和第一包层11的有效折射率n1的差应满足(n0-n1)小于0.0015。
第二包层12有效折射率n2和和纤芯有效折射率n0满足数值孔径小于(n0 2-n2 2)1/2小于等于0.07。
第三包层13和第二包层12具有相同的孔间距，但是第三包层13的实心毛细棒直径应小于等于第二包层12的空气孔直径。
泵浦芯直径和纤芯1的直径比应满足小于等于20。
外包层22可以是整齐排列的空心大空气孔或整齐排列的低折射率石英玻璃毛细棒。外包层22的有效折射率n5和泵浦芯区的有效折射率n4应满足为(n4 2-n5 2)1/2＝0.6～0.9。
其中纤芯和第一包层中共掺杂剂的含量由相应部位的直径和数值孔径来确定。
所述的新型光纤结构中，通过对第二包层12中空气孔的占空比和直径进行设计，可以实现更小的纤芯数值孔径，以及通过对外包层22有效折射率值的特殊制造，可以得到较大的内包层数值孔径，而这正是制造大功率光纤激光器和放大器所追求的。同时，通过对第三包层13的有效折射率和尺寸参数进行设计，可以实现对系统中产生的特定波段的杂散光进行滤除，如，对高功率掺镱激光器中产生的1030nm处的放大自发辐射光进行滤除，使其不能在纤芯中传输，进而保证了输出激光的光束质量。另外，第二包层12和第三包层13采用空气孔设计，可以利用空气孔进行有效散热，极大地增加高功率光纤激光器中光纤承受的温度限制，有利于光纤的光纤激光器的热管理。
本发明利用专门装置将气相掺杂铝和稀土离子液相多点掺杂相结合，如图3所示，气相掺杂铝是将铝的化合物如三氯化铝或三氧化铝放入石英衬管中事先制造出的凹槽中，利用与衬管同心的加热装置31对凹槽中的铝进行恒温加热，使铝能以稳定的流速气化反应。加热装置31可以是电阻加热或者感应线圈，加热装置与衬管同心并且可以自动打开，加热装置内壁和衬管外壁的间距小于10cm。稀土溶液的液相多点掺杂装置由盛放稀土溶液的溶液池32和布满均匀小孔的多点喷射管33组成，溶液池32通过导管与多点喷射管33连通，盛放在溶液池32中的稀土溶液能够通过多点喷射管33向多点掺杂装置外喷射。
气相掺杂铝和稀土离子液相多点掺杂相结合实现了具有大尺寸的稀土掺杂区的预制棒，并保证了稀土离子和共掺杂剂的掺杂均匀性。
本发明的第一个实施例所述的大模场有源光纤如图1所示，纤芯1的组份为二氧化硅基质、有源离子镱离子以及共掺杂剂铝，纤芯直径为28um，有效折射率n0为1.4582；第一包层11的组份为掺杂有锗的纯石英，第一包层的直径为40um，其有效折射率n1为1.4572；第二包层的设计保证了其有效折射率n2与n0的关系为(n0 2-n2 2)1/2＝0.05，第三包层13由有效折射率为1.4581的掺锗石英玻璃棒构成，泵浦芯区21的直径为540um，并于外包层的有效折射率n5和泵浦芯区的有效折射率n4应满足为(n4 2-n5 2)1/2＝0.6，外包层材料为整齐排列为六边形的低折射率掺氟石英玻璃毛细棒。
该大模场有源光纤的制造方法基于MCVD制造工艺，采用气相掺杂铝和液相多点掺杂稀土离子相结合的方式，具体包括如下步骤：
(1)向衬管内通入六氟化硫，对衬管的内壁进行腐蚀抛光处理；
(2)向衬管内通入四氯化硅和氧气，以及四氯化锗或氯化铝气体中的至少一种，其中，四氯化硅气体和四氯化锗气体以氧气携带的方式引入，氯化铝气体采用加热装置31恒温烘烤氯化铝粉末的方式引入，采用正向沉积方式沉积2趟形成包层。
(3)包层沉积完毕后，向衬管内通入四氯化硅和氧气，以氧气携带四氯化硅气体的方式引入；并开启加热装置31，利用加热装置恒温高温烘烤氯化铝粉末的方式，向衬管内通入氯化铝；同时利用溶液池32将事先按照比例配置好的镱离子溶液通过多点喷射管33进行多点掺杂，完成芯层的沉积。
(4)在氯气、氦气和氧气的混合气氛下将沉积了包层和芯层的衬管玻璃化，得到实心棒。
(5)之后将实心棒放在浓度氢氟酸溶液中将原衬管的内壁进行腐蚀，腐蚀完成后形成掺杂预制棒芯棒。所述氢氟酸溶液的浓度可为20～40％，但也不局限于该浓度范围，只要能够实现对衬管的内壁进行腐蚀即可。
(6)将掺杂预制棒芯棒、石英毛细管、掺锗毛细棒以及掺氟毛细棒采用堆积法按照图1的结构进行堆积，在利用拉丝塔拉制成大模场有源光纤；其中石英毛细管、掺锗毛细棒和掺氟毛细棒是用拉丝塔将石英管、掺锗玻璃棒和掺氟玻璃棒拉制成而成。
本实施案例制造的大模场有源光纤，实现了有效模场面积为168.2um2，采用远场光斑法对大模场有源光纤的数值孔径进行了测量，测量结果显示掺杂芯数值孔径NA1为0.51，泵浦芯数值孔径为NA2为0.68。用波长为976nm的泵浦源进行包层泵浦，实现了激光器的工作波长1064nm，测试结果显示光纤具有78％的斜率效率。同时，利用光谱仪对宽带光源(800nm～1200nm)进行测试光谱测试，测试结果显示在波长1030nm波段附近形成了屏蔽窗口。
本发明的第二个实施例所述的大模场有源光纤如图2所示，纤芯1的组份为二氧化硅基质、有源离子铒和镱离子以及共掺杂剂铝，纤芯直径为43um，折射率n0为1.4580；第一包层11的组份为掺杂有锗和铝的石英玻璃，第一包层的直径为63um，其折射率n2为1.4576；第二包层12的设计保证了其有效折射率n2与n0的关系为(n0 2-n2 2)1/2＝0.07，第三包层13由规则排列纯石英毛细棒构成，毛细棒的直径小于第二层的空气孔直径，泵浦芯区21的直径为750um，外包层的有效折射率n5和泵浦芯区的有效折射率n4应满足为(n4 2-n5 2)1/2＝0.9，外包层材料为整齐排列的大空气孔，形状为圆形。
本实施案例光纤的制造步骤和实施案例一相同，就是在步骤三中在包层沉积完毕后，向衬管内通入四氯化硅和氧气，以氧气携带四氯化硅气体的方式引入；并开启加热装置31，利用加热装置31的恒温高温烘烤氯化铝粉末的方式，引入氯化铝。同时，利用溶液池32将事先按照比例配置好的铒镱离子溶液利用多点喷射管33进行掺杂形成芯层，并按照图2的结构堆积拉丝成有源光纤。
本实施案例制造的大模场有源光纤，经过波长976nm的泵浦源进行包层泵浦，实现了工作波长1550nm的放大，测试结果显示光纤具有32％的斜率效率。实现了有效模场面积为1452um2，通过光谱仪对宽带光源分析测试，表明该光纤在1062nm波段附近形成了屏蔽，可以有效抑制铒镱共掺双包层光纤在传输过程产生的放大的自发辐射。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种大模场有源光纤，它由内至外依次包括纤芯、第一包层、第二包层、第三包层、泵浦芯区和外包层，
纤芯，以二氧化硅为基质，包含至少一种有源离子以及共掺杂剂，其中共掺杂剂为铝离子或者铝磷两种离子，所述有源离子为原子序数为57～71的稀土离子；
第一包层的材料为掺杂锗和/或铝离子的二氧化硅；
第二包层由周期性排列的空气孔组成，其有效折射率低于第一包层和纤芯的有效折射率；
第三包层由周期性排列的纯石英毛细棒或掺杂石英玻璃毛细棒组成；
泵浦芯区的材料为纯石英；
外包层由一层空气孔或掺杂石英玻璃毛细棒排列组成，其有效折射率低于泵浦芯区的有效折射率；
其中第一包层的直径与纤芯的直径之比大于0.6，第三包层的毛细棒之间的间距和第二包层的空气孔之间的间距相等，第三包层的毛细棒直径小于等于第二包层的空气孔直径；泵浦芯区的直径与纤芯的直径之比小于等于20；
纤芯的有效折射率和第一包层的有效折射率之差小于0.0015，第二包层的有效折射率n2和纤芯的有效折射率n0满足(n0 2-n2 2)1/2小于等于0.07，外包层的有效折射率n5和泵浦芯区的有效折射率n4满足(n4 2-n5 2)1/2＝0.6～0.9。
2.一种大模场有源光纤的制造方法，包括以下步骤：
(1)向衬管内通入六氟化硫，对衬管的内壁进行腐蚀抛光处理；
(2)向衬管内通入四氯化硅、氧气和掺杂物，进行沉积形成包层；其中所述掺杂物为锗和/或铝离子的化合物；
(3)向衬管内通入四氯化硅、氧气、含有共掺杂剂的化合物和有源离子，进行沉积形成芯层；其中所述共掺杂剂为铝离子或者铝磷两种离子；
(4)在氯气、氦气和氧气的混合气氛下将沉积了包层和芯层的衬管玻璃化，得到实心棒；
(5)将实心棒放在氢氟酸溶液中腐蚀衬管的内壁，得到掺杂预制棒芯棒；
(6)将掺杂预制棒芯棒、石英毛细管和石英玻璃毛细棒堆积，拉制成大模场有源光纤。
3.根据权利要求2所述的大模场有源光纤的制造方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)中向衬管内通入含有铝的化合物的方法为：恒温烘烤含有共掺杂剂的化合物粉末使所述化合物粉末气化。
4.根据权利要求3所述的大模场有源光纤的制造方法，其特征在于，采用恒温电阻或恒温感应线圈来烘烤含有共掺杂剂的化合物粉末。
5.根据权利要求2或3所述的大模场有源光纤的制造方法，其特征在于，步骤(3)中有源离子通过多点掺杂装置向衬管内进行掺杂。
6.根据权利要求4所述的大模场有源光纤的制造方法，其特征在于，所述的多点掺杂装置包括溶液池和布满均匀小孔的喷射管，所述溶液池通过导管与喷射管连通，盛放在所述溶液池中的有源离子溶液能够通过所述喷射管向多点掺杂装置外喷射。
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