CN102368103B - 一种大模场微结构光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大模场微结构光纤，光纤包层由基质材料(1)和两层孔，所述纤芯为所述两层孔包围的区域；所述两层孔的外层为孔中心连接为正六边形的12个第三类孔(4)组成，内层为孔中心连接为正六边形的3个相邻的第一类孔(2)和3个相邻的第二类孔(3)组成，所述两层孔的孔周期Λ相等，且满足d₂>d₃，d₂>d₄。该光纤采用不同直径的孔对纤芯模式形成束缚，利用较大尺寸的孔防止光纤弯曲时的光泄露，而利用较小尺寸的孔对光纤基模形成有效的束缚，同时去除高阶模，从而实现了单模、大模场、低弯曲损耗传输的目的。

Description

一种大模场微结构光纤

技术领域

本发明涉及微结构光纤领域，尤其涉及大模场、低弯曲损耗且能够单模工作特性的微结构光纤。

背景技术

在高功率光纤激光器、放大器的设计中，光纤的模场面积是其中的一个重要参数。增大光纤的模场面积，可以有效地降低光纤的非线性系数，从而增大其输出光功率。一般对大模场光纤的基本要求为：1.单模工作，这是高性能激光的一个基本条件；2.大模场面积；3.低弯曲损耗，即光纤可以允许一定程度的弯曲，且具有较低的弯曲损耗。传统光纤由于制作和性能上的原因，很难获得工作在1064nm附近且纤芯直径大于20 μm的单模光纤。

自从光子晶体光纤被提出并制作成功之后，人们开始尝试采用光子晶体光纤结构来制作大模场光纤。由于理论上光子晶体光纤可以实现无休止单模传输，因此，采用光子晶体光纤结构可以实现超大模场面积的单模传输。目前，实验上已经制成功的单模光子晶体光纤的模场直径可达100 μm，但它的弯曲性能很差。人们还提出了采用多模光纤和光纤光栅相结合的方法实现大模场传输[S. Ramachandran, et al., “Light propagation with ultralarge modal areas in optical fibers(在光纤中实现超大模场面积的光传输),” Opt. Lett., 2006, 31(12): 1797]，实现等效的单模传输。但这种方法需要在光纤两端刻制光纤光栅，工艺复杂。还有人提出了基于简单的六个空气孔或低折射率介质柱环绕纤芯的大模场光纤[W. S. Wong, et al., "Breaking the limit of maximum effective area for robust single-mode propagation in optical fibers(打破光纤中单模传输时所能够获得的最大有效模场面积的限制)," Opt. Lett., 2005, 30(21): 2855]实现准单模传输，即高阶模损耗较大（一般在1 dB/m以上），而基模损耗较低（一般在0.1 dB/m以下）。但这种光纤的基模损耗一般也比较大，而基模与高阶模的损耗差别很难做得特别大。虽然还可以采用两层孔来束缚光，从而减小光纤基模的损耗，但为了去除高阶模，要求相对于孔周期，孔的直径要较小，这就使得光纤的弯曲损耗很大。

申请号为200610119574.6中国发明专利申请的“大模场双包层单模光纤”公开了一种单模大模场光纤，纤芯直径可达72 μm，但未解决光纤的弯曲损耗问题，且结构比较复杂，不利于制作。申请号为201010590795.8发明专利申请“一种大模场微结构光纤”公开一种新型非对称微结构光纤。采用两种不同周期，不同尺寸的孔，实现了大模场面积的单模传输，且具有低的弯曲损耗，但结构比较复杂，增加了制作难度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种有效地滤除高阶模，在较宽的弯曲角度范围内且很小的弯曲半径时仍然具有较低的弯曲损耗的大模场微结构光纤，该光纤结构简单，制作容易。

本发明的技术方案为：一种大模场微结构光纤，包括纤芯和包层，所述包层由基质材料和两层孔，所述纤芯为所述两层孔包围的区域；所述两层孔的外层为孔中心连接为正六边形的12个第三类孔组成，内层为孔中心连接为正六边形的3个相邻的第一类孔和3个相邻的第二类孔组成，所述两层孔的孔周期Λ相等，且满足d₂>d₃，d₂>d₄；

其中：孔周期Λ为相邻的两个孔的孔中心之间的距离；d₂，d₃，d₄分别为第一类孔、第二类孔和第三类孔的孔直径。

进一步，所述纤芯区域设有第四类孔，多个所述第四类孔排布在临近第一类孔一侧的小于180°的扇形区域内，所述第四类孔的孔周期Λ₅相同；所述第四类孔的孔周期Λ₅与包层中的孔的周期Λ之间满足Λ₅<Λ/4；所述第四类孔的孔中心与纤芯中心的距离均大于1.5Λ₅，其折射率n₅与基质材料的折射率n₁之间满足n₅< n₁。

进一步，第一类孔、第二类孔、第三类孔的直径之间满足d₂>d₃≥d₄。

进一步，第一类孔的直径d₂与孔周期Λ满足d₂/Λ≥0.7；第二类孔的孔直径d₃与孔周期Λ满足d₃/Λ<0.7，第三类孔的孔直径d₄与孔周期Λ满足d₄/Λ≤0.5。

进一步，第一类孔、第二类孔和第三类孔的折射率相同，且其折射率n_r与基质材料(1)的折射率n₁之间的关系为： n₁-n_r>0.003。

进一步，所述第四类孔的数量小于N/3，其中N为以孔周期为Λ₅排布满纤芯区域的第四类孔的数量。

进一步，第四类孔的直径d₅与其孔周期Λ₅满足d₅/Λ₅<0.5，第四类孔的折射率n₅与基质材料的折射率n₁之间满足n₁-n₅<0.003。

 本发明的技术效果为：包层采用三个较大的第一类孔有效的防止光纤弯曲时的光泄露，而利用较小的第二类孔和第三类孔可以保证直光纤状态时，光纤基模具有低的束缚损耗，同时又能有效地泄漏高阶模。从而实现了单模、大模场、低弯曲损耗传输的目的。由于包层仅采用两层孔，且孔周期均相同，结构简单，保证了包层具有较小的尺寸。

在纤芯中引入微结构的第四类孔，可以使有第四类孔的这一侧的纤芯的折射率下降，当光纤弯曲且第四类孔的区域朝向外侧时，由于第四类孔的区域折射率较低，可以有效地避免模场过于向纤芯朝外一侧的集中，从而使光纤弯曲时仍具有较大的模场面积，解决了一般大模场光纤即使允许弯曲，也会出现模场面积减小的问题。由于第四类孔区域的折射率较低，会减小光纤基模的模场面积，而这里引入的第四类孔只占纤芯面积的一小部分，且排布在靠近包层中孔直径较大的第一类孔一侧，因此对纤芯的模场面积的影响较小。

附图说明

图1为实施例一的横截面示意图；

图2为实施例二的横截面示意图；

图3为图1中第二类孔取不同直径时的基模和高阶模的损耗曲线；

图4为图1中光纤基模的弯曲损耗随光纤弯曲半径的变化曲线；

图5为图1结构在弯曲以后的模场面积变化；

图6为图1结构在光纤在弯曲半径为10 cm时，不同弯曲角度的基模弯曲损耗；

图7为图2结构中第二类孔(3)取不同直径时的基模和高阶模的损耗曲线； 

图8为图2结构中光纤基模的弯曲损耗随光纤弯曲半径的变化曲线；

图9为图2结构在弯曲以后的模场面积变化；

图10为图2结构在光纤在弯曲半径为10 cm时，不同弯曲角度的基模弯曲损耗。

其中：1-基质材料，2-第一类孔，3-第二类孔，4-第三类孔，5-第四类孔。

具体实施方式

图1给出了本发明的一种实施例的横截面示意图，该光纤包括纤芯和包层，该包层由基质材料1、第一类孔2、第二类孔3和第三类孔4组成。孔分为内层和外层，外层为孔中心连接为正六边形的12个第三类孔4组成，内层为孔中心连接为正六边形的3个相邻的第一类孔2和3个相邻的第二类孔3组成，且孔周期Λ相等。第一类孔2的孔直径大于第二类孔3的孔直径，其目的是降低第一类孔2一侧光纤包层的有效折射率，从而使光纤具有低弯曲损耗。由于第二类孔3的作用是对基模起束缚作用、同时要保证高阶模的有效泄漏，因此，第二类孔3的孔直径要小于第一类孔2的孔直径。而第三类孔4主要是在直光纤时起束缚光纤基模的作用，即保证直光纤时光纤基模具有较低的弯曲损耗，同时不能使直光纤出现高阶模，因此第三类孔4的孔直径同样应小于第一类孔2的孔直径。第一类孔2、第二类孔3的折射率均低于基质材料，即这种光纤是一种折射率引导型光纤。

这里采用了一种非常简单的结构，即采用两层孔来束缚纤芯中传输的光。采用三个增大的孔来实现光纤沿一定的方向弯曲时，具有低弯曲损耗。 

一般而言，第一类孔2的直径d₂满足d₂/Λ₂≥0.7，即孔直径应较大，从而保证光纤具有较低的弯曲损耗；而第二类孔3的直径d₃ 满足d₃/Λ₃<0.7，即孔直径较小，从而保证直光纤中只传输光纤基模。由于第三类孔4的目的是减小直光纤时的基模束缚损耗，而对于微结构光纤而言，其包层孔层数由一层增加为两层时，其对基模束缚损耗的减小是非常明显的，因此，第三类孔4不需要很大；同时要保证光纤中的高阶模损耗很大，因此第三类孔4的孔直径不能很大。一般要求第三类孔4的孔直径d₄与孔周期Λ满足d₄/Λ≤0.5。

这三类孔的折射率可以相同，也可以不同。但一般为了制作方便，可以采用相同的材料制备，但为了保证光纤具有低的弯曲损耗，要求其与基质材料1具有一定的折射率差。一般要求其折射率n_r与基质材料1的折射率n₁之间的关系为： n₁-n_r>0.003。

本发明重点在保证光纤保持单模传输的前提下，使光纤在一定程度、一定角度的弯曲时具有低的弯曲损耗。由光纤的弯曲理论，当光纤弯曲时，其结构可等效为一直波导，其等效的直波导的折射率分布可表示为：                                                

，这里是未弯曲时光纤的横截面折射率分布，

是等效的直波导的折射率分布，

为材料的弹光系数，R为光纤的弯曲半径。因此，当光纤弯曲时，其朝外的一侧的折射率将增加，而其朝向弯曲内侧的折射率将减小。弯曲损耗产生的原因是：当光纤弯曲到一定程度后，就会由于朝外的一侧的包层的折射率过高而导致这一侧不再满足全内反射条件，从而产生光向这一侧的泄漏。同时，由于纤芯折射率不再是均匀分布的。纤芯朝向弯曲一侧的折射率下降，而另一侧折射率上升，这就导致光纤的模场将向纤芯朝外的一侧集中，从而导致光纤模场面积的减小。本发明通过在包层采用两种不同直径的孔，实现了在直光纤保持单模传输；而在光纤弯曲时，利用孔直径较大的第一类孔2保证包层与纤芯仍具有较大的折射率差，从而具有低的弯曲损耗。

在第一类孔2组成的区域，其等效的折射率较低，即这一侧包层的等效折射率与纤芯折射率相差较大。因而，如果光纤弯曲时，第一类孔2组成的包层区是朝外的一侧，则其弯曲损耗较低。而向其它方向弯曲时，其弯曲损耗会增大。但一般而言，这种结构可以具有在几十度的弯曲角度范围内均具有低弯曲损耗的特点。

如图2所示为本发明的进一步改进，可以在纤芯靠近第一类孔2的一侧，排布低折射率的第四类孔5。通过引入的第四类孔5，可以使有第四类孔5的这一侧的纤芯折射率下降。这样当光纤弯曲且第四类孔5区域朝向外侧时，虽然弯曲会导致第四类孔5区域折射率的增加，但由于第四类孔5区域本身折射率较低。因此，只要弯曲半径不是太小，则仍然可以保证纤芯朝内和朝外的两个区域的折射率相差较小，从而避免模式场过于向纤芯朝外一侧的集中。这样，可以有效地解决一般大模场光纤在弯曲时，其模场面积随弯曲半径的减小而减小的问题。

由于第四类孔5引入后，在直光纤情况下，纤芯不再是均匀折射率分布的，即第四类孔5这一侧纤芯折射率较低，而另一侧纤芯折射率较高。因此，在弯曲光纤时，模式场将向纤芯折射率较高的一侧集中。为了避免弯曲光纤时，模式场过于偏离，从而导致模场面积的减小，第四类孔5的归一化直径不能过大，且第四类孔5的折射率也不能过低。同时，第四类孔5区域为一个微结构的纤芯区，为使得引入第四类孔5后的光纤模场分布仍然比较均匀（即第四类孔5中的模式场强度与基质材料中的模式场强度相差不至于过大），包层孔的孔周期Λ、第四类孔5的孔周期Λ₅之间要求满足Λ₅<Λ/4。

一般而言，第四类孔5所占区域不可过大或过小。由于第四类孔5的折射率低于基质材料1，因此第四类孔5区域的等效折射率同样低于基质材料1的折射率。这样，在直波导状态时，第四类孔5区域相当于一低折射率的包层。因此，其排布应与纤芯中心有一定的距离，以避免直光纤时的其基模场面积的减小过多。一般要求，第四类孔5的孔中心与纤芯中心的距离均大于1.5Λ₅，即第四类孔5排布在远离纤芯中心的区域。如果第四类孔5所占区域过大，会导致在直波导状态下，基模的模式场被挤到没有第四类孔5的较窄的纤芯区域内，从而导致其模场面积的减小。若整个纤芯可排布N个第四类孔5，则实际所排布的第四类孔5的数量应小于N/3。由于排布的孔较少，因此，对直光纤时的模场面积影响也较小。从纤芯中心看，其排布应在角度小于180°的扇形区域内。这是因为，光纤只有朝向第一类孔2一侧弯曲时，才具有极低的弯曲损耗，因此，第四类孔5也应主要是排布在靠近第一类孔2这一侧，而没有必要在其它方向放置第四类孔5。

理想情况下，第四类孔5既能够抵消光纤在较小的弯曲半径时，弯曲引起的纤芯的折射率增加，同时，又不至于因第四类孔5区域的等效折射率过低而减小直光纤时光纤基模的模场面积。为此，一般要求第四类孔5的直径d₅与其孔周期Λ₅满足d₅/Λ₅<0.5，第四类孔5的折射率n₅与基质材料1的折射率n₁之间满足n₁-n₅<0.003。

第一类孔2、第二类孔3和第三类孔4可以填充折射率低于基质材料1的固体、液体或气体。由于第四类孔5位于纤芯中，为便于制作和减小光传输损耗，第四类孔5须填充折射率低于基质材料的固体，对于基质材料为纯石英的情形，第四类孔5可填充掺杂的石英，如掺氟的石英等。一般情况下，第一类孔2、第二类孔3、第三类孔4和第四类孔5均由固体材料组成，这种全固态的光纤与其它光纤的连接会比较方便。

虽然这种光纤由于结构的关系，两偏振模并不简并，但由于纤芯尺寸很大，光纤的两个偏振基模的有效折射率仍然可以保持在较低的水平。

本发明采用非常简单的结构，利用不同直径的孔形成对纤芯中模式的束缚，使光纤在低弯曲半径下在仍能保持低损耗传输；同时，保证了光纤具有单模传输的特性。并且，其低损耗传输所允许的弯曲角度范围一般可达几十度，因此在使用时无需对弯曲角度进行精密控制，大大降低了光纤使用的复杂性、提高了其工作的稳定性。通过在纤芯区选择性地引入低折射率材料，还可保证光纤在弯曲状态下仍具有大模场面积传输特性，有效地解决了常规大模场光纤在弯曲状态下模场面积明显减小的缺点。这种光纤结构可以采用与常规光子晶体光纤相同的制作工艺实现。

图3为图1所示结构中第二类孔3取不同直径时的基模和高阶模的损耗曲线。由图可见，当第二类孔3的直径小到一定程度后，高阶模的损耗达几十dB/m，而基模损耗仍可在0.1 dB/m以下。因此，取合适的孔直径，即可有效地泄露高阶模，并保持较大的模场面积。

图4为图1所示结构中光纤基模的弯曲损耗随光纤弯曲半径的变化曲线。其中光纤的弯曲方向为沿y轴方向，第一类孔2向外。由图可见随着弯曲半径减小弯曲损耗依然增大。但是可见光纤可以在弯曲半径为5 cm时仍具有低的弯曲损耗。

图5为图1所示结构在弯曲以后的模场面积变化。由图可见，光纤弯曲后，其模场面积仍然会减小。

图6为图1所示结构光纤在弯曲半径为10 cm时，其弯曲方向与y轴成不同角度时的基模弯曲损耗。由图可见弯曲损耗与弯曲角度成正比增加，当然在弯曲角度为±20°以内时损耗还是很小。

图7为图2所示结构中第二类孔3取不同直径时的基模和高阶模的损耗曲线。由图可见，当第二类孔3的直径小到一定程度后，高阶模的损耗达几十dB/m，而基模损耗仍可在0.1 dB/m以下。因此，取合适的孔直径，即可有效地泄露高阶模。

图8为图2所示结构中光纤基模的弯曲损耗随光纤弯曲半径的变化曲线。其中光纤的弯曲方向为沿y轴方向，第一类孔2向外。可见光纤可以在弯曲半径为5 cm时仍具有低弯曲损耗。

图9为图2所示结构在弯曲以后的模场面积变化。由图可见，光纤弯曲后，其模场面积仍然可以保持在较高的水平。因此，第三类孔4的引入，可保证光纤在直光纤和弯曲状态下具有相近的模场面积，有利于其在高功率激光领域的应用。

图10为图2所示结构在光纤在弯曲半径为10 cm时，不同弯曲角度的基模弯曲损耗。由图可见，在弯曲角度10°以内，其弯曲损耗都很低。

以下以石英或聚合物材料为基质材料为例，说明光纤的传输特性。实际应用时，可根据不同的基质材料和基质材料所适用的波长范围来选择相应的光纤结构。

实施例一：

光纤的横截面结构如图1所示。基质材料采用纯石英，孔材料采用掺杂的石英材料。包层的孔周期Λ为46μm，第一类孔2的孔直径d₂为42 μm。第二类孔3和第三类孔4的孔直径d₃和d₃均为23 μm。第一类孔2、第二类孔3和第三类孔4的折射率相同，均比基质材料低0.004。传输波长为1064 nm时，在直光纤时的基模模场面积大于1800 μm²，在弯曲半径为20 cm时，基模的模场面积达1000 μm² _--以上。光纤在弯曲半径至5 cm时，基模损耗仍小于0.01 dB/m。直光纤时其基模泄漏损耗小于 0.01 dB/m，高阶模损耗大于50 dB/m。光纤允许的弯曲角度范围可达±20°。

实施例二：

光纤的横截面结构如图2所示。基质材料采用纯石英，孔材料采用掺杂的石英材料。包层孔周期Λ为46 μm，第一类孔2的孔直径d₂为42 μm。第二类孔3和第三类孔4的孔直径d₃和d₄均为23 μm，第一类孔2、第二类孔3和第三类孔4的折射率相同，均比基质材料低0.004。第四类孔5的周期Λ₅为6 μm，孔直径d₅为2 μm，孔的折射率比基质材料低0.001。传输波长为1064 nm时，直光纤时的基模模场面积可达1600 μm²以上；光纤弯曲半径为50 cm时，基模的模场面积大于1500 μm²；光纤弯曲半径为30 cm时，基模的模场面积仍超过1400 μm²。直光纤时其基模泄漏损耗低于0.04 dB/m，高阶模损耗大于100 dB/m。光纤允许的弯曲角度范围可达±10°。

实施例三：

光纤的横截面结构如图2所示。基质材料采用纯石英，孔材料采用掺杂的石英材料。包层孔周期Λ为46 μm，第一类孔2的孔直径d₂为42 μm。第二类孔3和第三类孔4的孔直径d₃和d₄分别为28μm和23 μm，第一类孔2、第二类孔3和第三类孔4的折射率相同，均比基质材料1低0.004。第四类孔5的周期Λ₅为6 μm，孔直径d₅为2 μm，孔的折射率比基质材料低0.002。传输波长为1064 nm时，在直光纤时的基模模场面积可达1200 μm²以上。光纤弯曲半径为15 cm时，基模的模场面积仍在1200 μm²以上。直光纤时其基模束缚损耗小于0.01 dB/m，高阶模损耗可达200 dB/m以上。

上述附图仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

Claims (7)

1.一种大模场微结构光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：所述包层由基质材料(1)和两层孔组成，所述纤芯为所述两层孔包围的区域；所述两层孔的外层由孔中心连接为正六边形的12个第三类孔(4)组成，内层由孔中心连接为正六边形的3个相邻的第一类孔(2)和3个相邻的第二类孔(3)组成，所述两层孔的孔周期Λ相等，且满足d₂>d₃，d₂>d₄；

其中：孔周期Λ为相邻的两个孔的孔中心之间的距离；d₂，d₃，d₄分别为第一类孔(2)、第二类孔(3)和第三类孔(4)的孔直径。

2.如权利要求1所述的一种大模场微结构光纤，其特征在于：所述纤芯区域设有第四类孔(5)，多个所述第四类孔(5) 排布在临近第一类孔(2)一侧的小于180°的扇形区域内，所述第四类孔(5)的孔周期Λ₅相同；所述第四类孔(5)的孔周期Λ₅与包层中的孔的周期Λ之间满足Λ₅<Λ/4；所述第四类孔(5)的孔中心与纤芯中心的距离均大于1.5Λ₅，其折射率n₅与基质材料(1)的折射率n₁之间满足n₅< n₁。

3.如权利要求1或2所述的一种大模场微结构光纤，其特征在于：第一类孔(2)、第二类孔(3)、第三类孔(4)的直径之间满足d₂>d₃≥d₄。

4.如权利要求1或2所述的一种大模场微结构光纤，其特征在于：第一类孔(2)的直径d₂与孔周期Λ满足d₂/Λ≥0.7；第二类孔(3)的孔直径d₃与孔周期Λ满足d₃/Λ<0.7，第三类孔(4)的孔直径d₄与孔周期Λ满足d₄/Λ≤0.5。

5.如权利要求1或2所述的一种大模场微结构光纤，其特征在于：第一类孔(2)、第二类孔(3)和第三类孔(4)的折射率相同，且其折射率n_r与基质材料(1)的折射率n₁之间的关系为： n₁-n_r>0.003。

6.如权利要求2所述的一种大模场微结构光纤，其特征在于：所述第四类孔(5)的数量小于N/3，其中N为以孔周期为Λ₅排布满纤芯区域的第四类孔(5)的数量。

7.如权利要求2所述的一种大模场微结构光纤，其特征在于，第四类孔(5)的直径d₅与其孔周期Λ₅满足d₅/Λ₅<0.5，第四类孔(5)的折射率n₅与基质材料(1)的折射率n₁之间满足n₁-n₅<0.003。

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