CN103323910B - 一种双包层光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双包层光纤，包括纤芯和包层，其特征在于所述的纤芯为离子掺杂的二氧化硅基玻璃芯层，所述的包层包括内包层和外包层，所述的内包层为具有两个对称于纤芯分布的低折射率掺杂应力区的全固二氧化硅基玻璃层，所述的外包层是由空气孔排列而成的环形二氧化硅基玻璃层，外包层外设置支撑层，所述的支撑层为全固二氧化硅基玻璃层，光纤最外层为涂覆层。本发明不需采用低折射率特种涂料作外包层，大幅降低了涂料成本；其外包层为空气孔的二氧化硅基玻璃，耐高温，安全适用于高功率光纤激光器和光纤放大器中，同时适合大模场面积光纤的制备。本发明具有高双折射率、保持线偏振态、以及大模场面积等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种双包层光纤，属于光纤技术领域。
背景技术
双包层光纤，是指一种光纤具有纤芯、内包层和外包层结构。随着光纤激光器技术的发展，采用包层泵浦技术的应用越来越广泛，越来越重要（US5949941, 1999；US6477307 B1, 2002）。这就需要采用具有双包层结构的光纤。
一般意义上，双包层光纤的内包层是全固玻璃材质，外包层是低折射率的聚合物涂层（US6954575 B2, 2005）。这类双包层光纤，作为外包层的聚合物涂层成型或软化温度低，使用温度不能太高。在光纤被用于高功率器件时，一旦光纤因为基质吸收激光，产生大量热量，而又无法及时发散，或者，一旦光纤无法把泵浦光或激光完全限制在内包层内，而使之辐射到外包层，这两原因都容易导致光纤涂层被烧、激光泄漏等重大安全事故。而且，低折射率外包层涂层，材料售价高。
也有报道(Proc. of SPIE, 2008, 6873, 687311: 1-9)，采用外包技术，在内包层外层，包覆低折射率的氟掺杂玻璃，用作外包层。但由于玻璃中掺氟浓度一般不高，或者由于高浓度掺氟后，引起外包层材质和光纤的内包层和纤芯的材质的性能不匹配，具有这种结构和材质的双包层光纤，无法把激光完全限制于内包层中，泄露的激光进而能把光纤涂层烧掉，所以，也不大合适应用于高功率光纤激光器中。在另一方面，由于掺氟浓度不高，掺氟层的折射率不够低，光纤内包层相对外包层的NA值不高，损失了光纤的抗弯性能。
近年来，也有大量报道(Opt. Express, 2001, 9, 714-720；Opt. Express, 2003, 11, 818-823；CN102213792 A, 2011)了具有空气孔结构的双包层光纤。这种类型的双包层光纤的内包层是，通过在掺杂芯棒的外围逐层堆积毛细管，毛细管组装呈均匀分布或呈正六边形结构，再在外围用玻璃管套住；其外包层是，通过在内包层玻璃套管外，再堆积一层玻璃毛细管，成圆环形状或正六边形环；再用孔径匹配的玻璃管套住呈环状紧迫排列的玻璃毛细管；这种复杂结构的棒－管组合体固定后，上塔拉丝，并进行涂料涂覆和固化。这种双包层光纤，内外包层是通过采用不同大小的占空比来实现的。内包层是均匀分布或正六边形的多孔结构，其占空比要低很多；外包层是圆环状的多孔结构，其占空比比较高。具有这种结构的双包层光纤，其模场面积比较大，可以用于高功率光纤激光器或光纤放大器中，但是棒－管堆积过程比较复杂。基于这种双包层结构设计，也可以在内包层区域内，以纤芯为对称点，分侧堆积两更大孔径的毛细管，达到保偏的特性。但是，这整个堆积过程非常复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足提供一种工艺简单的、保持线偏振态、安全适用于高功率光纤激光器或光纤放大器中的双包层光纤。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括纤芯和包层，其特征在于所述的纤芯为离子掺杂的二氧化硅基玻璃芯层，所述的包层包括内包层和外包层，所述的内包层为具有两个对称于纤芯分布的低折射率掺杂应力区的全固二氧化硅基玻璃层，所述的外包层是由空气孔排列而成的环形二氧化硅基玻璃层，外包层外设置支撑层，所述的支撑层为全固二氧化硅基玻璃层，光纤最外层为涂覆层。
按上述方案，所述的外包层空气孔排列成圆环、D字形或正八边形，均匀密布在内包层外围。
按上述方案，所述的涂覆层为内、外两层，包括内涂覆层和外涂覆层，均由有机聚合物组成。
1. 按上述方案，所述纤芯的掺杂剂组份是稀土离子、铝离子、锗或磷，当采用稀土离子掺杂时，至少共掺Al、P、F、B、Ge中的一种，纤芯掺杂抬高纤芯数值孔径（NA）至0.03～0.33，纤芯直径d（2 r0）为10～40 mm。
按上述方案，所述的内包层中两个对称于纤芯分布的低折射率掺杂应力区的形状为圆形、梯形、扇形或椭圆形，应力区的折射率低于内包层的折射率。
按上述方案，所述的外包层的占空比为6～30%，更佳为16～25％，紧密均匀排布在内包层的外围。
按上述方案，所述的外涂覆层的折射率高于内包层折射率，更佳是高于光纤芯层折射率。
按上述方案，所述的光纤具有大模场面积，模场面积为80~1300mm2。
本发明提供的双包层光纤，具有双折射率、保持线偏振态、以及大模场面积（80～1300mm2）等特点，外包层是空气孔层，不必是低折射率的特种涂层，在高功率光纤激光器或光纤放大器中具有用途。
本发明的有益效果为：1、双包层光纤不需采用低折射率特种涂料作外包层，大幅降低了涂料成本；其外包层为空气孔的二氧化硅基玻璃，耐高温，安全适用于高功率光纤激光器和光纤放大器中，同时适合大模场面积光纤的制备。2、双包层光纤的内包层，具有以纤芯对称分布的两应力区，能确保光纤具有双折射率和保偏特性。3、内包层是全固态玻璃，具有保偏应力区，保偏应力区可以通过常规保偏光纤的工艺实现，仅有外包层具有空气孔结构，空气孔均匀密布在内包层周围，制作操作简单，工艺容易实现。
附图说明
图1为本发明双包层光纤一个实施例的剖面示意图，空气孔包层12呈圆环状均匀排布。10表示半径为r0的光纤芯区，11表示含有应力区的石英玻璃内包层（11a表示二氧化硅基内包层，11b表示低折射率的应力区），13表示支撑空气孔包层12的外围石英玻璃包层。r0表述纤芯半径，r1b表示圆形应力区的圆心到光纤轴线的距离，r1和r2分别表示圆形内包层和外包层的外边界到光纤轴线的距离，r3表示外围石英玻璃包层区域的最大半径值。
图2为本发明纤芯为简单阶跃型的双包层光纤折射率剖面图。
图3为本发明纤芯为抛物线型的双包层光纤折射率剖面图。
图4为本发明纤芯为中心下陷型的双包层光纤折射率剖面图。
图5为本发明纤芯为腰型的双包层光纤折射率剖面图。
图6为本发明双包层光纤剖面示意图，空气孔包层为呈D形环状均匀排布。
图7为本发明双包层光纤剖面示意图，空气孔包层为呈正八边形形环状均匀排布。
具体实施方式
采用化学气相沉积法、粉末烧结法、或溶液浸泡掺杂法，制备掺杂的二氧化硅芯棒。所掺杂的组份可以是稀土离子、Al、P、F、B、Ge，但采用稀土离子掺杂时，还至少共掺Al、P、F、B、Ge中的一种。纤芯掺杂抬高数值孔径至0.03～0.33。
然后，采用二氧化硅基玻璃管或外喷沉积－烧结工艺，对掺杂芯棒进行外包处理，增大内包层区。
内包层的保偏应力区，可以在制备芯棒时，设计并制备而来，这类方法比较适合扇形或椭圆形状的应力区的制备；也可以是，在内包层外包完毕后，通过棒内镗通孔和插入应力棒的方式而获得。这类方法比较适合圆形或梯形形状的应力区的制备。
再后，对内包层的外轮廓进行打磨加工，加工成圆柱形、D形或正八边形，D形加工要求打磨平面位于非应力孔侧面。
然后在内包层外围，堆积毛细管，再用大孔径二氧化硅基玻璃管套住，并固定好。环状排列的毛细管的占空比，要求为6～30%，更佳是16～25%。
最后，将由棒－管堆积而成的组合体，固定好并清洁后，装入拉丝塔，在1700 ～ 2100 °C，进行高温拉丝。同时，涂覆常规光纤涂料，并固化涂层，保护光纤。
具体实施例的双包层光纤的纤芯掺杂离子种类和结构设计参数如表1所示。
实施例1，按表1所列的光纤结构设计要求，采用化学气相沉积工艺，制备掺Er3+和Al3+的二氧化硅基玻璃芯棒，采用石英管对掺杂芯棒进行外包，然后在包层内，以掺杂二氧化硅玻璃芯为对称处，分别镗通孔。
在另一方面，采用化学气相沉积法，制备两个掺硼的应力棒，并将应力棒加工到可以和上述镗孔大小匹配。将镗孔和应力棒表层进行清洁处理，并组装在一起。
然后，在组合棒的外围，堆积毛细管，并用大孔石英管套住。待固定好棒－管组合体之后，进行洁净处理。再装入拉丝塔，在1700 ～ 2100 °C进行拉丝。同时，涂覆常规光纤涂料，并固化涂层，保护光纤。
图1为实施例1所获得的双包层光纤剖面示意图。图2是该实施例所获得的纤芯为简单阶跃型的双包层光纤剖面图。该Er和Al共掺杂的双包层光纤，在工作波段的模场面积为88.0 mm2，如表1所示。图2所示双包层光纤剖面，也适合于采用化学气相法所研制的、纤芯掺杂为Ge或Ge-F共掺的双包层光纤；同样，还适合于采用粉末烧结法所研制的所有掺杂组份（含稀土离子、Al、P、F、B和Ge中的一种或除仅B、F共掺以外的任意几种）的双包层光纤。
实施例2，按表1所列的光纤结构设计要求，先用化学气相沉积工艺，制备多孔SiO2层，然后采用溶液浸泡掺杂法，制备掺Tm3+和Al3+的二氧化硅基玻璃芯棒，采用石英管对掺杂芯棒进行外包，然后在包层内，以掺杂二氧化硅玻璃芯为对称处，分别镗通孔。
在另一方面，采用化学气相沉积工艺，制备两个掺硼的应力棒，并将应力棒加工到，可以和上述镗孔大小匹配。将镗孔和应力棒表层进行清洁处理，并组装在一起。
然后，在组合棒的外围，堆积毛细管，并用大孔石英管套住。待固定好棒－管组合体之后，进行洁净处理。再装入拉丝塔，在1700 ～ 2100 °C进行拉丝。同时，涂覆常规光纤涂料，并固化涂层，保护光纤。
图3是实施例2所获得的纤芯为抛物线型的双包层光纤剖面图。该Tm和Al共掺杂的双包层光纤，在工作波段的模场面积为137.6 mm2，如表1所示。在该实施例，通过溶液浸泡法所掺杂的稀土离子，除了是Tm3+，也可以是其它稀土离子中的一种或任意两种。
实施例3，按表1所列的光纤结构设计要求，先用化学气相沉积工艺，制备Ge或P掺杂的多孔SiO2层，然后采用溶液浸泡掺杂法，制备仅掺Yb3+或Yb3+、Al3+共掺的二氧化硅基玻璃芯棒，采用石英管对掺杂芯棒进行外包，然后在包层内，以掺杂二氧化硅玻璃芯为对称处，分别镗通孔。
在另一方面，采用化学气相沉积工艺，制备两个掺硼的应力棒，并将应力棒加工到，可以和上述镗孔大小匹配。将镗孔和应力棒表层进行清洁处理，并组装在一起。
然后，在组合棒的外围，堆积毛细管，并用大孔石英管套住。待固定好棒－管组合体之后，进行洁净处理。再装入拉丝塔，在1700 ～ 2100 °C进行拉丝。同时，涂覆常规光纤涂料，并固化涂层，保护光纤。
图4是实施例3所获得的纤芯为中心下陷型的双包层光纤剖面图。该实施例中，Yb、Al和Ge共掺杂的双包层光纤，在工作波段的模场面积为190.0 mm2；Yb和P共掺杂的双包层光纤，在工作波段的模场面积为208.0 mm2，如表1所示。在该实施例，通过溶液浸泡法所掺杂的稀土离子，除了是Yb3+，也可以是Er3+、Tm3+、或Er3+和Yb3+一起。
实施例4，按表1所列的光纤结构设计要求，先用化学气相沉积工艺，制备P掺杂的多孔SiO2层，然后采用溶液浸泡掺杂法，制备掺Yb3+和Al3+的二氧化硅基玻璃芯棒，采用石英管对掺杂芯棒进行外包，然后在包层内，以掺杂二氧化硅玻璃芯为对称处，分别镗通孔。
在另一方面，采用化学气相沉积法，制备两个掺硼的应力棒，并将应力棒加工到，可以和上述镗孔大小匹配。将镗孔和应力棒表层进行清洁处理，并组装在一起。
然后，在组合棒的外围，堆积毛细管，并用大孔石英管套住。待固定好棒－管组合体之后，进行洁净处理。再装入拉丝塔，在1700 ～ 2100 °C进行拉丝。同时，涂覆常规光纤涂料，并固化涂层，保护光纤。
图5是实施例4所获得的纤芯为中心下陷型的双包层光纤剖面图。该Yb、P和Al共掺杂的双包层光纤，在工作波段的模场面积为213.2 mm2，如表1所示。在该实施例，通过溶液浸泡法所掺杂的稀土离子，除了是Yb3+，也可以是其它稀土离子中的一种或任意两种。
实施例5，按表1所列的光纤结构设计要求，先用化学气相沉积工艺，制备P掺杂的多孔SiO2层，然后采用溶液浸泡掺杂法，制备掺Yb3+和Al3+的二氧化硅基玻璃芯棒，采用石英管对掺杂芯棒进行外包，然后在包层内，以掺杂二氧化硅玻璃芯为对称处，分别镗通孔。然后在棒的另外两侧非镗孔区，选取一侧，进行打磨，整根棒的横截面加工成D形。
在另一方面，采用化学气相沉积法，制备两个掺硼的应力棒，并将应力棒加工到，可以和上述镗孔大小匹配。将镗孔和应力棒表层进行清洁处理，并组装在一起。
然后，在组合棒的D形外围，堆积毛细管，并用大孔石英管套住。待固定好棒－管组合体之后，进行洁净处理。再装入拉丝塔，在1700 ～ 2100 °C进行拉丝。同时，涂覆常规光纤涂料，并固化涂层，保护光纤。
图6是实施例5所获得的双包层光纤剖面示意图，空气孔包层为呈D形环状均匀排布。图5是该实施例所获得的纤芯为简单阶跃型的双包层光纤剖面图。该Yb、P和Al共掺杂的双包层光纤，在工作波段的模场面积为399.1 mm2，如表1所示。在该实施例，通过溶液浸泡法所掺杂的稀土离子，除了是Yb3+，也可以是其它稀土离子中的一种或任意两种。
实施例6，按表1所列的光纤结构设计要求，先用化学气相沉积工艺，制备P掺杂的多孔SiO2层，然后采用溶液浸泡掺杂法，制备掺Al3+或Yb3+与Al3+共掺的二氧化硅基玻璃芯棒，采用石英管对掺杂芯棒进行外包，然后在包层内，以掺杂二氧化硅玻璃芯为对称处，分别镗通孔。然后在镗孔棒周侧，进行打磨，整根棒的横截面加工成正八边形。
在另一方面，采用化学气相沉积法，制备两个掺硼的应力棒，并将应力棒加工到，可以和上述镗孔大小匹配。将镗孔和应力棒表层进行清洁处理，并组装在一起。
然后，在组合棒的正八边形外围，堆积毛细管，并用大孔石英管套住。待固定好棒－管组合体之后，进行洁净处理。再装入拉丝塔，在1700 ～ 2100 °C进行拉丝。同时，涂覆常规光纤涂料，并固化涂层，保护光纤。
图7是实施例6所获得的双包层光纤剖面示意图，空气孔包层为呈正八边形环状均匀排布。图5是该实施例所获得的纤芯为简单阶跃型的双包层光纤剖面图。该实施例中，P和Al共掺杂的双包层光纤，在1.55 mm波段的模场面积为1295.8 mm2；Yb、P和Al共掺杂的双包层光纤，在工作波段的模场面积为622.6 mm2；如表1所示。在该实施例，所掺杂的离子，除了是Al3+、Al3+和Yb3+，也可以是Al3+和其它稀土离子中的一种或任意两种一起共掺。
表1. 双包层光纤的掺杂组份和光纤参数
Claims (8)
1.一种双包层光纤，包括纤芯和包层，其特征在于所述的纤芯为离子掺杂的二氧化硅基玻璃芯层，所述的包层包括内包层和外包层，所述的内包层为具有两个对称于纤芯分布的低折射率掺杂应力区的全固二氧化硅基玻璃层，所述的外包层是由空气孔排列而成的环形二氧化硅基玻璃层，外包层外设置支撑层，所述的支撑层为全固二氧化硅基玻璃层，光纤最外层为涂覆层；所述外包层的占空比为6～30％；所述的光纤具有大模场面积，模场面积为80~1300μm2。
2.根据权利要求1所述的双包层光纤，其特征在于所述的外包层空气孔排列成圆环、D字形或正八边形，均匀密布在内包层外围。
3.根据权利要求1或2所述的双包层光纤，其特征在于所述的涂覆层为内、外两层，包括内涂覆层和外涂覆层。
4.根据权利要求1或2所述的双包层光纤，其特征在于所述纤芯的掺杂剂组份是稀土离子、铝离子、锗或磷，当采用稀土离子掺杂时，至少共掺Al、P、F、B、Ge中的一种，纤芯掺杂抬高纤芯数值孔径至0.03～0.33，纤芯直径d为10～40 μm。
5.根据权利要求1或2所述的双包层光纤，其特征在于所述的内包层中两个对称于纤芯分布的低折射率掺杂应力区的形状为圆形、梯形、扇形或椭圆形，应力区的折射率低于内包层的折射率。
6.根据权利要求1所述的双包层光纤，其特征在于所述外包层的占空比为16～25％。
7.根据权利要求3所述的双包层光纤，其特征在于所述的外涂覆层的折射率高于内包层折射率。
8.根据权利要求3所述的双包层光纤，其特征在于所述的外涂覆层折射率高于光纤芯层折射率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 430070 Hubei city of Wuhan province Wuchang two Guanshan Road No. four Applicant after: Yangtze Optical Fibre and Cable Co., Ltd Address before: 430073 Hubei city of Wuhan province Wuchang two Guanshan Road No. four Applicant before: Changfei Fibre-Optical & Optical Cable Co., Ltd. |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: CHANGFEI FIBRE-OPTICAL + OPTICAL CABLE CO., LTD. TO: YANGTZE OPTICAL FIBRE AND CABLE CO., LTD |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |