CN103487879A - 一种抑制高阶超模输出的七芯光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

一种抑制高阶超模输出的七芯光子晶体光纤，属于光子晶体光纤技术领域。基于石英基质(1)，包层由石英基质上空气孔(2)六角周期排列构成，纤芯区为空气孔缺失形成的七个高折射率芯区。其特征在于，纤芯区掺杂增益离子，并且中间纤芯(3)的掺杂浓度大于周围纤芯(4)。空气孔的直径与空气孔的间距比值小于0.25。同时空气孔间距与光波长比值为4至7，以保证每个纤芯单模运转。

Description

一种抑制高阶超模输出的七芯光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及一种多芯光子晶体光纤，该光纤能够有效抑制高阶超模，直接输出同相位超模，属于光子晶体光纤技术领域。

背景技术

在高功率脉冲激光产生和传输方面，需要光纤具有很大的模场面积，这样可以有效降低非线性效应并提高损伤阈值，从而获得高功率高光束质量的激光输出。多芯光子晶体光纤是提高光纤模场面积的一个非常有效的方案。多芯光子晶体光纤的模场面积随纤芯数量成比例增加，可以比传统光纤大两个数量级以上。同时，多芯光子晶体光纤纤芯之间离散分布，将单芯中光场过于集中的单一高斯光场均匀的分摊到多个纤芯，有效避免了单芯光纤激光器无法克服的自聚焦效应和热透镜效应。

多芯光子晶体光纤中各个纤芯相互耦合，形成多个超模。若多芯光纤中每个纤芯只支持基膜传输，则超模数量与纤芯数量一致。其中，各个纤芯相位一致的超模称为同相位超模，其他超模纤芯之间相位有差异，称为高阶超模。高阶超模中，内外层纤芯之间相位相反的超模称为反相位超模。只有同相位超模远场具有高斯分布，其他高阶超模的光束质量较差。因此，基于多芯光子晶体光纤的研究首先要解决的问题是如何有效选取同相位超模。

目前，在选模方式上，多模光纤的研究较多。多模光纤的选模主要通过增益在纤芯横截面的分布和光纤弯曲半径的设计来实现。多芯光子晶体光纤若各个纤芯增益离子掺杂浓度相等，则所有超模的增益系数相近，且超模之间弯曲损耗差别也不大。为此，多芯光子晶体光纤无法通过与多模光纤类似的方法来实现选模。

要确保多芯光子晶体光纤输出同相位超模，目前的主要解决途径如下：

1、熔接单模光纤。通过将多芯光子晶体光纤与单模光纤进行熔接，激光从单模光纤输出，输出模式即为单模光纤的基膜。这种方法虽然获得了基膜输出，但是输出功率仍受限于单模光纤的非线性阈值，并且由于多芯光子晶体光纤与单模光纤模场不匹配，熔接损耗很大。

2、利用反射镜构成塔尔博特腔（Talbot）。通过优化腔镜位置，利用自成像原理，使得同相位超模获得最小的反馈损耗，高阶超模都具有较大的反馈损耗。这种选模方法只有将多芯光子晶体光纤应用于激光腔中才有效，并需要精确调节反射镜的位置，操作复杂，且不适用于放大器及激光传输中。

3、混合型多芯光子晶体光纤。混合型光子晶体光纤包层既包含空气孔也包含高折射率棒。利用高折射率棒的谐振特性以及同相位超模和高阶超模不同的对称特性，使得高阶超模的能量被主要局域在高折射率棒中无法得到有效的增益，而同相位超模仍主要局域在纤芯中，得到有效的放大。这种方法通过光纤结构本身有效的抑制了高阶超模，结构简单。但是高折射率棒的谐振特性对高折射率棒的尺寸非常敏感，数十纳米的波动都对选模结果影响很大。这对光纤制作工艺提出了非常高的要求，同时也增加了生产成本。

发明内容

本发明旨在设计一种七芯光子晶体光纤，不需要额外的选模元件，该光纤本身能有效抑制高阶超模，输出同相位超模，在获得大的模场面积的同时，保证高的光束质量。

本发明通过下述技术方案加以实现的：一种抑制高阶超模输出的七芯光子晶体光纤，其特征在于，基于石英基质(1)，包括石英基质上圆形空气孔(2)按照六角周期排列构成正六边形区域，每个圆形空气孔大小相等，圆形空气孔层数为5～8层，圆形空气孔的直径与圆形空气孔的中心间距比值小于0.25，同时圆形空气孔中心间距与光波长比值为4～7，以保证每个纤芯单模运转，正六边形区域内周期空气孔结构中缺失七个不相邻的空气孔形成七个高折射率纤芯区，七个纤芯为六角对称结构，一个纤芯位于光纤的中心形成中间纤芯(3)，其余六个纤芯环绕中间纤芯(3)分别位于正六边形的六个顶点，形成周围纤芯(4)，且中间纤芯和六个周围纤芯之间均间隔一层圆形空气孔，纤芯区掺杂铒离子用于产生增益，六个周围纤芯掺杂浓度相同，掺杂浓度范围为4000～10000ppm，中间纤芯的掺杂浓度是周围纤芯掺杂浓度的1.5～5倍。

本发明通过光纤结构和掺杂浓度的设计，使七芯光子晶体光纤的同相位超模具有最大增益和最小的传输损耗，用此光纤作为激光振荡器或放大器的增益介质，无需模式选择元件就可以有效抑制高阶超模，实现多芯光子晶体光纤直接输出同相位超模。

附图说明

图1是本发明的光纤横截面示意图；

其中1为1石英基质，2圆形空气孔，3中间纤芯，4周围纤芯；

图2是以本发明光纤作为增益介质的放大器输出的激光功率随光纤长度的变化曲线，实线为同相位超模功率，虚线为六个高阶超模功率总和；

图3是传统七芯光子晶体光纤作为增益介质的放大器输出的激光功率随光纤长度的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明加以详细说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1。

图1所示为本发明的光纤横截面示意图，七芯光子晶体光纤的直径为300μm，基底材料1为熔石英。光纤包层由石英基质上圆形空气孔(2)六角周期排列构成。空气孔的中心位于正六边形的网格的结点上，各个结点的间距为10μm，每个空气孔直径均为2μm，空气孔层数为6层。中间纤芯3和周围六个纤芯4分别由缺失一个空气孔形成，并分别位于光纤的中心和正六边形六个顶点。中间纤芯和周围六个纤芯之间间隔一层空气孔。中间纤芯3和周围六个纤芯4都掺杂铒（Er）离子用于产生激光增益。中间纤芯的掺杂浓度为11240ppm，周围六个纤芯的掺杂浓度为4390ppm。

此光纤的七个纤芯相互耦合，共支持七个本征超模，只有同相位超模和反相位超模在中间纤芯有能量分布，其他五个高阶超模的能量只分布在周围六个纤芯中。通过光纤掺杂的设计，使得中间纤芯具有较高的增益，周围纤芯增益系数较低，从而同相位超模和反相位超模具有较高增益得到有效放大，并抑制其他高阶超模。通过光纤结构的设计，使得空气孔大小与空气孔间距的比值仅为0.2，纤芯之间的耦合系数较大，纤芯对反相位超模的约束力减弱，反相位超模具有最高的传输损耗。结合光纤掺杂浓度和结构参数的设计，使得同相位超模具有最高的增益和最低的传输损耗，高阶超模得到有效的抑制，直接输出同相位超模。

将此光纤作为放大器的增益介质，种子光中心波长为1040nm，脉冲宽度为500fs，每个超模的入射功率均为100mW。采用半导体激光器作为泵浦源，泵浦光为功率为100W，泵浦光中心波长为976nm。图2为此光纤超模的输出功率随光纤长度变化的曲线，实线为同相位超模输出功率，虚线为其他六个高阶超模输出功率总和。可以看出同相位超模的功率占总功率的93%以上，已基本能满足光束质量的要求。

对比传统的七芯光子晶体光纤，传统七芯光子晶体光纤各个纤芯掺杂浓度一致，因而每个纤芯对信号光的增益系数相近。同时，传统光子晶体光纤空气孔直径较大，所有超模的传输损耗差别不大。当空气孔直径为2.5μm，空气孔间距为10μm，七个纤芯铒离子的掺杂浓度均为4390ppm时，在相同的泵浦功率和信号光输入功率下，得到的传统七芯光子晶体光纤超模输出功率随光纤长度的变化曲线如图3所示。可以看出，所有超模的输出功率近乎相等，同相位超模功率仅约占总功率的14%，光束质量很差。

与以往报道的抑制多芯光子晶体光纤高阶超模方法相比，本发明有如下优点：

1、与熔接单模光纤选模相比，本设计利用光纤自身增益和损耗特性，不需要熔接其他单模光纤选模，保持了光纤有效模场面积的同时有效抑制了高阶超模，省去了光纤熔接过程，也避免了光纤熔接带来的功率损耗。

2、与利用反射镜构成塔尔博特腔（Talbot）相比，本设计的光纤不仅可以作为激光振荡器的增益介质，也可以作为激光放大器的增益介质，不需要额外的选模元件，无需将光纤置于激光腔中利用激光腔内其他元件来实现选模，省去了复杂的光路调节，降低了成本。

3、与混合型多芯光子晶体光纤相比，本设计对光纤掺杂浓度和尺寸精度的要求很低，对现有的光子晶体光纤拉制工艺不会产生任何附加的要求。

Claims (2)

1.一种抑制高阶超模输出的七芯光子晶体光纤，其特征在于，基于石英基质(1)，包括石英基质上圆形空气孔(2)按照六角周期排列构成正六边形区域，每个圆形空气孔大小相等，圆形空气孔层数为5～8层，圆形空气孔的直径与圆形空气孔的中心间距比值小于0.25，同时圆形空气孔中心间距与光波长比值为4～7，以保证每个纤芯单模运转，正六边形区域内周期空气孔结构中缺失七个不相邻的空气孔形成七个高折射率纤芯区，七个纤芯为六角对称结构，一个纤芯位于光纤的中心形成中间纤芯(3)，其余六个纤芯环绕中间纤芯(3)分别位于正六边形的六个顶点，形成周围纤芯(4)，且中间纤芯和六个周围纤芯之间均间隔一层圆形空气孔，纤芯区掺杂铒离子用于产生增益，六个周围纤芯掺杂浓度相同，掺杂浓度范围为4000～10000ppm，中间纤芯的掺杂浓度是周围纤芯掺杂浓度的1.5～5倍。

2.权利要求1的七芯光子晶体光纤用于抑制高阶超模输出，直接输出同相位超模。

Images