CN103645536B

CN103645536B - 一种全固态大模场光子带隙光纤

Info

Publication number: CN103645536B
Application number: CN201310692966.1A
Authority: CN
Inventors: 陈明阳; 龚天翼
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: CN103645536A

Abstract

本发明公开一种全固态大模场光子带隙光纤，该光纤包括纤芯和包层，所述纤芯包括基质材料（1）和排布在正三角网格中的低折射率介质柱（2）；所述包层包括基质材料（1）和排布在正三角网格中的高折射率介质柱（3）。该光纤采用多层高折射率介质柱来束缚光，有较强的束缚能力，使光纤具有较低的弯曲损耗。光纤中心采用周期排布的低折射率介质柱来增大基模与高阶模损耗的差别，区分基模和高阶模，从而使光纤达到单模传输。由于低折射率介质柱采用的是多层结构，光纤还能获得一个大的模场面积。而且本发明的光纤采用的是全固态的结构，避免了带空气孔的微结构光纤在制作、使用上的困难。这种光纤可以实现大模场低弯曲损耗的单模传输。

Description

一种全固态大模场光子带隙光纤

技术领域

本发明涉及光纤激光器领域，具体为一种具有大模场面积、低弯曲损耗特性的全固态大模场光子带隙光纤。

背景技术

高功率光纤激光器以其光束质量好、体积小、转换效率高和散热效果好等优点在工业中有着越来越多的应用。但是高功率激光会带来光学损伤以及非线性效应等问题。使用大模场光纤能抑制非线性效应以及增大光学损伤阈值。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。

提高光纤模场面积的技术途径有以下几种：

(一) 传统大模场光纤

直接增大纤芯的尺寸，是获得大模场面积的最简单的实现方法。这种光纤有一个大的纤芯和小的纤芯数值孔径。这类光纤在预制棒制造和光纤拉丝等生产工艺基本和常规单模光纤一样，因此制造工艺简单，而且制造成本也不高，容易规模化生产。但在现有工艺下，纤芯数值孔径小于0.06是难以实现的。即这种光纤不能获得很大的模场面积。

（二）微结构光纤

自从光子晶体光纤即微结构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。其目前主要有以下几类：

（1）泄漏通道大模场光纤

这种光纤由一个硅纤芯，周围环绕一圈大空气孔或者低折射率介质柱构成。它通过对基模和高阶模不同的泄露损耗来区分基模和高阶模，以达到单模传输。

（2）不对称大模场光纤

这种光纤采用不对称的结构，其两侧孔的大小、周期以及折射率都不相同[M. Napierala, T. Nasilowski, E. Beres-Pawlik, F. Berghmans, J. Wojcik, and H. Thienpont, "Extremely large-mode-area photonic crystal fibre with low bending loss（具有超大模场面积、低弯曲损耗的光子晶体光纤）," Optics Express 18, 15408-15418 (2010).]。这种光纤在波长为1064 nm，弯曲半径为10 cm时能获得1065 μm²的模场面积。但是这种光纤在不同弯曲方向下的模场面积差距较大，需要指定光纤的弯曲方向。而且，这种不对称的结构对制作提出了较高的要求。

（3）光子带隙大模场光纤

这种光纤采用5层高折射率介质柱作为包层，中心缺失2层高折射率介质柱作为纤芯[M. Kashiwagi, K. Saitoh, K. Takenaga, S. Tanigawa, S. Matsuo, and M. Fujimaki, "Low bending loss and effectively single-mode all-solid photonic bandgap fiber with an effective area of 650 μm²(具有650 μm²模场面积的低弯曲损耗全固态单模光纤)," Optics Letters 37, 1292-1294 (2012).]。这种光纤在波长为1064 nm，弯曲半径为10 cm时能获得500 μm²的模场面积，但是其弯曲半径必须固定在一个较小的范围内以保证单模传输。光子带隙光纤目前仍难以实现在波长为1064 nm处模场面积达到1000 μm²以上的大模场传输。

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，在较小的弯曲半径时仍然具有较低的弯曲损耗的全固态大模场光子带隙光纤。

本发明的技术方案为：一种全固态大模场光子带隙光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：所述纤芯由基质材料和排布在正三角网格中的低折射率介质柱所组成，所述包层由基质材料和排布在正三角网格中的高折射率介质柱组成；且材料的折射率满足n_h＞n_b＞n_l；所述高折射率介质柱形成正六边形结构高折射率介质柱层；所述低折射率介质柱形成正六边形结构低折射率介质柱层；所述低折射率介质柱层处于所述高折射率介质柱层内侧。

进一步，为了保持光纤模场，要求低折射率介质柱的周期Λ_l与高折射率介质柱的周期Λ_h满足：Λ_h/Λ_l= N，这里N为大于1的正整数。且低折射率介质柱的周期Λ_l与低折射率介质柱的直径d_l满足：d_l/Λ_l<0.5。为了形成带隙，要求高折射率介质柱的周期Λ_h与高折射率介质柱的直径d_h满足：0.1<d_h/Λ_h<0.5。

进一步，所述高折射率介质柱与基质材料的折射率差满足：0.005<n_h-n_b<0.05；基质材料与所述低折射率介质柱的折射率差满足：0.005<n_b-n_l<0.02。

进一步，为束缚光，高折射率介质柱（3）的层数取为2~5层。若纤芯中心与最内层的高折射率介质柱中心之间的距离的最大值为mΛ_h，则应有m=2~3，m为正整数。而低折射率介质柱的层数应为mN-1。即光纤实际相当于由高折射率介质柱组成与普通光子晶体光纤相似的结构，然后在光纤中心区域去除几层高折射率介质柱，再在去除高折射率介质柱之后的光纤中心区域排布低折射率介质柱。

本发明的技术效果为：

1）采用2~5层高折射率介质柱来束缚光，有较强的束缚能力，使光纤中的模式具有低的束缚损耗和低的弯曲损耗。

2）引入低折射率介质柱，利用基模与高阶模之间的有效折射率差别，将有效折射率较小的高阶模引向带隙边缘，减弱带隙对高阶模的束缚作用，从而提高其束缚损耗，同时，通过光纤弯曲，使高阶模被泄露，使光纤能实现单模传输。

3）引入微结构的低折射率介质柱，使光纤的模场更为规则，且易于制作。

附图说明

图1为一种本发明光纤的横截面示意图；

图2为又一种本发明光纤的横截面示意图；

图3为图1中低折射率介质柱取不同折射率时光纤基模和高阶模的束缚损耗曲线；

图4为图1中低折射率介质柱取不同折射率时光纤基模和高阶模的有效折射率曲线；

图5为图1所示光纤的基模和高阶模的弯曲损耗随光纤弯曲半径的变化曲线；

图6为图1所示光纤的模场面积随弯曲半径的变化曲线；

图7 图1所示结构的模场分布图；

图8为图2中低折射率介质柱取不同折射率时光纤基模和高阶模的束缚损耗曲线；

图9为图2中低折射率介质柱取不同折射率时光纤基模和高阶模的有效折射率曲线；

图10为图2所示光纤基模的弯曲损耗随光纤弯曲半径的变化曲线；

图11为图2所示光纤的模场面积随弯曲半径的变化曲线。

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，该纤芯由低折射率介质柱（2）和其所包围区域的基质材料（1）构成；该包层由基质材料（1）和高折射率介质柱（3）构成。

要求高折射率介质柱层数为2-5层。为保证光纤基模具有低束缚损耗，高折射率介质柱层数不能太少，而为了有效去除光纤中的高阶模，其层数又不能太多。根据结果，综合分析，高折射率介质柱以2-5层为宜。光纤纤芯由周期性网格中缺失7-19个高折射率介质柱组成，高折射率介质柱层数为2-5层。若纤芯中心与最内层的高折射率介质柱（3）中心之间的距离的最大值为mΛ_h，则应有m=2~3，m为正整数。

低折射率介质柱（2）并非可以任意放置。研究结果表明，非规则排布会导致模场的不均匀，使模场发生畸变，即低折射率介质柱（2）排布要均匀且与包层形成良好衔接。为此，要求低折射率介质柱（2）与高折射率介质柱（3）的排布相似，即排布在正三角网格中。同时，低折射率介质柱（2）的周期Λ_l与高折射率介质柱（3）的周期Λ_h应满足：Λ_l=Λ_h/N，这里N为大于1的正整数，周期Λ是两个相邻介质柱中心之间的间距。而低折射率介质柱（2）的层数应为mN-1。此组成结构可有效克服局域模的影响。

为了便于制作，高折射率介质柱的掺杂浓度不宜过高，一般取高折射率介质柱与基质材料的折射率差为：0.005<n_h-n_b<0.05。由于高折射率介质柱的折射率大于基质材料的折射率，即这是一种光子带隙光纤。图4中的虚线即为工作波长为1064 nm时带隙的边界。

为了使光纤能够单模传输，本发明在纤芯中央引入周期排布的低折射率介质柱，以增大光纤高阶模的损耗值，从而实现单模传输的目的。图3给出了低折射率介质柱取不同折射率时光纤基模和高阶模的束缚损耗曲线。由图可见，随着低折射率介质柱折射率的降低，光纤的基模与高阶模束缚损耗的差距变大直至高阶模的损耗足够大而基模损耗还保持在较低水平，使光纤能够单模传输。即光纤可以在不弯曲的情况下，获得单模传输，且具有大纤芯尺寸的特点。图4给出了光纤基模与高阶模的有效折射率随低折射率介质柱折射率变化的曲线。其中，虚线以上表示带隙区，虚线以下表示带隙外。由图可见，随着低折射率介质柱折射率的降低，光纤基模和高阶模的有效折射率同时降低，由于基模的有效折射率高于高阶模，因此高阶模的折射率先于基模接近带隙边缘，当模式的有效折射率靠近带隙边缘时，带隙作用减弱，其模式束缚损耗会增大。例如取低折射率介质柱的折射率n_l=1.435时，光纤在不弯曲时就能实现无截止单模传输。

考虑到本发明设计的光纤需要应用到光纤激光器中，所以必须保证光纤在一定弯曲半径下的弯曲损耗较低。图5给出了光纤基模和高阶模在不同弯曲半径下的弯曲损耗曲线。由图可见，在弯曲半径为16~52 cm时，光纤高阶模的弯曲损耗大于10 dB/m，而基模弯曲损耗小于0.1 dB/m，可以认为光纤在此区间内能单模传输。即通过弯曲，光纤也能实现单模传输。

图6给出了波长为1064 nm时光纤的模场面积随弯曲半径的曲线。由图可见光纤的模场面积随弯曲半径的减小而减小。特别的，当弯曲半径为35 cm时，本实施例能获得650 μm²的模场面积。

低折射率介质柱引入的目的是降低纤芯的折射率。理论上，采用均匀低折射率纤芯的方法，也可以实现同样的效果。但采用均匀低折射率纤芯会出现由局部高折射率区引起的局域模效应，从而增大了光纤的模式损耗，影响其实际使用。且在带隙包层作用下，低折射率介质柱引入后的光纤模式场仍然非常规则。这一点从图7（图1所结构的基模模场分布图）可以看出。

下面以石英光纤，以工作波长为1064 nm为例。

实施例一：

图1给出了本发明的一种实施例的横截面示意图。基质材料采用纯石英，高折射率介质柱和低折射率介质柱的材料采用掺杂的石英材料。其中低折射率介质柱（2）的周期Λ_l=5.5 μm，直径d_l=1.2 μm，折射率n_l=1.44；高折射率介质柱（3）的周期Λ_h=11 μm ，直径d_h=1.8 μm ，折射率n_h=1.48；基质材料（1）的折射率为n_b=1.45。即纤芯由周期性网格中缺失7个高折射率介质柱（3），然后排布低折射率介质柱（2）形成，即m=2，N=2，而低折射率介质柱（2）层数为2×2-1=3。当弯曲半径为16~52 cm时，光纤高阶模的弯曲损耗大于10 dB/m，而基模弯曲损耗小于0.1 dB/m，可以认为光纤在此区间内能单模传输。特别的，当弯曲半径为35 cm时，本实施例能获得650 μm²的模场面积。

实施例二：

为了进一步增大光纤的模场面积，图2给出了本发明的另一种实施例的横截面图。低折射率介质柱（2）的周期Λ_l=5.5 μm，直径d_l=1.2 μm，折射率n_l=1.436；高折射率介质柱（3）的周期Λ_h=11 μm ，直径d_h=1.8 μm ，折射率n_h=1.48；基质材料（1）的折射率为n_b=1.45。即纤芯由周期性网格中缺失7个高折射率介质柱（3），然后排布低折射率介质柱（2）形成，即m=3，N=2，而低折射率介质柱（2）层数为3×2-1=5。当弯曲半径为24~32 cm时，光纤高阶模的弯曲损耗大于10 dB/m，而基模弯曲损耗小于0.1 dB/m，可以认为光纤在此区间内能单模传输。特别的，当弯曲半径为30 cm时，本实施例能获得1166 μm²的模场面积。

实施例三：

本实施例给出一种直光纤下，即不通过弯曲就能单模传输的大模场带隙光纤。其横截面示意图如图1所示。其中低折射率介质柱（2）的周期Λ_l=5.5 μm，直径d_l=1.2 μm，折射率n_l=1.434；高折射率介质柱（3）的周期Λ_h=11 μm ，直径d_h=1.8 μm ，折射率n_h=1.48；基质材料（1）的折射率为n_b=1.45。即纤芯由周期性网格中缺失7个高折射率介质柱（3），然后排布低折射率介质柱（2）形成，即m=2，N=2，而低折射率介质柱（2）层数为2×2-1=3。其模场面积能达到693 μm²。

上述附图和说明仅为说明性示意图，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

1.一种全固态大模场光子带隙光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：所述纤芯由基质材料(1)和排布在正三角网格中的低折射率介质柱(2)所组成，所述包层由基质材料(1)和排布在正三角网格中的高折射率介质柱(3)组成；且材料的折射率满足n_h＞n_b＞n_l；所述高折射率介质柱(3)形成正六边形结构高折射率介质柱层；所述低折射率介质柱(2)形成正六边形结构低折射率介质柱层；所述低折射率介质柱层处于所述高折射率介质柱层内侧；其中，n_b为基质材料(1)的折射率，n_l为低折射率介质柱(2)的折射率，n_h为高折射率介质柱(3)的折射率；低折射率介质柱(2)的周期Λ_l与高折射率介质柱(3)的周期Λ_h满足：Λ_h/Λ_l＝N，所述N为大于1的正整数；低折射率介质柱(2)的周期Λ_l与低折射率介质柱(2)的直径d_l满足：d_l/Λ_l<0.5；高折射率介质柱(2)的周期Λ_h与高折射率介质柱(2)的直径d_h满足：0.1<d_h/Λ_h<0.5；所述高折射率介质柱层的层数y满足，2≤y≤5；若纤芯中心与最内层的高折射率介质柱(3)中心之间的距离的最大值为mΛ_h，m为正整数且满足：2≤m≤3；所述低折射率介质柱层的层数为mN-1。

2.根据权利要求1所述的一种全固态大模场光子带隙光纤，其特征在于：所述高折射率介质柱(3)与基质材料(1)的折射率差满足：0.005<n_h-n_b<0.05；基质材料(1)与所述低折射率介质柱(2)的折射率差满足：0.005<n_b-n_l<0.02。