CN104020521A

CN104020521A - 一种正方结构全固态带隙光纤

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Publication number: CN104020521A
Application number: CN201410219182.1A
Authority: CN
Inventors: 陈明阳; 龚天翼
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2014-09-03

Abstract

本发明公开一种正方结构的全固态带隙光纤。所述包层由基质材料(1)和排布在正方网格中的高折射率介质柱（2）组成；所述纤芯（3）由包围在所述高折射率介质柱（2）中心的基质材料（1）组成；所述高折射率介质柱（2）在纤芯周围形成正方形高折射率介质柱层；最内层的所述高折射率介质柱层每边的高折射率介质柱（2）的数量t满足，2≤t≤5；所述基质材料(1)的折射率n_b和高折射率介质柱(2)的折射率n_h之间满足n_h>n_b _。本发明采用正方结构包层结构，使光纤高阶模更容易与包层模形成耦合，从而实现单模传输的目的。同时，基于带隙传输原理，使光纤基模被很好地束缚在纤芯区，可实现低弯曲损耗的大模场传输。

Description

一种正方结构全固态带隙光纤

技术领域

本发明涉及光纤激光器领域，具体为一种正方结构的模场面积特性的光子带隙光纤。

背景技术

大模场光纤已经被广泛应用于光纤激光器、放大器、高功率激光传输以及密集波分复用系统等领域。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。对于普通光纤来说，为保证单模传输，增大光纤的模场面积的同时就需要减小纤芯与包层的折射率差。这就导致光纤弯曲损耗的增大以及制作低折射率差光纤的困难。

大模场光纤一般需要满足以下几个条件：单模工作、大模场面积、低弯曲损耗。即光纤模场面积大、单模传输且允许一定程度的弯曲。

由于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大模场单模传输。单模光子晶体光纤的纤芯直径可达100 μm，但它是以降低纤芯与包层的折射率差为代价的。因此，只能采用光纤棒的形式进行使用。采用具有高折射率差的多模光纤，并通过模式转换的方法可实现单模、大模场和低弯曲损耗的传输[Opt. Lett., 2006, 31(12): 1797]。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6个或12个环绕纤芯空气孔或低折射率介质柱组成的微结构大模场光纤[IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2009, 15(1): 47-53]，这种结构利用光纤能够有效泄露高阶模的特点，再通过将光纤弯曲的方法，进一步增大光纤基模与高阶模的损耗差，从而实现等效的单模传输。但这种光纤的基模和高阶模的损耗比一般在几十左右，因此，其使用还存在局限性。

采用基于三角网格的全固态带隙光纤并通过弯曲的方法，可以实现单模、大模场面积传输（712 μm²），且光纤在可以实现单模传输，在波长为1064 nm处，弯曲半径为10 cm时，其弯曲损耗可小于0.1 dB/m[Opt. Express,2012, 20(14): 15061-15070]。进一步增大其模场面积的难点在于，光纤中的高阶模很难被去除。

发明内容

针对以上不足，本发明的目的是提出一种具有大模场面积且单模传输的的正方结构的全固态带隙光纤。

本发明的技术方案是：一种正方结构的全固态带隙光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：所述包层由基质材料和排布在正方网格中的高折射率介质柱组成；所述纤芯由包围在所述高折射率介质柱中心的基质材料组成；，所述高折射率介质柱在纤芯周围形成正方结构的高折射率介质柱层；最内层的所述高折射率介质柱层每边的高折射率介质柱的数量t满足，2≤t≤5；所述基质材料的折射率n_b和高折射率介质柱的折射率n_h之间满足n_h>n_b。

进一步，所述高折射率介质柱的周期Λ的取值范围为：6μm≤Λ≤20μm；高折射率介质柱的周期Λ、高折射率介质柱的直径d之间的关系为：0.1≤d/Λ≤0.4，周期Λ是两个相邻高折射率介质柱中心之间的间距。

进一步，当折射率差较小时，光纤基模的损耗较大，为保证具有低的损耗，而为保证光纤产品的质量，高折射率介质柱和基质材料差别不宜过大，因此，所述高折射率介质柱(2)与基质材料(1)的折射率差关系为：0.005≤n_h-n_b≤0.05。

进一步，所述高折射率介质柱层的层数y满足，2≤y≤5。

本发明的技术效果：采用正方结构包层结构，使光纤高阶模更容易与包层模形成耦合，从而实现单模传输的目的。同时，基于带隙传输原理，使光纤基模被很好地束缚在纤芯区，可实现低弯曲损耗的大模场传输。

附图说明

图1 一种正方结构全固态带隙光纤的横截面示意图；

图2 为正方结构全固态带隙光纤的带隙图，图中给出了带隙的上下边沿以及基质材料的折射率(n_b=1.45)位置；

图3 为图1所示正方结构全固态带隙光纤的基模(a)和高阶模(b)在弯曲半径为15 cm时的模场分布图；

图4 为图1所示正方结构全固态带隙光纤的基模和高阶模的弯曲损耗曲线；

图5为弯曲时形成的缺陷模的模场分布图；

图6 为光纤基模与高阶模的束缚损耗随高折射率介质柱层数的变化曲线；

图7 为另一种正方结构全固态带隙光纤的横截面示意图。

其中，1为基质材料，2为高折射率介质柱，3为纤芯。

具体实施方式

全固态带隙光纤的光纤包层由基质材料1和排布在正方网格中的高折射率介质柱2组成；纤芯3由光纤中心缺失的4~36个高折射率介质柱形成；基质材料1 的折射率n_b和高折射率介质柱(2)的折射率n_h之间满足n_h>n_b。

图1给出本发明的一种实施例的横截面示意图。该光纤包括纤芯与包层，该包层由基质材料1，周期性排布在基质材料1上的高折射率介质柱2组成，高折射率介质柱2的中心位于正方结构的网格中。纤芯3由中心缺失9个高折射率介质柱形成。图2给出该光纤的包层带隙结构，图中直线还给出了基质材料的折射率位置(n_b=1.45)。由图可见，这种光纤同样可以形成带隙。为获得大模场面积的单模传输，要求带隙出现在折射率低于基质材料折射率区域，因为纤芯为基质材料，其中形成的基模折射率也低于基质材料，因为带隙包含基模有效折射率区域才能束缚基模。同时，带隙覆盖范围又不能太宽，从而使高阶模也被束缚住。因为高阶模折射率低于基模。因此，带隙应覆盖光纤基模的有效折射率。带隙也可以覆盖高阶模的有效折射率区域，但高阶模有效折射率与带隙下边沿应相差较小。显然，此时高折射率介质柱的周期应较大，从而容易满足以上条件。由图2可见当高折射率介质柱的直径d与周期Λ之比较大时，带隙只出现在周期较小的位置。对于归一化介质柱直径d/Λ一定的情况下，在高折射率介质柱的周期较大位置，具有满足条件的带隙分布，即带隙既包含了基质材料的折射率位置，同时处于基质材料折射率下的带隙又不会太宽而导致高阶模无法去除。这是因为若带隙较宽，当纤芯很大时，基模与高阶模的有效折射率差别较小，从而使光纤的基模和高阶模都处于带隙内部，无法有效形成单模传输。因此，高折射率介质柱(2)的周期Λ范围要求为：6~20μm，高折射率介质柱(2)的周期Λ、高折射率介质柱(2)的直径d之间的关系为：d/Λ=0.1~0.4。

为实现大模场的光传输，光纤应具有较大的纤芯面积。对于带隙光纤来说，当纤芯仅由缺失一个高折射率介质柱形成时，高折射率介质柱的周期应取得很大。但这样会导致光纤包层的增大，导致光纤弯曲性能变差。为此，通过取较小的周期，而纤芯由缺失4-36个高折射率介质柱组成。

由图3可见，即使在弯曲时，光纤基模仍可被有效束缚在纤芯中；当光纤弯曲时，其高阶模可与包层模发生耦合。如图4所示，光纤弯曲时，其基模损耗很低，而光纤的高阶模很容易被增大。因此，将光纤弯曲到一定程度就可以使高阶模被泄露，实现等效的单模传输。这是因为，与三角结构高折射率介质柱组成的带隙光纤不同，由于本发明结构采用正方结构，其高折射率介质柱之间的间隙可以形成大的缺陷区，从而可在弯曲时形成多个不同的缺陷模，如图5为其中一种缺陷模的模场分布图。由于缺陷模由于与外包层距离近，其束缚损耗很大，而缺陷模的折射率偏低，容易与高阶模发生耦合。因此，当高阶模与之发生耦合时，高阶模损耗也会增大，从而使其被有效泄露到包层。

由图6可见，光纤的模式损耗与高折射率介质柱层数直接相关。虽然增加层数可以减小基模损耗，但也会减小高阶模损耗。为保证有效的单模传输，要求高折射率介质柱层数为2~4层。

下面以石英光纤，以工作波长为1064 nm为例。

实施例一：

光纤结构如图1所示。基质材料（1）为纯石英，高折射率介质柱(2)与基质材料（1）的折射率差为0.029，高折射率介质柱的直径为d=2.55 μm，周期Λ=12.77 μm。直光纤时，光纤的模场面积可达1315 μm²。光纤弯曲半径为15 cm时，其基模弯曲损耗为0.0025 dB/m，其高阶模的弯曲损耗可达20 dB/m以上。

实施例二：

光纤结构如图7所示。基质材料（1）为纯石英，高折射率介质柱(2)与基质材料（1）的折射率差为0.029，高折射率介质柱的直径为d=2.55 μm，周期Λ=16 μm。直光纤时，光纤的模场面积可达1255 μm²。当光纤弯曲半径小于50 cm时，其高阶模的弯曲损耗为20 dB/m以上。当光纤弯曲半径为30 cm时，其基模弯曲损耗为0.01 dB/m，。

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

1.一种正方结构的全固态带隙光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：所述包层由基质材料(1)和排布在正方网格中的高折射率介质柱（2）组成；所述纤芯（3）由包围在所述高折射率介质柱（2）中心的基质材料（1）组成；，所述高折射率介质柱（2）在纤芯周围形成正方结构的高折射率介质柱层；最内层的所述高折射率介质柱层每边的高折射率介质柱（2）的数量t满足，2≤t≤5；所述基质材料(1) 的折射率n_b和高折射率介质柱(2)的折射率n_h之间满足n_h>n_b。

2.根据权利要求1所述的一种正方结构的全固态带隙光纤，其特征在于：所述高折射率介质柱(2)的周期Λ的取值范围为：6μm≤Λ≤20μm；高折射率介质柱(2)的周期Λ、高折射率介质柱(2)的直径d之间的关系为：0.1≤d/Λ≤0.4，周期Λ是两个相邻高折射率介质柱(2)中心之间的间距。

3.根据权利要求1所述的一种正方结构的全固态带隙光纤，其特征在于：所述高折射率介质柱(2)与基质材料(1)的折射率差关系为：0.005≤n_h-n_b≤0.05。

4.根据权利要求1所述的一种正方结构的全固态带隙光纤，其特征在于：所述高折射率介质柱层的层数y满足，2≤y≤5。