CN104865635A - 一种椭圆包层保偏大模场增益光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种椭圆包层保偏大模场增益光纤，光纤结构包括：椭圆包层保偏大模场增益光纤的纤芯；内包层，包裹在纤芯外部；椭圆应力层，包裹在内包层外部，其中，椭圆应力层在椭圆包层保偏大模场增益光纤的横截面上的形状为椭圆形；第一外包层，包裹在椭圆应力层外部；第二外包层，包裹在第一外包层外部；第三外包层，包裹在第二外包层外部。由于椭圆包层型保偏光纤的双折射率与椭圆度成正比，只需要在制棒过程中附加保偏应力区的沉积即可，并且不需要进行打孔等工序，从而不会在光纤预制棒中引入不可避免的杂质，就能够使得拉丝后光纤的损耗降低、强度提高，整个制备过程步骤简单，同时提高了光纤的双折射率和泵浦吸收。

Description

一种椭圆包层保偏大模场增益光纤

技术领域

本发明涉及光纤激光器和放大器领域，尤其涉及一种椭圆包层保偏大模场增益光纤。

背景技术

以双包层掺镱光纤为增益介质的光纤激光器和放大器具有高输出功率、高电光转换效率、高光束质量等特点。但是，随着对激光输出功率要求的不断增加，单个光纤激光器难以满足从数千瓦到数十万瓦的应用需求，必须通过合束的方法将数个光纤激光器输出合成单一的激光输出。通过使用具有保偏特性的大模场光纤制作激光器，就能够对多个光纤激光器的输出进行相干合束，从而大幅度地提高激光功率。

目前，保偏大模场增益光纤一般采用熊猫型光纤设计，请参考图1，图1是熊猫型保偏大模场增益光纤的结构示意图，如图1所示，光纤纤芯1的折射率高于光纤包层3的折射率，光纤包层3的折射率高于应力层2的折射率，但是，熊猫型大模场增益保偏光纤存在以下不足之处：(1)为了提高应力双折射效果，需要光纤预制棒直径很大以便进行打孔和插棒，同时熊猫型大模场增益保偏光纤利用打孔法制备，在钻孔、打磨等冷加工工序复杂，容易混入杂质，制备过程复杂；(2)保偏区折射率低于纤芯包层折射率，只起到应力保偏作用，对纤芯的波导设计一般不起作用；(3)包层的泵浦吸收容易产生螺旋光，造成泵浦光损失，泵浦吸收较低；(4)对于包层与纤芯直径比例较小的大模场光纤设计，由于应力区域受到限制，难于达到高双折射率的要求。

因此，现有技术中熊猫型保偏大模场增益光纤存在制备过程复杂、双折射率较低和泵浦吸收较低的技术问题。

发明内容

本发明实施例通过提供一种椭圆包层保偏大模场增益光纤，用以解决现有技术中熊猫型大模场增益保偏光纤存在的制备过程复杂、双折射率较低和泵浦吸收较低的技术问题。

本发明实施例一方面提供了一种椭圆包层保偏大模场增益光纤，包括：

椭圆包层保偏大模场增益光纤的纤芯包括二氧化硅玻璃，其中，所述二氧化硅玻璃包括掺杂增益物质，所述纤芯具有第一折射率；

内包层，包裹在所述纤芯外部，所述内包层具有第二折射率，所述第二折射率小于所述第一折射率；

椭圆应力层，包裹在所述内包层外部，所述椭圆应力层具有第三折射率，所述第三折射率小于或等于所述第二折射率，其中，所述椭圆应力层在所述椭圆包层保偏大模场增益光纤的横截面上的形状为椭圆形；

第一外包层，包裹在所述椭圆应力层外部，所述第一外包层具有第四折射率，所述第四折射率小于或等于所述第三折射率；

第二外包层，包裹在所述第一外包层外部，所述第二外包层具有第五折射率，所述第五折射率小于所述第四折射率；

第三外包层，包裹在所述第二外包层外部，所述第三外包层具有第六折射率，所述第六折射率大于所述第五折射率。

可选地，所述增益物质含有稀土元素，所述稀土元素包括镱、铒、铥、钬和钕中的至少一种。

可选地，所述纤芯还掺杂有铝、磷、锗、氟和硼中的至少一种元素。

可选地，所述椭圆应力层的椭圆度为40％～60％，所述椭圆度的定义为长轴与短轴的差除以长轴与短轴的和。

可选地，所述内包层包括掺杂锗、磷、氟和铝中至少一种元素的二氧化硅玻璃或二氧化硅玻璃。

可选地，所述椭圆应力层包括掺杂硼、锗、磷和氟中至少一种元素的二氧化硅玻璃。

可选地，所述第一外包层包括掺杂锗、磷、氟和铝中至少一种元素的二氧化硅玻璃或二氧化硅玻璃。

可选地，所述第二外包层包括掺氟的二氧化硅玻璃，第一外包层相对于第二外包层的数值孔径大于0.1。

可选地，所述第二外包层包括有机硅涂层，第一外包层相对于第二外包层的数值孔径大于0.3。

可选地，所述第二外包层包括含氟的聚丙烯酸酯涂层，第一外包层相对于第二外包层的数值孔径大于0.35。

可选地，所述第三外包层包括聚丙烯酸酯涂层。

可选地，所述纤芯相对于所述内包层的数值孔径为0.04到0.10，所述纤芯的直径为8到35微米，所述内包层的直径与所述纤芯的直径之比为1.0到6.0，所述第一外包层的直径为125到600微米，所述第二外包层的厚度不小于5微米。

本发明实施例另一方面还提供了一种椭圆包层保偏大模场增益光纤，包括：

椭圆包层保偏大模场增益光纤的纤芯由掺杂增益物质的二氧化硅玻璃组成，所述纤芯具有第一折射率；

椭圆应力层，包裹在所述纤芯外部，所述椭圆应力层具有第二折射率，所述第二折射率小于所述第一折射率，其中，所述椭圆应力层在所述椭圆包层保偏大模场增益光纤的横截面上的形状为椭圆形；

第一外包层，包裹在所述椭圆应力层外部，所述第一外包层具有第三折射率，所述第三折射率小于或等于所述第二折射率；

第二外包层，包裹在所述第一外包层外部，所述第二外包层具有第四折射率，所述第四折射率小于所述第三折射率；

第三外包层，包裹在所述第二外包层外部，所述第三外包层具有第五折射率，所述第五折射率小于所述第四折射率。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、由于椭圆包层型保偏光纤的双折射率与椭圆度成正比，而对光纤预制棒的直径没有限制，只需要在制棒过程中附加保偏应力区的沉积即可，并且不需要进行打孔等工序，从而不会在光纤预制棒中引入一些不可避免的杂质，就能够使得拉丝后光纤的损耗降低、强度提高，整个制备过程步骤简单。

2、由于采用了椭圆应力层的设计，应力区与纤芯相对接近，提高了椭圆包层保偏大模场增益光纤的双折射率，并且使得包层与纤芯直径比例较小的大模场光纤设计容易实现。

3、椭圆应力层和内包层一起能够成为纤芯波导设计的一部分，通过提高椭圆包层和内包层的折射率，或者椭圆应力层直接取代内包层，使得光纤设计更加简洁，从而使得纤芯数值孔径相对降低，解决了高掺杂浓度和低数值孔径要求这一对矛盾。

4.椭圆应力层在传统双包层结构中，增加了一个紧贴纤芯的泵浦波导，且破坏了第一外包层的圆柱对称性，可以减少螺旋光的形成，大大增加泵浦吸收效率。

附图说明

图1为现有技术中熊猫型保偏大模场增益光纤的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种椭圆包层保偏大模场增益光纤的示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种椭圆包层保偏大模场增益光纤的示意图。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种椭圆包层保偏大模场增益光纤，解决现有技术中熊猫型保偏大模场增益光纤存在的制备过程复杂、双折射率较低和泵浦吸收较低的技术问题。

本发明实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本发明实施例提供了一种椭圆包层保偏大模场增益光纤，请参考图2，图2是本发明实施例提供的椭圆包层型保偏光纤的示意图，如图2所示，包括：

椭圆包层保偏大模场增益光纤的纤芯201包括二氧化硅玻璃，其中，二氧化硅玻璃掺杂有增益物质，纤芯具有第一折射率；

内包层202，包裹在纤芯201外部，内包层202具有第二折射率，第二折射率小于第一折射率；

椭圆应力层203，包裹在内包层202外部，椭圆应力层203具有第三折射率，其中，椭圆应力层203在椭圆包层保偏大模场增益光纤的横截面上的形状为椭圆形；

第一外包层204，包裹在椭圆应力层203外部，第一外包层204具有第四折射率；

第二外包层205，包裹在第一外包层204外部，第二外包205层具有第五折射率；

第三外包层206，包裹在第二外包层205外部，第三外包层206具有第六折射率。

在本实施例中，请继续参考图2，椭圆包层保偏大模场增益光纤的纤芯201的第一折射率大于内包层202的第二折射率，也即第二折射率小于第一折射率；内包层202的第二折射率大于或等于椭圆应力层203的第三折射率，也即第三折射率小于或等于第二折射率；椭圆应力层203的第三折射率大于或等于第一外包层204的第四折射率，也即第四折射率小于或等于第三折射率；第一外包层204的第四折射率大于第二外包层205的第五折射率，也即第五折射率小于第四折射率；第二外包层205的第五折射率小于第三外包层206的第六折射率，也即第六折射率大于第五折射率。

由于椭圆包层型保偏光纤的双折射率的计算公式为：其中，B₀为双折射率，c为应力-光弹系数，E为弹性模量，v为泊松比，Δa为应力区的线膨胀系数差，ΔT为应力区应力材料的软化温度与冷却成型的室温差，b为保偏光纤的外半径，r1为椭圆包层的长轴半径，r2为椭圆包层的短轴半径，可以看出，由于椭圆包层型保偏光纤的双折射率与椭圆度成正比，而对光纤预制棒的直径没有限制，只需要在制棒过程中将保偏区一步进行沉积即可，并且不需要进行打孔等工序，从而不会在光纤预制棒中引入一些不可避免的杂质，使得拉丝后光纤的损耗降低、整个制备过程步骤简单，提高了光纤预制棒的质量。

同时，由于采用了椭圆应力层的设计，椭圆应力层和内包层一起能够成为纤芯波导设计的一部分，提高了椭圆包层保偏大模场增益光纤的双折射率，并且椭圆应力层不仅能够起到应力作用，还能够起到增强泵浦吸收的作用，从而提高了包层的泵浦吸收，减少螺旋光的产生。

在具体实施过程中，椭圆包层保偏大模场增益光纤的纤芯201包括的二氧化硅玻璃中掺杂的增益物质含有稀土元素，稀土元素包括镱、铒、铥、钬和钕中的至少一种，在此不做限制。

在具体实施过程中，椭圆包层保偏大模场增益光纤的纤芯201除了掺杂增益物质之外，还可以掺杂铝、磷、锗、氟和硼中的至少一种元素，以保证或增强纤芯201的传输性能，在此就不再赘述了。

在具体实施过程中，椭圆应力层203的椭圆度为40％～60％，椭圆度的定义为长轴与短轴的差除以长轴与短轴的和。因为椭圆包层保偏大模场增益光纤的双折射率取决于椭圆应力区的设计，应当尽可能地提高应力区的椭圆度以达到双折射率的要求，但是增大椭圆度会在拉丝过程中使得芯径椭圆度增大，对光纤的模长直径和损耗存在影响，在这样的情况下，椭圆应力层的椭圆度为40％～60％是一个较为合适的选择，同时兼顾了两方面。

在具体实施过程中，内包层202包括掺杂锗、磷、氟和铝中至少一种元素的二氧化硅玻璃，或二氧化硅玻璃(需要说明的是，此处的二氧化硅玻璃是指没有特意掺杂其他元素的二氧化硅玻璃，其纯度以满足实际需求即可，在此不做限制)。

在具体实施过程中，椭圆应力层203包括掺杂硼、锗、磷和氟中至少一种元素的二氧化硅玻璃。

在具体实施过程中，第一外包层204包括掺杂锗、磷、氟和铝中至少一种元素的二氧化硅玻璃或二氧化硅玻璃(需要说明的是，此处的二氧化硅玻璃是指没有特意掺杂其他元素的二氧化硅玻璃，其纯度以满足实际需求即可，在此不做限制)。

在具体实施过程中，第二外包层205可以包括掺氟的二氧化硅玻璃，第一外包层204相对于第二外包层205的数值孔径大于0.1。

在另一实施例中，第二外包层205可以包括有机硅涂层，第一外包层204相对于第二外包层205的数值孔径大于0.3。

在另一实施例中，第二外包层205可以包括含氟的聚丙烯酸酯涂层，第一外包层204相对于第二外包层205的数值孔径大于0.35。

在具体实施过程中，第三外包层206可以包括聚丙烯酸酯涂层，从而起到保护光纤的作用。

在具体实施过程中，纤芯201相对于内包层202的数值孔径为0.04到0.10，纤芯的直径为8到35微米，内包层202的直径与纤芯的直径之比为1.0到6.0，第一外包层204的直径为125到600微米，第二外包层205的厚度不小于5微米。

请参考图3，图3为本发明实施例提供的另一种椭圆包层保偏大模场增益光纤的示意图，如图3所示，该椭圆包层保偏大模场增益光纤包括：

椭圆包层保偏大模场增益光纤的纤芯301由掺杂增益物质的二氧化硅玻璃组成，所述纤芯具有第一折射率；

椭圆应力层302，包裹在所述纤芯301外部，所述椭圆应力层具有第二折射率，所述第二折射率小于所述第一折射率，其中，所述椭圆应力层在所述椭圆包层保偏大模场增益光纤的横截面上的形状为椭圆形；

第一外包层303，包裹在所述椭圆应力层302外部，所述第一外包层具有第三折射率，所述第三折射率小于或等于所述第二折射率；

第二外包层304，包裹在所述第一外包层303外部，所述第二外包层具有第四折射率，所述第四折射率小于所述第三折射率；

第三外包层305，包裹在第二外包层304外部，第三外包层305具有第五折射率，第五折射率小于第四折射率。

在本实施例中，椭圆应力层直接取代了现有技术中光纤的内包层，使得光纤设计更加简洁，从而使得纤芯数值孔径相对降低，解决了高掺杂浓度和低数值孔径要求这一对矛盾。

需要说明的是，本实施例中的纤芯301、椭圆应力层302、第一外包层303、第二外包层304和第三外包层305可以分别与前述实施例中介绍的纤芯201、椭圆应力层203、第一外包层204、第二外包层205和第三外包层206相同，在前述实施例中已经详细介绍了纤芯301、椭圆应力层203、第一外包层204、第二外包层205和第三外包层206，在此为了说明书的简洁，就不再赘述了。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、由于椭圆包层型保偏光纤的双折射率与椭圆度成正比，而对光纤预制棒的直径没有限制，只需要在制棒过程中附加保偏应力区的沉积即可，并且不需要进行打孔等工序，从而不会在光纤预制棒中引入一些不可避免的杂质，就能够使得拉丝后光纤的损耗降低、强度提高，整个制备过程步骤简单。

2、由于采用了椭圆应力层的设计，应力区与纤芯相对接近，提高了椭圆包层保偏大模场增益光纤的双折射率，并且使得包层与纤芯直径比例较小的大模场光纤设计容易实现。

3、椭圆应力层和内包层一起能够成为纤芯波导设计的一部分，通过提高椭圆包层和内包层的折射率，或者椭圆应力层直接取代内包层，使得光纤设计更加简洁，从而使得纤芯数值孔径相对降低，解决了高掺杂浓度和低数值孔径要求这一对矛盾。

4.椭圆应力层在传统双包层结构中，增加了一个紧贴纤芯的泵浦波导，且破坏了第一外包层的圆柱对称性，可以减少螺旋光的形成，大大增加泵浦吸收效率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种椭圆包层保偏大模场增益光纤，其特征在于，包括：

椭圆包层保偏大模场增益光纤的纤芯包括二氧化硅玻璃，其中，所述二氧化硅玻璃掺杂有增益物质，所述纤芯具有第一折射率；

内包层，包裹在所述纤芯外部，所述内包层具有第二折射率，所述第二折射率小于所述第一折射率；

椭圆应力层，包裹在所述内包层外部，所述椭圆应力层具有第三折射率，所述第三折射率小于或等于所述第二折射率，其中，所述椭圆应力层在所述椭圆包层保偏大模场增益光纤的横截面上的形状为椭圆形；

第一外包层，包裹在所述椭圆应力层外部，所述第一外包层具有第四折射率，所述第四折射率小于或等于所述第三折射率；

第二外包层，包裹在所述第一外包层外部，所述第二外包层具有第五折射率，所述第五折射率小于所述第四折射率；

第三外包层，包裹在所述第二外包层外部，所述第三外包层具有第六折射率，所述第六折射率大于所述第五折射率。

2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述增益物质含有稀土元素，所述稀土元素包括镱、铒、铥、钬和钕中的至少一种。

3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述纤芯还掺杂有铝、磷、锗、氟和硼中的至少一种元素。

4.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述椭圆应力层的椭圆度为40％～60％，所述椭圆度的定义为长轴与短轴的差除以长轴与短轴的和。

5.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述内包层包括掺杂锗、磷、氟和铝中至少一种元素的二氧化硅玻璃或二氧化硅玻璃。

6.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述椭圆应力层包括掺杂硼、锗、磷和氟中至少一种元素的二氧化硅玻璃。

7.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第一外包层包括掺杂锗、磷、氟和铝中至少一种元素的二氧化硅玻璃或二氧化硅玻璃。

8.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第二外包层包括掺氟的二氧化硅玻璃，第一外包层相对于第二外包层的数值孔径大于0.1。

9.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第二外包层包括有机硅涂层，第一外包层相对于第二外包层的数值孔径大于0.3。

10.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第二外包层包括含氟的聚丙烯酸酯涂层，第一外包层相对于第二外包层的数值孔径大于0.35。

11.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第三外包层包括聚丙烯酸酯涂层。

12.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述纤芯相对于所述内包层的数值孔径为0.04到0.10，所述纤芯的直径为8到35微米，所述内包层的直径与所述纤芯的直径之比为1.0到6.0，所述第一外包层的直径为125到600微米，所述第二外包层的厚度不小于5微米。

13.一种椭圆包层保偏大模场增益光纤，其特征在于，包括：

椭圆包层保偏大模场增益光纤的纤芯由掺杂增益物质的二氧化硅玻璃组成，所述纤芯具有第一折射率；

椭圆应力层，包裹在所述纤芯外部，所述椭圆应力层具有第二折射率，所述第二折射率小于所述第一折射率，其中，所述椭圆应力层在所述椭圆包层保偏大模场增益光纤的横截面上的形状为椭圆形；

第一外包层，包裹在所述椭圆应力层外部，所述第一外包层具有第三折射率，所述第三折射率小于或等于所述第二折射率；

第二外包层，包裹在所述第一外包层外部，所述第二外包层具有第四折射率，所述第四折射率小于所述第三折射率；

第三外包层，包裹在所述第二外包层外部，所述第三外包层具有第五折射率，所述第五折射率小于所述第四折射率。