CN105607183B - 一种抗弯曲瓣状大模场单模光纤 - Google Patents

一种抗弯曲瓣状大模场单模光纤 Download PDF

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Abstract

一种抗弯曲瓣状大模场单模光纤，属于大功率光纤放大器、激光器、特种光纤。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布的N个相同半径、弧度和厚度的瓣状纤芯(2,1)……(2,N)，内包层(3)，外包层(4)，3≤N≤8整数；掺稀土离子芯区(1)的折射率剖面呈抛物线形，最大相对折射率差Δ＝(n1‑n2)，瓣状纤芯(2,1)……(2,N)的折射率相等，为n1；内包层(3)的折射率小于瓣状纤芯(2,1)……(2,N)的折射率，为n2；外包层(4)的折射率小于内包层(3)的折射率。本发明不仅解决了瓣状光纤弯曲带来的不利影响，提高了光纤的抗弯曲性能，而且实现大有效模场面积单模特性。本发明制作方法简便有效，适用于大规模生产。

Description

一种抗弯曲瓣状大模场单模光纤
技术领域
本发明涉及一种抗弯曲瓣状大模场单模光纤，属于大功率光纤放大器、激光器、特种光纤领域。
背景技术
掺稀土光纤放大器或激光器采用掺稀土元素(Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm，Yb 等)离子光纤，利用受激辐射机制实现光的直接放大。
光纤激光器以其卓越的性能和低廉的价格，在光纤通信、工业加工、医疗、军事等领域取得了日益广泛的应用。随着激光技术应用的发展，材料加工、空间通信、激光雷达、光电对抗、激光武器等的发展，需要高功率、高质量的激光，要求单模输出功率达到MW甚至GW量级。而仅仅采用单模有源纤芯的双包层掺稀土光纤激光器，由于单模有源纤芯芯径小于等于10微米，受到非线性、结构元素和衍射极限的限制，承受的光功率有限，单模有源光纤纤芯连续波损坏阈值约1W/m2[J.Nilsson，J.K.Sahu，Y.Jeong，W.A.Clarkson，R.Selvas，A.B.Grudinin，and S.U.Alam，”High Power Fiber Lasers：New Developments”，Proceedings of SPIE Vol.4974，50-59(2003)]，其光学损坏危险成为实现大功率单模光纤激光器的一大挑战.除了光学损坏外，由于大功率光产生的热也会损坏光纤，甚至会最终融化纤芯。有文献报道，铒镱共掺光纤激光器每米可产生100W热。
多芯光纤激光器实现单模输出，已经得到实现证实。文献中采用的多芯光纤有效模场面积达到465μm2[Vogel，Moritx M，Abdou-Ahmed，Marwan，Voss， Andreas，Graf，Thomas，”Very large mode area single-mode multicore fiber”， Opt.Lett.34(18)，2876-2878(2009)]。然而这种单模激光器采用的多芯光纤，对光纤纤芯的芯径以及相邻纤芯之间的距离需要精确的设计，对光纤纤芯之间的距离的容许误差小，批量生产成品率低。
多沟槽光纤是一种新型光纤，通过多环形芯环绕，实现单模工作[D.Jain,C.Baskiotis,J.K.Sahu,”Mode area scaling with multi-trench rod-type fibers,Optics express”,2013]。这种光纤，工艺要求高，与普通光纤连接损耗大，弯曲引起的双折射是克服不了的难题。
瓣状光纤是一种新型光纤，选取特定的光纤参数，能够实现单模工作 [A.Yeung，K.S.Chiang，V.Rastogi，P.L.Chu，and G.D.Peng，”Experimental demonstration ofsingle-mode operation of large-core segmented cladding fiber，”in OpticalFiber Communication Conference，Technical Digest(CD)(Optical Society ofAmerica，2004)，paper ThI4.]。这种光纤，其特定的结构是增加基模以外的损耗，实现了在芯层直径在50微米的光纤中实现单模工作，然而其弯曲带来的不利影响无法消除。
发明内容
为克服现有大模场单模多芯光纤批量生产成品率低、单芯多掺稀土离子区双包层光纤承受光功率有限、多沟槽光纤弯曲敏感以及分块包层光纤芯层抗弯曲性差等缺陷，提出了一种抗弯曲瓣状大模场单模光纤。
本发明的技术方案：
抗弯曲瓣状大模场单模光纤，该光纤中心为掺稀土离子芯区，由内到外分布围绕掺稀土离子芯区均匀分布的N个相同半径、弧度和厚度的瓣状纤芯，内包层，外包层，3≤N≤8整数；
掺稀土离子芯区的折射率剖面呈抛物线形，最大相对折射率差Δ＝(n1-n2)，瓣状纤芯的折射率相等，为n1；内包层的折射率小于瓣状纤芯的折射率，为n2；外包层的折射率小于内包层的折射率。
掺稀土离子芯区、瓣状纤芯的掺稀土离子类型包括钕离子、铒离子、镱离子、钍离子、镨离子、钬离子、钐离子、钕镱共掺离子或铒镱共掺离子；掺稀土离子芯区、瓣状纤芯的掺稀土离子类型相同。
掺稀土离子芯区的纤芯半径R1为23～27μm；瓣状纤芯的厚度d为70～80μ m。
瓣状纤芯围绕掺稀土离子芯区均匀分布，各块瓣状纤芯弧度等于15°～25°。
本发明的有益效果具体如下：设计了一种抗弯曲瓣状大模场单模光纤，解决了瓣状光纤因弯曲造成的模式畸变和单模特性恶化问题，能在改善瓣状光纤弯曲特性的情况下实现大功率的激光输出，通过调整光纤中心掺稀土离子芯区的直径和最大相对折射率差、以及掺稀土瓣状纤芯的厚度和瓣数，实现光纤大的有效模场面积，能实现大功率单模激光输出。由于瓣状光纤的角度可调节，从而有利于实现纤芯热扩散，有效地提高了光纤的抗热能力和单模特性。
附图说明
图1是本发明光纤一个实施例的折射率剖面示意图和对应的光纤(4瓣)截面示意图
图2为本发明光纤另一个实施例的折射率剖面示意图和对应的光纤(6瓣) 截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例一，抗弯曲4瓣大模场单模光纤，参见图1。该光纤中心为掺稀土离子芯区1，围绕掺稀土离子芯区1均匀分布4个相同半径、弧度和厚度的瓣状纤芯21、22、23、24，内包层3，外包层4，本实例中N＝4；
掺稀土离子芯区1、瓣状纤芯21、22、23、24的掺稀土离子类型均为铒离子。
掺稀土离子芯区1的中心、瓣状纤芯21、22、23、24的折射率相等。
掺稀土离子芯区1最大相对折射率差Δ＝(n1-n2)＝0.005，内包层3的折射率小于瓣状纤芯21的折射率，外包层4的折射率小于内包层3的折射率。
掺稀土离子芯区1的直径为50μm，瓣状纤芯的厚度为75μm，角度为 22.5°。
实施例二，抗弯曲6瓣大模场单模光纤，参见图2。该光纤中心为掺稀土离子芯区1，围绕掺稀土离子芯区1均匀分布6个相同半径、弧度和厚度的瓣状纤芯21、22、23、24、25、26，内包层3，外包层4，本实例中N＝6。
掺稀土离子芯区1、瓣状纤芯21、22、23、24、25、26的掺稀土离子类型均为铒离子。
掺稀土离子芯区1的中心、瓣状纤芯21、22、23、24、25、26的折射率相等。
掺稀土离子芯区1最大相对折射率差Δ＝(n1-n2)＝0.01，内包层3的折射率小于瓣状纤芯21的折射率，外包层4的折射率小于内包层3的折射率。
掺稀土离子芯区1的直径为50μm，瓣状纤芯的厚度为75μm，角度为 22.5°。

Claims (4)

1.抗弯曲瓣状大模场单模光纤，其特征为：该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布的N个相同半径、弧度和厚度的瓣状纤芯(21)……(2N)，内包层(3)，外包层(4)，3≤N≤8整数；
掺稀土离子芯区(1)的折射率横剖面呈抛物线形，最大相对折射率差Δ＝(n1-n2)，为0.3％～1.1％；稀土离子芯区(1)的中心、瓣状纤芯(21)……(2N)的折射率相等，为n1；内包层(3)的折射率小于瓣状纤芯(21)……(2N)的折射率，为n2；外包层(4)的折射率小于内包层(3)的折射率。
2.根据权利要求1所述的抗弯曲瓣状大模场单模光纤，其特征为：掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(21)……(2N)的掺稀土离子类型包括钕离子、铒离子、镱离子、钍离子、镨离子、钬离子、钐离子、钕镱共掺离子或铒镱共掺离子；掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(21)……(2N)的掺稀土离子类型相同。
3.根据权利要求1所述的抗弯曲瓣状大模场单模光纤，其特征为：掺稀土离子芯区(1)的纤芯半径R1为23～27μm；瓣状纤芯(21)……(2N)的厚度d为70～80μm。
4.根据权利要求1所述的抗弯曲瓣状大模场单模光纤，其特征为：瓣状纤芯(21)(22)……(2N)围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布，各块瓣状纤芯弧度等于15°～25°。
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