CN106842413A - 一种大模场单模多层纤芯的瓣状光纤 - Google Patents

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Abstract

一种大模场单模多层纤芯的瓣状光纤，属于大功率光纤放大器、激光器和特种光纤。克服了现有大模场单模光纤批量生产成品率低以及瓣状光纤模场面积有限等缺陷。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一硅环芯(2，1)、第一掺稀土离子环芯(3,1)…第N层硅环芯(2，N)、第N层掺稀土离子环芯(3，N)，围绕第N层离子环芯均匀分布M个相同半径和弧度的瓣状芯(4,1)…(4,M)，内包层(5)，外包层(6)。离子芯区、离子环芯、瓣状芯的折射率相等，为n1；硅环芯的折射率相等，为n2；n2<n1。瓣状纤芯由一根光纤预制棒处理成M个相同半径和弧度的瓣状纤芯，节省材料、便于制造。本发明制造方法简便有效，适用于大规模生产。

Description

一种大模场单模多层纤芯的瓣状光纤
技术领域
本发明涉及一种大模场单模多层纤芯的瓣状光纤，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，2010年已经报道了10kW功率的连续激光器。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。然而，非线性效应限制了功率的增加。增加模场面积是抑制非线性效应的一个有效方法。2011年，Tino Eidam等人发现模式不稳现象是损害高功率光束质量的主要因素。导致模式不稳的因素包括横向烧孔、发热引起的光纤折射率变化等，这些使得高阶模式获得更高的增益。因此，抑制高阶模式，保持单模运行，是提高高功率光纤激光器和放大器性能的重要方式之一。
这些年来，许多新型的强激光光纤已经被设计和制造。但是大部分的强激光光纤都有一定的缺陷，比如结构复杂、制造难度大、弯曲特性差等。
由于现有的制造技术限制，利用传统光纤制造方法很难实现数值孔径低于0.05的阶跃型光纤。
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，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。
光子晶体光纤可以实现超大模场面积，不过其受到弯曲损耗的困扰，制造难度大、成本高。
多芯光纤激光器实现单模输出，有效模场面积可达到465μm2。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。
瓣状光纤通过选取特定的光纤参数，能够实现单模工作。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，然而其功率的提高受限于芯层半径。
多沟槽光纤是一种新型光纤，通过多层形芯环绕，实现单模工作。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。
发明内容
为克服现有传统光纤数值孔径受限、单芯多掺稀土离子区双包层光纤承受光功率有限、光子晶体光纤空气孔制作难度大、大模场单模多芯光纤批量生产成品率低、瓣状光纤芯层直径有限、以及多沟槽光纤弯曲敏感等缺陷，提出了一种大模场单模多层纤芯的瓣状光纤。
1.大模场单模多层纤芯的瓣状光纤，该光纤中心为掺稀土离子芯区，由内到外分布第一层硅环芯、第一层掺稀土离子环芯……第N层硅环芯、第N层掺稀土离子环芯，该光纤内包层围绕第N层掺稀土离子环芯均匀分布M个相同半径和弧度的瓣状纤芯，内包层，外包层，1≤N≤5整数，3≤M≤32整数；掺稀土离子芯区、第一层掺稀土离子环芯……第N层掺稀土离子环芯、瓣状纤芯的折射率相等；第一层硅环芯……第N层硅环芯的折射率相等；
第一层硅环芯……第N层硅环芯的折射率小于掺稀土离子芯区、掺稀土离子环芯、瓣状纤芯的折射率；内包层的折射率小于第一层硅环芯……第N层硅环芯的折射率，外包层的折射率小于内包层的折射率。
2.掺稀土离子芯区、第一层掺稀土离子环芯……第N层掺稀土离子环芯、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、第一层掺稀土离子环芯……第N层掺稀土离子环芯、瓣状纤芯的掺稀土离子类型相同。
3.掺稀土离子芯区的纤芯直径小于等于50μm；第一层掺稀土离子环芯……第N层掺稀土离子环芯的各环芯厚度小于等于5μm，瓣状纤芯的半径小于等于25μm。
4.掺稀土离子芯区与第一层掺稀土离子环芯的最小距离小于等于5μm，各层掺稀土离子环芯之间的最小距离小于等于5μm，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)……(4,M)均匀分布，瓣状纤芯由一根光纤预制棒处理成，各块瓣状纤芯弧度等于360°除以M。
本发明的有益效果具体如下：一种大模场单模多层纤芯的瓣状光纤，能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面积、掺稀土离子环芯的厚度，以及掺稀土瓣状纤芯的半径和角度，调节硅环芯的层数和厚度，实现光纤大的有效模场面积，能实现大功率单模激光输出。由于硅环的存在和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。瓣状纤芯可由一根光纤预制棒制成，节约了制造成本。
附图说明
图1为大模场面积单模1层3瓣光纤的光纤截面图。
图2为大模场面积单模1层4瓣光纤的光纤截面图。
图3为大模场面积单模1层6瓣光纤的光纤截面图。
图4为大模场面积单模1层16瓣光纤的光纤截面图。
图5为大模场面积单模3层3瓣光纤的光纤截面图。
图6为大模场面积单模3层4瓣光纤的光纤截面图。
图7为大模场面积单模3层6瓣光纤的光纤截面图。
图8为大模场面积单模3层16瓣光纤的光纤截面图。
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
大模场面积单模1层3瓣光纤，参见图1。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)，围绕第一层掺稀土离子环芯(3，1)均匀分布3个相同半径、弧度和厚度的瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)，内包层(5)，外包层(6)，本实例中N＝1，M＝3；
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)的掺稀土离子类型均为铒离子。
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)的折射率相等；
第一层硅环芯(2，1)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率
掺稀土离子芯区(1)的直径为50μm，掺稀土离子环芯的厚度为3μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为120°
硅环芯的厚度为3μm。
实施例二
大模场面积单模1层4瓣光纤，参见图2。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)，围绕第一层掺稀土离子环芯(3，1)均匀分布4个相同半径、弧度和厚度的瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)，内包层(5)，外包层(6)，本实例中N＝1，M＝4；
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的掺稀土离子类型均为铒离子。
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的折射率相等；
第一层硅环芯(2，1)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率
掺稀土离子芯区(1)的直径为50μm，掺稀土离子环芯的厚度为3μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为90°
硅环芯的厚度为3μm。
实施例三
大模场面积单模1层6瓣光纤，参见图3。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)，该光纤内包层围绕第一层掺稀土离子环芯(3，1)均匀分布6个相同半径和弧度的瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)，内包层(5)，外包层(6)，本实例中N＝1，M＝6；
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)的掺稀土离子类型均为铒离子。
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)的折射率相等；
第一层硅环芯(2，1)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、瓣状纤芯(4,1)……(4,6)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率
掺稀土离子芯区(1)的直径为20μm，掺稀土离子环芯的厚度为3μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为60°
硅环芯的厚度为3μm。
实施例四
大模场面积单模1层16瓣光纤，参见图4。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)，该光纤内包层围绕第一层掺稀土离子环芯(3，1)均匀分布16个相同半径和弧度的瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)，内包层(5)，外包层(6)，本实例中N＝1，M＝16；
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)的掺稀土离子类型均为铒离子。
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)的折射率相等；
第一层硅环芯(2，1)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、瓣状纤芯(4,1)……(4,16)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率
掺稀土离子芯区(1)的直径为20μm，掺稀土离子环芯的厚度为3μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为22.5°
硅环芯的厚度为3μm。
实施例五
大模场面积单模3层3瓣光纤，参见图5。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)、第二层硅环芯(2，2)、第二层掺稀土离子环芯(3,2)、第三层硅环芯(2，3)、第三层掺稀土离子环芯(3,3)，该光纤内包层围绕第三层掺稀土离子环芯(3，3)均匀分布3个相同半径和弧度的瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)，内包层(5)，外包层(6)，本实例中N＝3，M＝3；
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)的掺稀土离子类型均为铒离子。
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)的折射率相等；
第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率相等；第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)……(3,3)、瓣状纤芯(4,1)……(4,3)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率
掺稀土离子芯区(1)的直径为20μm，掺稀土离子环芯的厚度为3μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为120°
硅环芯的厚度为3μm。
实施例六
大模场面积单模3层4瓣光纤，参见图6。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)、第二层硅环芯(2，2)、第二层掺稀土离子环芯(3,2)、第三层硅环芯(2，3)、第三层掺稀土离子环芯(3,3)，该光纤内包层围绕第三层掺稀土离子环芯(3，3)均匀分布4个相同半径和弧度的瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)，内包层(5)，外包层(6)，本实例中N＝3，M＝4；
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的掺稀土离子类型均为铒离子。
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的折射率相等；
第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率相等；第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)……(3,3)、瓣状纤芯(4,1)……(4,4)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率
掺稀土离子芯区(1)的直径为20μm，掺稀土离子环芯的厚度为3μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为90°
硅环芯的厚度为3μm。
实施例七
大模场面积单模3层6瓣光纤，参见图7。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)、第二层硅环芯(2，2)、第二层掺稀土离子环芯(3,2)、第三层硅环芯(2，3)、第三层掺稀土离子环芯(3,3)，该光纤内包层围绕第三层掺稀土离子环芯(3，3)均匀分布6个相同半径和弧度的瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)，内包层(5)，外包层(6)，本实例中N＝3，M＝6；
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的掺稀土离子类型均为铒离子。
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的折射率相等；
第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率相等；第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)……(3,3)、瓣状纤芯(4,1)……(4,6)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率
掺稀土离子芯区(1)的直径为20μm，掺稀土离子环芯的厚度为3μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为60°
硅环芯的厚度为3μm。
实施例八
大模场面积单模3层16瓣光纤，参见图8。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)、第二层硅环芯(2，2)、第二层掺稀土离子环芯(3,2)、第三层硅环芯(2，3)、第三层掺稀土离子环芯(3,3)，该光纤内包层围绕第三层掺稀土离子环芯(3，3)均匀分布16个相同半径和弧度的瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)，内包层(5)，外包层(6)，本实例中N＝3，M＝16；
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)的掺稀土离子类型均为铒离子。
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)的折射率相等；
第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率相等；第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)……(3,3)、瓣状纤芯(4,1)……(4,16)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率
掺稀土离子芯区(1)的直径为20μm，掺稀土离子环芯的厚度为3μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为22.5°
硅环芯的厚度为3μm。

Claims (4)

1.大模场单模多层纤芯的瓣状光纤，其特征为：该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)……第N层硅环芯(2，N)、第N层掺稀土离子环芯(3，N)，该光纤内包层围绕第N层掺稀土离子环芯(3，N)均匀分布M个相同半径和弧度的瓣状纤芯(4,1)……(4,M)，内包层(5)，外包层(6)，1≤N≤5整数，3≤M≤32整数；
掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)……(3,N)、瓣状纤芯(4,1)……(4,M)的折射率相等；第一层硅环芯(2，1)……第N层硅环芯(2，N)的折射率相等；第一层硅环芯(2，1)……第N层硅环芯(2，N)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)……(3,N)、瓣状纤芯(4,1)……(4,M)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)……第N硅环芯(2，N)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率。
2.根据权利要求1所述的大模场单模多层纤芯的瓣状光纤，其特征为：掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)……(3,N)、瓣状纤芯(4,1)……(4,M)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)、掺稀土离子环芯(3,1)……(3,N)、瓣状纤芯(4,1)……(4,M)的掺稀土离子类型相同。
3.根据权利要求1所述的大模场单模多层纤芯的瓣状光纤，其特征为：掺稀土离子芯区(1)的纤芯直径小于等于50μm；掺稀土离子环芯(3,1)……(3,N)的各环芯厚度小于等于5μm，瓣状纤芯(4,1)……(4,M)的半径小于等于25μm。
4.根据权利要求1所述的大模场单模多层纤芯的瓣状光纤，其特征为：掺稀土离子芯区(1)与第一层掺稀土离子环芯(3,1)的最小距离小于等于5μm，各层掺稀土离子环芯(3,1)……(3,N)之间的最小距离小于等于5μm，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)……(4,M)均匀分布，瓣状纤芯由一根光纤预制棒处理成，各块瓣状纤芯弧度等于360°除以M。
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