CN107132612A - 一种矩形芯子光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矩形芯子光纤，包括：横截面为矩形的纤芯、横截面边界形状为矩形的沟壑层、横截面边界形状为矩形的折射率缓冲层和外包层；其中，沟壑层的数量大于等于2；沟壑层的折射率小于预设折射率，其中，预设折射率为纤芯、折射率缓冲层和外包层中最小的折射率。本发明矩形芯子光纤的纤芯、沟壑层和折射率缓冲层都是具有矩形的结构，使得光纤在弯曲的情况下具有较大的基模模场面积，沟壑层的折射率是光纤中各个介质中折射率最小的，使得纤芯中的高阶模式具有较大的传输损耗，而基模传输性能较好，且制造工艺可以采用现有的简单光纤工艺制造，制造过程简单，解决了现有技术的问题。

Description

一种矩形芯子光纤
技术领域
本发明涉及微结构光纤领域，特别是涉及一种矩形芯子光纤。
背景技术
随着光纤激光器和放大器在工业、国防、科学研究、医疗等方面的推广与发展，对于大功率激光源的需求越来越多。输出功率千瓦量级的连续波光纤激光系统和峰值功率为兆瓦量级的短脉冲光纤激光器将逐渐成为未来工业、国防、科学研究、医疗等行业的必备工具。这些应用领域要求光纤激光源具有更高的输出功率、紧凑的结构和更低的成本。但是，非线性现象和模式不稳定现象成为了制约光纤激光源功率的提升的限制因素。而通过模场面积扩展和单模操作可以抑制这些不利因素。
近年来，研究人员已经设计实现了许多大模场面积光纤，但是大部分的大模场面积光纤都有一定的制约因素存在，比如结构复杂、制造难度大、弯曲特性差等，使得这些光纤在实际应用中受到限制。基于传统的光纤制造技术生产的阶跃型光纤的数值孔径一般大于0.06，为了同时保证大有效模场面积和单模传输，需要通过弯曲抑制纤芯中的高阶模式，基于此方法理论上可实现的模场面积极限约为370μm2；利用改进的光纤制造技术可以实现超低数值孔径的光纤，其数值孔径可低至0.038，可以实现750μm2的模场面积，但是这种光纤的制造工艺被少数国外研究机构所掌握，难以在我国进行学习推广。摒弃阶跃折射率分布，采用全新的导光机制，可实现扩大模场面积的同时得到单模输出，例如：光子带隙光纤(photonic bandgap fiber，简称为PBGF)、光子晶体光纤(photonic crystal fiber，简称为PCF)、泄漏通道型光纤(leakage channel fiber，简称为LCF)、和螺旋芯光纤(chirally-coupled-core fiber，简称为CCCF)等。这类光纤具有较大的模场面积和较好的高阶模式抑制能力，但是此类光纤制造工艺复杂，需要精确的堆棒和拉丝工艺。近年来提出的低折射率多层沟壑型光纤(MTF)具有易于制造的特点和较好的高阶模式抑制能力，但在弯曲的情况下模场面积小于800μm2，模场面积较小。
发明内容
本发明提供一种矩形芯子光纤，用以解决现有技术的如下问题：现有大模场面积光纤制造工艺较为复杂，不利于大规模工业生产，且光纤模场面积有待进一步提高，传输性能较差。
为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种矩形芯子光纤，包括：横截面为矩形的纤芯、横截面边界形状为矩形的沟壑层、横截面边界形状为矩形的折射率缓冲层和外包层；其中，所述沟壑层的数量大于等于2；所述沟壑层的折射率小于预设折射率，其中，所述预设折射率为所述纤芯、所述折射率缓冲层和所述外包层中最小的折射率。
可选的，所述外包层的横截面边界形状为矩形。
可选的，所述外包层与所述沟壑层的折射率差值的绝对值大于0.001。
可选的，所述外包层与所述折射率缓冲层的折射率差值的绝对值小于0.001。
可选的，所述外包层与所述折射率缓冲层的折射率相同。
可选的，所述纤芯、所述折射率缓冲层和所述外包层的折射率均相同。
可选的，所述外包层与所述纤芯的折射率差值的绝对值小于0.0005。
可选的，所述纤芯长边边长为短边边长的2倍。
可选的，各个所述沟壑层的厚度相等，和/或，各个所述折射率缓冲层的厚度相等。
本发明矩形芯子光纤的纤芯、沟壑层和折射率缓冲层都是具有矩形的结构，使得光纤在弯曲的情况下具有较大的基模模场面积，沟壑层的折射率是光纤中各个介质中折射率最小的，使得纤芯中的高阶模式具有较大的传输损耗，基模传输性能较好，且制造工艺可以采用现有的简单光纤工艺制造，制造过程简单，解决了现有技术的如下问题：现有大模场面积光纤制造工艺较为复杂，不利于大规模工业生产，且光纤模场面积有待进一步提高，传输性能较差。
附图说明
图1是本发明实施例中外包层为圆形的矩形芯子光纤的横截面示意图；
图2是图1中实施例矩形芯子光纤在弯曲和非弯曲时横截面AA’线上的折射率分布曲线；
图3是图1中实施例矩形芯子光纤在弯曲和非弯曲时横截面BB’线上的折射率分布曲线。
图4是外包层为矩形、沟壑层层数为3时的矩形芯子光纤的横截面示意图。
图5是外包层为矩形、沟壑层层数为4时的矩形芯子光纤的横截面示意图。
具体实施方式
为了解决现有技术的如下问题：现有光纤制造工艺较为复杂，不利于大规模工业生产，且光纤模场面积有待进一步提高，传输性能较差，本发明提供了一种矩形芯子光纤，该矩形芯子光纤的横截面示意图如图1所示，包括：
横截面为矩形的纤芯101、横截面边界形状为矩形的沟壑层102、横截面边界形状为矩形的折射率缓冲层103和外包层201；其中，沟壑层102的数量大于等于2；沟壑层102的折射率小于预设折射率，其中，预设折射率为纤芯101、折射率缓冲层103和外包层201中最小的折射率。
在图1中，外包层为圆形，沟壑层102设置的数量为3层，折射率缓冲层103设置的数量为2层，上述设置仅是一个示例，并不用于限定本发明实施例矩形芯子光纤各个层的层数。
本发明实施例矩形芯子光纤的纤芯、沟壑层和折射率缓冲层都是具有矩形的结构，使得光纤在弯曲的情况下具有较大的基模模场面积，沟壑层的折射率是光纤中各个介质中折射率最小的，使得纤芯中的高阶模式具有较大的传输损耗，基模传输性能较好，且制造工艺可以采用现有的简单光纤工艺制造，制造过程简单，解决了现有技术的如下问题：现有光纤制造工艺较为复杂，不利于大规模工业生产，且光纤模场面积有待进一步提高，传输性能较差。
在设置上述矩形芯子光纤时，可以对外包层与沟壑层的折射率进行一定的设置，例如，让外包层与沟壑层的折射率差值的绝对值大于0.001。
在设置上述矩形芯子光纤时，外包层与折射率缓冲层的折射率进行一定的设置，例如，让外包层与折射率缓冲层差值的绝对值小于0.001。
在具体实现时，为了达到更好的传输效果，还可以将外包层与折射率缓冲层的折射率设置为相等。
在具体实现时，为了达到更好的传输效果，还可以将纤芯、折射率缓冲层和外包层的折射率均设置为相等，此种情况下可以实现矩形芯子光纤的最佳性能。
在设置上述矩形芯子光纤时，可以对外包层与纤芯的折射率进行一定的设置，例如，让外包层与纤芯的折射率差值的绝对值小于0.0005。外包层与纤芯的折射率差值的绝对值达到上述一个较小的范围时，可以保证光纤的传输效率进一步提升。
由于本实施例提供的矩形芯子光纤是矩形结构，因此，可以对该矩形边长进行设置，以便在光纤发生弯曲时，可以具有较大的基模模场面积。在设置时，可以设置纤芯和外包层的长边边长均为短边边长的2倍。并且，弯曲方向垂直于长边方向。
除了纤芯为实心矩形结构，其他各个层均为环形矩形结构，并且具有一定的厚度，所以，也可以通过设置其他各个层的厚度来优化光纤性能。在设计光纤的各个层时，可以将各个沟壑层的厚度设置为相等，还可以将各个折射率缓冲层的厚度设置为相等。例如，光纤具有四个沟壑层和三个折射率缓冲层，则四个沟壑层的厚度均相等，三个折射率缓冲层的厚度均相等。
以下结合附图以及具体实例，对本发明上述矩形芯子光纤进行进一步说明。
图1已经展示了本实施例的矩形芯子光纤折射率横截面分布示意图，该图为一种用于输出单模激光的三层低折射率沟壑型矩形芯子光纤，包括矩形纤芯、包覆在纤芯外的三层矩形低折射率沟壑层、低折射率沟壑之间的矩形折射率缓冲层和外包层，其中沟壑层层数为3，外包层为圆形；低折射率沟壑层的折射率小于光纤其他区域(101、103、201)的折射率；纤芯、低折射率沟壑层和折射率缓冲层都为矩形。
在图2和图3中分别展示了上述矩形芯子光纤在AA’和BB’线上的折射率分布曲线，并且标示了相关光纤结构参数符号。
在本实施例中，外包层的折射率为ncl，外包层与低折射率沟壑层的折射率差值绝对值(Δntrench)处于0.001至0.007之间；折射率缓冲层的折射率与外包层的折射率相同；纤芯的折射率与外包层的折射率差值绝对值(Δnco)小于0.0001；垂直于弯曲方向的纤芯尺寸(长度用b表示，BB’方向)大于平行于弯曲方向的纤芯尺寸(长度用a表示，AA’方向)，例如，a为b为的二分之一，或a为b为的三分之一等；低折射率矩形沟壑相互垂直的两个方向上的宽度(ta,tb)可以相等，宽度值优选设置在1μm至8μm的范围之间；光纤外包层也可以设置为矩形，其AA’方向宽和BB’方向宽可以与纤芯尺寸具有相同的比例。
例如，外包层与低折射率沟壑层的折射率差值绝对值为0.004；折射率缓冲层的折射率与外包层的折射率相同；纤芯的折射率与外包层的折射率差值绝对值为0.00005；垂直于弯曲方向的纤芯尺寸(长度用b表示，BB’方向)大于平行于弯曲方向的纤芯尺寸(长度用a表示，AA’方向)，其中a为30μm，b为60μm；低折射率矩形沟壑相互垂直的两个方向上的宽度(ta,tb)相等，宽度值为3μm；光纤外包层为矩形，AA’方向宽为250μm，BB’方向宽为500μm。
例如，外包层与低折射率沟壑层的折射率差值绝对值为0.006；折射率缓冲层的折射率与外包层的折射率相同；纤芯的折射率与外包层的折射率差值绝对值为0.00007；垂直于弯曲方向的纤芯尺寸(长度用b表示，BB’方向)大于平行于弯曲方向的纤芯尺寸(长度用a表示，AA’方向)，其中a为32μm，b为68μm；低折射率矩形沟壑相互垂直的两个方向上的宽度(ta,tb)相等，宽度值为2μm；光纤外包层为矩形，AA’方向宽为264μm，BB’方向宽为561μm。
例如，外包层与低折射率沟壑层的折射率差值绝对值为0.003；折射率缓冲层的折射率与外包层的折射率相同；纤芯的折射率与外包层的折射率差值绝对值为0.00004；垂直于弯曲方向的纤芯尺寸(长度用b表示，BB’方向)大于平行于弯曲方向的纤芯尺寸(长度用a表示，AA’方向)，其中a为28μm，b为56μm；低折射率矩形沟壑相互垂直的两个方向上的宽度(ta,tb)相等，宽度值为2μm；光纤外包层为矩形，AA’方向宽为230μm，BB’方向宽为460μm。
图4展示了本实施例的矩形芯子光纤折射率横截面分布示意图，该图为一种用于输出单模激光的三层低折射率沟壑型矩形芯子光纤，包括矩形纤芯、包覆在纤芯外的三层矩形低折射率沟壑层、低折射率沟壑之间的矩形折射率缓冲层和外包层，其中沟壑层层数为3，外包层为矩形；低折射率沟壑层的折射率小于光纤其他区域(101、103、201)的折射率。与图1的区别在于，除了纤芯、低折射率沟壑层和折射率缓冲层都为矩形，其外包层横截面也为矩形，即整根矩形芯子光纤从外观上看是有棱角的光纤。
图5展示了本实施例的矩形芯子光纤折射率横截面分布示意图，该图为一种用于输出单模激光的四层低折射率沟壑型矩形芯子光纤，包括矩形纤芯、包覆在纤芯外的四层矩形低折射率沟壑层、低折射率沟壑之间的矩形折射率缓冲层和外包层，其中沟壑层层数为4，外包层为矩形；低折射率沟壑层的折射率小于光纤其他区域(101、103、201)的折射率；纤芯、低折射率沟壑层、折射率缓冲层和外包层都为矩形。
此外，在此实施例中，还可通过调整以下光纤结构参数优化光纤特性，包括：低折射率沟壑与外包层的折射率差(Δntrench)、纤芯的折射率与外包层的折射率差值(Δnco)、纤芯在相互垂直的两个方向上的尺寸(a,b)、低折射率矩形沟壑相互垂直的两个方向上的宽度(ta,tb)、折射率缓冲层相互垂直的两个方向上的宽度(da,db)等。
本发明中，矩形芯子光纤可以采用现有的制造方案，例如：
方案1：利用改进的化学汽相淀积法(MCVD)在矩形石英管内壁沉积高低折射率相间分布的多层结构和纤芯层，然后通过缩棒实现矩形芯子光纤预制棒的制造；通过普通的光纤拉丝工艺，实现此光纤；在拉丝时要控制好拉丝的温度和牵引力，使得光纤截面形状保持不变。
方案2：利用MCVD法在圆形或者矩形石英管内壁沉积高低折射率相间分布的多层结构；再制造一个矩形的石英棒作为芯子棒；在拉丝时，将矩形芯子棒套入沉积了高低折射率相间分布的石英管内，利用光纤拉丝工艺，拉制此光纤；在拉丝过程中，需要控制芯子棒与石英管之间空隙的气压，并且需要要控制好拉丝的温度和牵引力，使得光纤截面形状保持不变。
本发明实施例提供的矩形芯子光纤，在结构上利用多层低折射率沟壑之间形成的谐振效应，或者理解为利用纤芯的高阶模式和与其折射率相匹配的包层泄露模式的耦合，使得纤芯中的高阶模式具有较大的传输损耗，实现了对纤芯中高阶模式的抑制；利用扩展垂直于弯曲方向的纤芯尺寸的方法，实现在保证光纤弯曲特性的前提下扩大基模的有效模场面积，即实现了在光纤弯曲的前提下具有较大有效模场面积并且可实现单模工作的光纤。
通过本发明实施例记载的矩形芯子光纤可知，其具有如下有益效果：
1)光纤设计在弯曲的情况下具有较好的高阶模式抑制能力；
2)光纤设计在弯曲的情况下具有较大的基模模场面积；
3)光纤结构简单，可以采用成熟的工艺进行制造；
4)光纤具有抑制高阶模式的特性，可实现单模传输。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (9)

1.一种矩形芯子光纤，其特征在于，包括：
横截面为矩形的纤芯、横截面边界形状为矩形的沟壑层、横截面边界形状为矩形的折射率缓冲层和外包层；
其中，所述沟壑层的数量大于等于2；
所述沟壑层的折射率小于预设折射率，其中，所述预设折射率为所述纤芯、所述折射率缓冲层和所述外包层中最小的折射率。
2.根据权利要求1所述的矩形芯子光纤，其特征在于，所述外包层的横截面边界形状为矩形。
3.根据权利要求1所述的矩形芯子光纤，其特征在于，所述外包层与所述沟壑层的折射率差值的绝对值大于0.001。
4.根据权利要求1所述的矩形芯子光纤，其特征在于，所述外包层与所述折射率缓冲层的折射率差值的绝对值小于0.001。
5.根据权利要求4所述的矩形芯子光纤，其特征在于，所述外包层与所述折射率缓冲层的折射率相同。
6.根据权利要求1所述的矩形芯子光纤，其特征在于，所述纤芯、所述折射率缓冲层和所述外包层的折射率均相同。
7.根据权利要求1所述的矩形芯子光纤，其特征在于，所述外包层与所述纤芯的折射率差值的绝对值小于0.0005。
8.根据权利要求1所述的矩形芯子光纤，其特征在于，所述纤芯长边边长为短边边长的2倍。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的矩形芯子光纤，其特征在于，各个所述沟壑层的厚度相等，和/或，各个所述环层的厚度相等。
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