CN107300738A - 一种光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光纤,包括:椭圆纤芯及环绕所述椭圆纤芯的、设有泄漏通道的若干个沟壑层,其中最内侧的沟壑层包覆于所述椭圆纤芯上,在任意的两个沟壑层之间设有环层,在最外侧的沟壑层上还包覆有外包层。本发明的提供的光纤,相比目前技术方案,具有以下优点:保证此光纤设计在弯曲时具有很好的高阶模式抑制能力,且具有较大的基模模场面积,结构简单,便于制造。
Description
技术领域
本发明涉及微结构光纤领域,特别涉及一种光纤。
背景技术
近年来,由于大功率单模光纤激光器和放大器具有光束质量好、体积小、运行成本低等优势,已开始应用于工业、国防、科学研究、医疗等方面,并对其的需求越来越迫切。千瓦量级的连续波光纤激光系统和峰值功率为GW量级的短脉冲光纤激光器将会是未来工业、国防、科学研究、医疗等行业的基本工具。为了加快光纤激光器在这些领域的应用推广,要求光纤激光源进一步提高输出功率、提高光束质量和降低产品成本。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提升和光束质量优化的限制因素。通过模场面积扩展和单模操作可以抑制这些不利因素。
为此,研究人员已经设计和实现了多种大模场面积光纤,但是大部分的大模场面积光纤或多或少都有一定的缺点,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推广中受到限制。例如:基于传统的光纤制造技术生产的阶跃型折射率分布光纤的数值孔径难以实现小于0.06,在保证高阶模式抑制能力可满足应用要求的前提下,其弯曲时最大的模场面积约为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,弯曲时可以实现750μm2的模场面积,但是制造工艺掌握在国外少数研究机构,难以学习推广。摒弃阶跃型折射率分布,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,PBGF)、光子晶体光纤(photonic crystal fiber,PCF)、泄漏通道型光纤(leakage channelfiber,LCF)、和螺旋芯光纤(chirally-coupled-core fiber,CCCF)等。这类光纤具有很大的模场面积和很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)具有易于制造和很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。
发明内容
为了解决现有技术中大模场面积光纤难以在弯曲条件下仍然保持大模场面积和单模传输状态,本发明提供了一种光纤。
本发明提供的光纤,包括:椭圆纤芯及环绕所述椭圆纤芯的、设有泄漏通道的若干个沟壑层,其中最内侧的沟壑层包覆于所述椭圆纤芯上,在任意的两个沟壑层之间设有环层,在最外侧的沟壑层上还包覆有外包层。
作为本发明的进一步改进,所述椭圆纤芯、所述环层、所述泄漏通道、及所述外包层的折射率均大于所述沟壑层的折射率。
作为本发明的进一步改进,所述沟壑层的个数为大于等于2的整数。
作为本发明的进一步改进,所述外包层与所述沟壑层的折射率的差值大于0.001,优选为0.001~0.007。
作为本发明的进一步改进,所述环层与所述外包层的折射率的差值为-0.001~0.001。
作为本发明的进一步改进,所述椭圆纤芯与所述外包层的折射率的差值为-0.0005~0.0005。
作为本发明的进一步改进,所述泄漏通道的个数为两个,分别位于所述椭圆纤芯的长边方向上。
作为本发明的进一步改进,所述泄漏通道与所述外包层的折射率相同。
作为本发明的进一步改进,还可以通过调整以下光纤结构参数来实现最优化的光纤特性,包括:椭圆纤芯相互垂直的两个方向的长度、低折射率沟壑层的宽度、低折射率沟壑层的层数、低折射率沟壑层之间的高折射率环层的宽度、泄漏通道的宽度、椭圆纤芯与外包层的折射率的差值、低折射率沟壑层与外包层的折射率的差值、高折射率环层与外包层的折射率的差值。
一方面,类似于MTF(multi-trench fiber)实现抑制高阶模式的原理,本发明的光纤利用多层低折射率沟壑之间形成的谐振效应,或者理解为利用椭圆纤芯高阶模式和与其折射率相匹配的包层泄漏模式的耦合,使得椭圆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;另一方面,本发明的光纤利用泄漏通道对高阶模式的泄漏效果要大于对基模的泄漏,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。
本发明提供的光纤,相比目前技术方案,具有以下优点:
1)保证此光纤设计在弯曲时具有很好的高阶模式抑制能力;
2)具有较大的基模模场面积;
3)结构简单,便于制造。
附图说明
图1是本发明实施例中光纤的结构示意图;
图2是图1所示光纤在弯曲和非弯曲时横截面AA’线上的折射率分布曲线,其中弯曲方向平行于AA’线;
其中,101、椭圆纤芯;102、沟壑层;103、环层;104、泄漏通道;201、外包层。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
为了解决现有技术中大模场面积光纤难以在弯曲条件下仍然保持大模场面积和单模传输状态,本发明提供了一种光纤,以下结合图1和图2对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不限定本发明。
图1是本发明实施例中光纤的结构示意图,纤芯外有三层低折射率沟壑。本实施例的一种用于输出单模激光的双泄漏通道三层低折射率沟壑椭圆芯子光纤,包括椭圆纤芯(101)、包覆在椭圆纤芯(101)外的三层低折射率沟壑层(102)、低折射率沟壑层之间的高折射率环层(103)、在低折射率沟壑层上两个方向上的泄漏通道(104)和外包层(201);所述低折射率沟壑层(102)的折射率小于光纤其他区域(101、103、104、201)的折射率。图2是图所示光纤在弯曲和非弯曲时横截面AA’线上的折射率分布曲线,其中弯曲方向平行于AA’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(201)与低折射率沟壑层(102)的折射率差值(Δntr)处于0.001至0.007之间;高折射率环层(103)的折射率与外包层(201)的折射率相同;纤芯(101)与外包层(201)的折射率差值(Δnco)小于0.0001;纤芯短边长度a为50μm、纤芯长边长度b为100μm;低折射率沟壑(102)宽度t处于1μm至8μm之间。
此外,在此实施例中,可通过调整以下光纤结构参数优化光纤特性,包括:纤芯的短边长度(a)、长边长度(b)、低折射率沟壑(102)的宽度(t)、高折射率环层(103)宽度(d)、泄漏通道宽度(tgap)、低折射率沟壑层(102)与外包层(201)的折射率差(Δntr)、纤芯(101)与外包层(201)的折射率差值(Δnco)等。
本发明实施例提供的光纤既具有较好的高阶模式抑制能力,又可以实现较大的基模有效模场面积,并且由于结构简单,可通过传统的MCVD法和钻孔堆棒工艺制造此种光纤。下面给出一种具体的光纤制造方案:
利用改进的化学汽相淀积法(MCVD)在圆形石英管内壁沉积高低折射率相间分布的多层结构和芯子层,然后通过在预制棒径向不均匀的加热缩棒,制得有多层低折射率沟壑椭圆芯子光纤预制棒;通过在预制棒长边方向的低折射率沟壑层上开槽或钻孔,制造相邻夹角为180°的两个空隙,用与包层相同折射率的石英细棒填充空隙,制得与本发明光纤相同横截面折射率分布的光纤预制棒;最后拉制此光纤,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。
对比例
对比例与本发明实施例中光纤结构的不同之处在于,将其中的椭圆纤芯替换为圆形纤芯。现在将两者的性能对比如下:
圆形纤芯:我们利用数值仿真方法,分析了具有双泄漏通道沟壑的圆形纤芯光纤的高阶模式抑制能力和模场面积,其特点为具有3层低折射率沟壑层,外面两层低折射率沟壑层上具有夹角为180°的两个泄漏通道(最内泄漏沟壑层上没有泄漏通道,如此设计是为了降低基模损耗,并不影响基模有效模场面积的大小)。其具有如下参数:纤芯直径D=50μm,沟壑层厚度t=6μm,高折射率环层厚度d=8μm,沟壑层和外包层折射率差Δntr=0.0012,泄漏通道宽度tgap=20μm,弯曲方向与泄漏通道夹角为90°,弯曲半径R=20cm,纤芯与外包层的折射率相等,高折射率环层与外包层的折射率相等。通过数值分析得到,高阶模式与基模损耗比大于100,基模有效模场面积为920μm2。
椭圆纤芯:我们利用数值仿真方法,分析了具有双泄漏通道沟壑的椭圆纤芯光纤的高阶模式抑制能力和模场面积,其特点为具有3层低折射率沟壑层,三层低折射率沟壑层上具有夹角为180°的两个泄漏通道。其具有如下参数:椭圆纤芯短边长a=50μm,椭圆纤芯长边长b=80μm,沟壑层厚度t=6μm,高折射率环层厚度d=8μm,沟壑层和外包层折射率差Δntr=0.0012,泄漏通道宽度tgap=25μm,弯曲方向与泄漏通道夹角为90°,弯曲半径R=20cm,纤芯与外包层的折射率相等,高折射率环层与外包层的折射率相等。通过数值分析得到,高阶模式与基模损耗比大于100,基模有效模场面积为1400μm2。
可以看出通过扩展与弯曲方向相垂直方向的纤芯尺寸,即将圆形纤芯替换为椭圆纤芯,并优化设计,在保证具有较好的高阶模式抑制能力的前提下,得到了更大的基模有效模场面积。
以上所述仅为本发明的实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种光纤,其特征在于,包括:椭圆纤芯及环绕所述椭圆纤芯的、设有泄漏通道的若干个沟壑层,其中最内侧的沟壑层包覆于所述椭圆纤芯上,在任意的两个沟壑层之间设有环层,在最外侧的沟壑层上还包覆有外包层。
2.如权利要求1所述的光纤,其特征在于,所述椭圆纤芯、所述环层、所述泄漏通道、及所述外包层的折射率均大于所述沟壑层的折射率。
3.如权利要求1所述的光纤,其特征在于,所述沟壑层的个数为大于等于2的整数。
4.如权利要求1所述的光纤,其特征在于,所述外包层与所述沟壑层的折射率的差值大于0.001。
5.如权利要求1所述的光纤,其特征在于,所述环层与所述外包层的折射率的差值为-0.001~0.001。
6.如权利要求1所述的光纤,其特征在于,所述椭圆纤芯与所述外包层的折射率的差值为-0.0005~0.0005。
7.如权利要求1所述的光纤,其特征在于,所述泄漏通道的个数为两个,分别位于所述椭圆纤芯的长边方向上。
8.如权利要求7所述的光纤,其特征在于,所述泄漏通道与所述外包层的折射率相同。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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