CN107621670A - 全固态反谐振光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全固态反谐振光纤，包括：纤芯区域、包层区域和反谐振区域；所述纤芯区域的折射率等于或低于所述包层区域的折射率，所述包层区域的折射率低于所述反谐振区域的折射率，在所述纤芯区域添加有稀土离子，本发明提供的一种全固态反谐振光纤，通过在纤芯区域添加稀土离子，可实现对传输的光的功率进行有源放大，实现了较大的有源增益。
Description
技术领域
本发明涉及光学与激光光电子技术领域，更具体地，涉及全固态反谐振光纤。
背景技术
目前，作为光纤光学的一个主要研究方向，通过在包层区域引入周期性排列并贯穿整个光纤的孔状结构的光子带隙光纤，利用结构中心的缺陷将带隙内的光有效束缚在纤芯中。但由于纤芯中的基模和包层中的表面模之间产生的强烈的耦合，使得光在光子带隙光纤中无法实现低损耗传输。目前光子带隙光纤获得的最低损耗为1.2dB/km，不仅影响了光子带隙光纤的传输性能，也限制了高功率激光的传输。另一方面，传输的带宽较窄，很难超过70THz，这意味着光子带隙光纤的应用被局限在了很窄的一个光谱带宽范围内，从而限制了在一些要求宽光谱带宽传输的应用需求。
随着技术的快速发展，对于反谐振光纤的研究逐渐兴起。反谐振光纤的包层区域虽然也是周期排列的孔状结构，但并不具有光子晶体光纤所具有的完整带隙特性，两类光纤的导光机理也截然不同。反谐振光纤利用反谐振理论(Anti-Resonant ReflectingOptical Waveguide，ARROW)进行导光，即在反谐振光纤中，当反谐振光纤中的反谐振层的厚度t确定时，波长满足公式(其中，n为反谐振层的折射率，m为正整数)的光会在反谐振层内发生谐振，从而泄露到包层外，而其余波长的光由于反谐振效应被反射回纤芯区域进行传输，所以反谐振光纤具有比空芯的光子带隙光纤更宽的导光通带。
近年来，光纤激光器的输出功率提高很快，但是受光纤的非线性效应、光损伤及热损伤等物理机制的限制，欲更大幅度地提高单个激光器的功率已经相当困难。利用可以对光实现增益的反谐振光纤是解决光纤激光器功率提升面临的非线性效应及光纤损伤的一种最直接有效的途径。所以，目前急需提供一种可以对光实现增益的反谐振光纤。
发明内容
为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种全固态反谐振光纤。
本发明提供的一种反谐振光纤，所述反谐振光纤为全固态反谐振光纤，包括：纤芯区域、包层区域和反谐振区域；所述纤芯区域的折射率等于或低于所述包层区域的折射率，所述包层区域的折射率低于所述反谐振区域的折射率，在所述纤芯区域添加有稀土离子。
优选地，所述反谐振区域位于所述包层区域中，包括至少一个微毛细管组，每一个微毛细管组中至少包括四个微毛细管，以所述纤芯区域为中心等距无节点地排列成环形。
优选地，所述每一个微毛细管组中包括4至12个微毛细管。
优选地，每个微毛细管组中的每一个微毛细管与所述纤芯区域的中心轴的距离相互独立。
优选地，每个微毛细管组中的每一个微毛细管的管壁厚度相等。
优选地，所述稀土离子包括：钕离子、铒离子、铥离子或镱离子。
优选地，每一个微毛细管的截面均为向所述纤芯区域突出的封闭环形。
优选地，所述纤芯区域为截面直径大于40μm的圆柱体围成的区域。
优选地，每个微毛细管组中的每两个相邻的微毛细管的中心轴之间的间距至少为10μm。
优选地，每一个微毛细管的直径大于20μm，微毛细管的管壁壁厚小于5μm。
本发明提供的一种全固态反谐振光纤，通过在纤芯区域添加稀土离子，可实现对传输的光的功率进行有源放大，实现了较大的有源增益。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种全固态反谐振光纤的截面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种全固态反谐振光纤的截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所述，本发明一实施例中提供了一种全固态反谐振光纤11，包括：纤芯区域12、包层区域13和反谐振区域14。反谐振区域14位于包层区域13中，包括至少一个微毛细管组，每一个微毛细管组中至少包括四个微毛细管，以纤芯区域为中心等距无节点地排列成环形；纤芯区域的折射率等于或低于包层区域的折射率，包层区域的折射率低于反谐振区域的折射率，在纤芯区域添加有稀土离子。如图1中的反谐振区域14包括一个微毛细管组，微毛细管组中有六个微毛细管。
具体地，本发明提供的全固态反谐振光纤，在整个光纤内均填充有实体材料，在纤芯区域填充有折射率较低的材料，可以包括：石英、软玻璃或其他材料。在包层区域填充有与纤芯区域材料的折射率相同或比纤芯区域材料的折射率略高的材料。为实现光纤的反谐振原理导光，要保证反谐振区域的折射率高于包层区域的折射率。
全固态反谐振光纤利用反谐振原理进行导光，使得它相比于传统的全固态光子带隙光纤，对反谐振区域的周期性结构要求更低，一个微毛细管组即可实现反谐振效应。微毛细管组的数量越多则反谐振效应越强，光纤光学性能越好。而全固态光子带隙光纤的包层区域一般周期性排列不低于5个微毛细管组。全固态反谐振光纤还具有许多全固态光子带隙光纤所不具备的优良特性，如更宽的传输带宽、更大的模场面积、更低限制损耗、无截止单模和大数值孔径等。
全固态反谐振光纤的纤芯区域可以做到直径大于40μm的尺寸，较大的纤芯尺寸显著降低光纤中的激光功率密度，减小光纤中的非线性效应，提高光纤材料的损伤阈值。由于利用反谐振原理导光，全固态反谐振光纤可实现大模场面积的同时，仍可保持单模运转，以保证激光传输质量。另外全固态反谐振光纤可以实现较大的内包层数值孔径，从而提高抽运光的耦合效率，能利用长度相对较短的光纤实现高功率输出。
本实施例中，全固态反谐振光纤的包层区域内填充的材料与各微毛细管内的填充的材料可相同，也可不相同，图1中显示的是全固态反谐振光纤的包层区域内与各微毛细管内填充有不同的材料，但本实施例中并不限于此。
在全固态反谐振光纤的纤芯区域添加有稀土离子作为工作物质，可实现对光纤中传输的光进行有源泵浦，实现对传输的光的功率放大。稀土离子可选择镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪或钇中的一种。作为优选方案，可选择钕离子、铒离子、铥离子或镱离子。
本实施例中，通过在全固态反谐振光纤的纤芯区域添加稀土离子，可实现对传输的光的有源放大。
在上述实施例的基础上，每一个微毛细管组中包括4至12个微毛细管。如图2所示，反谐振区域具有2个微毛细管组，靠近纤芯区域的微毛细管组中有6个微毛细管，远离纤芯区域的微毛细管组中有12个微毛细管。在此数量范围内的微毛细管，可实现最优的反谐振性能。当反谐振层有大于1个微毛细管组时，每两个微毛细管组中的每两个相邻的微毛细管之间的距离可相等也可不相等。图2中显示的是全固态反谐振光纤的包层区域内与各微毛细管内填充有不同的材料，但本实施例中并不限于此。
在上述实施例的基础上，每个微毛细管组中的每一个微毛细管与纤芯区域的中心轴的距离相互独立，可相等也可不相等，对反谐振性能和光功率的放大并没有影响。
在上述实施例的基础上，每一个微毛细管的截面均为向所述纤芯区域突出的封闭环形。优选地，微毛细管的截面为圆环形或椭圆形。
在上述实施例的基础上，每个微毛细管组中的每一个微毛细管的管壁厚度相等。
在上述实施例的基础上，每个微毛细管组中的每两个相邻的微毛细管的中心轴之间的间距至少为10μm。设置这个间距的目的是为了保证使每两个相邻的微毛细管的距离尽可能的近，但不能有节点，即每两个相邻的微毛细管不能接触。
在上述实施例的基础上，每一个微毛细管的直径大于20μm，微毛细管的管壁壁厚小于5μm。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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保护范围之内。
Claims (10)
1.一种反谐振光纤，其特征在于，所述反谐振光纤为全固态反谐振光纤，包括：纤芯区域、包层区域和反谐振区域；
所述纤芯区域的折射率等于或低于所述包层区域的折射率，所述包层区域的折射率低于所述反谐振区域的折射率，在所述纤芯区域添加有稀土离子。
2.根据权利要求1所述的反谐振光纤，其特征在于，所述反谐振区域位于所述包层区域中，包括至少一个微毛细管组，每一个微毛细管组中至少包括四个微毛细管，以所述纤芯区域为中心等距无节点地排列成环形。
3.根据权利要求2所述的反谐振光纤，其特征在于，每个微毛细管组中的每一个微毛细管与所述纤芯区域的中心轴的距离相互独立。
4.根据权利要求2所述的反谐振光纤，其特征在于，每个微毛细管组中的每一个微毛细管的管壁厚度相等。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的反谐振光纤，其特征在于，所述每一个微毛细管组中包括4至12个微毛细管。
6.根据权利要求2-4中任一项所述的反谐振光纤，其特征在于，每一个微毛细管的截面均为向所述纤芯区域突出的封闭环形。
7.根据权利要求2-4中任一项所述的反谐振光纤，其特征在于，所述稀土离子包括：钕离子、铒离子、铥离子或镱离子。
8.根据权利要求2-4中任一项所述的反谐振光纤，其特征在于，所述纤芯区域为截面直径大于40μm的圆柱体围成的区域。
9.根据权利要求2-4中任一项所述的反谐振光纤，其特征在于，每个微毛细管组中的每两个相邻的微毛细管的中心轴之间的间距至少为10μm。
10.根据权利要求2-4中任一项所述的反谐振光纤，其特征在于，每一个微毛细管的直径大于20μm，微毛细管的管壁壁厚小于5μm。
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