CN107870389B - 一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤 - Google Patents

一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤 Download PDF

Info

Publication number
CN107870389B
CN107870389B CN201711129766.XA CN201711129766A CN107870389B CN 107870389 B CN107870389 B CN 107870389B CN 201711129766 A CN201711129766 A CN 201711129766A CN 107870389 B CN107870389 B CN 107870389B
Authority
CN
China
Prior art keywords
core
petaloid
refractive index
rare
ion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201711129766.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN107870389A (zh
Inventor
宁提纲
马绍朔
李晶
王一群
王建帅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Jiaotong University
Original Assignee
Beijing Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Jiaotong University filed Critical Beijing Jiaotong University
Priority to CN201711129766.XA priority Critical patent/CN107870389B/zh
Publication of CN107870389A publication Critical patent/CN107870389A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107870389B publication Critical patent/CN107870389B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02004—Optical fibres with cladding with or without a coating characterised by the core effective area or mode field radius
    • G02B6/02009—Large effective area or mode field radius, e.g. to reduce nonlinear effects in single mode fibres
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02319—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by core or core-cladding interface features
    • G02B6/02333—Core having higher refractive index than cladding, e.g. solid core, effective index guiding
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/036—Optical fibres with cladding with or without a coating core or cladding comprising multiple layers
    • G02B6/03616—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference
    • G02B6/03688—Optical fibres characterised both by the number of different refractive index layers around the central core segment, i.e. around the innermost high index core layer, and their relative refractive index difference having 5 or more layers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤，属于大功率光纤放大器、激光器、特种光纤。该光纤中心是掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布内包层(2)，围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布的N个相同半径和弧度的瓣状纤芯(3,1)……(3,N)，外包层(4)；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)，瓣状纤芯的折射率相等，为n1；内包层(2)的折射率小于瓣状纤芯的折射率，为n2。本发明的抛物线芯最大相对折射率差Δ大于0.002，用传统方法易于制作，解决了瓣状光纤弯曲特性差以及抛物线光纤制作难度大的问题。瓣状纤芯可由一根光纤预制棒制作而成，节省材料、便于制造，适用于大规模生产。

Description

一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤
技术领域
本发明涉及一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤，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，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。
抛物线形折射率光纤具有天然抗弯曲的特性，可以在弯曲的情况下，实现大模场面积、良好的高阶模式抑制、降低有源光纤中高阶模式增益，但是当光纤纤芯较大、弯曲半径较小时，为实现较好的高阶模式抑制，此设计顶端与包层的折射率差要足够小，类似于阶跃型折射率强激光光纤遇到的困难，传统的光纤制造技术难以实现如此低的折射率差。
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、多沟槽光纤弯曲敏感以及抛物线形光纤难以制造等缺陷，提出了一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤。
本发明的技术方案：
1.抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤，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个相同半径和弧度的瓣状纤芯，内包层，外包层，3≤N≤32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。
2.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。
3.掺稀土离子芯区的纤芯半径R1为10～30μm；瓣状纤芯的半径为30～50μm。
4.瓣状纤芯(3,1)、(3,2)……(3,N)围绕掺稀土离子芯区(1)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°/N。
本发明的有益效果具体如下：设计了一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤，解决了瓣状光纤弯曲特性差以及抛物线光纤制作难度大的问题，提高了光纤的抗弯曲性能以及降低了制作难度，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。抛物线芯最大相对折射率差Δ大于0.002，用传统方法易于制作。瓣状纤芯可由一根光纤预制棒制作而成，节省材料、便于制造。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数量和半径，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通过瓣的数量调节，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(3瓣)截面示意图。
图2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3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(6瓣)截面示意图。
图4是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(16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
抛物线芯耦合3瓣芯的大模场抗弯曲单模光纤，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3个相同半径和弧度的瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，内包层(2)，外包层(4)，本实例中N＝3；
掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)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(3,1)、(3,2)、(3,3)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(2)的折射率小于瓣状纤芯(3,1)的折射率，外包层(4)的折射率小于内包层(2)的折射率
掺稀土离子芯区(1)的直径为50μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为120°
实施例二
抛物线芯耦合4瓣芯的大模场抗弯曲单模光纤，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4个相同半径和弧度的瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)，内包层(2)，外包层(4)，本实例中N＝4；
掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)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(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)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)＝0.004，内包层(2)的折射率小于瓣状纤芯(3,1)的折射率，外包层(4)的折射率小于内包层(2)的折射率
掺稀土离子芯区(1)的直径为50μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为90°
实施例三
抛物线芯耦合6瓣芯的大模场抗弯曲单模光纤，参见图3。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个相同半径和弧度的瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)、(3,5)、(3,6)，内包层(2)，外包层(4)，本实例中N＝6；
掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)、(3,5)、(3,6)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(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)、(3,5)、(3,6)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)＝0.004，内包层(2)的折射率小于瓣状纤芯(3,1)的折射率，外包层(4)的折射率小于内包层(2)的折射率
掺稀土离子芯区(1)的直径为40μm，瓣状纤芯的半径为20μm，角度为60°
实施例四
抛物线芯耦合16瓣芯的大模场抗弯曲单模光纤，参见图4。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16个相同半径和弧度的瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)、(3,5)、(3,6)、(3,7)、(3,8)、(3,9)、(3,10)、(3,11)、(3,12)、(3,13)、(3,14)、(3,15)、(3,16)，内包层(2)，外包层(4)，本实例中N＝16；
掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)、(3,5)、(3,6)、(3,7)、(3,8)、(3,9)、(3,10)、(3,11)、(3,12)、(3,13)、(3,14)、(3,15)、(3,16)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(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)、(3,5)、(3,6)、(3,7)、(3,8)、(3,9)、(3,10)、(3,11)、(3,12)、(3,13)、(3,14)、(3,15)、(3,16)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)＝0.003，内包层(2)的折射率小于瓣状纤芯(3,1)的折射率，外包层(4)的折射率小于内包层(2)的折射率
掺稀土离子芯区(1)的直径为30μm，瓣状纤芯的半径为30μm，角度为22.5°。

Claims (2)

1.抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤，其特征为：该光纤中心是折射率为抛物线的掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布的N个相同半径和弧度的瓣状纤芯(3,1)……(3，N)，内包层(2)，外包层(4)，3≤N≤32整数；其中所述内包层(2)延伸至相邻瓣状纤芯(3,1)……(3，N)之间的间隙之中；掺稀土离子芯区(1)的纤芯半径R1为10～30μm；瓣状纤芯(3,1)……(3,N)的半径d为30～50μm；瓣状纤芯(3,1)、(3,2)……(3,N)围绕掺稀土离子芯区(1)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°/N；以上所述瓣状纤芯的形状为扇形；
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)，为0.002～0.007；稀土离子芯区(1)的中心、瓣状纤芯(3,1)……(3,N)的折射率相等，为n1；内包层(2)的折射率小于瓣状纤芯(3,1)……(3,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。
2.根据权利要求1所述的抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤，其特征为：掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(3,1)……(3,N)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(3,1)……(3,N)的掺稀土离子类型相同。
CN201711129766.XA 2017-11-15 2017-11-15 一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤 Active CN107870389B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711129766.XA CN107870389B (zh) 2017-11-15 2017-11-15 一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711129766.XA CN107870389B (zh) 2017-11-15 2017-11-15 一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107870389A CN107870389A (zh) 2018-04-03
CN107870389B true CN107870389B (zh) 2019-10-25

Family

ID=61754055

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711129766.XA Active CN107870389B (zh) 2017-11-15 2017-11-15 一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107870389B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110320591B (zh) * 2019-07-04 2020-08-25 山东大学 一种基于表面微结构的单晶激光光纤及其制作方法与应用
CN111552028B (zh) * 2020-04-21 2021-04-20 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种空间用耐辐照掺铒光纤及其制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1482606A1 (fr) * 2003-05-27 2004-12-01 Alcatel Fibre optique pour amplification ou pour emission laser
CN1971323A (zh) * 2006-12-13 2007-05-30 中国科学院上海光学精密机械研究所 大模场双包层单模光纤
CN102262263A (zh) * 2011-09-01 2011-11-30 北京交通大学 圆芯多扇形区外围多扇形纤芯光纤及其制作方法
CN102305958A (zh) * 2011-09-01 2012-01-04 北京交通大学 大模场面积单模菊花纤芯分布光纤及其制作方法
CN104185804A (zh) * 2012-01-12 2014-12-03 康宁股份有限公司 用于掺铒放大器的少模光纤以及使用该光纤的放大器
CN105607183A (zh) * 2016-01-07 2016-05-25 北京交通大学 一种抗弯曲瓣状大模场单模光纤
CN106842413A (zh) * 2016-12-21 2017-06-13 北京交通大学 一种大模场单模多层纤芯的瓣状光纤

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1482606A1 (fr) * 2003-05-27 2004-12-01 Alcatel Fibre optique pour amplification ou pour emission laser
CN1971323A (zh) * 2006-12-13 2007-05-30 中国科学院上海光学精密机械研究所 大模场双包层单模光纤
CN102262263A (zh) * 2011-09-01 2011-11-30 北京交通大学 圆芯多扇形区外围多扇形纤芯光纤及其制作方法
CN102305958A (zh) * 2011-09-01 2012-01-04 北京交通大学 大模场面积单模菊花纤芯分布光纤及其制作方法
CN104185804A (zh) * 2012-01-12 2014-12-03 康宁股份有限公司 用于掺铒放大器的少模光纤以及使用该光纤的放大器
CN105607183A (zh) * 2016-01-07 2016-05-25 北京交通大学 一种抗弯曲瓣状大模场单模光纤
CN106842413A (zh) * 2016-12-21 2017-06-13 北京交通大学 一种大模场单模多层纤芯的瓣状光纤

Also Published As

Publication number Publication date
CN107870389A (zh) 2018-04-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100427979C (zh) 激光功率集成器及其实现方法
Saitoh et al. Limitation on effective area of bent large-mode-area leakage channel fibers
CN105607183B (zh) 一种抗弯曲瓣状大模场单模光纤
CN102262263B (zh) 圆芯多扇形区外围多扇形纤芯光纤及其制作方法
Lei et al. Taper-fused side pump combiner for all-fiber lasers and amplifiers: A review
CN106842413A (zh) 一种大模场单模多层纤芯的瓣状光纤
CN103531994A (zh) 一种使用掺铒石英光纤作增益介质的同带泵浦单频光纤激光器
CN107870389B (zh) 一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤
CN100587528C (zh) 一种增益光子晶体光纤波导及其器件
CN110265858A (zh) 一种选择性激发高阶模的大功率拉曼光纤激光系统
CN105589127A (zh) 一种单模多环纤芯耦合多块掺稀土瓣状纤芯的光纤
WO2021135394A1 (zh) 一种大纤芯直径的单模光纤
CN108761635B (zh) 一种双包层掺镱光纤
CN101694534B (zh) 单芯多掺稀土离子区双包层光纤及其制作方法
Kristiansen et al. Microstructured fibers and their applications
CN107370011A (zh) 大功率光纤放大器
CN100555010C (zh) 包含光敏性单芯的多芯光纤及制备方法
Lin et al. Fabrication and laser performance of cladding uniform core tapered fiber
CN106997071A (zh) 一种大模场单模多层纤芯的瓣状光纤
CN101764343B (zh) 一种单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤
CN101620295A (zh) 一种大模场多芯光纤
CN107248687A (zh) 一种中红外波段单频单偏振光纤激光器
CN110989072A (zh) 一种多包层螺旋结构的大模场单模光纤
CN100559670C (zh) 单模有源光纤伴生耦合多模有源光纤超亮度单模激光器
CN101122654A (zh) 大模场多芯光纤

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant