CN110989072A - 一种多包层螺旋结构的大模场单模光纤 - Google Patents

一种多包层螺旋结构的大模场单模光纤 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多包层螺旋结构的大模场单模光纤，该光纤由纤芯(1)和第一包层(2)、第二包层(3)、第三包层(4)、第四包层(5)组成；纤芯(1)的折射率为n1，第一包层(2)、第二包层(3)、第三包层(4)和第四包层(5)的折射率分别为n2、n3、n4和n5，所述n5≤n3≤n2＜n1≤n4。通过参数和结构的优化选择，可以使LP01模的传输损耗小于0.1dB/m，LP11模的传输损耗大于10dB/m，即达到国际上公认的大模场单模光纤的损耗要求。且单模芯径范围灵活可调；该光纤可以实现的单模模场直径远大于现有商业化的单模光纤。

Description

一种多包层螺旋结构的大模场单模光纤
技术领域
本发明涉及单模光纤，特别涉及一种多包层螺旋结构的大模场单模光纤。
背景技术
传统的增益光纤或者通信光纤由于受到非线性效应、热损伤等物理机制的存在，传输的光的功率容量受到严重限制。然而，光线的非线性效应与光纤的模场面积成反比，模场面积越大非线性效应越弱，非线性阈值越高。因此，增加光纤的模场直径是提高光纤光传输容量的最直接有效的途径。然而，为保证输出激光的光束质量，要求在增加模场面积的同时，必须使光纤能够单模运转，因此大模场单模光纤的研究备受关注。目前大模场光纤的主要类型包括：光子晶体光纤、增益导引-折射率反导引光纤、泄漏通道光纤、螺旋芯光纤等。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种多包层螺旋结构的大模场单模光纤。
技术方案：本发明提供一种多包层螺旋结构的大模场单模光纤，如图1所示，该光纤由纤芯和第一包层、第二包层、第三包层、第四包层组成；纤芯的折射率为n1，一包层、第二包层、第三包层、第四包层的折射率(或者有效折射率)分别为n2、n3、n4和n5。它们之间的折射率关系需满足：n5≤n3≤n2＜n1≤n4。纤芯中的光能量会部分辐射进入第一包层，而第一包层的厚度设计较薄，因此辐射进入第一包层中的光能量在第三包层处泄漏出去。但是高阶模泄漏的光功率较多，低阶模泄漏的光功率较少，而基模泄漏的光功率最少，因此可以实现对高阶模的过滤。通过调整光纤参数，可以使得纤芯中高阶模的传输损耗大于10dB/m，而基模的损耗小于0.1dB/m，达到国际上公认的大模场单模光纤的损耗要求，高于现有技术水平。如果纤芯中含有光功率增益性能，当纤芯中的光功率增益系数大于基模的损耗系数而低于高阶模的损耗系数时，则可以实现对单模光的放大传输，而对高阶模光的传输进行有效抑制，从而实现光的大模场单模放大传输。整根光纤模式传输损耗系数的大小可以被纤芯的直径、第一包层的厚度及其折射率、第二包层的厚度及其折射率、第三包层的厚度及其折射率、以及第三包层与第二包层所占比例的大小、传输的光的波长等参数调节。当以上任一参数确定后，可以通过其它参数的设计来达到大模场单模的效果。因此光纤的设计比较灵活，单模纤芯的直径调节比较灵活。
进一步地，光纤第二包层、第三包层在光纤轴向上呈螺旋状缠绕在第一包层上。该结构设计可以保证纤芯中光的各个简并模式进行均衡泄漏。
进一步地，第二包层、第三包层均是扇形结构，且其所对的圆心与纤芯1的圆心重合。其光纤截面如图2所示。
进一步地，第三包层截面为条状，如图3所示。
进一步地，所述第三包层至少一个，间隔分布。如图4、5所示。设置多个第三包层的目的是可以降低螺旋周期的要求，在相同传输效果的情况下，拥有多个第三包层的光纤的螺旋周期比只拥有一个第三包层的光纤的螺旋周期长，从而降低螺旋光纤拉制难度。
进一步地，所述第二包层内部设有均匀分布的空气孔，第三包层内部设有均匀分布的折射率高于纤芯材料折射率的玻璃棒；第二包层内部设有均匀分布的空气孔，使得第二包层的有效折射率低于第一包层，而在第三包层中均匀插入折射率高于纤芯材料折射率的玻璃棒，使得第三包层的有效折射率高于纤芯，从而满足折射率要求。如图6、7所示。
进一步地，所述光纤的基质材料包括：石英玻璃、磷酸盐玻璃、氟磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃或硫系玻璃等光纤材料。
进一步地，所述纤芯掺杂稀土离子，包括：Yb3+、Nd3+、Er3+、Tm3+、Ho3+、Pr3+、Sm3+、Eu3 +、Tb3+、Dy3+等发光离子。
有益效果：本发明多包层结构设计；通过相关光纤参数的优化选择，可以使得纤芯中高阶模的传输损耗大于10dB/m，而基模的损耗小于0.1dB/m，达到国际上公认的大模场单模光纤的损耗要求，可以实现单模芯径范围灵活可调，并保持光纤的大模场单模传输；该光纤可以实现的单模模场直径远大于现有商业化的单模光纤，且结构较简单，参数要求不苛刻，制备相对容易，能够很好的应用于大模场单模光纤技术领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明包括扇形包层的单模光纤截面结构示意图；
图3是本发明包括条形包层的单模光纤截面结构示意图；
图4是本发明包括多个扇形包层的单模光纤截面结构示意图；
图5是本发明包括多个条形包层的单模光纤截面结构示意图；
图6是本发明的扇形包层内设置空气孔、第三包层内设置折射率高于纤芯材料折射率的玻璃棒的单模光纤截面结构示意图；
图7是本发明的条形包层内设置空气孔、第三包层内设置折射率高于纤芯材料折射率的玻璃棒的单模光纤截面结构示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的多包层螺旋结构的大模场单模光纤，截面结构如图2所示，包括扇形包层，纤芯1和第一包层2、第二包层3、第三包层4、第四包层5均由石英玻璃材料做成，纤芯1掺杂Yb3+，发射激光波长为1.06μm；纤芯1和第一包层2、第二包层3、第三包层4、第四包层5的材料折射率分别为1.463、1.462、1.461、1.464和1.460；纤芯1直径为50微米，第一包层2的厚度为15μm，第二包层3和第三包层4的厚度为100μm；第三包层4所对应的圆心角为5°，第四包层5的厚度为20μm。光纤第二包层3、第三包层4在光纤轴向上呈螺旋状缠绕在第一包层上。高阶模的传输损耗系数大于10dB/m，而基模的传输损耗系数小于0.1dB/m，当纤芯1的增益系数大于基模的损耗系数而小于高阶模的传输损耗系数时，可以保证基模得到放大传输，而高阶模被过滤，从而达到大模场单模的目的。
实施例2
本实施例的多包层螺旋结构的大模场单模光纤，截面结构如图3所示，包括条形包层，纤芯1和第一包层2、第二包层3、第三包层4、第四包层5均由石英玻璃材料做成，纤芯1掺杂Yb3+，发射激光波长为1.06μm；纤芯1和第一包层2、第二包层3、第三包层4、第四包层5的材料折射率分别为1.463、1.462、1.461、1.464和1.460；纤芯1直径为50微米，第一包层2的厚度为15μm，第二包层3、第三包层4的厚度为100μm；第三包层4所对应的窄条宽度为10μm，包层5的厚度为20μm。光纤第二包层3、第三包层4在光纤轴向上呈螺旋状缠绕在第一包层上。高阶模的传输损耗系数大于10dB/m，而基模的传输损耗系数小于0.1dB/m，当纤芯1的增益系数大于基模的损耗系数而小于高阶模的传输损耗系数时，可以保证基模得到放大传输，而高阶模被过滤，从而达到大模场单模的目的。
实施例3
本实施例的多包层螺旋结构的大模场单模光纤，截面结构如图4所示，包层纤芯1和第一包层2、第二包层3、第三包层4、第四包层5均由石英玻璃材料做成，纤芯掺杂Tm3+，发射激光波长为1.9μm；纤芯1和第一包层2、第二包层3、第三包层4、第四包层5的材料折射率分别为1.463、1.462、1.462、1.464和1.460；纤芯直径为100微米，包层2的厚度为20μm，包层3和4的厚度为100μm；包层4所对应的圆心角为3°，且第二包层3和第三包层4各有4个，均匀间隔对称分布在包层2的四周；包层5的厚度为20μm。光纤第二包层3、第三包层4在光纤轴向上呈螺旋状缠绕在第一包层上。高阶模的传输损耗系数大于10dB/m，而基模的传输损耗系数小于0.1dB/m，当纤芯的增益系数大于基模的损耗系数而小于高阶模的传输损耗系数时，可以保证基模得到放大传输，而高阶模被过滤，从而达到大模场单模的目的。
实施例4
本实施例的多包层螺旋结构的大模场单模光纤，截面结构如图5所示，纤芯1和第一包层2、第二包层3、第三包层4、第四包层5均由石英玻璃材料做成，纤芯1掺杂Tm3+，发射激光波长为1.9μm；纤芯1和第一包层2、第二包层3、第三包层4、第四包层5的材料折射率分别为1.463、1.462、1.462、1.464和1.460；纤芯1直径为100微米，第一包层2的厚度为20μm，第二包层3、第三包层4的厚度为100μm；第三包层4所对应的窄条宽度为10μm，且第二包层3和第三包层4各有4个，均匀间隔对称分布在包层2的四周；第四包层5的厚度为20μm。光纤第二包层3、第三包层4在光纤轴向上呈螺旋状缠绕在第一包层上。高阶模的传输损耗系数大于10dB/m，而基模的传输损耗系数小于0.1dB/m，当纤芯的增益系数大于基模的损耗系数而小于高阶模的传输损耗系数时，可以保证基模得到放大传输，而高阶模被过滤，从而达到大模场单模的目的。
实施例5
本实施例的多包层螺旋结构的大模场单模光纤，截面结构如图6所示，包括扇形包层，第三包层4内部设置折射率高于纤芯1材料折射率的高折射率棒7，第二包层3内设置均匀分布空气孔6，纤芯1和第一包层2、第二包层3、第三包层4、第四包层5均由磷酸盐玻璃材料做成，纤芯掺杂Nd3+，发射激光波长为1.06μm；纤芯1和第一包层2、第二包层3、第三包层4、第四包层5的材料折射率分别为1.540、1.539、1.539、1.539和1.535；纤芯直径为100微米，第一包层2的厚度为20μm，第二包层3、第三包层4的厚度为100μm；只有一个第三包层4且其所对应的圆心角为3°，在第二包层3中均匀分布一系列空气小孔，从而第二包层3的有效折射率低于第一包层2，在第三包层4中也均匀分布一系列折射率为1.550的磷酸盐玻璃丝，从而第三包层4的有效折射率高于纤芯1；第四包层5的厚度为20μm。光纤第二包层3、第三包层4在光纤轴向上呈螺旋状缠绕在第一包层上。高阶模的传输损耗系数大于10dB/m，而基模的传输损耗系数小于0.1dB/m，当纤芯的增益系数大于基模的损耗系数而小于高阶模的传输损耗系数时，可以保证基模得到放大传输，而高阶模被过滤，从而达到大模场单模的目的。
实施例6
本实施例的多包层螺旋结构的大模场单模光纤，截面结构如图7所示，包括条形包层，在第三包层4内部设置折射率比纤芯1材料折射率高的玻璃棒7，第二包层内设置均匀分布空气孔6，纤芯1和第一包层2、第二包层3、第三包层4、第四包层5均由磷酸盐玻璃材料做成，纤芯掺杂Nd3+，发射激光波长为1.06μm；纤芯1和第一包层2、第二包层3、第三包层4、第四包层5的材料折射率分别为1.540、1.539、1.539、1.539和1.535；纤芯1直径为100微米，第一包层2的厚度为20μm，第二包层3、第三包层4的厚度为100μm；只有一个第三包层4且其所对应的窄条宽度为10μm，在第二包层3中均匀分布一系列空气小孔，从而第二包层3的有效折射率低于第一包层2，在第三包层4中也均匀分布一系列折射率为1.550的磷酸盐玻璃丝，从而第三包层4的有效折射率高于纤芯1；第四包层5的厚度为20μm。光纤第二包层3、第三包层4在光纤轴向上呈螺旋状缠绕在第一包层上。高阶模的传输损耗系数大于10dB/m，而基模的传输损耗系数小于0.1dB/m，当纤芯的增益系数大于基模的损耗系数而小于高阶模的传输损耗系数时，可以保证基模得到放大传输，而高阶模被过滤，从而达到大模场单模的目的。

Claims (8)

1.一种多包层螺旋结构的大模场单模光纤，其特征在于：该光纤由纤芯(1)和第一包层(2)、第二包层(3)、第三包层(4)、第四包层(5)组成；纤芯(1)的折射率为n1，第一包层(2)、第二包层(3)、第三包层(4)和第四包层(5)的折射率分别为n2、n3、n4和n5，所述n5≤n3≤n2＜n1≤n4。
2.根据权利要求1所述的多包层螺旋结构的大模场单模光纤，其特征在于：所述第二包层(3)、第三包层(4)在光纤轴向上呈螺旋状缠绕在第一包层(2)上。
3.根据权利要求1或2所述的多包层螺旋结构的大模场单模光纤，其特征在于：所述第二包层(3)和第三包层(4)截面均是扇形，其所对的圆心与纤芯(1)的圆心重合。
4.根据权利要求1或2所述的多包层螺旋结构的大模场单模光纤，其特征在于：所述第三包层(4)截面为条状。
5.根据权利要求1-4任一项所述的多包层螺旋结构的大模场单模光纤，其特征在于：所述第三包层(4)至少一个，间隔分布。
6.根据权利要求1所述的多包层螺旋结构的大模场单模光纤，其特征在于：所述第二包层(3)内部设有均匀分布的空气孔(6)，第三包层(4)内部设有均匀分布的折射率高于纤芯材料折射率的玻璃棒(7)；第二包层(3)内部设有均匀分布的空气孔(6)，使得第二包层(3)的有效折射率低于第一包层(2)，而在第三包层(4)中均匀插入折射率高于纤芯材料折射率的玻璃棒(7)，使得第三包层(4)的有效折射率高于纤芯(1)，从而满足折射率要求。
7.根据权利要求1所述的多包层螺旋结构的大模场单模光纤，其特征在于：所述光纤的基质材料包括：石英玻璃、磷酸盐玻璃、氟磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃或硫系玻璃等光纤材料。
8.根据权利要求7所述的多包层螺旋结构的大模场单模光纤，其特征在于：所述纤芯(1)掺杂稀土离子，包括：Yb3+、Nd3+、Er3+、Tm3+、Ho3+、pr3+、Sm3+、Eu3+、Tb3+、Dy3+等发光离子。
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