CN111897043B - 一种大模场微结构光纤 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种大模场微结构光纤，包括纤芯，包覆所述纤芯的环，包覆所述环的内包层背底，所述内包层背底内分布有若干组件，组件排列呈若干由内向外层叠排列的环状，所述纤芯、环、组件和内包层背底为玻璃，所述纤芯的折射率为n₁，环的折射率为n₂，组件的折射率为n₃，内包层背底的折射率为n₄，则同时满足n₄≥n₁≥n₂、n₄≥n₁≥n₃、1×10^‑2≥Δn=n₁‑n₄≥0。本发明提供一种大模场微结构光纤，可以极大的降低制备难度，保证光纤的一致性和可靠性，提高光纤的可调节性，同时可以实现更大的单模纤芯。

Description

一种大模场微结构光纤

技术领域

本申请属于光纤生产制造领域，尤其是涉及一种大模场微结构光纤。

背景技术

单模(M²<1.1)运转的稀土掺杂的双包层阶跃光纤，由于其在光通信、光传感、先进加工、生物医学、国防军事等领域的重要应用而受到广泛的研究，其研究的重点之一就是光纤输出功率的提高。目前提高光纤功率的主要限制因素在于非线性效应，而解决非线性效应的有效途径之一是利用大模场微结构光纤增大增益光纤的纤芯面积。目前大模场微结构光纤包括泄露通道光纤、带隙光纤、分布式模式滤波光纤、光子晶体光纤、大跨距光纤、多沟道光纤和手信耦合光纤。

除手信耦合光纤外，光纤对纤芯折射率n₁与包层背底的折射率n₄之差Δn=n1-n4的要求很高，即要求 -5×10^-4≤Δn ≤5×10^-4，对于模场直径大于50μm的光纤而言，一般要求 -2×10^-4≤Δn ≤2×10^-4。过小的折射率差极大的提高了玻璃以及光纤的制备难度、一致性和可靠，同时光纤纤芯中传输的功率的提升会提高纤芯的温度，导致纤芯折射率的提升，因此在高功率下，光纤的光束质量会劣化，影响其在高功率激光方面的应用。

除手信耦合光纤和多沟道光纤，由于其他光纤中用于调制包层有效折射率的低折射率棒是一个整体，只有棒的直径和折射率这两个参数可以调制，因此其对包层有效折射率的调制能力有限，扩大纤芯直径的能力也有限。手信耦合光纤和多沟道光纤对光纤结构很敏感，参数的微小变化就会对其单模传输性能产生很大影响，降低了其一致性和可靠性，制备难度也很大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中的光纤输出功率的不足，从而提供一种可以实现更大的单模纤芯的大模场微结构光纤。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种大模场微结构光纤，包括纤芯1，包覆所述纤芯1的环2，包覆所述环2的内包层背底4，所述内包层背底4内分布有若干组件3，组件3排列呈若干由内向外层叠排列的环状，所述纤芯1、环2、组件3和内包层背底4为玻璃，所述纤芯1的折射率为n₁，环2的折射率为n₂，组件3的折射率为n₃，内包层背底4的折射率为n₄，则同时满足n₄≥n₁≥n₂、n₄≥n₁≥n₃、1×10^-2≥Δn=n₁-n₄≥0。

在其中一个实施例中，所述组件3的层数至少为1，所述环2的个数至少为1。

在其中一个实施例中，所述组件3横截面呈圆形，相邻的所述组件3的中心间距Λ₃满足0≤d₃/Λ₃≤1，其中d₃为组件3的直径。

在其中一个实施例中，不同所述组件3的d₃相同。

在其中一个实施例中，光纤的基模的限制损耗CL≤0.5dB/m，高阶模的限制损耗CL≥30dB/m。

在其中一个实施例中，所述基模的重叠因子OF≥90%,同时基模与高阶模的OF之差ΔOF≥30%。

在其中一个实施例中，排列在最内1-2层的至少部分组件3直径小于其他层的组件3直径。

在其中一个实施例中，排列在最内1-2层的所有组件3直径小于其他层的组件3直径。

在其中一个实施例中，所述环2的厚度为1-10μm。

在其中一个实施例中，所述纤芯1采用纯石英玻璃材料，所述环2和组件3采用掺氟石英玻璃材料，所述内包层背底4采用掺锗石英玻璃材料。

本发明的有益效果是：本发明提供一种大模场微结构光纤，该光纤中纤芯的折射率n₁与包层背底材料n₄的折射率差Δn=n₁-n₄的范围可以很大，即1×10^-2≥Δn ≥0，同时在纤芯的外围增加了一个低折射率环，从而增加了1个调节包层参数的自由度，因此可以极大的降低制备难度，保证光纤的一致性和可靠性，提高光纤的可调节性，同时可以实现更大的单模纤芯。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1是本申请实施例一的光纤端面示意图；

图2为本申请实施例一的光纤沿光纤径向的折射率分布示意图；

图3为本申请实施例二的光纤端面示意图；

图4为本申请实施例二的光纤沿光纤径向的折射率分布示意图；

图5为本申请实施例三的光纤端面示意图；

图6为本申请实施例三的光纤径向的折射率分布示意图；

图7为本申请实施例四的光纤端面示意图；

图8为本申请实施例四的光纤径向的折射率分布示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。

如图1所示，一种大模场微结构光纤，包括纤芯1，包覆纤芯1的环2，包覆环2的内包层背底4，内包层背底4内分布有若干组件3，组件3排列呈若干由内向外层叠排列的环状，内包层背底4、环2和组件3组成内包层，纤芯1、环2、组件3和内包层背底4为玻璃，纤芯1的折射率为n₁，环2的折射率为n₂，组件3的折射率为n₃，内包层背底4的折射率为n₄，则同时满足n₄≥n₁≥n₂、n₄≥n₁≥n₃、1×10^-2≥Δn=n₁-n₄≥0。折射率n₂和n₃无特定关系。

组件3的层数可以是多层或1层，环2的个数可以是多个或1个，在其中一个实施例中，组件3的层数至少为1，环2的个数至少为1。

在其中一个实施例中，组件3横截面呈圆形，相邻的组件3的中心间距Λ₃满足0≤d₃/Λ₃≤1，其中d₃为组件3的直径。上述Λ₃可以不同，各组件3的直径d₃也可以不同。

在其中一个实施例中，不同组件3的d₃相同。

通过调节环2的厚度、组件3的排布 (包括占空比、对称性、层数等)等，可实现基模的低限制损耗和与纤芯的高重叠，同时实现高阶模的高限制损耗和与纤芯的低重叠，最终可以实现光纤的大模场单模输出。限制损耗CL和重叠因子OF可以利用有限时域差分法、有限元法等算法通过解麦克斯韦方程组获得。

在其中一个实施例中，光纤的基模的限制损耗CL≤0.5dB/m，高阶模的限制损耗CL≥30dB/m。为使光纤具有更加可靠的单模性能，在设计光纤时，一般要求基模的限制损耗CL≤0.5dB/m，高阶模的限制损耗CL≥30dB/m，基模的CL越低、高阶模的CL越高，则光纤的单模输出的性能越好。

在其中一个实施例中，基模的重叠因子OF≥90%,同时基模与高阶模的OF之差ΔOF≥30%。一般要求基模的OF≥90%,同时基模与高阶模的OF之差ΔOF≥30%，基模的OF越大，ΔOF越大，则光纤的单模性能越好。

在其中一个实施例中，排列在最内1-2层的至少部分组件3直径小于其他层的组件3直径。为使光纤实现更好的单模性能，一般需将前1-2层中全部的或某几根组件3的直径d₄减小，使其小于其他层的组件3的直径。优选的，在其中一个实施例中，排列在最内1-2层的所有组件3直径小于其他层的组件3直径。

为保证基模的限制损耗较小的同时使纤芯1与环2间不会形成很强的类似阶跃光纤的波导结构 (这样会削弱光纤的模式区分能力)，也为了同时保证光纤制备的可行性，根据纤芯直径大小的不同，在其中一个实施例中，环2的厚度为1-10μm。纤芯直径越大，则环的厚度可以越厚，反之亦然。

在其中一个实施例中，纤芯1采用纯石英玻璃材料，环2和组件3采用掺氟石英玻璃材料，内包层背底4采用掺锗石英玻璃材料

以下还公开了四种不同的实施例：

实施例1，光纤结构如图1所示。纤芯1直径50微米，环2的壁厚为3微米，共3层组件3。相邻的组件3的距离均为Λ=8.43微米，最内层的组件3的直径为3.4微米(即d/Λ=0.403)，其他层的组件3的直径均为3.88微米 (即d/Λ=0.46)。图2给出了图1所示结构沿光纤径向的折射率分布图。该光纤由硅酸盐玻璃组成，其中环2和组件3使用的是相同的玻璃，纤芯1的折射率比背底材料4低3×10^-3，纤芯1的折射率比环2和组件3高4.7×10^-3。计算得到的基模和第一高阶模的限制损耗以及重叠因子分别为 5×10^-4 dB/m和104 dB/m，以及99%和57%，满足单模传输的条件。

实施例2，光纤结构如图3所示。纤芯1直径65微米，环2的壁厚为3.3微米，共3层组件3。相邻的组件3的距离均为Λ=8.43 微米，最内层中在6个顶角的组件3的直径为2.53微米 (即d/Λ=0.3)，其他的组件3的直径均为6.75微米 (即d/Λ=0.8)。图4给出了图3所示结构沿光纤径向的折射率分布图。该光纤由低折射率的纯石英和两种高折射率的掺锗石英组成，其中环2和组件3使用的是相同的纯石英玻璃，纤芯1使用的是掺锗石英玻璃，背底材料4用的是另一种掺锗石英玻璃，纤芯1的折射率比背底材料4低1.5×10^-3，纤芯1的折射率比环2 和组件3高1×10^-3。计算得到的基模和第一高阶模的限制损耗以及重叠因子分别为 3×10^-3 dB/m和45 dB/m，以及95%和34%，满足单模传输的条件。

实施例3，光纤结构如图5所示。纤芯1直径100微米，环2的壁厚为2.5微米，共8层组件3。相邻的组件3的距离均为Λ=8.43 微米，最内层的组件3的直径为3.37微米 (即d/Λ=0.4)，其他的组件3的直径均为7.17微米 (即d/Λ=0.8)。图6给出了图5所示结构沿光纤径向的折射率分布图。该光纤由纯石英，低折射率的掺氟石英和高折射率的掺锗石英组成，其中环2和组件3使用的是相同的掺氟石英玻璃，纤芯1使用的是纯石英玻璃，背底材料4用的是掺锗石英玻璃，纤芯1与背底材料4的折射率差为1×10^-3，纤芯1的折射率比环2 和组件3高1.7×10^-3。计算得到的基模和第一高阶模的限制损耗以及重叠因子分别为 0.01 dB/m和80 dB/m，以及93%和40%，满足单模传输的条件。

实施例4，光纤结构如图7所示。纤芯1直径70微米，环2的壁厚为4微米，共5层组件3。相邻的组件3的距离均为Λ=8.43 微米，最内层的组件3的直径为2.8微米(即d/Λ=0.33)，其他层的组件3的直径均为5.9微米 (即d/Λ=0.7)。图8给出了图7所示结构沿光纤径向的折射率分布图。该光纤由硅酸盐玻璃组成，其中环2和组件3使用的是相同的玻璃，纤芯1的折射率比背底材料4低2×10^-3，纤芯1的折射率比环2 和组件3高3.2×10^-3。计算得到的基模和第一高阶模的限制损耗以及重叠因子分别为 0.05 dB/m和91 dB/m，以及98%和25%，满足单模传输的条件。

本发明的有益效果是：本发明提供一种大模场微结构光纤，该光纤中纤芯的折射率n₁与包层背底材料n₄的折射率差Δn=n₁-n₄的范围可以很大，即1×10^-2≥Δn ≥0，同时在纤芯的外围增加了一个低折射率环，从而增加了1个调节包层参数的自由度，因此可以极大的降低制备难度，保证光纤的一致性和可靠性，提高光纤的可调节性，同时可以实现更大的单模纤芯。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种大模场微结构光纤，其特征在于，包括纤芯（1），包覆所述纤芯（1）的环（2），包覆所述环（2）的内包层背底（4），所述内包层背底（4）内分布有若干组件（3），组件（3）排列呈若干由内向外层叠排列的环状，所述纤芯（1）、环（2）、组件（3）和内包层背底（4）为玻璃，所述纤芯（1）的折射率为n₁，环（2）的折射率为n₂，组件（3）的折射率为n₃，内包层背底（4）的折射率为n₄，则同时满足n₄≥n₁≥n₂、n₄≥n₁≥n₃、

1×10^-2≥Δn=n₁-n₄≥0；

所述纤芯（1）采用纯石英玻璃材料，所述环（2）和组件（3）采用掺氟石英玻璃材料，所述内包层背底（4）采用掺锗石英玻璃材料。

2.根据权利要求1所述的大模场微结构光纤，其特征在于，所述组件（3）的层数至少

为1，所述环（2）的个数至少为1。

3.根据权利要求1所述的大模场微结构光纤，其特征在于，所述组件（3）横截面呈圆形，相邻的所述组件（3）的中心间距Λ₃满足0≤d₃/Λ₃≤1，其中d₃为组件（3）的直径。

4.根据权利要求3所述的大模场微结构光纤，其特征在于，不同所述组件（3）的d₃相同。

5.根据权利要求1所述的大模场微结构光纤，其特征在于，光纤的基模的限制损耗

CL≤0.5dB/m，高阶模的限制损耗CL≥30dB/m。

6.根据权利要求5所述的大模场微结构光纤，其特征在于，所述基模的重叠因子OF≥90%,同时基模与高阶模的OF之差ΔOF≥30%。

7.根据权利要求1所述的大模场微结构光纤，其特征在于，排列在最内1-2层的至少部分组件（3）直径小于其他层的组件（3）直径。

8.根据权利要求7所述的大模场微结构光纤，其特征在于，排列在最内1-2层的所有组件（3）直径小于其他层的组件（3）直径。

9.根据权利要求1所述的大模场微结构光纤，其特征在于，所述环（2）的厚度为

1-10μm。

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