CN113126198B - 一种大纤芯直径的单模光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一类大纤芯直径的单模光纤，其主要特征如下：包括纤芯、内包层和外包层，其中：所述纤芯用于吸收泵浦光并转化为信号光，纤芯掺杂稀土元素和其他共掺元素，其折射率低于内包层材料的折射率；所述内包层包覆所述纤芯，所述内包层的主要材料是纯石英玻璃或其它掺杂石英玻璃，且其中分布有两种空气孔；所述外包层包覆所述内包层，所述外包层由一圈围绕内包层的紧密排列的空气孔组成。

Description

一种大纤芯直径的单模光纤
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，特别涉及一类大纤芯直径的有源单模光子晶体光纤，主要应用于光纤激光器和光纤放大器。
背景技术
近几十年以来，光纤激光器已经逐渐取代其它类型的激光器，在科研、医疗尤其是工业制造领域获得大范围的应用。光纤具备许多优点，例如光纤比表面积大因此冷却要求低、光纤单模输出近似高斯光束因此光束质量好、光纤主要由石英玻璃制成因此生产高效且成本相对较低，另外几乎所有光路系统均在光纤内部传输，因此更加稳定可靠而且具备免维护性。综上光纤激光器比一些固体激光器或气体激光器性能更好、价格更低。光纤激光器已经成为目前最主流的激光器，然而要实现更高指标，尤其对于超快激光器，几十微焦直至毫焦级的脉冲能量对于光纤纤芯的单模有效面积提出了更严苛的要求，这使得光纤的设计和制造都将面临一些重大的技术难题，一方面目前高功率超快光纤激光数十微焦至数百微焦的单脉冲能量对于一般小芯径的光纤是无法承受的，而是要求光纤的纤芯直径在25微米、30微米、40微米、80微米，甚至100微米以上，并且保持高单模纯度；另一方面高能量密度会引起非线性效应，为了避免非线性效应同样要求大的纤芯直径以降低脉冲的能量密度。
实现大有效模场面积的有源单模光纤设计方案有很多种，例如螺旋状的手性耦合光纤等，然而现有的大芯径有源光纤实现20微米到30微米芯径的有源单模光纤主要采用阶跃型少模光纤，通过弯曲光纤滤除高阶模实现准单模，但是这种方式尤其对于纤芯30微米左右的光纤，弯曲并不能有效剔除高阶成分；实现30微米到40微米芯径的有源单模光纤，用阶跃型光纤实现的难度更大，因为极低的芯包折射率差对于常规的制造工艺存在不可控制且难于实现的缺陷，因此主要采用光子晶体光纤设计，并且适当情况下允许光纤存在一定的弯曲；实现40微米以上芯径的有源光纤则只有采用棒状光子晶体光纤，专利CN103080796B公开了一种大纤芯面积的单模光纤，任何光纤具有该单模光纤同样大的芯径且极低的数值孔径NA时已经不能允许弯曲，另外该单模光纤价格昂贵，其主要原因在于生产工艺难度较大。
发明内容
本发明提供了一类大纤芯直径的单模光纤，其主要特征如下：包括纤芯、内包层和外包层，其中：1）纤芯用于吸收泵浦光并转化为信号光，纤芯掺杂稀土元素和其他共掺元素，其折射率低于内包层材料的折射率；2）所述内包层包覆所述纤芯，所述内包层的主要材料是纯石英玻璃或其它掺杂石英玻璃，且其中分布有两种空气孔；3）外包层包覆所述内包层，所述外包层由一圈围绕内包层的紧密排列的空气孔组成。
本发明提供的第一种大纤芯直径的单模光纤，包括：
位于光纤正中心用于传输信号光的纤芯，所述纤芯由第一种材料的掺杂石英玻璃棒堆积而成，所述第一种材料具有第一种折射率；
包覆所述纤芯的内包层，所述内包层包括内包层内圈和内包层外圈，所述内包层外圈为第二种材料的均匀介质，所述第二种材料具有第二种折射率，所述第二种折射率高于第一种折射率，例如高出1×10-4，例如高出2×10-4，例如高出3×10-4，例如高出4×10-4，例如高出5×10-4，例如高出10×10-4；所述内包层内圈由第二种材料的毛细管堆积而成，所述毛细管堆积形成若干小孔，所述小孔包括大致对称分布的第一种空气孔和第二种空气孔，第一种空气孔和第二种空气孔组成阵列，且第一种空气孔的数量大于等于第二种空气孔的数量；通过单独调控第一种空气孔的直径可以实现对所述内包层的第一种有效折射率的粗调，通过单独调控第二种空气孔的直径可以实现对所述内包层的第一种有效折射率的精调，经过调控后，所述第一种有效折射率的误差不超过2×10-4，例如不超过1×10-4，例如不超过5×10-5，例如不超过2×10-5，最终使得第一种有效折射率低于纤芯的第一种折射率，且可以实现所述纤芯的有效数值孔径NA1在0~0.05之间的精确控制且误差不超过0.01，例如纤芯的有效数值孔径NA1为0.01±0.005，例如纤芯的有效数值孔径NA1为0.02±0.005，例如纤芯的有效数值孔径NA1为0.04±0.005；
包覆所述内包层的外包层，所述外包层由均匀围绕所述内包层紧密排列的一圈第三种空气孔组成，所述第三种空气孔大致呈椭圆形，所述一圈第三种空气孔使得泵浦光被束缚在所述纤芯和所述内包层之中；所述外包层的外部包覆着起支撑保护作用由外套管构成的玻璃包层；所述第三种空气孔的最大尺寸不超过12微米，且相邻两个第三种空气孔之间石英薄壁的最小厚度不大于0.8微米，这可以保证光纤的外包层的有效数值孔径NA2不小于0.46；
其中与所述纤芯相邻的一圈小孔的圆心可连接成正六边形，所述正六边形的内切圆直径d大于25微米，例如大于30微米，例如大于40微米。
上述第一种有效折射率指内包层基模的有效折射率，其中有效数值孔径指第一种折射率与第一种有效折射率平方差的平方根。并且所述信号光的归一化参数V被精确控制在2.405附近，其中V=k×NA1×d/2，其中k为所述信号光在真空中的传播常数。
进一步地，所述第一种材料包含至少一种稀土元素和其它共掺元素，所述稀土元素包括铈(Ce)、钕(Nd)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)，所述其它共掺元素包括铝（Al）、磷（P）、氟（F）。
进一步地，所述第二种材料包括纯石英玻璃或其它掺杂石英玻璃，所述其他掺杂石英玻璃包括掺氟石英玻璃、掺锗石英玻璃。
进一步地，所述纤芯中允许支持一种或多种高阶模，但高阶模至少有一半的功率扩散在所述内包层之中。
进一步地，所述第一种空气孔的直径与第二种空气孔的直径可以相同。
进一步地，在所述内包层内还可以包含应力区，所述应力区由掺硼石英玻璃棒堆积而成，所述应力区通过掺硼石英玻璃棒取代内包层中缺失的部分毛细管而形成，且所述应力区分为结构相同的两部分，呈左右对称地分布在所述纤芯的两侧。
本发明提供的第二种大纤芯直径的单模光纤，包括：
位于光纤正中心用于传输信号光的纤芯，所述纤芯由第一种材料的掺杂石英玻璃棒堆积而成，所述第一种材料具有第一种折射率；
包覆所述纤芯的内包层，所述内包层包括内包层内圈和内包层外圈，其中所述内包层外圈为第二种材料的均匀介质，所述第二种材料具有第二种折射率，且第二种折射率高于第一种折射率，例如高出1×10-4，例如高出2×10-4，例如高出3×10-4，例如高出4×10-4，例如高出5×10-4，例如高出10×10-4；所述内包层其内圈由第二种材料的毛细管堆积而成，所述毛细管堆积形成若干小孔，所述小孔包括大致对称分布的第一种空气孔和第二种空气孔，所述第一种空气孔和第二种空气孔组成阵列，所述第一种空气孔的数量大于第二种空气孔的数量，且第一种空气孔的直径大于第二种空气孔的直径，且第二种空气孔被第一种空气孔包围形成局部结构，该局部结构具有较高的第二种有效折射率，使得包层模式的信号光可以在所述局部结构中传输；通过单独调控第一种空气孔的直径使得纤芯可以至少支持LP01模和LP11模两种模式；通过单独调控第二种空气孔的直径可以实现对第二种有效折射率的精调，使得第二种有效折射率与LP11模的有效折射率相差不超过1×10-4，例如不超过5×10-5，例如不超过3×10-5，例如不超过2×10-5；最终使得所述纤芯中LP11模的信号光至少有一半的功率从所述纤芯耦合到所述内包层之中；
包覆所述内包层的外包层，其中所述外包层由均匀围绕所述内包层紧密排列的一圈第三种空气孔组成，所述第三种空气孔大致呈椭圆形，所述一圈第三种空气孔使得泵浦光被束缚在所述纤芯和所述内包层之中；所述外包层的外部包覆着起支撑保护作用由外套管构成的玻璃包层。所述第三种空气孔的最大尺寸不超过12微米，且相邻两个第三种空气孔之间石英薄壁的最小厚度不大于0.8微米，这可以保证光纤的外包层的有效数值孔径NA2不小于0.46。
其中与所述纤芯相邻的一圈小孔的圆心可连接成正六边形，所述正六边形的内切圆直径d大于30微米，例如大于40微米，例如大于50微米，例如大于60微米，例如大于70微米，例如大于80微米，例如大于90微米，例如大于100微米。
进一步地，所述第一种材料包含至少一种稀土元素和其它共掺元素，所述稀土元素包括铈(Ce)、钕(Nd)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)，，所述其它共掺元素包括Al、P、F。
进一步地，所述第二种材料包括纯石英玻璃或其它掺杂石英玻璃，所述其他掺杂石英玻璃包括掺氟石英玻璃、掺锗石英玻璃。
进一步地，所述局部结构中，被第一种空气孔包围的第二种空气孔的数量为一个或若干个，且这些第二种空气孔以特定方式相邻堆积而成。
进一步地，所述局部结构中，包围第二种空气孔的第一种空气孔可以缺失一个或若干个，尤其是在所述内包层的外圈或所述纤芯边缘处。
本发明提供的第三种大纤芯直径的单模光纤，包括：
位于光纤正中心用于传输信号光的纤芯，所述纤芯由第一种材料的掺杂石英玻璃棒堆积而成，所述第一种材料具有第一种折射率；
包覆所述纤芯的内包层，所述内包层包括内包层内圈和内包层外圈，其中所述内包层外圈为第二种材料的均匀介质，所述第二种材料具有第二种折射率，且第二种折射率高于第一种折射率，例如高出1×10-4，例如高出2×10-4，例如高出3×10-4，例如高出4×10-4，例如高出5×10-4，例如高出10×10-4；所述内包层内圈由第二种材料的毛细管堆积而成，所述毛细管堆积形成若干小孔，所述小孔包括第一种空气孔和第二种空气孔，所述第一种空气孔和第二种空气孔组成阵列；其中第一种空气孔的数量大于第二种空气孔的数量，且第一种空气孔的直径大于第二种空气孔的直径，且第二种空气孔相邻排列从所述纤芯延伸到所述内包层外圈，形成具有第三种有效折射率的通道结构，通过单独调控第一种空气孔的直径使得纤芯可以至少支持LP01模和LP11模两种模式，通过单独调控第二种空气孔的直径可以实现对第三种有效折射率的精调，使得第三种有效折射率与LP11模的有效折射率相差不超过1×10-4，例如不超过5×10-5，例如不超过4×10-5，例如不超过3×10-5，最终使得所述纤芯中LP11模的信号光以较大的衰减系数从所述纤芯泄漏到所述内包层之中，例如至少5dB/m，例如至少10dB/m，例如至少15dB/m，或使得LP11模的信号光至少有一半的功率从所述纤芯扩散或耦合到所述内包层之中；
包覆所述内包层的外包层，其中所述外包层由均匀围绕所述内包层紧密排列的一圈第三种空气孔组成，所述第三种空气孔大致呈椭圆形，所述一圈第三种空气孔使得泵浦光被束缚在所述纤芯和所述内包层之中；所述外包层的外部包覆着起支撑保护作用由外套管构成的玻璃包层。所述第三种空气孔的最大尺寸不超过12微米，且相邻两个第三种空气孔之间石英薄壁的最小厚度不大于0.8微米。这可以保证光纤的外包层的有效数值孔径NA2不小于0.46。
其中与所述纤芯相邻的一圈小孔的圆心可连接成正六边形，所述正六边形的内切圆直径d大于30微米，例如大于40微米，例如大于50微米，例如大于60微米，例如大于70微米，例如大于80微米，例如大于90微米，例如大于100微米。
进一步地，所述第一种材料包含至少一种稀土元素和其它共掺元素，所述稀土元素包括铈(Ce)、钕(Nd)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)，所述其它共掺元素包括Al、P、F。
进一步地，所述第二种材料包括纯石英玻璃或其它掺杂石英玻璃，所述其他掺杂石英玻璃包括掺氟石英玻璃、掺锗石英玻璃。
进一步地，所述通道结构的数量为一个或若干个，所述通道结构围绕所述纤芯对称分布在所述内包层之中。
进一步地，所述LP11模在扩散或耦合效应，以及泄漏损耗的双重作用下，使得LP11模在无增益传输后，其功率在所述纤芯中的占比不超过1/e，其中e为自然常数。
本发明提供的单模光纤具有更简单的材料组成，减少了一种中空掺杂石英玻璃的结构，也就减少了一种掺杂工艺流程，且可以使用与背景材料相同的中空玻璃结构实现同样的效果；另外本发明具备更多的设计自由度和工艺控制维度，进而可以实现对内包层有效折射率的更精准控制，这种超大模场面积的单模有源光纤具备较低成本规模化生产的优势，并且具备优异的单模特性。本发明的设计和方法主要用于实现芯径在25微米以上的有源单模光纤，尤其是40微米以上，以优异的单模特性满足高能量高功率光纤激光放大的实际需求。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。
图2为对实施例1提供的大纤芯直径的单模光纤实现原理的进一步说明的示意图。
图3为本发明实施例1提供的大纤芯直径的单模光纤的光场分布图。
图4为本发明实施例2提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。
图5为本发明实施例3提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。
图6为本发明实施例4提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。
图7为本发明实施例5提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。
图8为本发明实施例5提供的大纤芯直径的单模光纤的光场分布图。
图9为本发明实施例6提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。
图10为本发明实施例7提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。
图11为本发明实施例8提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。
图12为本发明实施例9提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。
图13为本发明实施例10提供的大纤芯直径的单模光纤的外包层截面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
实施例1：
参考图1，图1为本发明实施例1提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。
实施例1提供的大纤芯直径的单模光纤包括：
位于光纤正中心用于传输信号光的纤芯001，纤芯001由19根掺稀土石英玻璃棒堆积而成；
包覆纤芯001的内包层，内包层包括内包层内圈002和内包层外圈003，内包层外圈003为纯石英玻璃的均匀介质，但不设置空气孔；内包层内圈002由纯石英玻璃材质的毛细管堆积而成，显而易见内包层内圈002中毛细管堆积存在两种空气孔，分别是第一种空气孔004和第二种空气孔005，其中第一种空气孔004的数量大于第二种空气孔005的数量，虽然图1中显示第一种空气孔004的直径大于第二种空气孔005的直径，但第一种空气孔004与第二种空气孔005不以尺寸大小为识别特征，起关键作用的是它们的数量。通过掺氟将纤芯001的折射率设置低于内包层内圈002的纯石英玻璃，例如低8×10-4。通过设置第一种空气孔004的尺寸初步确定内包层内圈002的有效折射率水平，通过进一步设置和调控第二种空气孔005的尺寸可以精确控制内包层内圈002的有效折射率，原理如图2所示。
图2为对实施例1提供的大纤芯直径的单模光纤实现原理的进一步说明的示意图：单独调控第二种空气孔005的填充率引起的第一种有效折射率变化与常规同步调控所有空气孔的方式对比。图2中横坐标为空气孔的填充率即空气孔直径比上孔间距，纵坐标为不同空气孔填充率引起内包层内圈002的第一种有效折射率变化，图中黑色小点为常规的调控方式即均匀同步调控所有空气孔，灰色大点为本发明的调控方式即单独调控第二种空气孔005，很显然本发明的这种调控方式使得内包层内圈002的第一种有效折射率的变化对空气孔的填充率变化相对不敏感，即可以实现精确调控。此外通过设置第一种空气孔004和第二种空气孔005的数量比例和结构排布可以调控图2中的虚线。
图3为实施例1提供的大纤芯直径的单模光纤的光场分布图，其中图3a为LP11模，图3b为LP01模。显而易见，通过上述调控方法实现较低的纤芯001的有效数值孔径NA1，例如0.03左右，使得LP11模至少有一半的功率扩散到了包层之中，而LP01模完好限制在纤芯001之中。
实施例2：
参考图4，图4为本发明实施例2提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。
实施例2提供的大纤芯直径的单模光纤包括：
位于光纤正中心用于传输信号光的纤芯001，纤芯001由7根掺稀土石英玻璃棒堆积而成；
包覆纤芯001的内包层，内包层包括内包层内圈002和内包层外圈003，内包层外圈003是纯石英玻璃的材质，但不设置空气孔；内包层内圈002是由纯石英玻璃材质的毛细管堆积而成，显而易见内包层内圈002中由于毛细管堆积存在两种空气孔，分别是第一种空气孔004和第二种空气孔005，其中第一种空气孔004的数量大于第二种空气孔005的数量。通过掺氟将纤芯001的折射率设置低于内包层内圈002的纯石英玻璃，例如低7×10-4。并且通过上述实施例1的调控方法可以将纤芯001的有效数值孔径NA1精确控制在0.03左右。
实施例3：
参考图5，图5为本发明实施例3所提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。
实施例3提供的大纤芯直径的单模光纤包括：
位于光纤正中心用于传输信号光的纤芯001，纤芯001由7根掺稀土石英玻璃棒堆积而成；包覆纤芯001的内包层，内包层包括内包层内圈002和内包层外圈003，内包层外圈003为纯石英玻璃的均匀介质，但不设置空气孔；内包层内圈002是由纯石英玻璃材质的毛细管堆积而成，显而易见内包层内圈002中由于毛细管堆积存在两种空气孔，分别是第一种空气孔004和第二种空气孔005，其中第一种空气孔004的数量大于第二种空气孔005的数量。通过掺氟将纤芯001的折射率设置低于内包层内圈002的纯石英玻璃，例如低6×10-4。并且通过上述实施例1的调控方法可以将纤芯001的有效数值孔径NA1精确控制在0.03左右。
相比于实施例2，实施例3提供的大纤芯直径的单模光纤又增加了应力区006，应力区006由掺硼石英玻璃棒堆积而成，应力区006对称分布于纤芯001的两侧，为纤芯001提供双折射，用于保证激光传输时偏振态的稳定性。
实施例4：
参考图6，图6为本发明实施例4所提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。实施例4与图5中的实施例3相比，第一种空气孔004和第二种空气孔005的直径相等，同样可以将纤芯001的有效数值孔径NA1精确控制在0.03左右。
实施例4与图5中的实施例3相比，应力区006的掺硼石英玻璃棒的数量有所增加，通过调控掺硼石英玻璃棒的掺硼浓度或数量以及堆积方式可以优化光纤的双折射大小。
实施例5：
参考图7，图7为本发明实施例5所提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。
图7提供的大纤芯直径的单模光纤包括：
位于光纤正中心用于传输信号光的纤芯001，纤芯001由19根掺稀土石英玻璃棒堆积而成；
包覆纤芯001的内包层，内包层包括内包层内圈002和内包层外圈003，内包层外圈003为纯石英玻璃的材质，但不设置空气孔；内包层内圈002是由纯石英玻璃材质的毛细管堆积而成，显而易见内包层内圈002中由于毛细管堆积存在两种空气孔，分别是第一种空气孔004和第二种空气孔005，其中第一种空气孔004的尺寸大于第二种空气孔005的尺寸，每三个第二种空气孔005被第一种空气孔004包围形成了六个高有效折射率区域007（图7中黑色椭圆圈出部分）。通过掺氟将纤芯001的折射率设置低于内包层内圈002的纯石英玻璃，例如低5×10-4。通过设置第一种空气孔004尺寸基本确定内包层内圈002的有效折射率，通过进一步设置和调控第二种空气孔005的尺寸可以精确控制高有效折射率区域007的有效折射率。当纤芯001中的LP11模的有效折射率与高有效折射率区域007的有效折射率相当时，LP11模的部分功率就会被耦合到内包层之中。
参考图8，图8为本发明实施例5所提供的大纤芯直径的单模光纤的光场分布图。纤芯001中的LP01模的有效折射率与高有效折射率区域007的有效折射率接近，发生耦合，图8a显示LP11模超过一半的光功率可被耦合到内包层之中，而图8b显示LP01模则完好限制在纤芯001之中。
实施例6：
参考图9，图9为本发明实施例6所提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。
实施例6提供的大纤芯直径的单模光纤包括：
位于光纤正中心用于传输信号光的纤芯001，纤芯001由19根掺稀土石英玻璃棒堆积而成；
包覆纤芯001的内包层，内包层包括内包层内圈002和内包层外圈003，内包层外圈003为纯石英玻璃的材质，但不设置空气孔；内包层内圈002由纯石英玻璃材质的毛细管堆积而成，显而易见内包层内圈002中由于毛细管堆积存在两种空气孔，分别是第一种空气孔004和第二种空气孔005，其中第一种空气孔004的数量大于第二种空气孔005的数量，且第一种空气孔004的直径大于第二种空气孔005的直径，第二种空气孔005贯穿内包层内圈002连接纤芯001和内包层外圈003形成通道结构008（图9中黑色椭圆圈出部分），通道结构008呈现放射状。通过掺氟将纤芯001的折射率设置低于内包层内圈002的纯石英玻璃，例如低4×10-4。通过设置第一种空气孔004尺寸确定结构内包层内圈002的有效折射率水平，通过进一步设置和调控第二种空气孔005的尺寸可以精确控制通道结构008的有效折射率，且通道结构008的有效折射率与LP11模的有效折射率相差不超过1×10-4。LP11模具有较大的泄漏损耗且部分功率扩散或耦合到内包层之中，扩散现象可参考图3a的LP11模，耦合现象可参考图8a的LP11模。
实施例7：
参考图10，图10为本发明实施例7所提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。
实施例7提供的大纤芯直径的单模光纤是在实施例6的基础上改变部分结构形成折线形通道结构008（图10中黑色椭圆圈出部分）。
实施例8：
参考图11，图11为本发明实施例8所提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。与实施例6相比，实施例8的通道结构008（图11中黑色椭圆圈出部分）具有不同的角度，形成螺旋放射状结构。
实施例9：
参考图12，图12为本发明实施例9所提供的大纤芯直径的单模光纤的截面示意图。实施例9所提供的大纤芯直径的单模光纤是在实施例8的基础上改变部分结构形成折线形通道结构008（图12中黑色椭圆圈出部分）。
实施例10：
参考图13，图13为本发明实施例10所提供的大纤芯直径的单模光纤外包层的截面示意图。其中图13示出的光纤结构009中至少包含上述纤芯001、内包层内圈002、内包层外圈003、第一种空气孔004和第二种空气孔005，此外还可能包括应力区006、高有效折射率区域007或通道结构008，也就是说光纤结构009的具体结构可以是图1、图4、图5、图6、图7、图9、图10、图11、图12中任意一种或其它结构，从而构成完整的光纤。光纤结构009还包括包覆内包层的外包层010，外包层010由均匀围绕内包层紧密排列的一圈第三种空气孔组成，第三种空气孔大致呈椭圆形，一圈第三种空气孔使得泵浦光被束缚在纤芯001和内包层之中；外包层010的外部包覆着起支撑保护作用由外套管构成的玻璃包层011。
上述实施例1-实施例10中，掺稀土石英玻璃棒可以为掺稀土元素铈(Ce)、钕(Nd)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)中任一种或任两种或多种的石英玻璃棒，本发明对此不作限制。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (17)

1.一种大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，包括：
位于光纤正中心用于传输信号光的纤芯，所述纤芯由第一种材料的掺杂石英玻璃棒堆积而成，所述第一种材料具有第一种折射率；
包覆所述纤芯的内包层，所述内包层包括内包层内圈和内包层外圈，所述内包层外圈为第二种材料的均匀介质，所述第二种材料具有第二种折射率，所述第二种折射率高于第一种折射率；所述内包层内圈由第二种材料的毛细管堆积而成，所述毛细管堆积形成若干小孔，所述小孔包括大致呈对称分布的第一种空气孔和第二种空气孔，所述第一种空气孔的数量大于等于第二种空气孔的数量；所述第一种空气孔的直径和第二种空气孔的直径经过调控后，所述内包层的第一种有效折射率的误差不超过2×10-4，所述纤芯的有效数值孔径的范围在0~0.05之间且误差不超过0.01；通过设置第一种空气孔的尺寸初步确定内包层内圈的有效折射率水平，通过进一步设置和调控第二种空气孔的尺寸可以精确控制内包层内圈的有效折射率；
包覆所述内包层的外包层，所述外包层由均匀围绕所述内包层紧密排列的一圈第三种空气孔组成，所述第三种空气孔大致呈椭圆形，所述一圈第三种空气孔使得泵浦光被束缚在所述纤芯和所述内包层之中；所述外包层的外部包覆着起支撑保护作用由外套管构成的玻璃包层；
其中与所述纤芯相邻的一圈小孔的圆心可连接成正六边形，所述正六边形的内切圆直径大于25微米。
2.根据权利要求1所述的大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，所述第一种材料包含至少一种稀土元素和其它共掺元素，所述其它共掺元素包括Al、P、F。
3.根据权利要求1所述的大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，所述第二种材料包括纯石英玻璃或其它掺杂石英玻璃，所述其它掺杂石英玻璃包括掺氟石英玻璃、掺锗石英玻璃。
4.根据权利要求1所述的大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，所述纤芯中支持一种或多种高阶模，所述高阶模至少有一半的功率分布在所述内包层之中。
5.根据权利要求1所述的大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，所述第一种空气孔的直径与第二种空气孔的直径相同。
6.根据权利要求1或5所述的大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，所述内包层还包含应力区，所述应力区由掺硼石英玻璃棒堆积而成，且所述应力区按左右对称分布在所述纤芯的两侧。
7.一种大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，包括：
位于光纤正中心用于传输信号光的纤芯，所述纤芯由第一种材料的掺杂石英玻璃棒堆积而成，所述第一种材料具有第一种折射率；
包覆所述纤芯的内包层，所述内包层包括内包层内圈和内包层外圈，其中所述内包层外圈为第二种材料的均匀介质，所述第二种材料具有第二种折射率，且第二种折射率高于第一种折射率；所述内包层内圈由第二种材料的毛细管堆积而成，所述毛细管堆积形成若干小孔，所述小孔包括大致呈对称分布的第一种空气孔和第二种空气孔，所述第一种空气孔的数量大于第二种空气孔的数量，且第一种空气孔的直径大于第二种空气孔的直径，且第二种空气孔被第一种空气孔包围形成局部结构，所述局部结构具有第二种有效折射率，信号光可以在所述局部结构中传输；所述第一种空气孔的直径经过单独调控后，所述纤芯可以至少支持LP01模和LP11模两种模式；所述第二种空气孔的直径经过单独调控后，所述第二种有效折射率与LP11模的有效折射率相差不超过1×10-4，所述纤芯中LP11模的信号光至少有一半的功率从所述纤芯耦合到所述内包层之中；通过设置第一种空气孔尺寸基本确定内包层内圈的有效折射率，通过进一步设置和调控第二种空气孔的尺寸可以精确控制局部结构的第二种有效折射率；
包覆所述内包层的外包层，其中所述外包层由均匀围绕所述内包层紧密排列的一圈第三种空气孔组成，所述第三种空气孔大致呈椭圆形，所述一圈第三种空气孔使得泵浦光被束缚在所述纤芯和所述内包层之中；所述外包层的外部包覆着起支撑保护作用由外套管构成的玻璃包层；
其中与所述纤芯相邻的一圈小孔的圆心可连接成正六边形，所述正六边形的内切圆直径大于30微米。
8.根据权利要求7所述的大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，所述第一种材料包含至少一种稀土元素和其它共掺元素，所述其它共掺元素包括Al、P、F。
9.根据权利要求7所述的大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，所述第二种材料包括纯石英玻璃或其它掺杂石英玻璃，所述其它掺杂石英玻璃包括掺氟石英玻璃、掺锗石英玻璃。
10.根据权利要求7所述的大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，所述局部结构中，被第一种空气孔包围的第二种空气孔的数量为一个或若干个。
11.根据权利要求7或10所述的大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，所述局部结构中，包围第二种空气孔的第一种空气孔可以缺失一个或若干个。
12.一种大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，包括：
位于光纤正中心用于传输信号光的纤芯，所述纤芯由第一种材料的掺杂石英玻璃棒堆积而成，所述第一种材料具有第一种折射率；
包覆所述纤芯的内包层，所述内包层包括内包层内圈和内包层外圈，其中所述内包层外圈为第二种材料的均匀介质，所述第二种材料具有第二种折射率，且第二种折射率高于第一种折射率；所述内包层内圈由第二种材料的毛细管堆积而成，所述毛细管堆积形成若干小孔，所述小孔包括第一种空气孔和第二种空气孔；其中所述第一种空气孔的数量大于第二种空气孔的数量，且第一种空气孔的直径大于第二种空气孔的直径，且第二种空气孔相邻排列从所述纤芯延伸到所述内包层外圈，形成具有第三种有效折射率的通道结构；所述第一种空气孔的直径经过单独调控后，所述纤芯至少支持LP01模和LP11模两种模式；所述第二种空气孔的直径经过单独调控后，所述第三种有效折射率与LP11模的有效折射率相差不超过1×10-4，所述纤芯中LP11模的信号光从所述纤芯泄漏到所述内包层之中，或LP11模的信号光至少有一半的功率从所述纤芯扩散或耦合到所述内包层之中；通过设置第一种空气孔尺寸确定内包层内圈的有效折射率水平，通过进一步设置和调控第二种空气孔的尺寸可以精确控制通道结构的第三种有效折射率；
包覆所述内包层的外包层，其中所述外包层由均匀围绕所述内包层紧密排列的一圈第三种空气孔组成，所述第三种空气孔大致呈椭圆形，所述一圈第三种空气孔使得泵浦光被束缚在所述纤芯和所述内包层之中；所述外包层的外部包覆着起支撑保护作用由外套管构成的玻璃包层；
其中与所述纤芯相邻的一圈小孔的圆心可连接成正六边形，所述正六边形的内切圆直径大于30微米。
13.根据权利要求12所述的大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，所述第一种材料包含至少一种稀土元素和其它共掺元素，所述其它共掺元素包括Al、P、F。
14.根据权利要求12所述的大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，所述第二种材料包括纯石英玻璃或其它掺杂石英玻璃，所述其它掺杂石英玻璃包括掺氟石英玻璃、掺锗石英玻璃。
15.根据权利要求12所述的大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，所述通道结构的数量为一个或若干个，所述通道结构围绕所述纤芯对称地排布在所述内包层之中。
16.根据权利要求12所述的大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，所述LP11模在扩散或耦合效应，以及泄漏损耗的双重作用下，LP11模在无增益传输后其功率在所述纤芯中所占的比重不超过1/e，其中e为自然常数。
17.根据权利要求1、7或12所述的大纤芯直径的单模光纤，其特征在于，所述第三种空气孔的最大尺寸不超过12微米，且相邻两个第三种空气孔之间石英薄壁的最小厚度不大于0.8微米。
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