CN114035263B - 一种莱洛三角形低折射率棒的光子带隙光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种莱洛三角形低折射率棒的光子带隙光纤，该光纤包括由内至外依次设置的圆形光纤基底和圆形外包层，所述圆形光纤基底上沿圆周内侧一圈设有若干莱洛三角形低折射率棒，所述莱洛三角形低折射率棒所围住的中心区域为纤芯，用于传输基模光。其中，光纤基底部分采用未掺杂稀土元素的纯二氧化硅；通过对二氧化硅材料掺杂稀土元素，如氟等，使得莱洛三角形低折射率棒的折射率低于二氧化硅基底，或者用空气取代莱洛三角形低折射率棒所处位置。圆形外包层由折射率低于基底的聚合物涂覆。本发明结构简单，相较于同结构的圆形低折射率棒的光子带隙光纤，均具有更大的光学基模有效面积。
Description
技术领域
本发明属于光纤制造技术领域，特别是一种莱洛三角形低折射率棒的光子带隙光纤。
背景技术
介质在强光作用下会产生非线性效应，包括光学谐波、倍频、受激拉曼散射、受激布里渊散射、双光子吸收、自聚焦效应、自散焦效应。光纤中非线性效应的产生，往往会限制光纤激光器功率，影响输出特性。抑制甚至消除光纤中的部分非线性效应，如受激布里渊散射效应，进一步提高光纤激光器、光放大器的输出功率，具有实际意义。
光纤中受激布里渊散射效应的抑制，换言之，提高受激布里渊散射效应的阈值功率，当前主要的技术方案有：相位调制展宽种子激光线宽，采用短脉宽脉冲种子激光，利用高掺杂或大模场光纤以减小光纤有效长度，施加温度梯度或应力梯度展宽光纤布里渊增益谱，增大光纤有效模场面积等等。其中，增大光纤有效模场面积，可以通过优化光纤截面各位置的几何参数及光学折射率来实现，最典型的就是光子带隙光纤的提出。
光子带隙光纤，是一种由六个空气孔或六根折射率略低于包层的玻璃棒围成的区域作为纤芯部分的光纤，由英国Bath大学的Russen于1991年率先提出。与传统光纤相比，它打破了纤芯与包层边界的连续性，这也使得光纤对所有模式都存在泄露。一个关键的设计特性在于，高阶模会与光纤的外包层产生谐振，从而进一步增加了高阶模抑制的数量级，使谐振增强的光子带隙光纤基本上表现为传统的单模光纤。
1995年，BirkS从理论上证明了二维平面外传播的光子带隙是能够存在于像玻璃和空气这样的低折射率差(1.45:1)的结构中。1998年，Knight等人首次研制成功蜂窝状结构的光子带隙光纤，但模拟显示大部分场能存在于玻璃区域，非线性效应大，并未实现真正意义上的利用带隙在空芯中导光的的想法。1999年，Cregan等人设计制作了第一根空芯光子带隙光纤，不过光纤损耗特别大，到2005年，损耗已经降到了0.75dB。
2004年，英国Bath大学的Luan F等人成功研制了世界上第一根全固光子带隙光纤(All-Solid Photonic Bandgap Fiber，AS-PBGF)，即在光纤包层中用高于光纤基底材料的高折射率棒组成周期性排列，形成光子带隙，实现导光。由于AS-PBGF为实心结构，相较于空芯光子带隙光纤更易于和传统光纤相熔接,制备也更简单。2009年，Murao T等人首次提出了一种弯曲不敏感有效单模异质包层结构AS-PBGF，光纤横截面形状由于类似于风车，被称为风车结构。它的包层由两部分组成：第一部分是由从纤芯往外数第1、2圈高折射率棒组成的三角格子阵列，第二部分由第3-6圈高折射率棒组成的包含低折射率缺陷区域的分瓣结构。
2018—2019年，Kong F等人设计2种以磷硅酸盐玻璃为基质的大芯包比有源光子带隙光纤，在纤芯直径约为50μm、内包层直径约为400μm和泵浦波长为976nm时对应泵浦的吸收系数约2.3dB/m。当3.4m长光纤在弯曲直径为70cm时，得到最大输出功率为240W和中心波长为1018nm的单模激光。此时，吸收的泵浦光转换成输出激光效率约为86％，输出功率为8W时测得的光束质量因子M2 x＝1.28、M2 y＝1.35，同时监测到不同输出功率下光纤模场形状变化不大。
现如今，光子带隙光纤可以由三角形晶格、正方形品格、六角形晶格、八边形晶格、Kagome晶格、改进的蜂巢晶格等多种结构排列。该种光纤与传统光纤相比具有许多新奇的特性，诸如极低的非线性、低瑞利散射，宽广的低损耗窗口、灵活的色散设计，光纤端面低菲涅耳反射，低弯曲损耗等等。故光子带隙光纤出现就引起人们广泛的兴趣,正在被人们应用于众多的领域。
在数学里，平面上简单的严格凸的闭曲线(卵形曲线)垂直每个方向都可作两条互相平行的切线，成为这个方向上的最高线和最低线，两切点称为相互对应。我们把这种卵曲线称为等宽曲线，如果每个方向上的最高线和最低线之间的距离为常数，那么这个图形则是等宽曲线图形。圆形，就是典型的等宽曲线图形。莱洛多边形，也是一种等宽曲线图形。本发明尝试将莱洛多边形引入到光子带隙光纤结构的设计中，为未来可能的后续工作提供新的思路。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种莱洛三角形纤芯的稀土掺杂光纤。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种莱洛三角形低折射率棒的光子带隙光纤，该光纤包括由内至外依次设置的圆形光纤基底和圆形外包层，所述圆形光纤基底上沿圆周内侧一圈设有若干莱洛三角形低折射率棒，所述莱洛三角形低折射率棒所围住的中心区域为纤芯，用于传输基模光。
进一步地，所述圆形光纤基底采用未掺杂任何其它稀土元素的纯二氧化硅材料。
进一步地，所述莱洛三角形低折射率棒采用掺杂稀土元素，使得莱洛三角形低折射率棒的折射率低于二氧化硅基底。
进一步地，所述莱洛三角形低折射率棒，可替换为空气，即替换为莱洛三角形空气棒。
进一步地，所述莱洛三角形低折射率棒的相邻距离Λ为相邻莱洛三角形低折射率棒中心点之间的距离。
进一步地，所述莱洛三角形低折射率棒的宽度d为三角形任一顶点到对边圆弧的距离。
进一步地，所述莱洛三角形低折射率棒沿圆形光纤基底的圆周均匀分布。
进一步地，所述莱洛三角形低折射率棒可绕其中心旋转，其指向可调。
进一步地，所述圆形外包层由折射率低于圆形光纤基底的聚合物涂覆。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)对任意基于圆形低折射率棒设计的光子带隙光纤，改用莱洛三角形，都可以实现光纤有效模场面积的增大；2)该光纤中莱洛三角形低折射率棒的对称中心点位置确定后，可以结合生产水平和设计需求进行旋转调节，对工艺误差的适应性强，且仍保持基模有效面积的增大效果。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中莱洛三角形低折射率棒的纤芯光子带隙光纤的结构示意图。
图2为一个实施例中莱洛三角形低折射率棒的单胞纤芯光子带隙光纤的六种不同结构示意图，其中图(a)内六根莱洛三角形低折射率棒均指向90°方向；图(b)内1-3-5三个位置的莱洛三角形低折射率棒指向270°方向，2-4-6三个位置的莱洛三角形低折射率棒指向90°方向；图(c)内六根莱洛三角形低折射率棒均指向圆形外包层；图(d)内六根莱洛三角形低折射率棒均指向纤芯；图(e)内1-4位置的莱洛三角形低折射率棒指向90°方向，2-5位置的莱洛三角形低折射率棒指向210°方向，3-6位置的莱洛三角形低折射率棒指向330°方向；图(f)内1-4位置的莱洛三角形低折射率棒指向90°方向，2-5位置的莱洛三角形低折射率棒指向60°方向，3-6位置的莱洛三角形低折射率棒指向120°方向。
图3为一个实施例中用于对比的圆形低折射率棒的单胞纤芯光子带隙光纤的结构示意图。
图4为一个实施例中两种莱洛多边形低折射率棒组合的单胞纤芯光子带隙光纤的结构示意图。
图5为一个实施例中不同宽度的莱洛三角形低折射率棒的单胞纤芯光子带隙光纤的结构示意图。
图6为一个实施例中用于对比的不同宽度的圆形低折射率棒的单胞纤芯光子带隙光纤的结构示意图。
图7为一个实施例中双层莱洛三角形低折射率棒的单胞纤芯光子带隙光纤的四种结构示意图，第一层的六根莱洛三角形低折射率棒均指向圆形外包层，其中图(a)内第二层十二根莱洛三角形低折射率棒均指向圆形外包层；图(b)内第二层莱洛三角形低折射率棒中相对靠近中心区域的六根指向纤芯，相对远离中心区域的六根指向圆形外包层；图(c)内第二层十二根莱洛三角形低折射率棒均指向纤芯；图(d)内第二层莱洛三角形低折射率棒中相对靠近中心区域的六根指向圆形外包层，相对远离中心区域的六根指向纤芯。
图8为一个实施例中双层低折射率棒的单胞纤芯光子带隙光纤的结构示意图，其中第一层的六根低折射率棒为圆形，第二层的十二根莱洛三角形低折射率棒均指向圆形外包层。
图9为一个实施例中用于对比的双层圆形低折射率棒的单胞纤芯光子带隙光纤的结构示意图。
图10为一个实施例中莱洛三角形低折射率棒的七胞纤芯光子带隙光纤的结构示意图。
图11为一个实施例中用于对比的圆形低折射率棒的七胞纤芯光子带隙光纤的结构示意图。
上述图中，莱洛三角形低折射率棒上标注黑点的顶点所指的方向为莱洛三角形低折射率棒的指向。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种莱洛三角形低折射率棒的单胞纤芯光子带隙光纤，该光纤包括由内至外依次设置的圆形光纤基底1和圆形外包层3，所述圆形光纤基底1上沿圆周内侧一圈设有若干莱洛三角形低折射率棒22，所述莱洛三角形低折射率棒22所围住的中心区域为纤芯，用于传输基模光。
进一步地，在其中一个实施例中，所述圆形光纤基底1采用未掺杂任何其它稀土元素的纯二氧化硅材料。
进一步地，在其中一个实施例中，所述莱洛三角形低折射率棒22采用掺杂稀土元素，如氟等，以使莱洛三角形低折射率棒的折射率低于圆形光纤基底1。
进一步地，在其中一个实施例中，所述莱洛三角形低折射率棒22，可替换为空气，即替换为莱洛三角形空气棒。
进一步地，在其中一个实施例中，所述莱洛三角形低折射率棒22的相邻距离Λ为相邻莱洛三角形低折射率棒22中心点21之间的距离。
进一步地，在其中一个实施例中，所述莱洛三角形低折射率棒22的宽度d为三角形任一顶点到对边圆弧的距离。
进一步地，在其中一个实施例中，所述莱洛三角形低折射率棒22沿圆形光纤基底1的圆周均匀分布。
进一步地，在其中一个实施例中，所述莱洛三角形低折射率棒22可绕其中心旋转，其指向可调。
这里示例性地，在其中一个实施例中，结合图2a，六根莱洛三角形低折射率棒均指向90°方向。结合图2b，1-3-5三个位置的莱洛三角形低折射率棒指向270°方向，2-4-6三个位置的莱洛三角形低折射率棒指向90°方向。结合图2c，六根莱洛三角形低折射率棒均指向圆形外包层。结合图2d，六根莱洛三角形低折射率棒均指向纤芯。结合图2e，1-4位置的莱洛三角形低折射率棒指向90°方向，2-5位置的莱洛三角形低折射率棒指向210°方向，3-6位置的莱洛三角形低折射率棒指向330°方向。结合图2f，1-4位置的莱洛三角形低折射率棒指向90°方向，2-5位置的莱洛三角形低折射率棒指向60°方向，3-6位置的莱洛三角形低折射率棒指向120°方向。
进一步地，在其中一个实施例中，所述圆形外包层3由折射率低于圆形光纤基底1的聚合物涂覆，作为完美匹配层。
示例性地，在其中一个实施例中，对本发明莱洛三角形纤芯的稀土掺杂光纤进行进一步验证说明。该示例中，将通过对比本发明提出的光纤和圆形低折射率棒的单胞纤芯光子带隙光纤进行验证。结合图3，用于对比的圆形纤芯的稀土掺杂光纤，结构包括：圆形光纤基底、圆形低折射率棒和圆形外包层。所述圆形低折射率棒的直径与莱洛三角形低折射率棒的宽度相等，光学折射率相等。
实施例1
本实施例中莱洛三角形低折射率棒的单胞纤芯光子带隙光纤的参数如下：光纤基底直径为125μm，折射率为1.45；莱洛三角形低折射率棒的宽度d与相邻距离Λ的比值为0.7，折射率为1.4488；圆形外包层的宽度为12.6μm，折射率为1.37。激光波长为1.050μm。用于对比验证的圆形低折射率棒的单胞纤芯光子带隙光纤，除低折射率棒的几何形状外，其余参数完全相同。
表一为图2中设计的单胞纤芯光子带隙光纤所对应的光纤有效模场面积与莱洛多边形低折射率棒边数及排列方式的关系。根据计算，此时图3中光纤基模的有效模场面积为1459.01um2。结合数据，对任意排列的莱洛多边形低折射率棒的光子带隙光纤，光纤有效模场面积均增大。
特别的是，当边数为3时，以图2c排列方式的莱洛三角形低折射率棒光子带隙光纤，有效模场面积增加得最多，增加了8.66％；以图2d排列方式的莱洛三角形低折射率棒光子带隙光纤，有效模场面积增加得最少，增加了2.55％。
表一d/Λ＝0.7时，光纤有效模场面积与莱洛多边形低折射率棒边数及排列方式的关系
当莱洛三角形低折射率棒用莱洛三角形空气棒取代时，折射率由1.4488降低至1。表二为此时图2中设计的单胞纤芯光子带隙光纤所对应的光纤有效模场面积与莱洛多边形空气棒边数及排列方式的关系。根据计算，此时图3中光纤基模的有效模场面积为1136.33um2。此时，对绝大多数排列的莱洛多边形低折射率棒的光子带隙光纤，光纤有效模场面积均增大。
特别的是，当边数为3时，以图2c排列方式的莱洛三角形低折射率棒光子带隙光纤，有效模场面积增加得最多，增加了12.03％；以图2d排列方式的莱洛三角形低折射率棒光子带隙光纤，有效模场面积反而减少，降低了2.71％。
表二当低折射率棒用空气取代(nrod＝1)且d/Λ＝0.7时，光纤有效模场面积与不同莱洛多边形低折射率棒边数组合的关系
图4中采用两种莱洛多边形低折射率棒组合的单胞纤芯光子带隙光纤的设计，其中1-3-5位置上莱洛多边形低折射率棒的边数相同，记为N1；2-4-6位置上莱洛多边形低折射率棒的边数相同，记为N2。此外，低折射率棒的朝向均指向圆形外包层，其余参数保持不变。表三对应的是此时的光纤有效模场面积。对比结构仍为图3中的圆形低折射率棒的光子带隙光纤。可以看出，即使变换组合，莱洛多边形低折射率棒的设计仍然增大了光纤的有效模场面积。
表三d/Λ＝0.7时，光纤有效模场面积与不同莱洛多边形低折射率棒边数组合的关系
实施例2
本实施例对应图5和图6的设计。与实施例一相比，莱洛三角形低折射率棒的宽度d与相邻距离Λ的比值变为0.424，其余参数完全相同。
表四为图5中设计的单胞纤芯光子带隙光纤所对应的光纤有效模场面积与莱洛多边形低折射率棒边数及排列方式的关系。根据计算，此时图6中光纤基模的有效模场面积为2805.83um2。结合数据，对任意排列的莱洛多边形低折射率棒的光子带隙光纤，光纤有效模场面积均增大。
与实施例一不同的是，此时，当边数为3时，以图2c排列方式的莱洛三角形低折射率棒光子带隙光纤，有效模场面积增加得最少，增加了2.99％；以图2d排列方式的莱洛三角形低折射率棒光子带隙光纤，有效模场面积增加得最多，增加了3.48％。表四d/Λ＝0.424时，光纤有效模场面积与莱洛多边形低折射率棒边数及排列方式的关系
实施例3
本实施例对应图7、图8和图9的设计。图7中双层莱洛三角形低折射率棒的单胞纤芯光子带隙光纤的参数如下：光纤基底直径为200μm，折射率为1.45；莱洛三角形低折射率棒的宽度d与相邻距离Λ的比值为0.7，折射率为1.4488；圆形外包层的宽度为12.6μm，折射率为1.37。激光波长为1.050μm。图8和图9中，除低折射率棒的几何形状改变外，其余参数完全相同。
表五为图7和图8中设计的单胞纤芯光子带隙光纤所对应的光纤有效模场面积与莱洛多边形低折射率棒边数及排列方式的关系，其中前四列对应图7中四种排列方式，最后一列对应图8结构的数据。根据计算，此时图9中光纤基模的有效模场面积为1457.75um2。
结合数据，对任意排列的莱洛多边形低折射率棒的光子带隙光纤，光纤有效模场面积仍然增大。但是，影响光纤基模有效面积的主要因素，是第一层莱洛多边形低折射率棒。第二层莱洛多边形低折射率棒的排列方式及边数，对光纤有效模场面积的影响极小。
表五光纤有效模场面积与莱洛多边形低折射率棒边数的对应关系
实施例4
本实施例对应图10和图11的设计。图10中单层莱洛三角形低折射率棒的七胞纤芯光子带隙光纤的参数如下：光纤基底直径为200μm，折射率为1.45；莱洛三角形低折射率棒的宽度d与相邻距离Λ的比值为0.7，折射率为1.4488，且均指向圆形外包层；圆形外包层的宽度为12.6μm，折射率为1.37。激光波长为1.050μm。图11中，除低折射率棒的几何形状改变外，其余参数完全相同。
表六为图10和图11中设计的七胞纤芯光子带隙光纤所对应的光纤有效模场面积与莱洛多边形低折射率棒边数的关系，最后一行为对比的圆形低折射率棒的七胞纤芯光子带隙光纤的数据，光纤基模的有效模场面积为5852.49um2。此时，莱洛三角形低折射率棒对模场面积的增大程度最高，为3.66％。
表六光纤有效模场面积与莱洛多边形低折射率棒边数的对应关系
| 低折射率棒边数 | 基模有效折射率 | Aeff/um2 | 模场面积增大度 |
| 3 | 1.449986106 | 6066.80 | 3.66％ |
| 5 | 1.449985691 | 5903.50 | 0.87％ |
| 7 | 1.449985629 | 5879.04 | 0.45％ |
| 9 | 1.449985604 | 5868.87 | 0.27％ |
| 11 | 1.449985591 | 5863.57 | 0.19％ |
| ○ | 1.449985565 | 5852.49 | — |
由上可知，本发明结构简单，相较于同结构的圆形低折射率棒的光子带隙光纤，均具有更大的光学基模有效面积。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种莱洛三角形低折射率棒的光子带隙光纤，其特征在于，该光纤包括由内至外依次设置的圆形光纤基底（1）和圆形外包层（3），所述圆形光纤基底（1）上沿圆周内侧一圈设有若干莱洛三角形低折射率棒（22），所述莱洛三角形低折射率棒（22）所围住的中心区域为纤芯，用于传输基模光；
所述莱洛三角形低折射率棒（22）的相邻距离Λ为相邻莱洛三角形低折射率棒（22）中心点（21）之间的距离；
所述莱洛三角形低折射率棒（22）的宽度d为三角形任一顶点到对边圆弧的距离；
所述莱洛三角形低折射率棒（22）可绕其中心旋转，其指向可调。
2.根据权利要求1所述的莱洛三角形低折射率棒的光子带隙光纤，其特征在于，所述圆形光纤基底（1）采用未掺杂任何其它稀土元素的纯二氧化硅材料。
3.根据权利要求1或2所述的莱洛三角形低折射率棒的光子带隙光纤，其特征在于，所述莱洛三角形低折射率棒（22）采用掺杂稀土元素，以使莱洛三角形低折射率棒的折射率低于圆形光纤基底（1）。
4.根据权利要求3所述的莱洛三角形低折射率棒的光子带隙光纤，其特征在于，所述莱洛三角形低折射率棒（22），可替换为空气，即替换为莱洛三角形空气棒。
5.根据权利要求4所述的莱洛三角形低折射率棒的光子带隙光纤，其特征在于，所述莱洛三角形低折射率棒（22）沿圆形光纤基底（1）的圆周均匀分布。
6.根据权利要求5所述的莱洛三角形低折射率棒的光子带隙光纤，其特征在于，所述圆形外包层（3）由折射率低于圆形光纤基底（1）的聚合物涂覆。
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