CN114815042B - 基模为方形场的单模反谐振空芯光纤 - Google Patents

基模为方形场的单模反谐振空芯光纤 Download PDF

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Abstract

一种基模为方形场的单模反谐振空芯光纤，其特点在于，该空芯光纤的横截面自外向内依次是折射率较高的外包层、折射率较高的内包层区域和折射率较低的纤芯区域，所述的内包层管的石英壁的厚度需经过计算，以满足对特定波长起反射达到低损耗传输的作用。所述的内包层管有两种大小，较小的内包层包层管可以滤除纤芯区域的高阶模式，达到单模传输的目的，两种内包层包层管间隔排列，可以限制纤芯区域的模场为方形场。

Description

基模为方形场的单模反谐振空芯光纤
技术领域
本发明涉及光纤技术与激光技术领域，具体涉及一种基模为方形场的单模反谐振空芯光纤。
背景技术
近几年，空芯光纤在近红外和中红外波段传输表现出的，低损耗，低时延，低非线性等优点，让其一度成为了光纤通信领域的研究热点。传统的实芯光纤，因其构成材料主要为二氧化硅，在光传输时，往往存在材料色散、本征吸收和非线性效应，大大影响了输出光束的质量。然而，反谐振空芯光纤因其特殊的包层构造，通过精心设计的薄石英壁，可以将特定波段的光场完美的限制在纤芯空芯区。尤其是在高功率传能时，光场99％的能量被限制在纤芯区域，以空气为传播介质，可以让光纤具有更小的非线性效应，更高的损伤阈值，满足高功率传能的需求。
光纤技术已经被广泛的用于飞秒激光加工领域，然而传统使用的高功率单模高斯光束，因其具有高斯强度分布，很难获得大面积平坦均匀的加工表面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基模为方形场的单模反谐振空芯光纤，所述的空芯光纤内包层可以为冰淇淋形结构的内包层包层管或者圆形结构的内包层包层管。所述的两种形状结构的内包层包层管层，分别具有两种结构大小。所述的较小的包层管主要用于滤除纤芯中的部分高阶模，实现单模传输。所述的两种大小的包层管在内包层壁上间隔排列，以共同限制基模场为方形。该空芯光纤不仅可以满足单模传输的要求，而且输出场为方形场，在激光加工中可以有助于激光器获得方形光束，提高激光加工的效果。
本发明的技术设计如下：
一种基模为方形场的单模反谐振空芯光纤，其特点在于，该空芯光纤的横截面自外向内依次是折射率较高外包层、折射率较高内包层区域和折射率较低的纤芯区域，在所述的内包层区域以内的中空区域是填充低折射率的气体或空气的纤芯区域，所述的外包层和所述的内包层区域为同圆心结构，所述的内包层区域由壁厚相等的曲率较大的第一内包层管和曲率较小的第二内包层管在所述的外包层的内壁上进行间隔排列并且相对于圆心成中心对称分布，所述的第一内包层管和第二内包层管与所述的外包层的内壁熔融粘接，构成无缝衔接，使模场的形状约束为方形形状，所述的外包层和所述的第一内包层管和第二内包层管的材料通常为二氧化硅，所述的第一内包层管和第二内包层管的壁厚t满足反谐振反射波导的原理，即：
Figure GDA0003999139910000021
其中，λ为工作波长；n1为包层管的折射率；n0为纤芯区域4填充气体的折射率；m为正整数。
所述的第一内包层管是较大的冰淇淋形第一内包层管，所述的第二内包层管是较小的冰淇淋形第二内包层管，所述的较大的冰淇淋形第一内包层管由第一负曲率形端面和两个第一筒形端面围成，所述的较小的冰淇淋形第二内包层管由第二负曲率形端面和两个第二筒形端面围成，第一内包层管的第一负曲率形端面和所述的第二负曲率形端面的两端两两熔融粘接，达到无缝相连的目的，所述第一筒形端面和第二筒形端面的一端分别与第一负曲率形端面的两侧熔融粘接成一体，同时，所述的第一筒形端面和第二筒形端面的另一端与所述的外包层的内管壁熔融粘接成一体，所述的较大的冰淇淋形第一内包层管和较小的冰淇淋形第二内包层管分别为4个。
所述的内包层区域的包层管的几何形状为圆形的包层管，包括一种较大的第一圆形内包层管，一种较小的第二圆形内包层管，所述的第一圆形内包层管和第二圆形内包层管与所述的圆形的外包层的内管壁连接成一体，但是所述的第一圆形内包层管和第二圆形内包层管之间无接触连接，所述的第一圆形内包层管和第二圆形内包层管的数量分别为4个。
本发明中的反谐振空芯光纤与现有的空芯光纤相比有以下优点：
1.本发明采用的大小两种内包层管，可以将基模场限制成方形场。
2.本发明采用的内包层管中，小型的内包层管可以滤除模式中的高阶模成分，达到单模传输的目的。
附图说明
图1是本发明基模为方形场的单模反谐振空芯光纤实施例1的横截面结构示意图。
图2是本发明基模为方形场的单模反谐振空芯光纤实施例2的横截面结构示意图。
图3是实施例1的模场分布仿真结果图。
图4是实施例2的模场分布仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。
先请参阅图1和图2，图1是本发明基模为方形场的单模反谐振空芯光纤实施例1的横截面结构示意图。图2是本发明基模为方形场的单模反谐振空芯光纤实施例2的横截面结构示意图。由图可见，本发明基模为方形场的单模反谐振空芯光纤，该空芯光纤的横截面自外向内依次是折射率较高外包层1、折射率较高内包层区域和折射率较低的纤芯区域4，在所述的内包层区域以内的中空区域是填充低折射率的气体或空气的纤芯区域4，所述的外包层1和所述的内包层区域为同圆心结构，所述的内包层区域由壁厚相等的曲率较大的第一内包层管2和曲率较小的第二内包层管3在所述的外包层1的内壁上进行间隔排列并且相对于圆心成中心对称分布，所述的第一内包层管2和第二内包层管3与所述的外包层1的内壁熔融粘接，构成无缝衔接，使模场的形状约束为方形形状，所述的外包层和所述的第一内包层管和第二内包层管的材料通常为二氧化硅，所述的第一内包层管和第二内包层管的壁厚t满足反谐振反射波导的原理，即：
Figure GDA0003999139910000031
其中，λ为工作波长；n1为包层管的折射率；n0为纤芯区域4填充气体的折射率；m为正整数。
上述负曲率空芯光纤的制备方法为堆叠法，包括下列步骤：
1)包层管制备：使用薄壁玻璃管拉制两种尺寸不同的包层管。
2)将包层管按设计排列塞入套管中，两端分别插入辅助管插入以支撑结构，形成堆叠体。
3)将所述的堆叠体置于高温炉中拉制，得到中间体；
4)将所述的中间体插入二次套管中，并连接充气模具，组装成预制棒，再将所述的预制棒置于高温炉中进行拉丝，拉丝过程中控制纤芯区域以及包层区域的气压，最终得到所需的负曲率空芯光纤。
实施例1
图1是本发明基模为方形场的单模反谐振光纤实施例1横截面结构示意图，其结构由外而内依次为光纤的外包层1，内包层和纤芯区域4。
所述的第一内包层管2是较大的冰淇淋形第一内包层管，所述的第二内包层管3是较小的冰淇淋形第二内包层管，所述的较大的冰淇淋形第一内包层管由第一负曲率形端面和两个第一筒形端面围成，所述的较小的冰淇淋形第二内包层管由第二负曲率形端面和两个第二筒形端面围成，第一内包层管的第一负曲率形端面和所述的第二负曲率形端面的两端两两熔融粘接，达到无缝相连的目的，所述第一筒形端面和第二筒形端面的一端分别与第一负曲率形端面的两侧熔融粘接成一体，同时，所述的第一筒形端面和第二筒形端面的另一端与所述的外包层1的内管壁熔融粘接成一体，所述的较大的冰淇淋形第一内包层管和较小的冰淇淋形第二内包层管分别为4个。
在本例中较大的冰淇淋形内包层曲率半径为10um，较小的冰淇淋形内包层曲率半径为5um。
冰淇淋形内包层通常由二氧化硅制成，第一内包层管和小的冰淇淋形第二内包层管的壁厚t满足反谐振反射波导的原理，即：
Figure GDA0003999139910000041
其中，λ为工作波长；n1为包层管的折射率；n0为纤芯区域4填充气体的折射率；m为正整数。在此实例中，工作波段为近红外波段，工作波长λ取1000nm；包层管折射率n1为1.45；纤芯填充气体折射率为1；m取1。因此计算得到的壁厚t为525nm。
使用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics对本实施案例进行仿真测试，仿真过程采用了对光纤横截面进行模式分析，使用最大网格单元为λ/5的三角形网格对光纤截面进行划分，并且使用完美匹配层模拟较大的二氧化硅玻璃外包层，使用完美匹配层模拟无限大的外包层，使用最大网格单元为λ/5的映射网格对完美匹配层进行划分。仿真结果的基模场分布如图3所示，经过计算得到该波长下高阶模的损耗比基模的损耗大两个数量级以上，在实际使用中可以达到单模传输的目的。
实施例2
图2是本发明基模为方形场的单模反谐振光纤实施例2的横截面结构示意图，
所述的内包层区域的包层管的几何形状为圆形的包层管，包括一种较大的第一圆形内包层管，一种较小的第二圆形内包层管，所述的第一圆形内包层管和第二圆形内包层管与所述的圆形的外包层1的内管壁连接成一体，但是所述的第一圆形内包层管和第二圆形内包层管之间无接触连接，所述的第一圆形内包层管和第二圆形内包层管的数量分别为4个。
在本例中较大的圆形内包层曲率半径为8um，较小的圆形内包层曲率半径为5um。圆形负曲率内包层通常由二氧化硅制成，第一内包层管和小的冰淇淋形第二内包层管的壁厚t满足反谐振反射波导的原理，即：
Figure GDA0003999139910000051
其中，λ为工作波长；n1为包层管的折射率；n0为纤芯区域填充气体的折射率；m为正整数。在此实例中，工作波段为近红外波段，工作波长λ取1200nm；包层管折射率n1为1.45；纤芯填充气体折射率为1；m取1。因此计算得到的壁厚t为630nm。
使用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics对本实施案例进行仿真测试，仿真过程采用了对光纤横截面进行模式分析，使用最大网格单元为λ/5的三角形网格对光纤截面进行划分，并且使用完美匹配层模拟较大的二氧化硅玻璃外包层，为了简化计算，使用完美匹配层模拟无限大的外包层，使用最大网格单元为λ/5的映射网格对完美匹配层进行划分。仿真结果的基模场分布如图4所示，经过计算得到该波长下高阶模的损耗比基模的损耗大两个数量级以上，在实际使用中可以达到单模传输的目的。
图1、图2、图3和图4给出的2个实施例，应当理解为：
1)填充空气的具有低折射率的纤芯区域4将引导光的传播。
2)冰淇淋型内包层管的负曲率端面和圆形内包层管的负曲率端面，存在两种大小。其中具有较大负曲率的包层管用于限制光横向泄露，形成方形基模场，并引导光轴向低损耗传播，另一种具有较小负曲率的包层管用于滤除纤芯模式中的部分高阶模，达到单模传输的目的。对于包层管的具体大小，可根据实际需求对包层管作相应改变。

Claims (3)

1.一种基模为方形场的单模反谐振空芯光纤，其特征在于，该空芯光纤的横截面自外向内依次是折射率较高外包层(1)、折射率较高内包层区域和折射率较低的纤芯区域(4)，在所述的内包层区域以内的中空区域是填充低折射率的气体的纤芯区域(4)，所述的外包层(1)和所述的内包层区域为同圆心结构，所述的内包层区域由壁厚相等的曲率较大的第一内包层管(2)和曲率较小的第二内包层管(3)在所述的外包层(1)的内壁上进行间隔排列并且相对于圆心成中心对称分布，所述的第一内包层管(2)和第二内包层管(3)与所述的外包层(1)的内壁熔融粘接，构成无缝衔接，使模场的形状约束为方形形状，所述的外包层(1)和所述的第一内包层管(2)和第二内包层管(3)的材料均为为二氧化硅，所述的第一内包层管(2)和第二内包层管(3)的壁厚t满足反谐振反射波导的原理，即：
Figure FDA0003999139900000011
其中，λ为工作波长；n1为包层管的折射率；n0为纤芯区域(4)填充气体的折射率；m为正整数。
2.如权利要求1所述的基模为方形场的单模反谐振空芯光纤，其特征在于，所述的第一内包层管(2)是较大的冰淇淋形第一内包层管，所述的第二内包层管(3)是较小的冰淇淋形第二内包层管，所述的较大的冰淇淋形第一内包层管由第一负曲率形端面和两个第一筒形端面围成，所述的较小的冰淇淋形第二内包层管由第二负曲率形端面和两个第二筒形端面围成，第一内包层管的第一负曲率形端面和所述的第二负曲率形端面的两端两两熔融粘接，达到无缝相连的目的，所述第一筒形端面和第二筒形端面的一端分别与第一负曲率形端面的两侧熔融粘接成一体，同时，所述的第一筒形端面和第二筒形端面的另一端与所述的外包层(1)的内管壁熔融粘接成一体，所述的较大的冰淇淋形第一内包层管和较小的冰淇淋形第二内包层管分别为4个。
3.如权利要求1所述的基模为方形场的单模反谐振空芯光纤，其特征在于，所述的内包层区域的包层管的几何形状为圆形的包层管，包括一种较大的第一圆形内包层管，一种较小的第二圆形内包层管，所述的第一圆形内包层管和第二圆形内包层管与所述的圆形的外包层(1)的内管壁连接成一体，但是所述的第一圆形内包层管和第二圆形内包层管之间无接触连接，所述的第一圆形内包层管和第二圆形内包层管的数量分别为4个。
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