CN1844962A - 长波截止微结构光纤及其制备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微结构光纤，特别是涉及对长波具有截止功能的特殊结构的微结构光纤，可用于光纤激光器、光纤放大器、光纤滤波器。它由纤芯、折射率凹陷层和包层构成，折射率凹陷层位于纤芯和包层的中间，折射率凹陷层和包层中含有按一定规则排列的孔，通过孔的形状、大小、分布情况控制其平均有效折射率，使得凹陷层的折射率低于纤芯和包层的折射率。本发明的有益效果：与常规光纤相比，设计更为灵活，控制折射率更为容易和精确，用它制成的器件能够更好的满足实际要求。该光纤具有长波损耗大、短波损耗小的特点，可用作光学滤波器。在纤芯中掺入稀土离子，低折射率层使掺杂光纤发射光波向短波端漂移，以此制作特殊的光纤型有源器件。

Description

长波截止微结构光纤及其制备

技术领域

本发明涉及一种微结构光纤，特别是涉及对长波具有截止功能的特殊结构的微结构光纤，可用于光纤激光器、光纤放大器、光纤滤波器。

背景技术

因特网爆炸性的发展、数字地球等概念的出现引起数据通信量剧增，光纤通信系统的扩容成为热门研究课题。扩容有许多方式，而其中最直接的一种方式就是对通信带宽进行扩展，即将通信带宽从常用的C波段(1530～1565nm)扩展到L波段(1565～1625nm)、S波段(1460～1530nm)等。通信带宽的扩展必然引起相应波段光学器件的需求，光纤光源、光纤放大器是其中必不可少的有源器件。目前，掺铒光纤激光器、放大器的制造技术已经非常成熟，被广泛应用于光纤通信系统中。铒离子的自发发射光谱实际上可以覆盖S+C+L波段，但是光纤中强烈的再吸收效应使得掺铒光纤在S波段的辐射非常弱，利用适当长度的掺铒光纤比较容易制作C波段或者L波段的光纤激光器、放大器，而S波段的掺铒光纤激光器、放大器则必须通过特殊的技术手段实现。虽然S波段光纤激光器、放大器也可以通过掺铥或者利用光纤中的喇曼效应实现，但效果往往不是很理想，如果能够直接利用掺铒光纤实现，则可以借鉴利用C波段中已经比较成熟的方法、手段、器件等，节约成本。

近几年报道一种利用掺铒光纤直接实现S波段增益的方法，其主要特征是在光纤纤芯周围掺氟制造一低折射率包层，形成折射率凹陷层，该折射率凹陷层外面是折射率较高但仍低于纤芯的包层，通常称该种光纤为W光纤。通过氟离子掺杂的浓度和区域控制凹陷的宽度和深度，使得光纤对C波段、L波段的光具有较高的损耗，而保持对S波段光的低损耗特性。这种增益光纤的实用性已经被证实，有许多文献报道利用这种折射率凹陷掺铒光纤制作而成的S波段光纤激光器、放大器，成功的实现了S波段的激射和放大(参见M.A.Arbore et al.Optical Fiber Conference，Vancouver，Canada，2003，Paper WK2.)。不过，这种光纤的制作比较困难，由于氟化物本身具有腐蚀性，氟离子掺杂浓度和掺杂范围的控制比较困难，如果掺杂浓度不合适或者掺杂区域控制不严格，会影响纤芯外折射率凹陷层的深度和宽度，进而影响光纤的性能。

该W光纤技术也被用于光纤滤波器中(参见United States Patent 6563995 Keaton et al.May 13，2003)。通过对纤芯、凹陷层、包层的分布形状和折射率的适当设计，使其具有特定的截止波长λ_c，波长小于λ_c的光能够通过光纤低损耗传输，而波长大于λ_c的光在光纤中传输时具有很大的损耗。因而该种光纤能够用于传导短波长光，而截止长波长光，具有特定的滤波特性。

发明内容

本发明针对已有长波截止光纤的不足之处，提供一种具有长波截止功能新型光纤的技术方案：

长波截止微结构光纤，是由纤芯、凹陷层和包层构成的同心圆柱体；纤芯位于中心，其外环绕凹陷层，凹陷层外环绕包层；其特点在于：纤芯为实心体，其半径在几微米～几十微米之间；凹陷层和包层中含有规则排列的空气孔，孔的大小和间距均在亚微米～微米量级；凹陷层的厚度与纤芯芯径在同一数量级内，包层的厚度在百微米或毫米量级。

长波截止微结构光纤的制备方法；包括下述两个步骤：

(1)按照设计结构制作预制棒。

(2)预制棒的拉丝。

本发明的有益效果：该长波截止微结构光纤，与常规光纤做成的类似功能的光纤相比，设计更为灵活，对折射率的控制是通过对孔的形状、大小、分布情况的设计完成的，不像常规光纤中通过掺杂实现，受材料限制小，控制折射率更为容易和精确，利用它制成的器件因而能够更好的满足实际应用要求。

附图说明

图1：长波截止微结构光纤典型横截面示意图。

图2：长波截止微结构光纤典型折射率分布示意图。

图3：实施例示意图。

图中：1.纤芯  2.凹陷层  3.包层  4.空气孔  5.11.隔离器  6.8.结合点7.光纤  9.波分复用耦合器  10.半导体激光器

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明：

这种长波截止微结构光纤，是由纤芯、凹陷层和包层构成的同心圆柱体；纤芯位于中心，其外环绕凹陷层，凹陷层外环绕包层；其特征在于：纤芯1为实心体，其半径在几微米～几十微米之间；凹陷层2和包层3中含有规则排列的空气孔4，孔的大小和间距均在亚微米～微米量级；凹陷层的厚度与纤芯芯径在同一数量级内，包层的厚度在百微米或毫米量级。

凹陷层孔间隔小于包层孔间隔，或者凹陷层占空比低于包层占空比。

纤芯、凹陷层、包层的横截面可以为圆形、方形、椭圆或多边形等非圆对称结构；凹陷层、包层中的空气孔可以为圆形、三角形、方形、菱形、梅花形、多边形；空气孔的排列方式可以为三角形、菱形、多边形；空气孔的排列可以是均匀的、局部均匀的或非均匀的。

纤芯、凹陷层和包层中的光学介质材料是玻璃、塑料或者晶体。

在凹陷层和包层的空气孔中不填充任何物质，或者全部或有选择性地填充因应力、应变、温度、湿度、电流、电压、电磁场变化导致折射率或体积改变的气态、液态或结晶态物质。

纤芯材料是普通光学介质材料，或高非线性光学介质材料，或掺入稀土离子钕、镱、铒、铥、钬中的一种或几种组合的光学介质材料。

长波截止微结构光纤的制备方法，包括下述两个步骤：

(1)按照设计结构制作预制棒

选择合适管径与壁厚的高纯度石英管，在其中规则排列一定数量的毛细管，毛细管的尺寸是事先按照设计要求拉制的，中心用掺杂或非掺杂实心石英棒作为纤芯。

在此制作过程中，需要准备至少两种尺寸的毛细管，分别用于构建折射率凹陷层和包层。

(2)预制棒的拉丝。

利用普通的商用拉丝塔，在大约1800℃高温下将预制棒熔化并拉制成光纤，在线涂覆紫外固化保护涂层。对不同结构的光纤采用相应的熔棒温度，以防止结构中空气孔的变形。

其技术要点在于：它是一种具有长波截止功能的折射率引导型微结构光纤，它由纤芯、含有空气孔的折射率凹陷层和包层构成，纤芯位于中心，折射率凹陷层附在纤芯外，包层则位于折射率凹陷层之外。通过孔的形状、大小、占空比、分布的设计，使得包层的平均有效折射率低于纤芯折射率而高于凹陷层的平均有效折射率。例如在相同孔间隔下使包层的占空比高于凹陷层的占空比，或在相同占空比下使包层孔间隔大于凹陷层的孔间隔，均可达到凹陷层折射率低于包层折射率的效果。凹陷层的深度、宽度通过孔的分布情况进行控制，包层的折射率和其他物理参数也通过孔的分布情况进行控制，可以根据需要进行设计。这种特殊的设计使得该光纤具有长波损耗大、短波损耗小的特点，可用作光学滤波器。通过对折射率凹陷层深度、宽度、几何形状的适当设计，可以使光纤的截止波长λ_c位于特定的波长处，波长大于λ_c的光波通过该光纤时，具有较大损耗，而波长小于λ_c的光波通过该光纤时具有较小的损耗，以此达到滤波的目的。

该种光纤的设计、制作过程与普通微结构光纤的设计、制作过程类似，即先通过有限元分析法或BemPROP等光学软件计算出满足特定要求的光纤中空气孔应具有的分布情况，再利用堆栈、拉丝等方法进行光纤的制作。一般在包层和凹陷层中采用空气孔均匀分布或准均匀分布的排列方式，具体可以有三角形排列、六边形排列等，空气孔的形状可以为圆形、菱形、三角形等，主要通过空气孔的大小和空气孔的间隔改变其平均有效折射率。该长波截止微结构光纤，与常规光纤做成的类似功能的光纤相比，设计更为灵活，对低折射率层的控制是通过孔的形状、大小、占空比、分布情况的设计完成的，不像常规光纤中通过掺杂实现，因而该新型光纤的设计、制作受材料限制小，控制折射率更为容易和精确，利用它制成的器件因而能够更好的满足实际应用要求。

纤芯、包层中的光学介质可以是但不限于玻璃材料。在纤芯中掺入稀土离子，或者利用高非线性材料制作纤芯，可以将该光纤的应用领域扩展到光纤激光器、光纤放大器、宽带光源等有源器件领域。例如在纤芯中掺入铒离子，通过对折射率凹陷层的深度和宽度的适当设计，可以控制掺杂光纤发射光波适当向短波端漂移，以此制作S波段掺铒光纤放大器和激光器。在包层外设计另外一层折射率较低的外包层，用于限制泵浦光的传输，制成双包层长波截止微结构光纤，可用于制作高功率光纤有源器件。

对该长波截止微结构光纤施加一定的应力，可以在一定的范围内适当调节其滤波特性，比如进行弯曲可以改变其滤波谱型，进行侧压可以使其具有偏振依赖性。在凹陷层或包层的孔中填充一些用以改变折射率的物质，可以改变凹陷的深度、宽度，也可以改变包层的折射率分布，进而改变光纤的传输、滤波特性。通过对施加应力或对填充物质的控制还可以实现可调滤波器件。这些特性用于光纤传感中可以实现对诸多物理量的测量，例如压力、位移、气体或液体的浓度等。

在设计光纤时，还可以将凹陷层设计成台阶型折射率分布，如文献C.Kakkar et al，Journal of Lightwave technology，23(11)：3444-3453，2005中所述，这样的设计结构令光纤的截止特性更为陡峭，即滤波效果更好。

最里层为纤芯1，向外依次为折射率凹陷层2和包层3。凹陷层和包层中含有按一定规则分布的空气孔(如图中圆点所示)，通过对孔的形状、大小和分布情况等进行合理的设计，可以对凹陷层和包层的折射率分布进行精确的控制。一般在包层和凹陷层中采用空气孔均匀分布或准均匀分布的排列方式，具体可以有三角形排列、六边形排列等。设计的主要原则是包层的平均有效折射率低于纤芯折射率而高于凹陷层的平均有效折射率，具体可以有两种典型的实现方式：在相同孔间隔下使包层的占空比高于凹陷层的占空比，或在相同占空比下使包层孔间隔大于凹陷层的孔间隔，本附图采用的是前一种方式。

图2长波截止微结构光纤典型折射率分布示意图。各层折射率大小满足：纤芯折射率(n₀)＞包层折射率(n₂)＞凹陷层折射率(n₁)。r₁、r₂分别表示纤芯和折射率凹陷层的半径。而n₀、n₁、n₂、r₁、r₂的具体大小由实际需要决定。

实施例

图3是一个实施例，以长波截止微结构光纤构建S波段光纤放大器结构示意图。隔离器5、掺铒长波截止微结构光纤7、波分复用耦合器9、半导体激光器10和隔离器11构成S波段光纤放大器。半导体激光器10通过波分复用耦合器9对掺铒长波截止微结构光纤7进行泵浦，将纤芯中的铒离子泵浦到较高能级，因而能够对输入信号进行放大。而长波截止微结构光纤中折射率凹陷层的存在使得C波段和L波段的辐射模均泄漏出去，不能得到放大，但是S波段的辐射却会被逐渐放大。使用时，S波段信号从输入端输入，经过隔离器1后，被处于粒子数反转状态的掺铒长波截止微结构光纤7放大，放大后的信号经过波分复用耦合器9和隔离器11从输出端输出，由此完成对S波段信号的放大过程。在实际应用时，还可以通过对掺铒长波截止微结构光纤进行适当的弯曲以改变其增益谱轮廓，达到最佳放大效果。图中的6和8表示长波截止微结构光纤与无源器件隔离器5和波分复用耦合器9的结合点，采用拼接或者熔接方式。

Claims (7)

1.一种长波截止微结构光纤，该光纤是由纤芯、凹陷层和包层构成的同心圆柱体；纤芯位于中心，其外环绕凹陷层，凹陷层外环绕包层；其特征在于：纤芯(1)为实心体，其半径在几微米～几十微米之间；凹陷层(2)和包层(3)中含有规则排列的空气孔(4)，孔的大小和间距均在亚微米～微米量级；凹陷层的厚度与纤芯芯径在同一数量级内，包层的厚度在百微米或毫米量级。

2.根据权利要求1所述的长波截止微结构光纤，其特征在于：凹陷层孔间隔小于包层孔间隔，或者凹陷层占空比低于包层占空比。

3.根据权利要求1所述的长波截止微结构光纤，其特征在于：纤芯、凹陷层、包层的横截面可以为圆形、方形、椭圆或多边形等非圆对称结构；凹陷层、包层中的空气孔可以为圆形、三角形、方形、菱形、梅花形、多边形；空气孔的排列方式可以为三角形、菱形、多边形；空气孔的排列可以是均匀的、局部均匀的或非均匀的。

4.根据权利要求1所述的长波截止微结构光纤，其特征在于：纤芯、凹陷层和包层中的光学介质材料是玻璃、塑料或者晶体。

5.根据权利要求1所述的长波截止微结构光纤，其特征在于：在凹陷层和包层的空气孔中不填充任何物质，或者全部或有选择性地填充因应力、应变、温度、湿度、电流、电压、电磁场变化导致折射率或体积改变的气态、液态或结晶态物质。

6.根据权利要求1所述的长波截止微结构光纤，其特征在于：纤芯材料是普通光学介质材料，或高非线性光学介质材料，或掺入稀土离子钕、镱、铒、铥、钬中的一种或几种组合的光学介质材料。

7.根据权利要求1所述的长波截止微结构光纤的制备方法，其特征在于包括下述两个步骤：

(1)按照设计结构制作预制棒

选择合适管径与壁厚的高纯度石英管，在其中规则排列一定数量的毛细管，毛细管的尺寸是事先按照设计要求拉制的，中心用掺杂或非掺杂实心石英棒作为纤芯。

在此制作过程中，需要准备至少两种尺寸的毛细管，分别用于构建折射率凹陷层和包层。

(2)预制棒的拉丝。

利用普通的商用拉丝塔，在大约1800℃高温下将预制棒熔化并拉制成光纤，在线涂覆紫外固化保护涂层。对不同结构的光纤采用相应的熔棒温度，以防止结构中空气孔的变形。

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