CN216958843U

CN216958843U - 大模场单模光纤

Info

Publication number: CN216958843U
Application number: CN202220975592.9U
Authority: CN
Inventors: 颜鹏晖; 黄保; 闫大鹏
Original assignee: Wuhan Raycus Fiber Laser Technologies Co Ltd
Current assignee: Wuhan Raycus Fiber Laser Technologies Co Ltd
Priority date: 2022-04-22
Filing date: 2022-04-22
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2032-04-22

Abstract

本申请公开一种大模场单模光纤，包括有源纤芯和包覆所述有源纤芯外周的内包层，所述内包层中包括多个微结构单元和背景单元，通过设置低折射率的微结构单元来增加高阶模式的泄露损耗，实现大模场单模光纤的设计，有利于功率的进一步增长；进一步的，通过将所述内纤芯层的折射率低于所述外纤芯层的折射率，实现将所述大模场单模光纤的高斯光斑匀化成平顶模式的光斑；此外，本申请提供的大模场单模光纤为全固态，因此还便于后续熔接处理。

Description

大模场单模光纤

技术领域

本申请涉及光纤领域，具体涉及一种大模场单模光纤。

背景技术

近年来，随着光纤激光器技术取得了重大发展，并广泛应用于工业、科学和国防应用等领域。但随着功率的增加，受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)、自相位调制(SPM)和四波混频(FWM)等非线性效应限制了功率进一步增长。上述这些非线性效应都可以通过增大光纤的有效模面积来缓解，但通过简单的增长纤芯直径来增加有效模面积会导致在大纤芯直径下能传播更多的模式，不能够保持单横模运行。

目前，已经报道了一些特殊结构的光纤用来增加有效模式面积并能实现单横模输出，例如光子晶体光纤、手性耦合芯光纤、泄漏通道光纤(LCF)和全固态光子带隙光纤(ASPBF)。通常，这些光纤中的模式强度分布呈现高斯型结构，在纤芯的中心具有更高的强度，与纤芯区相比，有效模式区域大大减小，不利于功率的进一步增长，且高斯型结构的光斑强度分布在清洗、标记等领域应用效果不佳。

实用新型内容

本申请提供一种大模场单模光纤，旨在提供一种可以在大芯径的情况下实现大模场平顶模式的单横模运转的光纤设计。

本申请提供一种大模场单模光纤，包括：

有源纤芯，包括内纤芯层和外纤芯层；以及

内包层，包覆在所述有源纤芯的外周，包括背景单元和多个微结构单元，所述微结构单元沿所述有源纤芯的周向间隔分布；

其中，所述微结构单元的折射率低于所述有源纤芯任意一点的折射率和所述背景单元的折射率，所述外纤芯层的折射率高于所述内纤芯层的折射率。

在一些实施例中，所述内纤芯层的截面形状为圆形，所述内纤芯层任意的半径为r1处的折射率小于或等于半径为r2处的折射率，其中所述r1<r2。

在一些实施例中，所述外纤芯层的截面形状为圆形，所述外纤芯层任意的半径为R1处的折射率等于半径为R2处的折射率，其中所述R1<R2。

在一些实施例中，所述有源纤芯为掺杂稀土离子有源纤芯。

在一些实施例中，所述微结构单元沿所述有源纤芯的周向等距间隔分布。

在一些实施例中，所述微结构单元为单层或多层排列。

在一些实施例中，所述微结构单元为掺氟玻璃棒或无掺杂玻璃棒。

在一些实施例中，所述背景单元为背景玻璃。

在一些实施例中，所述大模场单模光纤还包括包覆所述内包层外周的外包层。

在一些实施例中，所述外包层的折射率低于所述内包层中的任意一点折射率。

有益效果：

本申请通过设置低折射率的微结构单元来增加高阶模式的泄露损耗，实现大模场单模光纤的设计，有利于功率的进一步增长，并且还可以通过调节所述微结构单元的个数、尺寸和折射率来实现高阶模式的泄露损耗大小的调节。进一步的，通过将所述内纤芯层的折射率低于所述外纤芯层的折射率，实现将所述大模场单模光纤的高斯光斑匀化成平顶模式的光斑，可以在大芯径(例如100μm)的情况下实现大模场平顶模式的单横模运转，避免了高斯型结构的光斑强度分布在清洗、标记等领域应用效果不佳的问题。此外，本申请提供的大模场单模光纤为全固态，因此还便于后续熔接处理。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本申请实施例提供的一种大模场单模光纤的横截面的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的另一种大模场单模光纤的横截面的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种大模场单模光纤的内纤芯层和外纤芯层的折射率的分布示意图；

图4是本申请实施例提供的另一种大模场单模光纤的内纤芯层和外纤芯层的折射率的分布示意图。

附图标记：1、内纤芯层；2、外纤芯层；3、微结构单元；4、背景单元；5、外包层。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本申请实施例提供一种大模场单模光纤，以下分别进行详细说明。需说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对实施例优选顺序的限定。

首先，请参阅图1和图2所示，本申请实施例提供一种大模场单模光纤，包括有源纤芯和包覆所述有源纤芯外周的内包层，所述内包层中包括多个微结构单元3和背景单元4，所述微结构单元3沿所述有源纤芯的周向间隔分布，所述背景单元4为所述内包层中除微结构单元3之外的其他部分，其中，所述外纤芯层2的折射率高于所述内纤芯层1的折射率，并且所述微结构单元3为低折射率微结构单元3，即所述微结构单元3的折射率低于所述有源纤芯任意一点的折射率和所述背景单元4的折射率。例如，在一些具体实施例中，微结构单元3的折射率低于所述外纤芯层2的折射率、所述内纤芯层1的折射率和所述背景单元4的折射率，所述外纤芯层2的折射率高于所述内纤芯层1的折射率、所述微结构单元3的折射率和所述背景单元4的折射率。换言之，在所述微结构单元3、所述外纤芯层2、所述内纤芯层1、所述背景单元4中，所述微结构单元3的折射率最小，所述外纤芯层2的折射率最大。

本申请实施例通过设置低折射率的微结构单元3来增加高阶模式的泄露损耗，实现大模场单模光纤的设计，有利于功率的进一步增长，并且还可以通过调节所述微结构单元3的个数、尺寸和折射率来实现高阶模式的泄露损耗大小的调节。进一步的，通过将所述内纤芯层1的折射率低于所述外纤芯层2的折射率，实现将所述大模场单模光纤的高斯光斑匀化成平顶模式的光斑，可以在大芯径(例如100μm)的情况下实现大模场平顶模式的单横模运转，避免了高斯型结构的光斑强度分布在清洗、标记等领域应用效果不佳的问题。此外，本申请提供的大模场单模光纤为全固态，因此还便于后续熔接处理。

需要说明的是，基于出光的需要，所述有源纤芯的有效折射率大于所述内包层的有效折射率。其中，所述有源纤芯的有效折射率指的是有源纤芯整体的折射率，所述内包层的有效折射率是指内包层整体的折射率。此外，所述大模场单模光纤的各层折射率和尺寸，例如外纤芯层2、内纤芯层1的具体折射率可以根据纤芯模式特性计算出来，这些是本领域已知的，此处不作赘述。

可以理解的是，除非特殊说明，本申请所提到的结构(例如微结构单元3、背景单元4、外包层5)内部的材料为均匀分布的，相应的该结构内部的任意一点的折射率也为一个固定的值。

在一些实施例中，所述大模场单模光纤还包括包覆所述内包层外周的外包层5。

在一些实施例中，所述微结构单元3沿所述有源纤芯的周向等距间隔分布。所述微结构单元3之间的连线组成正多边形，例如正六边形、正八边形、正十边形、正十二边形等。所述有源纤芯位于正多边形的中心，所述微结构单元3可以为单层也可以为多层排列，例如所述微结构单元3可以为单层、双层或三层排列。

当所述微结构单元3为单层排列时，图1是本申请实施例提供的一种大模场单模光纤的横截面的结构示意图，如图1所示，所述大模场单模光纤包括有源纤芯和包覆所述有源纤芯外周的内包层和外包层5，所述内包层中包括多个微结构单元3和背景单元4，所述微结构单元3沿所述有源纤芯的周向间隔分布。

所述有源纤芯分为内纤芯层1和外纤芯层2，其中所述微结构单元3为单层排列。

当所述微结构单元3为多层排列时，图2是本申请实施例提供的另一种大模场单模光纤的横截面的结构示意图，如图2所示，所述大模场单模光纤包括有源纤芯和包覆所述有源纤芯外周的内包层和外包层5，所述内包层中包括多个微结构单元3和背景单元4，所述微结构单元3沿所述有源纤芯的周向间隔分布。所述有源纤芯分为内纤芯层1和外纤芯层2，其中所述微结构单元3为双层排列。

可以理解的是，所述内纤芯层1内部的折射率任意一点的折射率可以相同也可以不同，可以呈梯度变化也可以不呈梯度变化，只要所述内纤芯层1任意一点的折射率低于所述外纤芯层2任意一点的折射率即可。例如，在一些实施例中，所述内纤芯层1、所述外纤芯层2的截面形状均为圆形，所述内纤芯层1任意的半径为r1处的折射率小于或等于半径为r2处的折射率，其中所述r1<r2。在一些实施例中，所述外纤芯层2任意的半径为R1处的折射率等于半径为R2处的折射率，其中所述R1<R2。

当所述内纤芯层1任意的半径为r1处的折射率等于半径为r2处的折射率，所述外纤芯层2任意的半径为R1处的折射率等于半径为R2处的折射率时，图3是本申请实施例提供的一种大模场单模光纤的内纤芯层1和外纤芯层2的折射率的分布示意图，所述内纤芯层1、所述外纤芯层2的截面形状均为圆形，横坐标为半径，纵坐标为该半径处对应的折射率，其中，n1代表内纤芯层1的折射率，n2代表外纤芯层2的折射率。从图3可以看出，所述内纤芯层1内部任意一点的折射率均相等，所述外纤芯层2内部任意一点的折射率均相等，所述内纤芯层1的折射率低于所述外纤芯层2的折射率。

当所述内纤芯层1任意的半径为r1处的折射率小于半径为r2处的折射率时，图4是本申请实施例提供的另一种大模场单模光纤的内纤芯层1和外纤芯层2的折射率的分布示意图，所述内纤芯层1、所述外纤芯层2的截面形状均为圆形，横坐标为半径，纵坐标为该半径处对应的折射率，其中，n1代表内纤芯层1的折射率，n2代表外纤芯层2的折射率。从图4可以看出，所述内纤芯层1内部的折射率不完全相等，越靠近中心的折射率越小，越靠近外纤芯层2的折射率越大，所述外纤芯层2内部任意一点的折射率均相等，所述内纤芯层1的折射率低于所述外纤芯层2的折射率。

在一些实施例中，所述有源纤芯为掺杂稀土离子有源纤芯，所述稀土离子选自但不限于钕离子、镱离子、铒离子、铥离子、钬离子、镝离子、镨离子中的任一种或几种的组合。例如，所述掺杂稀土离子有源纤芯可以为掺钕离子有源纤芯，也可以为掺钕和铒离子有源纤芯。

在一些实施例中，所述微结构单元3为低折射率玻璃棒，例如掺氟玻璃棒或无掺杂玻璃棒。

在一些实施例中，所述背景单元4为背景玻璃。

在一些实施例中，所述外包层5的折射率低于所述内包层中的任意一点折射率。例如：在一些具体实施例中，大模场单模光纤包括有源纤芯和包覆所述有源纤芯外周的内包层和外包层5，所述内包层中包括多个微结构单元3和背景玻璃，所述微结构单元3沿所述有源纤芯的周向间隔分布。所述有源纤芯分为内纤芯层1和外纤芯层2，其中，内纤芯层1的折射率为n1，外纤芯层2的折射率为n2，微结构单元3为折射率为n3，外包层5的折射率为n5，其折射率大小分布为：n2≥n4≥n3≥n5，且n2≥n1≥n3。

在一些实施例中，所述外包层5的材料选自但不限于低折射率聚合物或掺氟玻璃。

相应的，本申请还提供一种大模场单模光纤的制备方法，该大模场单模光纤的制备方法包括以下步骤：

首先，采用化学气相沉积法制备微结构单元的预制棒和掺杂稀土离子的纤芯预制棒并将微结构单元的预制棒进行打磨或腐蚀处理；

其次，采用超声钻孔机在高纯玻璃上钻上微结构单元的预制棒和掺杂稀土离子的纤芯预制棒所对应的孔位，并将高纯玻璃里面的孔壁进行腐蚀处理，并将微结构单元的预制棒和掺杂稀土离子的纤芯预制棒放入对应的孔位内。

最后，将完成后的光纤预制棒放入氢氧焰中进行缩棒，最后放置于拉丝塔中进行拉丝成大模场单模光纤。

下面通过实施例对本申请进行详细说明。

实施例1

本实施例提供一种大模场单模光纤和对应的制备方法。该大模场单模光纤结构如图1所示，包括有源纤芯和包覆所述有源纤芯外周的内包层和外包层5，所述内包层中包括多个微结构单元3和背景单元4，所述微结构单元3沿所述有源纤芯的周向间隔分布。所述有源纤芯分为内纤芯层1和外纤芯层2。

该大模场单模光纤的制备方法包括以下步骤：

图1中内纤芯层1的折射率为n1，外纤芯层2的折射率为n2，其具体折射率分布如图3所示，其实现将高斯光斑匀化成平顶模式的光斑设计；图1中微结构单元3为折射率为n3的低折射率玻璃棒，具体为掺氟玻璃棒，其以有源纤芯为对称中心等间距排列，所述微结构单元3之间的连线组成正多边形，通过调节微结构单元3的个数、周期、尺寸和折射率，能增加高阶模式的泄露损耗；图1中内包层中的背景单元4其折射率为n3，为背景玻璃；外包层5的折射率为n5，为低折射率涂覆层。其折射率大小分布满足：n2≥n4≥n3≥n5且n2≥n1≥n3。

本实施例中有源纤芯的内纤芯层1和外纤芯层2为掺杂稀土离子纤芯层。其折射率具体大小及尺寸不做限制，可以根据纤芯模式特性综合计算出来。

实施例2

本实施例提供一种大模场单模光纤，结构与实施例1相同，区别仅在于有源纤芯的折射率的不同，内纤芯层1的折射率为n1，外纤芯层2的折射率为n2，具体折射率分布如图4所示。从图4可以看出，内纤芯层1内部各点的折射率不完全相等，越靠近外纤芯层2的折射率越大。

综上所述，本申请提供一种大模场单模光纤，通过设置低折射率的微结构单元来增加高阶模式的泄露损耗，实现大模场单模光纤的设计，有利于功率的进一步增长。进一步的，通过将所述内纤芯层的折射率低于所述外纤芯层的折射率，实现将所述大模场单模光纤的高斯光斑匀化成平顶模式的光斑；此外，本申请提供的大模场单模光纤为全固态，因此还便于后续熔接处理。

以上对本申请实施例所提供的一种大模场单模光纤进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims

1.一种大模场单模光纤，其特征在于，包括：

有源纤芯，包括内纤芯层和外纤芯层；以及

2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述内纤芯层的截面形状为圆形，所述内纤芯层任意的半径为r1处的折射率小于或等于半径为r2处的折射率，其中所述r1<r2。

3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述外纤芯层的截面形状为圆形，所述外纤芯层任意的半径为R1处的折射率等于半径为R2处的折射率，其中所述R1<R2。

4.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述有源纤芯为掺杂稀土离子有源纤芯。

5.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述微结构单元沿所述有源纤芯的周向等距间隔分布。

6.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述微结构单元为单层或多层排列。

7.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述微结构单元为掺氟玻璃棒或无掺杂玻璃棒。

8.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述背景单元为背景玻璃。

9.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述大模场单模光纤还包括包覆所述内包层外周的外包层。

10.根据权利要求9所述的光纤，其特征在于，所述外包层的折射率低于所述内包层中的任意一点折射率。