CN102401933A - 一种全掺杂光子晶体光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全掺杂光子晶体光纤及其制备方法，所述全掺杂光子晶体光纤，包括由内向外依次设有的实心毛细管、围绕实心毛细管均匀排列的空心毛细管层以及设在空心毛细管层外侧的套管，其中，所述实心毛细管和空心毛细管采用掺杂有稀土元素的石英材料制成。本发明提供的全掺杂光子晶体光纤其整个光纤截面都包含稀土元素，可以大大增大有源区域的面积，增大转换效率；结合光子晶体光纤的无截止单模特性，可以很容易的实现超大模场的有源光纤；其大模场面积光子晶体光纤具有极低的非线性系数及很高的泵浦光数值孔径，防止脉冲***，同时又保证光纤激光器的单模运转，使得进一步提高了全掺杂光子晶体光纤的平均功率和单脉冲能量。

Description

一种全掺杂光子晶体光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及光通信材料，具体涉及一种全掺杂光子晶体光纤及其制备方法。

背景技术

光纤是光通信的信息传输载体，是实现大容量高速宽网的主要手段之一，目前主干线的通信基本上实现了光纤传输，但是目前主干线所使用的光纤是由纯石英材料制成的，其成本高、柔韧性差。

光子晶体光纤的设计虽然有很大的自由度，但是材料的选择、结构类型、纤芯或包层中空气孔的大小与几何形状，以及空气孔的间距、密度、排列方式等都会对光子晶体光纤的特性产生重要影响。一些简单的微结构参数变化就可以使光子晶体光纤的性能发生显著的改变，通常可以根据需要适当改变部分相应的结构参数，用以调节或裁剪光子晶体光纤原有的特性，使光子晶体光纤的某些特性得到增强或减小，以利于不同场合的各种用途。由于光子晶体光纤的特殊结构，使光子晶体光纤具有许多与常规光纤完全不同的或独特的、潜在的性能，可以实现许多常规光纤无法实现的功能而受到人们的广泛关注。从目前的研究工作来看，可以概括地说，光子晶体光纤不但可以实现常规光纤的性能，也能实现常规各种光纤受到结构设计的极限，此外还实现了一些在常规光纤（包括常规特种光纤）研究中未曾发现过的一些特性。

PCF的无截止单模特性与其绝对尺寸无关，光纤放大或缩小照样可以保持单传输，这表明可以根据特定需要来设计光纤模场面积。通过选择最佳的空气孔直径，将大模场面积同无截止单模传输特性结合起来，不但可以用于传输高功率能量，还可应用到光纤放大器和光纤激光器中。英国Bath大学的研究人员已经研制出了工作在458nm、纤芯直径是23μm的单模PCF，这在传统的单模光纤中需要控制折射率差的精度达到10^-7，是化学气相沉积法所无法达到的。这种PCF的模场面积约为传统单模光纤的10倍，当用于传输高功率光时而无须担心出现非线性效应，同时还可以应用于光纤放大器和光纤激光器。反之，当需要高非线性效应时，可以减少光纤的模场面积。通过改变空气孔间距可以调节有效模场面积，调节范围在1.5μm波长处约为1~800μm²。如果在空气孔中填充合适的非线性材料，也会显著提高PCF的非线性。Bell实验室发现，由峰值功率只有1W的100fs光脉冲注入75cm长的PCF产生了超宽连续光谱的单模光，带宽达到1000nm，从紫光到近红外。超宽连续光谱的产生涉及一系列复杂的非线性过程，与之相关的因素可能包括极低的有效模场面积、特殊的色散特性和PCF的低损耗。空气孔间距在1~20μm的范围内变化时，芯径大小不会影响光纤的无截止单模传输特性，因此在功能需求实现时，其结构设计在制造上提供了很高的自由度。

以掺稀土元素的光纤作为增益介质的锁模激光器可以由激光二极管(LD)直接抽运，其效率高、结构紧、价格低廉。但是由于飞秒激光***的光束完全被封闭在纤芯中，不受周围环境的影响，将飞秒激光器从超净、恒温和防震的高级实验室中解放出来。且光纤具有很大的表面积/体积比，具有极好的散热效果，可以利用大功率LD直接抽运，实现高功率光纤激光器。但是传统光纤激光器在高功率下的锁模运转受到光纤非线性的限制，大模场面积光子晶体光纤通过在光纤包层中引入周期性排列的空气孔，可以极大地提高光纤的纤芯直径并保持单模，从而有效降低非线性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种全掺杂光子晶体光纤及其制备方法，本发明的光子晶体光纤通过采用掺杂有稀土元素的石英材料制成。

本发明为了解决上述技术问题，提供了一种全掺杂光子晶体光纤，包括由内向外依次设有的实心毛细管、围绕实心毛细管均匀排列的空心毛细管层以及设在空心毛细管层外侧的套管，其中，所述实心毛细管和空心毛细管采用掺杂有稀土元素的石英材料制成。

进一步，所述掺杂的稀土元素包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)中的一种或几种的组合。

本发明还提供了一种制备所述全掺杂光子晶体光纤的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一，采用掺杂有稀土元素的石英材料分别制作光纤的实心毛细管和空心毛细管；

步骤二，将制备好的掺杂有稀土元素的实心毛细管和空心毛细管按周期性结构均匀排列在套管内并熔合成型；

步骤三，将熔合成型的包含有实心毛细管、空心毛细管和套管的整体结构进行拉丝处理，完成全掺杂光子晶体光纤的制备。

采用上述本发明技术方案的有益效果是：本发明提供的全掺杂光子晶体光纤其整个光纤截面都包含稀土元素，可以大大增大有源区域的面积，增大转换效率；结合光子晶体光纤的无截止单模特性，可以很容易的实现超大模场的有源光纤；其大模场面积光子晶体光纤具有极低的非线性系数及很高的泵浦光数值孔径，防止脉冲***，同时又保证光纤激光器的单模运转，使得进一步提高了全掺杂光子晶体光纤的平均功率和单脉冲能量。

附图说明

图1为本发明实施例中全掺杂光子晶体光纤的截面结构示意图；

图2为本发明实施例中制备全掺杂光子晶体光纤的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明实施例中全掺杂光子晶体光纤的截面结构示意图，如图1所示，所述全掺杂光子晶体光纤，包括由内向外依次设有的实心毛细管3、围绕实心毛细管3均匀排列的空心毛细管2层以及设在空心毛细管2层外侧的套管3，在本发明实施例中，所述实心毛细管1和空心毛细管2采用掺杂有稀土元素的石英材料制成。

在上述实施例中，所述掺杂的稀土元素包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)中的一种或几种的组合。

在光子晶体光纤中掺入各种稀土元素，如镱离子（Yb3+）、铒离子（Er3+）等，可以使光子晶体光纤的性能更加丰富多彩，通过结构类型、实心毛细管或围绕实心毛细管的空心毛细管孔的大小与几何形状可以控制、调节光子晶体光纤中的光限制能力，这是一种非常新颖、独特和有用的方法，可以广泛地应用于有源光器件领域，如高功率光纤激光器、光纤放大器、超连续光谱光源等。总之，全掺杂光子晶体光纤及其相关技术具有巨大的应用潜力和开发价值，随着研究的深入和应用的推广，必将对光纤激光器及其相关领域产生重要而深远的影响。

在石英中掺杂稀土元素制成的光纤可成为激光介质，稀土或称镧系元素一共15个，在元素周期表中占据倒数第二行的位置，全部稀土元素具有相同的外电子结构5s²5p⁶6s²，即满壳层。稀土元素的电离通常以形成三价态的形式发生，例如Nd³⁺，Yb³⁺，Er³⁺等，它们溢出2个6s和1个4f电子。由于剩下的4f电子受到屏蔽作用，因此他们的荧光与吸收波长不易受外场的影响。对于掺杂有稀土元素的光纤，在其吸收带对应的波长上提供必要的泵浦，在其荧光对应的波长上提供形成增益和振荡的条件，它就可以产生激光。掺杂有稀土元素光纤作为光学谐振腔的主要组成部分，其掺杂离子类别和浓度对于光纤激光器的运转起着很大作用。作为增益介质的稀土金属离子是以一定的浓度和分布掺杂于以SiO₂为主要成份的纤芯中。这些稀土金属离子具有从紫外到红外很宽的荧光光谱范围，这就使得光纤激光器的发射波长覆盖了更宽的波段。

本发明另一实施例提供了一种制备上述全掺杂光子晶体光纤的方法，在光子晶体光纤的制造中，最为常用的方法是毛细管堆积拉丝工艺，将空心毛细管和实心毛细管按照预期设计的周期性结构堆积并熔合成形，然后经过拉丝制备光子晶体光纤，工艺过程具体参数需要根据具体的光子晶体光纤结构来确定。近几年快速发展的光子晶体光纤制造工艺已经使得制造低损耗、复杂结构的光子晶体光纤成为可能。光子晶体光纤的制造工艺也可以应用于其他基质材料，如多组分玻璃，聚合物材料等，这些新材料的熔点远低于石英材料，它们的应用同时也促进了光子晶体光纤工艺的发展。

全掺杂光子晶体光纤采用的制造工艺为光子晶体光纤制造领域的常规方法毛细管堆积拉丝方法，这种方法设计灵活、操作方便、容易实现各种复杂结构的微结构光纤，其典型的制造过程包括如下步骤：

步骤201，采用掺杂有稀土元素的石英材料分别制作光纤的实心毛细管和空心毛细管；

步骤202，将制备好的掺杂有稀土元素的实心毛细管和空心毛细管按周期性结构均匀排列在套管内并熔合成型；

步骤203，将熔合成型的包含有实心毛细管、空心毛细管和套管的整体结构进行拉丝处理，完成全掺杂光子晶体光纤的制备。

以下通过一个具体的实施例详细说明本发明的原理，本发明的具体制备过程是将掺杂有稀土元素的的空心石英毛细管和实心石英棒按照预期设计的周期性结构堆积并熔合成形，利用普通光纤的拉丝方法在更精确的温度和速度控制下拉制成符合尺寸要求的光子晶体光纤，在拉丝过程中，通过调整预制棒内部惰性气体压强和拉丝的速度来保持光纤中空气孔的大小比例，从而获得一系列不同结构的光子晶体光纤，其工艺过程的具体参数需要根据PCF设计来确定。

为了保证毛细管表面的清洁，在制作过程中要特别注意除尘处理。首先选取事先设计的高纯石英管作为套管，使用粗细相同的全掺杂毛细管围绕实心石英棒堆积好放入套管中，将整个套管内排满，这样不仅可以减小排布的困难，而且制成的预制棒较均匀,有利于在拉制过程中均匀受力和膨胀，这样就完成了预制棒的制作。

全掺杂光子晶体光纤的拉制是整个工艺过程中的关键部分，在拉丝过程中，对全掺杂光子晶体光纤预制棒上端加上一个惰性气体流，在其下端使用抽气机对其抽气，使预制棒内气压保持恒定且与外界大气压比较接近，这样能更好的保持全掺杂光子晶体光纤的结构。但是惰性气体流的气压要保持适度，当管内气压比外面的大气压大时，就会使石英管护套向外膨胀，致使全掺杂空心毛细管和实心石英棒与套管分离。在这个过程中尤其要注意气压的变化，尽量使气压处于稳定状态，否则会影响全掺杂光子晶体光纤的均匀性。

本发明实施例中制备的光子晶体光纤大大增加了纤芯面积、大模场面积，克服了非线性作用、增大了纤芯的存储能量；同时减小了纤芯与内包层的相对折射率，以维持辐射激光的近似单模传输，从而在光纤中实现高脉冲能量和高光束质量的激光输出。这类光纤如果采用全掺杂光子晶体光纤工艺，将十分适合研制高功率、高光束质量的激光器，因为大模场有利于对泵浦光的吸收，单横模保证了激光的输出质量。泵浦光都是从多模的泵浦芯耦合到中间的纤芯中的，从而延长了泵浦长度以使泵浦光被充分吸收。这种简单、高效的耦合方式，使高功率半导体激光器产生的多模状态的泵浦光，有效地转化为具有很好光束质量的高亮度激光。同样的原理，只需改变内外包层中的结构参数的设计。如将外包层中的空气孔做的大而密，内包层中的空气孔做的小而疏，可使内外包层的折射率差很大，从而使数值孔径可以做到很大(>0.7)，这也方便于泵浦光的耦合。这种大模场全掺杂光子晶体光纤为研制高功率、高光束质量的光纤激光器提供了一种新的途径，使得进一步提高光纤激光器的平均功率和单脉冲能量成为可能。

这种大模场全掺杂光子晶体光纤具有以下优势：

1） 单次通过增益高，具有最佳的泵浦光－激光转换效率，可以使泵浦光被充分吸收，从而使得在连续光运转下总的光－光转换效率得以提高；

2） 可以获得衍射极限的光束质量；

3）光纤具有大的表面积/体积比，散热效果好，使得激光器可以产生极高亮度和极高峰值功率的激光，同时能在不提高制冷强度的状态下连续工作；

4）容易实现单模、单频运转，可以通过控制纤芯尺寸来控制横模，若光纤仅支持一个横模，它将一直保持这种状态，甚至在很高的泵浦功率下也是如此，这种设计给高功率工作的光纤激光器带来很大的方便。

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 (3)

1.一种全掺杂光子晶体光纤，包括由内向外依次设有的实心毛细管、围绕实心毛细管均匀排列的空心毛细管层以及设在空心毛细管层外侧的套管，其特征在于，所述实心毛细管和空心毛细管采用掺杂有稀土元素的石英材料制成。

2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述掺杂的稀土元素包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)中的一种或几种的组合。

3.一种制备权利要求1或2所述的全掺杂光子晶体光纤的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一，采用掺杂有稀土元素的石英材料分别制作光纤的实心毛细管和空心毛细管；

步骤二，将制备好的掺杂有稀土元素的实心毛细管和空心毛细管按周期性结构均匀排列在套管内并熔合成型；

步骤三，将熔合成型的包含有实心毛细管、空心毛细管和套管的整体结构进行拉丝处理，完成全掺杂光子晶体光纤的制备。

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