CN103439763A - 一种大模场面积全固体光纤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大模场面积全固体光纤，包括芯区和包层区，芯区由掺氟的石英玻璃组成，掺氟浓度满足：0≤（n_石英－n_掺氟石英）/n_石英<0.05％，芯区直径为17μm～120μm，所述的包层区以纯二氧化硅玻璃为基底，包含有2～5层的周期性密堆积排列的掺杂单元，每个掺杂单元由掺杂石英棒组成，其中第一层包括6根复合掺杂石英棒和6根掺氟石英棒。第二层及以外层的掺杂单元均由掺氟石英棒构成，任意两掺杂石英棒之间的节距Λ相等且大于或等于3μm，最外层为纯石英玻璃外包层。本发明制作方法采用常见的堆拉工艺，简便易行。本发明同时利用了全内反射和光子带隙效应两种导光原理，实现较大的模场面积。

Description

一种大模场面积全固体光纤及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种具有大模场面积的光纤，具体涉及一种大模场面积全固体微结构光纤及其制造方法，属于能量传输光纤技术领域。

技术背景

高功率固体激光器发展有两个重要方向：薄片激光器和光纤激光器。通常所说的光纤激光器，就是采用光纤作为激光增益介质的激光器。对于常规的单模光纤激光器，要求注入到纤芯的泵浦光也必须为单模，这限制了泵浦光的入纤效率，导致光纤激光器的输出功率和效率较低。双包层光纤的提出，为提高光纤激光器的输出功率和转换效率提供了有效的技术途径，改变了光纤激光器只能作为一种小功率光子器件的历史。考虑到量子转换效率、抗激光损伤阈值和基底损耗等原因，掺镱石英双包层光纤是实现高功率光纤激光器或放大器的最佳选择。随着双包层光纤制作工艺和高功率半导体激光泵浦技术的发展，单根双包层光纤激光器的输出功率逐步提高，连续输出功率已经达到千瓦级。

目前应用于大功率光纤激光器的大模场面积光纤有以下几类：

第一类是普通的大模场面积双包层光纤。双包层光纤中折射率呈典型的阶跃式分布，对于圆形的掺杂纤芯，双包层光纤激光器能否实现单模激光输出，取决于纤芯的直径d和数值孔径NA。提升光纤激光器输出功率的障碍主要来自于掺杂纤芯，一是光纤端面的激光损伤，二是光纤中的非线性效应。纯石英的激光损伤阈值非常高，在脉冲激光下的损伤阈值约为100W/μm²，以此计算，典型单模纤芯似乎可以实现高达千瓦量级激光功率输出。实际上，100W/μm²是脉冲激光的峰值功率密度，对于连续激光来说，石英的激光阈值会远小于此值。特别是对于掺杂石英光纤来说，由于掺杂引起的纯度和均匀性的降低，大大降低了光纤端面的激光损伤阈值。为了保证光纤激光器的稳定与可靠，在光纤激光器设计时一般取1.5W/μm²。据此，对于典型的6～10μm纤芯直径的双包层光纤来说，其可能实现的激光功率也就在百瓦量级。为了实现低阶模、高光束质量的激光输出，并且尽可能克服端面激光损伤和非线性效应这两个因素对功率提高带来的限制，在设计和选用光纤时，应尽量减小NA，并相应增大纤芯直径，从而使得基横模LP₀₁的模场直径变大，从而实现大模场面积光纤（large-mode-areafiber，LMAF）。但是，由于光纤材料选择本身的限制，对于折射率阶跃分布的双包层光纤来说，纤芯NA也不可能很小。目前技术上可实现的最小NA为0.05～0.06，对应最大的单模纤芯直径为17μm左右。纤芯面积的增大一方面提高了激光损伤和非线性效应的阈值，同时还使得光纤的储能增加，有利于提高脉冲能量；另一方面，纤芯和内包层横截面积之比也大大增加，提高了光纤对泵浦吸收的效率，这样就可以采用较短的光纤实现高功率激光输出。同样，光纤长度的变短也有利于克服非线性效应对输出功率提高的限制。正是由于大模场面积光纤的出现，再加上高功率泵浦耦合技术的发展，才使得近年来光纤激光器的输出功率得以快速提高。

基于这种普通的双包层光纤，考虑到光纤端面的激光损伤和光纤中的非线性效应，单根双包层光纤要实现上千瓦级或更高的功率输出，就要突破单模光纤的限制，采用多模双包层光纤，这就又带来光纤激光的多模场振荡问题。大模场面积光纤激光的多模输出是不希望出现的，为了克服这一问题，人们在光纤结构设计及光纤盘绕方式上进行了深入研究，提出了实现低阶模激光输出的模式控制或模式选择技术。缠绕法横模控制技术和光纤拉锥法横模控制技术是目前常见的优化光束质量的方法。

第二类是大模场面积双包层光子晶体光纤。跳出普通双包层光纤的概念，采用光子晶体光纤技术制作双包层光纤，在光纤的掺杂纤芯的周围按一定的规律排布小气孔组成内包层，以起到调制内包层折射率、使内包层的等效折射率降低，并且保证信号光单模传输的目的。采用这种技术的光子晶体双包层光纤实现了单模大模场直径，模场面积可达1000μm²以上。该光纤目前在超大功率激光器技术方面代表了一个重要研究方向。这种光纤采用了空气包层技术，虽然突破了普通光纤的设计限制实现了更大的模场面积，但由于空气孔的存在，使得该光纤在端面加工处理、耦合等方面相对普通光纤要复杂很多。并且由于这种双包层光纤的制造技术相对复杂，因此造价昂贵。虽然目前已经能够实现该类光纤的制造，但其性能有待改进。由于上述原因，这种光纤的实际应用仍然很受局限。

第三类是比较新颖的超大模场面积全固微结构光纤。该光纤指的是一种利用微结构掺杂区（指掺氟的石英材料单元）替代常规大模场光子晶体光纤中的气孔，从而实现全固大模场传输的光纤。该光纤完全是折射率引导型原理的光纤，其导光原理和普通光纤一致。该光纤的概念最初在2009年被提出（JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.27,NO.11,JUNE1,2009）。这种光纤采用较大的掺氟石英材料单元代替气孔分布在石英材料背景上，结构类似常见光子晶体光纤。但是一般只有一圈掺氟区域围绕纯石英材料组成的芯区，因此制作上比较简便，而且能实现很大的模场面积。这是因为这种结构光纤中，特殊设计的掺氟包层对于基模和高阶模式的限制损耗差别是很大的，对于基模的限制损耗比对于高阶模式的限制损耗可小数百倍（后者与前者的比值以下简称损耗比）。这样，高阶模式随着沿光纤纵向的传输很快耗散掉了，能留在纤芯稳定传输的只有基模。这样便实现了超大模场的光纤。据报道，这种设计的光纤模场面积可达上万平方微米。关于这方面的研究可参见以下文献：6July2009/Vol.17,No.14/OPTICS EXPRESS11782；JOURNAL OF LIGHTWAVETECHNOLOGY,VOL.27,NO.11,JUNE1,2009；16March2009/Vol.17,No.6/OPTICSEXPRESS4913。

由于该光纤可基于成熟的通信光纤预制棒制作技术，设计制作微结构掺杂区；结合常见的堆拉法光子晶体光纤制作技术，可实现稳定的工艺和较高的生产效率。因此该光纤是一种比较理想的高功率激光传输介质。如结合稀土掺杂预制棒，则可实现超大模场的有源光纤（25May2009/Vol.17,No.11/OPTICS EXPRESS8962）。但是这种光纤也存在以下三个方面的问题：

1、这里超大的模场直径实际实现起来并非如文献报道那样理想。我们实验证明这种光纤的泄漏损耗是较高的。例如组成芯区的石英棒和周围掺氟石英棒的接触面，在拉制到光纤的维度后会因为应力作用而产生很轻微的折射率下陷（-0.4*10^-4）。虽然折射率变化很小，但是仍然会对模场产生负面的影响，这会直接破坏光纤的单模特性。

2、抗弯曲性能有待进一步改善。由于其超大的模场直径，这使得光纤的抗弯曲能力变差，这对于实际应用来说是很不利的。但是如果把模场做的小些的话，光纤的损耗比将减小，这样又不利于保证光纤的单模工作状态。

3、模场形状类似高斯型。这对于低功率的激光传输来说是理想的，但是对于高功率的激光传输则不是最好的方式。强烈集中于纤芯正中央的能量分布会使得纤芯正中央更容易被烧毁。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种大模场面积全固体光纤及其制造方法，该光纤结合光子带隙效应和修正的全内反射原理两种导光机制，通过结构设计使得光纤既具备较大的模场面积，又有较好的弯曲性能，并具备较均匀的能量分布的模场形状，可实现高功率激光能量的传输或放大。

本发明为解决上述提出的问题所采用的光纤技术方案为：

包括芯区和包层区，芯区位于光纤正中心，芯区由纯石英或掺氟的石英玻璃组成，掺氟浓度满足：0≤（n_石英－n_掺氟石英）/n_石英<0.05％，这里n_石英为纯石英玻璃的折射率，n_掺氟石英为纤芯掺氟石英玻璃的折射率；

所述芯区直径D_core为17μm～120μm，其中掺氟区直径d_掺氟石英不大于0.8D_core；

所述的包层区以纯二氧化硅玻璃为背景材料，包含有2～5层的周期性密堆积排列的掺杂单元，每个掺杂单元由掺杂石英棒组成；

所述第一层掺杂单元由紧靠芯区的12根掺杂石英棒构成，其中包括6根复合掺杂石英棒和6根掺氟石英棒，6根复合掺杂石英棒和6根掺氟石英棒间隔交错布设在一个六边形的边角位上；

所述的第二层及以外层的掺杂单元均由掺氟石英棒构成，所有的掺杂石英棒直径相同，且任意两掺杂石英棒之间的节距Λ（即任意相邻两个掺杂石英棒中心之间的间距）相等且大于或等于3μm；

光纤最外层为纯石英玻璃组成的外包层，即机械包层。

按上述方案，所述的复合掺杂石英棒为中心掺锗***掺氟层的掺杂石英棒，其折射率剖面呈W型，中心掺锗区的折射率n_h满足（n_h-n_石英）/n_石英>1.5%，***掺氟层为低折射率下陷区，其折射率n_L满足（n_L-n_石英）/n_石英<-0.3%；掺锗区直径d_h与外包掺氟层直径d_l两者之间满足 $2\&GreaterEqual;\frac{d_l}{d_h}\&GreaterEqual;1.1.$

按上述方案，所述的掺氟石英棒的折射率n_F满足：（n_F-n_石英）/n_石英<-0.1%。

按上述方案，所述的掺氟石英棒掺氟层直径d与任意相邻两掺杂石英棒之间的节距Λ满足0.6<d/Λ<0.95。

按上述方案，所述的第一层掺杂单元的6根复合掺杂石英棒和6根掺氟石英棒间隔交错布设在一个正六边形的边、角位上，其中6根复合掺杂石英棒分别布设在正六边形与其内切圆的相切点处，6根掺氟石英棒分别布设在正六边形的各个顶点处。

按上述方案，所述光纤的玻璃直径，即纯石英玻璃外包层的直径D_glass为110μm～1000μm。典型直径为125μm、200μm、400μm、600μm、800μm，相应地其纤芯直径D_core的典型值为20μm、30μm、50μm、75μm、100μm。

按上述方案，所述的光纤在1.06μm波长上可满足宏弯损耗不大于0.5dB时的最小弯曲半径R_min满足：R_min≈2000D_core。

本发明光纤的制造方法技术方案为：

按所设置的光纤结构要求，采用PCVD工艺（等离子体化学气相沉积法）分别制作微掺氟芯棒、复合掺杂石英棒和掺氟石英棒，三种棒的外径控制在0.6～5mm范围，且复合掺杂石英棒和掺氟石英棒的外径相同，

按周期性密堆积排列方式，也即光子晶体光纤的结构排列方式围绕芯棒排布复合掺杂石英棒和掺氟石英棒，并粘接固定，

将上述排列好的结构套入一个尺寸合适的纯石英玻璃套管内，形成光纤预制棒，

将光纤预制棒装夹到光纤拉丝塔上通过常规石英玻璃拉丝工艺拉制出光纤。

本发明的有益效果在于：1、掺氟棒组成的包层结构保证了光纤的基本光学性能，原理就是泄露通道光纤（LCF）的原理（Vol.24,No.8/August2007/J.Opt.Soc.Am.B1689）。而芯区周围六个复合掺杂棒的作用则是产生光子带隙效应，使得光纤对某个波段的光产生强的限制，这对某些光纤激光出射谱的调制十分有用，从而减小单纯掺氟棒组成包层带来光纤损耗偏高的问题。本发明显著的特点是同时利用了全内反射和光子带隙效应两种导光原理，来实现了光纤的全固化并且具备大模场传输能力，实现较大的模场面积，模场面积可达数百平方微米以至上千平方微米；2、光纤芯区是少量掺氟的石英材料，这样可以降低芯区中央的折射率，起到把芯区光功率调整为较均匀分布的形态，从而提高芯区在高功率传输时的损伤阈值。通过对芯区折射率剖面进行设计，使得高斯型的模场分布修正为趋向阶跃型的模场分布，这有利于光功率更加均匀的分布在芯区，避免能量局部集中而烧坏光纤，同时还可以提高基模模场和整个纤芯的重叠程度，这一点对此类的有源光纤是十分有益的，因为对于有源光纤，基模和高阶模之间存在模式竞争问题，当泵浦光被基模充分吸收时，其它高阶模式将很难被激发，从而保证了光纤激光输出的光束质量，使得本发明光纤非常适合高功率激光能量的传输；3、掺氟石英棒组成的包层结构使得本发明获得较好的弯曲性能。4、包层制作采用常见的堆拉法光子晶体光纤制作技术，可实现稳定的工艺和较高的生产效率。

附图说明

图1为本发明一个实施例的光纤结构示意图。

图2为本发明一个实施例中芯区的折射率剖面图。

图3为本发明一个实施例中复合掺杂棒的折射率剖面图。

图4为本发明一个实施例中掺氟石英棒的折射率剖面图。

图5为本发明1.02μm波长光纤的基模传输模式图及其三维视图。

图6为本发明1.03μm波长光纤的基模传输模式图及其三维视图。

图7为本发明1.08μm波长光纤的基模传输模式图及其三维视图。

图8为本发明1.1μm波长光纤的基模传输模式图。

图9为本发明计算的限制损耗及其带隙分布图。

图10为本发明计算的1.1～1.2μm损耗比随波长的关系图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步的说明本发明的内容。

图1是本发明一个实施例的基本结构示意图。光纤包括芯区和包层区。芯区位于光纤的中央，包括中心区11和边缘部分12，中心区材料组成为微掺氟的石英玻璃，掺氟导致的相对折射率差为-0.01％（指掺氟导致纯石英材料折射率下降比例），直径为25μm；折射率剖面见图2，边缘部分为二氧化硅玻璃，与13是一样的材料。包层区以纯二氧化硅玻璃为基底13，包含有2层的周期性密堆积排列的掺杂单元，即排列方式与光子晶体光纤包层的密堆积排列方式相同，每个掺杂单元由掺杂石英棒组成，所述第一层掺杂单元由紧靠芯区的12根掺杂石英棒构成，其中包括6根复合掺杂石英棒和6根掺氟石英棒，6根复合掺杂石英棒和6根掺氟石英棒间隔交错布设在一个正六边形的边角位上，其中6根复合掺杂石英棒分别布设在正六边形与内切圆的相切点处，6根掺氟石英棒分别布设在正六边形的各边相交处。所述的复合掺杂石英棒为芯区15掺锗外包掺氟层16的复合掺杂石英棒，其折射率剖面呈W型，掺锗芯区的折射率n_h满足（n_h-n_石英）/n_石英=2.3%，外包掺氟层为低折射率下陷区，其折射率n_L满足（n_L-n_石英）/n_石英=-0.59%；掺锗芯区直径d_h为2μm，外包掺氟层直径d_l为4μm。所述掺氟石英棒14的折射率n_F满足（n_F-n_石英）/n_石英=-0.41%，直径d为6μm，所述的第二层掺杂单元均由掺氟石英棒构成；所有的掺杂石英棒，包括复合掺杂石英棒和掺氟石英棒，任意两掺杂石英棒之间的中心间距即节距Λ为9.5μm。最外层为纯石英玻璃外包层，外包层的直径为200μm。

以上描述为其中一个实施方式（对应实施例2），下面以表格的形式进一步补充描述本发明的内容：

下边再利用有限元的方法模拟限制损耗随波长的变化曲线，如图9。从该图可以看出：

第一：虚线是当纤芯下陷为0时，也就是纤芯由纯二氧化硅材料组成时的限制损耗图；实线是当纤芯掺氟下陷浓度为0.01％时的限制损耗图，可见加入下陷后，显著拓宽了带隙之间的高损耗区。同时也使得带隙边带向两边移动，这起到了移动带隙边带位置的作用。需要说明的是，在芯区加入少量掺氟材料的做法的代价是限制损耗水平整体有所上升，另外还使得损耗比有所减小（损耗比指的是二阶模限制损耗和基模限制损耗的比值，所以这个值越大，说明光纤在该波长保持单模工作的能力越强）。但是即便如此，两种情况的损耗比都在30以上，也就是二阶模的限制损耗要比基模高30倍以上（见图10）。可见光纤可以在设定波长区间以单模状态工作。

第二：在1.1～1.2μm波长区间，损耗是递减的，因而该光纤有利于抑制镱的增益谱的短波段，也可说长波段激光易于起振。从图9、10以及图5～8上也可以清楚的看出禁带的中心在1.05μm，1.03～1.08μm波长为高损耗区；1.1μm损耗已经降的很低，且能确保1.1～1.2μm波长之间单模传输。在1.1～1.6μm波长范围以及小于1μm波长的范围均为低损耗区。在这里，把高损耗区控制在1.1μm附近的目的是有意设计能对镱的增益谱短波段进行抑致的大模场光纤。图5～8是根据图9计算结果，在不同波长处对光纤基模的模场分布进行了专门的计算，结果表明寂寞的模场特征完全和图9计算结果一致，即在1.03～1.08μm波段为传输禁带（stopband），而其他波长则都为通带。

以上论述表明，本发明采用这种复合掺杂棒和掺氟棒相结合的方式来组成光纤包层结构，即保证了光纤具备大模场面积单模工作的能力，而且可对某些波段的光进行选择性的抑制。这得益于复合掺杂棒组成的点阵产生的光子带隙效应，以及掺氟点阵产生的泄漏通道原理。这种光纤因为具备很大的模场面积，因此很适合作为高能量激光产生或传输的媒介。

Claims (9)

1.一种大模场面积全固体光纤，包括芯区和包层区，芯区位于光纤正中心，芯区由纯石英或掺氟的石英玻璃组成，掺氟浓度满足：0≤（n_石英－n_掺氟石英）/n_石英<0.05％，这里n_石英为纯石英玻璃的折射率，n_掺氟石英为纤芯掺氟石英玻璃的折射率；所述芯区直径D_core为17μm～120μm，其中掺氟区直径d_掺氟石英不大于0.8D_core；

所述的包层区以纯二氧化硅玻璃为背景材料，包含有2～5层的周期性密堆积排列的掺杂单元，每个掺杂单元由掺杂石英棒组成；所述第一层掺杂单元由紧靠芯区的12根掺杂石英棒构成，其中包括6根复合掺杂石英棒和6根掺氟石英棒，6根复合掺杂石英棒和6根掺氟石英棒间隔交错布设在一个六边形的边角位上；

所述的第二层及以外层的掺杂单元均由掺氟石英棒构成，所有的掺杂石英棒直径相同，且任意两掺杂石英棒之间的节距Λ（即任意相邻两个掺杂石英棒中心之间的间距）相等且大于或等于3μm；光纤最外层为纯石英玻璃组成的外包层。

2.按权利要求1所述的大模场面积全固体光纤，其特征在于所述的复合掺杂石英棒为芯区掺锗外包掺氟层的复合掺杂石英棒，其折射率剖面呈W型，掺锗芯区的折射率n_h满足（n_h-n_石英）/n_石英>1.5%，外包掺氟层为低折射率下陷区，其折射率n_L满足（n_L-n_石英）/n_石英<-0.3%；掺锗芯区直径d_h与外包掺氟层直径d_l两者之间满足

3.按权利要求1或2所述的大模场面积全固体光纤，其特征在于所述的掺氟石英棒的折射率n_F满足：（n_F-n_石英）/n_石英<-0.1%。

4.按权利要求1所述的大模场面积全固体光纤，其特征在于所述的掺氟石英棒掺氟层直径d与任意两掺杂石英棒之间的节距Λ满足0.6<d/Λ<0.95。

5.按权利要求3所述的大模场面积全固体光纤，其特征在于所述的第一层掺杂单元的6根复合掺杂石英棒和6根掺氟石英棒间隔交错布设在一个正六边形的边角位上，其中6根复合掺杂石英棒分别布设在正六边形与内切圆的相切点处，6根掺氟石英棒分别布设在正六边形的各边相交处。

6.按权利要求1或2所述的大模场面积全固体光纤，其特征在于所述的纯石英玻璃外包层的直径为110μm～1000μm。

7.按权利要求3所述的大模场面积全固体光纤，其特征在于所述的光纤在1.06μm波长上可满足宏弯损耗不大于0.5dB时的最小弯曲半径R_min满足：R_min≈2000D_core。

8.按权利要求1或2所述的大模场面积全固体光纤，其特征在于所述芯区中的掺氟区直径d_掺氟石英不大于0.8D_core。

9.一种大模场面积全固体光纤的制造方法，其特征在于按权利要求1～8所述的任一光纤结构要求，采用PCVD工艺分别制作微掺氟芯棒、复合掺杂石英棒和掺氟石英棒，三种棒的外径控制在0.6～5mm范围，且复合掺杂石英棒和掺氟石英棒的外径相同，

按周期性密堆积排列方式，也即光子晶体光纤的结构排列方式围绕芯棒排布复合掺杂石英棒和掺氟石英棒，并粘接固定，

将上述排列好的结构套入一个尺寸合适的纯石英玻璃套管内，形成光纤预制棒，

将光纤预制棒装夹到光纤拉丝塔上通过常规石英玻璃拉丝工艺拉制出光纤。

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