CN103698840A

CN103698840A - 一种多芯非线性光纤

Info

Publication number: CN103698840A
Application number: CN201310604849.5A
Authority: CN
Inventors: 韦会峰; 李江; 刘阳; 张心贲; 成煜; 童维军
Original assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Current assignee: Yangtze Optical Fibre and Cable Co Ltd
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: CN103698840B

Abstract

本发明涉及一种多纤芯非线性光纤，包括纤芯、空气包层和纯石英玻璃包层，纤芯至少为3个，空气包层分为内、外空气包层，内空气包层由位于内点阵的内气孔构成，外空气包层由位于外点阵的外气孔构成，内点阵为包括中心点的正六边形点阵，内点阵中任意两相邻点的中心间距相等，外点阵为对应围绕在内点阵外的正六边形点阵，外点阵中任意两相邻点的中心间距相等，内点阵中所有点除了布设纤芯外其余均布设内气孔，纤芯围绕中心点对称布设，且任意两相邻纤芯的中心间距相等，外点阵中所有点均布设外气孔。本发明解决了高功率光纤激光器的大芯直径尾纤与非线性微结构光纤之间的低损耗接续问题，可承受更高的泵浦功率，同时可有效地实现光纤的色散特性。

Description

一种多芯非线性光纤

技术领域

本发明涉及一种多纤芯非线性光纤，属于光纤技术领域。

背景技术

微结构光纤是一种较新颖的光纤结构，其包层内含有沿着光纤轴向排列的空气孔阵列，通过调控空气孔阵列的节距（相邻气孔中心之间的距离）、占空比（或者称为空气填充率）可以有效改变光纤的非线性系数和色散等特性，比如可以把光纤的零色散波长调节到1μm附近，恰好位于通常的皮秒锁模的掺镱光纤激光器的输出波长附近。已有的研究（REVIEWS OF MODERN PHYSICS, VOLUME 78, P1135-1184, OCTOBER–DECEMBER 2006）表明，当掺镱光纤激光器的输出波长在微结构光纤的反常色散区内，且靠近零色散点时，可有效利用孤子机制展宽入射脉冲的光谱，非常适合于产生超连续谱光源。超连续光源的输出光谱范围很宽，在生物光子学、军事领域、光学检测、光纤传感、光通信等领域都有广泛应用价值。

对于皮秒锁模的掺镱光纤激光器而言，目前通过提高脉冲重复频率的方法，从而降低脉冲峰值功率，有效避免非线性效应所带来的不利影响，可使其平均输出功率达到百瓦量级，其最后一级的增益光纤的纤芯直径可达到30μm。用皮秒光纤激光器作为超连续谱光源的泵浦源，其尾纤直接与零色散点位于1.06μm附近的高非线性微结构光纤熔接，是目前产生超连续谱光源的常用方法。

但存在问题是：所用的微结构光纤是单一纤芯设计的，为使零色散点设计在1μm附近，其纤芯直径通常小于5μm，而掺镱光纤的纤芯直径达到30μm附近。要把这两种纤芯差别如此之大的光纤熔接起来并保证很低的熔接附加损耗，难度极大，而极低的熔接附加损耗是实现高功率超连续输出的必要条件，因为在高泵浦功率下，较小的的附加损耗也会导致熔接点被烧毁。常见的解决办法是采用专门的光纤熔接机，将在接点处微结构光纤的气孔部分地塌陷，形成一个过渡区，才能与掺镱光纤熔接起来。即便如此，该连接方式的损耗仍然较高，使得激光器无法在大功率下长时间工作，只可在实验室短暂实验，不能满足工程的实用性。

同时存在另外一个重要的问题是，频率转换效率反比于光纤的纤芯直径，而承受高入射功率则需要较大的纤芯直径，形成了一对矛盾。单芯的非线性光纤通常纤芯较小，以保证较高的频率转换效率，但是小的纤芯无法承受高的入射功率，即便连接问题得到了有效解决。

以上两类问题是限制高功率超连续光纤激光器发展的主要光纤技术障碍之一。要解决这两个问题，最合适的办法是研制一种纤芯大的微结构光纤，使得非线性微结构光纤与掺镱光纤的纤芯差别较小，因而两种光纤在熔接时能够更好的匹配，降低接点的损耗和泵浦光泄露。然而当单纯增加单芯光纤的纤芯直径时，不单会使光纤的非线性降低，而且会使得光纤的零色散波长向长波方向移动，使得掺镱光纤激光器的泵浦波长落不到微结构光纤的反常色散区内，不利于产生超连续谱。

中国专利（申请号200810053629.7）公开了一种小芯径集束型的大有效面积高非线性光子晶体光纤，其单个纤芯的芯直径约为1～2μm，这有利于调整光纤的零色散波长之800nm附近，但是不利于工作波长的1μm的超连续激光器应用；而且其较小的纤芯直径也不利于承受更高的泵浦功率；考虑其具体的发明内容及实施例及附图，其内外大小气孔的节距是不一致的，事实上该发明也无法保证其内外空气包层的节距一致，这为其实际制备带来了实质性的困难，最后，该发明没有对其如何实现单模输出作出任何说明，而保证多纤芯微结构光纤的输出模式为单模对超连续激光的应用来说是必须的。

发明内容

为方便介绍发明内容，定义和解释相关术语如下：

空气包层：指由气孔组成的包层结构；

内空气包层气孔直径d₁：指组成光纤内空气包层的气孔的直径；

外空气包层气孔直径d₂：指组成光纤外空气包层的气孔的直径；

内空气包层节距Λ₁：指内空气包层中任意两个相邻气孔中心间距；

外空气包层节距Λ₂：指内空气包层中任意两个相邻气孔中心间距；

在本发明中Λ₁可以等于Λ₂，此时统称为Λ；

内空气包层填充率f₁=d₁/Λ₁；

外空气包层填充率f₂=d₂/Λ₂；

纤芯直径d_c：指由缺失一个气孔而形成的石英区域，其直径为围绕其六个气孔中，任意对称分布的两个气孔的内边沿之距；其中光纤正中心的纤芯的直径也可称为d_cc。

特别地，定义围绕正中心纤芯的六个气孔的直径为d_1c。

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提出一种输出模式为单模的多纤芯非线性光纤，其零色散波长在1μm附近的双包层非线性微结构光纤。它能与高功率光纤激光器的大芯直径尾纤较好匹配进行低损耗接续，承受更高的泵浦功率，从而实现比单纤芯非线性光纤高数倍的超连续激光输出功率。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

包括纤芯、空气包层和纯石英玻璃总包层，其特征在于所述的纤芯至少为3个纤芯，所述的空气包层分为内空气包层和外空气包层，所述的内空气包层由位于内点阵的内气孔构成，所述的外空气包层由位于外点阵的外气孔构成，所述的内点阵为包括中心点的正六边形点阵，内点阵的正六边形点阵从内至外为3～10层，内点阵中任意两相邻点的中心间距Λ₁相等，所述的外点阵为对应围绕在内点阵外的正六边形点阵，外点阵的正六边形点阵从内至外为1～3层，外点阵中任意两相邻点的中心间距Λ₂相等，所述的内点阵中的所有点除了布设纤芯外其余均布设内气孔，纤芯围绕中心点对称布设，且任意两相邻纤芯的中心间距相等，所述的外点阵中所有的点均布设外气孔。

按上述方案，所述的纤芯由掺锗的石英玻璃或者纯石英玻璃组成，纤芯相对于纯石英玻璃总包层的相对折射率差Δ为0~3%。

按上述方案，所述的纤芯为3个、4个、6个、7个、18个、19个、36个、或37个；其中纤芯为4个时包含有1个位于中心点的纤芯，任意两相邻纤芯的中心间距为其余纤芯与中心点纤芯的间距。

按上述方案，所述的纤芯为3个或4个时，3个纤芯位于内点阵的内第1层正六边形点阵中；所述的纤芯为6个或7个时，6个纤芯位于内点阵的内第2层正六边形点阵中；所述的纤芯为18个或19个时，6个纤芯位于内点阵的内第2层正六边形点阵中，12个纤芯位于内点阵的内第4层正六边形点阵中；所述的纤芯为36个或37个时，6个纤芯位于内点阵的内第2层正六边形点阵中，12个纤芯位于内点阵的内第4层正六边形点阵中，,18个纤芯位于内点阵的内第6层正六边形点阵中。

按上述方案，所述的纤芯的直径d_c为2～6μm，每个纤芯的直径相同，或除中心点纤芯外每个纤芯的直径相同。

按上述方案，所述的内空气包层的内气孔直径d₁满足：0.3μm <d₁<Λ₁，所述的内空气包层中的内第1层正六边形点阵中的内气孔直径d_1c和其它内空气包层的内气孔直径d₁之间满足关系|d_1c-d₁|≤1μm。在此范围内调整d_1c和d₁之间的大小关系，可实现对光纤模式的整形，使得输出预期形状的单模光斑。

按上述方案，所述的内空气包层的空气填充率f₁满足：0.1<f₁<0.75。

按上述方案，所述的外空气包层的外气孔直径d₂满足：0.3μm <d₂<Λ₂，所述的外空气包层的空气填充率f₂满足：0.3<f₂<0.9，且0<(f₂-f₁)<0.8。

按上述方案，所述的内空气包层的节距Λ₁满足：1μm <Λ₁<6μm；所述的外空气包层的节距Λ₂满足：1μm <Λ₂<6μm。

按上述方案，所述的内空气包层和外空气包层的节距Λ₁、Λ₂之间满足：0≤|Λ₂-Λ₁|≤2μm。一般地取Λ₁=Λ₂=Λ。

按上述方案，所述的总包层的外径为70～300μm。

按上述方案，所述光纤的同相位超模的零色散波长为一个λ₀，在900nm～1200nm之间。

按上述方案，所述光纤的同相位超模的零色散波长为两个，λ₀₁和λ₀₂，分别满足800<λ₀₁<1000nm波段、1030<λ₀₂<1700nm波段。

按上述方案，所述光纤的同相位超模无零色散波长，且其色散系数D（ps/nm/km）在任意波长满足：D<0，即光纤的色散特性为全正常色散。

按上述方案，所述光纤的同相位超模无零色散波长，且其色散系数D（ps/nm/km）在任意波长满足D<0时，其色散斜率S（ps/nm²/km）为零时，即S=S₀=0时，S₀对应的波长λ₀₀满足：1000nm<λ₀₀<1200nm。

按上述方案，所述光纤的远场单模输出，其光束质量因子M²<1.7。

本发明的有益效果在于：1、提出一种具有多个纤芯、可实现单模输出的、零色散波长在1μm附近、双空气包层的非线性微结构光纤。多个纤芯之间通过消逝场耦合形成超模而实现单模输出，通过对光纤结构的优化，使超模的零色散波长落在1μm附近，这样就可实现与单芯非线性微结构光纤一样的色散特性，解决了高功率光纤激光器的大芯直径尾纤与非线性微结构光纤之间的低损耗接续问题，可承受较高的泵浦功率，为高功率超连续光纤激光器的实现以及工程化开辟了道路；2、光纤超模的零色散波长在1μm附近，可实现与单芯非线性微结构光纤一样的色散特性，因此适合用掺镱光纤激光器泵浦；而采用多芯结构，且辅以双包层设计，可以使光纤的纤芯直径增大数倍，在与30μm左右的掺镱光纤熔接时，更容易匹配，因而熔接损耗可有效减小，大幅降低了熔接点处的泵浦光泄露，克服了当泵浦光功率增大时，熔接点被激光烧毁的问题。而且多个纤芯分摊了高的入射泵浦功率，因此理论上可实现比单纤芯非线性光纤高数倍的超连续激光输出功率；3、当内空气包层的节距等参数缩小至合适尺寸时，可实现相应光纤的零色散波长变为两个，或者没有零色散点，实现全正常色散的色散特性。此时，纤芯的总的大小还可以大约在6~7微米，这样与普通单芯光纤的全正常色散微结构光纤（芯子大约在1.5 ~2微米范围）相比，多芯全正常色散微结构光纤的优点就显而易见了：不仅能提高泵浦功率，进而可提高超连续激光输出的功率，并能提供很好的光束质量，而且所产生超连续谱具有很好的相干性，可以用来做脉冲压缩。利用本发明的光纤技术，有望采用大功率皮秒掺镱光纤激光器直接耦合泵浦此类多芯非线性光纤，实现实用化的大功率超连续谱光源。

附图说明

图1为本发明一个实施例所述七芯光纤结构示意图。

图2为图1中光纤微结构区的放大示意图, 其中，d₁为内空气包层气孔直径；d₂为外空气包层气孔直径；Λ₁为内空气包层节距；Λ₂为外空气包层节距；d_c为纤芯直径，其中光纤正中心的纤芯的直径为d_cc；d_1c为围绕正中心纤芯的六个气孔的直径。

图3为本发明所述三芯光纤结构示意图。

图4为本发明所述四芯光纤结构示意图。

图5为本发明所述六芯光纤结构示意图。

图6为本发明所述十八芯光纤结构示意图。

图7为本发明所述十九芯光纤结构示意图。

图8，9为实际制备的本发明所述光纤的端面放大图片。

图10为本发明所述光纤同相位超模，也就是最低阶超模（基模）的色散曲线图（对应几何参数：Λ₁=3μm; f₁=0.55; d₁=1.65μm；d_1c=1.73μm）。离散的点代表测试结果，连续的曲线代表理论拟合结果。

图11为当Λ₁=1.5μm、 f₁=0.55、d₁=0.82μm、d_1c =0.88μm时，光纤出现两个零色散波长的曲线图。

图12为当Λ₁=1.4μm、 f₁=0.55、d₁=0.38μm、d_1c =0.4μm时，光纤的色散曲线成为全正常色散的曲线图。

图13、图14分别为对空气包层两种参数设定情况下，在±5%的范围内调整d_1c大小时，相应的同相位超模的模场分布曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

一般对于单芯的微结构光纤，通常空气包层的空气填充率0.42是单模和多模的临界（d是气孔直径，Λ是气孔的节距），当填充率小于0.42时，微结构光纤单模输出，当d/Λ>0.42时，微结构光纤多模输出。当结合弯曲时，由于弯曲可以有效抑制高阶的模式，使纤芯内只留有基模，因此可将空气填充率适当提高。

本发明第一个实施例径向剖面结构如图1、2所示，包括纤芯10、空气包层和纯石英玻璃总包层13，所述的纤芯为7个，所述的空气包层分包括内空气包层和外空气包层，所述的内空气包层由位于内点阵的内气孔11构成，所述的外空气包层由位于外点阵的外气孔12构成，所述的内点阵为包括中心点的正六边形点阵，内点阵的正六边形点阵从内至外为5层，内点阵中任意两相邻点的中心间距Λ₁相等，所述的外点阵为对应围绕在内点阵外的正六边形点阵，外点阵的正六边形点阵为1层，外点阵中任意两相邻点的中心间距Λ₂相等。内、外点阵件的距离可等于Λ₁或大于Λ₁。所述的7个纤芯，1个纤芯位于内点阵的中心点，6个纤芯位于内点阵的内第2层正六边形点阵中，6个纤芯围绕中心点对称布设，且任意两相邻纤芯的中心间距相等，内点阵中的其余所有点均布设内气孔，所述的外点阵中所有的点均布设外气孔。表1所示为第一个实施例中的四个具体实施例, 均为七个纤芯的情形。

单芯微结构光纤不易实现低损耗熔接，而单纯提高其纤芯直径则无法控制其零色散波长处于1微米附近，实现泵浦波长和零色散点的匹配。而本发明所述多芯非线性光纤具有和单芯光纤相接近的色散曲线（便于非线性相位匹配）；且用上百瓦皮秒光纤激光器泵浦时能量分散到多个纤芯内（便于散热）；而且七芯微结构光纤纤芯的直径更接近泵浦光纤激光器尾纤的纤芯（便于耦合，不易损伤焊点），因而有望实现超大功率超连续谱光源；双包层的设计使得外空气包层能有效阻隔部分泵浦光的泄露，起到避免烧毁熔接点的作用。

就七芯非线性光纤而言，其结构参数及检测结果表明本发明所述多芯非线性光纤的光学性能优良，达到了预期设计目标，且具备工程实用化的优点。

表1

其它五个实施例的结构分别见图3、4、5、6、7。

第二个实施例如图3所示，所述的纤芯为3个，3个纤芯位于内点阵的内第1层正六边形点阵中，3个纤芯的连线为等边三角形，任意两相邻纤芯的中心间距相等。内点阵中的其余所有点均布设内气孔，所述的外点阵为1层，外点阵中所有的点均布设外气孔。其它结构与上一个实施例相同或类似。

第三个实施例如图4所示，所述的纤芯为4个，包含有1个位于中心点的纤芯，3个纤芯位于内点阵的内第1层正六边形点阵中，该实施例中任意两相邻纤芯的中心间距为其余纤芯与中心点纤芯的间距，也即第1层正六边形点阵中的3个纤芯与中心点纤芯的间距为Λ₁。其它结构与第二个实施例相同。

第四个实施例如图5所示，所述的纤芯为6个，6个纤芯位于内点阵的内第2层正六边形点阵中；6个纤芯围绕中心点对称布设，且任意两相邻纤芯的中心间距相等，内点阵中的其余所有点均布设内气孔，所述的外点阵为1层，外点阵中所有的点均布设外气孔。其它结构与第一个实施例相同或类似。

第五、六个实施例如图6、7所示，内点阵的正六边形点阵从内至外为7层，所述的纤芯分别为18个和19个，18个纤芯的位置相同，其中6个纤芯位于内点阵的内第2层正六边形点阵中，12个纤芯位于内点阵的内第4层正六边形点阵中；19个纤芯结构的包含有1个位于中心点的纤芯。纤芯围绕中心点对称布设，且任意两相邻纤芯的中心间距相等。内点阵中的其余所有点均布设内气孔，所述的外点阵为1层，外点阵中所有的点均布设外气孔。其它结构与第一个实施例相同或类似。

当所述的纤芯分别为36个和37个时，内点阵的正六边形点阵从内至外为9层，36个纤芯的布置位置为如下，6个纤芯位于内点阵的内第2层正六边形点阵中，12个纤芯位于内点阵的内第4层正六边形点阵中，,18个纤芯位于内点阵的内第6层正六边形点阵中；37个纤芯结构的包含有1个位于中心点的纤芯。纤芯围绕中心点对称布设，且任意两相邻纤芯的中心间距相等，内点阵中的其余所有点均布设内气孔，所述的外点阵为1层，外点阵中所有的点均布设外气孔。其它结构与第一个实施例相同或类似。

Claims

1.一种多纤芯非线性光纤，包括纤芯、空气包层和纯石英玻璃总包层，其特征在于所述的纤芯至少为3个纤芯，所述的空气包层分为内空气包层和外空气包层，所述的内空气包层由位于内点阵的内气孔构成，所述的外空气包层由位于外点阵的外气孔构成，所述的内点阵为包括中心点的正六边形点阵，内点阵的正六边形点阵从内至外为3～10层，内点阵中任意两相邻点的中心间距Λ₁相等，所述的外点阵为对应围绕在内点阵外的正六边形点阵，外点阵的正六边形点阵从内至外为1～3层，外点阵中任意两相邻点的中心间距Λ₂相等，所述的内点阵中的所有点除了布设纤芯外其余均布设内气孔，纤芯围绕中心点对称布设，且任意两相邻纤芯的中心间距相等，所述的外点阵中所有的点均布设外气孔。

2.按权利要求1所述的多纤芯非线性光纤，其特征在于所述的纤芯由掺锗的石英玻璃或者纯石英玻璃组成，纤芯相对于纯石英玻璃总包层的相对折射率差Δ为0~3%。

3.按权利要求1或2所述的多纤芯非线性光纤，其特征在于所述的纤芯为3个、4个、6个、7个、18个、19个、36个、或37个；其中纤芯为4个时包含有1个位于中心点的纤芯，任意两相邻纤芯的中心间距为其余纤芯与中心点纤芯的间距。

4.按权利要求3所述的多纤芯非线性光纤，其特征在于所述的纤芯为3个或4个时，3个纤芯位于内点阵的内第1层正六边形点阵中；所述的纤芯为6个或7个时，6个纤芯位于内点阵的内第2层正六边形点阵中；所述的纤芯为18个或19个时，6个纤芯位于内点阵的内第2层正六边形点阵中，12个纤芯位于内点阵的内第4层正六边形点阵中；所述的纤芯为36个或37个时，6个纤芯位于内点阵的内第2层正六边形点阵中，12个纤芯位于内点阵的内第4层正六边形点阵中，,18个纤芯位于内点阵的内第6层正六边形点阵中。

5.按权利要求1或2所述的多纤芯非线性光纤，其特征在于所述的纤芯的直径为2～6μm。

6.按权利要求1或2所述的多纤芯非线性光纤，其特征在于所述的内空气包层的内气孔直径d₁满足：0.3μm<d₁<Λ₁，所述的内空气包层中的内第1层正六边形点阵中的内气孔直径d_1c和其它内空气包层的内气孔直径d₁之间满足关系|d_1c-d₁|≤1μm。

7.按权利要求1或2所述的多纤芯非线性光纤，其特征在于所述的内空气包层的空气填充率f₁满足：0.1<f₁<0.75；所述的外空气包层的外气孔直径d₂满足：0.3μm <d₂<Λ₂，所述的外空气包层的空气填充率f₂满足：0.3<f₂<0.9，且0<(f₂-f₁)<0.8。

8.按权利要求1或2所述的多纤芯非线性光纤，其特征在于所述的内空气包层的节距Λ₁满足：1μm <Λ₁<6μm；所述的外空气包层的节距Λ₂满足：1μm <Λ₂<6μm；所述的内空气包层和外空气包层的节距Λ₁、Λ₂之间满足：0≤|Λ₂-Λ₁|≤2μm。

9.按权利要求1或2所述的多纤芯非线性光纤，其特征在于所述光纤的同相位超模的零色散波长为一个λ₀，在900nm～1200nm之间；或者所述光纤的同相位超模的零色散波长为两个，λ₀₁和λ₀₂，分别满足800<λ₀₁<1000nm波段、1030<λ₀₂<1700nm波段；或者所述光纤的同相位超模无零色散波长，且其色散系数D（ps/nm/km）在任意波长满足：D<0，即光纤的色散特性为全正常色散。

10.按权利要求1或2所述的多纤芯非线性光纤，其特征在于所述光纤的同相位超模无零色散波长，且其色散系数D（ps/nm/km）在任意波长满足D<0时，其色散斜率S（ps/nm²/km）为零时，即S=S₀=0时，S₀对应的波长λ₀₀满足：1000nm<λ₀₀<1200nm；所述光纤的远场单模输出，其光束质量因子M²<1.7。