CN104503020A - 一种纵向螺旋模式转移光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纵向螺旋模式转移光纤，包括纤芯、包层和涂覆层；纤芯以二氧化硅材料为基质，包含至少一种有源离子以及共掺杂剂；包层中排列有围绕纤芯呈纵向螺旋结构分布的多条侧芯，侧芯采用二氧化硅材料，芯径为微米量级，螺旋周期在毫米量级，最内层侧芯与纤芯的边到边偏移量在微米量级。本发明的纵向螺旋模式转移光纤由于在包层加入具有损耗机制的螺旋侧芯，从而能够与纤芯中的高阶模式发生耦合并提供高损耗，实现大模场面积单模运转光纤，为高功率光纤激光器的发展提供了新途径。

Description

一种纵向螺旋模式转移光纤
技术领域
本发明属于光学与激光光电子技术领域，更具体地，涉及一种纵向螺旋模式转移光纤。
背景技术
光纤激光器因其高转换效率、良好的散热效应、高光束质量及结构紧凑等独特优势而得到迅速发展，广泛应用于光通信、工业加工、生物医疗、军事国防等相关领域，是激光器产业中的主导力量。
近年来，光纤激光器的输出功率不断攀升，达到kW量级平均功率及MW量级峰值功率。但是高功率的激光输出会导致纤芯中功率密度过高，易引起严重的受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)等非线性效应及光纤损伤。
现有技术通常采用大模场面积(Large Mode Area，LMA)光纤降低纤芯功率密度，从而抑制非线性效应，但这种方法会激发起高阶模(HigherOrder Mode，HOM)，致使光纤输出光束质量恶化。最初人们通过降低纤芯数值孔径(Numerical Aperture，NA)来实现单模运转，然而受到材料性质的限制，普通光纤的数值孔径很难降到0.05以下，且过低数值孔径会加剧光纤弯曲损耗。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种纵向螺旋转移光纤，其目的在于滤除大模场面积光纤纤芯中的高阶模式，实现大模场面积光纤的稳定基模输出，解决现有技术中采用大模场面积光纤降低纤芯功率密度导致光束质量恶化的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种纵向螺旋模式转移光纤，包括纤芯、围绕着纤芯的包层、围绕着包层的涂覆层；所述包层内排列有围绕纤芯纵向螺旋分布的多条侧芯；纤芯到侧芯的耦合、侧芯与侧芯之间的耦合将纤芯中的高阶模式转移出来，侧芯的螺旋结构为转移出来的高阶模式提供高损耗，将纤芯转移至侧芯的高阶模式滤除，实现光纤单模输出。
优选地，所述光纤侧芯折射率n1与包层折射率n2应满足关系将高阶模式更好的束缚在侧芯内，通过纵向螺旋分布的多条侧芯将高阶模式滤除。
优选地，所述光纤采用的多条侧芯的芯径尺寸不同。
优选地，所述侧芯芯径的取值范围为6μm～15μm，螺旋周期取值范围为4.5mm～7mm，最内层侧芯与纤芯的边到边偏移量取值范围为1μm～4.5μm；根据螺旋参数的不同，侧芯所提供的模式损耗在1dB/m～100dB/m。
优选地，所述侧芯排列方式为同尺寸的侧芯单层围绕纤芯排列；侧芯芯径为6μm～8μm，螺旋周期为4.5mm～5.3mm，侧芯与纤芯的边到边偏移量为1μm～4.5μm；多条侧芯结构中的每条侧芯都与纤芯发生耦合，加快了高阶模式向侧芯的转移，将纤芯中的高阶模式快速转移出来加以滤除。
优选地，所述侧芯排列方式为同尺寸的侧芯呈多层围绕纤芯排列；侧芯芯径为8μm～10μm，螺旋周期为5.1mm～5.9mm，最内层侧芯与纤芯的边到边偏移量为1μm～4.5μm；内层的每一条侧芯均与纤芯发生耦合作用；内层侧芯与外层侧芯之间也有耦合效果，可以转移内层侧芯中的模式，分担内层侧芯对模式提供高损耗的负担，将高阶模式在侧芯中更快速的滤除。
优选地，所述侧芯排列方式为不同尺寸的侧芯单层围绕纤芯间隔排列；大尺寸侧芯芯径为10μm～13μm，小尺寸侧芯芯径为6μm～8.3μm，螺旋周期5.5mm～6.2mm，侧芯与纤芯的边到边偏移量1μm～4.5μm；大尺寸的侧芯与纤芯耦合作用更强，可有效转移纤芯中的高阶模式；小尺寸的侧芯对高阶模式的损耗更高，可将转移至大尺寸侧芯中的高阶模式耦合过来并提供更高的损耗，可更快速滤除侧芯中的高阶模式。
优选地，所述侧芯排列方式为不同尺寸的侧芯呈多层围绕纤芯间隔排列；大尺寸侧芯芯径为11μm～15μm，小尺寸侧芯芯径为6μm～7.8μm，螺旋周期为6.1mm～7mm，最内层侧芯与纤芯的边到边偏移量为1μm～4.5μm；内层的每一条侧芯均与纤芯发生耦合作用；内层侧芯与外层侧芯之间也有耦合效果，将纤芯中的高阶模式转移出来；大尺寸的侧芯与纤芯耦合作用更强，有效转移纤芯中的高阶模式；小尺寸的侧芯对高阶模式的损耗更高，可更快速滤除侧芯中的高阶模式。
优选地，所述纤芯以二氧化硅材料为基质，包含至少一种有源离子以及共掺杂剂，所述有源离子为镧系稀土离子；所述共掺杂剂为Al离子、P离子和Ce离子中的一种或几种；所述包层材料为纯石英；所述侧芯是以二氧化硅材料为基质的无源纤芯，与所述包层一起形成波导结构，具有导光作用，但不具备增益放大性能；所述涂覆层采用聚合物涂料。
优选地，所述光纤的包层与涂覆层之间还有一层外包层，所述外包层折射率高于包层折射率且低于涂覆层折射率，采用聚合物涂料。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的光纤在包层内引入多条侧芯，纤芯与各条侧芯的耦合、侧芯与侧芯之间的耦合共同作用，将纤芯中的高阶模式快速转移出来，侧芯的螺旋结构为转移出来的高阶模式提供高损耗，将纤芯转移至侧芯的高阶模式滤除，实现光纤单模输出，提高输出光束质量；
(2)本发明的优选方案里，多条侧芯的芯径尺寸不同，稍大尺寸的侧芯与纤芯耦合作用更强，可有效转移纤芯中的高阶模式；小尺寸的侧芯对高阶模式的损耗更高，可将转移至大尺寸侧芯中的高阶模式耦合过来并提供更高的损耗，更快速滤除侧芯中的高阶模式；纤芯中的高阶模式被快速滤除，实现光纤单模输出，对应的输出光束质量便得到提高；
(3)本发明的优选方案里，采用单层多条侧芯的结构中，每条侧芯都可耦合纤芯中的高阶模式，加快了高阶模式向侧芯的转移；采用多层侧芯的结构中，外层侧芯可以转移内层侧芯中的模式，从而分担内层侧芯对模式提供高损耗的负担，使高阶模式在侧芯中快速滤除，实现光纤单模传输，提高输出光束质量；
(4)由于光纤中的模式对弯曲损耗非常敏感，其损耗会随着波导结构弯曲的加剧而不断增加，因此本发明中的侧芯采用的纵向螺旋结构为侧芯中的模式提供了高损耗，可将纤芯转移至侧芯的高阶模式滤除，无需任何外加的模式控制技术便能实现光纤单模输出，提高输出光束质量；这种改善便于将光纤应用于复杂***中，有利于光纤激光***的集成化；
(5)由于本发明的多条侧芯结构的每一条侧芯都能对高阶模式提供弯曲损耗，在多条侧芯的共同作用下，侧芯可对高阶模式提供的更高损耗，因此在光纤制备过程中，采用多条侧芯时，侧芯的螺旋周期可以适当增加，可减小光纤的制备难度；
(6)由于分发明的纵向螺旋分布的侧芯内置于包层里，避免了常规光纤在盘绕中由于弯曲半径过小对光纤带来的损伤，改善了光纤模场畸变严重的问题，从而使输出光斑更加对称完整，提高光束质量；
(7)本发明的光纤具有模式无失真熔接和紧凑盘绕的优点，可以与采用标准光纤熔接与处理技术所制备出的相关光学器件直接匹配。
附图说明
图1是本发明纵向螺旋模式转移光纤纤芯模式损耗随传播常数差Δβ的变化曲线；
图2是本发明纵向螺旋模式转移光纤侧芯模式损耗随螺旋周期的变化曲线；
图3是本发明实施例1的光纤端面示意图；
图4是本发明实施例2的光纤端面示意图；
图5是本发明实施例3的光纤端面示意图；
图6是本发明实施例4的光纤端面示意图；
图7是本发明实施例5的光纤端面示意图；
图8是本发明实施例5的光纤结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：纤芯101，围绕纤芯的包层102，外包层103，涂覆层104，实施例1侧芯301，实施例2第一层侧芯401和第二层侧芯402，实施例3第一层侧芯501和第二层侧芯502，实施例4第一侧芯601和第二侧芯602，实施例5第一侧芯701、第二侧芯702、第三侧芯703、第四侧芯704、第五侧芯705、第六侧芯706。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明所述的纵向螺旋模式转移光纤，包括纤芯、围绕着纤芯的包层、围绕着包层的涂覆层，包层中排列有围绕纤芯纵向螺旋分布的多条侧芯。
根据模式耦合公式及准相位匹配条件，经过理论计算与实验发现，纤芯模式的损耗与发生耦合的模式之间的传播常数差Δβ有密切的关系，其损耗随着Δβ的增加而下降，如图1所示；设定耦合系数为1，当Δβ＝0时，纤芯模式的损耗达到最大，因此，通过合理设计纵向螺旋模式转移光纤的结构参数，包括侧芯芯径、螺旋周期、最内层侧芯与纤芯的边到边偏移量，可以实现纤芯基模低损耗，高阶模高损耗的效果。
同尺寸的单层侧芯围绕纤芯排列，每条侧芯都可耦合纤芯中的高阶模式，在所述的同尺寸的单层侧芯结构下，光纤参数为：侧芯芯径6μm～8μm，螺旋周期4.5mm～5.3mm，侧芯与纤芯的边到边偏移量1μm～4.5μm。
同尺寸的侧芯呈多层围绕纤芯排列，最内层每条侧芯都可耦合纤芯中的高阶模式；外层侧芯可以转移内层侧芯中的模式，从而加快纤芯中高阶模式向侧芯的转移，外层侧芯还可分担内层侧芯对模式提供高损耗的负担，使高阶模式在侧芯中快速滤除；在所述的同尺寸多层侧芯结构下，光纤参数为：侧芯芯径8μm～10μm，螺旋周期5.1mm～5.9mm，最内层侧芯与纤芯的边到边偏移量1μm～4.5μm。
不同尺寸的单层侧芯围绕纤芯排列，每条侧芯都可耦合纤芯中的高阶模式，稍大尺寸的侧芯与纤芯耦合作用更强，可有效转移纤芯中的高阶模式，小尺寸的侧芯对高阶模式的损耗更高，除了耦合纤芯中的高阶模式，还可将转移至大尺寸侧芯中的高阶模式耦合过来并提供更高的损耗；在所述的不同尺寸的单层侧芯结构下，光纤参数为：大尺寸侧芯芯径为10μm～13μm，小尺寸侧芯芯径为6μm～8.3μm，螺旋周期为5.5mm～6.2mm，侧芯与纤芯的边到边偏移量为1μm～4.5μm。
不同尺寸的侧芯呈多层围绕纤芯排列，最内层每条侧芯都可耦合纤芯中的高阶模式，外层侧芯可以转移内层侧芯中的模式，从而加快纤芯中高阶模式向侧芯的转移；稍大尺寸的侧芯与纤芯耦合作用更强，可有效转移纤芯中的高阶模式，小尺寸的侧芯对高阶模式的损耗更高，可将转移至大尺寸侧芯中的高阶模式耦合过来并提供更高的损耗，因此对高阶模式的滤除效果更好；在所述的不同尺寸的多层侧芯结构下，光纤参数为：侧芯芯径11μm～15μm，小尺寸侧芯芯径6μm～7.8μm，螺旋周期6.1mm～7mm，最内层侧芯与纤芯的边到边偏移量1μm～4.5μm。
由于侧芯存在弯曲因素，根据弯曲损耗公式，得出侧芯所提供的高阶模式损耗在1dB/m～100dB/m，螺旋周期与模式损耗之间曲线关系如图2所示。
以下结合具体实施例与附图来进一步阐述本发明的纵向螺旋模式转移光纤。
实施例1的纵向螺旋模式转移光纤为双包层纵向螺旋模式转移石英光纤，包括纤芯101、围绕着纤芯的包层102、外包层103和涂覆层104；其端面示意图如图3所示，包层102内均匀排列有三条围绕纤芯纵向螺旋分布的侧芯301；从光纤端面看，三条侧芯以正三角形均匀分布在纤芯101周围；
其中，纤芯101直径为37μm，数值孔径为0.06；侧芯301芯径为7μm，数值孔径为0.1，螺旋周期为4.5mm，侧芯301与纤芯101的边边偏移量为1μm。
纤芯101折射率为1.4582，采用的材料为二氧化硅基质、镱离子以及共掺杂剂Al离子和P离子；包层102折射率为1.457，采用纯石英材料；侧芯301折射率为1.4604，采用的材料为二氧化硅基质和锗离子；外包层103折射率为1.37，采用的材料为低折射率的聚合物涂料；涂覆层104折射率为1.49，采用的材料为高折射率的聚合物涂料。
经验证，实例1中的纵向螺旋模式转移光纤的基模损耗为0.15dB/m，高阶模损耗为53dB/m。
实施例2的纵向螺旋模式转移光纤为单包层纵向螺旋转移石英光纤，包括纤芯101、围绕着纤芯的包层102和涂覆层104；其端面示意图如图4所示，包层102内均匀排列有两层围绕纤芯纵向螺旋分布的同尺寸的第一层侧芯401和第二层侧芯402；从光纤端面看，两层侧芯401和402以正六边形均匀分布在纤芯101周围。
其中，纤芯101直径为42μm，数值孔径为0.065；侧芯401与402的芯径是10μm，数值孔径为0.13，螺旋周期为5.7mm，侧芯401与纤芯101的边边偏移量为2μm。
纤芯101折射率为1.4584，采用的材料为二氧化硅基质、镱离子以及共掺杂剂Al离子和P离子；包层102折射率为1.457，材料为纯石英；侧芯401和402折射率为1.4619，材料为二氧化硅基质和锗离子；涂覆层104折射率为1.49，采用高折射率的聚合物涂料。
经验证，实例2中的纵向螺旋模式转移光纤的基模损耗为0.1dB/m，高阶模损耗为69dB/m。
实施例3的纵向螺旋模式转移光纤为双包层纵向螺旋模式转移石英光纤包括纤芯101、围绕着纤芯的包层102、外包层103和涂覆层104；其端面示意图如图5所示，在包层102内均匀排列有两层围绕纤芯纵向螺旋分布的2种不同尺寸的第一层侧芯501和第二层侧芯502；从光纤端面看，两层侧芯501和502以正六边形均匀分布在纤芯101周围。
其中，纤芯101直径为48μm，数值孔径为0.06；侧芯501芯径为11μm，数值孔径为0.1，侧芯502的芯径为7.5μm，数值孔径为0.09，螺旋周期为7mm，侧芯501与纤芯101的边边偏移量为3μm。
纤芯101的折射率为1.4582，采用的材料为二氧化硅基质、镱离子以及共掺杂剂Al离子、P离子和Ce离子；包层102折射率为1.457，材料为纯石英；侧芯501和502材料为二氧化硅基质和锗离子，其中侧芯501折射率为1.4604，侧芯502折射率为1.4598；外包层103的折射率为1.37，采用低折射率的聚合物涂料；涂覆层104折射率为1.49，采用高折射率的聚合物涂料。
经验证，实例3中的纵向螺旋模式转移光纤的基模损耗为0.07dB/m，高阶模损耗为89dB/m。
实施例4的纵向螺旋模式转移光纤为双包层纵向螺旋模式转移石英光纤，包括纤芯101、围绕着纤芯的包层102、外包层103和涂覆层104；其端面示意图如图6所示，包层102内均匀排列有一层围绕纤芯纵向螺旋分布的2种不同尺寸的第一侧芯601和第二侧芯602，从光纤端面看，侧芯601和602以正六边形分布均匀在纤芯101周围。
其中，纤芯101直径为53μm，数值孔径为0.065；侧芯601芯径为12μm，数值孔径为0.11，侧芯602的芯径为7.9μm，数值孔径为0.1，螺旋周期为5.5mm，侧芯601和602与纤芯101的边边偏移量为4.5μm。
纤芯101折射率为1.4584，采用的材料为二氧化硅基质、镱离子以及共掺杂剂Al离子、P离子和Ce离子；包层102折射率为1.457，材料为纯石英；侧芯601和602组份为二氧化硅基质和有源离子锗离子，其中侧芯601折射率为1.4611，侧芯602折射率为1.4604；外包层103折射率为1.37，采用低折射率的聚合物涂料；涂覆层104折射率为1.49，采用高折射率的聚合物涂料。
经验证，实施例4中的纵向螺旋模式转移光纤的基模损耗为0.05dB/m，高阶模损耗为73dB/m。
实施例5的纵向螺旋模式转移光纤为双包层纵向螺旋模式转移石英光纤，所述光纤包括纤芯101、围绕着纤芯的包层102、外包层103和涂覆层104；其端面示意图如图7所示，包层102内均匀排列有一层围绕纤芯纵向螺旋分布的多种不同尺寸的第一侧芯701、第二侧芯702、第三侧芯703、第四侧芯704、第五侧芯705、第六侧芯706。
图8为实施例5光纤的纤芯与侧芯排列结构示意图，侧芯均匀排列在纤芯周围，具有相同的螺旋周期，沿纤芯纵向分布。
其中，纤芯直径为59μm，数值孔径为0.07；侧芯701～706的芯径依次是15μm、13μm、11μm、8μm、7μm、6μm，数值孔径依次为0.12、0.11、0.1、0.097、0.11、0.09，螺旋周期为7mm，侧芯701～706与纤芯101的边边偏移量依次是为2.2μm、2.5μm、2.7μm、2.9μm、3.2μm、3.5μm。
纤芯101折射率为1.465，采用的材料为二氧化硅基质、镱离子以及共掺杂剂Al离子和P离子；包层102折射率为1.457，材料为纯石英；侧芯701～706材料为二氧化硅基质和锗离子，其中侧芯701～706折射率分别为1.4619、1.4611、1.4604、1.4602、1.4611、1.4598；外包层103折射率为1.37，采用低折射率的聚合物涂料；涂覆层104折射率为1.49，采用高折射率的聚合物涂料。
经验证，实施例5中的纵向螺旋模式转移光纤的基模损耗为0.03dB/m，高阶模损耗为81dB/m。
单层多侧芯分担单一侧芯的高阶模式损耗；多层侧芯结构加快高阶模式的转移并分担单一侧芯的高阶模式损耗；不同尺寸的多条侧芯可以利用大尺寸侧芯加快高阶模式转移，小尺寸侧芯实现对高阶模式的快速滤除；不同尺寸多层侧芯结构结合了上述优点，效果更佳。综合对比以上5个实施例的验证结果，可以获知在滤除纤芯中高阶模式从而提升光纤输出光束质量上，实验效果按照“同尺寸单层侧芯＜同尺寸多层侧芯≤不同尺寸单层侧芯＜不同尺寸多层侧芯”依次增强。
由于高阶模式能量集中在纤芯的边缘区，且为均匀分布，侧芯采用均匀排列的结构，可将纤芯中的高阶模式完全转移出来；侧芯采用非均匀排列的结构，易出现以下现象：靠近侧芯的纤芯的边缘区域高阶模式被转移至侧芯，而远离侧芯的纤芯的边缘区域仍存在高阶模式，高阶模式转移不完全，在改善光束质量的效果上，不如均匀排列的结构。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纵向螺旋模式转移光纤，其特征在于，所述光纤包括纤芯、围绕着纤芯的包层、围绕着包层的涂覆层；所述包层内排列有围绕纤芯纵向螺旋分布的多条侧芯；纤芯与各条侧芯的耦合、侧芯与侧芯之间的耦合将纤芯中的高阶模式快速转移出来，侧芯的螺旋结构为转移出来的高阶模式提供高损耗，将纤芯转移至侧芯的高阶模式滤除，实现光纤单模输出。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述侧芯折射率n1与包层折射率n2满足关系 0.09 < n 1 2 - n 2 2 < 0.12 .
3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述多条侧芯的芯径尺寸不同。
4.如权利要求1或2或3所述的光纤，其特征在于，侧芯芯径的取值范围为6μm～15μm，螺旋周期取值范围为4.5mm～7mm，最内层侧芯与纤芯的边到边偏移量取值范围为1μm～4.5μm。
5.如权利要求4所述的光纤，其特征在于，所述侧芯排列方式为同尺寸的侧芯单层围绕纤芯排列；侧芯芯径为6μm～8μm，螺旋周期为4.5mm～5.3mm，侧芯与纤芯的边到边偏移量为1μm～4.5μm。
6.如权利要求4所述的光纤，其特征在于，所述侧芯排列方式为同尺寸的侧芯呈多层围绕纤芯排列；侧芯芯径为8μm～10μm，螺旋周期为5.1mm～5.9mm，最内层侧芯与纤芯的边到边偏移量为1μm～4.5μm。
7.如权利要求3或4所述的光纤，其特征在于，所述侧芯排列方式为不同尺寸的侧芯单层围绕纤芯间隔排列；大尺寸侧芯芯径为10μm～13μm，小尺寸侧芯芯径为6μm～8.3μm，螺旋周期为5.5mm～6.2mm，侧芯与纤芯的边到边偏移量为1μm～4.5μm。
8.如权利要求3或4所述的光纤，其特征在于，所述侧芯排列方式为不同尺寸的侧芯呈多层围绕纤芯间隔排列；大尺寸侧芯芯径为11μm～15μm，小尺寸侧芯芯径为6μm～7.8μm，螺旋周期为6.1mm～7mm，最内层侧芯与纤芯的边到边偏移量为1μm～4.5μm。
9.如权利要求1至8任一项所述的光纤，其特征在于，所述纤芯以二氧化硅材料为基质，包含至少一种有源离子以及共掺杂剂，所述有源离子为镧系稀土离子，所述共掺杂剂为Al离子、P离子和Ce离子中的一种或几种；所述包层材料为纯石英；所述侧芯采用折射率高于纤芯的掺锗二氧化硅材料；所述涂覆层采用聚合物涂料。
10.如权利要求1至8任一项所述的光纤，其特征在于，所述光纤的包层与涂覆层之间还有一层外包层，所述外包层折射率高于包层折射率且低于涂覆层折射率，采用聚合物涂料。
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