CN104777552B - 一种双包层有源光纤及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双包层有源光纤及其制造方法，该方法包括以下步骤：S1：制备光纤预制棒前驱体；S2：对石英包层进行石英冷加工，在石英包层上钻圆孔；S3：制备环形波导预制棒；S4：将环形波导预制棒组装至圆孔，形成有源光纤预制棒；S5：对有源光纤预制棒拉丝，形成双包层有源光纤。双包层有源光纤的石英包层为D形或者正多边形；石英包层内设置有环形波导纤芯，环形波导纤芯螺旋环绕于石英纤芯周围，每米石英纤芯上环绕有0.5～120个螺旋。本发明加工精度高，制造难度较低；制造双包层有源光纤时，能够比较容易使环形波导纤芯环绕于石英纤芯周围，保证双包层有源光纤的光学性能和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及掺稀土光纤、光纤激光传输与放大领域，具体涉及一种双包层有源光纤及其制造方法。
背景技术
光纤激光器是采用光纤作为光纤介质的激光器，光纤激光器以其高转换效率、良好散热性能和稳定性的特点，已成为激光器应用领域的主流激光器之一。
随着激光器应用领域的不断扩展，用户对光纤激光器输出功率的需求越来越高。目前，人们一般采用大模场面积光纤来提升光纤激光器的输出功率，由于模场光纤纤芯中的激光模式振荡会造成光束质量下降；因此为了优化光束质量，通常采取降低光纤纤芯的数值孔径的方式，但光纤纤芯数值孔径下降会造成光纤光束缚能力下降，不利于光纤弯曲使用，且现有工艺水平能够实现的数值孔径降低幅度有限。
随着时代的进步，人们发现在有源光纤纤芯附近设计一定的波导结构(双包层有源光纤)，在能够实现大模场面积光纤特性的同时，实现激光光纤的单模输出。
现有的双包层有源光纤通常采用圆形波导作为高阶模耦合泄漏的波导(即卫星纤芯)；由于卫星纤芯需要与有源光纤纤芯有一定间距，因此卫星纤芯在制备过程中，对有源光纤预制棒上钻孔的直径与深度有较高要求，进而使得卫星纤芯的设计灵活性收到较大的限制。与此同时，卫星纤芯的孔径会导致直径较小，进而造成光纤预制棒的加工比较困难，加工精度会下降。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种双包层有源光纤及其制造方法。本发明不仅加工精度高，加工工艺比较稳定，而且制造难度较低，工作效率较高，适合大批量、规模化生产。通过本发明的方法制造双包层有源光纤时，能够比较容易使环形波导纤芯环绕于石英纤芯周围，环形波导纤芯的位置控制难度较低，加工过程比较简单，双包层有源光纤的光学性能和可靠性均较好。
为达到以上目的，本发明提供的双包层有源光纤的制造方法，包括以下步骤：
S1：制备双包层有源光纤的预制棒芯棒，将预制棒芯棒与石英进行加工，形成光纤预制棒前驱体；所述预制棒前驱体包括石英纤芯，石英纤芯中掺杂有Yb、Tm、Ho、F、P和Ge中的至少一种元素；所述石英纤芯的数值孔径为0.05～0.15，石英纤芯的外部覆有直径为30mm～200mm的石英包层；所述石英包层的直径与石英纤芯直径的比值为10～40，转到步骤S2；
S2：对石英包层进行石英冷加工，得到D形或正多边形的石英包层；通过数控机床对石英包层进行钻孔，得到圆孔，圆孔和石英纤芯的间距，与石英纤芯半径的比为0.1～4.0，转到步骤S3；
S3：制备环形波导预制棒，环形波导预制棒包括环形波导纤芯、石英外包层和石英内包层；环形波导纤芯的折射率高于石英外包层和石英内包层；环形波导纤芯与石英外包层折射率差的百分比为0.1％～1.1％；环形波导纤芯的厚度与石英纤芯1a的直径比为0.2～1.5；对石英外包层进行加工，使得石英外包层与预制棒前驱体的圆孔的配合公差小于0.3mm，转到步骤S4；
S4：将环形波导预制棒组装至光纤预制棒前驱体的圆孔，形成有源光纤预制棒，转到步骤S5；
S5：在拉丝速度为1.5m/min～20m/min，拉丝张力为40g～150g的条件下，将有源光纤预制棒进行拉丝；在拉丝过程中，以1r/min～180r/min的速度旋转有源光纤预制棒，将环形波导预制棒螺旋环绕于石英纤芯周围，每米石英纤芯上环绕有0.5～120个螺旋；在拉丝和旋转后的有源光纤预制棒外部，依次涂覆低折射率涂层和光纤外涂敷层，形成双包层有源光纤；所述低折射率涂层的折射率低于石英包层，低折射率涂层在633nm的折射率为1.33～1.38。
在上述技术方案的基础上，步骤S1中制备双包层有源光纤的预制棒芯棒时，采用改进的化学汽相沉积法MCVD或者等离子体激活化学汽相沉积法PCVD的方法。
在上述技术方案的基础上，步骤S1中将预制棒芯棒与石英进行加工时，加工方式为沉积包层或者配合石英管材熔缩，沉积包层的方式为棒外化学汽相沉积法OVD或者等离子体气相沉积法。
在上述技术方案的基础上，步骤S2中得到圆孔之后，还需要对圆孔进行抛光。
在上述技术方案的基础上，步骤S3中制备环形波导预制棒时，采用MCVD、PCVD或者OVD的方法。
在上述技术方案的基础上，步骤S3中对石英外包层进行加工包括以下步骤：采用外圆磨的方法磨削石英外包层的厚度后，对石英外包层进行抛光。
在上述技术方案的基础上，步骤S5中所述双包层有源光纤的输出光束质量小于1.2，基模损耗小于0.5dB/m，高阶模损耗大于100dB/m。
本发明提供的基于上述制造方法的双包层有源光纤，所述双包层有源光纤包括由内至外依次设置的石英纤芯、石英包层、低折射率涂层和光纤外涂敷层；所述石英包层为D形或者正多边形；所述低折射率涂层的折射率低于石英包层，低折射率涂层在633nm的折射率为1.33～1.38；
所述石英包层内设置有环形波导纤芯，环形波导纤芯螺旋环绕于石英纤芯周围，每米石英纤芯上环绕有0.5～120个螺旋。
在上述技术方案的基础上，所述双包层有源光纤的输出光束质量小于1.2，基模损耗小于0.5dB/m，高阶模损耗大于100dB/m。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)与现有技术中侧面开槽配合环形波导光棒组合的方式相比，本发明通过现有熊猫型保偏光纤通用的数控机床与工艺，在有源光纤预制棒的石英包层上沿径向开圆孔，将具备环形波导结构的预制棒嵌入圆孔内，不仅加工精度高，加工工艺比较稳定，圆孔内引入的杂质含量较少，而且加工过程比较容易，制造成本较低；制造出的双包层有源光纤的可靠性和工艺稳定性均能够显著提高。
与此同时，由于本发明开圆孔时不破坏光纤预制棒外部的几何结构，因此不存较高精度的工件配合问题，进而使得后续对石英包层光棒进行加工时(加工为D形或者正多边形)，会显著提高加工精度和可靠性。
(2)与现有技术中的卫星纤芯相比，本发明的环形波导纤芯制备比较容易，在环形波导预制棒的过程中，只需要对环形波导预制棒的石英外包层进行加工(磨削)，不需要进行复杂的正多边形磨削，磨削的工作量与要求显著降低。因此，通过本发明的方法制造双包层有源光纤时，不仅制造难度较低，而且工作效率较高，适合大批量、规模化生产。
(3)本发明将环形波导预制棒嵌入圆孔后，环形波导预制棒的环形波导纤芯，始终与有源光纤纤芯(石英纤芯)保持固定的距离、且共面(两个圆形边缘距离不变)，进而使得环形波导预制棒在拉丝时，环形波导纤芯能够按照需求准确的环绕于石英纤芯周围。
进一步，因为环形波导预制棒靠近石英纤芯，所以环形波导纤芯与石英纤芯之间的距离较短，便于拉丝。因此，通过本发明的方法制造双包层有源光纤时，能够比较容易使环形波导纤芯环绕于石英纤芯周围，环形波导纤芯的位置控制难度较低，不仅加工过程比较简单，而且加工精度较高。
(4)通过本发明的制造方法制得的双包层有源光纤，包括环形波导纤芯，由于环形波导的面积明显大于现有技术中的圆形波导，因此双包层有源光纤的耦合效率会显著提高；双包层有源光纤的输出光束质量小于1.2，基模损耗小于0.5dB/m，高阶模损耗大于100dB/m；双包层有源光纤的光学性能和可靠性均较好。
附图说明
图1为本发明实施例中双包层有源光纤的制造方法的流程图；
图2为本发明实施例中光纤预制棒前驱体的结构示意图；
图3为本发明实施例中环形波导预制棒的结构示意图；
图4为本发明实施例中有源光纤预制棒的结构示意图；
图5为本发明实施例中双包层有源光纤端面的示意图；
图6为本发明实施例中双包层有源光纤的结构示意图。
图中：1-光纤预制棒前驱体，1a-石英纤芯，1b-石英包层，1c-圆孔，2-环形波导预制棒，2a-石英外包层，2b-环形波导纤芯，2c-石英内包层，3-有源光纤预制棒，4-光纤外涂敷层，5-低折射率涂层，6-双包层有源光纤。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例中的双包层有源光纤的制造方法，包括以下步骤：
S1：制备双包层有源光纤的预制棒芯棒，将预制棒芯棒与石英进行加工，形成光纤预制棒前驱体1。参见图2所示，预制棒前驱体包括石英纤芯1a，石英纤芯1a中掺杂有Yb(镱)、Tm(铥)、Ho(钬)、F(氟)、P(磷)和Ge(锗)中的至少一种元素。石英纤芯1a的数值孔径为0.05～0.15；石英纤芯1a的外部覆有直径为30mm～200mm的石英包层1b，石英包层1b的直径与石英纤芯1a直径的比值为10～40，转到步骤S2。
步骤S1中制备双包层有源光纤的预制棒芯棒时，采用MCVD(Modified ChemicalVapour DepositiON，改进的化学汽相沉积法)或者PCVD(Plasma activated ChemicalVapour Deposition，等离子体激活化学汽相沉积法)的方法。
步骤S1中将预制棒芯棒与石英进行加工时，加工方式为沉积包层或者配合石英管材熔缩，沉积包层的方式优选为OVD(Outside Chemical Vapour Deposition，棒外化学汽相沉积法)或者等离子体气相沉积法。
S2：采用数控磨床对石英包层1b进行石英冷加工，得到D形或正多边形的石英包层1b；通过数控机床沿石英包层1b的径向进行钻孔，得到圆孔1c，圆孔1c和石英纤芯1a的间距，与石英纤芯1a半径的比为0.1～4.0；转到步骤S3。
步骤S2中得到圆孔1c之后，还需要对圆孔1c进行抛光。
S3：制备环形波导预制棒2，参见图3所示，环形波导预制棒2包括环形波导纤芯2b、石英外包层2a和石英内包层2c；环形波导纤芯2b的折射率高于石英外包层2a和石英内包层2c。环形波导纤芯2b与石英外包层2a折射率差的百分比为0.1％～1.1％；环形波导纤芯2b的厚度与石英纤芯1a的直径比为0.2～1.5。对石英外包层2a进行加工，使得石英外包层2a与预制棒前驱体的圆孔1c的配合公差小于0.3mm，转到步骤S4。
步骤S3中制备环形波导预制棒2时，采用MCVD、PCVD或者OVD的方法。
步骤S3中对石英外包层2a进行加工包括以下步骤：采用外圆磨的方法磨削石英外包层2a的厚度后，对石英外包层2a进行抛光。
S4：参见图4所示，将环形波导预制棒2组装至光纤预制棒前驱体1的圆孔1c，形成有源光纤预制棒3，转到步骤S5。
S5：在拉丝速度为1.5m/min～20m/min，拉丝张力为40g～150g的条件下，将有源光纤预制棒3进行拉丝；参见图5和图6所示，在拉丝过程中，以1r/min～180r/min的速度旋转有源光纤预制棒3，将环形波导预制棒2螺旋环绕于石英纤芯1a周围，每米石英纤芯1a上环绕有0.5～120个螺旋。在拉丝和旋转后的有源光纤预制棒3外部，依次涂覆低折射率涂层5和光纤外涂敷层4，形成双包层有源光纤6。低折射率涂层5的折射率低于石英包层1b，低折射率涂层5在633nm的折射率为1.33～1.38。
参见图5和图6所示，本实施例中基于上述制造方法的双包层有源光纤6，包括由内至外依次设置的石英纤芯1a、石英包层1b、低折射率涂层5和光纤外涂敷层4，石英包层1b为D形或者正多边形，低折射率涂层5的折射率低于石英包层1b，低折射率涂层5在633nm的折射率为1.33～1.38。石英包层1b内设置有环形波导纤芯2b，环形波导纤芯2b螺旋环绕于石英纤芯1a周围，每米石英纤芯1a上环绕有0.5～120个螺旋。
双包层有源光纤6的输出光束质量小于1.2，基模损耗小于0.5dB/m，高阶模损耗大于100dB/m。
下面通过5个实施例具体说明本发明的双包层有源光纤及其制造方法。
实施例1：制造光束质量为1.01的双包层有源光纤。
步骤101：采用MCVD的方法制备出有源光纤预制棒3芯棒，光纤预制棒芯棒经过OVD工艺沉积包层后形成光纤预制棒前驱体1，光纤预制棒前驱体1包括掺杂有Yb、P的石英纤芯1a，石英纤芯1a的数值孔径为0.05。石英纤芯1a的外部覆有直径为52mm的石英包层1b，石英包层1b的直径与石英纤芯1a直径的比值为10.0，转到步骤102。
步骤102：采用数控磨床对石英包层1b进行石英冷加工，将石英包层1b磨削成D形，D形石英包层1b的直边与石英纤芯1a的最短距离为14.2mm。通过数控机床对石英包层1b进行钻孔，得到孔径为17mm的圆孔1c，圆孔1c和石英纤芯1a的间距为2.6mm，圆孔1c和石英纤芯1a的间距与石英纤芯1a半径的比为1.0，转到步骤103。
步骤103：采用PCVD的方法制备环形波导预制棒2，环形波导预制棒2包括环形波导纤芯2b、石英外包层2a和石英内包层2c；环形波导纤芯2b与石英外包层2a折射率差的百分比为0.1％，厚度为5.2mm；环形波导纤芯2b的厚度与石英纤芯1a的直径比为1.0。石英外包层2a的外径为16.05mm，采用数控外圆磨机床对石英外包层2a进行磨削并抛光至外径为16.55mm，石英外包层2a与预制棒前驱体的圆孔1c的配合公差为0.23mm，转到步骤104。
步骤104：将环形波导预制棒2组装至光纤预制棒前驱体1的圆孔1c，形成有源光纤预制棒3，转到步骤105。
步骤105：在拉丝速度为20m/min，拉丝张力为150g的条件下，将有源光纤预制棒3进行拉丝；在拉丝过程中，以10r/min的速度旋转有源光纤预制棒3，将环形波导预制棒2螺旋环绕于石英纤芯1a周围，每米石英光纤周围有0.5个螺旋。在拉丝和旋转后的有源光纤预制棒3外部，依次涂覆折射率低于石英包层1b的低折射率涂层5(低折射率涂层5在633nm的折射率为1.33)、以及弹性模量较高的光纤外涂敷层4，形成双包层有源光纤6。
经验证得出，实施例1制备得到的双包层有源光纤6的光纤外涂敷层4的直径为248μm，石英包层1b的直径为130μm，工作中心波长为1081.02nm，石英包层1b和低折射率涂层5的数值孔径为0.52，光束质量为1.01，包层吸收系数为1.77dB/m，基模损耗为0.11dB/m，高阶模损耗为136dB/m。
实施例2：制造光束质量为1.03的双包层有源光纤6。
步骤201：采用MCVD的方法制备出有源光纤预制棒3芯棒，光纤预制棒芯棒经过等离子体气相沉积法沉积包层后形成光纤预制棒前驱体1，光纤预制棒前驱体1包括掺杂有Yb、P、F和Ge的石英纤芯1a，石英纤芯1a的数值孔径为0.15。石英纤芯1a的外部覆有直径为52mm的石英包层1b，石英包层1b的直径与石英纤芯1a直径的比值为40.0，转到步骤202。
步骤202：采用数控磨床对石英包层1b进行石英冷加工，将石英包层1b磨削成D形，D形石英包层1b的直边与石英纤芯1a的最短距离为14.6mm。通过数控机床对石英包层1b进行钻孔，得到孔径为20mm的圆孔1c，圆孔1c和石英纤芯1a的间距为2.6mm，圆孔1c和石英纤芯1a的间距与石英纤芯1a半径的比为4.0，转到步骤203。
步骤203：采用MCVD的方法制备环形波导预制棒2，环形波导预制棒2包括环形波导纤芯2b、石英外包层2a和石英内包层2c；环形波导纤芯2b与石英外包层2a折射率差的百分比为0.56％，厚度为1.95mm；环形波导纤芯2b的厚度与石英纤芯1a的直径比为1.5。石英外包层2a的外径为17.10mm，采用数控外圆磨机床对石英外包层2a进行磨削并抛光至外径为19.80mm，石英外包层2a与预制棒前驱体的圆孔1c的配合公差为0.1mm，转到步骤204。
步骤204：将环形波导预制棒2组装至光纤预制棒前驱体1的圆孔1c，形成有源光纤预制棒3，转到步骤205。
步骤205：在拉丝速度为1.5m/min，拉丝张力为150g的条件下，将有源光纤预制棒3进行拉丝；在拉丝过程中，以1.0r/min的速度旋转有源光纤预制棒3，将环形波导预制棒2螺旋环绕于石英纤芯1a周围，每米石英光纤周围有0.67个螺旋。在拉丝和旋转后的有源光纤预制棒3外部，依次涂覆折射率低于石英包层1b的低折射率涂层5(低折射率涂层5在633nm的折射率为1.36)、以及弹性模量较高的光纤外涂敷层4，形成双包层有源光纤6。
经验证得出，实施例2制备得到的双包层有源光纤6的光纤外涂敷层4的直径为563μm，石英包层1b的直径为402μm，工作中心波长为1081.60nm，石英包层1b和低折射率涂层5的数值孔径为0.46，光束质量为1.03，包层吸收系数为2.42dB/m，基模损耗为0.31dB/m，高阶模损耗为145dB/m。
实施例3：制造光束质量为1.01的双包层有源光纤6。
步骤301：采用PCVD的方法制备出有源光纤预制棒3芯棒，光纤预制棒芯棒经过套管熔缩工艺沉积包层后形成光纤预制棒前驱体1，光纤预制棒前驱体1包括掺杂有Yb、P和Ge的石英纤芯1a，石英纤芯1a的数值孔径为0.13。石英纤芯1a的外部覆有直径为200mm的石英包层1b，石英包层1b的直径与石英纤芯1a直径的比值为20.0，转到步骤302。
步骤302：采用数控磨床对石英包层1b进行石英冷加工，将石英包层1b磨削成八边形，八边形石英包层1b的内接圆直径为200mm。通过数控机床对石英包层1b进行钻孔，得到孔径为22.5mm的圆孔1c，圆孔1c和石英纤芯1a的间距为0.5mm，圆孔1c和石英纤芯1a的间距与石英纤芯1a半径的比为0.1，转到步骤303。
步骤303：采用OVD的方法制备环形波导预制棒2，环形波导预制棒2包括环形波导纤芯2b、石英外包层2a和石英内包层2c；环形波导纤芯2b与石英外包层2a折射率差的百分比为1.10％，厚度为2.0mm；环形波导纤芯2b的厚度与石英纤芯1a的直径比为0.2。石英外包层2a的外径为21.0mm，采用数控外圆磨机床对石英外包层2a进行磨削并抛光至外径为22.10mm，石英外包层2a与预制棒前驱体的圆孔1c的配合公差为0.2mm，转到步骤304。
步骤304：将环形波导预制棒2组装至光纤预制棒前驱体1的圆孔1c，形成有源光纤预制棒3，转到步骤305。
步骤305：在拉丝速度为18m/min，拉丝张力为40g的条件下，将有源光纤预制棒3进行拉丝；在拉丝过程中，以180r/min的速度旋转有源光纤预制棒3，将环形波导预制棒2螺旋环绕于石英纤芯1a周围，每米石英光纤周围有10个螺旋。在拉丝和旋转后的有源光纤预制棒3外部，依次涂覆折射率低于石英包层1b的低折射率涂层5(低折射率涂层5在633nm的折射率为1.36)、以及弹性模量较高的光纤外涂敷层4，形成双包层有源光纤6。
经验证得出，实施例3制备得到的双包层有源光纤6的光纤外涂敷层4的直径为561μm，石英包层1b的直径为405μm，工作中心波长为1081.40nm，石英包层1b和低折射率涂层5的数值孔径为0.46，光束质量为1.01，包层吸收系数为2.85dB/m，基模损耗为0.28dB/m，高阶模损耗为125dB/m。
实施例4：制造光束质量为1.05的双包层有源光纤6。
步骤401：采用MCVD的方法制备出有源光纤预制棒3芯棒，光纤预制棒芯棒经过套管熔缩工艺沉积包层后形成光纤预制棒前驱体1，光纤预制棒前驱体1包括掺杂有Tm和P的石英纤芯1a，石英纤芯1a的数值孔径为0.12。石英纤芯1a的外部覆有直径为35mm的石英包层1b，石英包层1b的直径与石英纤芯1a直径的比值为16.0，转到步骤402。
步骤402：采用数控磨床对石英包层1b进行石英冷加工，将石英包层1b磨削成八边形，八边形石英包层1b的内接圆直径为30mm。通过数控机床对石英包层1b进行钻孔，得到孔径为10.0mm的圆孔1c，圆孔1c和石英纤芯1a的间距为2.34mm，圆孔1c和石英纤芯1a的间距与石英纤芯1a半径的比为2.5，转到步骤403。
步骤403：采用MCVD的方法制备环形波导预制棒2，环形波导预制棒2包括环形波导纤芯2b、石英外包层2a和石英内包层2c；环形波导纤芯2b与石英外包层2a折射率差的百分比为0.35％，厚度为1.88mm；环形波导纤芯2b的厚度与石英纤芯1a的直径比为1.0。石英外包层2a的外径为8.5mm，采用数控外圆磨机床对石英外包层2a进行磨削并抛光至外径为9.6mm，石英外包层2a与预制棒前驱体的圆孔1c的配合公差为0.18mm，转到步骤404。
步骤404：将环形波导预制棒2组装至光纤预制棒前驱体1的圆孔1c，形成有源光纤预制棒3，转到步骤405。
步骤405：在拉丝速度为1.5m/min，拉丝张力为100g的条件下，将有源光纤预制棒3进行拉丝；在拉丝过程中，以180r/min的速度旋转有源光纤预制棒3，将环形波导预制棒2螺旋环绕于石英纤芯1a周围，每米石英光纤周围有120个螺旋。在拉丝和旋转后的有源光纤预制棒3外部，依次涂覆折射率低于石英包层1b的低折射率涂层5(低折射率涂层5在633nm的折射率为1.36)、以及弹性模量较高的光纤外涂敷层4，形成双包层有源光纤6。
经验证得出，实施例4制备得到的双包层有源光纤6的光纤外涂敷层4的直径为560μm，石英包层1b的直径为404μm，工作中心波长为1936.80nm，石英包层1b和低折射率涂层5的数值孔径为0.46，光束质量为1.05，包层吸收系数为2.6dB/m，基模损耗为0.30dB/m，高阶模损耗为100dB/m。
实施例5：制造光束质量为1.03的双包层有源光纤6。
步骤501：采用MCVD的方法制备出有源光纤预制棒3芯棒，光纤预制棒芯棒经过套管熔缩工艺沉积包层后形成光纤预制棒前驱体1，光纤预制棒前驱体1包括掺杂有Ho的石英纤芯1a，石英纤芯1a的数值孔径为0.09。石英纤芯1a的外部覆有直径为30mm的石英包层1b，石英包层1b的直径与石英纤芯1a直径的比值为10.0，转到步骤502。
步骤502：采用数控磨床对石英包层1b进行石英冷加工，将石英包层1b磨削成八边形，八边形石英包层1b的内接圆直径为30mm。通过数控机床对石英包层1b进行钻孔，得到孔径为9.20mm的圆孔1c，圆孔1c和石英纤芯1a的间距为0.30mm，圆孔1c和石英纤芯1a的间距与石英纤芯1a半径的比为0.2，转到步骤503。
步骤503：采用MCVD的方法制备环形波导预制棒2，环形波导预制棒2包括环形波导纤芯2b、石英外包层2a和石英内包层2c；环形波导纤芯2b与石英外包层2a折射率差的百分比为1.10％，厚度为3.00mm；环形波导纤芯2b的厚度与石英纤芯1a的直径比为1.0。石英外包层2a的外径为8.5mm，采用数控外圆磨机床对石英外包层2a进行磨削并抛光至外径为9.0mm，石英外包层2a与预制棒前驱体的圆孔1c的配合公差为0.12mm，转到步骤504。
步骤504：将环形波导预制棒2组装至光纤预制棒前驱体1的圆孔1c，形成有源光纤预制棒3，转到步骤505。
步骤505：在拉丝速度为1.5m/min，拉丝张力为120g的条件下，将有源光纤预制棒3进行拉丝；在拉丝过程中，以60r/min的速度旋转有源光纤预制棒3，将环形波导预制棒2螺旋环绕于石英纤芯1a周围，每米石英光纤周围有40个螺旋。在拉丝和旋转后的有源光纤预制棒3外部，依次涂覆折射率低于石英包层1b的低折射率涂层5(低折射率涂层5在633nm的折射率为1.38)、以及弹性模量较高的光纤外涂敷层4，形成双包层有源光纤6。
经验证得出，实施例5制备得到的双包层有源光纤6的光纤外涂敷层4的直径为565μm，石英包层1b的直径为402μm，工作中心波长为2142.20nm，石英包层1b和低折射率涂层5的数值孔径为0.46，光束质量为1.03，包层吸收系数为2.6dB/m，基模损耗为0.14dB/m，高阶模损耗为140dB/m。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种双包层有源光纤的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制备双包层有源光纤的预制棒芯棒，将预制棒芯棒与石英进行加工，形成光纤预制棒前驱体(1)；所述预制棒前驱体包括石英纤芯(1a)，石英纤芯(1a)中掺杂有Yb、Tm、Ho、F、P和Ge中的至少一种元素；所述石英纤芯(1a)的数值孔径为0.05～0.15，石英纤芯(1a)的外部覆有直径为30mm～200mm的石英包层(1b)；所述石英包层(1b)的直径与石英纤芯(1a)直径的比值为10～40，转到步骤S2；
S2：对石英包层(1b)进行石英冷加工，得到D形或正多边形的石英包层(1b)；通过数控机床对石英包层(1b)进行钻孔，得到圆孔(1c)，圆孔(1c)和石英纤芯(1a)的间距，与石英纤芯(1a)半径的比为0.1～4.0，转到步骤S3；
S3：制备环形波导预制棒(2)，环形波导预制棒(2)包括环形波导纤芯(2b)、石英外包层(2a)和石英内包层(2c)；环形波导纤芯(2b)的折射率高于石英外包层(2a)和石英内包层(2c)；环形波导纤芯(2b)与石英外包层(2a)折射率差的百分比为0.1％～1.1％；环形波导纤芯(2b)的厚度与石英纤芯(1a)的直径比为0.2～1.5；对石英外包层(2a)进行加工，使得石英外包层(2a)与预制棒前驱体的圆孔(1c)的配合公差小于0.3mm，转到步骤S4；
S4：将环形波导预制棒(2)组装至光纤预制棒前驱体(1)的圆孔(1c)，形成有源光纤预制棒(3)，转到步骤S5；
S5：在拉丝速度为1.5m/min～20m/min，拉丝张力为40g～150g的条件下，将有源光纤预制棒(3)进行拉丝；在拉丝过程中，以1r/min～180r/min的速度旋转有源光纤预制棒(3)，将环形波导预制棒(2)螺旋环绕于石英纤芯(1a)周围，每米石英纤芯(1a)上环绕有0.5～120个螺旋；在拉丝和旋转后的有源光纤预制棒(3)外部，依次涂覆低折射率涂层(5)和光纤外涂敷层(4)，形成双包层有源光纤(6)；所述低折射率涂层(5)的折射率低于石英包层(1b)，低折射率涂层(5)在633nm的折射率为1.33～1.38。
2.如权利要求1所述的双包层有源光纤的制造方法，其特征在于：步骤S1中制备双包层有源光纤的预制棒芯棒时，采用改进的化学汽相沉积法MCVD或者等离子体激活化学汽相沉积法PCVD的方法。
3.如权利要求1所述的双包层有源光纤的制造方法，其特征在于：步骤S1中将预制棒芯棒与石英进行加工时，加工方式为沉积包层或者配合石英管材熔缩，沉积包层的方式为棒外化学汽相沉积法OVD或者等离子体气相沉积法。
4.如权利要求1所述的双包层有源光纤的制造方法，其特征在于：步骤S2中得到圆孔(1c)之后，还需要对圆孔(1c)进行抛光。
5.如权利要求1所述的双包层有源光纤的制造方法，其特征在于：步骤S3中制备环形波导预制棒(2)时，采用MCVD、PCVD或者OVD的方法。
6.如权利要求1所述的双包层有源光纤的制造方法，其特征在于：步骤S3中对石英外包层(2a)进行加工包括以下步骤：采用外圆磨的方法磨削石英外包层(2a)的厚度后，对石英外包层(2a)进行抛光。
7.如权利要求1至6任一项所述的双包层有源光纤的制造方法，其特征在于：步骤S5中所述双包层有源光纤(6)的输出光束质量小于1.2，基模损耗小于0.5dB/m，高阶模损耗大于100dB/m。
8.一种基于权利要求1所述制造方法的双包层有源光纤，其特征在于：所述双包层有源光纤(6)包括由内至外依次设置的石英纤芯(1a)、石英包层(1b)、低折射率涂层(5)和光纤外涂敷层(4)；所述石英包层(1b)为D形或者正多边形；所述低折射率涂层(5)的折射率低于石英包层(1b)，低折射率涂层(5)在633nm的折射率为1.33～1.38；
所述石英包层(1b)内设置有环形波导纤芯(2b)，环形波导纤芯(2b)螺旋环绕于石英纤芯(1a)周围，每米石英纤芯(1a)上环绕有0.5～120个螺旋。
9.如权利要求8所述的双包层有源光纤，其特征在于：所述双包层有源光纤(6)的输出光束质量小于1.2，基模损耗小于0.5dB/m，高阶模损耗大于100dB/m。
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