CN105607183A - 一种抗弯曲瓣状大模场单模光纤 - Google Patents
一种抗弯曲瓣状大模场单模光纤 Download PDFInfo
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Abstract
一种抗弯曲瓣状大模场单模光纤,属于大功率光纤放大器、激光器、特种光纤。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1),由内到外分布围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布的N个相同半径、弧度和厚度的瓣状纤芯(2,1)……(2,N),内包层(3),外包层(4),3≤N≤8整数;掺稀土离子芯区(1)的折射率剖面呈抛物线形,最大相对折射率差Δ=(n1-n2),瓣状纤芯(2,1)……(2,N)的折射率相等,为n1;内包层(3)的折射率小于瓣状纤芯(2,1)……(2,N)的折射率,为n2;外包层(4)的折射率小于内包层(3)的折射率。本发明不仅解决了瓣状光纤弯曲带来的不利影响,提高了光纤的抗弯曲性能,而且实现大有效模场面积单模特性。本发明制作方法简便有效,适用于大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗弯曲瓣状大模场单模光纤,属于大功率光纤放大器、激光器、特种光纤领域。
背景技术
掺稀土光纤放大器或激光器采用掺稀土元素(Nd,Sm,Ho,Er,Pr,Tm,Yb等)离子光纤,利用受激辐射机制实现光的直接放大。
光纤激光器以其卓越的性能和低廉的价格,在光纤通信、工业加工、医疗、军事等领域取得了日益广泛的应用。随着激光技术应用的发展,材料加工、空间通信、激光雷达、光电对抗、激光武器等的发展,需要高功率、高质量的激光,要求单模输出功率达到MW甚至GW量级。而仅仅采用单模有源纤芯的双包层掺稀土光纤激光器,由于单模有源纤芯芯径小于等于10微米,受到非线性、结构元素和衍射极限的限制,承受的光功率有限,单模有源光纤纤芯连续波损坏阈值约1W/m2[J.Nilsson,J.K.Sahu,Y.Jeong,W.A.Clarkson,R.Selvas,A.B.Grudinin,andS.U.Alam,”HighPowerFiberLasers:NewDevelopments”,ProceedingsofSPIEVol.4974,50-59(2003)],其光学损坏危险成为实现大功率单模光纤激光器的一大挑战.除了光学损坏外,由于大功率光产生的热也会损坏光纤,甚至会最终融化纤芯。有文献报道,铒镱共掺光纤激光器每米可产生100W热。
多芯光纤激光器实现单模输出,已经得到实现证实。文献中采用的多芯光纤有效模场面积达到465μm2[Vogel,MoritxM,Abdou-Ahmed,Marwan,Voss,Andreas,Graf,Thomas,”Verylargemodeareasingle-modemulticorefiber”,Opt.Lett.34(18),2876-2878(2009)]。然而这种单模激光器采用的多芯光纤,对光纤纤芯的芯径以及相邻纤芯之间的距离需要精确的设计,对光纤纤芯之间的距离的容许误差小,批量生产成品率低。
多沟槽光纤是一种新型光纤,通过多环形芯环绕,实现单模工作[D.Jain,C.Baskiotis,J.K.Sahu,”Modeareascalingwithmulti-trenchrod-typefibers,Opticsexpress”,2013]。这种光纤,工艺要求高,与普通光纤连接损耗大,弯曲引起的双折射是克服不了的难题。
瓣状光纤是一种新型光纤,选取特定的光纤参数,能够实现单模工作[A.Yeung,K.S.Chiang,V.Rastogi,P.L.Chu,andG.D.Peng,”Experimentaldemonstrationofsingle-modeoperationoflarge-coresegmentedcladdingfiber,”inOpticalFiberCommunicationConference,TechnicalDigest(CD)(OpticalSocietyofAmerica,2004),paperThI4.]。这种光纤,其特定的结构是增加基模以外的损耗,实现了在芯层直径在50微米的光纤中实现单模工作,然而其弯曲带来的不利影响无法消除。
发明内容
为克服现有大模场单模多芯光纤批量生产成品率低、单芯多掺稀土离子区双包层光纤承受光功率有限、多沟槽光纤弯曲敏感以及分块包层光纤芯层抗弯曲性差等缺陷,提出了一种抗弯曲瓣状大模场单模光纤。
本发明的技术方案:
抗弯曲瓣状大模场单模光纤,该光纤中心为掺稀土离子芯区,由内到外分布围绕掺稀土离子芯区均匀分布的N个相同半径、弧度和厚度的瓣状纤芯,内包层,外包层,3≤N≤8整数;
掺稀土离子芯区的折射率剖面呈抛物线形,最大相对折射率差Δ=(n1-n2),瓣状纤芯的折射率相等,为n1;内包层的折射率小于瓣状纤芯的折射率,为n2;外包层的折射率小于内包层的折射率。
掺稀土离子芯区、瓣状纤芯的掺稀土离子类型包括钕离子、铒离子、镱离子、钍离子、镨离子、钬离子、钐离子、钕镱共掺离子或铒镱共掺离子;掺稀土离子芯区、瓣状纤芯的掺稀土离子类型相同。。
掺稀土离子芯区的纤芯半径R1为23~27μm;瓣状纤芯的厚度d为70~80μm。
瓣状纤芯围绕掺稀土离子芯区均匀分布,各块瓣状纤芯弧度等于15°~25°。
本发明的有益效果具体如下:设计了一种抗弯曲瓣状大模场单模光纤,解决了瓣状光纤因弯曲造成的模式畸变和单模特性恶化问题,能在改善瓣状光纤弯曲特性的情况下实现大功率的激光输出,通过调整光纤中心掺稀土离子芯区的直径和最大相对折射率差、以及掺稀土瓣状纤芯的厚度和瓣数,实现光纤大的有效模场面积,能实现大功率单模激光输出。由于瓣状光纤的角度可调节,从而有利于实现纤芯热扩散,有效地提高了光纤的抗热能力和单模特性。
附图说明
图1是本发明光纤一个实施例的折射率剖面示意图和对应的光纤(4瓣)截面示意图
图2为本发明光纤另一个实施例的折射率剖面示意图和对应的光纤(6瓣)截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例一,抗弯曲4瓣大模场单模光纤,参见图1。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1),围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布4个相同半径、弧度和厚度的瓣状纤芯(2,1)、(2,2)、(2,3)、(2,4),内包层(3),外包层(4),本实例中N=4;
掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(2,1)、(2,2)、(2,3)、(2,4)的掺稀土离子类型均为铒离子。
掺稀土离子芯区(1)的中心、瓣状纤芯(2,1)、(2,2)、(2,3)、(2,4)的折射率相等。
掺稀土离子芯区(1)最大相对折射率差Δ=(n1-n2)=0.005,内包层(3)的折射率小于瓣状纤芯(2,1)的折射率,外包层(4)的折射率小于内包层(3)的折射率。
掺稀土离子芯区(1)的直径为50μm,瓣状纤芯的厚度为75μm,角度为22.5°。
实施例二,抗弯曲6瓣大模场单模光纤,参见图2。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1),围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布6个相同半径、弧度和厚度的瓣状纤芯(2,1)、(2,2)、(2,3)、(2,4)、(2,5)、(2,6),内包层(3),外包层(4),本实例中N=6。
掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(2,1)、(2,2)、(2,3)、(2,4)、(2,5)、(2,6)的掺稀土离子类型均为铒离子。
掺稀土离子芯区(1)的中心、瓣状纤芯(2,1)、(2,2)、(2,3)、(2,4)、(2,5)、(2,6)的折射率相等。
掺稀土离子芯区(1)最大相对折射率差Δ=(n1-n2)=0.01,内包层(3)的折射率小于瓣状纤芯(2,1)的折射率,外包层(4)的折射率小于内包层(3)的折射率。
掺稀土离子芯区(1)的直径为50μm,瓣状纤芯的厚度为75μm,角度为22.5°。
Claims (4)
1.抗弯曲瓣状大模场单模光纤,其特征为:该光纤中心为掺稀土离子芯区(1),由内到外分布围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布的N个相同半径、弧度和厚度的瓣状纤芯(2,1)……(2,N),内包层(3),外包层(4),3≤N≤8整数;
掺稀土离子芯区(1)的折射率剖面呈抛物线形,最大相对折射率差Δ=(n1-n2),为0.3~1.1%;稀土离子芯区(1)的中心、瓣状纤芯(2,1)……(2,N)的折射率相等,为n1;内包层(3)的折射率小于瓣状纤芯(2,1)……(2,N)的折射率,为n2;外包层(4)的折射率小于内包层(3)的折射率。
2.根据权利要求1所述的抗弯曲瓣状大模场单模光纤,其特征为:掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(2,1)……(2,N)的掺稀土离子类型包括钕离子、铒离子、镱离子、钍离子、镨离子、钬离子、钐离子、钕镱共掺离子或铒镱共掺离子;掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(2,1)……(2,N)的掺稀土离子类型相同。
3.根据权利要求1所述的抗弯曲瓣状大模场单模光纤,其特征为:掺稀土离子芯区(1)的纤芯半径R1为23~27μm;瓣状纤芯(2,1)……(2,N)的厚度d为70~80μm。
4.根据权利要求1所述的抗弯曲瓣状大模场单模光纤,其特征为:瓣状纤芯(2,1)、(2,2)……(2,N)围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布,各块瓣状纤芯弧度等于15°~25°。
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