CN109143457B - 一种大模场全固态光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大模场全固态光纤，包括有源纤芯和包层，所述有源纤芯位于光纤的中心，所述包层中排列若干个微结构单元，这些微结构单元以有源纤芯为对称中心进行排列，每一微结构单元包括从内至外分布的多层折射层，这些折射层的折射率呈高低交替变化。本发明还提供一种大模场全固态光纤的制备方法。本发明的微结构单元的折射率环形结构类似于双层布拉格反射镜，可将基模限制在有源纤芯区传导，通过调节微结构单元的个数、周期、尺寸和折射率，能增加高阶模式的泄露损耗，实现大模场面积单模光纤的设计；本发明增加了包层中微结构单元设计的维度，增加了对有源纤芯传导模式的可控性，这种新设计方案更有助于实现大模场有源光纤的批量可控制备。

Description

一种大模场全固态光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤技术和激光技术领域，尤其涉及一种大模场全固态光纤及其制备方法。

背景技术

大模场有源光纤是实现高能量超快脉冲或连续激光放大的核心元器件。大模场有源光纤能有效降低脉冲放大过程中产生的各种非线性效应，有效提升放大过程中单脉冲的能量和峰值功率。目前研究人员采用光子晶体光纤技术实现大模场光纤设计。在光子晶体光纤技术中，又有两大类技术途径实现大模场光纤设计，一种是在包层中采用低折射率的微小气孔阵列/或掺氟玻璃点阵阵列，来限制光在纤芯内传导，通过降低包层中微气孔/或掺氟玻璃棒的占空比，来实现大模场设计；另一种是在包层中采用高折射率的掺锗玻璃棒，利用光子带隙效应，来制备全固态大模场光纤。然而这两种技术制备的大模场光纤高阶模损耗难以提高，纤芯传导不可控。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种大模场全固态光纤，该大模场全固态光纤能够增加高阶模式的泄露损耗，实现大模场面积单模光纤的设计；本发明还提供了制造工艺简单的大模场全固态光纤的制备方法。

本发明提供一种大模场全固态光纤，包括有源纤芯和包层，所述有源纤芯位于光纤的中心，所述包层中排列若干个微结构单元，这些微结构单元以有源纤芯为对称中心进行排列，每一微结构单元包括从内至外分布的多层折射层，这些折射层的折射率呈高低交替变化。

进一步地，所述微结构单元由内至外依次包括低折射率玻璃芯子和高折射率玻璃环，所述低折射率玻璃芯子位于微结构单元的中心，所述高折射率玻璃环围绕低折射率玻璃芯子。

进一步地，所述微结构单元还包括低折射率玻璃环，所述低折射率玻璃环围绕高折射率玻璃环。

进一步地，所述高折射率玻璃环和低折射率玻璃环围绕在低折射率玻璃芯子外侧交替环向分布。

进一步地，所述低折射率玻璃芯子由掺氟玻璃或无掺杂玻璃制备，所述低折射率玻璃芯子的折射率小于与其相邻的高折射率玻璃环的折射率。

进一步地，所述高折射率玻璃环由掺锗玻璃或纯石英玻璃制备，每一个高折射率玻璃环的折射率均大于与其相邻的低折射率玻璃环的折射率。

进一步地，所述低折射率玻璃环由掺氟玻璃或无掺杂玻璃制备，每一个低折射率玻璃环的折射率均小于与其相邻的高折射率玻璃环的折射率。

进一步地，所述微结构单元以有源纤芯为对称中心等间距排列，所述微结构单元之间的连线组成正多边形，所述有源纤芯位于正多边形的中心，所述微结构单元能为单层或多层排列。

进一步地，所述包层围绕有源纤芯，所述有源纤芯的折射率大于、小于或等于包层的有效折射率，所述有源纤芯掺杂稀土离子，所述稀土离子为钕离子、镱离子、铒离子、铥离子、钬离子、镝离子、镨离子中的任一种。

本发明还提供一种上述大模场全固态光纤的制备方法，包括以下步骤：

S1，利用化学气相沉积法制备微结构单元的预制棒和掺杂稀土离子的预制棒；

S2，将微结构单元的预制棒进行打磨或腐蚀处理；

S3，在光纤拉丝塔上将微结构单元的预制棒和掺杂稀土离子的预制棒进行拉丝；

S4，利用堆叠法将拉丝后的微结构单元的预制棒和掺杂稀土离子的预制棒进行堆积，再在光纤拉丝塔上拉制成大模场全固态光纤。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：与现有技术相比，本发明便于实现全固体的大模场光纤，本发明通过采用全新的包层设计方案，在微结构单元中引入高低折射率变化，本发明的微结构单元的折射率环形结构类似于双层布拉格反射镜，可将基模限制在有源纤芯区传导，通过调节微结构单元的个数、周期、尺寸和折射率，能增加高阶模式的泄露损耗，实现大模场面积单模光纤的设计；本发明增加了包层中微结构单元设计的维度，增加了对有源纤芯传导模式的可控性，这种新设计方案更有助于实现大模场有源光纤的批量可控制备，并进一步扩大该类型光纤的应用范围。

附图说明

图1是本发明一种大模场全固态光纤的结构示意图。

图2是本发明实施例1的微结构单元的结构示意图。

图3是本发明实施例2的微结构单元的结构示意图。

图4是本发明实施例3的微结构单元的结构示意图。

图5是本发明微结构单元按照正七边形排列的结构示意图。

图6是本发明微结构单元按照正六边形排列的结构示意图。

图7是本发明一种大模场全固态光纤的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种大模场全固态光纤，包括有源纤芯1和包层2，有源纤芯1位于光纤的中心，包层2围绕在有源纤芯1的周围，有源纤芯1的折射率大于、小于或等于包层2的有效折射率，包层2中排列若干个微结构单元21，每一微结构单元21包括从内至外分布的多层折射层，这些折射层的折射率呈高低交替变化，这些微结构单元21以有源纤芯1为对称中心等间距排列，且这些微结构单元21之间的连线组成正多边形，有源纤芯1位于正多边形的中心，进而通过这些微结构单元21将有源纤芯1中传输的基模限制在有源纤芯1中，微结构单元21的周期和尺寸能进行调整，通过调整微结构单元21的周期和尺寸能增加光纤中传输高阶模式的泄露损耗，包层2还包括泵浦包层22，泵浦包层22由低折射率涂敷材料、空气包层、或者非圆形的掺氟玻璃环构成。

参考图2，其为本发明实施例1的微结构单元21的结构示意图，在本发明的实施例1中，微结构单元21由内至外依次包括低折射率玻璃芯子211和高折射率玻璃环212，低折射率玻璃芯子211位于微结构单元21的中心，高折射率玻璃环212围绕在低折射率玻璃芯子211的周围，低折射率玻璃芯子211的折射率小于高折射率玻璃环212的折射率使得微结构单元21中折射率呈高低变化。

参考图3，其为本发明实施例2的微结构单元21的结构示意图，在本发明的实施例2中，微结构单元21由内至外依次包括低折射率玻璃芯子211、高折射率玻璃环212和低折射率玻璃环213，低折射率玻璃芯子211位于微结构单元21的中心，高折射率玻璃环212围绕在低折射率玻璃芯子211的周围，低折射率玻璃环213围绕在高折射率玻璃环212的周围，低折射率玻璃芯子211的折射率小于高折射率玻璃环212的折射率，高折射率玻璃环212的折射率大于低折射率玻璃环213的折射率，使得微结构单元21中折射率呈高低交替变化。

参考图4，其为本发明实施例3的微结构单元21的结构示意图，在本发明的实施例3中，微结构单元21由内至外依次包括低折射率玻璃芯子211、高折射率玻璃环212、低折射率玻璃环213和另一个高折射率玻璃环212，低折射率玻璃芯子211位于微结构单元21的中心，高折射率玻璃环212围绕在低折射率玻璃芯子211的周围，低折射率玻璃环213围绕在高折射率玻璃环212的周围，另一个高折射率玻璃环212围绕低折射率玻璃环213，低折射率玻璃芯子211的折射率小于高折射率玻璃环212的折射率，高折射率玻璃环212的折射率大于低折射率玻璃环213的折射率，低折射率玻璃环213的折射率小于另一个高折射率玻璃环212的折射率，使得微结构单元21中折射率呈高低交替变化。

在上述实施例1至实施例3中，低折射率玻璃芯子211由掺氟玻璃或无掺杂玻璃制备，高折射率玻璃环212由掺锗玻璃或纯石英玻璃制备，低折射率玻璃环213由掺氟玻璃或无掺杂玻璃制备。

在上述实施例1至实施例3的基础上，高折射率玻璃环212和低折射率玻璃环213围绕在低折射率玻璃芯子211外侧交替环向分布，重复出现的高折射率玻璃环212的折射率可以和首次出现的高折射率玻璃环212的折射率(由内到外)相同、也可以不同；重复出现的低折射率玻璃环213的折射率可以和首次出现的低折射率玻璃环213的折射率(由内到外)相同、也可以不同。微结构单元21的最外层可以为高折射率玻璃环212或低折射率玻璃环213，每一个高折射率玻璃环212的折射率均大于与其相邻的低折射率玻璃环213的折射率，每一个低折射率玻璃环213的折射率均小于与其相邻的高折射率玻璃环212的折射率，与低折射率玻璃芯子211相邻的高折射率玻璃环212的折射率大于低折射率玻璃芯子211的折射率。

本发明的实施例提供的大模场全固态光纤的有源纤芯1掺杂稀土离子，稀土离子为钕离子、镱离子、铒离子、铥离子、钬离子、镝离子、镨离子中的任一种。

本发明的实施例1至实施例3中，对微结构单元21的尺寸与折射率变化量不作限定，可以根据大模场有源光纤中纤芯模式特性与掺杂稀土离子进行具体设计计算以得到最优设计。

本发明的实施例提供的大模场全固态光纤的这些微结构单元21按照正多边形进行排列时，正多边形为正三角形，也可为正五边形、正六边形、正七边形、正八边形、正九边形或正十边形，当微结构单元21按照正五边形、正七边形、正八边形、正九边形或正十边形排列时，为单层排列，图1为微结构单元21按照正五边形排列的示意图，图5为微结构单元21按照正七边形排列的示意图；当微结构单元21按照正六边形排列时，为单层排列或双层排列，参考图6，微结构单元21为双层排列时，靠近有源纤芯1的第一层微结构单元21按照正六边形进行排列，远离有源纤芯1的第二层微结构单元21按照正六边形排列在第一层微结构单元21的外侧，第二层微结构单元21中微结构单元21的数量为第一层微结构单元21中微结构单元21的数量的两倍。

参考图7，本发明的实施例还提供了上述大模场全固态光纤的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1，利用化学气相沉积法分别制备微结构单元21的预制棒和掺杂稀土离子的预制棒，其中，微结构单元21的预制棒的折射率分布按照高低折射率交替规律设计制备；

步骤S2，将微结构单元21的预制棒进行适当的打磨或腐蚀处理，以获得合适的外径尺寸；

步骤S3，在光纤拉丝塔上将微结构单元21的预制棒拉丝至直径为1mm-10mm，将掺杂稀土离子的预制棒拉丝至直径为1mm-10mm；

步骤S4，利用堆叠法将拉丝后的微结构单元21的预制棒和掺杂稀土离子的预制棒进行堆积，微结构单元21的预制棒按照正多边形以掺杂稀土离子的预制棒为对称中心进行等间距排列，再在光纤拉丝塔上将堆叠好的预制棒拉制成大模场全固态光纤。

与现有技术相比，本发明便于实现全固体的大模场光纤，本发明通过采用全新的包层设计方案，在微结构单元21中引入高低折射率变化，本发明的微结构单元21的折射率环形结构类似于双层布拉格反射镜，可将基模限制在有源纤芯1区传导，通过调节微结构单元21的个数、周期、尺寸和折射率，能增加高阶模式的泄露损耗，实现大模场面积单模光纤的设计；本发明增加了包层2中微结构单元21设计的维度，增加了对有源纤芯1传导模式的可控性，这种新设计方案更有助于实现大模场有源光纤的批量可控制备，并进一步扩大该类型光纤的应用范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大模场全固态光纤，包括有源纤芯和包层，所述有源纤芯位于光纤的中心，其特征在于，所述包层中排列若干个微结构单元，这些微结构单元以有源纤芯为对称中心等间距排列，所述微结构单元之间的连线组成正多边形，所述有源纤芯位于正多边形的中心，所述微结构单元由内至外依次包括低折射率玻璃芯子和高折射率玻璃环，所述低折射率玻璃芯子位于微结构单元的中心，所述高折射率玻璃环围绕低折射率玻璃芯子。

2.如权利要求1所述的大模场全固态光纤，其特征在于，所述微结构单元还包括低折射率玻璃环，所述低折射率玻璃环围绕高折射率玻璃环。

3.如权利要求2所述的大模场全固态光纤，其特征在于，所述高折射率玻璃环和低折射率玻璃环围绕在低折射率玻璃芯子外侧交替环向分布。

4.如权利要求3所述的大模场全固态光纤，其特征在于，所述低折射率玻璃芯子由掺氟玻璃或无掺杂玻璃制备，所述低折射率玻璃芯子的折射率小于与其相邻的高折射率玻璃环的折射率。

5.如权利要求3所述的大模场全固态光纤，其特征在于，所述高折射率玻璃环由掺锗玻璃或纯石英玻璃制备，每一个高折射率玻璃环的折射率均大于与其相邻的低折射率玻璃环的折射率。

6.如权利要求3所述的大模场全固态光纤，其特征在于，所述低折射率玻璃环由掺氟玻璃或无掺杂玻璃制备，每一个低折射率玻璃环的折射率均小于与其相邻的高折射率玻璃环的折射率。

7.如权利要求1所述的大模场全固态光纤，其特征在于，所述微结构单元能为单层或多层排列。

8.如权利要求1所述的大模场全固态光纤，其特征在于，所述包层围绕有源纤芯，所述有源纤芯的折射率大于、小于或等于包层的有效折射率，所述有源纤芯掺杂稀土离子，所述稀土离子为钕离子、镱离子、铒离子、铥离子、钬离子、镝离子、镨离子中的任一种。

9.一种权利要求1至8任一项所述的大模场全固态光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，利用化学气相沉积法制备微结构单元的预制棒和掺杂稀土离子的预制棒；

S2，将微结构单元的预制棒进行打磨或腐蚀处理；

S3，在光纤拉丝塔上将微结构单元的预制棒和掺杂稀土离子的预制棒进行拉丝；

S4，利用堆叠法将拉丝后的微结构单元的预制棒和掺杂稀土离子的预制棒进行堆积，再在光纤拉丝塔上拉制成大模场全固态光纤。

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