CN110673260A - 基于光纤激光器的大模场光子晶体光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤激光器的大模场光子晶体光纤，包括完美匹配层、纤芯层和包层，包层置于纤芯层外部，完美匹配层置于包层外部；包层包括呈正六边形周期性排列的多个直径均为d的空气孔Ⅰ；纤芯层包括呈正九边形周期性排列的九个直径均为d2的空气孔Ⅱ、九个直径均为d1的空气孔Ⅲ；空气孔Ⅱ、空气孔Ⅲ间隔分布；九个空气孔Ⅱ分别置于正九边形的九个端点处；九个空气孔Ⅲ分别置于正九边形的九个边中点处；空气孔Ⅰ直径d为3μm；空气孔Ⅱ直径d2为11μm；空气孔Ⅲ直径d1为5μm；包层空气孔间距Λ为15μm。本发明具有低损耗、低非线性和大模场面积等特性，可实现光纤激光器高功率、高光束品质的激光输出。
Description
技术领域
本发明属于光子晶体光纤技术领域，具体涉及一种基于光纤激光器的大模场光子晶体光纤。
背景技术
光纤激光器在高速率、密集波分复用(DWDM)通信***、高精度传感技术和大功率激光加工等方面呈现出潜在的技术优势和广阔的应用前景,已成为国际学术界、工程界的热门研究对象。
光纤激光器与其他类型激光器相比较其优点为:(1)泵浦功率低、增益高、输出光束质量好；(2)与其他光纤器件兼容,可实现全光纤传输***；(3)使用光纤作为基体,其结构具有较高的比表面积,因而散热好；(4)体积小,携带方便；(5)光纤激光器可以作为光孤子源实现光孤子通信。
光纤激光器由泵浦源、增益介质、谐振腔、传输介质四个基本要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤等，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔，传输介质一般选取模场面积较大的光纤。泵浦光经适当的光学***耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发发射。所产生的自发发射光经受激放大和谐振腔的选模作用后，最终形成稳定激光通过传输光纤进行输出。
目前主流的提高光纤激光器功率的方法为：
(1)采用同带抽运、混合抽运等高效抽运方式。与直接用半导体泵浦激光器(Laserdiode-band：LD)抽运不同，同带抽运一般采用激光器进行二次抽运，激光器的输出尾纤纤芯通常比目前商用的多模LD尾纤纤芯小一个量级，因而可提高抽运亮度，从而增加了可注入双包层光纤的抽运光功率；
(2)采用与激光波长更为接近的抽运光可降低量子亏损，减轻光纤内的热负载，从而提高激光器的效率；
(3)基于主振荡功率放大结构(MOPA)结构的特点，可用窄线宽、低功率、光束质量优良的种子源经过放大得到高功率窄线宽输出。
缺点是：
采用同带抽运、混合抽运等高效抽运方式可增加注入双包层光纤的抽运光功率，但是由于双包层光纤受非线性效应、光损伤及弯曲损耗等物理机制的限制，很难更大幅度地提高单个激光器的功率。
原因是：
传统光纤是实芯结构，单模模场面积较小，光纤材料的损伤阈值较大。
传统光纤内包层数值孔径较小，抽运光的耦合效率较低，使用长度较长的光纤才可实现高功率输出。
综上，对于传统光纤结构，较难通过改善光纤结构提升光纤性能。
针对上述传统技术存在的诸多缺点，可以从以下几个方面对现有技术进行改善：
(1)降低光纤材料的损伤阈值：引入光子晶体光纤(Photoniccrystalfiber；PCF)作为光纤激光器的传输介质，PCF易于实现单模大模场面积，在保证激光传输质量的同时，显著降低光纤中的激光功率密度，减小光纤中的非线性效应，进而提高光纤材料的损伤阈值。
(2)实现激光器的高功率输出：综合考虑光纤模场面积与损耗、数值孔径、非线性系数和单模特性等之间的约束关系。
(3)降低光纤的束缚损耗。
如图1所示，为一种光子晶体光纤激光器结构图。***由泵浦源(LD)、泵浦耦合***(C)和稀土掺杂光纤等组成。泵浦源Ⅰ(见图1中1)和泵浦源Ⅱ(见图1中9)为半导体泵浦激光器泵浦源，其泵浦光中心波长为0.976μm；泵浦耦合***Ⅰ(见图1中2)和泵浦耦合***Ⅱ(见图1中6)为泵浦耦合***，将泵浦光耦合进大模场光子晶体光纤(见图1中4)中，并进一步耦合进稀土掺杂光纤(见图1中5)。实验测得它们的耦合效率为80％。泵浦耦合***中，双色镜Ⅰ(见图1中3)和双色镜Ⅱ(见图1中7)为两个对激光波长1.040μm-1.090μm高反(R>99.5％)、对泵浦光高透(T>95％)的双色镜；耦合输出镜(见图1中8)为对激光部分反射(R＝10％)的耦合输出镜，它与双色镜Ⅰ构成光纤激光器的谐振镜。
半导体泵浦激光器泵浦源Ⅰ(见图1中1)发出的泵浦耦合***Ⅰ(见图1中2)准直聚焦，从端面耦合进大模场光子晶体光纤(见图1中4)中；泵浦源Ⅱ(见图1中9)通过相同的泵浦耦合***Ⅱ(见图1中6)从光纤的另一端耦合进大模场光子晶体光纤，与泵浦源Ⅰ(见图1中1)构成双端泵浦，稀土掺杂光纤在泵浦光的激励下产生激光。激光经过耦合输出镜(见图1中8)反射，提供部分激光反馈，对激光全反的双色镜Ⅰ(见图1中3)则将激光全部反射回光纤，与耦合输出镜(见图1中8)构成谐振腔的两个腔镜。调整腔镜双色镜Ⅰ和耦合输出镜，使激光稳定谐振，并获得最大输出。因此传输光纤的性能可直接影响光纤激光器的传输性能。
则需要设计一种光子晶体光纤(见图1中4)结构，用于提高光纤的模场面积，并进一步降低光纤的限制损耗。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于光纤激光器的大模场光子晶体光纤。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
基于光纤激光器的大模场光子晶体光纤，包括完美匹配层、纤芯层和包层，包层置于纤芯层外部，完美匹配层置于包层外部；包层包括呈正六边形周期性排列的多个直径均为d的空气孔Ⅰ；
纤芯层包括呈正九边形周期性排列的九个直径均为d2的空气孔Ⅱ、九个直径均为d1的空气孔Ⅲ；
空气孔Ⅱ、空气孔Ⅲ间隔分布；
九个空气孔Ⅱ分别置于正九边形的九个端点处；
九个空气孔Ⅲ分别置于正九边形的九个边中点处；
空气孔Ⅰ直径d为1-5μm；空气孔Ⅱ直径d2为9-13μm；空气孔Ⅲ直径d1为3-7μm；包层空气孔间距Λ为13-17μm。
优选地，空气孔Ⅰ直径d为3μm；空气孔Ⅱ直径d2为11μm；空气孔Ⅲ直径d1为5μm；包层空气孔间距Λ为15μm。
优选地，光子晶体光纤的背景材料为SiO2。
本发明的有益效果在于：
本发明的基于光纤激光器的大模场光子晶体光纤；
本申请所设计的大模场光子晶体光纤在实现单模传输的情况下，其有效模场面积可达3118.4μm2；
相较于现有技术，本申请设计的光纤在损耗和非线性效应方面也得到了很好的改善，在1.064μm波长，光纤的非线性系数可低至5.68×10-5m-1·W-1，限制损耗可降低到4.55×10-7dB·m-1。该光纤具有低损耗、低非线性和大模场面积等特性，可实现光纤激光器高功率、高光束品质的激光输出。
本申请单元尺寸小，空气孔为圆形，易于集成和工艺加工。
附图说明
图1为光纤激光器的结构示意图；
图2为光子晶体光纤横截面示意图；
图3为本申请中限制损耗随波长的变化关系示意图；
图4为PCF有效模场面积和非线性系数随波长的变化关系示意图；
图5为通过COMSOL仿真得到的基模横向电场分量分布情况示意图；
图6为通过COMSOL仿真得到的三维能量势场分布情况示意图。
附图标记说明：
1-泵浦源Ⅰ；2-泵浦耦合***Ⅰ；3-双色镜Ⅰ；4-光子晶体光纤；41-空气孔Ⅰ；42-空气孔Ⅱ；43-空气孔Ⅲ；5-稀土掺杂光纤；6-泵浦耦合***Ⅱ；7-双色镜Ⅱ；8-耦合输出镜；9-泵浦源Ⅱ；91-非线性系数γ；92-有效模场面积Aeff；11-强能量区；12-弱能量区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图2所示，
基于光纤激光器的大模场光子晶体光纤4，包括完美匹配层、纤芯层和包层，包层置于纤芯层外部，完美匹配层置于包层外部；包层包括呈正六边形周期性排列的多个直径均为d的空气孔Ⅰ41；
纤芯层包括呈正九边形周期性排列的九个直径均为d2的空气孔Ⅱ42、九个直径均为d1的空气孔Ⅲ43；
空气孔Ⅱ42、空气孔Ⅲ43间隔分布；
九个空气孔Ⅱ42分别置于正九边形的九个端点处；
九个空气孔Ⅲ43分别置于正九边形的九个边中点处；
空气孔Ⅰ41直径d为1-5μm；空气孔Ⅱ42直径d2为9-13μm；空气孔Ⅲ43直径d1为3-7μm；包层空气孔间距Λ为13-17μm。
优选地，空气孔Ⅰ41直径d为3μm；空气孔Ⅱ42直径d2为11μm；空气孔Ⅲ43直径d1为5μm；包层空气孔间距Λ为15μm。
优选地，光子晶体光纤4的背景材料为SiO2。
光纤放大器，其具有光子晶体光纤4作为光放大介质。
光纤激光器，其具有光子晶体光纤4作为光放大介质。
如图2所示，
最外层圆环表示PCF完美匹配层(PerfectMatchedLayers，PML)吸收边界条件，近芯区域分别引入九个大空气孔Ⅱ和九个小空气孔空气孔Ⅲ，构成正九边形周期性结构。其中R1为PCF的半径，R2为完美隔离层外径，Λ为包层空气孔间距，d为包层周期性排列空气孔直径，d1和d2分别为芯区大空气孔和小空气孔直径，空气折射率为1，背景材料SiO2折射率为1.45。
计算分析结果表明，模场面积受包层空气孔(空气孔Ⅰ之间)间距的影响较大，空气孔Ⅰ直径对非线性优化起到主导作用，而限制损耗主要取决于内空气孔(空气孔Ⅱ、空气孔Ⅲ)直径和包层空气孔间距。本申请提出的空气孔结构为圆形结构，利于工艺加工，基于限制损耗、非线性效应、有效模场面积的综合考虑，选取PCF的结构参数最优为空气孔Ⅰ直径d为3μm、空气孔Ⅱ直径d1为11μm、空气孔Ⅲ直径d2为5μm、包层空气孔间距为15μm。
限制损耗随波长的变化关系如图3所示，可以看出在0.84μm到1.6μm整个波长变化的范围内其限制损耗始终小于10-6dB·m-1，且在1.064μm波长时，其限制损耗可以低至4.55×10-7dB·m-1，并且在整个波长扫描内，限制损耗的变化保持相对平坦。
图4给出了经本申请优化设计后的PCF有效模场面积和非线性系数随波长的变化关系，可以看出模场面积与非线性系数呈现明显的反比关系。在1.064μm波长处，本申请的PCF的有效模场面积可高达3118.4μm2，其对应的非线性系数可低至5.68×10-5m-1·W-1，呈现了大模场面积、低非线性效应的优良特性。图中示出了非线性系数γ91；有效模场面积Aeff92；
图5给出了通过COMSOL仿真得到的基模横向电场分量分布情况，可以看出本申请的LMA-PCF基模电场模式更多地集中于纤芯区域，有利于实现大模场面积。图5中示出了强能量区11；弱能量区12，弱能量区12至强能量区11是能量逐渐递增的状态。
图6给出了通过COMSOL仿真得到的三维能量势场分布情况，可知本申请设计LMA-PCF的基模纤芯区域的能量较普通PCF更强。并且在纤芯区域的有效模式折射率为最初设置的1.45的情况下，本申请设计的LMA-PCF的基模有效模式折射率为1.449603472，二者已非常接近。根据PCF归一化频率理论公式，该光纤的归一化频率随波长的改变呈无规律变化趋势，但始终都小于Π，保证了该LMA-PCF的单模传输。图6中示出了强能量区11；弱能量区12，弱能量区12至强能量区11是能量逐渐递增的状态。
本申请的关键点：大模场面积，低限制损耗，低非线性系数，稳定性强，单元尺寸小，易于集成和工艺加工。
欲保护点：纤芯区域为正九边形、包层区域为正六边形的光子晶体光纤结构。
对比性分析：本专利通过等效折射率法对光子晶体光纤传输特性进行研究，提出了一种可优化光纤大模场面积的技术方案，采用时域有限差分法(FiniteDifferenceTimeDomain；FDTD)结合PML边界条件计算有效模场面积，并通过多级法进一步优化光纤非线性系数、限制损耗等性能指标，设计了一种新型的无源单模大模场低损耗光子晶体光纤。传统光纤与本专利设计的新型大模场光子晶体光纤的光纤性能对比表如下：
由表1可见，为满足更高功率、更高光束品质的激光输出，本专利提出的优化光纤激光器方案明显优于传统技术。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。
Claims (3)
1.基于光纤激光器的大模场光子晶体光纤，包括完美匹配层、纤芯层和包层，包层置于纤芯层外部，完美匹配层置于包层外部；包层包括呈正六边形周期性排列的多个直径均为d的空气孔Ⅰ；
其特征在于：纤芯层包括呈正九边形周期性排列的九个直径均为d2的空气孔Ⅱ、九个直径均为d1的空气孔Ⅲ；
空气孔Ⅱ、空气孔Ⅲ间隔分布；
九个空气孔Ⅱ分别置于正九边形的九个端点处；
九个空气孔Ⅲ分别置于正九边形的九个边中点处；
空气孔Ⅰ直径d为1-5μm；空气孔Ⅱ直径d2为9-13μm；空气孔Ⅲ直径d1为3-7μm；包层空气孔间距Λ为13-17μm。
2.根据权利要求1所述的基于光纤激光器的大模场光子晶体光纤，其特征在于：空气孔Ⅰ直径d为3μm；空气孔Ⅱ直径d2为11μm；空气孔Ⅲ直径d1为5μm；包层空气孔间距Λ为15μm。
3.根据权利要求1或2所述的基于光纤激光器的大模场光子晶体光纤，其特征在于，光子晶体光纤的背景材料为SiO2。
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