一種全固態(tài)大模場(chǎng)光子帶隙光纖的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種全固態(tài)大模場(chǎng)光子帶隙光纖，該光纖包括纖芯和包層，所述纖芯包括基質(zhì)材料（1）和排布在正三角網(wǎng)格中的低折射率介質(zhì)柱（2）；所述包層包括基質(zhì)材料（1）和排布在正三角網(wǎng)格中的高折射率介質(zhì)柱（3）。該光纖采用多層高折射率介質(zhì)柱來(lái)束縛光，有較強(qiáng)的束縛能力，使光纖具有較低的彎曲損耗。光纖中心采用周期排布的低折射率介質(zhì)柱來(lái)增大基模與高階模損耗的差別，區(qū)分基模和高階模，從而使光纖達(dá)到單模傳輸。由于低折射率介質(zhì)柱采用的是多層結(jié)構(gòu)，光纖還能獲得一個(gè)大的模場(chǎng)面積。而且本發(fā)明的光纖采用的是全固態(tài)的結(jié)構(gòu)，避免了帶空氣孔的微結(jié)構(gòu)光纖在制作、使用上的困難。這種光纖可以實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)低彎曲損耗的單模傳輸。
【專利說(shuō)明】一種全固態(tài)大模場(chǎng)光子帶隙光纖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖激光器領(lǐng)域，具體為一種具有大模場(chǎng)面積、低彎曲損耗特性的全固態(tài)大模場(chǎng)光子帶隙光纖。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率光纖激光器以其光束質(zhì)量好、體積小、轉(zhuǎn)換效率高和散熱效果好等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)中有著越來(lái)越多的應(yīng)用。但是高功率激光會(huì)帶來(lái)光學(xué)損傷以及非線性效應(yīng)等問(wèn)題。使用大模場(chǎng)光纖能抑制非線性效應(yīng)以及增大光學(xué)損傷閾值。一般對(duì)大模場(chǎng)光纖的基本要求為:1.單模工作，這是高性能激光的一個(gè)基本條件；2.大模場(chǎng)面積；3.低彎曲損耗，即光纖可以允許一定程度的彎曲，且具有較低的彎曲損耗。
[0003]提高光纖模場(chǎng)面積的技術(shù)途徑有以下幾種:
(一)傳統(tǒng)大模場(chǎng)光纖
直接增大纖芯的尺寸，是獲得大模場(chǎng)面積的最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法。這種光纖有一個(gè)大的纖芯和小的纖芯數(shù)值孔徑。這類光纖在預(yù)制棒制造和光纖拉絲等生產(chǎn)工藝基本和常規(guī)單模光纖一樣，因此制造工藝簡(jiǎn)單，而且制造成本也不高，容易規(guī)?；a(chǎn)。但在現(xiàn)有工藝下，纖芯數(shù)值孔徑小于0.06是難以實(shí)現(xiàn)的。即這種光纖不能獲得很大的模場(chǎng)面積。
[0004](二)微結(jié)構(gòu)光纖
自從光子晶體光纖即微結(jié)構(gòu)光纖被提出并制作成功之后，人們開(kāi)始嘗試采用光子晶體光纖結(jié)構(gòu)來(lái)制作大模場(chǎng)光纖。其目前主要有以下幾類:
(I)泄漏通道大模場(chǎng)光纖
這種光纖由一個(gè)硅纖芯，周圍環(huán)繞一圈大空氣孔或者低折射率介質(zhì)柱構(gòu)成。它通過(guò)對(duì)基模和高階模不同的泄露損耗來(lái)區(qū)分基模和高階模，以達(dá)到單模傳輸。
[0005](2)不對(duì)稱大模場(chǎng)光纖
這種光纖采用不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，其兩側(cè)孔的大小、周期以及折射率都不相同[M.Napierala, T.Nasi lowski, E.Beres-Pawl ik, F.Berghmans, J.ffojcik, and
H.Thienpont, "Extremely large-mode-area photonic crystal fibre with lowbending loss (具有超大模場(chǎng)面積、低彎曲損耗的光子晶體光纖)，〃 Optics Express 18，15408-15418 (2010).]。這種光纖在波長(zhǎng)為1064 nm，彎曲半徑為10 cm時(shí)能獲得1065 μ m2的模場(chǎng)面積。但是這種光纖在不同彎曲方向下的模場(chǎng)面積差距較大，需要指定光纖的彎曲方向。而且，這種不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)對(duì)制作提出了較高的要求。
[0006](3)光子帶隙大模場(chǎng)光纖
這種光纖采用5層高折射率介質(zhì)柱作為包層，中心缺失2層高折射率介質(zhì)柱作為纖芯[M.Kashiwagi, K.Saitoh, K.Takenaga, S.Tanigawa, S.Matsuo, and M.Fujimaki,〃Low bending loss and effectively single-mode all-solid photonic bandgap fiberwith an effective area of 650 μ m2 (具有650 μ m2模場(chǎng)面積的低彎曲損耗全固態(tài)單模光纖)，〃 Optics Letters 37，1292-1294 (2012).]。這種光纖在波長(zhǎng)為 1064 nm，彎曲半徑為10 cm時(shí)能獲得500 μ m2的模場(chǎng)面積，但是其彎曲半徑必須固定在一個(gè)較小的范圍內(nèi)以保證單模傳輸。光子帶隙光纖目前仍難以實(shí)現(xiàn)在波長(zhǎng)為1064 nm處模場(chǎng)面積達(dá)到1000μ m2以上的大模場(chǎng)傳輸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種有效地濾除高階模，在較小的彎曲半徑時(shí)仍然具有較低的彎曲損耗的全固態(tài)大模場(chǎng)光子帶隙光纖。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種全固態(tài)大模場(chǎng)光子帶隙光纖，包括纖芯和包層，其特征在于:所述纖芯由基質(zhì)材料和排布在正三角網(wǎng)格中的低折射率介質(zhì)柱所組成，所述包層由基質(zhì)材料和排布在正三角網(wǎng)格中的高折射率介質(zhì)柱組成；且材料的折射率滿足nh > nb >Ii1 ;所述高折射率介質(zhì)柱形成正六邊形結(jié)構(gòu)高折射率介質(zhì)柱層；所述低折射率介質(zhì)柱形成正六邊形結(jié)構(gòu)低折射率介質(zhì)柱層；所述低折射率介質(zhì)柱層處于所述高折射率介質(zhì)柱層內(nèi)側(cè)。
[0009]進(jìn)一步，為了保持光纖模場(chǎng)，要求低折射率介質(zhì)柱的周期A1與高折射率介質(zhì)柱的周期Ah滿足:A1ZA1= N，這里N為大于I的正整數(shù)。且低折射率介質(zhì)柱的周期A1與低折射率介質(zhì)柱的直徑Cl1滿足M1/Af0.5。為了形成帶隙，要求高折射率介質(zhì)柱的周期Ah與高折射率介質(zhì)柱的直徑dh滿足:0.l<dh/Ah<0.5。
[0010]進(jìn)一步，所述高折射率介質(zhì)柱與基質(zhì)材料的折射率差滿足:0.005〈nh-nb〈0.05 ;基質(zhì)材料與所述低折射率介質(zhì)柱的折射率差滿足:0.005<nb-ni<0.02。
[0011]進(jìn)一步，為束縛光，高折射率介質(zhì)柱(3)的層數(shù)取為2飛層。若纖芯中心與最內(nèi)層的高折射率介質(zhì)柱中心之間的距離的最大值為mAh，則應(yīng)有m=2?3，m為正整數(shù)。而低折射率介質(zhì)柱的層數(shù)應(yīng)為mN-1。即光纖實(shí)際相當(dāng)于由高折射率介質(zhì)柱組成與普通光子晶體光纖相似的結(jié)構(gòu)，然后在光纖中心區(qū)域去除幾層高折射率介質(zhì)柱，再在去除高折射率介質(zhì)柱之后的光纖中心區(qū)域排布低折射率介質(zhì)柱。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)效果為:
I)采用2?5層高折射率介質(zhì)柱來(lái)束縛光，有較強(qiáng)的束縛能力，使光纖中的模式具有低的束縛損耗和低的彎曲損耗。
[0013]2)引入低折射率介質(zhì)柱，利用基模與高階模之間的有效折射率差別，將有效折射率較小的高階模引向帶隙邊緣，減弱帶隙對(duì)高階模的束縛作用，從而提高其束縛損耗，同時(shí)，通過(guò)光纖彎曲，使高階模被泄露，使光纖能實(shí)現(xiàn)單模傳輸。
[0014]3)引入微結(jié)構(gòu)的低折射率介質(zhì)柱，使光纖的模場(chǎng)更為規(guī)則，且易于制作。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]
圖1為一種本發(fā)明光纖的橫截面示意圖；
圖2為又一種本發(fā)明光纖的橫截面示意圖；
圖3為圖1中低折射率介質(zhì)柱取不同折射率時(shí)光纖基模和高階模的束縛損耗曲線；
圖4為圖1中低折射率介質(zhì)柱取不同折射率時(shí)光纖基模和高階模的有效折射率曲線； 圖5為圖1所示光纖的基模和高階模的彎曲損耗隨光纖彎曲半徑的變化曲線； 圖6為圖1所示光纖的模場(chǎng)面積隨彎曲半徑的變化曲線；
圖7為圖1所示結(jié)構(gòu)的模場(chǎng)分布圖；
圖8為圖2中低折射率介質(zhì)柱取不同折射率時(shí)光纖基模和高階模的束縛損耗曲線；
圖9為圖2中低折射率介質(zhì)柱取不同折射率時(shí)光纖基模和高階模的有效折射率曲線； 圖10為圖2所示光纖基模的彎曲損耗隨光纖彎曲半徑的變化曲線；
圖11為圖2所示光纖的模場(chǎng)面積隨彎曲半徑的變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0016]圖1給出了本發(fā)明的一種實(shí)施例的橫截面示意圖。該光纖包括纖芯和包層，該纖芯由低折射率介質(zhì)柱(2)和其所包圍區(qū)域的基質(zhì)材料(I)構(gòu)成；該包層由基質(zhì)材料(I)和高折射率介質(zhì)柱(3)構(gòu)成。
[0017]要求高折射率介質(zhì)柱層數(shù)為2-5層。為保證光纖基模具有低束縛損耗，高折射率介質(zhì)柱層數(shù)不能太少，而為了有效去除光纖中的高階模，其層數(shù)又不能太多。根據(jù)結(jié)果，綜合分析，高折射率介質(zhì)柱以2-5層為宜。光纖纖芯由周期性網(wǎng)格中缺失7-19個(gè)高折射率介質(zhì)柱組成，高折射率介質(zhì)柱層數(shù)為2-5層。若纖芯中心與最內(nèi)層的高折射率介質(zhì)柱(3)中心之間的距離的最大值為mAh，則應(yīng)有m=2?3，m為正整數(shù)。
[0018]低折射率介質(zhì)柱(2)并非可以任意放置。研究結(jié)果表明，非規(guī)則排布會(huì)導(dǎo)致模場(chǎng)的不均勻，使模場(chǎng)發(fā)生畸變，即低折射率介質(zhì)柱(2)排布要均勻且與包層形成良好銜接。為此，要求低折射率介質(zhì)柱(2)與高折射率介質(zhì)柱(3)的排布相似，即排布在正三角網(wǎng)格中。同時(shí)，低折射率介質(zhì)柱(2)的周期A1與高折射率介質(zhì)柱(3)的周期Ah應(yīng)滿足-A1=AhZU這里N為大于I的正整數(shù)，周期Λ是兩個(gè)相鄰介質(zhì)柱中心之間的間距。而低折射率介質(zhì)柱
(2)的層數(shù)應(yīng)為mN-1。此組成結(jié)構(gòu)可有效克服局域模的影響。
[0019]
為了便于制作，高折射率介質(zhì)柱的摻雜濃度不宜過(guò)高，一般取高折射率介質(zhì)柱與基質(zhì)材料的折射率差為:0.005〈nh-nb〈0.05。由于高折射率介質(zhì)柱的折射率大于基質(zhì)材料的折射率，即這是一種光子帶隙光纖。圖4中的虛線即為工作波長(zhǎng)為1064 nm時(shí)帶隙的邊界。
[0020]為了使光纖能夠單模傳輸，本發(fā)明在纖芯中央引入周期排布的低折射率介質(zhì)柱，以增大光纖高階模的損耗值，從而實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)哪康摹D3給出了低折射率介質(zhì)柱取不同折射率時(shí)光纖基模和高階模的束縛損耗曲線。由圖可見(jiàn)，隨著低折射率介質(zhì)柱折射率的降低，光纖的基模與高階模束縛損耗的差距變大直至高階模的損耗足夠大而基模損耗還保持在較低水平，使光纖能夠單模傳輸。即光纖可以在不彎曲的情況下，獲得單模傳輸，且具有大纖芯尺寸的特點(diǎn)。圖4給出了光纖基模與高階模的有效折射率隨低折射率介質(zhì)柱折射率變化的曲線。其中，虛線以上表示帶隙區(qū)，虛線以下表示帶隙外。由圖可見(jiàn)，隨著低折射率介質(zhì)柱折射率的降低，光纖基模和高階模的有效折射率同時(shí)降低，由于基模的有效折射率高于高階模，因此高階模的折射率先于基模接近帶隙邊緣，當(dāng)模式的有效折射率靠近帶隙邊緣時(shí)，帶隙作用減弱，其模式束縛損耗會(huì)增大。例如取低折射率介質(zhì)柱的折射率Ill=L 435時(shí)，光纖在不彎曲時(shí)就能實(shí)現(xiàn)無(wú)截止單模傳輸。
[0021]考慮到本發(fā)明設(shè)計(jì)的光纖需要應(yīng)用到光纖激光器中，所以必須保證光纖在一定彎曲半徑下的彎曲損耗較低。圖5給出了光纖基模和高階模在不同彎曲半徑下的彎曲損耗曲線。由圖可見(jiàn)，在彎曲半徑為16飛2 cm時(shí)，光纖高階模的彎曲損耗大于10 dB/m，而基模彎曲損耗小于0.1 dB/m，可以認(rèn)為光纖在此區(qū)間內(nèi)能單模傳輸。即通過(guò)彎曲，光纖也能實(shí)現(xiàn)單模傳輸。
[0022]圖6給出了波長(zhǎng)為1064 nm時(shí)光纖的模場(chǎng)面積隨彎曲半徑的曲線。由圖可見(jiàn)光纖的模場(chǎng)面積隨彎曲半徑的減小而減小。特別的，當(dāng)彎曲半徑為35 cm時(shí)，本實(shí)施例能獲得650 μ m2的模場(chǎng)面積。
[0023]低折射率介質(zhì)柱引入的目的是降低纖芯的折射率。理論上，采用均勻低折射率纖芯的方法，也可以實(shí)現(xiàn)同樣的效果。但采用均勻低折射率纖芯會(huì)出現(xiàn)由局部高折射率區(qū)引起的局域模效應(yīng)，從而增大了光纖的模式損耗，影響其實(shí)際使用。且在帶隙包層作用下，低折射率介質(zhì)柱引入后的光纖模式場(chǎng)仍然非常規(guī)則。這一點(diǎn)從圖7 (圖1所結(jié)構(gòu)的基模模場(chǎng)分布圖)可以看出。
[0024]下面以石英光纖，以工作波長(zhǎng)為1064 nm為例。
[0025]實(shí)施例一:
圖1給出了本發(fā)明的一種實(shí)施例的橫截面示意圖?；|(zhì)材料采用純石英，高折射率介質(zhì)柱和低折射率介質(zhì)柱的材料采用摻雜的石英材料。其中低折射率介質(zhì)柱(2)的周期A !=5.5 μπι，直徑4=1.2 μ m，折射率Ii1=L 44 ;高折射率介質(zhì)柱(3)的周期Ah=Il μπι ,直徑dh=1.8 μπι，折射率nh=1.48 ;基質(zhì)材料(I)的折射率為nb=1.45。即纖芯由周期性網(wǎng)格中缺失7個(gè)高折射率介質(zhì)柱(3)，然后排布低折射率介質(zhì)柱(2)形成，即m=2，N=2，而低折射率介質(zhì)柱(2)層數(shù)為2X2-1=3。當(dāng)彎曲半徑為16飛2 cm時(shí)，光纖高階模的彎曲損耗大于10 dB/m，而基模彎曲損耗小`于0.1 dB/m，可以認(rèn)為光纖在此區(qū)間內(nèi)能單模傳輸。特別的，當(dāng)彎曲半徑為35 cm時(shí)，本實(shí)施例能獲得650 μ m2的模場(chǎng)面積。
[0026]實(shí)施例二:
為了進(jìn)一步增大光纖的模場(chǎng)面積，圖2給出了本發(fā)明的另一種實(shí)施例的橫截面圖。低折射率介質(zhì)柱(2)的周期Λ1=5.5 μπι，直徑屯=1.2 μ m，折射率Ii1=L 436 ;高折射率介質(zhì)柱(3)的周期Ah=Il μπι，直徑dh=1.8 μπι，折射率nh=l.48 ;基質(zhì)材料(I)的折射率為nb=1.45。即纖芯由周期性網(wǎng)格中缺失7個(gè)高折射率介質(zhì)柱(3)，然后排布低折射率介質(zhì)柱
(2)形成，即m=3，N=2，而低折射率介質(zhì)柱(2)層數(shù)為3X2-1=5。當(dāng)彎曲半徑為24~32 cm時(shí)，光纖高階模的彎曲損耗大于10 dB/m，而基模彎曲損耗小于0.1 dB/m，可以認(rèn)為光纖在此區(qū)間內(nèi)能單模傳輸。特別的，當(dāng)彎曲半徑為30 cm時(shí)，本實(shí)施例能獲得1166 μ m2的模場(chǎng)面積。
[0027]實(shí)施例三:
本實(shí)施例給出一種直光纖下，即不通過(guò)彎曲就能單模傳輸?shù)拇竽?chǎng)帶隙光纖。其橫截面示意圖如圖1所示。其中低折射率介質(zhì)柱(2)的周期Λ1=5.5 μπι，直徑屯=1.2 μπι，折射率Ii1=L 434 ;高折射率介質(zhì)柱(3)的周期Ah=Il μπι，直徑dh=1.8 μ m，折射率nh=l.48 ;基質(zhì)材料(I)的折射率為nb=l.45。即纖芯由周期性網(wǎng)格中缺失7個(gè)高折射率介質(zhì)柱(3)，然后排布低折射率介質(zhì)柱(2)形成，即m=2，N=2，而低折射率介質(zhì)柱(2)層數(shù)為2X2_1=3。其模場(chǎng)面積能達(dá)到693 μπι2。
[0028]上述附圖和說(shuō)明僅為說(shuō)明性示意圖，并不對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍形成限制。應(yīng)理解，這些實(shí)施例只是為了舉例說(shuō)明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種全固態(tài)大模場(chǎng)光子帶隙光纖，包括纖芯和包層，其特征在于:所述纖芯由基質(zhì)材料(I)和排布在正三角網(wǎng)格中的低折射率介質(zhì)柱(2)所組成，所述包層由基質(zhì)材料(I)和排布在正三角網(wǎng)格中的高折射率介質(zhì)柱(3)組成；且材料的折射率滿足nh > nb > H1 ;所述高折射率介質(zhì)柱(3)形成正六邊形結(jié)構(gòu)高折射率介質(zhì)柱層；所述低折射率介質(zhì)柱(2)形成正六邊形結(jié)構(gòu)低折射率介質(zhì)柱層；所述低折射率介質(zhì)柱層處于所述高折射率介質(zhì)柱層內(nèi)側(cè)；其中，nb為基質(zhì)材料(I)的折射率，Ii1為低折射率介質(zhì)柱(2)，nh為高折射率介質(zhì)柱(3)的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全固態(tài)大模場(chǎng)光子帶隙光纖，其特征在于:低折射率介質(zhì)柱(2)的周期A1與高折射率介質(zhì)柱(3)的周期Ah滿足:A1ZA1= N，所述N為大于I的正整數(shù)；低折射率介質(zhì)柱(2)的周期A1與低折射率介質(zhì)柱(2)的直徑Cl1滿足M1ZiA1W.5 ;高折射率介質(zhì)柱(2)的周期Ah與高折射率介質(zhì)柱(2)的直徑dh滿足:0.l<dh/Ah<0.5。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全固態(tài)大模場(chǎng)光子帶隙光纖，其特征在于:所述高折射率介質(zhì)柱(3)與基質(zhì)材料(I)的折射率差滿足:0.005〈nh-nb〈0.05 ;基質(zhì)材料(I)與所述低折射率介質(zhì)柱(2)的折射率差滿足:0.005<nb-ni<0.02。
4.各級(jí)權(quán)利要 求1所述的一種全固態(tài)大模場(chǎng)光子帶隙光纖，其特征在于:所述高折射率介質(zhì)柱層的層數(shù)y滿足，2 < y ^ 5 ;若纖芯中心與最內(nèi)層的高折射率介質(zhì)柱(3)中心之間的距離的最大值為m Λ h，m為正整數(shù)且滿足:23 ;所述低折射率介質(zhì)柱層的層數(shù)為mN-lo
【文檔編號(hào)】G02B6/02GK103645536SQ201310692966
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】陳明陽(yáng), 龔天翼 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)