本發(fā)明屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域,更具體地,涉及一種梯度摻雜的多芯微結(jié)構(gòu)包層的光纖特性及其光纖的制備方法。
背景技術(shù):
微結(jié)構(gòu)光纖是把微米級甚至納米級微結(jié)構(gòu)引入到光纖剖面設(shè)計中,依靠微結(jié)構(gòu)不同于一般材料的色散、能帶等特性,微結(jié)構(gòu)光纖有不同于傳統(tǒng)光纖的導(dǎo)光特性。這些優(yōu)點使得微結(jié)構(gòu)光纖在光纖激光器領(lǐng)域以及線性和非線性應(yīng)用中具有傳統(tǒng)光纖不可比擬的優(yōu)勢。
多芯微結(jié)構(gòu)光纖因為多個模式的疊加,造成輸出光束質(zhì)量差,在制備后一般面臨選取同相位超模,且穩(wěn)定的選模技術(shù)多為空間結(jié)構(gòu)[1-2],大大增加了實驗的復(fù)雜性。
此外,現(xiàn)有的堆管法因為所需毛細管數(shù)量很多,一層層堆疊,需要消耗很大的人力,而且制備工藝容易出現(xiàn)誤差、破裂現(xiàn)象。采用溶膠-凝膠(Sol-Gel)工藝,將溶膠澆注成設(shè)計尺寸的多芯光纖結(jié)構(gòu)使其形成凝膠,其空氣孔結(jié)構(gòu)中可插入圓棒,而圓棒直徑等于所設(shè)計的空氣孔的直徑,待凝膠凝固后移除插入的圓棒則形成多芯光纖預(yù)制棒,但該方法在燒結(jié)時容易出現(xiàn)局部玻璃開裂,導(dǎo)致光纖預(yù)制棒作廢。此外,用化學(xué)腐蝕法也可以實現(xiàn)預(yù)制棒的多孔結(jié)構(gòu),此方法在構(gòu)成預(yù)制棒的玻璃棒中插入可被酸腐蝕的玻璃材料,再按照設(shè)計要求排列好預(yù)制棒并融化成型后,利用酸腐蝕掉不需要的部分形成空氣孔制作多芯光纖,此方法精度不高,不能精確控制光纖空氣孔直徑和纖芯直徑。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
針對現(xiàn)有多芯微結(jié)構(gòu)光纖的需求以及現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足,本發(fā)明提供了一種梯度摻雜多芯的微結(jié)構(gòu)包層光纖及制備方法,其目的在于通過纖芯區(qū)域的梯度摻雜和纖芯較大的占空比,利用模式競爭,抑制高階模和其他超模在纖芯區(qū)域傳輸,實現(xiàn)多芯微結(jié)構(gòu)光纖自身選取同相位超模,輸出光束質(zhì)量高的激光,并且一次可批量制備多根微結(jié)構(gòu)毛細管和梯度摻雜的微結(jié)構(gòu)芯棒,實現(xiàn)多芯微結(jié)構(gòu)光纖制備的簡單化。
具體技術(shù)內(nèi)容如下:一種梯度摻雜多芯的微結(jié)構(gòu)包層光纖,其特征在于,其包括纖芯區(qū)域一(22)、纖芯區(qū)域二(23)、內(nèi)包層區(qū)域(24)和外包層,在該光纖橫截面上,從內(nèi)到外,依次為纖芯區(qū)域一(22)、纖芯區(qū)域二(23)、內(nèi)包層區(qū)域(24)和外包層;其中:
所述纖芯區(qū)域一(22)為一個第一多芯單元(9),其包括一個第一環(huán)形梯度摻雜纖芯(4)和六個第二環(huán)形梯度摻雜纖芯(7),其折射率分別為n12和n34,七個環(huán)形梯度摻雜纖芯具有相同的占空比,且該周期的數(shù)值至少大于光波長的十倍;第一環(huán)形梯度摻雜纖芯(4)位于中間,六個第二環(huán)形梯度摻雜纖芯(7)等間距環(huán)繞排列在第一環(huán)形梯度摻雜纖芯(4)周圍;n12小于n34,且兩者折射率相差值小于10-4,以形成梯度摻雜;每個環(huán)形梯度摻雜纖芯輸出一個超模,由于n12小于n34,使得基模分布在多個纖芯中,增大基模的模場面積,同時通過自身模式競爭,其中六個超模被抑制,只輸出一個超模;
所述纖芯區(qū)域二(23)包括六個環(huán)繞排列在纖芯區(qū)域一(22)周圍的第二多芯單元(17);其中,所述第二多芯單元(17)包括其包括一個第三環(huán)形梯度摻雜纖芯(12)和六個第四環(huán)形梯度摻雜纖芯(15),其折射率分別為n56和n78,七個環(huán)形梯度摻雜纖芯具有相同的占空比,且該周期的數(shù)值至少大于光波長的十倍;第三環(huán)形梯度摻雜纖芯(12)位于中間,六個第四環(huán)形梯度摻雜纖芯(15)等間距環(huán)繞排列在第一環(huán)形梯度摻雜纖芯(12)周圍;n56小于n78,兩者折射率相差值小于10-4,以形成梯度摻雜;每個環(huán)形梯度摻雜纖芯輸出一個超模,由于n56小于n78,使得基模分布在多個纖芯中,增大基模的模場面積,同時通過自身模式競爭,其中六個超模被抑制,只輸出一個超模。
所述內(nèi)包層區(qū)域(24)包括緊密排列在纖芯區(qū)域二(23)周圍的十二個微結(jié)構(gòu)空氣孔單元(20);所述微結(jié)構(gòu)空氣孔單元(20)由七個圓形的空氣管孔組成,其中一個空氣管孔居中,其外部均勻環(huán)繞排列六個空氣管孔,各空氣管孔之間材料為二氧化硅;所述空氣管孔大小滿足公式D是覆蓋纖芯區(qū)域一(22)和纖芯區(qū)域二(23)的有效纖芯直徑,λ是入射光波長,n光纖纖芯是纖芯區(qū)域一(22)和纖芯區(qū)域二(23)的總有效折射率,n內(nèi)包層是微結(jié)構(gòu)空氣孔單元(20)的總有效折射率。
進一步的,在所述第一多芯單元(9)中,第一環(huán)形梯度摻雜纖芯(4)的中間部分折射率為n1,環(huán)繞中間部分的折射率是n2;周圍等間距環(huán)繞纖芯(4)排列的六個第二環(huán)形梯度摻雜纖芯(7)的中間部分折射率為n3,環(huán)繞中間部分的折射率是n4,且纖芯(4)和纖芯(7)的直徑與纖芯中心間距比值小于0.5,同時周期的數(shù)值至少大于光波長的十倍;由于n1小于n2,n3小于n4,每個環(huán)形梯度摻雜纖芯只輸出一個模式;每個環(huán)形梯度摻雜纖芯都是單個模式傳輸,七個纖芯模式相互疊加,形成七個超模,由于n12小于n34且占空比較大,其中六個超模被抑制,只輸出一個超模。
進一步的,在所述第二多芯單元(17)中,每個環(huán)形梯度摻雜纖芯都是兩種折射率不同的纖芯組成,第三環(huán)形梯度摻雜纖芯(12)的中間部分折射率為n5,環(huán)繞中間部分的的折射率是n6;周圍等間距環(huán)繞排列的六個第四環(huán)形梯度摻雜纖芯(15)的中間部分折射率為n7,環(huán)繞中間部分的折射率是n8,且環(huán)形梯度摻雜纖芯直徑與纖芯間距比值小于0.5,同時周期的數(shù)值至少大于光波長的十倍;由于n5小于n6,n7小于n8,每個環(huán)形梯度摻雜纖芯只輸出一個模式;每個環(huán)形梯度摻雜纖芯都是單個模式傳輸,七個纖芯模式相互疊加,形成七個超模,由于n56小于n78且占空比較大,其中六個超模被抑制,只輸出一個超模。
進一步的,通過折射率梯度和較大的占空比,纖芯區(qū)域一(22)的一個第一多芯單元(9)輸出一個超模,纖芯區(qū)域二(23)的六個第二多芯單元(17)輸出六個超模,七個超模相互疊加競爭,由于(n1<n2)<(n3<n4)>(n5<n6)<(n7<n8),且占空比較大,其中六個超模被抑制,只輸出一個同相位超模。
進一步的,所述微結(jié)構(gòu)空氣管孔單元(20)的空氣管孔直徑大小根據(jù)設(shè)計要求調(diào)整;空氣孔直徑越大,微包層的有效折射率越接近1,直徑越小,微包層的有效折射率越接近石英的折射率,通過空氣孔大小來調(diào)整該光纖的模式。
進一步的,纖芯區(qū)域一(22)、纖芯區(qū)域二(23)、內(nèi)包層區(qū)域(24)中所有的制備單元均采用第一次堆管法制備完成,然后采用第二次堆管法重復(fù)堆疊第一次堆管法獲得的少數(shù)毛細管,按照纖芯區(qū)域一(22)、纖芯區(qū)域二(23)、內(nèi)包層區(qū)域(24)從內(nèi)到外排列即可,避免了一次堆疊法堆疊大量毛細管造成的人力消耗和毛細管破損。
總體而言,通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比,能夠取得下列有益效果:
(1)本發(fā)明通過梯度摻雜芯棒和大占空比結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多個纖芯的耦合和超模的自身選模,抑制高階模和其他超模,實現(xiàn)單模運轉(zhuǎn)。
(2)相比傳統(tǒng)光纖,本發(fā)明的梯度摻雜多芯微包層光纖的模場面積可以隨著纖芯數(shù)量的增多而倍數(shù)增加,從而可以有效抑制熱聚焦效應(yīng),可以作為大功率光纖激光系統(tǒng)良好的種子源。
(3)本發(fā)明的梯度摻雜多芯微包層光纖通過兩個纖芯區(qū)域的二次模式競爭,可實現(xiàn)自身同相位超模輸出,而不必搭建外部的選模系統(tǒng),即可輸出光束質(zhì)量良好的激光。
(4)本發(fā)明的制備方法可以靈活制備不同摻雜濃度的多芯單元,且纖芯的數(shù)量可以靈活選擇,不會因為纖芯數(shù)量增多而制備工藝變得復(fù)雜難以實現(xiàn);
(5)本發(fā)明將光纖的包層是由微結(jié)構(gòu)空氣孔單元構(gòu)成,這種微結(jié)構(gòu)空氣孔單元不但可以與纖芯一起構(gòu)成良好的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),而且大大降低了大量毛細管堆疊的技術(shù)和體力的要求,提高了精準度。
(6)本發(fā)明的所述的多芯單元與微結(jié)構(gòu)空氣孔單元在一次拉制后可以經(jīng)過挑選后再使用,從而大大降低了破損、污染、缺陷等問題對光纖性能的影響。
(7)本發(fā)明的所述的多芯單元可以同時獲得多根,大大節(jié)約了芯棒材料和多次制備的誤差。
附圖說明
圖1是本發(fā)明纖芯區(qū)域一的多芯單元構(gòu)成示意圖;
圖2是本發(fā)明纖芯區(qū)域二的多芯單元構(gòu)成示意圖;
圖3是本發(fā)明內(nèi)包層微結(jié)構(gòu)空氣孔單元構(gòu)成示意圖;
圖4是本發(fā)明梯度摻雜多芯的微結(jié)構(gòu)包層光纖的橫截面示意圖;
圖5是本發(fā)明梯度摻雜多芯的微結(jié)構(gòu)包層光纖的橫截面折射率示意圖。
在所有附圖中,相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu),其中:1-石英套管;2-光纖芯棒n1;3-光纖芯棒n2;4-第一環(huán)形梯度摻雜纖芯;5-光纖芯棒n3;6-光纖芯棒n4;7-第二環(huán)形梯度摻雜纖芯;8-第一多芯單元的預(yù)制棒;9-第一多芯單元;10-光纖芯棒n5;11-光纖芯棒n6;12-第三環(huán)形梯度摻雜纖芯;13-光纖芯棒n7;14-光纖芯棒n8;15-第四環(huán)形梯度摻雜纖芯;16-第二多芯單元的預(yù)制棒;17-第二多芯單元;18-空心毛細管;19-微結(jié)構(gòu)空氣孔單元預(yù)制棒;20-微結(jié)構(gòu)空氣孔單元;21-梯度摻雜多芯的微結(jié)構(gòu)包層光纖;22-纖芯區(qū)域一;23-纖芯區(qū)域二;24-內(nèi)包層區(qū)域。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實施例,對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。此外,下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
下面,參照圖1~5,詳細地說明本發(fā)明所涉及的多芯光纖的各實施方式。此外,在附圖的說明中,對于相同要素標(biāo)注相同標(biāo)號,省略重復(fù)說明。
圖1是本發(fā)明纖芯區(qū)域一的多芯單元構(gòu)成示意圖。光纖芯棒n12的摻雜濃度是0.20mol/L,折射率為1.4572,光纖芯棒n23的摻雜濃度是0.21mol/L,折射率為1.4573,將一根光纖芯棒n12和6根光纖芯棒n23堆疊成端面為正六邊形的柱體,套上石英套管1,經(jīng)過拉絲系統(tǒng)制備成纖芯區(qū)域一環(huán)形梯度摻雜芯棒n124。光纖芯棒n35的摻雜濃度是0.22mol/L,折射率為1.4574,光纖芯棒n46的摻雜濃度是0.23mol/L,折射率為1.4575,將一根光纖芯棒n35和六根光纖芯棒n46堆疊成端面為正六邊形的柱體,套上石英套管1,經(jīng)過拉絲系統(tǒng)制備成纖芯區(qū)域一環(huán)形梯度摻雜芯棒n347。將一根纖芯區(qū)域一環(huán)形梯度摻雜芯棒n124和六根纖芯區(qū)域一環(huán)形梯度摻雜芯棒n347堆疊成端面為正六邊形的柱體,套上石英套管1制成纖芯區(qū)域一的多芯單元的預(yù)制棒8,經(jīng)過拉絲系統(tǒng)制備成纖芯區(qū)域一的多芯單元9。
圖2是本發(fā)明纖芯區(qū)域二的多芯單元構(gòu)成示意圖。光纖芯棒n510的摻雜濃度是0.24mol/L,折射率為1.4576,光纖芯棒n611的摻雜濃度是0.25mol/L,折射率為1.4577,將一根光纖芯棒n510和六根光纖芯棒n611堆疊成端面為正六邊形的柱體,套上石英套管1,經(jīng)過拉絲系統(tǒng)制備成纖芯區(qū)域二環(huán)形梯度摻雜芯棒n5612。光纖芯棒n713的摻雜濃度是0.26mol/L,折射率為1.4578,光纖芯棒n814的摻雜濃度是0.27mol/L,折射率為1.4579,將一根光纖芯棒n713和六根光纖芯棒n814堆疊成端面為正六邊形的柱體,套上石英套管1,經(jīng)過拉絲系統(tǒng)制備成纖芯區(qū)域二環(huán)形梯度摻雜芯棒n7815。將一個纖芯區(qū)域二環(huán)形梯度摻雜芯棒n5612和六個纖芯區(qū)域二環(huán)形梯度摻雜芯棒n7815堆疊成端面為正六邊形的柱體,套上石英套管1制成纖芯區(qū)域二的多芯單元的預(yù)制棒16,經(jīng)過拉絲系統(tǒng)制備成纖芯區(qū)域一的多芯單元17。
圖3是本發(fā)明內(nèi)包層微結(jié)構(gòu)空氣孔單元構(gòu)成示意圖。將七根空心毛細管18堆疊成端面為正六邊形的柱體,套上石英套管1制成微結(jié)構(gòu)空氣孔單元預(yù)制棒19,經(jīng)過拉絲系統(tǒng)制備成微結(jié)構(gòu)空氣孔單元20。
圖4是本發(fā)明梯度摻雜多芯的微結(jié)構(gòu)包層光纖的橫截面示意圖。將一個纖芯區(qū)域一的多芯單元9、六個纖芯區(qū)域一的多芯單元17和十二個微結(jié)構(gòu)空氣孔單元20從內(nèi)到外緊密排列,經(jīng)過拉絲系統(tǒng),制備成梯度摻雜的多芯的微結(jié)構(gòu)包層21。
圖5是本發(fā)明梯度摻雜多芯的微結(jié)構(gòu)包層光纖的橫截面折射率示意圖。將光纖的預(yù)制棒按照圖5的順序排列,實現(xiàn)高階模的損耗泄露,同時,纖芯區(qū)域不同的折射率差,使得纖芯耦合產(chǎn)生的很多超模都截止,只有同相位超模在纖芯中傳輸。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解,以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。