帶損耗伴芯的大模場(chǎng)光纖的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖，特別是一種帶損耗伴芯的大模場(chǎng)光纖。
技術(shù)背景
[0002]對(duì)于歸一化頻率>2.405的光纖纖芯，除了支持基模(LPo1)傳輸外，還會(huì)支持一些高階模(如的傳輸。高階模的發(fā)散角要較基模的大許多，因此高階模的存在會(huì)降低光斑的亮度。此外，對(duì)于纖芯是稀土激活的情況，高階模還會(huì)引起模式競(jìng)爭(zhēng)的問題，進(jìn)而降低激光的光束質(zhì)量和穩(wěn)定性。高亮度光纖激光器一直是各國關(guān)注的焦點(diǎn)，因其在工業(yè)、科學(xué)研究和國防等領(lǐng)域的重要應(yīng)用。受非線性效應(yīng)(如受激拉曼散射、受激布里淵散射、自聚焦等)的制約，當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)是增大纖芯傳導(dǎo)模式的模場(chǎng)面積(即大模場(chǎng)光纖)，以此來提高非線性效應(yīng)的閾值。目前大模場(chǎng)光纖的研究方向可分為以下兩類:一類是通過降低纖芯的數(shù)值孔徑來增大纖芯直徑，其代表是光子晶體光纖(photonic crystal fiber,PCF)、大跨度光子晶體光纖(large pitch fiber，LPF)、泄露通道光纖(leakage channelfiber，LCF)等；另一類是直接增大纖芯直徑，但通過模式耦合作用將高階模從纖芯中分離出來，其代表是手性親合光纖(chirally-coupled-core f iber, CCC)。
[0003]PCF等光纖的特點(diǎn)是增益纖芯的折射率與鄰近內(nèi)包層的折射率幾乎相同，即數(shù)值孔徑極低。這類光纖結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是其增益纖芯對(duì)光的束縛能力很弱，因此該類光纖的彎曲損耗很大，失去了光纖靈活性的優(yōu)勢(shì)。此外，制備這類光纖的關(guān)鍵是調(diào)控增益纖芯折射率，使之與包層的折射率相同，工藝難度極大。CCC光纖是借助手性耦合結(jié)構(gòu)將多模纖芯的高階模從增益纖芯中分離出來，從而大幅提高高階模的閾值，使得基模起振產(chǎn)生高亮度激光。該種光纖保留了傳統(tǒng)雙包層光纖的柔性特點(diǎn)，使用靈活性高，此外還兼有PCF等光纖的纖芯模場(chǎng)面積大、光束質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。然而CCC光纖在制備工藝和高階模損耗問題上存在難點(diǎn)。(I )CCC光纖的制備工藝要求很高，一般的科研單位或企業(yè)很難制備。這種光纖的制備，需要將光纖預(yù)制棒進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，易留下界面問題。當(dāng)光纖在高功率下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這些界面問題會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的發(fā)熱問題。(2)CCC光纖的手性結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒏唠A模從增益纖芯中分離出來，但不能對(duì)高階模產(chǎn)生損耗。分離出來的高階模會(huì)進(jìn)入包層形成包層模，這會(huì)給全光纖的使用帶來麻煩。此外，該包層模在一定情況下會(huì)回到增益纖芯，造成模式競(jìng)爭(zhēng)，從而影響激光的穩(wěn)定性。中國專利(201410798980.4)對(duì)CCC光纖進(jìn)行了改進(jìn)，即通過采用兩種以上的伴芯(該專利稱側(cè)芯)來進(jìn)一步增大增益纖芯的模場(chǎng)直徑，但高階模導(dǎo)入包層形成包層模的問題并沒有解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在克服上述CCC光纖現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種帶損耗伴芯的大模場(chǎng)光纖，該大模場(chǎng)光纖大大降低了制備工藝的難度，解決CCC光纖高階模導(dǎo)入包層的問題。能獲得光束質(zhì)量好的光纖。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0006]—種帶損耗伴芯的大模場(chǎng)光纖，包括玻璃材料的增益纖芯、內(nèi)包層和外包層，其特點(diǎn)是在所述的增益纖芯的周圍引入與所述的增益纖芯平行的k根損耗伴芯，k 2 2，所述的增益纖芯、內(nèi)包層、外包層和損耗伴芯的折射率分別為n1、n2、n3和m且ni>n2>n3，n4^ m，所述的損耗伴芯的最大折射率與所述的增益纖芯的折射率之差為Δ，-4 X 10—4〈 Δ =n4max-ni〈l.2\10—3，所述的增益纖芯的直徑為3，所述的損耗伴芯的直徑為13，2(^111^〈4.25(1112-1122)一1/2，且0.12a〈b〈a，所述的損耗伴芯與所述的增益纖芯的芯間距為Λ，0.5(a+b)〈 Λ〈(a+13)，所述的近鄰損耗伴芯之間的芯間距為(1，0.52人〈(1〈1.74人，所述的增益纖芯的增益為(1，所述的損耗伴芯的損耗為Y，α< γ <200αο
[0007]所述的內(nèi)包層的結(jié)構(gòu)為圓形、D型、六角型、八角型、矩形或梅花型。
[0008]所述的增益纖芯是釹摻雜或鐿摻雜的玻璃材料，所述的損耗伴芯是銅摻雜或釤摻雜的玻璃材料。
[0009]所述的損耗伴芯是具有m種相同或不同的直徑、折射率或損耗的損耗伴芯，I<
ko
[0010]所述的損耗伴芯的材料是石英玻璃、磷酸鹽玻璃或硅酸鹽玻璃。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)效果:
[0012]借鑒多芯光纖的模式耦合特性，可通過光纖設(shè)計(jì)(材料損耗、材料折射率、幾何尺寸和芯間距)，選擇合適的損耗伴芯來實(shí)現(xiàn)對(duì)增益纖芯高階模的分離和損耗，從而大幅提升激光的亮度，我們稱這種光纖為異質(zhì)多芯調(diào)控大模場(chǎng)光纖。其優(yōu)點(diǎn)在于該光纖具備類似于CCC光纖的高階模分離作用，區(qū)別在于用無手性的損耗伴芯(即直的伴芯)來代替CCC光纖的手性耦合結(jié)構(gòu)，從而大大降低了光纖的制備難度。此外，該光纖的損耗伴芯還具有損耗高階模的作用，不會(huì)有高階模導(dǎo)入包層的問題存在，增大了實(shí)用性。
[0013]本發(fā)明帶損耗伴芯的大模場(chǎng)光纖，能夠使得增益纖芯的高階模從增益纖芯中耦合到損耗伴芯中傳輸并被損耗掉，從而可大幅提升輸出激光的亮度。
[0014]本發(fā)明帶損耗伴芯的大模場(chǎng)光纖，可利用類似于多芯光纖的制備方法拉制，在較大增益纖芯直徑(> 20μπ?)下，且不采取小半徑彎曲、拉錐等任何限模措施，仍能獲得較高亮度的激光輸出。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明帶損耗伴芯的大模場(chǎng)光纖一個(gè)實(shí)施例的橫截面示意圖。
具體實(shí)施方案
[0016]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不因以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0017]先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明帶損耗伴芯的大模場(chǎng)光纖一個(gè)實(shí)施例的橫截面示意圖。由圖可見，本發(fā)明帶損耗伴芯的大模場(chǎng)光纖，包括增益纖芯1、內(nèi)包層2和外包層3，其特點(diǎn)是在所述的增益纖芯I的周圍引入與所述的增益纖芯I平行的k根損耗伴芯4，k 2 2，所述的增益纖芯1、內(nèi)包層2、外包層3和損耗伴芯4的折射率分別為n1、n2、n3和m且ni>n2>n3，n4 >n2，所述的損耗伴芯4中的最大折射率與所述的增益纖芯I折射率之差為Δ，-4X 10—4〈 Δ =n4max-ni<l.2 X 10—3，所述增益纖芯I的直徑為a，損耗伴芯4的直徑為b，20ym < a<4.25(m2-n22)—1/2，且0.12a〈b〈a，所述的損耗伴芯I和所述的增益纖芯4的芯間距為Λ，0.5(a+b)〈A〈(a+b)，所述的近鄰損耗伴芯4之間的芯間距為d，0.52 Λ <d〈l.74 Λ，所述的增益纖芯I的增益為α，所述的損耗伴芯4的損耗為γ，α< γ〈200α。
[0018]本發(fā)明帶損耗伴芯的大模場(chǎng)光纖，可采用類似于多芯光纖的制備方法拉制，在較大增益纖芯直徑(> 20μπ?)下，且不采取小半徑彎曲、拉錐等任何限模措施，仍能獲得較高亮度的激光輸出。
[0019]實(shí)施例1
[0020]釹離子摻雜磷酸鹽大模場(chǎng)光纖，增益纖芯ηι、內(nèi)包層Π2、外包層Π3和損耗伴芯ru的折射率分別為:1.5460、1.5454、1.5212和1.5460。當(dāng)增益纖芯的直徑a為35μπι時(shí)，增益纖芯為多模纖芯，將支持除基模LPo1傳輸外，還支持高階模LP11、LP2dPLPQ2。不同的傳輸模式具有不同的傳播常數(shù)(或等有效折射率)，四種模式的傳播常數(shù)分別記為β(η、βη、β21和說2。此時(shí)在增益纖芯的周圍引入損耗伴芯，損耗伴芯也會(huì)存在傳輸模式，如LPQ1’、LPn’和LPQ2’(對(duì)應(yīng)的傳播常數(shù)分別為β(η’、βη’和說2’)等。選擇合適的損耗伴芯的直徑(b)和芯間距(Λ)，可使得損耗伴芯的基模LPo1 ’和增益纖芯高階模LP11、LP2dPLPQ2產(chǎn)生耦合(即傳輸常數(shù)相同)，從而增益纖芯的高階模導(dǎo)入到損耗伴芯中傳輸。例如當(dāng)損耗伴芯的直徑為18.6μπι時(shí)，增益纖芯的LPn與損耗伴芯的LPQ1’滿足耦合條件(βη = β(π’)。當(dāng)在損耗伴芯中引入合適的損耗時(shí)，可使得增益纖芯的高階模LPn、LP2^LPQ2受到抑制而不能起振產(chǎn)生激光。本實(shí)施例，選取損耗伴芯的數(shù)量k為6，按逆時(shí)針方向構(gòu)成六角排布，其直徑b分別為18.6μπι、I Ιμπι、18.6μπι、I Ιμ??、18.6μηι和Ι?μπι，芯間距Λ為30μηι，芯間距d為30μηι，激光波長為1.053μηι，損耗伴芯是釤離子摻雜的磷酸鹽玻璃，增益纖芯的增益α為0.08dB/cm，損耗伴芯的損耗γ為0.2dB/cmo
[0021]計(jì)算結(jié)果表明，在該光纖結(jié)構(gòu)下增益纖芯的高階模LPn、LP2dPLPQ2將從纖芯中耦合到損耗伴芯中傳輸并獲得損耗，其損耗分別為0.04dB/cm、0.02dB/cm和0.074dB/cm,因此增益纖芯的高階模受到抑制，不能起振產(chǎn)生激光。基模LPo1則繼續(xù)在纖芯中傳輸，并獲得0.07dB/cm的增益而起振產(chǎn)生激光。該結(jié)構(gòu)下，輸出激光的光束質(zhì)量能夠得到改善，激光的亮度得到提升。
[0022]實(shí)施例2
[0023]釹離子摻雜硅酸鹽大模場(chǎng)光纖，主要參數(shù):m = I.5248，n2= 1.5240，ru= 1.5244，a= b = 24ym，k = 2，A = 28μηι,d = 39.6μηι,α = 0.04dB/cm, γ =0.2dB/cm，損耗伴芯按逆時(shí)針方向成直角排布，激光波長為1.064μπι，損耗伴芯是銅離子摻雜的硅酸鹽玻璃。
[0024]計(jì)算結(jié)果表明，在該光纖結(jié)構(gòu)下，增益纖芯的高階模LPn、LP2dPLPQ2將從纖芯中耦合到損耗伴芯中傳輸而獲得損耗，其損耗是0.0035dB/cm、0.07dB/m和0.05dB/m，因此高階模模式受到抑制，不能起振產(chǎn)生激光，此時(shí)纖芯的基模LPo1繼續(xù)在纖芯中傳輸，獲得
0.0 3 5 4dB/ Cm的增益而起振產(chǎn)生激光。該結(jié)構(gòu)下，輸出激光的光束質(zhì)量能夠得到改善，進(jìn)而提高激光的亮度。
[0025]實(shí)施例3
[0026]釹離子摻雜石英大模場(chǎng)光纖，主要參數(shù):ηι = 1.4511，n2 = l.4497，ru=l.4523，a =40ym，k=12，A = 28ym,d = 14.5μηι,a = 1.2dB/m, γ =12dB/m，損耗伴芯按逆時(shí)針方向構(gòu)成圓環(huán)排布，其直徑b分別為8.2ym、8.2ym、8.2ym、7.lym、7.lym、7.1μηι、6.0μηι、6.0μηι、6.Ομπι、5.Ομπι、5.Ομπι和5.Ομπι，激光波長為1.08μπι，損耗伴芯是釤離子摻雜的石英玻璃。
[0027]計(jì)算結(jié)果表明，增益纖芯的主要高階模LPn、LP21、LP()2、LP31、LP1:^PLP4i將從纖芯中耦合到損耗伴芯中傳輸并獲得損耗，其損耗分別為2.48dB/m、2.5dB/m、2.4dB/m、0.93dB/m、
0.39dB/m和1.ldB/m，因此增益纖芯的主要高階模受到抑制，不能起振產(chǎn)生激光?；Pq1則繼續(xù)在纖芯中傳輸，并獲得1.09dB/m的增益而起振產(chǎn)生激光。該結(jié)構(gòu)下，輸出激光的光束質(zhì)量能夠得到改善，激光的亮度得到提升。
[0028]實(shí)施例4
[0029]鐿離子摻雜石英大模場(chǎng)光纖，主要參數(shù):m = l.4520，n2 = l.4497，ru=l.4520，a =20μηι, b = I Ομπι, k = 3, Λ =18ym，d = 31.2μηι, α = 1.2dB/m, γ =36dB/m，損耗伴芯按逆時(shí)針方向構(gòu)成三角排布，激光波長為I.06μπι，損耗伴芯是銅離子摻雜的石英玻璃。
[0030]計(jì)算結(jié)果表明，增益纖芯的高階模LPn、LP2dPLPQ2將從纖芯中耦合到損耗伴芯中傳輸并獲得損耗，其損耗分別為3.26dB/m、0.08dB/m和1.09dB/m,因此增益纖芯的高階模受到抑制，不能起振產(chǎn)生激光?；Po1