一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤

摘要

一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤，属于大功率光纤放大器、激光器、特种光纤。该光纤中心是掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布内包层(2)，围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布的N个相同半径和弧度的瓣状纤芯(3,1)……(3,N)，外包层(4)；掺稀土离子芯区(1)的折射率剖面呈抛物线形，最大相对折射率差Δ＝(n1‑n2)，瓣状纤芯的折射率相等，为n1；内包层(2)的折射率小于瓣状纤芯的折射率，为n2。本发明的抛物线芯最大相对折射率差Δ大于0.002，用传统方法易于制作，解决了瓣状光纤弯曲特性差以及抛物线光纤制作难度大的问题。瓣状纤芯可由一根光纤预制棒制作而成，节省材料、便于制造，适用于大规模生产。

权利要求

1.抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤，其特征为：该光纤中心是折射率为抛物线的掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布的N个相同半径和弧度的瓣状纤芯(3,1)……(3，N)，内包层(2)，外包层(4)，3≤N≤32整数；其中所述内包层(2)延伸至相邻瓣状纤芯(3,1)……(3，N)之间的间隙之中；掺稀土离子芯区(1)的纤芯半径R1为10～30μm；瓣状纤芯(3,1)……(3,N)的半径d为30～50μm；瓣状纤芯(3,1)、(3,

2)……(3,N)围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布，瓣状纤芯由一根光纤预制棒处理成，各块瓣状纤芯弧度等于360°/N；以上所述瓣状纤芯的形状为扇形；

掺稀土离子芯区(1)的折射率剖面呈抛物线形，最大相对折射率差Δ＝(n1-n2)，为

0.002～0.007；稀土离子芯区(1)的中心、瓣状纤芯(3,1)……(3,N)的折射率相等，为n1；内包层(2)的折射率小于瓣状纤芯(3,1)……(3,N)的折射率，为n2；外包层(4)的折射率小于内包层(3)的折射率。

2.根据权利要求1所述的抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤，其特征为：掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(3,1)……(3,N)的掺稀土离子类型包括钕离子、铒离子、镱离子、钍离子、镨离子、钬离子、钐离子、钕镱共掺离子或铒镱共掺离子；掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(3,1)……(3,N)的掺稀土离子类型相同。

说明书

一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤

技术领域

[0001] 本发明涉及一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤，属于大功率光纤放大器、激光器、特种光纤领域。

背景技术

[0002] 掺稀土光纤放大器或激光器采用掺稀土元素(Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm，Yb等)离子光纤，利用受激辐射机制实现光的直接放大。

[0003] 光纤激光器以其卓越的性能和低廉的价格，在光纤通信、工业加工、医疗、军事等领域取得了日益广泛的应用，2010年已经报道了10kW功率的连续激光器。随着激光技术应用的发展，材料加工、空间通信、激光雷达、光电对抗、激光武器等的发展，需要高功率、高质量的激光，要求单模输出功率达到MW甚至GW量级。然而，非线性效应限制了功率的增加。增加模场面积是抑制非线性效应的一个有效方法。2011年，Tino Eidam等人发现模式不稳现象是损害高功率光束质量的主要因素。导致模式不稳的因素包括横向烧孔、发热引起的光纤折射率变化等，这些使得高阶模式获得更高的增益。因此，抑制高阶模式，保持单模运行，是提高高功率光纤激光器和放大器性能的重要方式之一。

[0004] 这些年来，许多新型的强激光光纤已经被设计和制造。但是大部分的强激光光纤都有一定的缺陷，比如结构复杂、制造难度大、弯曲特性差等。

[0005] 由于现有的制造技术限制，利用传统光纤制造方法很难实现数值孔径低于0.05的阶跃型光纤。

[0006] 而仅仅采用单模有源纤芯的双包层掺稀土光纤激光器，由于单模有源纤芯芯径小于等于10微米，受到非线性、结构元素和衍射极限的限制，承受的光功率有限，单模有源光纤纤芯连续波损坏阈值约1W/m2，其光学损坏危险成为实现大功率单模光纤激光器的一大挑战.除了光学损坏外，由于大功率光产生的热也会损坏光纤，甚至会最终融化纤芯。有文献报道，铒镱共掺光纤激光器每米可产生100W热。

[0007] 光子晶体光纤可以实现超大模场面积，不过其受到弯曲损耗的困扰，制造难度大、成本高。

[0008] 多芯光纤激光器实现单模输出，有效模场面积可达到465μm2。然而这种单模激光器采用的多芯光纤，对光纤纤芯的芯径以及相邻纤芯之间的距离需要精确的设计，对光纤纤芯之间的距离的容许误差小，批量生产成品率低。

[0009] 瓣状光纤通过选取特定的光纤参数，能够实现单模工作。这种光纤，其特定的结构是增加基模以外的损耗，实现了在芯层直径在50微米的光纤中实现单模工作，然而其功率的提高受限于芯层半径。

[0010] 多沟槽光纤是一种新型光纤，通过多层形芯环绕，实现单模工作。这种光纤，工艺要求高，与普通光纤连接损耗大，弯曲引起的双折射是克服不了的难题。

[0011] 抛物线形折射率光纤具有天然抗弯曲的特性，可以在弯曲的情况下，实现大模场面积、良好的高阶模式抑制、降低有源光纤中高阶模式增益，但是当光纤纤芯较大、弯曲半径较小时，为实现较好的高阶模式抑制，此设计顶端与包层的折射率差要足够小，类似于阶跃型折射率强激光光纤遇到的困难，传统的光纤制造技术难以实现如此低的折射率差。

发明内容

[0012] 为克服现有传统光纤数值孔径受限、单芯多掺稀土离子区双包层光纤承受光功率有限、光子晶体光纤空气孔制作难度大、大模场单模多芯光纤批量生产成品率低、瓣状光纤芯层直径有限、多沟槽光纤弯曲敏感以及抛物线形光纤难以制造等缺陷，提出了一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤。

[0013] 本发明的技术方案：

[0014] 1.抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤，该光纤中心为掺稀土离子芯区，由内到外分布围绕掺稀土离子芯区均匀分布的N个相同半径和弧度的瓣状纤芯，内包层，外包层，3≤N≤32整数；

[0015] 掺稀土离子芯区的折射率剖面呈抛物线形，最大相对折射率差Δ＝(n1-n2)，瓣状纤芯的折射率相等，为n1；内包层的折射率小于瓣状纤芯的折射率，为n2；外包层的折射率小于内包层的折射率。

[0016] 2.掺稀土离子芯区、瓣状纤芯的掺稀土离子类型包括钕离子、铒离子、镱离子、钍离子、镨离子、钬离子、钐离子、钕镱共掺离子或铒镱共掺离子；掺稀土离子芯区、瓣状纤芯的掺稀土离子类型相同。

[0017] 3.掺稀土离子芯区的纤芯半径R1为10～30μm；瓣状纤芯的半径为30～50μm。

[0018] 4.瓣状纤芯(3,1)、(3,2)……(3,N)围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布，瓣状纤芯由一根光纤预制棒处理成，各块瓣状纤芯弧度等于360°/N。

[0019] 本发明的有益效果具体如下：设计了一种抛物线芯耦合瓣状芯的大模场抗弯曲单模光纤，解决了瓣状光纤弯曲特性差以及抛物线光纤制作难度大的问题，提高了光纤的抗弯曲性能以及降低了制作难度，能在改善瓣状光纤弯曲特性的情况下实现大功率的激光输出。抛物线芯最大相对折射率差Δ大于0.002，用传统方法易于制作。瓣状纤芯可由一根光纤预制棒制作而成，节省材料、便于制造。通过调整光纤中心掺稀土离子芯区的直径和最大相对折射率差、以及掺稀土瓣状纤芯的数量和半径，实现光纤大的有效模场面积，能实现大功率单模激光输出。由于瓣状光纤的角度可通过瓣的数量调节，从而有利于实现纤芯热扩散，有效地提高了光纤的抗热能力和单模特性。

附图说明

[0020] 图1是本发明光纤一个实施例的折射率剖面示意图和对应的光纤(3瓣)截面示意图。

[0021] 图2是本发明光纤一个实施例的折射率剖面示意图和对应的光纤(4瓣)截面示意图。

[0022] 图3是本发明光纤一个实施例的折射率剖面示意图和对应的光纤(6瓣)截面示意图。

[0023] 图4是本发明光纤另一个实施例的折射率剖面示意图和对应的光纤(16瓣)截面示意图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图对本发明作进一步描述。

[0025] 实施例一

[0026] 抛物线芯耦合3瓣芯的大模场抗弯曲单模光纤，参见图1。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布3个相同半径和弧度的瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，内包层(2)，外包层(4)，本实例中N＝3；

[0027] 掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)的掺稀土离子类型均为铒离子。

[0028] 掺稀土离子芯区(1)的中心、瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)的折射率相等；

[0029] 掺稀土离子芯区(1)最大相对折射率差Δ＝(n1-n2)＝0.005，内包层(2)的折射率小于瓣状纤芯(3,1)的折射率，外包层(4)的折射率小于内包层(2)的折射率

[0030] 掺稀土离子芯区(1)的直径为50μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为120°[0031] 实施例二

[0032] 抛物线芯耦合4瓣芯的大模场抗弯曲单模光纤，参见图2。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布4个相同半径和弧度的瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)，内包层(2)，外包层(4)，本实例中N＝4；

[0033] 掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)的掺稀土离子类型均为铒离子。

[0034] 掺稀土离子芯区(1)的中心、瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)的折射率相等；

[0035] 掺稀土离子芯区(1)最大相对折射率差Δ＝(n1-n2)＝0.004，内包层(2)的折射率小于瓣状纤芯(3,1)的折射率，外包层(4)的折射率小于内包层(2)的折射率

[0036] 掺稀土离子芯区(1)的直径为50μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为90°[0037] 实施例三

[0038] 抛物线芯耦合6瓣芯的大模场抗弯曲单模光纤，参见图3。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布6个相同半径和弧度的瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)、(3,5)、(3,6)，内包层(2)，外包层(4)，本实例中N＝6；

[0039] 掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)、(3,5)、(3,6)的掺稀土离子类型均为铒离子。

[0040] 掺稀土离子芯区(1)的中心、瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)、(3,5)、(3,6)的折射率相等；

[0041] 掺稀土离子芯区(1)最大相对折射率差Δ＝(n1-n2)＝0.004，内包层(2)的折射率小于瓣状纤芯(3,1)的折射率，外包层(4)的折射率小于内包层(2)的折射率

[0042] 掺稀土离子芯区(1)的直径为40μm，瓣状纤芯的半径为20μm，角度为60°[0043] 实施例四

[0044] 抛物线芯耦合16瓣芯的大模场抗弯曲单模光纤，参见图4。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，围绕掺稀土离子芯区(1)均匀分布16个相同半径和弧度的瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)、(3,5)、(3,6)、(3,7)、(3,8)、(3,9)、(3,10)、(3,11)、(3,12)、(3,13)、(3,
14)、(3,15)、(3,16)，内包层(2)，外包层(4)，本实例中N＝16；

[0045] 掺稀土离子芯区(1)、瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)、(3,5)、(3,6)、(3,7)、(3,8)、(3,9)、(3,10)、(3,11)、(3,12)、(3,13)、(3,14)、(3,15)、(3,16)的掺稀土离子类型均为铒离子。

[0046] 掺稀土离子芯区(1)的中心、瓣状纤芯(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)、(3,5)、(3,6)、(3,7)、(3,8)、(3,9)、(3,10)、(3,11)、(3,12)、(3,13)、(3,14)、(3,15)、(3,16)的折射率相等；

[0047] 掺稀土离子芯区(1)最大相对折射率差Δ＝(n1-n2)＝0.003，内包层(2)的折射率小于瓣状纤芯(3,1)的折射率，外包层(4)的折射率小于内包层(2)的折射率

[0048] 掺稀土离子芯区(1)的直径为30μm，瓣状纤芯的半径为30μm，角度为22.5°。