一種單模纖芯耦合多層摻稀土環形纖芯的光纖的製作方法
2023-10-20 13:33:52 1
專利名稱：一種單模纖芯耦合多層摻稀土環形纖芯的光纖的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種單模纖芯耦合多層摻稀土環形纖芯的光纖，屬於大功率光纖放大
器、雷射器、特種光纖領域。
背景技術：
摻稀土光纖放大器或雷射器採用摻稀土元素(Nd， Sm， Ho， Er， Pr， Tm， Yb等)離子 光纖，利用受激輻射機制實現光的直接放大。 光纖雷射器以其卓越的性能和低廉的價格，在光纖通信、工業加工、醫療、軍事等 領域取得了日益廣泛的應用。儘管在實驗室已經實現單個光纖輸出超過lkW的單模雷射， 而且實現這種雷射需要嚴格的條件，難以工程應用；但是隨著雷射技術應用的發展，以及 材料加工、空間通信、雷射雷達、光電對抗、雷射武器等的發展，需要高功率、高質量、高強度 和超亮度的雷射，要求單模輸出功率達到麗甚至GW量級。僅僅採用單模有源纖芯的雙 包層摻稀土光纖雷射器，由於單模有源纖芯芯徑小於10ym，受到非線性、結構因素和衍射 極限的限制，承受的光功率密度有限，單模有源光纖纖芯連續波損壞閾值約為lW/i!m2[J. Nilsson， J. K. Sahu， Y. Jeong， W. A. Clarkson， R. Selvas， A. B. Grudinin， and S. U. Alam， "High Power Fiber Lasers :New Developments", Proceedings of SPIEVol. 4974， 50-59(2003)]，其光學損壞危險成為實現大功率單模光纖雷射器的一大挑戰。除了光學 損壞外，由於大功率光產生的熱也會損壞光纖，甚至會最終融化纖芯。有文獻報導，鉺 鐿共摻光纖雷射器每米可產生100W熱[J.Nilsson， S. U. Alam， J. A. Alvarez-Chavez, P. W. Turner, W. A. Clarkson， andA. B. Grudinin， ，， High-power and tunable operation of erbium-ytterbium co-dopedcladding-pumped fiber laser，，， IEEE J. Qimnt咖 Electron. 39， 987-994 (2003)]。 多芯光纖雷射器實現單模輸出，已經得到實驗證實。文獻中採用的多芯光纖 有效模場面積達到465ym2，比普通單模光纖模場面積大得多，因此這種多芯光纖雷射 器會g輸出更高的功率。[Vogel， Moritz M， Abdou-Ahmed， Marwan， Voss， Andreas, Graf， Thomas, "Very_large_mode_area， single-mode multicore fiber，，， Opt丄ett. 34 (18)， 2876-2878(2009)]。然而這種單模雷射器採用的多芯光纖，對光纖纖芯的芯徑以及相鄰纖 芯之間的距離得精確的設計，對光纖纖芯的芯徑一致性要求高，對光纖纖芯的芯徑以及相 鄰纖芯之間的距離的容許誤差小，批量生產成品率低。而且這種多芯光纖的每個纖芯的模 場面積有限，限制了光纖雷射器輸出單模雷射功率的提高。雖然通過多芯光子晶體光纖 可實現達4240iim2模場面積的單模光纖[Michaille， L. ;Bennett， C. R. ;Taylor， D. M.; Sh印herd， T. J. "MulticorePhotonic Crystal Fiber Lasers for High Power/Energy Applications", IEEE Journalof Selected Topics in Quantum Electronics,15 (2)， 328-336 (2009)]，然而這種光纖空氣孔尺寸很難製作一致，成品率低，只能端面泵浦且與普 通光纖連接損耗大。
發明內容
為了克服現有單模光纖與多芯光纖輸出單模雷射功率有限以及隨著光功率的增
加，其抗熱等方面的缺陷，以及現有大模場光纖工藝要求高、成品率低，以及與普通光纖連
接損耗大等缺陷，本發明提供一種單模纖芯耦合多層摻稀土環形纖芯的光纖。 單模纖芯耦合多層摻稀土環形纖芯的光纖，該光纖中心為摻稀土離子芯區，摻稀
土離子芯區外由內到外分布第一矽環芯、第一摻稀土離子環芯、...第N矽環芯、第N摻稀
土離子環芯，第N+l矽環芯，外包層，2《N《50 ; 摻稀土離子芯區、第一摻稀土離子環芯、...第N摻稀土離子環芯的折射率相等， 第一矽環芯、...第N矽環芯、第N+1矽環芯的折射率相等，第一矽環芯、...第N矽環芯、第 N+l矽環芯的折射率低於摻稀土離子芯區、第一摻稀土離子環芯、...第N摻稀土離子環芯 的折射率；外包層的折射率低於第一矽環芯、...第N矽環芯、第N+l矽環芯的折射率。
第一摻稀土離子環芯、...第N摻稀土離子環芯形狀為圓環形、長方環形、橢圓環 形，六邊環形； 摻稀土離子芯區、第一摻稀土離子環芯、...第N摻稀土離子環芯的摻稀土離子類 型包括釹離子、鉺離子、鐿離子、釷離子、鐠離子、鈥離子、釤離子、釹鐿共摻離子、鉺鐿共摻離子。 摻稀土離子芯區、第一摻稀土離子環芯、...第N摻稀土離子環芯的摻稀土離子類 型相同。 摻稀土離子芯區的纖芯直徑小於等於5ym。第一摻稀土離子環芯、第二摻稀土離 子環芯...第N摻稀土離子環芯的各環芯厚度小於等於5 ii m。 摻稀土離子芯區表面與第一摻稀土離子環芯表面的最小距離小於等於5 ii m，第K 摻稀土離子環芯表面與第K-l摻稀土離子環芯表面的最小距離小於等於5 ii m， 2《K《N。
本發明的有益效果具體如下一種單模纖芯耦合多層摻稀土環形纖芯的光纖，能 實現大功率的雷射輸出，通過調整光纖中心摻稀土離子芯區的面積，以及摻稀土離子芯區 與各層摻稀土環形纖芯之間的距離，調節摻稀土離子芯區與各層摻稀土環形纖芯之間的耦 合，實現光纖大的有效模場面積，能實現大功率單模雷射輸出。由於摻稀土離子芯區與各層 摻稀土環形纖芯之間保持一定距離，從而有利於實現纖芯的熱的擴散，有效地提高了光纖 的抗熱能力。由於這種光纖製作工藝上光纖環的厚度與單模纖芯直徑容許誤差大，降低了 光纖的製作難度，降低了光纖與普通光纖熔接損耗，能採用側面泵浦。
圖1為單模纖芯耦合二層摻稀土離子長方環芯的光纖截面圖。
圖2為單模纖芯耦合三層摻稀土離子橢圓環芯的光纖截面圖。
圖3為單模纖芯耦合五層摻稀土離子圓環芯的光纖截面圖。
圖4為單模纖芯耦合五十層摻稀土離子圓環芯的光纖截面圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述。
實施例一
4
單模纖芯耦合二層摻稀土離子長方環芯的光纖，參見圖1。該光纖中心為摻稀土離 子芯區l，摻稀土離子芯區1外由內到外分布第一矽環芯21、第一摻稀土離子環芯41、第二 矽環芯22、第二摻稀土離子環芯42、第三矽環芯23、外包層3 ;本實施例中N層摻稀土離子 長方環芯的光纖N二 2。 摻稀土離子芯區1、第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯42的摻稀土離 子類型均為鉺離子。 摻稀土離子芯區1、第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯42的折射率相 等。第一矽環芯21、第二矽環芯22、第三矽環芯23的折射率相等，第一矽環芯21、第二矽環 芯22、第三矽環芯23的折射率低於摻稀土離子芯區1、第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土 離子環芯42的折射率。外包層3的折射率低於第一矽環芯21、第二矽環芯22、第三矽環芯 23的折射率。 第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯42形狀為長方環形； 摻稀土離子芯區1的纖芯直徑等於2 ii m。第一摻稀土離子環芯41厚度等於3 y m。 摻稀土離子芯區1表面與第一摻稀土離子環芯41表面的最小距離為4 ii m，第二摻
稀土離子環芯42表面與第一摻稀土離子環芯41表面的最小距離等於5 ii m。 實施例二 單模纖芯耦合三層摻稀土離子橢圓環芯的光纖，參見圖2。該光纖中心為摻稀土 離子芯區l，摻稀土離子芯區1外由內到外分布第一矽環芯21、第一摻稀土離子環芯41、第 二矽環芯22、第二摻稀土離子環芯42、第三矽環芯23、第三摻稀土離子環芯43、第四矽環芯 24、外包層3 ;本實施例中N層摻稀土離子橢圓環芯的光纖N = 3。 摻稀土離子芯區1、第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯42、第三摻稀土 離子環芯43的摻稀土離子類型均為鈥離子。 摻稀土離子芯區1、第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯42、第三摻稀土 離子環芯43的折射率相等。第一矽環芯21、第二矽環芯22、第三矽環芯23、第四矽環芯24 的折射率相等。第一矽環芯21、第二矽環芯22、第三矽環芯23、第四矽環芯24的折射率低 於摻稀土離子芯區1、第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯42、第三摻稀土離子環 芯43的折射率。外包層3的折射率低於第一矽環芯21、第二矽環芯22、第三矽環芯23、第 四矽環芯24的折射率。 第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯42、第三摻稀土離子環芯43形狀為 橢圓環形。 摻稀土離子芯區1的纖芯直徑等於4 ii m。第一摻稀土離子環芯41厚度等於2 y m。
摻稀土離子芯區1表面與第一摻稀土離子環芯41表面的最小距離為2 ii m，第二摻 稀土離子環芯42表面與第一摻稀土離子環芯41表面的最小距離為5 ii m，第三摻稀土離子 環芯43表面與第二稀土離子環芯42面的最小距離為3 ii m。
實施例三 單模纖芯耦合五層摻稀土離子圓環芯的光纖，參見圖3。該光纖中心為摻稀土離子 芯區l，摻稀土離子芯區1外由內到外分布第一矽環芯21、第一摻稀土離子環芯41、第二矽 環芯22、第二摻稀土離子環芯42、第三矽環芯23、第三摻稀土離子環芯43、第四矽環芯24、 第四摻稀土離子環芯44、第五矽環芯25、第五摻稀土離子環芯45、第六矽環芯26、外包層3 ;
5本實施例中N層摻稀土離子圓環芯的光纖N = 5。 摻稀土離子芯區1、第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯42、第三摻稀土 離子環芯43、第四摻稀土離子環芯44、第五摻稀土離子環芯45的折射率相等，第一矽環芯 21、第二矽環芯22、第三矽環芯23、第四矽環芯24、第五矽環芯25、第六矽環芯26的折射率 相等，第一矽環芯21、第二矽環芯22、第三矽環芯23、第四矽環芯24、第五矽環芯25、第六矽 環芯26的折射率低於摻稀土離子芯區1、第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯42、 第三摻稀土離子環芯43、第四摻稀土離子環芯44、第五摻稀土離子環芯45的折射率；外包 層3的折射率低於第一矽環芯21、第二矽環芯22、第三矽環芯23、第四矽環芯24、第五矽環 芯25、第六矽環芯26的折射率。 第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯42、第三摻稀土離子環芯43、第四 摻稀土離子環芯44、第五摻稀土離子環芯45形狀為圓環形。 摻稀土離子芯區1、第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯42、第三摻稀土 離子環芯43、第四摻稀土離子環芯44、第五摻稀土離子環芯45的摻稀土離子類型為釹離子 或鉺離子或鐿離子或釷離子或鐠離子或鈥離子或釤離子或釹鐿共摻離子或鉺鐿共摻離子。
摻稀土離子芯區1、第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯42、第三摻稀土 離子環芯43、第四摻稀土離子環芯44、第五摻稀土離子環芯45的摻稀土離子類型相同。
摻稀土離子芯區1的纖芯直徑小於等於5ym。第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀 土離子環芯42、第三摻稀土離子環芯43、第四摻稀土離子環芯44、第五摻稀土離子環芯45 的各環芯厚度小於等於5ym。 摻稀土離子芯區1表面與第一摻稀土離子環芯41表面的最小距離小於等於5 ii m， 第K摻稀土離子環芯4K表面與第K-l摻稀土離子環芯4， K-l表面的最小距離小於等於 5線2《K《5。
實施例四 單模纖芯耦合五十層摻稀土離子圓環芯的光纖，參見圖4。該光纖中心為摻稀土 離子芯區l，摻稀土離子芯區1外由內到外分布第一矽環芯21、第一摻稀土離子環芯41、第 二矽環芯22、第二摻稀土離子環芯42、第三矽環芯23、第三摻稀土離子環芯43、第四矽環 芯24、第四摻稀土離子環芯44、第五矽環芯25、第五摻稀土離子環芯45、...第五十矽環芯 250、第五十摻稀土離子環芯450、第五十一矽環芯251、外包層3 ;本實施例中N層摻稀土離 子圓環芯的光纖N二50。 摻稀土離子芯區1、第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯42、第三摻稀土 離子環芯43、第四摻稀土離子環芯44、第五摻稀土離子環芯45...第五十摻稀土離子環芯 450的折射率相等。第一矽環芯21、第二矽環芯22、第三矽環芯23、第四矽環芯24、第五矽 環芯25、...第五十矽環芯250、第五i^一矽環芯251的折射率相等。第一矽環芯21、第二 矽環芯22、第三矽環芯23、第四矽環芯24、第五矽環芯25、...第五十矽環芯250、第五i^一 矽環芯251的折射率低於摻稀土離子芯區1、第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯 42、第三摻稀土離子環芯43、第四摻稀土離子環芯44、第五摻稀土離子環芯45...第五十摻 稀土離子環芯450的折射率。外包層3的折射率低於第一矽環芯21、第二矽環芯22、第三 矽環芯23、第四矽環芯24、第五矽環芯25、...第五十矽環芯250、第五i^一矽環芯251的 折射率。
6
第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯42、第三摻稀土離子環芯43、第四 摻稀土離子環芯44、第五摻稀土離子環芯45...第五十摻稀土離子環芯450形狀為圓環形。
摻稀土離子芯區1、第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯42、第三摻稀土 離子環芯43、第四摻稀土離子環芯44、第五摻稀土離子環芯45...第五十摻稀土離子環芯 450的摻稀土離子類型為釹離子或鉺離子或鐿離子或釷離子或鐠離子或鈥離子或釤離子或 釹鐿共摻離子或鉺鐿共摻離子。 摻稀土離子芯區1、第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子環芯42、第三摻稀土 離子環芯43、第四摻稀土離子環芯44、第五摻稀土離子環芯45...第五十摻稀土離子環芯 450的摻稀土離子類型相同。 摻稀土離子芯區1的纖芯直徑為5ym。第一摻稀土離子環芯41、第二摻稀土離子 環芯42、第三摻稀土離子環芯43、第四摻稀土離子環芯44、第五摻稀土離子環芯45...第 五十摻稀土離子環芯450的各環芯厚度均為2 ii m。 摻稀土離子芯區1表面與第一摻稀土離子環芯41表面的最小距離為2iim，第 K摻稀土離子環芯4K表面與第K-l摻稀土離子環芯4， K-l表面的最小距離均為2 y m， 2《K《50。
權利要求
單模纖芯耦合多層摻稀土環形纖芯的光纖，其特徵為該光纖中心為摻稀土離子芯區(1)，摻稀土離子芯區(1)外由內到外分布第一矽環芯(21)、第一摻稀土離子環芯(41)、...第N矽環芯(2N)、第N摻稀土離子環芯(4N)，第N+1矽環芯(2，N+1)，外包層(3)，2≤N≤50；摻稀土離子芯區(1)、第一摻稀土離子環芯(41)、...第N摻稀土離子環芯(4N)的折射率相等，第一矽環芯(21)、...第N矽環芯(2N)、第N+1矽環芯(2，N+1)的折射率相等，第一矽環芯(21)、...第N矽環芯(2N)、第N+1矽環芯(2，N+1)的折射率低於摻稀土離子芯區(1)、第一摻稀土離子環芯(41)、...第N摻稀土離子環芯(4N)的折射率；外包層(3)的折射率低於第一矽環芯(21)、...第N矽環芯(2N)、第N+1矽環芯(2，N+1)的折射率。
2. 根據權利要求1所述的單模纖芯耦合多層摻稀土環形纖芯的光纖，其特徵為摻稀 土離子芯區(1)、第一摻稀土離子環芯(41)、...第N摻稀土離子環芯(4N)的摻稀土離子 類型包括釹離子、鉺離子、鐿離子、釷離子、鐠離子、鈥離子、釤離子、釹鐿共摻離子、鉺鐿共 摻離子；摻稀土離子芯區(1)、第一摻稀土離子環芯(41)、...第N摻稀土離子環芯(4N)的 摻稀土離子類型相同。
3. 根據權利要求1所述的單模纖芯耦合多層摻稀土環形纖芯的光纖，其特徵為摻稀 土離子芯區(1)的纖芯直徑小於等於5 ii m ;第一摻稀土離子環芯(41)、...第N摻稀土離 子環芯(4N)的各環芯厚度小於等於5ym。
4. 根據權利要求1所述的單模纖芯耦合多層摻稀土環形纖芯的光纖，其特徵為摻稀 土離子芯區(1)表面與第一摻稀土離子環芯(41)表面的最小距離小於等於5ym，第K摻稀 土離子環芯(4，K)表面與第K-l摻稀土離子環芯(4，K-l)表面的最小距離小於等於5ym， 2《K《N。
全文摘要
一種單模纖芯耦合多層摻稀土環形纖芯的光纖，屬於大功率光纖放大器、雷射器、特種光纖。該光纖中心為摻稀土離子芯區(1)，由內到外分布第一矽環芯(21)、第一摻稀土離子環芯(41)、...第N+1矽環芯(2，N+1)，外包層(3)，2≤N≤50；摻稀土離子芯區、第一摻稀土離子環芯、...第N摻稀土離子環芯(4N)的折射率相等，第一矽環芯、...第N+1矽環芯的折射率相等，第一矽環芯(21)、...第N+1矽環芯的折射率低於摻稀土離子芯區、第一摻稀土離子環芯、...第N摻稀土離子環芯的折射率；外包層的折射率低於第一矽環芯、...第N+1矽環芯(2，N+1)的折射率，降低了光纖的製作難度，實現光纖大的有效模場面積。
文檔編號H01S3/06GK101764343SQ20101003374
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月8日 優先權日2010年1月8日
發明者劉豔, 周倩, 寧提綱, 張帆, 王春燦, 胡旭東, 裴麗, 譚中偉, 鄭晶晶 申請人:北京交通大學