一种全固态大模场光子带隙光纤.pdf

《一种全固态大模场光子带隙光纤.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种全固态大模场光子带隙光纤.pdf（12页完整版）》请在专利查询网上搜索。

1、(10)申请公布号 CN 103645536 A (43)申请公布日 2014.03.19 CN 103645536 A (21)申请号 201310692966.1 (22)申请日 2013.12.18 G02B 6/02(2006.01) (71)申请人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301 号 (72)发明人 陈明阳 龚天翼 (54) 发明名称 一种全固态大模场光子带隙光纤 (57) 摘要 本发明公开一种全固态大模场光子带隙光 纤， 该光纤包括纤芯和包层， 所述纤芯包括基质材 料 （1） 和排布在正三角网格中的低折射率介质柱 （2） ； 所述包层包括基质材料 （。

2、1） 和排布在正三角 网格中的高折射率介质柱 （3） 。该光纤采用多层 高折射率介质柱来束缚光， 有较强的束缚能力， 使 光纤具有较低的弯曲损耗。光纤中心采用周期排 布的低折射率介质柱来增大基模与高阶模损耗的 差别， 区分基模和高阶模， 从而使光纤达到单模传 输。 由于低折射率介质柱采用的是多层结构， 光纤 还能获得一个大的模场面积。而且本发明的光纤 采用的是全固态的结构， 避免了带空气孔的微结 构光纤在制作、 使用上的困难。 这种光纤可以实现 大模场低弯曲损耗的单模传输。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)。

3、发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图6页 (10)申请公布号 CN 103645536 A CN 103645536 A 1/1 页 2 1. 一种全固态大模场光子带隙光纤， 包括纤芯和包层， 其特征在于 ： 所述纤芯由基质 材料 （1） 和排布在正三角网格中的低折射率介质柱 （2） 所组成， 所述包层由基质材料 （1） 和排布在正三角网格中的高折射率介质柱 （3） 组成 ； 且材料的折射率满足 nh nb nl； 所 述高折射率介质柱 （3） 形成正六边形结构高折射率介质柱层 ； 所述低折射率介质柱 （2） 形 成正六边形结构低折射率介质柱层 ； 所述低折射率介质柱层处于所述高折射。

4、率介质柱层内 侧 ； 其中， nb为基质材料 （1） 的折射率， nl为低折射率介质柱 （2） ， nh为高折射率介质柱 （3） 的折射率。 2. 根据权利要求 1 所述的一种全固态大模场光子带隙光纤， 其特征在于 ： 低折射率介 质柱 （2） 的周期 l与高折射率介质柱 （3） 的周期 h满足 ： h/l= N， 所述 N 为大于 1 的 正整数 ； 低折射率介质柱 （2） 的周期 l与低折射率介质柱 （2） 的直径 dl满足 ： dl/l0.5 ； 高折射率介质柱 （2） 的周期 h与高折射率介质柱 （2） 的直径 dh满足 ： 0.1dh/h0.5。 3. 根据权利要求 1 所述的一种全。

5、固态大模场光子带隙光纤， 其特征在于 ： 所述高折射 率介质柱 （3） 与基质材料 （1） 的折射率差满足 ： 0.005nh-nb0.05 ； 基质材料 （1） 与所述低 折射率介质柱 （2） 的折射率差满足 ： 0.005nb-nl0.02。 4. 各级权利要求 1 所述的一种全固态大模场光子带隙光纤， 其特征在于 ： 所述高折射 率介质柱层的层数 y 满足， 2 y 5 ； 若纤芯中心与最内层的高折射率介质柱 （3） 中心之 间的距离的最大值为mh， m为正整数且满足 ： 2m3 ； 所述低折射率介质柱层的层数为 mN-1。 权 利 要 求 书 CN 103645536 A 2 1/4 。

6、页 3 一种全固态大模场光子带隙光纤 技术领域 0001 本发明涉及光纤激光器领域， 具体为一种具有大模场面积、 低弯曲损耗特性的全 固态大模场光子带隙光纤。 背景技术 0002 高功率光纤激光器以其光束质量好、 体积小、 转换效率高和散热效果好等优点在 工业中有着越来越多的应用。但是高功率激光会带来光学损伤以及非线性效应等问题。使 用大模场光纤能抑制非线性效应以及增大光学损伤阈值。一般对大模场光纤的基本要求 为 ： 1. 单模工作， 这是高性能激光的一个基本条件 ； 2. 大模场面积 ； 3. 低弯曲损耗， 即光纤 可以允许一定程度的弯曲， 且具有较低的弯曲损耗。 0003 提高光纤模场面积。

7、的技术途径有以下几种 ： ( 一 ) 传统大模场光纤 直接增大纤芯的尺寸， 是获得大模场面积的最简单的实现方法。这种光纤有一个大的 纤芯和小的纤芯数值孔径。 这类光纤在预制棒制造和光纤拉丝等生产工艺基本和常规单模 光纤一样， 因此制造工艺简单， 而且制造成本也不高， 容易规模化生产。 但在现有工艺下， 纤 芯数值孔径小于 0.06 是难以实现的。即这种光纤不能获得很大的模场面积。 0004 （二） 微结构光纤 自从光子晶体光纤即微结构光纤被提出并制作成功之后， 人们开始尝试采用光子晶体 光纤结构来制作大模场光纤。其目前主要有以下几类 ： （1） 泄漏通道大模场光纤 这种光纤由一个硅纤芯， 周围。

8、环绕一圈大空气孔或者低折射率介质柱构成。它通过对 基模和高阶模不同的泄露损耗来区分基模和高阶模， 以达到单模传输。 0005 （2） 不对称大模场光纤 这种光纤采用不对称的结构， 其两侧孔的大小、 周期以及折射率都不相同 M. Napierala, T. Nasilowski, E. Beres-Pawlik, F. Berghmans, J. Wojcik, and H. Thienpont, “Extremely large-mode-area photonic crystal fibre with low bending loss（具有超大模场面积、 低弯曲损耗的光子晶体光纤） ,“ O。

9、ptics Express 18, 15408-15418 (2010).。 这种光纤在波长为1064 nm， 弯曲半径为10 cm时能获得1065 m2 的模场面积。但是这种光纤在不同弯曲方向下的模场面积差距较大， 需要指定光纤的弯曲 方向。而且， 这种不对称的结构对制作提出了较高的要求。 0006 （3） 光子带隙大模场光纤 这种光纤采用 5 层高折射率介质柱作为包层， 中心缺失 2 层高折射率介质柱作为纤芯 M. Kashiwagi, K. Saitoh, K. Takenaga, S. Tanigawa, S. Matsuo, and M. Fujimaki, “Low bending。

10、 loss and effectively single-mode all-solid photonic bandgap fiber with an effective area of 650 m2( 具有 650 m2模场面积的低弯曲损耗全固态单模 光纤 ),“ Optics Letters 37, 1292-1294 (2012).。这种光纤在波长为 1064 nm， 弯曲半 说 明 书 CN 103645536 A 3 2/4 页 4 径为 10 cm 时能获得 500 m2的模场面积， 但是其弯曲半径必须固定在一个较小的范围内 以保证单模传输。光子带隙光纤目前仍难以实现在波长为 106。

11、4 nm 处模场面积达到 1000 m2以上的大模场传输。 发明内容 0007 针对现有技术的不足， 本发明的目的是提供一种有效地滤除高阶模， 在较小的弯 曲半径时仍然具有较低的弯曲损耗的全固态大模场光子带隙光纤。 0008 本发明的技术方案为 ： 一种全固态大模场光子带隙光纤， 包括纤芯和包层， 其特征 在于 ： 所述纤芯由基质材料和排布在正三角网格中的低折射率介质柱所组成， 所述包层由 基质材料和排布在正三角网格中的高折射率介质柱组成 ； 且材料的折射率满足 nh nb nl； 所述高折射率介质柱形成正六边形结构高折射率介质柱层 ； 所述低折射率介质柱形成 正六边形结构低折射率介质柱层 ；。

12、 所述低折射率介质柱层处于所述高折射率介质柱层内 侧。 0009 进一步， 为了保持光纤模场， 要求低折射率介质柱的周期 l与高折射率介质柱的 周期 h满足 ： h/l= N， 这里 N 为大于 1 的正整数。且低折射率介质柱的周期 l与低折 射率介质柱的直径 dl满足 ： dl/l0.5。为了形成带隙， 要求高折射率介质柱的周期 h与 高折射率介质柱的直径 dh满足 ： 0.1dh/h0.5。 0010 进一步， 所述高折射率介质柱与基质材料的折射率差满足 ： 0.005nh-nb0.05 ； 基 质材料与所述低折射率介质柱的折射率差满足 ： 0.005nb-nl0.02。 0011 进一步。

13、， 为束缚光， 高折射率介质柱 （3） 的层数取为 25 层。若纤芯中心与最内层 的高折射率介质柱中心之间的距离的最大值为 mh， 则应有 m=23， m 为正整数。而低折射 率介质柱的层数应为mN-1。 即光纤实际相当于由高折射率介质柱组成与普通光子晶体光纤 相似的结构， 然后在光纤中心区域去除几层高折射率介质柱， 再在去除高折射率介质柱之 后的光纤中心区域排布低折射率介质柱。 0012 本发明的技术效果为 ： 1） 采用 25 层高折射率介质柱来束缚光， 有较强的束缚能力， 使光纤中的模式具有低 的束缚损耗和低的弯曲损耗。 0013 2） 引入低折射率介质柱， 利用基模与高阶模之间的有效折。

14、射率差别， 将有效折射 率较小的高阶模引向带隙边缘， 减弱带隙对高阶模的束缚作用， 从而提高其束缚损耗， 同 时， 通过光纤弯曲， 使高阶模被泄露， 使光纤能实现单模传输。 0014 3） 引入微结构的低折射率介质柱， 使光纤的模场更为规则， 且易于制作。 附图说明 0015 图 1 为一种本发明光纤的横截面示意图 ； 图 2 为又一种本发明光纤的横截面示意图 ； 图 3 为图 1 中低折射率介质柱取不同折射率时光纤基模和高阶模的束缚损耗曲线 ； 图 4 为图 1 中低折射率介质柱取不同折射率时光纤基模和高阶模的有效折射率曲线 ； 图 5 为图 1 所示光纤的基模和高阶模的弯曲损耗随光纤弯曲半。

15、径的变化曲线 ； 说 明 书 CN 103645536 A 4 3/4 页 5 图 6 为图 1 所示光纤的模场面积随弯曲半径的变化曲线 ； 图 7 为图 1 所示结构的模场分布图 ； 图 8 为图 2 中低折射率介质柱取不同折射率时光纤基模和高阶模的束缚损耗曲线 ； 图 9 为图 2 中低折射率介质柱取不同折射率时光纤基模和高阶模的有效折射率曲线 ； 图 10 为图 2 所示光纤基模的弯曲损耗随光纤弯曲半径的变化曲线 ； 图 11 为图 2 所示光纤的模场面积随弯曲半径的变化曲线。 具体实施方式 0016 图 1 给出了本发明的一种实施例的横截面示意图。该光纤包括纤芯和包层， 该纤 芯由低折。

16、射率介质柱 （2） 和其所包围区域的基质材料 （1） 构成 ； 该包层由基质材料 （1） 和高 折射率介质柱 （3） 构成。 0017 要求高折射率介质柱层数为 2-5 层。为保证光纤基模具有低束缚损耗， 高折射率 介质柱层数不能太少， 而为了有效去除光纤中的高阶模， 其层数又不能太多。根据结果， 综 合分析， 高折射率介质柱以 2-5 层为宜。光纤纤芯由周期性网格中缺失 7-19 个高折射率介 质柱组成， 高折射率介质柱层数为 2-5 层。若纤芯中心与最内层的高折射率介质柱 （3） 中 心之间的距离的最大值为 mh， 则应有 m=23， m 为正整数。 0018 低折射率介质柱 （2） 并非。

17、可以任意放置。研究结果表明， 非规则排布会导致模场 的不均匀， 使模场发生畸变， 即低折射率介质柱 （2） 排布要均匀且与包层形成良好衔接。为 此， 要求低折射率介质柱 （2） 与高折射率介质柱 （3） 的排布相似， 即排布在正三角网格中。 同时， 低折射率介质柱 （2） 的周期 l与高折射率介质柱 （3） 的周期 h应满足 ： l=h/N， 这里 N 为大于 1 的正整数， 周期 是两个相邻介质柱中心之间的间距。而低折射率介质柱 （2） 的层数应为 mN-1。此组成结构可有效克服局域模的影响。 0019 为了便于制作， 高折射率介质柱的掺杂浓度不宜过高， 一般取高折射率介质柱与基质 材料的折。

18、射率差为 ： 0.005nh-nb0.05。 由于高折射率介质柱的折射率大于基质材料的折射 率， 即这是一种光子带隙光纤。图 4 中的虚线即为工作波长为 1064 nm 时带隙的边界。 0020 为了使光纤能够单模传输， 本发明在纤芯中央引入周期排布的低折射率介质柱， 以增大光纤高阶模的损耗值， 从而实现单模传输的目的。图 3 给出了低折射率介质柱取不 同折射率时光纤基模和高阶模的束缚损耗曲线。由图可见， 随着低折射率介质柱折射率的 降低， 光纤的基模与高阶模束缚损耗的差距变大直至高阶模的损耗足够大而基模损耗还保 持在较低水平， 使光纤能够单模传输。即光纤可以在不弯曲的情况下， 获得单模传输，。

19、 且具 有大纤芯尺寸的特点。图 4 给出了光纤基模与高阶模的有效折射率随低折射率介质柱折射 率变化的曲线。 其中， 虚线以上表示带隙区， 虚线以下表示带隙外。 由图可见， 随着低折射率 介质柱折射率的降低， 光纤基模和高阶模的有效折射率同时降低， 由于基模的有效折射率 高于高阶模， 因此高阶模的折射率先于基模接近带隙边缘， 当模式的有效折射率靠近带隙 边缘时， 带隙作用减弱， 其模式束缚损耗会增大。 例如取低折射率介质柱的折射率nl=1.435 时， 光纤在不弯曲时就能实现无截止单模传输。 0021 考虑到本发明设计的光纤需要应用到光纤激光器中， 所以必须保证光纤在一定弯 曲半径下的弯曲损耗较。

20、低。图 5 给出了光纤基模和高阶模在不同弯曲半径下的弯曲损耗曲 说 明 书 CN 103645536 A 5 4/4 页 6 线。由图可见， 在弯曲半径为 1652 cm 时， 光纤高阶模的弯曲损耗大于 10 dB/m， 而基模弯 曲损耗小于0.1 dB/m， 可以认为光纤在此区间内能单模传输。 即通过弯曲， 光纤也能实现单 模传输。 0022 图 6 给出了波长为 1064 nm 时光纤的模场面积随弯曲半径的曲线。由图可见光纤 的模场面积随弯曲半径的减小而减小。特别的， 当弯曲半径为 35 cm 时， 本实施例能获得 650 m2的模场面积。 0023 低折射率介质柱引入的目的是降低纤芯的折。

21、射率。理论上， 采用均匀低折射率纤 芯的方法， 也可以实现同样的效果。但采用均匀低折射率纤芯会出现由局部高折射率区引 起的局域模效应， 从而增大了光纤的模式损耗， 影响其实际使用。且在带隙包层作用下， 低 折射率介质柱引入后的光纤模式场仍然非常规则。这一点从图 7（图 1 所结构的基模模场 分布图） 可以看出。 0024 下面以石英光纤， 以工作波长为 1064 nm 为例。 0025 实施例一 ： 图 1 给出了本发明的一种实施例的横截面示意图。基质材料采用纯石英， 高折射率 介质柱和低折射率介质柱的材料采用掺杂的石英材料。其中低折射率介质柱 （2） 的周期 l=5.5 m， 直径 dl=1。

22、.2 m， 折射率 nl=1.44 ； 高折射率介质柱 （3） 的周期 h=11 m ， 直径 dh=1.8 m ， 折射率 nh=1.48 ； 基质材料 （1） 的折射率为 nb=1.45。即纤芯由周期性网 格中缺失 7 个高折射率介质柱 （3） ， 然后排布低折射率介质柱 （2） 形成， 即 m=2， N=2， 而低折 射率介质柱 （2） 层数为 22-1=3。当弯曲半径为 1652 cm 时， 光纤高阶模的弯曲损耗大于 10 dB/m， 而基模弯曲损耗小于0.1 dB/m， 可以认为光纤在此区间内能单模传输。 特别的， 当 弯曲半径为 35 cm 时， 本实施例能获得 650 m2的模场。

23、面积。 0026 实施例二 ： 为了进一步增大光纤的模场面积， 图 2 给出了本发明的另一种实施例的横截面图。低 折射率介质柱 （2） 的周期 l=5.5 m， 直径 dl=1.2 m， 折射率 nl=1.436 ； 高折射率介质 柱 （3） 的周期 h=11 m ， 直径 dh=1.8 m ， 折射率 nh=1.48 ； 基质材料 （1） 的折射率为 nb=1.45。即纤芯由周期性网格中缺失 7 个高折射率介质柱 （3） ， 然后排布低折射率介质柱 （2） 形成， 即 m=3， N=2， 而低折射率介质柱 （2） 层数为 32-1=5。当弯曲半径为 2432 cm 时， 光纤高阶模的弯曲损耗。

24、大于 10 dB/m， 而基模弯曲损耗小于 0.1 dB/m， 可以认为光纤在 此区间内能单模传输。特别的， 当弯曲半径为 30 cm 时， 本实施例能获得 1166 m2的模场 面积。 0027 实施例三 ： 本实施例给出一种直光纤下， 即不通过弯曲就能单模传输的大模场带隙光纤。其横截 面示意图如图1所示。 其中低折射率介质柱 （2） 的周期l=5.5 m， 直径dl=1.2 m， 折射 率 nl=1.434 ； 高折射率介质柱 （3） 的周期 h=11 m ， 直径 dh=1.8 m ， 折射率 nh=1.48 ； 基质材料 （1） 的折射率为 nb=1.45。即纤芯由周期性网格中缺失 7。

25、 个高折射率介质柱 （3） ， 然后排布低折射率介质柱 （2） 形成， 即 m=2， N=2， 而低折射率介质柱 （2） 层数为 22-1=3。 其模场面积能达到 693 m2。 0028 上述附图和说明仅为说明性示意图， 并不对本发明的保护范围形成限制。 应理解， 这些实施例只是为了举例说明本发明， 而非以任何方式限制本发明的范围。 说 明 书 CN 103645536 A 6 1/6 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103645536 A 7 2/6 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103645536 A 8 3/6 页 9 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103645536 A 9 4/6 页 10 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 103645536 A 10 5/6 页 11 图 9 图 10 说 明 书 附 图 CN 103645536 A 11 6/6 页 12 图 11 说 明 书 附 图 CN 103645536 A 12 。