一种梯度掺杂多芯的微结构包层光纤及其制备方法技术领域
本发明属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种梯度掺杂的多芯微结构包层的光
纤特性及其光纤的制备方法。
背景技术
微结构光纤是把微米级甚至纳米级微结构引入到光纤剖面设计中，依靠微结构不
同于一般材料的色散、能带等特性，微结构光纤有不同于传统光纤的导光特性。这些优点使
得微结构光纤在光纤激光器领域以及线性和非线性应用中具有传统光纤不可比拟的优势。
多芯微结构光纤因为多个模式的叠加，造成输出光束质量差，在制备后一般面临
选取同相位超模，且稳定的选模技术多为空间结构[1-2]，大大增加了实验的复杂性。
此外，现有的堆管法因为所需毛细管数量很多，一层层堆叠，需要消耗很大的人
力，而且制备工艺容易出现误差、破裂现象。采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)工艺，将溶胶浇注成
设计尺寸的多芯光纤结构使其形成凝胶，其空气孔结构中可插入圆棒，而圆棒直径等于所
设计的空气孔的直径，待凝胶凝固后移除插入的圆棒则形成多芯光纤预制棒，但该方法在
烧结时容易出现局部玻璃开裂，导致光纤预制棒作废。此外，用化学腐蚀法也可以实现预制
棒的多孔结构，此方法在构成预制棒的玻璃棒中插入可被酸腐蚀的玻璃材料，再按照设计
要求排列好预制棒并融化成型后，利用酸腐蚀掉不需要的部分形成空气孔制作多芯光纤，
此方法精度不高，不能精确控制光纤空气孔直径和纤芯直径。
发明内容
针对现有多芯微结构光纤的需求以及现有技术的缺陷和不足，本发明提供了一种
梯度掺杂多芯的微结构包层光纤及制备方法，其目的在于通过纤芯区域的梯度掺杂和纤芯
较大的占空比，利用模式竞争，抑制高阶模和其他超模在纤芯区域传输，实现多芯微结构光
纤自身选取同相位超模，输出光束质量高的激光，并且一次可批量制备多根微结构毛细管
和梯度掺杂的微结构芯棒，实现多芯微结构光纤制备的简单化。
具体技术内容如下：一种梯度掺杂多芯的微结构包层光纤，其特征在于，其包括纤
芯区域一(22)、纤芯区域二(23)、内包层区域(24)和外包层，在该光纤横截面上，从内到外，
依次为纤芯区域一(22)、纤芯区域二(23)、内包层区域(24)和外包层；其中：
所述纤芯区域一(22)为一个第一多芯单元(9)，其包括一个第一环形梯度掺杂纤
芯(4)和六个第二环形梯度掺杂纤芯(7)，其折射率分别为n12和n34，七个环形梯度掺杂纤芯
具有相同的占空比，且该周期的数值至少大于光波长的十倍；第一环形梯度掺杂纤芯(4)位
于中间，六个第二环形梯度掺杂纤芯(7)等间距环绕排列在第一环形梯度掺杂纤芯(4)周
围；n12小于n34，且两者折射率相差值小于10-4,以形成梯度掺杂；每个环形梯度掺杂纤芯输
出一个超模，由于n12小于n34，使得基模分布在多个纤芯中，增大基模的模场面积，同时通过
自身模式竞争，其中六个超模被抑制，只输出一个超模；
所述纤芯区域二(23)包括六个环绕排列在纤芯区域一(22)周围的第二多芯单元
(17)；其中，所述第二多芯单元(17)包括其包括一个第三环形梯度掺杂纤芯(12)和六个第
四环形梯度掺杂纤芯(15)，其折射率分别为n56和n78，七个环形梯度掺杂纤芯具有相同的占
空比，且该周期的数值至少大于光波长的十倍；第三环形梯度掺杂纤芯(12)位于中间，六个
第四环形梯度掺杂纤芯(15)等间距环绕排列在第一环形梯度掺杂纤芯(12)周围；n56小于
n78，两者折射率相差值小于10-4,以形成梯度掺杂；每个环形梯度掺杂纤芯输出一个超模，
由于n56小于n78，使得基模分布在多个纤芯中，增大基模的模场面积，同时通过自身模式竞
争，其中六个超模被抑制，只输出一个超模。
所述内包层区域(24)包括紧密排列在纤芯区域二(23)周围的十二个微结构空气
孔单元(20)；所述微结构空气孔单元(20)由七个圆形的空气管孔组成，其中一个空气管孔
居中，其外部均匀环绕排列六个空气管孔，各空气管孔之间材料为二氧化硅；所述空气管孔
大小满足公式D是覆盖纤芯区域一(22)和纤芯区域二
(23)的有效纤芯直径，λ是入射光波长，n光纤纤芯是纤芯区域一(22)和纤芯区域二(23)的总有
效折射率，n内包层是微结构空气孔单元(20)的总有效折射率。
进一步的，在所述第一多芯单元(9)中，第一环形梯度掺杂纤芯(4)的中间部分折
射率为n1，环绕中间部分的折射率是n2；周围等间距环绕纤芯(4)排列的六个第二环形梯度
掺杂纤芯(7)的中间部分折射率为n3，环绕中间部分的折射率是n4，且纤芯(4)和纤芯(7)的
直径与纤芯中心间距比值小于0.5，同时周期的数值至少大于光波长的十倍；由于n1小于n2，
n3小于n4，每个环形梯度掺杂纤芯只输出一个模式；每个环形梯度掺杂纤芯都是单个模式传
输，七个纤芯模式相互叠加，形成七个超模，由于n12小于n34且占空比较大，其中六个超模被
抑制，只输出一个超模。
进一步的，在所述第二多芯单元(17)中，每个环形梯度掺杂纤芯都是两种折射率
不同的纤芯组成，第三环形梯度掺杂纤芯(12)的中间部分折射率为n5，环绕中间部分的的
折射率是n6；周围等间距环绕排列的六个第四环形梯度掺杂纤芯(15)的中间部分折射率为
n7，环绕中间部分的折射率是n8，且环形梯度掺杂纤芯直径与纤芯间距比值小于0.5，同时周
期的数值至少大于光波长的十倍；由于n5小于n6，n7小于n8，每个环形梯度掺杂纤芯只输出
一个模式；每个环形梯度掺杂纤芯都是单个模式传输，七个纤芯模式相互叠加，形成七个超
模，由于n56小于n78且占空比较大，其中六个超模被抑制，只输出一个超模。
进一步的，通过折射率梯度和较大的占空比，纤芯区域一(22)的一个第一多芯单
元(9)输出一个超模，纤芯区域二(23)的六个第二多芯单元(17)输出六个超模，七个超模相
互叠加竞争，由于(n1<n2)<(n3<n4)>(n5<n6)<(n7<n8)，且占空比较大，其中六个超模被抑制，
只输出一个同相位超模。
进一步的，所述微结构空气管孔单元(20)的空气管孔直径大小根据设计要求调
整；空气孔直径越大，微包层的有效折射率越接近1，直径越小，微包层的有效折射率越接近
石英的折射率，通过空气孔大小来调整该光纤的模式。
进一步的，纤芯区域一(22)、纤芯区域二(23)、内包层区域(24)中所有的制备单元
均采用第一次堆管法制备完成，然后采用第二次堆管法重复堆叠第一次堆管法获得的少数
毛细管，按照纤芯区域一(22)、纤芯区域二(23)、内包层区域(24)从内到外排列即可，避免
了一次堆叠法堆叠大量毛细管造成的人力消耗和毛细管破损。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有
益效果：
(1)本发明通过梯度掺杂芯棒和大占空比结构实现多个纤芯的耦合和超模的自身
选模，抑制高阶模和其他超模，实现单模运转。
(2)相比传统光纤，本发明的梯度掺杂多芯微包层光纤的模场面积可以随着纤芯
数量的增多而倍数增加，从而可以有效抑制热聚焦效应，可以作为大功率光纤激光系统良
好的种子源。
(3)本发明的梯度掺杂多芯微包层光纤通过两个纤芯区域的二次模式竞争，可实
现自身同相位超模输出，而不必搭建外部的选模系统，即可输出光束质量良好的激光。
(4)本发明的制备方法可以灵活制备不同掺杂浓度的多芯单元，且纤芯的数量可
以灵活选择，不会因为纤芯数量增多而制备工艺变得复杂难以实现；
(5)本发明将光纤的包层是由微结构空气孔单元构成，这种微结构空气孔单元不
但可以与纤芯一起构成良好的光波导结构，而且大大降低了大量毛细管堆叠的技术和体力
的要求，提高了精准度。
(6)本发明的所述的多芯单元与微结构空气孔单元在一次拉制后可以经过挑选后
再使用，从而大大降低了破损、污染、缺陷等问题对光纤性能的影响。
(7)本发明的所述的多芯单元可以同时获得多根，大大节约了芯棒材料和多次制
备的误差。
附图说明
图1是本发明纤芯区域一的多芯单元构成示意图；
图2是本发明纤芯区域二的多芯单元构成示意图；
图3是本发明内包层微结构空气孔单元构成示意图；
图4是本发明梯度掺杂多芯的微结构包层光纤的横截面示意图；
图5是本发明梯度掺杂多芯的微结构包层光纤的横截面折射率示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-石英套管；
2-光纤芯棒n1；3-光纤芯棒n2；4-第一环形梯度掺杂纤芯；5-光纤芯棒n3；6-光纤芯棒n4；7-
第二环形梯度掺杂纤芯；8-第一多芯单元的预制棒；9-第一多芯单元；10-光纤芯棒n5；11-
光纤芯棒n6；12-第三环形梯度掺杂纤芯；13-光纤芯棒n7；14-光纤芯棒n8；15-第四环形梯度
掺杂纤芯；16-第二多芯单元的预制棒；17-第二多芯单元；18-空心毛细管；19-微结构空气
孔单元预制棒；20-微结构空气孔单元；21-梯度掺杂多芯的微结构包层光纤；22-纤芯区域
一；23-纤芯区域二；24-内包层区域。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面，参照图1～5，详细地说明本发明所涉及的多芯光纤的各实施方式。此外，在
附图的说明中，对于相同要素标注相同标号，省略重复说明。
图1是本发明纤芯区域一的多芯单元构成示意图。光纤芯棒n12的掺杂浓度是
0.20mol/L，折射率为1.4572，光纤芯棒n23的掺杂浓度是0.21mol/L，折射率为1.4573，将一
根光纤芯棒n12和6根光纤芯棒n23堆叠成端面为正六边形的柱体，套上石英套管1，经过拉丝
系统制备成纤芯区域一环形梯度掺杂芯棒n124。光纤芯棒n35的掺杂浓度是0.22mol/L，折射
率为1.4574，光纤芯棒n46的掺杂浓度是0.23mol/L，折射率为1.4575，将一根光纤芯棒n35和
六根光纤芯棒n46堆叠成端面为正六边形的柱体，套上石英套管1，经过拉丝系统制备成纤
芯区域一环形梯度掺杂芯棒n347。将一根纤芯区域一环形梯度掺杂芯棒n124和六根纤芯区
域一环形梯度掺杂芯棒n347堆叠成端面为正六边形的柱体，套上石英套管1制成纤芯区域一
的多芯单元的预制棒8，经过拉丝系统制备成纤芯区域一的多芯单元9。
图2是本发明纤芯区域二的多芯单元构成示意图。光纤芯棒n510的掺杂浓度是
0.24mol/L，折射率为1.4576，光纤芯棒n611的掺杂浓度是0.25mol/L，折射率为1.4577，将
一根光纤芯棒n510和六根光纤芯棒n611堆叠成端面为正六边形的柱体，套上石英套管1，经
过拉丝系统制备成纤芯区域二环形梯度掺杂芯棒n5612。光纤芯棒n713的掺杂浓度是
0.26mol/L，折射率为1.4578，光纤芯棒n814的掺杂浓度是0.27mol/L，折射率为1.4579，将
一根光纤芯棒n713和六根光纤芯棒n814堆叠成端面为正六边形的柱体，套上石英套管1，经
过拉丝系统制备成纤芯区域二环形梯度掺杂芯棒n7815。将一个纤芯区域二环形梯度掺杂芯
棒n5612和六个纤芯区域二环形梯度掺杂芯棒n7815堆叠成端面为正六边形的柱体，套上石
英套管1制成纤芯区域二的多芯单元的预制棒16，经过拉丝系统制备成纤芯区域一的多芯
单元17。
图3是本发明内包层微结构空气孔单元构成示意图。将七根空心毛细管18堆叠成
端面为正六边形的柱体，套上石英套管1制成微结构空气孔单元预制棒19，经过拉丝系统制
备成微结构空气孔单元20。
图4是本发明梯度掺杂多芯的微结构包层光纤的横截面示意图。将一个纤芯区域
一的多芯单元9、六个纤芯区域一的多芯单元17和十二个微结构空气孔单元20从内到外紧
密排列，经过拉丝系统，制备成梯度掺杂的多芯的微结构包层21。
图5是本发明梯度掺杂多芯的微结构包层光纤的横截面折射率示意图。将光纤的
预制棒按照图5的顺序排列，实现高阶模的损耗泄露，同时，纤芯区域不同的折射率差，使得
纤芯耦合产生的很多超模都截止，只有同相位超模在纤芯中传输。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以
限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。