CN1971323A - 大模场双包层单模光纤 - Google Patents

Abstract

大模场双包层单模光纤，纤芯介质折射率为n₁，内包层由高折射率介质n₁和低折射率介质n₂组成，两种介质具有相同的角度且沿圆周周期性分布。外包层介质折射率为n₃ (n₃＜n₂＜n₁)。一种结构内包层上有均匀分布的空气小孔，另一种结构内包层上只有低折射率区分布有空气小孔。本发明具有多孔光纤的泄漏模结构，并能使高阶模具有更大的泄漏损耗，从而保证光纤在大纤芯直径下仍能获得单模输出，模场直径的增大减小了非线性效应对光纤的影响，能获得高功率的单模输出。

Description

大模场双包层单模光纤

技术领域

本发明涉及单模光纤，特别是一种大模场双包层单模光纤，它采用泄漏模结构，让次低阶模LP₁₁拥有比基横模LP₀₁更高的泄漏损耗，使得光纤在具有较大纤芯时，仍能保证单模输出。

背景技术

要保持光纤的单模运行，常规光纤的纤芯直径通常应小于9μm，但这同时也限制了单根光纤的输出功率。为获得高功率的单模输出，研究人员提出了两种大模场光纤结构：

多孔光纤[Opt.Lett.，22(13)，1997，P961]，多孔光纤具有多种不同的结构，但其工作原理大致相同，可形象地归结为“筛孔”结构[SCIENCE，299，2003，P358]。基横模模场面积较小，基本被完全限制于纤芯内；而高阶模具有较大的模场面积，通过空气小孔泄露出光纤，保证光纤的单模运行。目前单模多孔光纤的纤芯直径最大为60μm[IEEE J.Sel.Topics Quant.Elect.，12(2)，2006，P233]。

分块扇形光纤[Opt.Lett.，26(8)，2001，P491]，分块扇形光纤由周期性交替分布的高折射率区和低折射率区组成，利用纤芯内不同模式具有不同有效折射率的特点，将基横模LP₀₁限制在纤芯内，而使LP₁₁等高阶模从纤芯逸出来实现单模输出。现阶段单模分块扇形光纤的纤芯直径可达50μm[OFC2002，P620]。

发明内容

本发明的目的是要提供一种大模场双包层单模光纤，具有单模运行的更大的纤芯直径，和其核心是利用高阶模式和基横模在该种光纤中具有不同泄漏损耗系数的特点，滤掉高阶模式，达到单模运行的目的。

本发明的技术解决方案如下：

一种大模场单模双包层光纤，由纤芯、内包层和外包层组成，其特点是所述的纤芯的折射率为n₁，所述的内包层是由折射率分别为n₁和n₂呈扇形区域周期性交替分布、带有空气小孔的材料构成的，所述的外包层的折射率为n₃，且折射率满足关系式：n₃＜n₂＜n₁。

所述的纤芯为掺稀土元素铒Er³⁺、镱Yb³⁺的石英，或掺杂其它稀土元素的光纤。

所述的内包层上均匀分布有空气小孔，或所述的内包层的低折射率区均匀分布有空气小孔，该空气小孔直径均为d≈a/20，其中a为纤芯直径。

本发明的技术效果是：

在泄漏模结构光纤中，次高阶模LP₁₁泄漏损耗相对基横模LP₀₁的损耗比值越大，保证单模运行的纤芯直径也越大。因而在基横模LP₀₁泄漏损耗基本保持不变的情况下，增大次高阶模LP₁₁的损耗，有助于获得更大模场面积的纤芯。采用分块扇形光纤基体，基横模LP₀₁基本限制在纤芯内部，次高阶模LP₁₁通过包层逸出。在分块扇形区域，引入规则布置的空气小孔，进一步增大高阶模的泄漏损耗，空气小孔的直径d可根据光纤的纤芯半径a来选定。在此结构下，基横模LP₀₁的损耗基本保持不变，而次低阶模LP₁₁的损耗增加，这就使得光纤能够在更大的纤芯直径下获得单模输出。同时空气小孔的引入，也增大了内包层的数值孔径，使得更多的泵浦光可以进入，有利于双包层光纤输出功率的提高。

附图说明

图1为本发明大模场单模双包层光纤实施例1的截面示意图。

图2为本发明大模场单模双包层光纤实施例2的截面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1和图2，图1为本发明大模场单模双包层光纤实施例1的截面示意图，图2为本发明大模场单模双包层光纤实施例2的截面示意图。由图可见，本发明大模场单模双包层光纤，由纤芯1、内包层2和外包层3组成，所述的纤芯1的折射率为n₁，所述的内包层2是由折射率分别为n₁和n₂周期性交替呈扇形区域分布、带有空气小孔4的材料构成的，所述的外包层3的折射率为n₃，且折射率满足关系式：n₃＜n₂＜n₁。

双包层光纤的纤芯1(0＜r＜a)为掺杂石英玻璃，折射率为n₁，可根据不同需要掺杂不同的稀土元素(如铒Er³⁺、镱Yb³⁺等)。内包层2(a＜r＜b)为周期性交替分布、带有空气小孔4的分块扇形区，高折射率区与纤芯材料相同，折射率为n₁；低折射率区采用纯石英，折射率为n₂，与n₁非常接近，相对折射率 $\mathrm{\&Delta;}=\frac{n_1^2-n_2^2}{2n_1^2}\&ap;\frac{n_1-n_2}{n_1}<0.5\%.$ 高折射率区与低折射率区具有相同的角度，即每个扇区均为22.5°角。

图1所示结构在内包层2上有圆周方向均匀分布的空气小孔；而图2所示结构中，空气小孔4只在内包层2的低折射率n2区圆周方向均匀分布。圆周半径分别为r₁(a＜r₁＜b/3)、内包层2^r1、外包层3^r1，空气小孔4的直径均为d≈a/20。外包层3具有最小的折射率n3(n3＜n2＜n1)，为掺氟元素的石英玻璃。利用目前多孔光纤的拉制方法，只需让内包层周期性变化即可实现本发明中光纤的拉制。

技术效果：

以掺镱Yb³⁺光纤为例，工作波长λ约为1100nm，Δ＝0.4％，a＝36μm，b＝120μm，d＝1.8μm。光纤纤芯的直径为72μm，计算结果表明，次低阶模LP11的泄漏损耗约为1.5dB/m，而基横模LP01的泄漏损耗为10-5量级。光纤长度超过10m时，LP11基本已经完全损耗，而对LP01的损耗可忽略不计，因而可成功实现光纤的单模运行。

Claims (4)

1、一种大模场单模双包层光纤，由纤芯、内包层和外包层组成，其特征在于所述的纤芯的折射率为n₁，所述的内包层是由折射率分别为n₁和n₂周期性交替呈扇形区域分布、带有空气小孔的材料构成的，所述的外包层的折射率为n₃，且折射率满足关系式：n₃＜n₂＜n₁。

2、根据权利要求1所述的大模场单模双包层光纤，其特征在于所述的纤芯为掺稀土元素铒Er³⁺、镱yb³⁺的石英。

3.根据权利要求1或2所述的大模场单模双包层光纤，其特征在于所述的内包层上均匀分布有空气小孔，该空气小孔的直径为d≈a/20，其中a为纤芯直径。

4、根据权利要求1或2所述的大模场单模双包层光纤，其特征在于所述的内包层的低折射率区均匀分布有空气小孔，该空气小孔的直径为d≈a/20，其中a为纤芯直径。