一种全固态大模场光子带隙光纤制造技术

本发明专利技术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（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。而且本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种全固态大模场光子带隙光纤
本专利技术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。
技术介绍
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。提高光纤模场面积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。(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: (I)泄漏通道大模场光纤 这种光纤由一个硅纤芯，周围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。(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.Nasi lowski, E.Beres-Pawl ik, F.Berghmans, J.ffojcik, andH.Thienpont, Extremely large-mode-area photonic crystal fibre with lowbending loss (具有超大模场面积、低弯曲损耗的光子晶体光纤)，〃 Optics 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 μ 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。(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 loss and effectively single-mode all-solid photonic bandgap fiberwith an effective area of 650 μ m2 (具有650 μ 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，弯曲半径为10 cm时能获得500 μ 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1064 nm处模场面积达到1000μ m2以上的大模场传输。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术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。本专利技术的技术方案为: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 >Ii1 ;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；所述低折射率介质柱层处于所述高折射率介质柱层内侧。进一步，为了保持光纤模场，要求低折射率介质柱的周期A1与高折射率介质柱的周期Ah满足:A1ZA1= N，这里N为大于I的正整数。且低折射率介质柱的周期A1与低折射率介质柱的直径Cl1满足M1/Af0.5。为了形成带隙，要求高折射率介质柱的周期Ah与高折射率介质柱的直径dh满足:0.l<dh/Ah<0.5。进一步，所述高折射率介质柱与基质材料的折射率差满足:0.005〈nh-nb〈0.05 ;基质材料与所述低折射率介质柱的折射率差满足:0.005<nb-ni<0.02。进一步，为束缚光，高折射率介质柱(3)的层数取为2飞层。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mAh，则应有m=2?3，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。本专利技术的技术效果为: I)采用2?5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。2)引入低折射率介质柱，利用基模与高阶模之间的有效折射率差别，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。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】 图1为一种本专利技术光纤的横截面示意图； 图2为又一种本专利技术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径的变化曲线； 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】图1给出了本专利技术的一种实施例的横截面示意图。该光纤包括纤芯和包层，该纤芯由低折射率介质柱(2)和其所包围区域的基质材料(I)构成；该包层由基质材料(I)和高折射率介质柱(3)构成。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mAh，则应有m=2?3，m为正整数。低折射率介质柱(2)并非可以任意放置。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，要本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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(I)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(I)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 > H1 ;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率介质柱层内侧；其中，nb为基质材料(I)的折射率，Ii1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A1与高折射率介质柱(3)的周期Ah满足:A1ZA1= N，所述N为大于I的正整数；低折射率...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明阳，龚天翼，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：