專利名稱：非線性光纖及應(yīng)用該光纖的超短脈沖產(chǎn)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及特種光纖及其應(yīng)用領(lǐng)域，特別是涉及一種非線性光纖及應(yīng)用該光纖的 超短脈沖產(chǎn)生裝置。
背景技術(shù)：
隨著信息化建設(shè)投資的逐漸加大及信息基礎(chǔ)設(shè)施的逐步完善，通信行業(yè)及非通信 行業(yè)對(duì)光纖光纜以及光電子器件的需求不斷增長(zhǎng)，且呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)，目前光纖的規(guī)格與 種類有限，難以滿足各種特定需求，因此具有不同特性與功能的特種光纖亟待開發(fā)。特種光 纖作為傳統(tǒng)光纖產(chǎn)業(yè)的重要補(bǔ)充，已成為一個(gè)充滿機(jī)遇與挑戰(zhàn)的產(chǎn)業(yè)，為光纖產(chǎn)業(yè)提供了 橫向發(fā)展與縱向延伸的舞臺(tái)。在工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防科技及各種科學(xué)研究等高科技領(lǐng)域，需要能夠入射大功率光信 號(hào)、具有高損傷閾值的特種光纖，而目前廣泛使用的通信用普通單模光纖和已有的充空氣 芯中空光纖(即毛細(xì)管光纖)，分別由于纖芯孔徑過小、空氣電離閾值過低，而無法傳輸超 高功率的激光脈沖。在通信行業(yè)中，全光網(wǎng)絡(luò)作為未來的發(fā)展趨勢(shì)，需要大量功能細(xì)化的光 纖通信器件。超短光脈沖光源、0PA(0ptoelectric Pulse Amplifier，光電子脈沖放大器)、 波長(zhǎng)變換器件等作為全光網(wǎng)絡(luò)的重要組成部件，需要非線性效率高、能夠充分展寬入射光 信號(hào)光譜的特種光纖。目前的光纖主要有以下幾種DSF(Dispersion Shifted Fiber，色散位移光纖)、 DDF(Dispersion Decreasing Fiber,色散漸減光纖)、DFF(Dispersion Flattened Fiber, 色散平坦光纖)、PCF (Photonic Crystal Fiber,光子晶體光纖)及 HNL-DSF (Highly Non-Linear-Dispersion Shifted Fiber，高非線性色散位移光纖)。其中，DSF的制作工藝 相對(duì)簡(jiǎn)單，但通過DSF產(chǎn)生的寬光譜會(huì)受到調(diào)制不穩(wěn)定的影響而劣化，而其他幾種光纖產(chǎn) 生的譜寬且平坦，但拉制難度大或需要摻雜其他元素，工藝上比較復(fù)雜，使得價(jià)格昂貴。在 醫(yī)學(xué)診斷及醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域，尤其是在各種微創(chuàng)手術(shù)及內(nèi)窺醫(yī)療期間，均需要對(duì)紅外或綠光 具有較低的損耗和較高的耦合效率，但普通石英光纖在紅外區(qū)有較強(qiáng)的吸收損耗。綜上所述，目前的光纖普遍存在光纖入射脈沖功率受限、非線性效率及耦和效率 偏低、工藝復(fù)雜程度和制作成本較高的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種非線性光纖及應(yīng)用該光 纖的超短脈沖產(chǎn)生裝置，能夠提升光纖的抗損傷閾值，以增大入射光信號(hào)的最大單位面積 光功率密度，提高光學(xué)非線性作用的效率與耦合效率，用工藝復(fù)雜程度低而價(jià)格相對(duì)低廉 的光纖獲得同樣或更為優(yōu)越的性能。本發(fā)明提供的非線性光纖，包括外包層、內(nèi)包層和光纖芯區(qū)，所述內(nèi)包層設(shè)置在外 包層內(nèi)，內(nèi)包層內(nèi)的中空部分構(gòu)成光纖芯區(qū)，所述光纖芯區(qū)內(nèi)部填充有非線性氣體，兩端各 設(shè)置有一個(gè)用于密封的封裝窗口。
3
在上述技術(shù)方案中，所述非線性氣體為惰性氣體。在上述技術(shù)方案中，所述封裝窗口為透鏡、石英玻璃細(xì)棒、薄膜或者普通單模光纖 尾纖中的一種。在上述技術(shù)方案中，所述封裝窗口為圓形微透鏡。在上述技術(shù)方案中，所述封裝窗口的外表面上鍍有增透膜。在上述技術(shù)方案中，所述外包層為石英或玻璃管。在上述技術(shù)方案中，所述內(nèi)包層采用電解質(zhì)、金屬、聚合物或銀鍍膜中的一種制 成。本發(fā)明提供的超短脈沖產(chǎn)生裝置，包括順次相連的皮秒脈沖源、聚焦子系統(tǒng)、光纖 和色散補(bǔ)償子系統(tǒng)，光纖為所述非線性光纖。在上述技術(shù)方案中，所述光纖與色散補(bǔ)償子系統(tǒng)之間還順次連接有光功率檢測(cè)儀 器和光譜儀。在上述技術(shù)方案中，所述色散補(bǔ)償子系統(tǒng)的輸出端連接有自相關(guān)脈沖時(shí)域分析 儀。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下(1)能夠提升光纖的抗損傷閾值，以增大入射光信號(hào)的最大單位面積光功率密度， 提高光信號(hào)的最大入纖功率閾值。由于非線性光纖的光纖芯區(qū)的孔徑較大，且填充有惰性 氣體等非線性氣體作為纖芯，使其電離閾值比普通石英纖芯及普通空氣芯光纖的損傷閾值 高很多，因此能夠傳輸高功率的激光脈沖。(2)提高光信號(hào)的耦合效率，且用工藝復(fù)雜程度低而價(jià)格相對(duì)低廉的光纖獲得同 樣或更為優(yōu)越的性能。通過非線性光纖的封裝窗口密封光纖芯區(qū)，不僅能夠提高入射脈沖 的耦合效率，而且還省去了沉重的真空腔及大量的抽真空裝置，結(jié)構(gòu)輕巧，制備較為簡(jiǎn)單， 工藝復(fù)雜程度低，而且價(jià)格相對(duì)低廉，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。(3)提高光學(xué)非線性作用的效率。由于非線性光纖的光纖芯區(qū)中，模式色散引起的 相位不匹配可以補(bǔ)償非線性氣體色散引起的相位不匹配，因此使得光信號(hào)與非線性氣體之 間的非線性光學(xué)作用效率大大提高。(4)通過對(duì)內(nèi)包層的厚度、材料及光纖芯區(qū)的孔徑和長(zhǎng)度的合理設(shè)計(jì)，使非線性光 纖能夠在很寬的譜帶范圍內(nèi)支持低損耗的單模傳輸，因此，非線性光纖特別適合于光信號(hào) 的光譜展寬，不但可以利用它高耦合低損耗地傳輸醫(yī)療行業(yè)需要的近紅外光，而且也能傳 輸光通信波段的光信號(hào)，使非線性光纖的適用范圍更加廣泛。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中非線性光纖的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的左視圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中應(yīng)用了非線性光纖的超短脈沖產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的光束耦合效率示意圖。圖中1-外包層，2-內(nèi)包層，3-光纖芯區(qū)，4-封裝窗口，5-皮秒脈沖源，6-聚焦子 系統(tǒng)，7-光功率檢測(cè)儀器，8-光譜儀，9-色散補(bǔ)償子系統(tǒng)，10-自相關(guān)脈沖時(shí)域分析儀。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。參見圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的非線性光纖，包括外包層1、內(nèi)包層2、光纖芯 區(qū)3和封裝窗口 4，參見圖2所示，內(nèi)包層2設(shè)置在外包層1內(nèi)，外包層1為石英或玻璃管， 內(nèi)包層2采用電解質(zhì)、金屬、聚合物或銀鍍膜中的一種制成。內(nèi)包層2內(nèi)的中空部分構(gòu)成光 纖芯區(qū)3，光纖芯區(qū)3內(nèi)部填充有非線性氣體(最好為惰性氣體)，兩端各設(shè)置有一個(gè)用于 密封的封裝窗口 4。封裝窗口 4采用相應(yīng)波長(zhǎng)的高透過率材料制成，其直徑不小于外包層1的直徑。為 了避免封裝窗口 4發(fā)生斷裂現(xiàn)象，非線性光纖的側(cè)面和端面均要經(jīng)過拋光處理，并且封裝 窗口 4的外表面上還可鍍有增透膜。封裝窗口 4為透鏡、石英玻璃細(xì)棒、薄膜或者普通單模 光纖尾纖中的一種。當(dāng)本發(fā)明實(shí)施例應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域或用于傳輸大功率高能量光脈沖時(shí)， 為了增加耦合效率，封裝窗口 4可以使用圓形微透鏡，以增加非線性光纖的受光面。若需傳 輸大功率高能量光脈沖，光纖芯區(qū)3內(nèi)部填充的非線性氣體最好選擇電離閾值高、物理性 質(zhì)穩(wěn)定的惰性氣體。參見圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例還提供應(yīng)用了上述非線性光纖的超短脈沖產(chǎn)生裝 置，包括順次相連的皮秒脈沖源5、聚焦子系統(tǒng)6、非線性光纖、光功率檢測(cè)儀器7、光譜儀8、 色散補(bǔ)償子系統(tǒng)9和自相關(guān)脈沖時(shí)域分析儀10，光譜儀8與色散補(bǔ)償子系統(tǒng)9的輸入端相 連，自相關(guān)脈沖時(shí)域分析儀10與色散補(bǔ)償子系統(tǒng)9的輸出端相連。本發(fā)明實(shí)施例的制造過程和原理詳細(xì)闡述如下本發(fā)明實(shí)施例中的非線性光纖，具體是采用微透鏡將不同種類的惰性氣體(例如 He、Ne、Ar、Kr、Xe等)封裝在不同孔徑參數(shù)的光纖芯區(qū)3內(nèi)制成，具體的封裝過程如下按 照普通空芯光纖的方法拉制光纖，針對(duì)不同入射光拉制具有不同參數(shù)的光纖芯區(qū)3。垂直切 割光纖芯區(qū)3的兩個(gè)端面，其中任意一端可作為輸入端，將紫外膠均勻粘在微透鏡的外表 面上，以提高耦合效率，接著用紫外光照射固化。再將一端封裝有微透鏡的光纖芯區(qū)3擦拭 干凈，并放入真空度高于10-5 的真空手套箱。在箱內(nèi)充入某種惰性氣體后，與輸入端微透 鏡的粘合與固化過程類似，完成輸出端微透鏡的粘合與固化過程。為使密閉效果更佳，可在 真空手套箱內(nèi)光纖芯區(qū)3兩端的微透鏡與垂直端面結(jié)合處，采用液體狀超高真空膠，從外 部再密封一次。在光纖通信時(shí)分復(fù)用領(lǐng)域，可應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例中的非線性光纖制成超短脈沖產(chǎn) 生裝置，具體制造過程及原理詳細(xì)說明如下第一步在充有惰性氣體的密封操作箱內(nèi)，利用微透鏡封裝光纖芯區(qū)3，制備出具 有不同孔徑和長(zhǎng)度、并填充有不同種類惰性氣體的非線性光纖。第二步利用自相關(guān)脈沖時(shí)域分析儀10，測(cè)量皮秒脈沖源5的具體光束形狀，并計(jì) 算其束腰部分的光斑大小，再根據(jù)光束束腰直徑ω計(jì)算所需非線性光纖的孔徑a。具體計(jì) 算過程如下假設(shè)一束高斯光束沿軸向?qū)ΨQ的聚焦子系統(tǒng)6，入射到孔徑為a的非線性光纖 中，則將激發(fā)EHlm模式傳輸。因?yàn)镋H11模式具有理論傳輸?shù)淖钚p耗值，因此應(yīng)將輸入光脈 沖的大部分能量耦合進(jìn)EH11模。參見圖4所示，對(duì)于一個(gè)給定ω/a(光束束腰直徑/孔徑 比)的非線性光纖來說，耦合到每個(gè)EHlm模式的效率相對(duì)大小滿足圖4中的光束耦合效率 關(guān)系。由圖4可知，當(dāng)ω/a 0.64時(shí)，耦合效率η達(dá)到最大。即若束腰大小為160 μ m，則非線性光纖的孔徑a應(yīng)取250 μ m。這時(shí)，由于高階模式衰減過大，脈沖在非線性光纖中仍可 以保持長(zhǎng)距離的單模傳輸。第三步非線性光纖中的群速色散長(zhǎng)度Ld及非線性長(zhǎng)度Lm是說明在非線性光 纖的徑向方向光脈沖演變過程中作用距離的長(zhǎng)度量，具體計(jì)算過程如下群速色散長(zhǎng)度Ld = Τ。2/| β2|，其中，Ttl為脈沖的半高全寬，β 2為充有非線性氣體的空芯光纖的GVD (Group Velocity Dispersion，群速度色散)。非線性長(zhǎng)度Lm = 1/( Y P。)，P。為輸入光脈沖的峰值 功率，Y為非線性系數(shù)，且Y =Ii2 ω/CArff,其中，Coci為激光的中心頻率，c為真空中的光 速，η為介質(zhì)折射率，Arff為有效模場(chǎng)面積。當(dāng)非線性光纖的長(zhǎng)度L << LD，且L La時(shí)，非 線性光纖中脈沖的演變過程主要是SPM(自相位調(diào)制)起作用，它將導(dǎo)致脈沖頻譜展寬。第四步在第二步確定了非線性光纖的孔徑a及第三步確定了非線性光纖的長(zhǎng) 度之后，可根據(jù)入射脈沖的單位面積光功率密度及譜需要展寬的程度，來選擇惰性氣體 的種類。一般而言，惰性氣體的原子量越大，其非線性系數(shù)越大，如氪氣的非線性系數(shù)為 2. 78 X l(T23m7Wbar，高于氬氣的9. 8 X lO^V/ffbar,其發(fā)生SPM過程的程度亦有所區(qū)別。第五步經(jīng)上述四個(gè)步驟即可得到本實(shí)施例所需的微透鏡封裝的填充有惰性氣體 的非線性光纖，再利用該非線性光纖制造超短脈沖產(chǎn)生裝置。參見圖3所示，皮秒脈沖源5 輸出的激光脈沖，經(jīng)聚焦子系統(tǒng)6聚焦成光束束腰直徑為ω的激光脈沖，將該激光脈沖功 率調(diào)節(jié)至較小的值后，經(jīng)光纖芯區(qū)3的輸入端微透鏡耦合進(jìn)入長(zhǎng)度為L(zhǎng)的填充有惰性氣體 的光纖芯區(qū)3中傳輸。通過細(xì)微調(diào)節(jié)激光脈沖與光纖芯區(qū)3的輸入端微透鏡的相對(duì)位置， 并觀察與光纖芯區(qū)3輸出端連接的光功率監(jiān)測(cè)儀器7，使輸出光脈沖功率調(diào)至最大，即意味 著耦合效率達(dá)到最高。這時(shí)，逐步增大皮秒脈沖源5輸出的激光脈沖光功率，通過光譜儀8 來觀察經(jīng)非線性光纖內(nèi)SPM等非線性作用而展寬的脈沖光譜。根據(jù)光譜的平坦程度及展 寬的光譜寬度，選擇所需的最佳入射光功率。由于光纖芯區(qū)3中的模式產(chǎn)生的GVD(Group Velocity Dispersion，群速度色散)為負(fù)色散，因此可以與惰性氣體產(chǎn)生的正色散相互抵 消。由于沒有GVD使脈沖能量分散，因此脈沖在非線性光纖中可以一直以較強(qiáng)的單位面積 光功率密度發(fā)生非線性作用，使得非線性作用效率大為提高。接著，光譜經(jīng)過充分展寬的激 光脈沖從光纖芯區(qū)3輸出端微透鏡輸出，進(jìn)入色散補(bǔ)償子系統(tǒng)9，通過色散補(bǔ)償子系統(tǒng)9中 的反常色散，完成光脈沖在時(shí)域上的壓窄與整形。最后進(jìn)入自相關(guān)脈沖時(shí)域分析儀10中， 對(duì)脈沖的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精 神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍 之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種非線性光纖，包括外包層(1)、內(nèi)包層( 和光纖芯區(qū)(3)，所述內(nèi)包層( 設(shè)置 在外包層(1)內(nèi)，內(nèi)包層O)內(nèi)的中空部分構(gòu)成光纖芯區(qū)(3)，其特征在于所述光纖芯區(qū) (3)內(nèi)部填充有非線性氣體，兩端各設(shè)置有一個(gè)用于密封的封裝窗口 G)。
2.如權(quán)利要求1所述的非線性光纖，其特征在于所述非線性氣體為惰性氣體。
3.如權(quán)利要求1所述的非線性光纖，其特征在于所述封裝窗口(4)為透鏡、石英玻璃 細(xì)棒、薄膜或者普通單模光纖尾纖中的一種。
4.如權(quán)利要求3所述的非線性光纖，其特征在于所述封裝窗口(4)為圓形微透鏡。
5.如權(quán)利要求1所述的非線性光纖，其特征在于所述封裝窗口(4)的外表面上鍍有 增透膜。
6.如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的非線性光纖，其特征在于所述外包層(1) 為石英或玻璃管。
7.如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的非線性光纖，其特征在于所述內(nèi)包層(2) 采用電解質(zhì)、金屬、聚合物或銀鍍膜中的一種制成。
8.一種超短脈沖產(chǎn)生裝置，包括順次相連的皮秒脈沖源(5)、聚焦子系統(tǒng)(6)、光纖和 色散補(bǔ)償子系統(tǒng)(9)，其特征在于所述光纖為權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的非線性光纖。
9.如權(quán)利要求8所述的超短脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于所述光纖與色散補(bǔ)償子系統(tǒng) (9)之間還順次連接有光功率檢測(cè)儀器(7)和光譜儀(8)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的超短脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于所述色散補(bǔ)償子系統(tǒng) (9)的輸出端連接有自相關(guān)脈沖時(shí)域分析儀(10)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非線性光纖及應(yīng)用該光纖的超短脈沖產(chǎn)生裝置，涉及特種光纖及其應(yīng)用領(lǐng)域，非線性光纖包括外包層、內(nèi)包層和光纖芯區(qū)，所述內(nèi)包層設(shè)置在外包層內(nèi)，內(nèi)包層內(nèi)的中空部分構(gòu)成光纖芯區(qū)，光纖芯區(qū)內(nèi)部填充有非線性氣體，兩端各設(shè)置有一個(gè)用于密封的封裝窗口。超短脈沖產(chǎn)生裝置，包括順次相連的皮秒脈沖源、聚焦子系統(tǒng)、光纖和色散補(bǔ)償子系統(tǒng)，光纖為所述非線性光纖。本發(fā)明能夠提升光纖的抗損傷閾值，以增大入射光信號(hào)的最大單位面積光功率密度，提高光學(xué)非線性作用的效率與耦合效率，用工藝復(fù)雜程度低而價(jià)格相對(duì)低廉的光纖獲得同樣或更為優(yōu)越的性能。
文檔編號(hào)G02B6/02GK102147495SQ20111006526
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月18日
發(fā)明者張曉吟, 楊鑄, 邱英 申請(qǐng)人:武漢郵電科學(xué)研究院