專(zhuān)利名稱(chēng)：一種全摻雜光子晶體光纖及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信材料，具體涉及一種全摻雜光子晶體光纖及其制備方法。
背景技術(shù)：
光纖是光通信的信息傳輸載體，是實(shí)現(xiàn)大容量高速寬網(wǎng)的主要手段之一，目前主干線的通信基本上實(shí)現(xiàn)了光纖傳輸，但是目前主干線所使用的光纖是由純石英材料制成的，其成本高、柔韌性差。光子晶體光纖的設(shè)計(jì)雖然有很大的自由度，但是材料的選擇、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、纖芯或包層中空氣孔的大小與幾何形狀，以及空氣孔的間距、密度、排列方式等都會(huì)對(duì)光子晶體光纖的特性產(chǎn)生重要影響。一些簡(jiǎn)單的微結(jié)構(gòu)參數(shù)變化就可以使光子晶體光纖的性能發(fā)生顯著的改變，通?？梢愿鶕?jù)需要適當(dāng)改變部分相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，用以調(diào)節(jié)或裁剪光子晶體光纖原有的特性，使光子晶體光纖的某些特性得到增強(qiáng)或減小，以利于不同場(chǎng)合的各種用途。由于光子晶體光纖的特殊結(jié)構(gòu)，使光子晶體光纖具有許多與常規(guī)光纖完全不同的或獨(dú)特的、 潛在的性能，可以實(shí)現(xiàn)許多常規(guī)光纖無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能而受到人們的廣泛關(guān)注。從目前的研究工作來(lái)看，可以概括地說(shuō)，光子晶體光纖不但可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)光纖的性能，也能實(shí)現(xiàn)常規(guī)各種光纖受到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限，此外還實(shí)現(xiàn)了一些在常規(guī)光纖(包括常規(guī)特種光纖)研究中未曾發(fā)現(xiàn)過(guò)的一些特性。PCF的無(wú)截止單模特性與其絕對(duì)尺寸無(wú)關(guān)，光纖放大或縮小照樣可以保持單傳輸， 這表明可以根據(jù)特定需要來(lái)設(shè)計(jì)光纖模場(chǎng)面積。通過(guò)選擇最佳的空氣孔直徑，將大模場(chǎng)面積同無(wú)截止單模傳輸特性結(jié)合起來(lái)，不但可以用于傳輸高功率能量，還可應(yīng)用到光纖放大器和光纖激光器中。英國(guó)Bath大學(xué)的研究人員已經(jīng)研制出了工作在458nm、纖芯直徑是 23 μ m的單模PCF，這在傳統(tǒng)的單模光纖中需要控制折射率差的精度達(dá)到10_7，是化學(xué)氣相沉積法所無(wú)法達(dá)到的。這種PCF的模場(chǎng)面積約為傳統(tǒng)單模光纖的10倍，當(dāng)用于傳輸高功率光時(shí)而無(wú)須擔(dān)心出現(xiàn)非線性效應(yīng)，同時(shí)還可以應(yīng)用于光纖放大器和光纖激光器。反之，當(dāng)需要高非線性效應(yīng)時(shí)，可以減少光纖的模場(chǎng)面積。通過(guò)改變空氣孔間距可以調(diào)節(jié)有效模場(chǎng)面積，調(diào)節(jié)范圍在1. 5 μ m波長(zhǎng)處約為廣800 μ m2。如果在空氣孔中填充合適的非線性材料， 也會(huì)顯著提高PCF的非線性。Bell實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，由峰值功率只有IW的IOOfs光脈沖注入 75cm長(zhǎng)的PCF產(chǎn)生了超寬連續(xù)光譜的單模光，帶寬達(dá)到lOOOnm，從紫光到近紅外。超寬連續(xù)光譜的產(chǎn)生涉及一系列復(fù)雜的非線性過(guò)程，與之相關(guān)的因素可能包括極低的有效模場(chǎng)面積、特殊的色散特性和PCF的低損耗。空氣孔間距在廣20 μ m的范圍內(nèi)變化時(shí)，芯徑大小不會(huì)影響光纖的無(wú)截止單模傳輸特性，因此在功能需求實(shí)現(xiàn)時(shí)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在制造上提供了很高的自由度。以摻稀土元素的光纖作為增益介質(zhì)的鎖模激光器可以由激光二極管(LD)直接抽運(yùn)，其效率高、結(jié)構(gòu)緊、價(jià)格低廉。但是由于飛秒激光系統(tǒng)的光束完全被封閉在纖芯中，不受周?chē)h(huán)境的影響，將飛秒激光器從超凈、恒溫和防震的高級(jí)實(shí)驗(yàn)室中解放出來(lái)。且光纖具有很大的表面積/體積比，具有極好的散熱效果，可以利用大功率LD直接抽運(yùn)，實(shí)現(xiàn)高功率光纖激光器。但是傳統(tǒng)光纖激光器在高功率下的鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)受到光纖非線性的限制，大模場(chǎng)面積光子晶體光纖通過(guò)在光纖包層中引入周期性排列的空氣孔，可以極大地提高光纖的纖芯直徑并保持單模，從而有效降低非線性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種全摻雜光子晶體光纖及其制備方法，本發(fā)明的光子晶體光纖通過(guò)采用摻雜有稀土元素的石英材料制成。本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供了一種全摻雜光子晶體光纖，包括由內(nèi)向外依次設(shè)有的實(shí)心毛細(xì)管、圍繞實(shí)心毛細(xì)管均勻排列的空心毛細(xì)管層以及設(shè)在空心毛細(xì)管層外側(cè)的套管，其中，所述實(shí)心毛細(xì)管和空心毛細(xì)管采用摻雜有稀土元素的石英材料制成。進(jìn)一步，所述摻雜的稀土元素包括鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤 (Sm)、銪(Eu)、軋(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)、鈧(Sc) 和釔(Y)中的一種或幾種的組合。本發(fā)明還提供了一種制備所述全摻雜光子晶體光纖的方法，所述方法包括如下步驟
步驟一，采用摻雜有稀土元素的石英材料分別制作光纖的實(shí)心毛細(xì)管和空心毛細(xì)管； 步驟二，將制備好的摻雜有稀土元素的實(shí)心毛細(xì)管和空心毛細(xì)管按周期性結(jié)構(gòu)均勻排列在套管內(nèi)并熔合成型；
步驟三，將熔合成型的包含有實(shí)心毛細(xì)管、空心毛細(xì)管和套管的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉絲處理，完成全摻雜光子晶體光纖的制備。采用上述本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是本發(fā)明提供的全摻雜光子晶體光纖其整個(gè)光纖截面都包含稀土元素，可以大大增大有源區(qū)域的面積，增大轉(zhuǎn)換效率；結(jié)合光子晶體光纖的無(wú)截止單模特性，可以很容易的實(shí)現(xiàn)超大模場(chǎng)的有源光纖；其大模場(chǎng)面積光子晶體光纖具有極低的非線性系數(shù)及很高的泵浦光數(shù)值孔徑，防止脈沖分裂，同時(shí)又保證光纖激光器的單模運(yùn)轉(zhuǎn)，使得進(jìn)一步提高了全摻雜光子晶體光纖的平均功率和單脈沖能量。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中全摻雜光子晶體光纖的截面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中制備全摻雜光子晶體光纖的方法流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。圖1為本發(fā)明實(shí)施例中全摻雜光子晶體光纖的截面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，所述全摻雜光子晶體光纖，包括由內(nèi)向外依次設(shè)有的實(shí)心毛細(xì)管3、圍繞實(shí)心毛細(xì)管3均勻排列的空心毛細(xì)管2層以及設(shè)在空心毛細(xì)管2層外側(cè)的套管3，在本發(fā)明實(shí)施例中，所述實(shí)心毛細(xì)管1和空心毛細(xì)管2采用摻雜有稀土元素的石英材料制成。在上述實(shí)施例中，所述摻雜的稀土元素包括鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷 (Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm),II (Yb)和镥(Lu)中的一種或幾種的組合。在光子晶體光纖中摻入各種稀土元素，如鐿離子(％3+)、鉺離子(Er3+)等，可以使光子晶體光纖的性能更加豐富多彩，通過(guò)結(jié)構(gòu)類(lèi)型、實(shí)心毛細(xì)管或圍繞實(shí)心毛細(xì)管的空心毛細(xì)管孔的大小與幾何形狀可以控制、調(diào)節(jié)光子晶體光纖中的光限制能力，這是一種非常新穎、獨(dú)特和有用的方法，可以廣泛地應(yīng)用于有源光器件領(lǐng)域，如高功率光纖激光器、光纖放大器、超連續(xù)光譜光源等?？傊?，全摻雜光子晶體光纖及其相關(guān)技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力和開(kāi)發(fā)價(jià)值，隨著研究的深入和應(yīng)用的推廣，必將對(duì)光纖激光器及其相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生重要而深遠(yuǎn)的影響。在石英中摻雜稀土元素制成的光纖可成為激光介質(zhì)，稀土或稱(chēng)鑭系元素一共 15個(gè)，在元素周期表中占據(jù)倒數(shù)第二行的位置，全部稀土元素具有相同的外電子結(jié)構(gòu) kSpMs2，即滿殼層。稀土元素的電離通常以形成三價(jià)態(tài)的形式發(fā)生，例如Nd3+，Yb3+，Er3+ 等，它們溢出2個(gè)6s和1個(gè)4f電子。由于剩下的4f電子受到屏蔽作用，因此他們的熒光與吸收波長(zhǎng)不易受外場(chǎng)的影響。對(duì)于摻雜有稀土元素的光纖，在其吸收帶對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上提供必要的泵浦，在其熒光對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上提供形成增益和振蕩的條件，它就可以產(chǎn)生激光。摻雜有稀土元素光纖作為光學(xué)諧振腔的主要組成部分，其摻雜離子類(lèi)別和濃度對(duì)于光纖激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)起著很大作用。作為增益介質(zhì)的稀土金屬離子是以一定的濃度和分布摻雜于以S^2 為主要成份的纖芯中。這些稀土金屬離子具有從紫外到紅外很寬的熒光光譜范圍，這就使得光纖激光器的發(fā)射波長(zhǎng)覆蓋了更寬的波段。本發(fā)明另一實(shí)施例提供了一種制備上述全摻雜光子晶體光纖的方法，在光子晶體光纖的制造中，最為常用的方法是毛細(xì)管堆積拉絲工藝，將空心毛細(xì)管和實(shí)心毛細(xì)管按照預(yù)期設(shè)計(jì)的周期性結(jié)構(gòu)堆積并熔合成形，然后經(jīng)過(guò)拉絲制備光子晶體光纖，工藝過(guò)程具體參數(shù)需要根據(jù)具體的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)來(lái)確定。近幾年快速發(fā)展的光子晶體光纖制造工藝已經(jīng)使得制造低損耗、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖成為可能。光子晶體光纖的制造工藝也可以應(yīng)用于其他基質(zhì)材料，如多組分玻璃，聚合物材料等，這些新材料的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于石英材料，它們的應(yīng)用同時(shí)也促進(jìn)了光子晶體光纖工藝的發(fā)展。全摻雜光子晶體光纖采用的制造工藝為光子晶體光纖制造領(lǐng)域的常規(guī)方法毛細(xì)管堆積拉絲方法，這種方法設(shè)計(jì)靈活、操作方便、容易實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖，其典型的制造過(guò)程包括如下步驟
步驟201，采用摻雜有稀土元素的石英材料分別制作光纖的實(shí)心毛細(xì)管和空心毛細(xì)
管；
步驟202，將制備好的摻雜有稀土元素的實(shí)心毛細(xì)管和空心毛細(xì)管按周期性結(jié)構(gòu)均勻排列在套管內(nèi)并熔合成型；
步驟203，將熔合成型的包含有實(shí)心毛細(xì)管、空心毛細(xì)管和套管的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉絲處理，完成全摻雜光子晶體光纖的制備。以下通過(guò)一個(gè)具體的實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的原理，本發(fā)明的具體制備過(guò)程是將摻雜有稀土元素的的空心石英毛細(xì)管和實(shí)心石英棒按照預(yù)期設(shè)計(jì)的周期性結(jié)構(gòu)堆積并熔合成形，利用普通光纖的拉絲方法在更精確的溫度和速度控制下拉制成符合尺寸要求的光子晶體光纖，在拉絲過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整預(yù)制棒內(nèi)部惰性氣體壓強(qiáng)和拉絲的速度來(lái)保持光纖中空氣孔的大小比例，從而獲得一系列不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，其工藝過(guò)程的具體參數(shù)需要根據(jù)PCF設(shè)計(jì)來(lái)確定。為了保證毛細(xì)管表面的清潔，在制作過(guò)程中要特別注意除塵處理。首先選取事先設(shè)計(jì)的高純石英管作為套管，使用粗細(xì)相同的全摻雜毛細(xì)管?chē)@實(shí)心石英棒堆積好放入套管中，將整個(gè)套管內(nèi)排滿，這樣不僅可以減小排布的困難，而且制成的預(yù)制棒較均勻，有利于在拉制過(guò)程中均勻受力和膨脹，這樣就完成了預(yù)制棒的制作。全摻雜光子晶體光纖的拉制是整個(gè)工藝過(guò)程中的關(guān)鍵部分，在拉絲過(guò)程中，對(duì)全摻雜光子晶體光纖預(yù)制棒上端加上一個(gè)惰性氣體流，在其下端使用抽氣機(jī)對(duì)其抽氣，使預(yù)制棒內(nèi)氣壓保持恒定且與外界大氣壓比較接近，這樣能更好的保持全摻雜光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)。但是惰性氣體流的氣壓要保持適度，當(dāng)管內(nèi)氣壓比外面的大氣壓大時(shí)，就會(huì)使石英管護(hù)套向外膨脹，致使全摻雜空心毛細(xì)管和實(shí)心石英棒與套管分離。在這個(gè)過(guò)程中尤其要注意氣壓的變化，盡量使氣壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，否則會(huì)影響全摻雜光子晶體光纖的均勻性。本發(fā)明實(shí)施例中制備的光子晶體光纖大大增加了纖芯面積、大模場(chǎng)面積，克服了非線性作用、增大了纖芯的存儲(chǔ)能量；同時(shí)減小了纖芯與內(nèi)包層的相對(duì)折射率，以維持輻射激光的近似單模傳輸，從而在光纖中實(shí)現(xiàn)高脈沖能量和高光束質(zhì)量的激光輸出。這類(lèi)光纖如果采用全摻雜光子晶體光纖工藝，將十分適合研制高功率、高光束質(zhì)量的激光器，因?yàn)榇竽?chǎng)有利于對(duì)泵浦光的吸收，單橫模保證了激光的輸出質(zhì)量。泵浦光都是從多模的泵浦芯耦合到中間的纖芯中的，從而延長(zhǎng)了泵浦長(zhǎng)度以使泵浦光被充分吸收。這種簡(jiǎn)單、高效的耦合方式，使高功率半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的多模狀態(tài)的泵浦光，有效地轉(zhuǎn)化為具有很好光束質(zhì)量的高亮度激光。同樣的原理，只需改變內(nèi)外包層中的結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)。如將外包層中的空氣孔做的大而密，內(nèi)包層中的空氣孔做的小而疏，可使內(nèi)外包層的折射率差很大，從而使數(shù)值孔徑可以做到很大(>0.7)，這也方便于泵浦光的耦合。這種大模場(chǎng)全摻雜光子晶體光纖為研制高功率、高光束質(zhì)量的光纖激光器提供了一種新的途徑，使得進(jìn)一步提高光纖激光器的平均功率和單脈沖能量成為可能。這種大模場(chǎng)全摻雜光子晶體光纖具有以下優(yōu)勢(shì)
1)單次通過(guò)增益高，具有最佳的泵浦光一激光轉(zhuǎn)換效率，可以使泵浦光被充分吸收， 從而使得在連續(xù)光運(yùn)轉(zhuǎn)下總的光一光轉(zhuǎn)換效率得以提高；
2)可以獲得衍射極限的光束質(zhì)量；
3)光纖具有大的表面積/體積比，散熱效果好，使得激光器可以產(chǎn)生極高亮度和極高峰值功率的激光，同時(shí)能在不提高制冷強(qiáng)度的狀態(tài)下連續(xù)工作；
4)容易實(shí)現(xiàn)單模、單頻運(yùn)轉(zhuǎn)，可以通過(guò)控制纖芯尺寸來(lái)控制橫模，若光纖僅支持一個(gè)橫模，它將一直保持這種狀態(tài)，甚至在很高的泵浦功率下也是如此，這種設(shè)計(jì)給高功率工作的光纖激光器帶來(lái)很大的方便。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種全摻雜光子晶體光纖，包括由內(nèi)向外依次設(shè)有的實(shí)心毛細(xì)管、圍繞實(shí)心毛細(xì)管均勻排列的空心毛細(xì)管層以及設(shè)在空心毛細(xì)管層外側(cè)的套管，其特征在于，所述實(shí)心毛細(xì)管和空心毛細(xì)管采用摻雜有稀土元素的石英材料制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光纖，其特征在于，所述摻雜的稀土元素包括鑭 (La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥 (Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu) M (Sc)和釔(Y)中的一種或幾種的組合。
3.一種制備權(quán)利要求1或2所述的全摻雜光子晶體光纖的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟步驟一，采用摻雜有稀土元素的石英材料分別制作光纖的實(shí)心毛細(xì)管和空心毛細(xì)管；步驟二，將制備好的摻雜有稀土元素的實(shí)心毛細(xì)管和空心毛細(xì)管按周期性結(jié)構(gòu)均勻排列在套管內(nèi)并熔合成型；步驟三，將熔合成型的包含有實(shí)心毛細(xì)管、空心毛細(xì)管和套管的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉絲處理，完成全摻雜光子晶體光纖的制備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種全摻雜光子晶體光纖及其制備方法，所述全摻雜光子晶體光纖，包括由內(nèi)向外依次設(shè)有的實(shí)心毛細(xì)管、圍繞實(shí)心毛細(xì)管均勻排列的空心毛細(xì)管層以及設(shè)在空心毛細(xì)管層外側(cè)的套管，其中，所述實(shí)心毛細(xì)管和空心毛細(xì)管采用摻雜有稀土元素的石英材料制成。本發(fā)明提供的全摻雜光子晶體光纖其整個(gè)光纖截面都包含稀土元素，可以大大增大有源區(qū)域的面積，增大轉(zhuǎn)換效率；結(jié)合光子晶體光纖的無(wú)截止單模特性，可以很容易的實(shí)現(xiàn)超大模場(chǎng)的有源光纖；其大模場(chǎng)面積光子晶體光纖具有極低的非線性系數(shù)及很高的泵浦光數(shù)值孔徑，防止脈沖分裂，同時(shí)又保證光纖激光器的單模運(yùn)轉(zhuǎn)，使得進(jìn)一步提高了全摻雜光子晶體光纖的平均功率和單脈沖能量。
文檔編號(hào)G02B6/02GK102401933SQ201110371289
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月21日
發(fā)明者曹祥東 申請(qǐng)人:武漢虹拓新技術(shù)有限責(zé)任公司