一種抑制高階超模輸出的七芯光子晶體光纖的制作方法
【專利摘要】一種抑制高階超模輸出的七芯光子晶體光纖，屬于光子晶體光纖【技術領域】?；谑⒒|(1)，包層由石英基質上空氣孔(2)六角周期排列構成，纖芯區(qū)為空氣孔缺失形成的七個高折射率芯區(qū)。其特征在于，纖芯區(qū)摻雜增益離子，并且中間纖芯(3)的摻雜濃度大于周圍纖芯(4)。空氣孔的直徑與空氣孔的間距比值小于0.25。同時空氣孔間距與光波長比值為4至7，以保證每個纖芯單模運轉。
【專利說明】一種抑制高階超模輸出的七芯光子晶體光纖
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多芯光子晶體光纖，該光纖能夠有效抑制高階超模，直接輸出同相位超模，屬于光子晶體光纖【技術領域】。
【背景技術】
[0002]在高功率脈沖激光產生和傳輸方面，需要光纖具有很大的模場面積，這樣可以有效降低非線性效應并提高損傷閾值，從而獲得高功率高光束質量的激光輸出。多芯光子晶體光纖是提高光纖模場面積的一個非常有效的方案。多芯光子晶體光纖的模場面積隨纖芯數(shù)量成比例增加，可以比傳統(tǒng)光纖大兩個數(shù)量級以上。同時，多芯光子晶體光纖纖芯之間離散分布，將單芯中光場過于集中的單一高斯光場均勻的分攤到多個纖芯，有效避免了單芯光纖激光器無法克服的自聚焦效應和熱透鏡效應。
[0003]多芯光子晶體光纖中各個纖芯相互耦合，形成多個超模。若多芯光纖中每個纖芯只支持基膜傳輸，則超模數(shù)量與纖芯數(shù)量一致。其中，各個纖芯相位一致的超模稱為同相位超模，其他超模纖芯之間相位有差異，稱為高階超模。高階超模中，內外層纖芯之間相位相反的超模稱為反相位超模。只有同相位超模遠場具有高斯分布，其他高階超模的光束質量較差。因此，基于多芯光子晶體光纖的研究首先要解決的問題是如何有效選取同相位超模。
[0004]目前，在選模方式上，多模光纖的研究較多。多模光纖的選模主要通過增益在纖芯橫截面的分布和光纖彎曲半徑的設計來實現(xiàn)。多芯光子晶體光纖若各個纖芯增益離子摻雜濃度相等，則所有超模的增益系數(shù)相近，且超模之間彎曲損耗差別也不大。為此，多芯光子晶體光纖無法通過與多模光纖類似的方法來實現(xiàn)選模。
[0005]要確保多芯光子晶體光纖輸出同相位超模，目前的主要解決途徑如下:
[0006]1、熔接單模光纖。通過將多芯光子晶體光纖與單模光纖進行熔接，激光從單模光纖輸出，輸出模式即為單模光纖的基膜。這種方法雖然獲得了基膜輸出，但是輸出功率仍受限于單模光纖的非線性閾值，并且由于多芯光子晶體光纖與單模光纖模場不匹配，熔接損耗很大。
[0007]2、利用反射鏡構成塔爾博特腔(Talbot)。通過優(yōu)化腔鏡位置，利用自成像原理，使得同相位超模獲得最小的反饋損耗，高階超模都具有較大的反饋損耗。這種選模方法只有將多芯光子晶體光纖應用于激光腔中才有效，并需要精確調節(jié)反射鏡的位置，操作復雜，且不適用于放大器及激光傳輸中。
[0008]3、混合型多芯光子晶體光纖?；旌闲凸庾泳w光纖包層既包含空氣孔也包含高折射率棒。利用高折射率棒的諧振特性以及同相位超模和高階超模不同的對稱特性，使得高階超模的能量被主要局域在高折射率棒中無法得到有效的增益，而同相位超模仍主要局域在纖芯中，得到有效的放大。這種方法通過光纖結構本身有效的抑制了高階超模，結構簡單。但是高折射率棒的諧振特性對高折射率棒的尺寸非常敏感，數(shù)十納米的波動都對選模結果影響很大。這對光纖制作工藝提出了非常高的要求，同時也增加了生產成本。
【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明旨在設計一種七芯光子晶體光纖，不需要額外的選模元件，該光纖本身能有效抑制高階超模，輸出同相位超模，在獲得大的模場面積的同時，保證高的光束質量。
[0010]本發(fā)明通過下述技術方案加以實現(xiàn)的:一種抑制高階超模輸出的七芯光子晶體光纖，其特征在于，基于石英基質(I)，包括石英基質上圓形空氣孔(2)按照六角周期排列構成正六邊形區(qū)域，每個圓形空氣孔大小相等，圓形空氣孔層數(shù)為5?8層，圓形空氣孔的直徑與圓形空氣孔的中心間距比值小于0.25，同時圓形空氣孔中心間距與光波長比值為4?7，以保證每個纖芯單模運轉，正六邊形區(qū)域內周期空氣孔結構中缺失七個不相鄰的空氣孔形成七個高折射率纖芯區(qū)，七個纖芯為六角對稱結構，一個纖芯位于光纖的中心形成中間纖芯(3)，其余六個纖芯環(huán)繞中間纖芯(3)分別位于正六邊形的六個頂點，形成周圍纖芯
(4)，且中間纖芯和六個周圍纖芯之間均間隔一層圓形空氣孔，纖芯區(qū)摻雜鉺離子用于產生增益，六個周圍纖芯摻雜濃度相同，摻雜濃度范圍為4000?lOOOOppm，中間纖芯的摻雜濃度是周圍纖芯摻雜濃度的1.5?5倍。
[0011]本發(fā)明通過光纖結構和摻雜濃度的設計，使七芯光子晶體光纖的同相位超模具有最大增益和最小的傳輸損耗，用此光纖作為激光振蕩器或放大器的增益介質，無需模式選擇元件就可以有效抑制高階超模，實現(xiàn)多芯光子晶體光纖直接輸出同相位超模。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的光纖橫截面示意圖；
[0013]其中I為I石英基質，2圓形空氣孔，3中間纖芯，4周圍纖芯；
[0014]圖2是以本發(fā)明光纖作為增益介質的放大器輸出的激光功率隨光纖長度的變化曲線，實線為同相位超模功率，虛線為六個高階超模功率總和；
[0015]圖3是傳統(tǒng)七芯光子晶體光纖作為增益介質的放大器輸出的激光功率隨光纖長度的變化曲線。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明加以詳細說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。
[0017]實施例1。
[0018]圖1所示為本發(fā)明的光纖橫截面示意圖，七芯光子晶體光纖的直徑為300μπι，基底材料I為熔石英。光纖包層由石英基質上圓形空氣孔(2)六角周期排列構成?？諝饪椎闹行奈挥谡呅蔚木W格的結點上,各個結點的間距為10 μ m，每個空氣孔直徑均為2 μ m，空氣孔層數(shù)為6層。中間纖芯3和周圍六個纖芯4分別由缺失一個空氣孔形成，并分別位于光纖的中心和正六邊形六個頂點。中間纖芯和周圍六個纖芯之間間隔一層空氣孔。中間纖芯3和周圍六個纖芯4都摻雜鉺(Er)離子用于產生激光增益。中間纖芯的摻雜濃度為11240ppm，周圍六個纖芯的摻雜濃度為4390ppm。
[0019]此光纖的七個纖芯相互耦合，共支持七個本征超模，只有同相位超模和反相位超模在中間纖芯有能量分布，其他五個高階超模的能量只分布在周圍六個纖芯中。通過光纖摻雜的設計，使得中間纖芯具有較高的增益，周圍纖芯增益系數(shù)較低，從而同相位超模和反相位超模具有較高增益得到有效放大，并抑制其他高階超模。通過光纖結構的設計，使得空氣孔大小與空氣孔間距的比值僅為0.2，纖芯之間的耦合系數(shù)較大，纖芯對反相位超模的約束力減弱，反相位超模具有最高的傳輸損耗。結合光纖摻雜濃度和結構參數(shù)的設計，使得同相位超模具有最高的增益和最低的傳輸損耗，高階超模得到有效的抑制，直接輸出同相位超模。
[0020]將此光纖作為放大器的增益介質，種子光中心波長為1040nm，脈沖寬度為500fs，每個超模的入射功率均為100mW。采用半導體激光器作為泵浦源，泵浦光為功率為100W，泵浦光中心波長為976nm。圖2為此光纖超模的輸出功率隨光纖長度變化的曲線，實線為同相位超模輸出功率，虛線為其他六個高階超模輸出功率總和?？梢钥闯鐾辔怀５墓β收伎偣β实?3%以上，已基本能滿足光束質量的要求。
[0021]對比傳統(tǒng)的七芯光子晶體光纖，傳統(tǒng)七芯光子晶體光纖各個纖芯摻雜濃度一致，因而每個纖芯對信號光的增益系數(shù)相近。同時，傳統(tǒng)光子晶體光纖空氣孔直徑較大，所有超模的傳輸損耗差別不大。當空氣孔直徑為2.5 μ m，空氣孔間距為10 μ m，七個纖芯鉺離子的摻雜濃度均為4390ppm時，在相同的泵浦功率和信號光輸入功率下，得到的傳統(tǒng)七芯光子晶體光纖超模輸出功率隨光纖長度的變化曲線如圖3所示?？梢钥闯觯谐５妮敵龉β式跸嗟?，同相位超模功率僅約占總功率的14%，光束質量很差。
[0022]與以往報道的抑制多芯光子晶體光纖高階超模方法相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點:
[0023]1、與熔接單模光纖選模相比，本設計利用光纖自身增益和損耗特性，不需要熔接其他單模光纖選模，保持了光纖有效模場面積的同時有效抑制了高階超模，省去了光纖熔接過程，也避免了光纖熔接帶來的功率損耗。
[0024]2、與利用反射鏡構成塔爾博特腔(Talbot)相比，本設計的光纖不僅可以作為激光振蕩器的增益介質，也可以作為激光放大器的增益介質，不需要額外的選模元件，無需將光纖置于激光腔中利用激光腔內其他元件來實現(xiàn)選模，省去了復雜的光路調節(jié)，降低了成本。
[0025]3、與混合型多芯光子晶體光纖相比，本設計對光纖摻雜濃度和尺寸精度的要求很低，對現(xiàn)有的光子晶體光纖拉制工藝不會產生任何附加的要求。
【權利要求】
1.一種抑制高階超模輸出的七芯光子晶體光纖，其特征在于，基于石英基質(1)，包括石英基質上圓形空氣孔(2)按照六角周期排列構成正六邊形區(qū)域，每個圓形空氣孔大小相等，圓形空氣孔層數(shù)為5?8層，圓形空氣孔的直徑與圓形空氣孔的中心間距比值小于0.25，同時圓形空氣孔中心間距與光波長比值為4?7，以保證每個纖芯單模運轉，正六邊形區(qū)域內周期空氣孔結構中缺失七個不相鄰的空氣孔形成七個高折射率纖芯區(qū)，七個纖芯為六角對稱結構，一個纖芯位于光纖的中心形成中間纖芯(3)，其余六個纖芯環(huán)繞中間纖芯(3)分別位于正六邊形的六個頂點，形成周圍纖芯(4)，且中間纖芯和六個周圍纖芯之間均間隔一層圓形空氣孔，纖芯區(qū)摻雜鉺離子用于產生增益，六個周圍纖芯摻雜濃度相同，摻雜濃度范圍為4000?lOOOOppm，中間纖芯的摻雜濃度是周圍纖芯摻雜濃度的1.5?5倍。
2.權利要求1的七芯光子晶體光纖用于抑制高階超模輸出，直接輸出同相位超模。
【文檔編號】G02B6/036GK103487879SQ201310436090
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權日:2013年9月23日
【發(fā)明者】方曉惠, 王麗 申請人:北京工業(yè)大學