本發(fā)明涉及光纖技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種雙包層有源光纖及其制造方法。

背景技術(shù)：

大功率光纖激光器的技術(shù)突破始于1988年snitzer等人提出的雙包層泵浦概念，與普通通信光纖設(shè)計(jì)不同，除了圍繞纖芯的內(nèi)包層外，雙包層光纖增加了采用低折射率涂層形成的外包層，使得纖芯相對于內(nèi)包層、內(nèi)包層相對于外包層都有較高的折射率，形成纖芯和包層的雙重波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，稀土離子摻雜的纖芯可作為激光的增益介質(zhì)，而包層波導(dǎo)可用于傳輸泵浦光源。由于端面發(fā)射的多模半導(dǎo)體激光在長軸方向的光斑尺寸一般在100μm以上，而光纖的直徑可靈活地控制在幾十到幾百微米范圍，因此，雙包層光纖可有效地利用高功率低亮度半導(dǎo)體激光作為泵浦光源，使得全光纖結(jié)構(gòu)的大功率固體激光器成為可能。顯而易見，在包層中傳輸?shù)谋闷止庵挥性谕ㄟ^纖芯時(shí)才會被稀土離子吸收，因此包層泵浦吸收系數(shù)一般大大低于纖芯泵浦吸收系數(shù)，兩者的比例最終取決于纖芯與包層的截面積之比。除此之外，一部分包層泵浦光是以螺旋光的形式傳輸?shù)?，從不?jīng)過纖芯，因此為提高泵浦吸收效率，通常雙包層有源光纖都做成非圓型的橫截面，如八邊形或“d”型等。目前八邊形雙包層有源光纖是制作大功率光纖激光器的主流光纖設(shè)計(jì)。

雙包層有源光纖是光纖激光器的重要組成部分，雙包層有源光纖比常規(guī)的光纖多了一個(gè)低折射率外包層，主要由纖芯、內(nèi)包層、低折射率外包層和保護(hù)涂層(高折射率涂覆層)四個(gè)部分組成。

目前的雙包層有源光纖，存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：

(1)在光纖激光器使用中希望減少光纖使用長度，進(jìn)而減小非線性效應(yīng)，這就需要提高雙包層有源光纖的包層泵浦吸收，一般的方法是通過增加纖芯摻雜濃度來提高包層泵浦吸收，但是該種方法會造成光纖光致暗化現(xiàn)象明顯。因此，在保持纖芯摻雜濃度不變的前提下，如何提高包層泵浦吸收，已成為目前亟待解決的問題。

(2)在滿足同樣耦合功率要求的條件下通過提高包層的數(shù)值孔徑可適當(dāng)?shù)亟档桶鼘咏孛娣e，進(jìn)而提高摻鐿光纖的泵浦吸收，但受限于材料的性質(zhì)，現(xiàn)有的低折射率涂層難有較大的改變；采取空氣孔包層雖然可以較大幅度地提高包層數(shù)值孔徑，但是氣孔的存在使得該種類型的光纖難以切割、熔接，與現(xiàn)有光器件匹配較難。

(3)常規(guī)的雙包層有源光纖為了減少螺旋光，提高包層泵浦吸收，采用異型包層設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)使得有源光纖與無源光纖熔接較難，而且機(jī)械加工容易引入附加的偏心度，會增加熔接損耗，降低光束質(zhì)量。此外，異形光纖在拉絲過程中的幾何尺寸控制也較為困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請?zhí)峁┮环N雙包層有源光纖及其制造方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的雙包層有源光纖如何在保持相同纖芯摻雜濃度的前提下，提高泵浦吸收的技術(shù)問題。

一方面，本申請通過一實(shí)施例提供如下技術(shù)方案：

一種雙包層有源光纖，由內(nèi)向外依次包括：纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護(hù)涂層；其中，在所述內(nèi)包層內(nèi)設(shè)置有m個(gè)填充區(qū)域，m為正整數(shù)，所述填充區(qū)域由折射率小于所述內(nèi)包層的折射率的填充物組成。

優(yōu)選地，所述m個(gè)填充區(qū)域隨機(jī)分布在所述內(nèi)包層中，或者，所述m個(gè)填充區(qū)域呈中心對稱分布。

優(yōu)選地，所述m個(gè)填充區(qū)域的大小和形狀是隨意的，或者，所述m個(gè)填充區(qū)域的大小和形狀均相同。

優(yōu)選地，所述填充區(qū)域是摻雜的二氧化硅玻璃。

優(yōu)選地，所述摻雜的二氧化硅玻璃中的摻雜元素包括f、b、p、ge、al的任意組合。

優(yōu)選地，所述內(nèi)包層是二氧化硅玻璃。

優(yōu)選地，所述外包層是摻氟的二氧化硅玻璃或摻硼的二氧化硅玻璃或低折射率樹脂。

優(yōu)選地，所述雙包層有源光纖的橫截面的外形為圓形。

優(yōu)選地，所述雙包層有源光纖的橫截面的外形為多邊形。

另一方面，本申請通過一實(shí)施例，提供如下技術(shù)方案：

一種雙包層有源光纖的制造方法，其特征在于，包括：

制備有源預(yù)制棒，所述有源預(yù)制棒包括芯層和內(nèi)包層；

將有源芯棒與套管組合并進(jìn)行熔融，獲得第一光纖預(yù)制棒；

在所述第一光纖預(yù)制棒的橫截面上鉆m個(gè)填充區(qū)域，獲得第二光纖預(yù)制棒，m為正整數(shù)；

在所述每個(gè)填充區(qū)域中均插入填充棒，獲得第三光纖預(yù)制棒，所填充棒的折射率小于所述內(nèi)包層的折射率；

將所述第三光纖預(yù)制棒在高溫下拉絲，并在所述第三光纖預(yù)制棒表面依次涂覆外包層和保護(hù)涂層，獲得雙包層有源光纖。

本申請實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

在本發(fā)明實(shí)施例中，公開了一種提高雙包層有源光纖包層泵浦吸收的光纖設(shè)計(jì)，由內(nèi)向外依次包括：纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護(hù)涂層；其中，在所述內(nèi)包層內(nèi)設(shè)置有m個(gè)填充區(qū)域，m為正整數(shù)。由于在內(nèi)包層內(nèi)設(shè)置有m個(gè)填充區(qū)域，且填充物的折射率低于內(nèi)包層的折射率，降低了包層的有效波導(dǎo)面積，同時(shí)，這些填充區(qū)域的存在，大大抑制了螺旋光的形成和傳輸，提高的包層光經(jīng)過纖芯的速率，以上兩者結(jié)合可以增大包層泵浦吸收，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)中的雙包層有源光纖，如何在保持纖芯摻雜濃度不變的前提下，提高泵浦吸收的技術(shù)問題。進(jìn)一步地，由于螺旋光的抑制不再需要非圓的光纖外形，使得圓形有源光纖成為可能，大大提高了有源光纖與無源光纖的匹配性和相容性，以及有源光纖制備過程中的幾何控制精度，從而降低熔接損耗，增加激光器的效率和可靠性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中一種雙包層有源光纖的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中一種雙包層有源光纖的制造方法流程圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中有源芯棒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中套管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中第一光纖預(yù)制棒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中第二光纖預(yù)制棒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中的填充棒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例中第三光纖預(yù)制棒的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記：101—纖芯、102—有源芯棒、103—套管、104—第一光纖預(yù)制棒、105—第二光纖預(yù)制棒、106—填充棒、107—第三光纖預(yù)制棒、108—內(nèi)包層、109—外包層、110—保護(hù)涂層、111—填充區(qū)域。

具體實(shí)施方式

本申請實(shí)施例通過提供一種提高雙包層有源光纖包層泵浦吸收的光纖設(shè)計(jì)及其制造方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的雙包層有源光纖如何在保持相同纖芯摻雜濃度的前提下，提高泵浦吸收的技術(shù)問題。

本申請實(shí)施例的技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，總體思路如下：

一種雙包層有源光纖，由內(nèi)向外依次包括：纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護(hù)涂層；其中，在所述內(nèi)包層內(nèi)設(shè)置有m個(gè)填充區(qū)域，m為正整數(shù)，所述填充區(qū)域由折射率小于所述內(nèi)包層的折射率的填充物組成。

為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實(shí)施方式對上述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。

實(shí)施例一

如圖1所示，本實(shí)施例提供了一種雙包層有源光纖，由內(nèi)向外依次包括：纖芯101、內(nèi)包層108、外包層109和保護(hù)涂層110；其中，在內(nèi)包層108內(nèi)設(shè)置有m個(gè)填充區(qū)域111，m為正整數(shù)。

進(jìn)一步，所述雙包層有源光纖的橫截面可以為多邊形(例如：正方形、或正六邊形、或正八邊形等等)。

優(yōu)選地，所述雙包層有源光纖的橫截面為圓形，這樣，避免了通常異型雙包層有源光纖與無源光纖熔接較難，機(jī)械加工易引入附加的偏心度，熔接損耗增加，光束質(zhì)量降低，拉絲過程中的幾何尺寸控制較為困難等問題。

進(jìn)一步，所述m個(gè)填充區(qū)域111隨機(jī)分布在內(nèi)包層108中，或者，所述m個(gè)填充區(qū)域111呈中心對稱分布。所述m個(gè)填充區(qū)域111的大小和形狀是隨意的，或者，所述m個(gè)填充區(qū)域111的大小和形狀均相同。

在具體實(shí)施過程中，填充區(qū)域111由折射率小于內(nèi)包層108的折射率的填充棒物(例如：填充棒106)進(jìn)行填充，填充棒106具體可以為摻雜的二氧化硅玻璃，其中的摻雜包括f(氟)、b(硼)、p(磷)、ge(鍺)、al(鋁)的任意組合。

舉例來講，可以在內(nèi)包層108鉆m個(gè)孔，在所述m個(gè)孔中的每個(gè)孔中插入填充棒106，形成預(yù)制棒和填充棒的組合件；且，所述m根填充棒106中心對稱，m可以為4或8或16(m為4的整數(shù)倍)。以4根填充棒為例，可以將這4根填充棒上下左右對稱布置。

在具體實(shí)施過程中，內(nèi)包層108是固態(tài)的，內(nèi)包層108可以是二氧化硅玻璃。

在具體實(shí)施過程中，外包層109可以是摻氟的二氧化硅玻璃或摻硼的二氧化硅玻璃或低折射率樹脂。

在具體實(shí)施過程中，保護(hù)涂層110也稱為保護(hù)層(或高折射率涂覆層)。

本實(shí)施例中提高雙包層有源光纖包層泵浦吸收的原理如下：

在分析雙包層有源光纖包層泵浦吸收系數(shù)時(shí)，采取一種近似的方法，泵浦光在雙包層有源光纖內(nèi)包層傳播過程中被纖芯吸收，則考慮雙包層有源光纖的包層泵浦吸收系數(shù)滿足其中，acore為纖芯的面積，aclad為內(nèi)包層的面積，aincl為內(nèi)包層中填充物的總面積，αclad為雙包層有源光纖的包層泵浦吸收系數(shù)，αcore為纖芯的泵浦吸收系數(shù)。所以，在保持纖芯的面積acore和纖芯的泵浦吸收系數(shù)αcore不變的情況下，可以通過增大內(nèi)包層中填充物的總面積aincl，提高雙包層有源光纖的包層泵浦吸收系數(shù)αclad。

本實(shí)施例中的雙包層有源光纖相比于現(xiàn)有技術(shù)中的雙包層有源光纖，包層泵浦吸收系數(shù)大幅提高，這是由于內(nèi)包層108鉆孔后，位置被填充區(qū)域取代，降低了內(nèi)包層的有效波導(dǎo)面積，提高了包層泵浦吸收。

另外，在本申請實(shí)施例中，為降低保偏性能，填充棒106按照中心對稱布置，抵消了保偏性能；并且，填充棒106為摻雜氟的石英棒，相對于摻硼的應(yīng)力棒，保偏效果下降。

上述本申請實(shí)施例中的技術(shù)方案，至少具有如下的技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

1、在本申請實(shí)施例中，所述雙包層有源光纖，在內(nèi)包層區(qū)域填充折射率低于內(nèi)包層的折射率的填充物(即：填充棒)，降低了內(nèi)包層的有效波導(dǎo)面積，增大光纖泵浦吸收，所以實(shí)現(xiàn)了在保持纖芯摻雜濃度不變的前提下，提高雙包層有源光纖包層泵浦吸收。

2、在本申請實(shí)施例中，所述雙包層有源光纖為全固態(tài)設(shè)計(jì)，解決了具有空氣包層的雙包層有源光纖因?yàn)榭諝饪椎拇嬖趯?dǎo)致的難以切割、熔接，與現(xiàn)有光器件較難匹配的問題。

3、在本申請實(shí)施例中，所述雙包層有源光纖采用圓形設(shè)計(jì)，避免了通常異型雙包層有源光纖與無源光纖熔接較難，機(jī)械加工易引入附加的偏心度，熔接損耗增加，光束質(zhì)量降低，拉絲過程中的幾何尺寸控制較為困難等問題。

實(shí)施例二

基于同一發(fā)明構(gòu)思，本實(shí)施例提供了一種提高雙包層有源光纖包層泵浦吸收的制造方法，如圖2所示，包括：

步驟s201：制備有源芯棒102，有源芯棒102包括纖芯101和內(nèi)包層108。

在具體實(shí)施過程中，如圖3所示，可以采用mcvd(modifiedchemicalvapordeposition，改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法)工藝制備有源芯棒102。具體來講，在石英基管上，依次經(jīng)過刻蝕，內(nèi)包層沉積，芯層沉積，稀土摻雜等，再進(jìn)行縮棒，拋光等工序制得有源芯棒102。

在具體實(shí)施過程中，在步驟s201之后，應(yīng)對有源芯棒102進(jìn)行清洗。具體來講，可以將有源芯棒102放入hf溶液中浸泡200min，以除去芯棒表面的雜質(zhì)。

步驟s202：將有源芯棒102與套管103組合并進(jìn)行熔融，獲得第一光纖預(yù)制棒104。

在具體實(shí)施過程中，如圖4所示，套管103是外徑為圓形的石英套管。如圖5所示，將有源芯棒102和套管103進(jìn)行組合，套管103套在有源芯棒102外面，套管103的內(nèi)徑和有源芯棒102的直徑匹配誤差在0.5mm以內(nèi)，在套管系統(tǒng)中將有源芯棒102和套管103進(jìn)行熔融，得到一根實(shí)心的第一光纖預(yù)制棒104。

步驟s203：在第一光纖預(yù)制棒104的橫截面上鉆m個(gè)填充區(qū)域111，獲得第二光纖預(yù)制棒105；其中，m為正整數(shù)。

在具體實(shí)施過程中，所述m個(gè)填充區(qū)域111中心對稱。例如：如圖6所示，可以將第一光纖預(yù)制棒104放置在鉆孔設(shè)備中對稱鉆4個(gè)填充區(qū)域111，這4個(gè)填充區(qū)域111上下左右對稱。

步驟s204：在每個(gè)填充區(qū)域111中均插入填充棒106，獲得第三光纖預(yù)制棒107。

在具體實(shí)施過程中，填充區(qū)域111由如圖7所示折射率小于內(nèi)包層的折射率的填充棒106進(jìn)行填充，具體可以為摻雜氟的石英棒。

在具體實(shí)施過程中，在步驟s204之前，還包括：對第二光纖預(yù)制棒105進(jìn)行清洗；對填充棒進(jìn)行打磨；對打磨后的填充棒106進(jìn)行清洗。其中，在對第二光纖預(yù)制棒105清洗時(shí)，可以第二光纖預(yù)制棒105放置在堿性清洗劑中超聲波清洗15min以上，再放置在有機(jī)清洗劑中超聲波清洗15min以上，然后再放入hf溶液中浸泡15min以上，以除去第二光纖預(yù)制棒105表面的雜質(zhì)。在對填充棒106進(jìn)行打磨時(shí)，需要保證打磨后的填充棒106的直徑小于填充區(qū)域111的直徑，打磨后的填充棒106的直徑與填充區(qū)域111的直徑之差控制在預(yù)設(shè)值以內(nèi)，該預(yù)設(shè)值的取值范圍為0.3mm～0.5mm，例如：0.3mm、0.4mm、0.5mm。在對打磨后的填充棒106清洗時(shí)，可以填充棒106放置在堿性清洗劑中超聲波清洗15min以上，再放置在有機(jī)清洗劑中超聲波清洗15min以上，然后再放入hf溶液中浸泡15min以上，以除去填充棒106表面的雜質(zhì)。

在具體實(shí)施過程中，將填充棒106插入到第二光纖預(yù)制棒105的每個(gè)填充區(qū)域111中，獲得第三光纖預(yù)制棒107，如圖8所示。

步驟s205：將第三光纖預(yù)制棒107在高溫下拉絲，表面依次涂覆外包層109和保護(hù)涂層110，獲得雙包層有源光纖。

在具體實(shí)施過程中，將第三光纖預(yù)制棒107安置在光纖拉絲塔上，在熔融狀態(tài)下將第三光纖預(yù)制棒107拉絲涂覆，在第三光纖預(yù)制棒表面形成外包層109和保護(hù)涂層110，最終獲得圖1所示的雙包層有源光纖，所述雙包層有源光纖的橫截面為圓形。

上述本申請實(shí)施例中的技術(shù)方案，至少具有如下的技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

1、在本申請實(shí)施例中，所述雙包層有源光纖，在內(nèi)包層區(qū)域填充折射率低于內(nèi)包層的折射率的填充物(即：填充棒)，降低了內(nèi)包層的有效波導(dǎo)面積，增大光纖泵浦吸收，所以實(shí)現(xiàn)了在保持纖芯摻雜濃度不變的前提下，提高雙包層有源光纖包層泵浦吸收。

2、在本申請實(shí)施例中，所述雙包層有源光纖為全固態(tài)設(shè)計(jì)，解決了具有空氣包層的雙包層有源光纖因?yàn)榭諝饪椎拇嬖趯?dǎo)致的難以切割、熔接，與現(xiàn)有光器件較難匹配的問題。

3、在本申請實(shí)施例中，所述雙包層有源光纖采用圓形設(shè)計(jì)，避免了通常異型雙包層有源光纖與無源光纖熔接較難，機(jī)械加工易引入附加的偏心度，熔接損耗增加，光束質(zhì)量降低，拉絲過程中的幾何尺寸控制較為困難等問題。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(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)。