本發(fā)明涉及微結(jié)構(gòu)光纖領(lǐng)域，特別是涉及一種矩形芯子光纖。

背景技術(shù)：

隨著光纖激光器和放大器在工業(yè)、國防、科學研究、醫(yī)療等方面的推廣與發(fā)展，對于大功率激光源的需求越來越多。輸出功率千瓦量級的連續(xù)波光纖激光系統(tǒng)和峰值功率為兆瓦量級的短脈沖光纖激光器將逐漸成為未來工業(yè)、國防、科學研究、醫(yī)療等行業(yè)的必備工具。這些應(yīng)用領(lǐng)域要求光纖激光源具有更高的輸出功率、緊湊的結(jié)構(gòu)和更低的成本。但是，非線性現(xiàn)象和模式不穩(wěn)定現(xiàn)象成為了制約光纖激光源功率的提升的限制因素。而通過模場面積擴展和單模操作可以抑制這些不利因素。

近年來，研究人員已經(jīng)設(shè)計實現(xiàn)了許多大模場面積光纖，但是大部分的大模場面積光纖都有一定的制約因素存在，比如結(jié)構(gòu)復雜、制造難度大、彎曲特性差等，使得這些光纖在實際應(yīng)用中受到限制?；趥鹘y(tǒng)的光纖制造技術(shù)生產(chǎn)的階躍型光纖的數(shù)值孔徑一般大于0.06，為了同時保證大有效模場面積和單模傳輸，需要通過彎曲抑制纖芯中的高階模式，基于此方法理論上可實現(xiàn)的模場面積極限約為370μm²；利用改進的光纖制造技術(shù)可以實現(xiàn)超低數(shù)值孔徑的光纖，其數(shù)值孔徑可低至0.038，可以實現(xiàn)750μm²的模場面積，但是這種光纖的制造工藝被少數(shù)國外研究機構(gòu)所掌握，難以在我國進行學習推廣。摒棄階躍折射率分布，采用全新的導光機制，可實現(xiàn)擴大模場面積的同時得到單模輸出，例如：光子帶隙光纖(photonicbandgapfiber，簡稱為pbgf)、光子晶體光纖(photoniccrystalfiber，簡稱為pcf)、泄漏通道型光纖(leakagechannelfiber，簡稱為lcf)、和螺旋芯光纖(chirally-coupled-corefiber，簡稱為cccf)等。這類光纖具有較大的模場面積和較好的高階模式抑制能力，但是此類光纖制造工藝復雜，需要精確的堆棒和拉絲工藝。近年來提出的低折射率多層溝壑型光纖(mtf)具有易于制造的特點和較好的高階模式抑制能力，但在彎曲的情況下模場面積小于800μm²，模場面積較小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種矩形芯子光纖，用以解決現(xiàn)有技術(shù)的如下問題：現(xiàn)有大模場面積光纖制造工藝較為復雜，不利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，且光纖模場面積有待進一步提高，傳輸性能較差。

為解決上述技術(shù)問題，一方面，本發(fā)明提供一種矩形芯子光纖，包括：橫截面為矩形的纖芯、橫截面邊界形狀為矩形的溝壑層、橫截面邊界形狀為矩形的折射率緩沖層和外包層；其中，所述溝壑層的數(shù)量大于等于2；所述溝壑層的折射率小于預設(shè)折射率，其中，所述預設(shè)折射率為所述纖芯、所述折射率緩沖層和所述外包層中最小的折射率。

可選的，所述外包層的橫截面邊界形狀為矩形。

可選的，所述外包層與所述溝壑層的折射率差值的絕對值大于0.001。

可選的，所述外包層與所述折射率緩沖層的折射率差值的絕對值小于0.001。

可選的，所述外包層與所述折射率緩沖層的折射率相同。

可選的，所述纖芯、所述折射率緩沖層和所述外包層的折射率均相同。

可選的，所述外包層與所述纖芯的折射率差值的絕對值小于0.0005。

可選的，所述纖芯長邊邊長為短邊邊長的2倍。

可選的，各個所述溝壑層的厚度相等，和/或，各個所述折射率緩沖層的厚度相等。

本發(fā)明矩形芯子光纖的纖芯、溝壑層和折射率緩沖層都是具有矩形的結(jié)構(gòu)，使得光纖在彎曲的情況下具有較大的基模模場面積，溝壑層的折射率是光纖中各個介質(zhì)中折射率最小的，使得纖芯中的高階模式具有較大的傳輸損耗，基模傳輸性能較好，且制造工藝可以采用現(xiàn)有的簡單光纖工藝制造，制造過程簡單，解決了現(xiàn)有技術(shù)的如下問題：現(xiàn)有大模場面積光纖制造工藝較為復雜，不利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，且光纖模場面積有待進一步提高，傳輸性能較差。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例中外包層為圓形的矩形芯子光纖的橫截面示意圖；

圖2是圖1中實施例矩形芯子光纖在彎曲和非彎曲時橫截面aa’線上的折射率分布曲線；

圖3是圖1中實施例矩形芯子光纖在彎曲和非彎曲時橫截面bb’線上的折射率分布曲線。

圖4是外包層為矩形、溝壑層層數(shù)為3時的矩形芯子光纖的橫截面示意圖。

圖5是外包層為矩形、溝壑層層數(shù)為4時的矩形芯子光纖的橫截面示意圖。

具體實施方式

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的如下問題：現(xiàn)有光纖制造工藝較為復雜，不利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，且光纖模場面積有待進一步提高，傳輸性能較差，本發(fā)明提供了一種矩形芯子光纖，該矩形芯子光纖的橫截面示意圖如圖1所示，包括：

橫截面為矩形的纖芯101、橫截面邊界形狀為矩形的溝壑層102、橫截面邊界形狀為矩形的折射率緩沖層103和外包層201；其中，溝壑層102的數(shù)量大于等于2；溝壑層102的折射率小于預設(shè)折射率，其中，預設(shè)折射率為纖芯101、折射率緩沖層103和外包層201中最小的折射率。

在圖1中，外包層為圓形，溝壑層102設(shè)置的數(shù)量為3層，折射率緩沖層103設(shè)置的數(shù)量為2層，上述設(shè)置僅是一個示例，并不用于限定本發(fā)明實施例矩形芯子光纖各個層的層數(shù)。

本發(fā)明實施例矩形芯子光纖的纖芯、溝壑層和折射率緩沖層都是具有矩形的結(jié)構(gòu)，使得光纖在彎曲的情況下具有較大的基模模場面積，溝壑層的折射率是光纖中各個介質(zhì)中折射率最小的，使得纖芯中的高階模式具有較大的傳輸損耗，基模傳輸性能較好，且制造工藝可以采用現(xiàn)有的簡單光纖工藝制造，制造過程簡單，解決了現(xiàn)有技術(shù)的如下問題：現(xiàn)有光纖制造工藝較為復雜，不利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，且光纖模場面積有待進一步提高，傳輸性能較差。

在設(shè)置上述矩形芯子光纖時，可以對外包層與溝壑層的折射率進行一定的設(shè)置，例如，讓外包層與溝壑層的折射率差值的絕對值大于0.001。

在設(shè)置上述矩形芯子光纖時，外包層與折射率緩沖層的折射率進行一定的設(shè)置，例如，讓外包層與折射率緩沖層差值的絕對值小于0.001。

在具體實現(xiàn)時，為了達到更好的傳輸效果，還可以將外包層與折射率緩沖層的折射率設(shè)置為相等。

在具體實現(xiàn)時，為了達到更好的傳輸效果，還可以將纖芯、折射率緩沖層和外包層的折射率均設(shè)置為相等，此種情況下可以實現(xiàn)矩形芯子光纖的最佳性能。

在設(shè)置上述矩形芯子光纖時，可以對外包層與纖芯的折射率進行一定的設(shè)置，例如，讓外包層與纖芯的折射率差值的絕對值小于0.0005。外包層與纖芯的折射率差值的絕對值達到上述一個較小的范圍時，可以保證光纖的傳輸效率進一步提升。

由于本實施例提供的矩形芯子光纖是矩形結(jié)構(gòu)，因此，可以對該矩形邊長進行設(shè)置，以便在光纖發(fā)生彎曲時，可以具有較大的基模模場面積。在設(shè)置時，可以設(shè)置纖芯和外包層的長邊邊長均為短邊邊長的2倍。并且，彎曲方向垂直于長邊方向。

除了纖芯為實心矩形結(jié)構(gòu)，其他各個層均為環(huán)形矩形結(jié)構(gòu)，并且具有一定的厚度，所以，也可以通過設(shè)置其他各個層的厚度來優(yōu)化光纖性能。在設(shè)計光纖的各個層時，可以將各個溝壑層的厚度設(shè)置為相等，還可以將各個折射率緩沖層的厚度設(shè)置為相等。例如，光纖具有四個溝壑層和三個折射率緩沖層，則四個溝壑層的厚度均相等，三個折射率緩沖層的厚度均相等。

以下結(jié)合附圖以及具體實例，對本發(fā)明上述矩形芯子光纖進行進一步說明。

圖1已經(jīng)展示了本實施例的矩形芯子光纖折射率橫截面分布示意圖，該圖為一種用于輸出單模激光的三層低折射率溝壑型矩形芯子光纖，包括矩形纖芯、包覆在纖芯外的三層矩形低折射率溝壑層、低折射率溝壑之間的矩形折射率緩沖層和外包層，其中溝壑層層數(shù)為3，外包層為圓形；低折射率溝壑層的折射率小于光纖其他區(qū)域(101、103、201)的折射率；纖芯、低折射率溝壑層和折射率緩沖層都為矩形。

在圖2和圖3中分別展示了上述矩形芯子光纖在aa’和bb’線上的折射率分布曲線，并且標示了相關(guān)光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)符號。

在本實施例中，外包層的折射率為ncl，外包層與低折射率溝壑層的折射率差值絕對值(δntrench)處于0.001至0.007之間；折射率緩沖層的折射率與外包層的折射率相同；纖芯的折射率與外包層的折射率差值絕對值(δnco)小于0.0001；垂直于彎曲方向的纖芯尺寸(長度用b表示，bb’方向)大于平行于彎曲方向的纖芯尺寸(長度用a表示，aa’方向)，例如，a為b為的二分之一，或a為b為的三分之一等；低折射率矩形溝壑相互垂直的兩個方向上的寬度(ta,tb)可以相等，寬度值優(yōu)選設(shè)置在1μm至8μm的范圍之間；光纖外包層也可以設(shè)置為矩形，其aa’方向?qū)捄蚥b’方向?qū)捒梢耘c纖芯尺寸具有相同的比例。

例如，外包層與低折射率溝壑層的折射率差值絕對值為0.004；折射率緩沖層的折射率與外包層的折射率相同；纖芯的折射率與外包層的折射率差值絕對值為0.00005；垂直于彎曲方向的纖芯尺寸(長度用b表示，bb’方向)大于平行于彎曲方向的纖芯尺寸(長度用a表示，aa’方向)，其中a為30μm，b為60μm；低折射率矩形溝壑相互垂直的兩個方向上的寬度(ta,tb)相等，寬度值為3μm；光纖外包層為矩形，aa’方向?qū)挒?50μm，bb’方向?qū)挒?00μm。

例如，外包層與低折射率溝壑層的折射率差值絕對值為0.006；折射率緩沖層的折射率與外包層的折射率相同；纖芯的折射率與外包層的折射率差值絕對值為0.00007；垂直于彎曲方向的纖芯尺寸(長度用b表示，bb’方向)大于平行于彎曲方向的纖芯尺寸(長度用a表示，aa’方向)，其中a為32μm，b為68μm；低折射率矩形溝壑相互垂直的兩個方向上的寬度(ta,tb)相等，寬度值為2μm；光纖外包層為矩形，aa’方向?qū)挒?64μm，bb’方向?qū)挒?61μm。

例如，外包層與低折射率溝壑層的折射率差值絕對值為0.003；折射率緩沖層的折射率與外包層的折射率相同；纖芯的折射率與外包層的折射率差值絕對值為0.00004；垂直于彎曲方向的纖芯尺寸(長度用b表示，bb’方向)大于平行于彎曲方向的纖芯尺寸(長度用a表示，aa’方向)，其中a為28μm，b為56μm；低折射率矩形溝壑相互垂直的兩個方向上的寬度(ta,tb)相等，寬度值為2μm；光纖外包層為矩形，aa’方向?qū)挒?30μm，bb’方向?qū)挒?60μm。

圖4展示了本實施例的矩形芯子光纖折射率橫截面分布示意圖，該圖為一種用于輸出單模激光的三層低折射率溝壑型矩形芯子光纖，包括矩形纖芯、包覆在纖芯外的三層矩形低折射率溝壑層、低折射率溝壑之間的矩形折射率緩沖層和外包層，其中溝壑層層數(shù)為3，外包層為矩形；低折射率溝壑層的折射率小于光纖其他區(qū)域(101、103、201)的折射率。與圖1的區(qū)別在于，除了纖芯、低折射率溝壑層和折射率緩沖層都為矩形，其外包層橫截面也為矩形，即整根矩形芯子光纖從外觀上看是有棱角的光纖。

圖5展示了本實施例的矩形芯子光纖折射率橫截面分布示意圖，該圖為一種用于輸出單模激光的四層低折射率溝壑型矩形芯子光纖，包括矩形纖芯、包覆在纖芯外的四層矩形低折射率溝壑層、低折射率溝壑之間的矩形折射率緩沖層和外包層，其中溝壑層層數(shù)為4，外包層為矩形；低折射率溝壑層的折射率小于光纖其他區(qū)域(101、103、201)的折射率；纖芯、低折射率溝壑層、折射率緩沖層和外包層都為矩形。

此外，在此實施例中，還可通過調(diào)整以下光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化光纖特性，包括：低折射率溝壑與外包層的折射率差(δntrench)、纖芯的折射率與外包層的折射率差值(δnco)、纖芯在相互垂直的兩個方向上的尺寸(a,b)、低折射率矩形溝壑相互垂直的兩個方向上的寬度(ta,tb)、折射率緩沖層相互垂直的兩個方向上的寬度(da,db)等。

本發(fā)明中，矩形芯子光纖可以采用現(xiàn)有的制造方案，例如：

方案1：利用改進的化學汽相淀積法(mcvd)在矩形石英管內(nèi)壁沉積高低折射率相間分布的多層結(jié)構(gòu)和纖芯層，然后通過縮棒實現(xiàn)矩形芯子光纖預制棒的制造；通過普通的光纖拉絲工藝，實現(xiàn)此光纖；在拉絲時要控制好拉絲的溫度和牽引力，使得光纖截面形狀保持不變。

方案2：利用mcvd法在圓形或者矩形石英管內(nèi)壁沉積高低折射率相間分布的多層結(jié)構(gòu)；再制造一個矩形的石英棒作為芯子棒；在拉絲時，將矩形芯子棒套入沉積了高低折射率相間分布的石英管內(nèi)，利用光纖拉絲工藝，拉制此光纖；在拉絲過程中，需要控制芯子棒與石英管之間空隙的氣壓，并且需要要控制好拉絲的溫度和牽引力，使得光纖截面形狀保持不變。

本發(fā)明實施例提供的矩形芯子光纖，在結(jié)構(gòu)上利用多層低折射率溝壑之間形成的諧振效應(yīng)，或者理解為利用纖芯的高階模式和與其折射率相匹配的包層泄露模式的耦合，使得纖芯中的高階模式具有較大的傳輸損耗，實現(xiàn)了對纖芯中高階模式的抑制；利用擴展垂直于彎曲方向的纖芯尺寸的方法，實現(xiàn)在保證光纖彎曲特性的前提下擴大基模的有效模場面積，即實現(xiàn)了在光纖彎曲的前提下具有較大有效模場面積并且可實現(xiàn)單模工作的光纖。

通過本發(fā)明實施例記載的矩形芯子光纖可知，其具有如下有益效果：

1)光纖設(shè)計在彎曲的情況下具有較好的高階模式抑制能力；

2)光纖設(shè)計在彎曲的情況下具有較大的基模模場面積；

3)光纖結(jié)構(gòu)簡單，可以采用成熟的工藝進行制造；

4)光纖具有抑制高階模式的特性，可實現(xiàn)單模傳輸。

盡管為示例目的，已經(jīng)公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到各種改進、增加和取代也是可能的，因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當不限于上述實施例。