[發明專利]一種大模場單模多層纖芯的瓣狀光纖

在審

• 申請號: 201611189204.X
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN106997071A
• 公開（公告）日: 2017-08-01
• 發明（設計）人: 寧提綱;馬紹朔;李晶;王一群;王建帥
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02;G02B6/036
• 代理公司: 北京衛平智業專利代理事務所(普通合伙)11392
• 代理人: 董琪

技術領域

本發明涉及一種大模場單模多層纖芯的瓣狀光纖，屬于大功率光纖放大器、激光器、特種光纖領域。

背景技術

摻稀土光纖放大器或激光器采用摻稀土元素(Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm，Yb等)離子光纖，利用受激輻射機制實現光的直接放大。

光纖激光器以其卓越的性能和低廉的價格，在光纖通信、工業加工、醫療、軍事等領域取得了日益廣泛的應用，2010年已經報道了10kW功率的連續激光器。隨著激光技術應用的發展，材料加工、空間通信、激光雷達、光電對抗、激光武器等的發展，需要高功率、高質量的激光，要求單模輸出功率達到MW甚至GW量級。然而，非線性效應限制了功率的增加。增加模場面積是抑制非線性效應的一個有效方法。2011年，Tino Eidam等人發現模式不穩現象是損害高功率光束質量的主要因素。導致模式不穩的因素包括橫向燒孔、發熱引起的光纖折射率變化等，這些使得高階模式獲得更高的增益。因此，抑制高階模式，保持單模運行，是提高高功率光纖激光器和放大器性能的重要方式之一。

這些年來，許多新型的強激光光纖已經被設計和制造。但是大部分的強激光光纖都有一定的缺陷，比如結構復雜、制造難度大、彎曲特性差等。

由于現有的制造技術限制，利用傳統光纖制造方法很難實現數值孔徑低于0.05的階躍型光纖。

而僅僅采用單模有源纖芯的雙包層摻稀土光纖激光器，由于單模有源纖芯芯徑小于等于10微米，受到非線性、結構元素和衍射極限的限制，承受的光功率有限，單模有源光纖纖芯連續波損壞閾值約1W/m2，其光學損壞危險成為實現大功率單模光纖激光器的一大挑戰.除了光學損壞外，由于大功率光產生的熱也會損壞光纖，甚至會最終融化纖芯。有文獻報道，鉺鐿共摻光纖激光器每米可產生100W熱。

光子晶體光纖可以實現超大模場面積，不過其受到彎曲損耗的困擾，制造難度大、成本高。

多芯光纖激光器實現單模輸出，有效模場面積可達到465μm2。然而這種單模激光器采用的多芯光纖，對光纖纖芯的芯徑以及相鄰纖芯之間的距離需要精確的設計，對光纖纖芯之間的距離的容許誤差小，批量生產成品率低。

瓣狀光纖通過選取特定的光纖參數，能夠實現單模工作。這種光纖，其特定的結構是增加基模以外的損耗，實現了在芯層直徑在50微米的光纖中實現單模工作，然而其功率的提高受限于芯層半徑。

多溝槽光纖是一種新型光纖，通過多層形芯環繞，實現單模工作。這種光纖，工藝要求高，與普通光纖連接損耗大，彎曲引起的雙折射是克服不了的難題。

發明內容

為克服現有傳統光纖數值孔徑受限、單芯多摻稀土離子區雙包層光纖承受光功率有限、光子晶體光纖空氣孔制作難度大、大模場單模多芯光纖批量生產成品率低、瓣狀光纖芯層直徑有限、以及多溝槽光纖彎曲敏感等缺陷，提出了一種大模場單模多層纖芯的瓣狀光纖。

1.大模場單模多層纖芯的瓣狀光纖，該光纖中心為摻稀土離子芯區，由內到外分布第一層硅環芯、第一層摻稀土離子環芯……第N層硅環芯、第N層摻稀土離子環芯，該光纖內包層圍繞第N層摻稀土離子環芯均勻分布M個相同半徑和弧度的瓣狀纖芯，內包層，外包層，1≤N≤5整數，3≤M≤32整數；摻稀土離子芯區、第一層摻稀土離子環芯……第N層摻稀土離子環芯、瓣狀纖芯的折射率相等；第一層硅環芯……第N層硅環芯的折射率相等；

第一層硅環芯……第N層硅環芯的折射率小于摻稀土離子芯區、摻稀土離子環芯、瓣狀纖芯的折射率；內包層的折射率小于第一層硅環芯……第N層硅環芯的折射率，外包層的折射率小于內包層的折射率。

2.摻稀土離子芯區、第一層摻稀土離子環芯……第N層摻稀土離子環芯、瓣狀纖芯的摻稀土離子類型包括釹離子、鉺離子、鐿離子、釷離子、鐠離子、鈥離子、釤離子、釹鐿共摻離子或鉺鐿共摻離子；摻稀土離子芯區、第一層摻稀土離子環芯……第N層摻稀土離子環芯、瓣狀纖芯的摻稀土離子類型相同。

3.摻稀土離子芯區的纖芯直徑小于等于50μm；第一層摻稀土離子環芯……第N層摻稀土離子環芯的各環芯厚度小于等于5μm，瓣狀纖芯的半徑小于等于25μm。

4.摻稀土離子芯區與第一層摻稀土離子環芯的最小距離小于等于5μm，各層摻稀土離子環芯之間的最小距離小于等于5μm，瓣狀纖芯(4,1)、(4,2)……(4,M)均勻分布，瓣狀纖芯由一根光纖預制棒處理成，各塊瓣狀纖芯弧度等于360°除以M。