專利名稱：一種單模纖芯耦合多層摻稀土環(huán)形纖芯的光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單模纖芯耦合多層摻稀土環(huán)形纖芯的光纖，屬于大功率光纖放大
器、激光器、特種光纖領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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(jī)制實(shí)現(xiàn)光的直接放大。 光纖激光器以其卓越的性能和低廉的價(jià)格，在光纖通信、工業(yè)加工、醫(yī)療、軍事等 領(lǐng)域取得了日益廣泛的應(yīng)用。盡管在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)單個(gè)光纖輸出超過(guò)lkW的單模激光， 而且實(shí)現(xiàn)這種激光需要嚴(yán)格的條件，難以工程應(yīng)用；但是隨著激光技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，以及 材料加工、空間通信、激光雷達(dá)、光電對(duì)抗、激光武器等的發(fā)展，需要高功率、高質(zhì)量、高強(qiáng)度 和超亮度的激光，要求單模輸出功率達(dá)到麗甚至GW量級(jí)。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10ym，受到非線性、結(jié)構(gòu)因素和衍射 極限的限制，承受的光功率密度有限，單模有源光纖纖芯連續(xù)波損壞閾值約為lW/i!m2[J. Nilsson， J. K. Sahu， Y. Jeong， W. A. Clarkson， R. Selvas， A. B. Grudinin， and S. U. Alam， "High Power Fiber Lasers :New Developments", Proceedings of SPIEVol. 4974， 50-59(2003)]，其光學(xué)損壞危險(xiǎn)成為實(shí)現(xiàn)大功率單模光纖激光器的一大挑戰(zhàn)。除了光學(xué) 損壞外，由于大功率光產(chǎn)生的熱也會(huì)損壞光纖，甚至?xí)罱K融化纖芯。有文獻(xiàn)報(bào)道，鉺 鐿共摻光纖激光器每米可產(chǎn)生100W熱[J.Nilsson， S. U. Alam， J. A. Alvarez-Chavez, P. W. Turner, W. A. Clarkson， andA. B. Grudinin， ，， High-power and tunable operation of erbium-ytterbium co-dopedcladding-pumped fiber laser，，， IEEE J. Qimnt咖 Electron. 39， 987-994 (2003)]。 多芯光纖激光器實(shí)現(xiàn)單模輸出，已經(jīng)得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。文獻(xiàn)中采用的多芯光纖 有效模場(chǎng)面積達(dá)到465ym2，比普通單模光纖模場(chǎng)面積大得多，因此這種多芯光纖激光 器會(huì)g輸出更高的功率。[Vogel， Moritz M， Abdou-Ahmed， Marwan， Voss， Andreas, Graf， Thomas, "Very_large_mode_area， single-mode multicore fiber，，， Opt丄ett. 34 (18)， 2876-2878(2009)]。然而這種單模激光器采用的多芯光纖，對(duì)光纖纖芯的芯徑以及相鄰纖 芯之間的距離得精確的設(shè)計(jì)，對(duì)光纖纖芯的芯徑一致性要求高，對(duì)光纖纖芯的芯徑以及相 鄰纖芯之間的距離的容許誤差小，批量生產(chǎn)成品率低。而且這種多芯光纖的每個(gè)纖芯的模 場(chǎng)面積有限，限制了光纖激光器輸出單模激光功率的提高。雖然通過(guò)多芯光子晶體光纖 可實(shí)現(xiàn)達(dá)4240iim2模場(chǎng)面積的單模光纖[Michaille， L. ;Bennett， C. R. ;Taylor， D. M.; Sh印herd， T. J. "MulticorePhotonic Crystal Fiber Lasers for High Power/Energy Applications", IEEE Journalof Selected Topics in Quantum Electronics,15 (2)， 328-336 (2009)]，然而這種光纖空氣孔尺寸很難制作一致，成品率低，只能端面泵浦且與普 通光纖連接損耗大。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有單模光纖與多芯光纖輸出單模激光功率有限以及隨著光功率的增
加，其抗熱等方面的缺陷，以及現(xiàn)有大模場(chǎng)光纖工藝要求高、成品率低，以及與普通光纖連
接損耗大等缺陷，本發(fā)明提供一種單模纖芯耦合多層摻稀土環(huán)形纖芯的光纖。 單模纖芯耦合多層摻稀土環(huán)形纖芯的光纖，該光纖中心為摻稀土離子芯區(qū)，摻稀
土離子芯區(qū)外由內(nèi)到外分布第一硅環(huán)芯、第一摻稀土離子環(huán)芯、...第N硅環(huán)芯、第N摻稀
土離子環(huán)芯，第N+l硅環(huán)芯，外包層，2《N《50 ; 摻稀土離子芯區(qū)、第一摻稀土離子環(huán)芯、...第N摻稀土離子環(huán)芯的折射率相等， 第一硅環(huán)芯、...第N硅環(huán)芯、第N+1硅環(huán)芯的折射率相等，第一硅環(huán)芯、...第N硅環(huán)芯、第 N+l硅環(huán)芯的折射率低于摻稀土離子芯區(qū)、第一摻稀土離子環(huán)芯、...第N摻稀土離子環(huán)芯 的折射率；外包層的折射率低于第一硅環(huán)芯、...第N硅環(huán)芯、第N+l硅環(huán)芯的折射率。
第一摻稀土離子環(huán)芯、...第N摻稀土離子環(huán)芯形狀為圓環(huán)形、長(zhǎng)方環(huán)形、橢圓環(huán) 形，六邊環(huán)形； 摻稀土離子芯區(qū)、第一摻稀土離子環(huán)芯、...第N摻稀土離子環(huán)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、鉺鐿共摻離子。 摻稀土離子芯區(qū)、第一摻稀土離子環(huán)芯、...第N摻稀土離子環(huán)芯的摻稀土離子類 型相同。 摻稀土離子芯區(qū)的纖芯直徑小于等于5ym。第一摻稀土離子環(huán)芯、第二摻稀土離 子環(huán)芯...第N摻稀土離子環(huán)芯的各環(huán)芯厚度小于等于5 ii m。 摻稀土離子芯區(qū)表面與第一摻稀土離子環(huán)芯表面的最小距離小于等于5 ii m，第K 摻稀土離子環(huán)芯表面與第K-l摻稀土離子環(huán)芯表面的最小距離小于等于5 ii m， 2《K《N。
本發(fā)明的有益效果具體如下一種單模纖芯耦合多層摻稀土環(huán)形纖芯的光纖，能 實(shí)現(xiàn)大功率的激光輸出，通過(guò)調(diào)整光纖中心摻稀土離子芯區(qū)的面積，以及摻稀土離子芯區(qū) 與各層摻稀土環(huán)形纖芯之間的距離，調(diào)節(jié)摻稀土離子芯區(qū)與各層摻稀土環(huán)形纖芯之間的耦 合，實(shí)現(xiàn)光纖大的有效模場(chǎng)面積，能實(shí)現(xiàn)大功率單模激光輸出。由于摻稀土離子芯區(qū)與各層 摻稀土環(huán)形纖芯之間保持一定距離，從而有利于實(shí)現(xiàn)纖芯的熱的擴(kuò)散，有效地提高了光纖 的抗熱能力。由于這種光纖制作工藝上光纖環(huán)的厚度與單模纖芯直徑容許誤差大，降低了 光纖的制作難度，降低了光纖與普通光纖熔接損耗，能采用側(cè)面泵浦。


圖1為單模纖芯耦合二層摻稀土離子長(zhǎng)方環(huán)芯的光纖截面圖。
圖2為單模纖芯耦合三層摻稀土離子橢圓環(huán)芯的光纖截面圖。
圖3為單模纖芯耦合五層摻稀土離子圓環(huán)芯的光纖截面圖。
圖4為單模纖芯耦合五十層摻稀土離子圓環(huán)芯的光纖截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例一
4
單模纖芯耦合二層摻稀土離子長(zhǎng)方環(huán)芯的光纖，參見圖1。該光纖中心為摻稀土離 子芯區(qū)l，摻稀土離子芯區(qū)1外由內(nèi)到外分布第一硅環(huán)芯21、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二 硅環(huán)芯22、第二摻稀土離子環(huán)芯42、第三硅環(huán)芯23、外包層3 ;本實(shí)施例中N層摻稀土離子 長(zhǎng)方環(huán)芯的光纖N二 2。 摻稀土離子芯區(qū)1、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯42的摻稀土離 子類型均為鉺離子。 摻稀土離子芯區(qū)1、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯42的折射率相 等。第一硅環(huán)芯21、第二硅環(huán)芯22、第三硅環(huán)芯23的折射率相等，第一硅環(huán)芯21、第二硅環(huán) 芯22、第三硅環(huán)芯23的折射率低于摻稀土離子芯區(qū)1、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土 離子環(huán)芯42的折射率。外包層3的折射率低于第一硅環(huán)芯21、第二硅環(huán)芯22、第三硅環(huán)芯 23的折射率。 第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯42形狀為長(zhǎng)方環(huán)形； 摻稀土離子芯區(qū)1的纖芯直徑等于2 ii m。第一摻稀土離子環(huán)芯41厚度等于3 y m。 摻稀土離子芯區(qū)1表面與第一摻稀土離子環(huán)芯41表面的最小距離為4 ii m，第二摻
稀土離子環(huán)芯42表面與第一摻稀土離子環(huán)芯41表面的最小距離等于5 ii m。 實(shí)施例二 單模纖芯耦合三層摻稀土離子橢圓環(huán)芯的光纖，參見圖2。該光纖中心為摻稀土 離子芯區(qū)l，摻稀土離子芯區(qū)1外由內(nèi)到外分布第一硅環(huán)芯21、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第 二硅環(huán)芯22、第二摻稀土離子環(huán)芯42、第三硅環(huán)芯23、第三摻稀土離子環(huán)芯43、第四硅環(huán)芯 24、外包層3 ;本實(shí)施例中N層摻稀土離子橢圓環(huán)芯的光纖N = 3。 摻稀土離子芯區(qū)1、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯42、第三摻稀土 離子環(huán)芯43的摻稀土離子類型均為鈥離子。 摻稀土離子芯區(qū)1、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯42、第三摻稀土 離子環(huán)芯43的折射率相等。第一硅環(huán)芯21、第二硅環(huán)芯22、第三硅環(huán)芯23、第四硅環(huán)芯24 的折射率相等。第一硅環(huán)芯21、第二硅環(huán)芯22、第三硅環(huán)芯23、第四硅環(huán)芯24的折射率低 于摻稀土離子芯區(qū)1、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯42、第三摻稀土離子環(huán) 芯43的折射率。外包層3的折射率低于第一硅環(huán)芯21、第二硅環(huán)芯22、第三硅環(huán)芯23、第 四硅環(huán)芯24的折射率。 第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯42、第三摻稀土離子環(huán)芯43形狀為 橢圓環(huán)形。 摻稀土離子芯區(qū)1的纖芯直徑等于4 ii m。第一摻稀土離子環(huán)芯41厚度等于2 y m。
摻稀土離子芯區(qū)1表面與第一摻稀土離子環(huán)芯41表面的最小距離為2 ii m，第二摻 稀土離子環(huán)芯42表面與第一摻稀土離子環(huán)芯41表面的最小距離為5 ii m，第三摻稀土離子 環(huán)芯43表面與第二稀土離子環(huán)芯42面的最小距離為3 ii m。
實(shí)施例三 單模纖芯耦合五層摻稀土離子圓環(huán)芯的光纖，參見圖3。該光纖中心為摻稀土離子 芯區(qū)l，摻稀土離子芯區(qū)1外由內(nèi)到外分布第一硅環(huán)芯21、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二硅 環(huán)芯22、第二摻稀土離子環(huán)芯42、第三硅環(huán)芯23、第三摻稀土離子環(huán)芯43、第四硅環(huán)芯24、 第四摻稀土離子環(huán)芯44、第五硅環(huán)芯25、第五摻稀土離子環(huán)芯45、第六硅環(huán)芯26、外包層3 ;
5本實(shí)施例中N層摻稀土離子圓環(huán)芯的光纖N = 5。 摻稀土離子芯區(qū)1、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯42、第三摻稀土 離子環(huán)芯43、第四摻稀土離子環(huán)芯44、第五摻稀土離子環(huán)芯45的折射率相等，第一硅環(huán)芯 21、第二硅環(huán)芯22、第三硅環(huán)芯23、第四硅環(huán)芯24、第五硅環(huán)芯25、第六硅環(huán)芯26的折射率 相等，第一硅環(huán)芯21、第二硅環(huán)芯22、第三硅環(huán)芯23、第四硅環(huán)芯24、第五硅環(huán)芯25、第六硅 環(huán)芯26的折射率低于摻稀土離子芯區(qū)1、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯42、 第三摻稀土離子環(huán)芯43、第四摻稀土離子環(huán)芯44、第五摻稀土離子環(huán)芯45的折射率；外包 層3的折射率低于第一硅環(huán)芯21、第二硅環(huán)芯22、第三硅環(huán)芯23、第四硅環(huán)芯24、第五硅環(huán) 芯25、第六硅環(huán)芯26的折射率。 第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯42、第三摻稀土離子環(huán)芯43、第四 摻稀土離子環(huán)芯44、第五摻稀土離子環(huán)芯45形狀為圓環(huán)形。 摻稀土離子芯區(qū)1、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯42、第三摻稀土 離子環(huán)芯43、第四摻稀土離子環(huán)芯44、第五摻稀土離子環(huán)芯45的摻稀土離子類型為釹離子 或鉺離子或鐿離子或釷離子或鐠離子或鈥離子或釤離子或釹鐿共摻離子或鉺鐿共摻離子。
摻稀土離子芯區(qū)1、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯42、第三摻稀土 離子環(huán)芯43、第四摻稀土離子環(huán)芯44、第五摻稀土離子環(huán)芯45的摻稀土離子類型相同。
摻稀土離子芯區(qū)1的纖芯直徑小于等于5ym。第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀 土離子環(huán)芯42、第三摻稀土離子環(huán)芯43、第四摻稀土離子環(huán)芯44、第五摻稀土離子環(huán)芯45 的各環(huán)芯厚度小于等于5ym。 摻稀土離子芯區(qū)1表面與第一摻稀土離子環(huán)芯41表面的最小距離小于等于5 ii m， 第K摻稀土離子環(huán)芯4K表面與第K-l摻稀土離子環(huán)芯4， K-l表面的最小距離小于等于 5線2《K《5。
實(shí)施例四 單模纖芯耦合五十層摻稀土離子圓環(huán)芯的光纖，參見圖4。該光纖中心為摻稀土 離子芯區(qū)l，摻稀土離子芯區(qū)1外由內(nèi)到外分布第一硅環(huán)芯21、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第 二硅環(huán)芯22、第二摻稀土離子環(huán)芯42、第三硅環(huán)芯23、第三摻稀土離子環(huán)芯43、第四硅環(huán) 芯24、第四摻稀土離子環(huán)芯44、第五硅環(huán)芯25、第五摻稀土離子環(huán)芯45、...第五十硅環(huán)芯 250、第五十摻稀土離子環(huán)芯450、第五十一硅環(huán)芯251、外包層3 ;本實(shí)施例中N層摻稀土離 子圓環(huán)芯的光纖N二50。 摻稀土離子芯區(qū)1、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯42、第三摻稀土 離子環(huán)芯43、第四摻稀土離子環(huán)芯44、第五摻稀土離子環(huán)芯45...第五十摻稀土離子環(huán)芯 450的折射率相等。第一硅環(huán)芯21、第二硅環(huán)芯22、第三硅環(huán)芯23、第四硅環(huán)芯24、第五硅 環(huán)芯25、...第五十硅環(huán)芯250、第五i^一硅環(huán)芯251的折射率相等。第一硅環(huán)芯21、第二 硅環(huán)芯22、第三硅環(huán)芯23、第四硅環(huán)芯24、第五硅環(huán)芯25、...第五十硅環(huán)芯250、第五i^一 硅環(huán)芯251的折射率低于摻稀土離子芯區(qū)1、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯 42、第三摻稀土離子環(huán)芯43、第四摻稀土離子環(huán)芯44、第五摻稀土離子環(huán)芯45...第五十摻 稀土離子環(huán)芯450的折射率。外包層3的折射率低于第一硅環(huán)芯21、第二硅環(huán)芯22、第三 硅環(huán)芯23、第四硅環(huán)芯24、第五硅環(huán)芯25、...第五十硅環(huán)芯250、第五i^一硅環(huán)芯251的 折射率。
6
第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯42、第三摻稀土離子環(huán)芯43、第四 摻稀土離子環(huán)芯44、第五摻稀土離子環(huán)芯45...第五十摻稀土離子環(huán)芯450形狀為圓環(huán)形。
摻稀土離子芯區(qū)1、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯42、第三摻稀土 離子環(huán)芯43、第四摻稀土離子環(huán)芯44、第五摻稀土離子環(huán)芯45...第五十摻稀土離子環(huán)芯 450的摻稀土離子類型為釹離子或鉺離子或鐿離子或釷離子或鐠離子或鈥離子或釤離子或 釹鐿共摻離子或鉺鐿共摻離子。 摻稀土離子芯區(qū)1、第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子環(huán)芯42、第三摻稀土 離子環(huán)芯43、第四摻稀土離子環(huán)芯44、第五摻稀土離子環(huán)芯45...第五十摻稀土離子環(huán)芯 450的摻稀土離子類型相同。 摻稀土離子芯區(qū)1的纖芯直徑為5ym。第一摻稀土離子環(huán)芯41、第二摻稀土離子 環(huán)芯42、第三摻稀土離子環(huán)芯43、第四摻稀土離子環(huán)芯44、第五摻稀土離子環(huán)芯45...第 五十摻稀土離子環(huán)芯450的各環(huán)芯厚度均為2 ii m。 摻稀土離子芯區(qū)1表面與第一摻稀土離子環(huán)芯41表面的最小距離為2iim，第 K摻稀土離子環(huán)芯4K表面與第K-l摻稀土離子環(huán)芯4， K-l表面的最小距離均為2 y m， 2《K《50。
權(quán)利要求
單模纖芯耦合多層摻稀土環(huán)形纖芯的光纖，其特征為該光纖中心為摻稀土離子芯區(qū)(1)，摻稀土離子芯區(qū)(1)外由內(nèi)到外分布第一硅環(huán)芯(21)、第一摻稀土離子環(huán)芯(41)、...第N硅環(huán)芯(2N)、第N摻稀土離子環(huán)芯(4N)，第N+1硅環(huán)芯(2，N+1)，外包層(3)，2≤N≤50；摻稀土離子芯區(qū)(1)、第一摻稀土離子環(huán)芯(41)、...第N摻稀土離子環(huán)芯(4N)的折射率相等，第一硅環(huán)芯(21)、...第N硅環(huán)芯(2N)、第N+1硅環(huán)芯(2，N+1)的折射率相等，第一硅環(huán)芯(21)、...第N硅環(huán)芯(2N)、第N+1硅環(huán)芯(2，N+1)的折射率低于摻稀土離子芯區(qū)(1)、第一摻稀土離子環(huán)芯(41)、...第N摻稀土離子環(huán)芯(4N)的折射率；外包層(3)的折射率低于第一硅環(huán)芯(21)、...第N硅環(huán)芯(2N)、第N+1硅環(huán)芯(2，N+1)的折射率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模纖芯耦合多層摻稀土環(huán)形纖芯的光纖，其特征為摻稀 土離子芯區(qū)(1)、第一摻稀土離子環(huán)芯(41)、...第N摻稀土離子環(huán)芯(4N)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、鉺鐿共 摻離子；摻稀土離子芯區(qū)(1)、第一摻稀土離子環(huán)芯(41)、...第N摻稀土離子環(huán)芯(4N)的 摻稀土離子類型相同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模纖芯耦合多層摻稀土環(huán)形纖芯的光纖，其特征為摻稀 土離子芯區(qū)(1)的纖芯直徑小于等于5 ii m ;第一摻稀土離子環(huán)芯(41)、...第N摻稀土離 子環(huán)芯(4N)的各環(huán)芯厚度小于等于5ym。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模纖芯耦合多層摻稀土環(huán)形纖芯的光纖，其特征為摻稀 土離子芯區(qū)(1)表面與第一摻稀土離子環(huán)芯(41)表面的最小距離小于等于5ym，第K摻稀 土離子環(huán)芯(4，K)表面與第K-l摻稀土離子環(huán)芯(4，K-l)表面的最小距離小于等于5ym， 2《K《N。
全文摘要
一種單模纖芯耦合多層摻稀土環(huán)形纖芯的光纖，屬于大功率光纖放大器、激光器、特種光纖。該光纖中心為摻稀土離子芯區(qū)(1)，由內(nèi)到外分布第一硅環(huán)芯(21)、第一摻稀土離子環(huán)芯(41)、...第N+1硅環(huán)芯(2，N+1)，外包層(3)，2≤N≤50；摻稀土離子芯區(qū)、第一摻稀土離子環(huán)芯、...第N摻稀土離子環(huán)芯(4N)的折射率相等，第一硅環(huán)芯、...第N+1硅環(huán)芯的折射率相等，第一硅環(huán)芯(21)、...第N+1硅環(huán)芯的折射率低于摻稀土離子芯區(qū)、第一摻稀土離子環(huán)芯、...第N摻稀土離子環(huán)芯的折射率；外包層的折射率低于第一硅環(huán)芯、...第N+1硅環(huán)芯(2，N+1)的折射率，降低了光纖的制作難度，實(shí)現(xiàn)光纖大的有效模場(chǎng)面積。
文檔編號(hào)H01S3/06GK101764343SQ20101003374
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者劉艷, 周倩, 寧提綱, 張帆, 王春燦, 胡旭東, 裴麗, 譚中偉, 鄭晶晶 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)