专利名称：一种大模场微结构光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及微结构光纤领域，尤其涉及大模场、低弯曲损耗且能够单模工作特性的微结构光纤。
背景技术：
在高功率光纤激光器、放大器的设计中，光纤的模场面积是其中的一个重要参数。 增大光纤的模场面积，可以有效地降低光纤的非线性系数，从而增大其输出光功率。一般对大模场光纤的基本要求为1.单模工作，这是高性能激光的一个基本条件；2.大模场面积； 3.低弯曲损耗，即光纤可以允许一定程度的弯曲，且具有较低的弯曲损耗。传统光纤由于制作和性能上的原因，很难获得工作在1064nm附近且纤芯直径大于20 μ m的单模光纤。自从光子晶体光纤被提出并制作成功之后，人们开始尝试采用光子晶体光纤结构来制作大模场光纤。由于理论上光子晶体光纤可以实现无休止单模传输，因此，采用光子晶体光纤结构可以实现超大模场面积的单模传输。目前，实验上已经制成功的单模光子晶体光纤的模场直径可达100 μ m，但它的弯曲性能很差。人们还提出了采用多模光纤和光纤光栅相结合的方法实现大模场传输[S. Ramachandran, et al.，"Light propagation with ultralarge modal areas in optical fibers (在光纤中实现超大模场面积的光传输)，” Opt. Lett. , 2006, 31 (12): 1797]，实现等效的单模传输。但这种方法需要在光纤两端刻制光纤光栅，工艺复杂。还有人提出了基于简单的六个空气孔或低折射率介质柱环绕纤芯的大模场光纤[W. S. Wong, et al.，"Breaking the limit of maximum effective area for robust single-mode propagation in optical fibers (打破光纤中单丰莫传输时所會邑够获得的最大有效模场面积的限制)，"Opt. Lett. , 2005, 30(21): 2855]实现准单模传输，即高阶模损耗较大(一般在1 dB/m以上)，而基模损耗较低(一般在0. 1 dB/m以下)。但这种光纤的基模损耗一般也比较大，而基模与高阶模的损耗差别很难做得特别大。虽然还可以采用两层孔来束缚光，从而减小光纤基模的损耗，但为了去除高阶模，要求相对于孔周期，孔的直径要较小，这就使得光纤的弯曲损耗很大。申请号为200610119574. 6中国发明专利申请的“大模场双包层单模光纤”公开了一种单模大模场光纤，纤芯直径可达72 μ m，但未解决光纤的弯曲损耗问题，且结构比较复杂，不利于制作。申请号为201010590795. 8发明专利申请“一种大模场微结构光纤”公开一种新型非对称微结构光纤。采用两种不同周期，不同尺寸的孔，实现了大模场面积的单模传输，且具有低的弯曲损耗，但结构比较复杂，增加了制作难度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种有效地滤除高阶模，在较宽的弯曲角度范围内且很小的弯曲半径时仍然具有较低的弯曲损耗的大模场微结构光纤，该光纤结构简单，制作容易。本发明的技术方案为一种大模场微结构光纤，包括纤芯和包层，所述包层由基质材料和两层孔，所述纤芯为所述两层孔包围的区域；所述两层孔的外层为孔中心连接为正六边形的12个第三类孔组成，内层为孔中心连接为正六边形的3个相邻的第一类孔和3个相邻的第二类孔组成，所述两层孔的孔周期Λ相等，且满足d2>d3，d2>d4 ；
其中孔周期Λ为相邻的两个孔的孔中心之间的距离；d2，知山分别为第一类孔、第二类孔和第三类孔的孔直径。进一步，所述纤芯区域设有第四类孔，多个所述第四类孔排布在临近第一类孔一侧的小于180°的扇形区域内，所述第四类孔的孔周期A5相同；所述第四类孔的孔周期A5 与包层中的孔的周期Λ之间满足Λ5<Λ/4;所述第四类孔的孔中心与纤芯中心的距离均大于1. 5 A5，其折射率η5与基质材料的折射率Ii1之间满足n5< Ii1。进一步，第一类孔、第二类孔、第三类孔的直径之间满足d2>d3 ^ d4。进一步，第一类孔的直径d2与孔周期Λ满足d2/A ^ 0. 7 ；第二类孔的孔直径d3 与孔周期Λ满足d3/A<0. 7，第三类孔的孔直径d4与孔周期Λ满足d4/A ( 0. 5。进一步，第一类孔、第二类孔和第三类孔的折射率相同，且其折射率r^与基质材料 (1)的折射率H1之间的关系为nrnr>0. 003。进一步，所述第四类孔的数量小于N/3，其中N为以孔周期为A5排布满纤芯区域的第四类孔的数量。进一步，第四类孔的直径d5与其孔周期Λ 5满足d5/ Λ 5<0. 5，第四类孔的折射率n5 与基质材料的折射率Ii1之间满足ηι-η5<0. 003。本发明的技术效果为包层采用三个较大的第一类孔有效的防止光纤弯曲时的光泄露，而利用较小的第二类孔和第三类孔可以保证直光纤状态时，光纤基模具有低的束缚损耗，同时又能有效地泄漏高阶模。从而实现了单模、大模场、低弯曲损耗传输的目的。由于包层仅采用两层孔，且孔周期均相同，结构简单，保证了包层具有较小的尺寸。在纤芯中引入微结构的第四类孔，可以使有第四类孔的这一侧的纤芯的折射率下降，当光纤弯曲且第四类孔的区域朝向外侧时，由于第四类孔的区域折射率较低，可以有效地避免模场过于向纤芯朝外一侧的集中，从而使光纤弯曲时仍具有较大的模场面积，解决了一般大模场光纤即使允许弯曲，也会出现模场面积减小的问题。由于第四类孔区域的折射率较低，会减小光纤基模的模场面积，而这里引入的第四类孔只占纤芯面积的一小部分， 且排布在靠近包层中孔直径较大的第一类孔一侧，因此对纤芯的模场面积的影响较小。
图1为实施例一的横截面示意图； 图2为实施例二的横截面示意图3为图1中第二类孔取不同直径时的基模和高阶模的损耗曲线； 图4为图1中光纤基模的弯曲损耗随光纤弯曲半径的变化曲线； 图5为图1结构在弯曲以后的模场面积变化；
图6为图1结构在光纤在弯曲半径为10 cm时，不同弯曲角度的基模弯曲损耗； 图7为图2结构中第二类孔(3)取不同直径时的基模和高阶模的损耗曲线； 图8为图2结构中光纤基模的弯曲损耗随光纤弯曲半径的变化曲线； 图9为图2结构在弯曲以后的模场面积变化；
4图10为图2结构在光纤在弯曲半径为10 cm时，不同弯曲角度的基模弯曲损耗。其中1-基质材料，2-第一类孔，3-第二类孔，4-第三类孔，5-第四类孔。
具体实施例方式图1给出了本发明的一种实施例的横截面示意图，该光纤包括纤芯和包层，该包层由基质材料1、第一类孔2、第二类孔3和第三类孔4组成。孔分为内层和外层，外层为孔中心连接为正六边形的12个第三类孔4组成，内层为孔中心连接为正六边形的3个相邻的第一类孔2和3个相邻的第二类孔3组成，且孔周期Λ相等。第一类孔2的孔直径大于第二类孔3的孔直径，其目的是降低第一类孔2 —侧光纤包层的有效折射率，从而使光纤具有低弯曲损耗。由于第二类孔3的作用是对基模起束缚作用、同时要保证高阶模的有效泄漏， 因此，第二类孔3的孔直径要小于第一类孔2的孔直径。而第三类孔4主要是在直光纤时起束缚光纤基模的作用，即保证直光纤时光纤基模具有较低的弯曲损耗，同时不能使直光纤出现高阶模，因此第三类孔4的孔直径同样应小于第一类孔2的孔直径。第一类孔2、第二类孔3的折射率均低于基质材料，即这种光纤是一种折射率引导型光纤。这里采用了一种非常简单的结构，即采用两层孔来束缚纤芯中传输的光。采用三个增大的孔来实现光纤沿一定的方向弯曲时，具有低弯曲损耗。一般而言，第一类孔2的直径d2满足d2/A2 ^ 0. 7，即孔直径应较大，从而保证光纤具有较低的弯曲损耗；而第二类孔3的直径d3满足d3/A3<0. 7，即孔直径较小，从而保证直光纤中只传输光纤基模。由于第三类孔4的目的是减小直光纤时的基模束缚损耗，而对于微结构光纤而言，其包层孔层数由一层增加为两层时，其对基模束缚损耗的减小是非常明显的，因此，第三类孔4不需要很大；同时要保证光纤中的高阶模损耗很大，因此第三类孔4的孔直径不能很大。一般要求第三类孔4的孔直径d4与孔周期Λ满足d4/A ^ 0. 5。这三类孔的折射率可以相同，也可以不同。但一般为了制作方便，可以采用相同的材料制备，但为了保证光纤具有低的弯曲损耗，要求其与基质材料1具有一定的折射率差。 一般要求其折射率η,与基质材料1的折射率Ii1之间的关系为ηι-η,>0. 003。本发明重点在保证光纤保持单模传输的前提下，使光纤在一定程度、一定角度的弯曲时具有低的弯曲损耗。由光纤的弯曲理论，当光纤弯曲时，其结构可等效为一直波导，其等效的直波导的折射率分布可表示为
权利要求
1.一种大模场微结构光纤，包括纤芯和包层，其特征在于所述包层由基质材料(1)和两层孔，所述纤芯为所述两层孔包围的区域；所述两层孔的外层为孔中心连接为正六边形的12个第三类孔(4)组成，内层为孔中心连接为正六边形的3个相邻的第一类孔( 和3 个相邻的第二类孔⑶组成，所述两层孔的孔周期Λ相等，且满足d2>d3，d2>d4 ；其中孔周期Λ为相邻的两个孔的孔中心之间的距离；d2，知山分别为第一类孔O)、 第二类孔( 和第三类孔的孔直径。
2.如权利要求1所述的一种大模场微结构光纤，其特征在于所述纤芯区域设有第四类孔(5)，多个所述第四类孔(5)排布在临近第一类孔(2) —侧的小于180°的扇形区域内，所述第四类孔(5)的孔周期A5相同；所述第四类孔(5)的孔周期人5与包层中的孔的周期Λ之间满足Λ5<Λ/4 ；所述第四类孔(5)的孔中心与纤芯中心的距离均大于1. 5Λ5， 其折射率 与基质材料(1)的折射率叫之间满足n5< H10
3.如权利要求1或2所述的一种大模场微结构光纤，其特征在于第一类孔(2)、第二类孔(3)、第三类孔(4)的直径之间满足d2>d3 ^ d4。
4.如权利要求1或2所述的一种大模场微结构光纤，其特征在于第一类孔(2)的直径 d2与孔周期A满足d2/A彡0. 7 ；第二类孔(3)的孔直径d3与孔周期A满足d3/A<0. 7， 第三类孔的孔直径d4与孔周期Λ满足d4/A ( 0. 5。
5.如权利要求1或2所述的一种大模场微结构光纤，其特征在于第一类孔(2)、第二类孔C3)和第三类孔(4)的折射率相同，且其折射率r^与基质材料(1)的折射率！^之间的关系为rii-n^O. 003ο
6.如权利要求2所述的一种大模场微结构光纤，其特征在于所述第四类孔(5)的数量小于Ν/3，其中N为以孔周期为A5排布满纤芯区域的第四类孔(5)的数量。
7.如权利要求2所述的一种大模场微结构光纤，其特征在于，第四类孔(5)的直径d5 与其孔周期A5满足d5/A5<0.5，第四类孔(5)的折射率 与基质材料⑴的折射率&之间满足 nfnfO. 003。
全文摘要
本发明公开一种大模场微结构光纤，光纤包层由基质材料(1)和两层孔，所述纤芯为所述两层孔包围的区域；所述两层孔的外层为孔中心连接为正六边形的12个第三类孔(4)组成，内层为孔中心连接为正六边形的3个相邻的第一类孔(2)和3个相邻的第二类孔(3)组成，所述两层孔的孔周期Λ相等，且满足d2>d3，d2>d4。该光纤采用不同直径的孔对纤芯模式形成束缚，利用较大尺寸的孔防止光纤弯曲时的光泄露，而利用较小尺寸的孔对光纤基模形成有效的束缚，同时去除高阶模，从而实现了单模、大模场、低弯曲损耗传输的目的。
文档编号G02B6/036GK102368103SQ20111035687
公开日2012年3月7日 申请日期2011年11月11日 优先权日2011年11月11日
发明者张永康, 李裕蓉, 陈明阳 申请人:江苏大学