一种双包层有源光纤及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及掺稀土光纤、光纤激光传输与放大领域，具体涉及一种双包层有源光纤及其制造方法。
【背景技术】
[0002]光纤激光器是采用光纤作为光纤介质的激光器，光纤激光器以其高转换效率、良好散热性能和稳定性的特点，已成为激光器应用领域的主流激光器之一。
[0003]随着激光器应用领域的不断扩展，用户对光纤激光器输出功率的需求越来越高。目前，人们一般采用大模场面积光纤来提升光纤激光器的输出功率，由于模场光纤纤芯中的激光模式振荡会造成光束质量下降；因此为了优化光束质量，通常采取降低光纤纤芯的数值孔径的方式，但光纤纤芯数值孔径下降会造成光纤光束缚能力下降，不利于光纤弯曲使用，且现有工艺水平能够实现的数值孔径降低幅度有限。
[0004]随着时代的进步，人们发现在有源光纤纤芯附近设计一定的波导结构(双包层有源光纤)，在能够实现大模场面积光纤特性的同时，实现激光光纤的单模输出。
[0005]现有的双包层有源光纤通常采用圆形波导作为高阶模耦合泄漏的波导(即卫星纤芯)；由于卫星纤芯需要与有源光纤纤芯有一定间距，因此卫星纤芯在制备过程中，对有源光纤预制棒上钻孔的直径与深度有较高要求，进而使得卫星纤芯的设计灵活性收到较大的限制。与此同时，卫星纤芯的孔径会导致直径较小，进而造成光纤预制棒的加工比较困难，加工精度会下降。
【发明内容】
[0006]针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种双包层有源光纤及其制造方法。本发明不仅加工精度高，加工工艺比较稳定，而且制造难度较低，工作效率较高，适合大批量、规模化生产。通过本发明的方法制造双包层有源光纤时，能够比较容易使环形波导纤芯环绕于石英纤芯周围，环形波导纤芯的位置控制难度较低，加工过程比较简单，双包层有源光纤的光学性能和可靠性均较好。
[0007]为达到以上目的，本发明提供的双包层有源光纤的制造方法，包括以下步骤:
[0008]S1:制备双包层有源光纤的预制棒芯棒，将预制棒芯棒与石英进行加工，形成光纤预制棒前驱体；所述预制棒前驱体包括石英纤芯，石英纤芯中掺杂有Yb、Tm、Ho、F、P和Ge中的至少一种元素；所述石英纤芯的数值孔径为0.05?0.15，石英纤芯的外部覆有直径为30mm?200mm的石英包层；所述石英包层的直径与石英纤芯直径的比值为10?40，转到步骤S2 ；
[0009]S2:对石英包层进行石英冷加工，得到D形或正多边形的石英包层；通过数控机床对石英包层进行钻孔，得到圆孔，圆孔和石英纤芯的间距，与石英纤芯半径的比为0.1?4.0，转到步骤S3 ；
[0010]S3:制备环形波导预制棒，环形波导预制棒包括环形波导纤芯、石英外包层和石英内包层；环形波导纤芯的折射率高于石英外包层和石英内包层；环形波导纤芯与石英外包层折射率差的百分比为0.1%?1.1% ;环形波导纤芯的厚度与石英包层的直径比为
0.2?1.5 ;对石英外包层进行加工，使得石英外包层与预制棒前驱体的圆孔的配合公差小于0.3mm，转到步骤S4 ；
[0011]S4:将环形波导预制棒组装至光纤预制棒前驱体的圆孔，形成有源光纤预制棒，转到步骤S5 ；
[0012]S5:在拉丝速度为1.5m/min?20m/min，拉丝张力为40g?150g的条件下，将有源光纤预制棒进行拉丝；在拉丝过程中，以lr/min?180r/min的速度旋转有源光纤预制棒，将环形波导预制棒螺旋环绕于石英纤芯周围，每米石英纤芯上环绕有0.5?120个螺旋；在拉丝和旋转后的有源光纤预制棒外部，依次涂覆低折射率涂层和光纤外涂敷层，形成双包层有源光纤；所述低折射率涂层的折射率低于石英包层，低折射率涂层在633nm的折射率为 1.33 ?1.38。
[0013]在上述技术方案的基础上，步骤SI中制备双包层有源光纤的预制棒芯棒时，采用改进的化学汽相沉积法MCVD或者等离子体激活化学汽相沉积法PCVD的方法。
[0014]在上述技术方案的基础上，步骤SI中将预制棒芯棒与石英进行加工时，加工方式为沉积包层或者配合石英管材熔缩，沉积包层的方式为棒外化学汽相沉积法OVD或者等离子体气相沉积法。
[0015]在上述技术方案的基础上，步骤S2中得到圆孔之后，还需要对圆孔进行抛光。
[0016]在上述技术方案的基础上，步骤S3中制备环形波导预制棒时，采用MCVD、PCVD或者OVD的方法。
[0017]在上述技术方案的基础上，步骤S3中对石英外包层进行加工包括以下步骤:采用外圆磨的方法磨削石英外包层的厚度后，对石英外包层进行抛光。
[0018]在上述技术方案的基础上，步骤S5中所述双包层有源光纤的输出光束质量小于
1.2，基模损耗小于0.5dB/m，高阶模损耗大于100dB/m。
[0019]本发明提供的基于上述制造方法的双包层有源光纤，所述双包层有源光纤包括由内至外依次设置的石英纤芯、石英包层、低折射率涂层和光纤外涂敷层；所述石英包层为D形或者正多边形；所述低折射率涂层的折射率低于石英包层，低折射率涂层在633nm的折射率为1.33?1.38 ;
[0020]所述石英包层内设置有环形波导纤芯，环形波导纤芯螺旋环绕于石英纤芯周围，每米石英纤芯上环绕有0.5?120个螺旋。
[0021]在上述技术方案的基础上，所述双包层有源光纤的输出光束质量小于1.2，基模损耗小于0.5dB/m，高阶模损耗大于100dB/m。
[0022]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0023](I)与现有技术中侧面开槽配合环形波导光棒组合的方式相比，本发明通过现有熊猫型保偏光纤通用的数控机床与工艺，在有源光纤预制棒的石英包层上沿径向开圆孔，将具备环形波导结构的预制棒嵌入圆孔内，不仅加工精度高，加工工艺比较稳定，圆孔内引入的杂质含量较少，而且加工过程比较容易，制造成本较低；制造出的双包层有源光纤的可靠性和工艺稳定性均能够显著提高。
[0024]与此同时，由于本发明开圆孔时不破坏光纤预制棒外部的几何结构，因此不存较高精度的工件配合问题，进而使得后续对石英包层光棒进行加工时(加工为D形或者正多边形)，会显著提高加工精度和可靠性。
[0025](2)与现有技术中的卫星纤芯相比，本发明的环形波导纤芯制备比较容易，在环形波导预制棒的过程中，只需要对环形波导预制棒的石英外包层进行加工(磨削)，不需要进行复杂的正多边形磨削，磨削的工作量与要求显著降低。因此，通过本发明的方法制造双包层有源光纤时，不仅制造难度较低，而且工作效率较高，适合大批量、规模化生产。
[0026](3)本发明将环形波导预制棒嵌入圆孔后，环形波导预制棒的环形波导纤芯，始终与有源光纤纤芯(石英纤芯)保持固定的距离、且共面(两个圆形边缘距离不变)，进而使得环形波导预制棒在拉丝时，环形波导纤芯能够按照需求准确的环绕于石英纤芯周围。
[0027]进一步，因为环形波导预制棒靠近石英纤芯，所以环形波导纤芯与石英纤芯之间的距离较短，便于拉丝。因此，通过本发明的方法制造双包层有源光纤时，能够比较容易使环形波导纤芯环绕于石英纤芯周围，环形波导纤芯的位置控制难度较低，不仅加工过程比较简单，而且加工精度较高。
[0028](4)通过本发明的制造方法制得的双包层有源光纤，包括环形波导纤芯，由于环形波导的面积明显大于现有技术中的圆形波导，因此双包层有源光纤的耦合效率会显著提高；双包层有源光纤的输出光束质量小于1.2，基模损耗小于0.5dB/m，高阶模损耗大于100dB/m ;双包层有源光纤的光学性能和可靠性均较好。
【附图说明】
[0029]图1