一种领结型应力区保偏有源光纤及制作方法与流程

本发明属于特种光纤领域，尤其涉及一种领结型应力区保偏有源光纤及制作方法。

背景技术：

1、以稀土掺杂有源光纤作为工作介质的光纤激光器和光纤放大器可以实现高转换效率、高光束质量的激光输出。随着光纤激光器对输出功率的要求不断提高，单一光纤在掺杂浓度等因素的限制下已无法达到需求，因此需要对多个光纤激光器的输出激光进行合束，同时为了保证合束后输出激光的光束质量，需要有源光纤输出光具有确定的偏振态，以保证多个光纤激光器的输出光能够实现相干合束，进而得到高光束质量、高功率的激光输出。

2、目前有源光纤实现保偏性质的主要方式为添加熊猫型应力区，如中国专利201810301307.3，其光纤结构如图3所示，包括纤芯、内包层、应力层、外包层、涂层。纤芯掺杂稀土离子，内包层为二氧化硅，应力层为掺杂硼元素的二氧化硅。其中纤芯折射率高于内包层折射率，根据光的全反射原理，光可在纤芯中传输。应力层使光纤产生应力双折射，从而保证纤芯中只有特定偏振方向的光能传输，实现保偏性能。201810301307.3的专利申请和现有技术的熊猫型应力区保偏有源光纤存在以下不足：（1）打孔组装工艺难度大：在完成预制棒沉积后，需要在纤芯两侧对称位置打孔以插入硼棒，由于双包层有源光纤的泵浦光大部分在包层中传输，所以需要尽量减小孔内表面高度的不规则波动，因此对打孔的精度要求极高。（2）应力双折射较低：在熊猫型光纤结构的限制下，提高应力双折射主要包括三种途径，①缩小孔间距，②增大应力区面积，③提高应力区掺硼浓度；其中第一种途径会使孔间的石英在打孔过程中产生较大应力，从而使预制棒容易发生炸裂，第二种途径受光纤尺寸的制约无法实现，第三种途径会导致棚棒内部应力大，与预制棒组装时容易发生炸裂。（3）光纤损耗大：打孔组装过程需要对孔内进行磨抛，此过程容易引入羟基等杂质，进而影响光纤传输损耗。（4）纤芯不圆度难控制：在光纤拉丝过程中，纤芯容易受到两侧应力区的影响从而发生形变，难以在拉丝时保持圆形，有源光纤对纤芯不圆度的要求较高，因为不圆度大会导致有源光纤与无源光纤的熔接损耗增大，影响光纤激光器的输出光功率和光束质量。

技术实现思路

1、本发明的目的提供一种领结型应力区保偏有源光纤及制作方法，可用于高功率、高光束质量光纤激光器和放大器的合束，该光纤的应力区通过直接沉积和定量刻蚀的方法得到，以解决现有技术中制备难度大、应力双折射低、光纤损耗大、纤芯不圆度大的问题。

2、本发明采用的技术方案是：一种领结型应力区保偏有源光纤，包括纤芯、隔离层、应力区、内包层、外包层和涂覆层；所述纤芯位于光纤中心，形状为圆形，所述隔离层设置在纤芯外侧，隔离层的圆心与纤芯重合，2个所述应力区对称分布于隔离层两侧，形状为扇环，所述内包层设置于应力区外侧，所述外包层设置于内包层外侧，所述涂覆层设置于外包层外侧。

3、一种领结型应力区保偏有源光纤的制作方法，步骤如下：

4、步骤一，采用化学气相沉积法在石英管内壁沉积掺硼应力层，得到内壁沉积有掺硼应力层的石英管；

5、步骤二，在内壁沉积有掺硼应力层的石英管的上下两侧使用对称热源加热，通入sf6刻蚀掺硼应力层，得到具有扇环形状掺硼应力层的石英管；

6、步骤三，在具有扇环形状掺硼应力层的石英管内壁沉积透明层，得到内壁沉积有透明层和扇环形应力层的石英管；

7、步骤四，在内壁沉积有透明层和扇环形应力层的石英管内壁沉积纤芯层，得到内壁沉积有纤芯层、透明层和扇环形应力层的石英管；

8、步骤五，将内壁沉积有纤芯层、透明层和扇环形应力层的石英管的管内负压调整为-1.6~-3torr，提高氢氧焰温度至1800~2200℃，使内壁沉积有纤芯层、透明层和扇环形应力层的石英管收缩，直至纤芯层内的空气排空，得到实心光纤预制棒；

9、步骤六，选择合适尺寸的石英套管，将石英套管固定在实心光纤预制棒外，将实心光纤预制棒和石英套管之间的负压调整为-1.7~-2.7torr，通过氢氧焰加热使石英套管收缩，温度为1950~2250℃，直至石英套管和实心光纤预制棒完全贴合，得到贴合光纤预制棒；

10、步骤七，将贴合光纤预制棒在石墨炉中加热至熔融状态拉丝成光纤，使光纤直径与目标内包层直径相同，在此过程中纤芯层变形得到纤芯，透明层变形得到隔离层，应力层变形得到应力区，贴合光纤预制棒的石英管和石英套管变形得到内包层，在内包层外依次涂覆外包层和涂覆层，最终得到所需的领结型应力区保偏有源光纤。

11、步骤二中所述具有扇环形状掺硼应力层的石英管制作方法为，在石英管的上下两侧使用两组氢氧焰喷灯对称加热，加热温度为900~1400℃，同时通入流量为200~600sccm的sf6，sf6会在对称加热区域刻蚀掺硼应力层，其他位置的掺硼应力层将保留，最终得到内壁上的掺硼应力层被刻蚀为扇环形状的石英管。

12、步骤六中所述选择合适尺寸的石英套管的方法为，加套前的实心光纤预制棒的纤芯和预制棒的直径比大于所需光纤的纤芯与内包层的直径比，通过在实心光纤预制棒外套石英套管，使加套后光纤预制棒的纤芯和预制棒的直径比与所需光纤的纤芯与内包层的直径比相同，从而在步骤七拉丝后得到所需尺寸的光纤，根据所需光纤的纤芯与内包层的直径比，以及步骤五所得实心光纤预制棒的纤芯和预制棒的直径比，在满足石英套管内径与预制棒外径之差小于等于8mm的前提下，选择合适的石英套管。

13、本发明具有以下优点：1）、应力区在制备过程中无需进行打孔组装，而是在石英管内壁直接沉积，因此可以减少向光纤预制棒中引入的杂质，从而得到损耗更低、强度更高的保偏有源光纤。2）、应力区设计自由度高：熊猫型应力区的形状只能为圆形，能进行调整的只有孔间距和孔面积，且调整范围受打孔工艺的限制较大；领结型应力区形状为扇环，扇环圆心角、扇环宽度、内圆半径都能进行调整，且调整范围不受打孔工艺的限制，所以可在应力区掺硼浓度不大的情况下得到双折射较高、保偏性质较好的有源光纤。3）、纤芯不圆度易控制：与熊猫型应力区相比，在拉丝时领结型应力区对纤芯的压力分布更均匀，纤芯受应力区的压力导致的形变较小，因此更容易得到纤芯不圆度更小，与无源光纤的熔接损耗更低，最终输出光功率和光束质量更好的光纤。

技术特征：

1.一种领结型应力区保偏有源光纤，其特征在于，包括纤芯（1）、隔离层（2）、应力区（3）、内包层（4）、外包层（5）和涂覆层（6）；

2.如权利要求1所述一种领结型应力区保偏有源光纤，其特征在于，所述纤芯（1）材质为掺杂稀土元素的二氧化硅玻璃，所述掺杂稀土元素为铒、钕、镱、铥、钬中的至少一种，直径为15~30μm。

3.如权利要求1所述一种领结型应力区保偏有源光纤，其特征在于，所述隔离层（2）为二氧化硅玻璃，或掺杂锗、硼、氟元素中的一种或多种的二氧化硅玻璃。

4.如权利要求1所述一种领结型应力区保偏有源光纤，其特征在于，应力区（3）材质为掺硼二氧化硅玻璃，其折射率低于纤芯（1），应力区（3）的扇环圆心角为60~120°，扇环内圆半径为8.5~16μm，扇环宽度为5~20μm。

5.如权利要求1所述一种领结型应力区保偏有源光纤，其特征在于，所述内包层（4）材质为纯二氧化硅玻璃，其折射率低于纤芯（1）、高于应力区（3），直径为400~600μm。

6.如权利要求1所述一种领结型应力区保偏有源光纤，其特征在于，所述外包层（5）材质为掺氟的聚丙烯酸酯，其折射率低于内包层（4），其厚度大于等于10μm。

7.如权利要求1所述一种领结型应力区保偏有源光纤，其特征在于，所述涂覆层（6）材质为聚丙烯酸酯，其折射率高于外包层（5），其厚度大于等于5μm。

8.一种采用权利要求1所述的领结型应力区保偏有源光纤的制作方法，其特征在于，步骤如下：

9.根据权利要求8所述的一种领结型应力区保偏有源光纤的制作方法，其特征在于：步骤二中所述具有扇环形状掺硼应力层的石英管制作方法为，在石英管的上下两侧使用两组氢氧焰喷灯对称加热，加热温度为900~1400℃，同时通入流量为200~600sccm的sf6，sf6会在对称加热区域刻蚀掺硼应力层，其他位置的掺硼应力层将保留，最终得到内壁上的掺硼应力层被刻蚀为扇环形状的石英管。

10.根据权利要求8所述的一种领结型应力区保偏有源光纤的制作方法，其特征在于：步骤六中所述选择合适尺寸的石英套管的方法为，加套前的实心光纤预制棒的纤芯和预制棒的直径比大于所需光纤的纤芯（1）与内包层（4）的直径比，通过在实心光纤预制棒外套石英套管，使加套后光纤预制棒的纤芯和预制棒的直径比与所需光纤的纤芯（1）与内包层（4）的直径比相同，从而在步骤七拉丝后得到所需尺寸的光纤，根据所需光纤的纤芯（1）与内包层（4）的直径比，以及步骤五所得实心光纤预制棒的纤芯和预制棒的直径比，在满足石英套管内径与预制棒外径之差小于等于8mm的前提下，选择合适的石英套管。

技术总结
本发明涉及一种领结型应力区保偏有源光纤及制作方法，可用于光纤激光器的相干合束，其结构包括纤芯、隔离层、应力区、内包层、外包层和涂覆层。纤芯数量为1个，位于光纤中心，形状为圆形；隔离层位于纤芯外侧，圆心与纤芯重合；应力区数量为2个，对称分布与纤芯两侧，形状为扇环；内包层位于应力区周围；外包层位于内包层外侧；涂覆层位于外包层外侧。其优点在于应力区在制备过程中无需进行打孔组装，应力区设计自由度高，纤芯不圆度易控制，进而得到双折射高、损耗低、输出功率大、光束质量好的保偏有源光纤。

技术研发人员：徐士杰,衣永青,王东波,潘蓉,韩志辉,沈一泽,武洋,郭娜
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第四十六研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17