一种大模场单模多层纤芯的瓣状光纤的制作方法

本发明涉及一种大模场单模多层纤芯的瓣状光纤，属于大功率光纤放大器、激光器、特种光纤领域。

背景技术：

掺稀土光纤放大器或激光器采用掺稀土元素(Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm，Yb等)离子光纤，利用受激辐射机制实现光的直接放大。

光纤激光器以其卓越的性能和低廉的价格，在光纤通信、工业加工、医疗、军事等领域取得了日益广泛的应用，2010年已经报道了10kW功率的连续激光器。随着激光技术应用的发展，材料加工、空间通信、激光雷达、光电对抗、激光武器等的发展，需要高功率、高质量的激光，要求单模输出功率达到MW甚至GW量级。然而，非线性效应限制了功率的增加。增加模场面积是抑制非线性效应的一个有效方法。2011年，Tino Eidam等人发现模式不稳现象是损害高功率光束质量的主要因素。导致模式不稳的因素包括横向烧孔、发热引起的光纤折射率变化等，这些使得高阶模式获得更高的增益。因此，抑制高阶模式，保持单模运行，是提高高功率光纤激光器和放大器性能的重要方式之一。

这些年来，许多新型的强激光光纤已经被设计和制造。但是大部分的强激光光纤都有一定的缺陷，比如结构复杂、制造难度大、弯曲特性差等。

由于现有的制造技术限制，利用传统光纤制造方法很难实现数值孔径低于0.05的阶跃型光纤。

而仅仅采用单模有源纤芯的双包层掺稀土光纤激光器，由于单模有源纤芯芯径小于等于10微米，受到非线性、结构元素和衍射极限的限制，承受的光功率有限，单模有源光纤纤芯连续波损坏阈值约1W/m2，其光学损坏危险成为实现大功率单模光纤激光器的一大挑战.除了光学损坏外，由于大功率光产生的热也会损坏光纤，甚至会最终融化纤芯。有文献报道，铒镱共掺光纤激光器每米可产生100W热。

光子晶体光纤可以实现超大模场面积，不过其受到弯曲损耗的困扰，制造难度大、成本高。

多芯光纤激光器实现单模输出，有效模场面积可达到465μm2。然而这种单模激光器采用的多芯光纤，对光纤纤芯的芯径以及相邻纤芯之间的距离需要精确的设计，对光纤纤芯之间的距离的容许误差小，批量生产成品率低。

瓣状光纤通过选取特定的光纤参数，能够实现单模工作。这种光纤，其特定的结构是增加基模以外的损耗，实现了在芯层直径在50微米的光纤中实现单模工作，然而其功率的提高受限于芯层半径。

多沟槽光纤是一种新型光纤，通过多层形芯环绕，实现单模工作。这种光纤，工艺要求高，与普通光纤连接损耗大，弯曲引起的双折射是克服不了的难题。

技术实现要素：

为克服现有传统光纤数值孔径受限、单芯多掺稀土离子区双包层光纤承受光功率有限、光子晶体光纤空气孔制作难度大、大模场单模多芯光纤批量生产成品率低、瓣状光纤芯层直径有限、以及多沟槽光纤弯曲敏感等缺陷，提出了一种大模场单模多层纤芯的瓣状光纤。

1.大模场单模多层纤芯的瓣状光纤，该光纤中心为掺稀土离子芯区，由内到外分布第一层硅环芯、第一层掺稀土离子环芯……第N层硅环芯、第N层掺稀土离子环芯，该光纤内包层围绕第N层掺稀土离子环芯均匀分布M个相同半径和弧度的瓣状纤芯，内包层，外包层，1≤N≤5整数，3≤M≤32整数；掺稀土离子芯区、第一层掺稀土离子环芯……第N层掺稀土离子环芯、瓣状纤芯的折射率相等；第一层硅环芯……第N层硅环芯的折射率相等；

第一层硅环芯……第N层硅环芯的折射率小于掺稀土离子芯区、掺稀土离子环芯、瓣状纤芯的折射率；内包层的折射率小于第一层硅环芯……第N层硅环芯的折射率，外包层的折射率小于内包层的折射率。

2.掺稀土离子芯区、第一层掺稀土离子环芯……第N层掺稀土离子环芯、瓣状纤芯的掺稀土离子类型包括钕离子、铒离子、镱离子、钍离子、镨离子、钬离子、钐离子、钕镱共掺离子或铒镱共掺离子；掺稀土离子芯区、第一层掺稀土离子环芯……第N层掺稀土离子环芯、瓣状纤芯的掺稀土离子类型相同。

3.掺稀土离子芯区的纤芯直径小于等于50μm；第一层掺稀土离子环芯……第N层掺稀土离子环芯的各环芯厚度小于等于5μm，瓣状纤芯的半径小于等于25μm。

4.掺稀土离子芯区与第一层掺稀土离子环芯的最小距离小于等于5μm，各层掺稀土离子环芯之间的最小距离小于等于5μm，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)……(4,M)均匀分布，瓣状纤芯由一根光纤预制棒处理成，各块瓣状纤芯弧度等于360°除以M。

本发明的有益效果具体如下：一种大模场单模多层纤芯的瓣状光纤，能实现大功率的激光输出，通过调整光纤中心掺稀土离子芯区的面积、掺稀土离子环芯的厚度，以及掺稀土瓣状纤芯的半径和角度，调节硅环芯的层数和厚度，实现光纤大的有效模场面积，能实现大功率单模激光输出。由于硅环的存在和瓣状光纤的角度可调节，从而有利于实现纤芯热扩散，有效地提高了光纤的抗热能力和单模特性。瓣状纤芯可由一根光纤预制棒制成，节约了制造成本。

附图说明

图1为大模场面积单模1层3瓣光纤的光纤截面图。

图2为大模场面积单模1层4瓣光纤的光纤截面图。

图3为大模场面积单模1层6瓣光纤的光纤截面图。

图4为大模场面积单模1层16瓣光纤的光纤截面图。

图5为大模场面积单模3层3瓣光纤的光纤截面图。

图6为大模场面积单模3层4瓣光纤的光纤截面图。

图7为大模场面积单模3层6瓣光纤的光纤截面图。

图8为大模场面积单模3层16瓣光纤的光纤截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例一

大模场面积单模1层3瓣光纤，参见图1。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)，围绕第一层掺稀土离子环芯(3，1)均匀分布3个相同半径、弧度和厚度的瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)，内包层(5)，外包层(6)，本实例中N＝1，M＝3；

掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)的掺稀土离子类型均为铒离子。

掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)的折射率相等；

第一层硅环芯(2，1)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率

掺稀土离子芯区(1)的直径为50μm，掺稀土离子环芯的厚度为3μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为120°

硅环芯的厚度为3μm。

实施例二

大模场面积单模1层4瓣光纤，参见图2。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)，围绕第一层掺稀土离子环芯(3，1)均匀分布4个相同半径、弧度和厚度的瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)，内包层(5)，外包层(6)，本实例中N＝1，M＝4；

掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的掺稀土离子类型均为铒离子。

掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的折射率相等；

第一层硅环芯(2，1)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率

掺稀土离子芯区(1)的直径为50μm，掺稀土离子环芯的厚度为3μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为90°

硅环芯的厚度为3μm。

实施例三

大模场面积单模1层6瓣光纤，参见图3。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)，该光纤内包层围绕第一层掺稀土离子环芯(3，1)均匀分布6个相同半径和弧度的瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)，内包层(5)，外包层(6)，本实例中N＝1，M＝6；

掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)的掺稀土离子类型均为铒离子。

掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)的折射率相等；

第一层硅环芯(2，1)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、瓣状纤芯(4,1)……(4,6)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率

掺稀土离子芯区(1)的直径为20μm，掺稀土离子环芯的厚度为3μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为60°

硅环芯的厚度为3μm。

实施例四

大模场面积单模1层16瓣光纤，参见图4。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)，该光纤内包层围绕第一层掺稀土离子环芯(3，1)均匀分布16个相同半径和弧度的瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)，内包层(5)，外包层(6)，本实例中N＝1，M＝16；

掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)的掺稀土离子类型均为铒离子。

掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)的折射率相等；

第一层硅环芯(2，1)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、瓣状纤芯(4,1)……(4,16)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率

掺稀土离子芯区(1)的直径为20μm，掺稀土离子环芯的厚度为3μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为22.5°

硅环芯的厚度为3μm。

实施例五

大模场面积单模3层3瓣光纤，参见图5。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)、第二层硅环芯(2，2)、第二层掺稀土离子环芯(3,2)、第三层硅环芯(2，3)、第三层掺稀土离子环芯(3,3)，该光纤内包层围绕第三层掺稀土离子环芯(3，3)均匀分布3个相同半径和弧度的瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)，内包层(5)，外包层(6)，本实例中N＝3，M＝3；

掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)的掺稀土离子类型均为铒离子。

掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)的折射率相等；

第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率相等；第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)……(3,3)、瓣状纤芯(4,1)……(4,3)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率

掺稀土离子芯区(1)的直径为20μm，掺稀土离子环芯的厚度为3μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为120°

硅环芯的厚度为3μm。

实施例六

大模场面积单模3层4瓣光纤，参见图6。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)、第二层硅环芯(2，2)、第二层掺稀土离子环芯(3,2)、第三层硅环芯(2，3)、第三层掺稀土离子环芯(3,3)，该光纤内包层围绕第三层掺稀土离子环芯(3，3)均匀分布4个相同半径和弧度的瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)，内包层(5)，外包层(6)，本实例中N＝3，M＝4；

掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的掺稀土离子类型均为铒离子。

掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的折射率相等；

第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率相等；第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)……(3,3)、瓣状纤芯(4,1)……(4,4)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率

掺稀土离子芯区(1)的直径为20μm，掺稀土离子环芯的厚度为3μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为90°

硅环芯的厚度为3μm。

实施例七

大模场面积单模3层6瓣光纤，参见图7。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)、第二层硅环芯(2，2)、第二层掺稀土离子环芯(3,2)、第三层硅环芯(2，3)、第三层掺稀土离子环芯(3,3)，该光纤内包层围绕第三层掺稀土离子环芯(3，3)均匀分布6个相同半径和弧度的瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)，内包层(5)，外包层(6)，本实例中N＝3，M＝6；

掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的掺稀土离子类型均为铒离子。

掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)的折射率相等；

第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率相等；第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)……(3,3)、瓣状纤芯(4,1)……(4,6)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率

掺稀土离子芯区(1)的直径为20μm，掺稀土离子环芯的厚度为3μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为60°

硅环芯的厚度为3μm。

实施例八

大模场面积单模3层16瓣光纤，参见图8。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一层硅环芯(2，1)、第一层掺稀土离子环芯(3,1)、第二层硅环芯(2，2)、第二层掺稀土离子环芯(3,2)、第三层硅环芯(2，3)、第三层掺稀土离子环芯(3,3)，该光纤内包层围绕第三层掺稀土离子环芯(3，3)均匀分布16个相同半径和弧度的瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)，内包层(5)，外包层(6)，本实例中N＝3，M＝16；

掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)的掺稀土离子类型均为铒离子。

掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)、(3,2)、(3,3)，瓣状纤芯(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)、(4,15)、(4,16)的折射率相等；

第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率相等；第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率小于掺稀土离子芯区(1)、掺稀土离子环芯(3,1)……(3,3)、瓣状纤芯(4,1)……(4,16)的折射率；内包层(5)的折射率小于第一层硅环芯(2，1)……第三层硅环芯(2，3)的折射率，外包层(6)的折射率小于内包层(5)的折射率

掺稀土离子芯区(1)的直径为20μm，掺稀土离子环芯的厚度为3μm，瓣状纤芯的半径为25μm，角度为22.5°

硅环芯的厚度为3μm。