专利名称：一种单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤，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。尽管在实验室已经实现单个光纤输出超过lkW的单模激光， 而且实现这种激光需要严格的条件，难以工程应用；但是随着激光技术应用的发展，以及 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、高强度 和超亮度的激光，要求单模输出功率达到丽甚至GW量级。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10ym，受到非线性、结构因素和衍射 极限的限制，承受的光功率密度有限，单模有源光纤纤芯连续波损坏阈值约为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[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)]。 多芯光纤激光器实现单模输出，已经得到实验证实。文献中采用的多芯光纤 有效模场面积达到465ym2，比普通单模光纤模场面积大得多，因此这种多芯光纤激光 器會g输出更高的功率。[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 芯之间的距离得精确的设计，对光纤纤芯的芯径一致性要求高，对光纤纤芯的芯径以及相 邻纤芯之间的距离的容许误差小，批量生产成品率低。而且这种多芯光纤的每个纤芯的模 场面积有限，限制了光纤激光器输出单模激光功率的提高。虽然通过多芯光子晶体光纤 可实现达4240iim2模场面积的单模光纤[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)]，然而这种光纤空气孔尺寸很难制作一致，成品率低，只能端面泵浦且与普 通光纤连接损耗大。
发明内容
为了克服现有单模光纤与多芯光纤输出单模激光功率有限以及随着光功率的增
加，其抗热等方面的缺陷，以及现有大模场光纤工艺要求高、成品率低，以及与普通光纤连
接损耗大等缺陷，本发明提供一种单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤。 单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤，该光纤中心为掺稀土离子芯区，掺稀
土离子芯区外由内到外分布第一硅环芯、第一掺稀土离子环芯、...第N硅环芯、第N掺稀
土离子环芯，第N+l硅环芯，外包层，2《N《50 ; 掺稀土离子芯区、第一掺稀土离子环芯、...第N掺稀土离子环芯的折射率相等， 第一硅环芯、...第N硅环芯、第N+1硅环芯的折射率相等，第一硅环芯、...第N硅环芯、第 N+l硅环芯的折射率低于掺稀土离子芯区、第一掺稀土离子环芯、...第N掺稀土离子环芯 的折射率；外包层的折射率低于第一硅环芯、...第N硅环芯、第N+l硅环芯的折射率。
第一掺稀土离子环芯、...第N掺稀土离子环芯形状为圆环形、长方环形、椭圆环 形，六边环形； 掺稀土离子芯区、第一掺稀土离子环芯、...第N掺稀土离子环芯的掺稀土离子类 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、铒镱共掺离子。 掺稀土离子芯区、第一掺稀土离子环芯、...第N掺稀土离子环芯的掺稀土离子类 型相同。 掺稀土离子芯区的纤芯直径小于等于5ym。第一掺稀土离子环芯、第二掺稀土离 子环芯...第N掺稀土离子环芯的各环芯厚度小于等于5 ii m。 掺稀土离子芯区表面与第一掺稀土离子环芯表面的最小距离小于等于5 ii m，第K 掺稀土离子环芯表面与第K-l掺稀土离子环芯表面的最小距离小于等于5 ii m， 2《K《N。
本发明的有益效果具体如下一种单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤，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，以及掺稀土离子芯区 与各层掺稀土环形纤芯之间的距离，调节掺稀土离子芯区与各层掺稀土环形纤芯之间的耦 合，实现光纤大的有效模场面积，能实现大功率单模激光输出。由于掺稀土离子芯区与各层 掺稀土环形纤芯之间保持一定距离，从而有利于实现纤芯的热的扩散，有效地提高了光纤 的抗热能力。由于这种光纤制作工艺上光纤环的厚度与单模纤芯直径容许误差大，降低了 光纤的制作难度，降低了光纤与普通光纤熔接损耗，能采用侧面泵浦。
图1为单模纤芯耦合二层掺稀土离子长方环芯的光纤截面图。
图2为单模纤芯耦合三层掺稀土离子椭圆环芯的光纤截面图。
图3为单模纤芯耦合五层掺稀土离子圆环芯的光纤截面图。
图4为单模纤芯耦合五十层掺稀土离子圆环芯的光纤截面图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例一
4
单模纤芯耦合二层掺稀土离子长方环芯的光纤，参见图1。该光纤中心为掺稀土离 子芯区l，掺稀土离子芯区1外由内到外分布第一硅环芯21、第一掺稀土离子环芯41、第二 硅环芯22、第二掺稀土离子环芯42、第三硅环芯23、外包层3 ;本实施例中N层掺稀土离子 长方环芯的光纤N二 2。 掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42的掺稀土离 子类型均为铒离子。 掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42的折射率相 等。第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23的折射率相等，第一硅环芯21、第二硅环 芯22、第三硅环芯23的折射率低于掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土 离子环芯42的折射率。外包层3的折射率低于第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯 23的折射率。 第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42形状为长方环形； 掺稀土离子芯区1的纤芯直径等于2 ii m。第一掺稀土离子环芯41厚度等于3 y m。 掺稀土离子芯区1表面与第一掺稀土离子环芯41表面的最小距离为4 ii m，第二掺
稀土离子环芯42表面与第一掺稀土离子环芯41表面的最小距离等于5 ii m。 实施例二 单模纤芯耦合三层掺稀土离子椭圆环芯的光纤，参见图2。该光纤中心为掺稀土 离子芯区l，掺稀土离子芯区1外由内到外分布第一硅环芯21、第一掺稀土离子环芯41、第 二硅环芯22、第二掺稀土离子环芯42、第三硅环芯23、第三掺稀土离子环芯43、第四硅环芯 24、外包层3 ;本实施例中N层掺稀土离子椭圆环芯的光纤N = 3。 掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土 离子环芯43的掺稀土离子类型均为钬离子。 掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土 离子环芯43的折射率相等。第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23、第四硅环芯24 的折射率相等。第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23、第四硅环芯24的折射率低 于掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环 芯43的折射率。外包层3的折射率低于第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23、第 四硅环芯24的折射率。 第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43形状为 椭圆环形。 掺稀土离子芯区1的纤芯直径等于4 ii m。第一掺稀土离子环芯41厚度等于2 y m。
掺稀土离子芯区1表面与第一掺稀土离子环芯41表面的最小距离为2 ii m，第二掺 稀土离子环芯42表面与第一掺稀土离子环芯41表面的最小距离为5 ii m，第三掺稀土离子 环芯43表面与第二稀土离子环芯42面的最小距离为3 ii m。
实施例三 单模纤芯耦合五层掺稀土离子圆环芯的光纤，参见图3。该光纤中心为掺稀土离子 芯区l，掺稀土离子芯区1外由内到外分布第一硅环芯21、第一掺稀土离子环芯41、第二硅 环芯22、第二掺稀土离子环芯42、第三硅环芯23、第三掺稀土离子环芯43、第四硅环芯24、 第四掺稀土离子环芯44、第五硅环芯25、第五掺稀土离子环芯45、第六硅环芯26、外包层3 ;
5本实施例中N层掺稀土离子圆环芯的光纤N = 5。 掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土 离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45的折射率相等，第一硅环芯 21、第二硅环芯22、第三硅环芯23、第四硅环芯24、第五硅环芯25、第六硅环芯26的折射率 相等，第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23、第四硅环芯24、第五硅环芯25、第六硅 环芯26的折射率低于掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、 第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45的折射率；外包 层3的折射率低于第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23、第四硅环芯24、第五硅环 芯25、第六硅环芯26的折射率。 第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四 掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45形状为圆环形。 掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土 离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45的掺稀土离子类型为钕离子 或铒离子或镱离子或钍离子或镨离子或钬离子或钐离子或钕镱共掺离子或铒镱共掺离子。
掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土 离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45的掺稀土离子类型相同。
掺稀土离子芯区1的纤芯直径小于等于5ym。第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀 土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45 的各环芯厚度小于等于5ym。 掺稀土离子芯区1表面与第一掺稀土离子环芯41表面的最小距离小于等于5 ii m， 第K掺稀土离子环芯4K表面与第K-l掺稀土离子环芯4， K-l表面的最小距离小于等于 5线2《K《5。
实施例四 单模纤芯耦合五十层掺稀土离子圆环芯的光纤，参见图4。该光纤中心为掺稀土 离子芯区l，掺稀土离子芯区1外由内到外分布第一硅环芯21、第一掺稀土离子环芯41、第 二硅环芯22、第二掺稀土离子环芯42、第三硅环芯23、第三掺稀土离子环芯43、第四硅环 芯24、第四掺稀土离子环芯44、第五硅环芯25、第五掺稀土离子环芯45、...第五十硅环芯 250、第五十掺稀土离子环芯450、第五十一硅环芯251、外包层3 ;本实施例中N层掺稀土离 子圆环芯的光纤N二50。 掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土 离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45...第五十掺稀土离子环芯 450的折射率相等。第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三硅环芯23、第四硅环芯24、第五硅 环芯25、...第五十硅环芯250、第五i^一硅环芯251的折射率相等。第一硅环芯21、第二 硅环芯22、第三硅环芯23、第四硅环芯24、第五硅环芯25、...第五十硅环芯250、第五i^一 硅环芯251的折射率低于掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯 42、第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45...第五十掺 稀土离子环芯450的折射率。外包层3的折射率低于第一硅环芯21、第二硅环芯22、第三 硅环芯23、第四硅环芯24、第五硅环芯25、...第五十硅环芯250、第五i^一硅环芯251的 折射率。
6
第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四 掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45...第五十掺稀土离子环芯450形状为圆环形。
掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土 离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45...第五十掺稀土离子环芯 450的掺稀土离子类型为钕离子或铒离子或镱离子或钍离子或镨离子或钬离子或钐离子或 钕镱共掺离子或铒镱共掺离子。 掺稀土离子芯区1、第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土 离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45...第五十掺稀土离子环芯 450的掺稀土离子类型相同。 掺稀土离子芯区1的纤芯直径为5ym。第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子 环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45...第 五十掺稀土离子环芯450的各环芯厚度均为2 ii m。 掺稀土离子芯区1表面与第一掺稀土离子环芯41表面的最小距离为2iim，第 K掺稀土离子环芯4K表面与第K-l掺稀土离子环芯4， K-l表面的最小距离均为2 y m， 2《K《50。
权利要求
单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤，其特征为该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，掺稀土离子芯区(1)外由内到外分布第一硅环芯(21)、第一掺稀土离子环芯(41)、...第N硅环芯(2N)、第N掺稀土离子环芯(4N)，第N+1硅环芯(2，N+1)，外包层(3)，2≤N≤50；掺稀土离子芯区(1)、第一掺稀土离子环芯(41)、...第N掺稀土离子环芯(4N)的折射率相等，第一硅环芯(21)、...第N硅环芯(2N)、第N+1硅环芯(2，N+1)的折射率相等，第一硅环芯(21)、...第N硅环芯(2N)、第N+1硅环芯(2，N+1)的折射率低于掺稀土离子芯区(1)、第一掺稀土离子环芯(41)、...第N掺稀土离子环芯(4N)的折射率；外包层(3)的折射率低于第一硅环芯(21)、...第N硅环芯(2N)、第N+1硅环芯(2，N+1)的折射率。
2. 根据权利要求1所述的单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤，其特征为掺稀 土离子芯区(1)、第一掺稀土离子环芯(41)、...第N掺稀土离子环芯(4N)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、铒镱共 掺离子；掺稀土离子芯区(1)、第一掺稀土离子环芯(41)、...第N掺稀土离子环芯(4N)的 掺稀土离子类型相同。
3. 根据权利要求1所述的单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤，其特征为掺稀 土离子芯区(1)的纤芯直径小于等于5 ii m ;第一掺稀土离子环芯(41)、...第N掺稀土离 子环芯(4N)的各环芯厚度小于等于5ym。
4. 根据权利要求1所述的单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤，其特征为掺稀 土离子芯区(1)表面与第一掺稀土离子环芯(41)表面的最小距离小于等于5ym，第K掺稀 土离子环芯(4，K)表面与第K-l掺稀土离子环芯(4，K-l)表面的最小距离小于等于5ym， 2《K《N。
全文摘要
一种单模纤芯耦合多层掺稀土环形纤芯的光纤，属于大功率光纤放大器、激光器、特种光纤。该光纤中心为掺稀土离子芯区(1)，由内到外分布第一硅环芯(21)、第一掺稀土离子环芯(41)、...第N+1硅环芯(2，N+1)，外包层(3)，2≤N≤50；掺稀土离子芯区、第一掺稀土离子环芯、...第N掺稀土离子环芯(4N)的折射率相等，第一硅环芯、...第N+1硅环芯的折射率相等，第一硅环芯(21)、...第N+1硅环芯的折射率低于掺稀土离子芯区、第一掺稀土离子环芯、...第N掺稀土离子环芯的折射率；外包层的折射率低于第一硅环芯、...第N+1硅环芯(2，N+1)的折射率，降低了光纤的制作难度，实现光纤大的有效模场面积。
文档编号H01S3/06GK101764343SQ20101003374
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月8日 优先权日2010年1月8日
发明者刘艳, 周倩, 宁提纲, 张帆, 王春灿, 胡旭东, 裴丽, 谭中伟, 郑晶晶 申请人:北京交通大学