一种模式过滤型的大模场光子晶体光纤的制作方法

本发明属于光通信技术领域，具体为一种用于高功率光纤激光器的大模场光子晶体光纤，并通过弯曲诱导高阶模式过滤，实现有效的单模操作。

背景技术：

在过去的几十年中，高功率光纤激光器发展非常迅速，这种类型的光纤激光器具有许多出色的功能，包括出色的光束质量，良好的散热性，紧凑的尺寸以及较低的使用成本。

但是随着输出功率的进一步增加，光纤的非线性效应成为限制功率增加的关键因素，为了解决这个问题并抑制光学非线性效应，我们需要找到增加光纤模场面积的方法，通过增加纤芯尺寸，我们可以获得更大的模场面积，但是这样做可能会因为模式不稳定现象而损坏高功率光束的质量，为了避免模式的不稳定现象的产生，光纤需要保持有效的单模操作，同时达到实现光纤大模场面积的目的。

传统光纤的性能通常无法满足我们的期望，例如，如果有效模场面积不超过450μm²的阶跃折射率光纤要在1.064μm的波长下保持单模工作，则其数值孔径必须小于0.027，在这种情况下，会产生较大的弯曲损耗，并且当弯曲半径为50cm时，阶跃折射率光纤的弯曲损耗将达到3.3db/m。

光子晶体光纤在某些方面具备特有的优势，其又被称为多孔光纤或微结构光纤，在光子晶体光纤中，若要保证有效的单模操作，基模的限制损耗需要低于0.1db/m，高阶模式的限制损耗需要高于1db/m，高阶模限制损耗与基模限制损耗之间的比率越大，单模性能越好，在光子晶体光纤端面上，规则排列的许多空气孔在背景材料中沿轴向伸长，在光纤的中心位置缺失一些空气小孔，代之以实心的背景材料，或者插入折射率高于背景材料的其它材料形成导光的纤芯，而外围空气孔在背景材料中均匀排列形成包层，光模场基本限定在中心位置高折射率区域，可以利用光子晶体光纤的特性来实现普通光纤难以实现的性能。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种用于高功率光纤激光器的大模场光子晶体光纤，可以在一定的波长条件下，通过弯曲诱导高阶模式过滤，在此基础上利用控制椭圆形状空气孔的离心率来抑制基模损耗，实现光子晶体光纤的大模场面积以及有效的单模操作，这种光子晶体光纤采用了非对称的结构，参数调整具有较大的灵活性，仅通过一种简单的背景材料(如硅玻璃材料)就能够实现非常大的模场面积以及优秀的单模性能。

本发明采用的技术方案是：

一种非对称结构的大模场光子晶体光纤，所述光纤的横截面包括纤芯和包层，沿所述的光纤轴向有规律地排列着许多空气孔道，所述的空气孔道沿光纤轴线平行排列，所述光纤的横截面上的空气孔在光纤背景材料中呈周期性排列；所述光纤的空气孔排列方式以传统的三角形阵列为基础，相邻的三个空气孔中心构成正三角形，其中空气孔与空气孔之间的距离(晶格常数)为λ。

进一步，为了实现更大的模场面积，移除光纤中心位置的7个空气孔形成纤芯部分，空气孔用背景材料填充。

进一步，为了保证在此光子晶体光纤具备更低的弯曲损耗，将所述光纤纤芯右侧(即弯曲内侧)9个空气孔设置为椭圆形状空气孔，其余包层区域内的空气孔皆为圆形，其中椭圆空气孔的长轴长度为a，椭圆空气孔短轴长度为b，圆形空气孔的直径设置为c。

进一步，此光子晶体光纤需要配合各项参数的设置在一定的弯曲半径范围内通过弯曲诱导高阶模式过滤，从而实现有效的单模操作。光子晶体光纤的弯曲会导致光纤内部材料折射率的变化，而包括弯曲半径在内的各项参数的设置是基于光波导原理、等效折射率法、sellmeier公式和有限元法。

在使用有限元方法的同时，结合完美匹配层边界条件，求解麦克斯韦矢量方程，会得到一个模式的传播常数，通过传播常数，我们可以得到模式的有效折射率和对应模式的限制损耗，可以使用等效折射率的方法来等效弯曲的光纤。我们可以利用comsolmultiphysics有限元仿真软件来确定光子晶体光纤的有效模场面积以及光纤的单模性能。

附图说明

图1是本发明实施例一的横截面示意图，图1中，(1)背景材料，(2)空气孔。

图2是本发明实施例一中光纤基模(lp01模)的模场分布图。

图3是本发明实施例一中光纤最低损耗高阶模(lp11模)的模场分布图。

图4是本发明实施例一中光纤其他参数不变，使椭圆空气孔长轴长度a改为变量后，基模的限制损耗随椭圆空气孔离心率变化的曲线图。

图5是本发明实施例二中光纤基模(lp01模)的模场分布图。

图6是本发明实施例二中光纤最低损耗高阶模(lp11模)的模场分布图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例一：

参照图1至图3，一种非对称结构的大模场光子晶体光纤，所述光纤的横截面包括纤芯和包层，横截面呈圆形，沿所述的光纤轴向有规律地排列着许多空气孔道，所述的空气孔道沿光纤轴线平行排列，所述光纤的横截面上的空气孔在光纤背景材料中呈周期性排列，结构如图1所示，背景材料(1)为石英，折射率n＝1.45，图1中(2)为空气孔。

所述光纤的空气孔排列方式以传统的三角形阵列为基础，相邻的三个空气孔中心构成正三角形，其中空气孔与空气孔之间的距离(晶格常数)为λ＝21μm，为了实现更大的模场面积，移除光纤中心位置的7个空气孔形成纤芯部分，空气孔用背景材料(1)填充，为了保证在此光子晶体光纤具备更低的弯曲损耗，将所述光纤纤芯右侧(即弯曲内侧)9个空气孔设置为椭圆形状空气孔，其余包层区域内的空气孔皆为圆形，如图1所示。

根据实际需求确定部分光纤结构参数，再基于光波导原理、等效折射率法、sellmeier公式和有限元法，结合comsolmultiphysics有限元仿真软件调试并优化其他参数，在本实施例中，设置椭圆空气孔的长轴长度为a＝12μm，椭圆空气孔短轴长度为b＝7μm，圆形空气孔的直径设置为c＝6μm，此外，设置波长λ＝1.064μm，光纤的弯曲半径r＝30cm。

图2所示，为根据comsolmultiphysics有限元仿真软件绘制的此实施例中光纤基模(lp01模)的模场分布图，图3所示，为根据此软件绘制的此实施例中光纤最低损耗高阶模(lp11模)的模场分布图，可以利用此软件根据相关公式计算出：基模的限制损耗为0.0012db/m，lp11模的限制损耗为2.25db/m，基模的有效模场面积为1328μm²，数据表明，此实施例中的光子晶体光纤能够实现有效的单模操作，非常大的有效模场面积(大于1300μm²)，以及很低的基模限制损耗(小于0.003db/m)。

图4所示，为保持实施例一中其他参数不发生变化，即波长λ＝1.064μm，光纤的弯曲半径r＝30cm，椭圆空气孔短轴长度为b＝7μm，圆形空气孔的直径设置为c＝6μm，空气孔间隔λ＝21μm，背景材料为石英(折射率n＝1.45)，仅仅通过改变椭圆空气孔的长轴长度a来改变椭圆空气孔的离心率，以此来绘制出此光子晶体光纤基模的限制损耗随椭圆空气孔离心率的变化。

实施例二：

一种非对称结构的大模场光子晶体光纤，参考实施例一，所述光纤的横截面包括纤芯和包层，横截面呈圆形，沿所述的光纤轴向有规律地排列着许多空气孔道，所述的空气孔道沿光纤轴线平行排列，所述光纤的横截面上的空气孔在光纤背景材料中呈周期性排列，背景材料为硅玻璃材料，折射率n＝1.45。

所述光纤的空气孔排列方式以传统的三角形阵列为基础，相邻的三个空气孔中心构成正三角形，其中空气孔与空气孔之间的距离(晶格常数)为λ＝21μm，为了实现更大的模场面积，移除光纤中心位置的7个空气孔形成纤芯部分，空气孔用背景材料填充，为了保证在此光子晶体光纤具备更低的弯曲损耗，将所述光纤纤芯右侧(即弯曲内侧)9个空气孔设置为椭圆形状空气孔，其余包层区域内的空气孔皆为圆形。

根据实际需求确定部分光纤结构参数，再基于光波导原理、等效折射率法、sellmeier公式和有限元法，结合comsolmultiphysics有限元仿真软件调试并优化其他参数，在本实施例中，设置椭圆空气孔的长轴长度为a＝12μm，椭圆空气孔短轴长度为b＝6.6μm，圆形空气孔的直径设置为c＝6μm，此外，设置波长λ＝1.064μm，光纤的弯曲半径r＝29cm。

图5所示，为根据comsolmultiphysics有限元仿真软件绘制的此实施例中光纤基模(lp01模)的模场分布图，图6所示，为根据此软件绘制的此实施例中光纤最低损耗高阶模(lp11模)的模场分布图，可以利用此软件根据相关公式计算出：基模的限制损耗为0.0025db/m，lp11模的限制损耗为11.66db/m，基模的有效模场面积为1308μm²，数据表明，此实施例中的光子晶体光纤能够实现有效的单模操作，非常大的有效模场面积(大于1300μm²)，以及很低的基模限制损耗(小于0.003db/m)。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。