一种双层反谐振环嵌套的大模场单模实芯光纤

本发明涉及大模场单模实芯光纤领域，尤其涉及一种双层反谐振环嵌套的大模场单模实芯光纤。

背景技术：

1、高功率光纤激光器在近些年得到迅速发展，并广泛应用于基础科学研究、工业加工以及国防安全等领域。高输出功率条件下保持高光束质量，对于提升高功率光纤激光器在前述领域中的实际应用效果具有重要作用，而光纤激光系统中光纤波导结构的导光性能直接决定了激光的光束质量。单模导光的大模场面积光纤在避免光束质量劣化的同时，还可以减轻由于纤芯高功率密度所引起的各种非线性效应。因此，发展新型大模场单模光纤对提高高功率光纤激光器的性能具有重要意义。

2、传统的芯包结构光纤通常通过增大纤芯直径、降低纤芯数值孔径的方式增加光纤的模场面积，但受限于当前光纤的制备工艺，商用大模场光纤的数值孔径仅能达到0.06左右，光纤的少模工作特性导致高功率光纤激光器难以实现理想的单模激光输出。近年来，光子晶体光纤、光子带隙光纤等微结构光纤凭借无截止单模传输特性，在实现高功率单模激光产生和传输方面展现出优势，但其严格周期排布的空气孔结构，在要求较高制备工艺的同时，也增加了其与无源光纤器件低损耗熔接的难度。反谐振光纤作为一种新型微结构光纤，利用反谐振原理结合模式耦合特性实现特定波长信号光的低损耗、单模传输。虽然近来相继有实芯反谐振光纤的理论和实验研究[1-2]，但光纤均为多管型反谐振单元设计，光纤结构较为复杂、制备难度较大，反谐振单元结构参数一致性较差，导致实际制备的实芯反谐振光纤单模特性严重劣化。

3、参考文献：

4、[1]z.xing,x.wang,s.gu,et al.large mode area double-layer all-solidanti-resonant fiber for high-power fiber lasers.results in physics,2021,29:104700.

5、[2]l.he,y.liang,z.gu,et al.large mode-area all-solid anti-resonantfiber based on chalcogenide glass for mid-infrared transmission.opticsexpress,2023,31(5):8975-8986.

技术实现思路

1、本发明提供了一种双层反谐振环嵌套的大模场单模实芯光纤，本发明针对当前基于全反射原理的大模场光纤单模导光能力不足、常规反谐振光纤的多管设计结构复杂且实际制备中多管型反谐振单元参数一致性较差导致单模传输特性严重劣化等方面的问题，通过调节光纤结构参数、选取合适的材料，可以实现宽波长范围的基模(lp01模式)大模场面积、单模低损耗传输，该光纤结构可以应用于高功率激光光纤传能以及高功率光纤激光器和放大器中，详见下文描述：

2、一种双层反谐振环嵌套的大模场单模实芯光纤，所述光纤包括：纤芯区域、双层环形反谐振单元区域、背景区域；

3、所述纤芯区域用于大模场单模信号光低损耗传输；所述双层环形反谐振单元区域包括第一反谐振单元区域和第二反谐振单元区域；

4、其中，第一反谐振单元区域的内径与纤芯区域直径相同，第一和第二反谐振单元区域用于降低纤芯区域的基模传输损耗；所述背景区域包括第一背景区域和第二背景区域，两背景区域用于增加所述纤芯区域的不同高阶模式的传输损耗；

5、在光纤截面上，第一反谐振单元区域、第二反谐振单元区域与第一背景区域、第二背景区域交错排布，沿纤芯区域向外依次为纤芯区域，第一反谐振单元区域，第一背景区域，第二反谐振单元区域，第二背景区域。

6、其中，不同部分的折射率关系为：

7、第一反谐振单元区域的折射率＝第二反谐振单元区域的折射率＞第二背景区域的折射率≥第一背景区域的折射率≥纤芯区域的折射率。

8、进一步地，第一反谐振单元区域、第二反谐振单元区域的厚度相同或不相同，均满足反谐振条件。

9、进一步地，所述第一背景区域和第二背景区域的厚度相同或不相同，两区域的包层模式分别与纤芯区域的lp11和lp21模式发生模式耦合。

10、本发明提供的技术方案的有益效果是：

11、1、本发明通过对光纤的材料折射率、环形反谐振单元区域和背景区域的厚度进行优化选取，增大了纤芯区域高阶模式与背景区域的模式耦合损耗，可以用于实现宽波长范围的单模信号光大模场面积、低损耗传输，弥补了芯包结构光纤因数值孔径有限而无法实现大模场面积下单模导光的缺陷；

12、2、本发明的反谐振单元区域由两层高折射率的环形管构成，不同于之前报道的实芯反谐振光纤沿纤芯区域周期性排布的高折射率反谐振毛细管，本发明提出的光纤反谐振效应的作用面积和背景区域高阶模耦合面积增加，降低了大模场面积下光纤的基模损耗、提高了高阶模损耗，实现了反谐振光纤单模保持能力的有效提升，且光纤结构简单、易于实现，弥补了实芯反谐振光纤因结构复杂而不利于实际生产制备的缺陷，可以根据实际应用中的不同玻璃基质组分，使用化学气相沉积法或堆叠-拉丝法制备；

13、3、本发明不仅可以应用于无源光纤传输高功率单模激光，也可以在纤芯区域掺杂nd3+,yb3+,er3+,tm3+,ho3+等稀土离子，作为大模场单模有源光纤应用于高功率激光的产生和放大。

技术特征：

1.一种双层反谐振环嵌套的大模场单模实芯光纤，其特征在于，所述光纤包括：纤芯区域、双层环形反谐振单元区域、背景区域；

2.根据权利要求1所述的一种双层反谐振环嵌套的大模场单模实芯光纤，其特征在于，不同部分的折射率关系为：

3.根据权利要求1所述的一种双层反谐振环嵌套的大模场单模实芯光纤，其特征在于，第一反谐振单元区域、第二反谐振单元区域的厚度相同或不相同，均满足反谐振条件。

4.根据权利要求1所述的一种双层反谐振环嵌套的大模场单模实芯光纤，其特征在于，所述第一背景区域和第二背景区域的厚度相同或不相同，两区域的包层模式分别与纤芯区域的lp11和lp21模式发生模式耦合。

技术总结
本发明公开了一种双层反谐振环嵌套的大模场单模实芯光纤，包括：纤芯区域、双层环形反谐振单元区域、背景区域；纤芯区域用于大模场单模信号光低损耗传输；双层环形反谐振单元区域包括第一反谐振单元区域和第二反谐振单元区域；其中，第一反谐振单元区域的内径与纤芯区域直径相同，第一和第二反谐振单元区域用于降低纤芯区域的基模传输损耗；背景区域包括第一背景区域和第二背景区域，两背景区域用于增加纤芯区域的不同高阶模式的传输损耗；在光纤截面上，第一反谐振单元区域、第二反谐振单元区域与第一背景区域、第二背景区域交错排布，沿纤芯区域向外依次为纤芯区域，第一反谐振单元区域，第一背景区域，第二反谐振单元区域，第二背景区域。

技术研发人员：付士杰,许海琛,史伟,盛泉,田浩,武天志,姚建铨
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4