多芯保偏光子晶体光纤的制作方法

1.本发明涉及保偏光纤，具体是一种多芯保偏光子晶体光纤。


背景技术：

2.在高功率激光产生及传输领域，适当的提高光纤的模场面积，可以有效降低光纤的非线性效应并提高损伤阈值，对高功率高光束质量的激光传输具有重要的研究意义。近年来，多芯光子晶体光纤的概念被提出，各个纤芯之间的光场可以相互耦合形成所谓的“超模”，其模场面积随纤芯的数量成比例增加，并且模场分布对热不敏感，将单芯中的光场分摊到多个纤芯，可有效避免单芯光纤激光器无法克服的自聚焦和热透镜效应。
3.目前众多研究大多采用六边形空气孔阵列结构，在空气孔内层设计合适的纤芯数量，以7芯光子晶体光纤结构为主，从而实现超模传输。然而，在实际应用中，光在多芯光纤中传输时会发生偏振模耦合等问题，因此需要对这种多芯光纤进行保偏设计，使其能有更好的应用性能。
4.现有的保偏光子晶体光纤，主要是针对传统单芯光子晶体光纤，通过破坏空气孔周期性排列或在纤芯区外加入应力棒的形式来实现折射率非对称变化，达到保偏的目的。文献folkenberg,j,et al.optics express 12.5(2004):956.中报道了一款大模场保偏光子晶体光纤设计，光纤包括纤芯区、应力区以及包层区，整个包层区采用的是纯石英玻璃，纤芯区是4层空气孔形成的六边形阵列微结构，光场主要集中在纤芯区，而在纤芯区两侧对称引入两个掺硼的高应力区，由于应力区与其他材料的热膨胀系数不同，可实现光纤的保偏效果。专利us7289709b2中介绍了基于上述设计的几款保偏光纤设计，也是采用将微结构阵列与应力棒相结合的方式，从而达到保偏效果。
5.上面提及的相关光纤设计在传统的光子晶体光纤结构的基础上，引入掺硼的高应力区，既能保持光子晶体光纤独特的性能如色散可调、无限单模截止等，还能保证光纤的偏振特性。
6.然而，上述保偏光纤的设计往往集中于对单芯光纤的优化上，近年来，随着多芯光纤的发展，特别是高功率脉冲传输领域，多芯光纤的模式特性优于传统的单芯光纤，而这些多芯光纤的设计又忽略了其模式的偏振保持问题，因此，发明一种多芯保偏光子晶体光纤对高性能光纤通讯技术是很有必要的。


技术实现要素：

7.本发明针对现有的大模场保偏光子晶体光纤提出一种多芯保偏光子晶体光纤，该光纤不仅具有多芯光子晶体光纤的大模场特性，还能有效减少偏振模耦合的影响，使光纤具有保偏功能，可应用于高功率偏振激光技术领域。
8.本发明的技术解决方案：
9.一种多芯保偏光子晶体光纤，包括包层区、应力区和纤芯区，所述包层区采用玻璃材料基底，所述纤芯区位于包层区中心，所述应力区为热膨胀区域，对称分布在纤芯区域两
侧，其特点在于：所述的纤芯区为多芯微结构，且周期性排列的六边形空气孔阵列。
10.所述纤芯区的直径为10～100μm，所述应力区直径为20～300μm，所述多芯保偏光子晶体光纤包层的直径为100～800μm。
11.所述多芯保偏光子晶体光纤纤芯是多芯结构，包含7芯或19芯等，各纤芯模场耦合可形成超模，模场面积较大。
12.所述的纤芯区的空气孔直径d与空气孔间距λ比值满足d/λ＝0.30～0.9；
13.所述的应力区的热膨胀系数与包层区材料的热膨胀系数不同，其折射率低于包层折射率。
14.与现有大模场保偏光子晶体光纤相比，本发明的有益效果在于：
15.1、本发明纤芯是多芯光子晶体光纤结构，每个纤芯之间的光场模式可相互耦合，形成超模，其模场面积能够高于现有的单芯大模场保偏光子晶体光纤，且输出光束质量提高。
16.2、本发明纤芯区域的多芯光纤结构可根据实际需求灵活设计，包含7芯、19芯等，设计灵活性增加。
附图说明
17.图1是本发明多芯保偏光子晶体光纤实施例的结构示意图；
18.图2是现有的常见的熊猫光纤示意图；
19.图3是本发明实施例中纤芯微结构区域的示意图。
具体实施方式
20.为了更好得理解本发明，下面结合实施例进一步阐述本发明的内容，但不应以此限制本发明的保护范围。
21.实施例1
22.如图1所示，本发明多芯保偏光子晶体光纤，包括包层区1、应力区2和纤芯区3，包层区1采用纯石英玻璃基底(sio2)，纤芯区3位于包层的中心，为多芯微结构，主要是规则排列的六边形空气孔阵列，两个应力区2为高掺硼区(b2o3/sio2)，对称分布在纤芯3区域两侧。纤芯区域直径为16～20μm，所述的应力区直径为40μm，光纤直径为140～250μm。纤芯区域的多芯微结构空气孔直径d与空气孔间距λ比值满足d/λ＝0.8，应力区为高掺硼区域，即为掺硼的石英玻璃，其中硼掺杂浓度为10～25wt％。
23.图2给出了现有的熊猫型保偏光纤常见结构，包括包层区4，应力区5和纤芯区6，纤芯区6为掺锗的石英玻璃(ge/sio2)，且纤芯折射率较高，纤芯区6与包层区4相对折射率差根据工作波长和具体应用而设定，应力区5为掺硼的石英玻璃，硼掺杂浓度为10～25wt％。熊猫型保偏光纤的模式双折射与应力区5掺杂浓度、应力区5直径以及应力区间距相关，如方程所示：
24.双折射率b
25.26.其中r1为纤芯到应力区外围的间距，r为应力区直径，d为整个光纤外径。
27.图2给出的光纤纤芯区6直径5μm，应力区5直径r为40μm，纤芯与应力区间距r1为10μm，光纤外径d为125μm，其双折射值可达2.134
×
10-4
。
28.类比熊猫型保偏光纤，本发明所述的多芯保偏光纤的双折射特性也应满足上述公式。
29.如图3所示，给出了图1中的纤芯区域具体结构示意图，采用的是7芯微结构空气孔阵列，空气孔直径d为1.45μm，两相邻空气孔之间的间距为λ，其中d/λ为0.8，共7层空气孔，呈六边形阵列排布，其中内部引入7个实芯，每个芯之间的光场可以相互耦合形成超模。形成的整个纤芯区域半径达12μm，为保证光纤的双折射值，应力区2直径依然为40μm，取r1的值为16～20μm，在满足上述公式的条件下计算出光纤整个外径d为140～250μm。
30.本发明多芯保偏光子晶体光纤既可以实现大模场面积，又可以使得光场传输保持较好的偏振特性，满足高性能光纤通讯要求。


技术特征：
1.一种多芯保偏光子晶体光纤，包括包层区(1)、应力区(2)和纤芯区(3)，所述的包层区(1)采用玻璃材料基底，所述的纤芯区(3)位于所述的包层区的中心，所述的应力区(2)为热膨胀区域，对称分布在所述的纤芯区(3)的两侧，其特征在于：所述的纤芯区(3)为多芯微结构，且周期性排列成六边形空气孔阵列。2.根据权利要求1所述的多芯保偏光子晶体光纤，其特征在于：所述纤芯区(3)的直径为10～100μm，所述应力区(2)的直径为20～300μm，所述的多芯保偏光子晶体光纤的包层的直径为100～800μm。3.根据权利要求1所述的多芯保偏光子晶体光纤，其特征在于：所述的纤芯区(3)包含7芯或19芯，各纤芯模场耦合可形成超模，模场面积较大。4.根据权利要求1所述的多芯保偏光子晶体光纤，其特征在于：所述的纤芯区(3)的空气孔的直径d与空气孔的间距λ的比值满足d/λ＝0.3～0.9。5.根据权利要求1所述的多芯保偏光子晶体光纤，其特征在于：所述的应力区(2)的热膨胀系数与包层区(1)材料的热膨胀系数不同，其折射率低于包层区(1)折射率。

技术总结
一种多芯保偏光子晶体光纤，包括包层区、应力区和纤芯区，所述包层区采用玻璃材料基底，所述纤芯区位于包层区中心，所述应力区为热膨胀区域，对称分布在纤芯区域两侧，所述的纤芯区为多芯微结构，且周期性排列成六边形空气孔阵列。本发明可实现大模场保偏超模传输，能够很好地适用于高功率偏振激光技术领域。能够很好地适用于高功率偏振激光技术领域。能够很好地适用于高功率偏振激光技术领域。


技术研发人员：陈亮 沈亚婷 廖梅松 李夏 胡丽丽 于飞 关佩雯 毕婉君 王龙飞 王天行
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：2020.09.14
技术公布日：2022/3/14