阶跃高斯复合型折射率分布双包层光纤

摘要

阶跃高斯复合型折射率分布双包层光纤属于光纤技术领域。现有阶跃型双包层光纤在光纤弯曲时，光束基模光场偏移较大；现有高斯型双包层光纤模场面积较小。本发明其特征在于，纤芯折射率其分布划分为两个区域，纤芯半径R

说明书

技术领域

本发明涉及一种阶跃高斯复合型折射率分布双包层光纤，具有较大模场面积，并且，当 光纤弯曲时，模场偏移较小，适用于大功率增益、传输光纤，属于光纤技术领域。

背景技术

双包层光纤自里向外依次为纤芯1、内包层2、外包层3、保护层4，如图1所示，纤芯 1、外包层3为圆形，纤芯1半径为R₁，内包层2一般采用异形结构，其截面形状有椭圆形、 矩形、梅花形、D形及六边形等，常用矩形，如正方形，此时，内包层2半径R₂指正方形内 切圆半径。纤芯1、内包层2、外包层3的折射率依次为n₁、n₂、n₃，并且n₁>n₂>n₃。双包层 光纤按其纤芯折射率分布形式划分为阶跃折射率（SI）光纤和渐变折射率（GI）光纤。所述 纤芯折射率分布形式是指纤芯1的折射率n₁沿半径r方向自中心向周边是否变换或者呈现怎 样的变化。与本发明最接近的现有纤芯折射率分布形式有以下两种类型。一是阶跃型，如图 2所示，沿r方向自中心向周边n₁不变。二是高斯型，如图3所示，所述n₁此时为纤芯1折 射率最大值，随着纤芯1径向尺寸沿r方向自中心向周边在R′₁范围内变化，纤芯1折射率在 n′₁范围内非线性递减，直到等于n₂。

阶跃型双包层光纤具有较大的模场面积，当大功率工作时，功率密度不会因此而变得很 大，这样一是能够避免光纤损毁，二是能够减轻非线性效应，如多波长现象，保证光束质量。 但是，当阶跃型双包层光纤弯曲时，光束基模光场偏移较大，如图4所示，包括泵浦光在内 的光功率损耗较大，因此，增益光束或者传输光束光能量损失较大。虽然当高斯型双包层光 纤阶弯曲时光束基模光场偏移较小，如图5所示，但是，高斯型双包层光纤具有较小的模场 面积，当大功率工作时，功率密度会因此而变得很大，这样一是容易损毁光纤，二是导致多 波长等非线性效应的产生，降低光束质量。如果通过增大芯径来增大高斯型双包层光纤模场 面积，会伴随着光的模式的多模化，严重降低光束质量。

发明内容

本发明的目的在于，在纤芯芯径不变的前提下，在增大双包层光纤模场面积的同时减小 光纤弯曲时发生的基模光场偏移，为此，我们发明了一种阶跃高斯复合型折射率分布双包层 光纤，全面优化现有双包层光纤。

本发明之阶跃高斯复合型折射率分布双包层光纤其特征在于，如图6、图7所示，纤芯 折射率其分布划分为两个区域，纤芯半径R₁范围内的0～R₀圆形区域为阶跃区5，R₀为阶跃 区半径，R₀<R₁，在阶跃区5内纤芯折射率分布为阶跃型，纤芯折射率为最大值n₁；纤芯半 径R₁范围内的R₀～R₁圆环区域为高斯区6，在高斯区6内纤芯折射率分布为高斯型，纤芯折 射率n′₁由下式决定：

$n_1^{\prime }\left(r\right)={\left\{n_2^2\right[1+\frac{n_1^2-n_2^2}{n_2^2}\exp (-\frac{{(r-R_0)}^2}{{(R_1-R_0)}^2})\left]\right\}}^{\frac{1}{2}},$

式中：r为纤芯半径变量，且R₀<r<R₁，n₂为双包层光纤内包层2折射率。

本发明其技术效果在于，相比于现有阶跃型折射率分布双包层光纤，基模光场偏移减小， 相比于现有高斯型折射率分布双包层光纤，模场面积有所增大，如图6所示，光纤性能得到 全面优化，该方案如果用于增益光纤，能够使光纤激光器在MW级脉冲工作条件下依然具有 良好的输出特性和稳定性。

附图说明

图1是双包层光纤结构横截面示意图。图2是现有阶跃型光纤折射率分布图。图3是现 有高斯型光纤折射率分布图。图4是现有阶跃型折射率分布双包层光纤基模光场分布图。图 5是现有高斯型折射率分布双包层光纤在相同条件下的基模光场分布图。图6是本发明之阶 跃高斯复合型折射率分布双包层光纤在相同条件下的基模光场分布图。图7是本发明之阶跃 高斯复合型折射率分布双包层光纤折射率分布图，该图同时作为摘要附图。

具体实施方式

本发明之阶跃高斯复合型折射率分布双包层光纤纤芯折射率其分布划分为两个区域，如 图6、图7所示，纤芯折射率其分布划分为两个区域，纤芯半径R₁范围内的0～R₀圆形区域为 阶跃区5，R₀为阶跃区半径，R₀<R₁，在阶跃区5内纤芯折射率分布为阶跃型，纤芯折射率 为最大值n₁；纤芯半径R₁范围内的R₀～R₁圆环区域为高斯区6，在高斯区6内纤芯折射率分 布为高斯型，纤芯折射率n′₁由下式决定：

$n_1^{\prime }\left(r\right)={\left\{n_2^2\right[1+\frac{n_1^2-n_2^2}{n_2^2}\exp (-\frac{{(r-R_0)}^2}{{(R_1-R_0)}^2})\left]\right\}}^{\frac{1}{2}},$

式中：r为纤芯1半径变量，且R₀<r<R₁，n₂为双包层光纤内包层2折射率。

所述阶跃高斯复合型折射率分布双包层光纤为一种非零色散G.655光纤，采用改进气相 沉积法MCVD（ModifiedChemicalVapourDeposition）制作光纤预制棒，实现径向折射率分 布（RIP）的精确控制。纤芯折射率最大值n₁=1.4500，内包层2折射率n₂=1.4485。阶跃区半 径R₀占纤芯半径R₁的如纤芯半径R₁=32.5μm，阶跃区半径R₀=15μm。同样制作现 有阶跃型折射率分布双包层光纤、现有高斯型折射率分布双包层光纤，纤芯半径仍均为 R₁=32.5μm，阶跃型折射率分布双包层光纤纤芯折射率以及高斯型折射率分布双包层光纤纤 芯最大折射率均与n₁相同，即1.4500。

就现有阶跃型折射率分布双包层光纤、现有高斯型折射率分布双包层光纤以及本发明之 阶跃高斯复合型折射率分布双包层光纤三者比较而言，在模场面积的大小、基模光场分布方 面呈现以下不同。不论从计算结果看，还是从光斑检测结果观察，如图4～5所示，现有阶跃 型折射率分布双包层光纤具有最大模场面积，如1.132×10³μm²，现有高斯型折射率分布双包 层光纤具有最小模场面积，如0.48×10³μm²，而本发明之阶跃高斯复合型折射率分布双包层 光纤模场面积介于二者之间，如1.051×10³μm²。当光纤弯曲半径均为20cm，现有阶跃型折 射率分布双包层光纤基模光场偏移最大，如图4所示，位移量为36.8μm，部分基模光场偏移 至内包层2中，严重降低功率输出；现有高斯型折射率分布双包层光纤基模光场偏移最小， 如图5所示，位移量仅为1.316μm；而本发明之阶跃高斯复合型折射率分布双包层光纤模场 面积介于二者之间，如图6所示，位移量为14.2μm。可见，本发明之阶跃高斯复合型折射率 分布双包层光纤在在模场面积的大小、基模光场分布方面得到兼顾，实现优化。