一种掺铋全固态带隙型微结构光纤

摘要

本发明公开了一种掺铋全固态带隙型微结构光纤，包括基底、纤芯和包层介质柱阵列；基底材料为掺杂一定量二氧化锗的石英玻璃，其折射率为n1；所述纤芯为铋元素和二氧化锗共同掺杂的石英玻璃，通过调整两种元素的掺杂比例保证其折射率与基底材料折射率相同，也为n1；其直径为d1；包层介质柱阵列为m层围绕所述纤芯的按正六边形排列的圆柱型介质柱阵列组成，5≦m≦7，介质柱折射率均为n2，并且n2>n1；介质柱的直径均为d2；包层介质柱阵列内两个介质柱的间距均为Λ；所述光纤为带隙型微结构光纤，泵浦光与荧光分别位于两个不同的带隙中心，拉曼散射光位于带隙边缘。本发明能够有效滤除泵浦的拉曼散射光，从而达到抑制泵浦光拉曼效应的目的，可以用于铋掺杂光纤激光器。

说明书

技术领域

本发明属于光纤制作技术领域，涉及光纤激光器用掺杂增益光纤结构设计，尤其涉及一种掺铋全固态带隙型微结构光纤。

背景技术

光纤激光器是一种非常重要的激光器，最常见的就是利用掺杂稀土元素的增益光纤制作光纤激光器。常用于掺杂增益光纤的稀土元素包括钕(Nd)、镱(Yb)、镨(Pr)、铥(Tm)、铒(Er)五种，上述五种稀土元素都有各自特定的发光波段，但均不能产生波长在1460纳米附近(1389-1538纳米)的激光。为了填补1460纳米附近波段不能产生激光的空白，人们提出了掺杂主族元素铋的增益光纤及相应的掺铋光纤激光器。

掺铋光纤中铋离子浓度的均匀性直接决定了掺铋光纤激光器的性能，但是由于铋的沸点远低于预制棒的缩棒温度和光纤的拉制温度，因此，掺铋光纤激光器系统中掺铋光纤中铋离子的浓度低，导致掺铋光纤对泵浦光的吸收效率低。为了获得相同功率的激光输出，掺铋增益光纤的长度是掺杂稀土元素增益光纤的数十倍。Yoonchan Jeong等人搭建的掺镱光纤激光器在波长1.1微米附近输出千瓦级的连续波，所用到的光纤长度小于10米，同时激光斜率大于80％[Lasers and Electro-Optics.IEEE,2004:2pp.vol.1]，而S.V.Firstov等人构建的输出功率为20W的掺铋光纤激光器，使用的掺铋光纤，铋元素的浓度仅为0.02％，光纤长度达到了93米，激光效率为50％[Quantum Electron,2011,41(7),581]。现有的掺铋增益光纤，无论是阶跃型掺铋光纤还是掺铋微结构光纤，在导光机理方面均属于全内反射型，各个波段的光都能通过光纤基模进行传导，对传导的光波段没有选择性。因为光纤长度长，泵浦光吸收效率低和对传导光的波长没有选择性，掺铋光纤激光器系统中，泵浦光在掺铋光纤中传输时，会因为受激拉曼的作用产生红移拉曼散射光，N.K.Thipparapu等人搭建的输出波长为1360纳米附近的掺铋光纤激光器的输出效率仅有11％[The Workshop on Specialty Optical Fibers & TheirApplications,2015]。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种掺铋带隙型微结构光纤，能够有效滤除泵浦的拉曼散射光，从而达到抑制泵浦光拉曼效应的目的，此光纤可以用于铋掺杂光纤激光器。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种掺铋全固态带隙型微结构光纤，包括基底、纤芯和包层介质柱阵列；所述基底材料为掺杂一定量二氧化锗的石英玻璃，其折射率为n₁；所述纤芯为铋元素和二氧化锗共同掺杂的石英玻璃，通过调整两种元素的掺杂比例保证其折射率与基底材料折射率相同，也为n₁；其直径为d₁；所述包层介质柱阵列为m层围绕所述纤芯的按正六边形排列的圆柱型介质柱阵列组成，5≦m≦7，介质柱折射率均为n₂，并且n_2>n₁；介质柱的直径均为d₂；柱间距为Λ，所述柱间距就是包层介质柱阵列内任意两个相邻介质柱圆心的间距；所述光纤为带隙型微结构光纤，泵浦光与荧光分别位于两个不同的带隙中心，拉曼散射光位于带隙边缘。

进一步的，所述基底和纤芯的折射率n₁的范围为1.452～1.455。

进一步的，所述纤芯直径d₁的范围为13～14微米。

进一步的，所述包层介质柱高折射率柱折射率n₂的范围为0.045≤n₂-n₁≤0.053。

进一步的，所述包层介质柱直径d₂的范围为6.060～6.180微米。

进一步的，所述柱间距Λ的范围为10.1～10.3微米。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明涉及光纤为掺铋全固带隙型微结构光纤，在所设计的波段具有两个带隙，通过调整光纤结构参数来调整带隙的宽度和位置，使1340纳米的泵浦光与1460纳米的激光分别处于不同带隙的中心位置，保证其能够低损耗传输并产生激光。在此基础上将泵浦光对应的拉曼散射光所在波长置于带隙的边缘位置上，增加拉曼散射光的损耗，以此来抑制泵浦光的拉曼效应，增强掺铋光纤激光器的性能。本发明能够有效滤除泵浦的拉曼散射光，从而达到抑制泵浦光拉曼效应的目的，可以用于铋掺杂光纤激光器。

附图说明

图1是本发明实施例1的光纤结构截面示意图。

图2是本发明实施例1的带隙、模式有效折射率以及模场图。

图3是本发明实施例1的损耗图。

图4是本发明实施例2的光纤结构截面示意图。

图中：1-基底、2-包层介质柱、3-纤芯、4-柱间距、5-泵浦光区域、6-光纤激光区域。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

下面结合图1说明本发明的原理。图1给出了本发明实施例1的光纤结构截面示意图。纤芯3为掺铋区域，用来在泵浦光的作用下产生激光。包层介质柱2为在基底1上围绕纤芯的五层正六边形排列的介质柱阵列，包层介质柱2的折射率高于基底1的折射率，因此形成带隙型导光的微结构光纤。通过调节包层介质柱2的直径尺寸和折射率大小，能够对带隙的宽度以及位置进行调整，使泵浦光和激光分别位于不同的带隙中心，使拉曼散射光位于带隙的边缘处，增加拉曼散射光的损耗。

采用平面波展开法计算带隙光纤的带隙，用多极法计算光纤的模式有效折射率，得到光纤的带隙及模式折射率曲线图，同时还有在1460纳米处的模场图，如图2所示。图中在短波处带隙用来传导泵浦光，长波处的带隙用来传导激光，泵浦光的拉曼散射光位于长波带隙边缘处，这样激光的损耗就会低于泵浦光拉曼散射光。同时通过计算得到了光纤在1.0-1.7微米波段内的损耗图，损耗图如图3所示。

实施例一：

在图1所示的一种掺铋全固态带隙型微结构光纤示意图中，基底1为锗掺杂的纯石英玻璃，其折射率为1.452；纤芯3通过在纯石英玻璃中掺杂铋和锗两种元素，保证其折射率与基底1相同，为1.452；光纤的纤芯3直径为14微米；柱间距4为10.3微米，光纤包层内介质柱2直径为6.180微米；光纤包层介质柱2折射率为1.5；光纤包层的层数为5层。光纤在1460纳米处的损耗为0.038dB/m。

实施例二：

在图4所示的一种掺铋全固态带隙型微结构光纤，基底1为锗掺杂的纯石英玻璃，折射率为1.455；纤芯3掺杂铋锗两种元素，折射率为1.455；纤芯3直径为13微米；柱间距4为10.1微米；光纤包层内介质柱2直径为6.06微米；光纤包层内介质柱2折射率为1.50；光纤包层的层数为6层。光纤在1460纳米处的损耗为0.026dB/m。

上述附图仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。