一种莱洛三角形纤芯的稀土掺杂光纤

专利检索2022-05-11  1



1.本发明属于光纤制造技术领域,特别涉及一种莱洛三角形纤芯的稀土掺杂光纤。


背景技术:

2.介质在强光作用下会产生非线性效应,包括光学谐波、倍频、受激拉曼散射、受激布里渊散射、双光子吸收、自聚焦效应、自散焦效应。光纤中非线性效应的产生,往往会限制光纤激光器功率,影响输出特性。抑制甚至消除光纤中的部分非线性效应,如受激布里渊散射效应,进一步提高光纤激光器、光放大器的输出功率,具有实际意义。
3.光纤中受激布里渊散射效应的抑制,换言之,提高受激布里渊散射效应的阈值功率,当前主要的技术方案有:相位调制展宽种子激光线宽,采用短脉宽脉冲种子激光,利用高掺杂或大模场光纤以减小光纤有效长度,施加温度梯度或应力梯度展宽光纤布里渊增益谱,增大光纤有效模场面积等等。其中,增大光纤有效模场面积,可以通过优化光纤截面各位置的几何参数及光学折射率来实现。
4.在数学里,平面上简单的严格凸的闭曲线(卵形曲线)垂直每个方向都可作两条互相平行的切线,成为这个方向上的最高线和最低线,两切点称为相互对应。我们把这种卵曲线称为等宽曲线,如果每个方向上的最高线和最低线之间的距离为常数,那么这个图形则是等宽曲线图形。圆形,就是典型的等宽曲线图形。莱洛多边形,也是一种等宽曲线图形。莱洛多边形的具体作法:先构造正2n 1边形a1a2a3……a2n 1
,分别以2n 1个顶点为圆心、a1到a
n 1
的距离为半径作2n 1个圆,这些圆的公共部分,就是莱洛(2n 1)边形。莱洛三角形,就是n=1时的情形。
5.数学家巴比埃在1860年所发现一条定理:所有宽度为b的等宽曲线都有相同的周长πb,也即是都等于直径为b的圆的周长。此外,平面上具有定长的所有简单闭曲线中,圆周所围的面积最大。对光纤而言,其余参数均保持不变的条件下,纤芯的几何面积越大,光纤的有效模场面积相对也会越大。
6.如今的光纤,常常采用圆形纤芯为基础,进一步设计、调节光纤参数以优化光纤的传输性能。


技术实现要素:

7.本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题,提供一种莱洛三角形纤芯的稀土掺杂光纤。
8.实现本发明目的的技术解决方案为:一种莱洛三角形纤芯的稀土掺杂光纤,该光纤包括由内至外依次设置的莱洛三角形纤芯、莱洛三角形内包层和圆形外包层。
9.进一步地,所述莱洛三角形纤芯的光学折射率n
core
、纤芯宽度b、圆形外包层的光学折射率n
clad
和激光波长λ满足关系式:
10.进一步地,所述莱洛三角形纤芯的宽度为三角形任一顶点到对边圆弧的距离。
11.进一步地,所述圆形外包层采用未掺杂任何其它稀土元素的纯二氧化硅材料。
12.进一步地,所述莱洛三角形纤芯采用掺杂稀土元素的二氧化硅材料,以使莱洛三角形纤芯的光学折射率高于圆形外包层的光学折射率。
13.进一步地,所述莱洛三角形内包层采用掺杂不同种类和不同浓度的稀土元素的二氧化硅材料,以使莱洛三角形内包层的光学折射率低于圆形外包层的光学折射率,且莱洛三角形内包层中的纵向声速低于莱洛三角形纤芯中的纵向声速。
14.本发明与现有技术相比,其显著优点为:1)对任意满足条件的单模光纤,调节内包层的折射率和宽度,都可以实现光纤有效模场面积的增大;2)该光纤内包层折射率和宽度的取值并不唯一,可以结合生产水平和设计需求选取合适参数,适应性更强;3)结构简单,在特定参数范围内,相较于圆形纤芯的普通光纤,具有更大的光学基模有效面积,从而起到抑制光纤中受激布里渊散射效应的效果。
15.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
16.图1为一个实施例中莱洛三角形纤芯的稀土掺杂光纤的结构示意图。
17.图2为一个实施例中用于对比的圆形纤芯的稀土掺杂光纤的结构示意图。
18.图3为一个实施例中等宽的莱洛多边形与圆形的面积比和多边形边数的对应关系。
19.图4为实施例一中圆形纤芯光纤有效模场面积与内包层宽度、折射率的对应关系。
20.图5为实施例一中莱洛多边形内包层折射率为1.455时,光纤有效模场面积与莱洛多边形边数、内包层宽度的对应关系。
21.图6为实施例一中莱洛多边形内包层折射率为1.420时,光纤有效模场面积与莱洛多边形边数、内包层宽度的对应关系。
22.图7为实施例一中莱洛三角形内包层折射率为1.420、宽度为0.5um时,莱洛三角形纤芯光纤的基模形状。
23.图8为实施例二中莱洛多边形内包层折射率为1.400时,光纤有效模场面积与莱洛多边形边数、内包层宽度的对应关系。
24.图9为实施例二中莱洛多边形内包层折射率为1.340时,光纤有效模场面积与莱洛多边形边数、内包层宽度的对应关系。
25.图10为实施例二中莱洛三角形内包层折射率为1.340、宽度为1um时,莱洛三角形纤芯光纤的基模形状。
具体实施方式
26.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本技术进行进一步详细说明。应当理解,此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术,并不用于限定本技术。
27.在一个实施例中,结合图1,提供了一种莱洛三角形纤芯的稀土掺杂光纤,该光纤包括由内至外依次设置的莱洛三角形纤芯1、莱洛三角形内包层2和圆形外包层3。
28.进一步地,在其中一个实施例中,所述莱洛三角形纤芯1的光学折射率n
core
、纤芯
宽度b、圆形外包层2的光学折射率n
clad
和激光波长λ满足关系式:
29.进一步地,在其中一个实施例中,所述莱洛三角形纤芯1的宽度为三角形任一顶点到对边圆弧的距离。
30.进一步地,在其中一个实施例中,所述圆形外包层3采用未掺杂任何其它稀土元素的纯二氧化硅材料。
31.进一步地,在其中一个实施例中,所述莱洛三角形纤芯1采用掺杂稀土元素如锗ge、镱yb等的的二氧化硅材料,以使莱洛三角形纤芯1的光学折射率高于圆形外包层3的光学折射率。
32.进一步地,在其中一个实施例中,所述莱洛三角形内包层2采用掺杂不同种类和不同浓度的稀土元素如氟f、硼b等的二氧化硅材料,以使莱洛三角形内包层2的光学折射率低于圆形外包层3的光学折射率,且莱洛三角形内包层2中的纵向声速低于莱洛三角形纤芯1中的纵向声速。
33.示例性地,在其中一个实施例中,对本发明莱洛三角形纤芯的稀土掺杂光纤进行进一步验证说明。该示例中,将通过对比本发明提出的光纤和圆形纤芯的稀土掺杂光纤进行验证。结合图2,用于对比的圆形纤芯的稀土掺杂光纤,结构包括:圆形纤芯21、圆形内包层22和圆形外包层23。所述圆形纤芯的直径与莱洛三角形纤芯11的宽度相等,光学折射率相等。所述圆形内包层的宽度与莱洛三角形内包层12的宽度相等,光学折射率相等。
34.结合图3,给出了等宽的莱洛多边形与圆形面积比和多边形边数的对应关系。圆形,可以看做是莱洛多边形边数趋于无穷大时的情形。直径为b的圆形面积为πb2/4,而宽度为b的莱洛(2n 1)边形的面积可以表示为:
[0035][0036]
当n趋于正无穷时,面积比趋于1,即莱洛多边形越来越接近圆形,但面积始终小于圆形面积。
[0037]
具体地验证:
[0038]
实施例1
[0039]
本实施例结合hi1060光纤的参数进行仿真计算:纤芯直径为5.3μm,折射率为1.4644;包层直径为125μm,折射率为1.458。激光波长为1.064μm,归一化频率v=2.1401《2.405。
[0040]
图4为本发明实施例中圆形纤芯光纤有效模场面积与内包层宽度、折射率的对应关系。当内包层宽度大于1μm时,影响光纤有效模场面积的主要因素是内包层的折射率。当内包层宽度小于1μm时,光纤有效模场面积随内包层宽度的增大而迅速减小。
[0041]
图5为本发明实施例中莱洛多边形内包层折射率为1.455时,光纤有效模场面积与莱洛多边形边数、内包层宽度的对应关系。其中边数为3的情形,对应莱洛三角形纤芯光纤;边数为无穷的情形,对应圆形纤芯光纤。此时,对任意宽度的内包层,莱洛多边形纤芯光纤的有效模场面积随边数增加而增大,圆形纤芯光纤的有效模场面积最大,而莱洛三角形纤
芯光纤的的有效模场面积最小。表一为图5所对应的具体数值。
[0042]
表一内包层折射率为1.455时,光纤有效模场面积与形状、内包层宽度的对应关系
[0043][0044][0045]
图6为本发明实施例中莱洛多边形内包层折射率为1.420时,光纤有效模场面积与莱洛多边形边数、内包层宽度的对应关系。其中边数为3的情形,对应莱洛三角形纤芯光纤;边数为无穷的情形,对应圆形纤芯光纤。此时,对任意宽度的内包层,莱洛多边形(边数大于等于5)纤芯光纤的有效模场面积仍然随边数增加而增大,圆形纤芯光纤的有效模场面积为极大值,但此时莱洛三角形纤芯光纤的的有效模场面积最大。表二为图6所对应的具体数值。
[0046]
表二内包层折射率为1.420时,光纤有效模场面积与形状、内包层宽度的对应关系
[0047]
环宽/uma
eff
(3)/um2a
eff
(5)/um2a
eff
(7)/um2a
eff
(9)/um2a
eff
(11)/um2a
eff
(

)/um20.126.288226.049226.098526.128026.144826.18190.1524.886824.446724.472924.495124.508624.53950.223.644123.040823.053923.072223.083923.11190.2522.560621.818921.826121.843221.854421.88140.321.628720.761920.768620.786420.798020.82620.3520.837619.849019.859919.880019.892519.92320.420.179319.061119.079819.103219.117419.15120.4519.647818.381218.410918.438118.454318.49210.519.245917.795017.837217.869517.887917.92940.5518.985917.289717.346517.383817.404617.45170.618.922516.854716.927116.970116.993217.0434
[0048]
图7为本发明实施例中莱洛三角形内包层折射率为1.420、宽度为0.5um时,莱洛三角形纤芯光纤的基模形状。
[0049]
实施例2
[0050]
本实施例结合smf28e光纤的参数进行仿真计算:纤芯直径为8.3μm,折射率为1.4682;包层直径为125μm,折射率为1.4615。激光波长为1.55μm,归一化频率v=2.3569《2.405。
[0051]
图8为本发明实施例中莱洛多边形内包层折射率为1.400时,光纤有效模场面积与莱洛多边形边数、内包层宽度的对应关系。其中边数为3的情形,对应莱洛三角形纤芯光纤;
边数为无穷的情形,对应圆形纤芯光纤。此时,对任意宽度的内包层,莱洛多边形纤芯光纤的有效模场面积随边数增加而增大,圆形纤芯光纤的有效模场面积最大,而莱洛三角形纤芯光纤的的有效模场面积最小。表三为图8所对应的具体数值。
[0052]
表三内包层折射率为1.400时,光纤有效模场面积与形状、内包层宽度的对应关系
[0053]
环宽/uma
eff
(3)/um2a
eff
(5)/um2a
eff
(7)/um2a
eff
(9)/um2a
eff
(

)/um20.153.4865254.2210854.5608554.710154.945260.246.6369447.2723547.6147347.765848.002940.341.8605742.6317343.0082243.1711843.421920.438.5075839.5000539.9171740.0929840.35870.536.1164337.3525337.8069637.994938.274510.634.3880735.8580236.3456936.5432936.834660.733.1258134.8078435.3225435.5280535.827480.832.2082234.0661234.6006434.8122635.115680.931.5318133.5379134.0899634.3053234.61658131.0405233.1634633.7256133.9448734.25556
[0054]
图9为本发明实施例中莱洛多边形内包层折射率为1.340时,光纤有效模场面积与莱洛多边形边数、内包层宽度的对应关系。其中边数为3的情形,对应莱洛三角形纤芯光纤;边数为无穷的情形,对应圆形纤芯光纤。此时,对任意宽度的内包层,莱洛多边形纤芯光纤(边数大于等于5)的有效模场面积仍然随边数增加而增大,圆形纤芯光纤的有效模场面积为极大值。但是,当内包层宽度增加到0.9μm以上时,莱洛三角形纤芯光纤的有效模场面积最大。表四为图9所对应的具体数值。
[0055]
表四内包层折射率为1.340时,光纤有效模场面积与形状、内包层宽度的对应关系
[0056]
环宽/uma
eff
(3)/um2a
eff
(5)/um2a
eff
(7)/um2a
eff
(9)/um2a
eff
(

)/um20.146.7489447.2013647.5181447.6606747.886420.238.838339.2913139.6495239.8063840.047890.334.7771435.3394835.7518835.9259236.187050.432.4993333.165633.6251233.8144134.092170.531.1503431.8929332.3924132.5929232.883920.630.355631.1215731.652131.8612532.159540.729.9906230.6477231.199531.4144431.719830.830.1614630.3568230.9194931.1388931.443230.931.5040830.1707630.7466630.9677631.27734138.3489430.0543430.6386130.8602631.16708
[0057]
图10为本发明实施例中莱洛三角形内包层折射率为1.340、宽度为1um时,莱洛三角形纤芯光纤的基模形状。
[0058]
由上可知,本发明结构简单,在特定参数范围内,相较于圆形纤芯的普通光纤,具有更大的光学基模有效面积,从而起到抑制光纤中受激布里渊散射效应的效果。
[0059]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原
理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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